化工自动化及仪表

1、习题一、填空题：干扰是指除操作变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素；被控对象是指需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为对象。被控变量是指_对象内要求保持给定数值的工艺变量称为被控变量。 工艺变量诵常分为直接变量，间接变量，安全变量一三大类:直接变量是指和生产过程有着密切关系、或者说存在直接关系的，它的改变决定着产品 的质量和数量。间接变量是指和生产过程没有直接关系，并不直接决定着产品的数量和质量。：安全变量是指既和生产过程没有直接的关系，同时也不存在间接关系，但它们影响着生 产的安全性。给定值是被控变量的预定值称为给定值。它反映的是工艺过程的具体要求。操作变量是指受到控制装置操纵

2、，用以使被控变量保持给定值的物料量或能量。 偏差偏差=实际值-给定值 闭环控制系统诵常包括定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统：定值控制系统是指一被控变量的给定值恒定不变。随动控制系统是指给定值不断变化，而且变化是随机的。程序控制系统是指给定值不断变化，但x=x(t)是已知的。偏差产生的原因诵常分为由于干扰导致实际值发生了变化：给定值发生了变:计量误差而引起的偏差。三个方面。闭环控制系统诵常是由检测元件和变送器：比较机构；调节装置；执行器四个部分组成的。检测元件和变送器的作用是把被控变量y (t)转化为测量值z (t), z (t)是统一标准 信号;比较机构的作用是计算偏差e (t)；调节

3、装置的作用是依据偏差的大小、正负，按 照一定的规律给出调节作用;执行器的作用是 接受调节器送来的信号p (t)，发出相关的信 号，改变操作变量。自动控制系统中流动的是信号流。LC表示的是 液位控制器：L是指 液位：C是指 控制。自动控制系统的静态是指 被控变量y (t)不随时间而变化的平衡状态称为系统的“静 态”；动态是指一被控变量y(t)随时间而变化的平衡状态称为系统的“动态”;过渡过程是 指调节系统在受到外作用下，从一个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称为控制系 统的过渡过程； 干扰的理想形式有 阶跃扰动，斜坡扰动，正弦波扰动， 脉冲扰动：过渡过程的主要形式有非周期衰减过程，又叫单调过

4、程，衰减振荡过程，等幅振荡过 程，发散振荡过程：定值控制系统衰减比通常规定在4： 1 范围内:随动控制系统衰减比通常规定在 10： 1范围内；过渡过程的品质指标有衰减比，振荡周期或频率，余差，最大偏差或超调量：过渡时间。控制诵道是指扰动变量到被控变量之间的信号联系，干扰诵道是指做操作变量到被 控变量之间的信号联系：描述对象的数学模型诵常分为参最模型，非参量模型。 描述对象的反应曲线诵常分为有自衡能力的非周期特性，非自衡非周期特性，振荡特性，反向特性 四种类型。 描述对象特性的三个参数是指 放大系数K , 时间常数T ,滞后时间t : KO的含义是被控变量的变化量与操作变量的变化之比：一般希望该

5、值 大一点： Kf的含义是 被控变量的变化量和扰动幅度之比：一般希望该值小一点： 时间常数的含当七=u0时的充电时间：调节通道To 一般应 合适：Tf一般应 越大。 纯滞后产生的原因是；容量滞后产生的原因是一般是由物料传递需要通过一定阻力而引起的： 双容量对象可以看成一个 单容量对象 和一个 纯滞后过程 组合；一阶对象是指动态方程都是一阶常系数微分方程； 绝对误差是指一测量值与真实值之差：相对误差y是指一某一点的绝对误差和标 准表在该点的指示值之比。精度不仅和 绝对误差有关，也和 仪表的测量范围有关。 仪表的精度通常用.相对百分误差6来表示。仪表等级度值越小，表示仪表精度 高：标准表精度一般为

6、0.05以上。工业生产上感温元件通常有 热电阻， 热电偶 。 热电偶温度计由 热电偶，测量仪表，连接导线三部分组成；热电势eAB和两方面因素有关，一是取决于接触处的金属性质的差异，二是温度 有 关。 热电偶温度补偿方法通常包括校正仪表零点法，补偿电桥法 ： 热电偶温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分;热电偶的分度表是指t0=0C热电偶的冷端温度始终保持在0C上。将E （t，t0）和t之间的一一对应关系作成一个标准的数据表格：分度号是指 热电偶的代号： 在高温区通常采用热电偶作为测温元件，在中、低温区诵常采用热电阻作为 测温元件； 热电阻是由 热电阻（感温元件），显示仪表（

7、不平衡电桥或平衡电桥）， 连接 导线三部分组成； 热电阻温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分;显示仪表又叫 二次仪表：“XCZ”中各字母代表的含义，X显示仪表，C 动圈式磁电式，Z指示仪：“XCT”中各字母代表的含义，X显示仪表，C 动圈式磁电式，T指示调节仪：50 .动圈式显示仪表的外接电阻通常规定为15欧姆：外接调整电阻的作用是 使人总保持不变：外接电阻通常由 热电偶电阻R热， 补偿导线电阻R补， 连接铜导 线电阻R铜，外接调整电阻R调四项组成： 基本控制规律通常包括位式控制（主要指双位控制），比例控制（P）， 积分控 制，微分控制（D）:比例控制规律是研究具有比例控

8、制规律的控制器：比例度6的定义式:/x % x 100%对单元组合仪表，6和、之间的关系为P /（5 =x 100%KP比例度5越大表示比例控制作用越弱，5越小表示比例控制作用 越强；一般工业用调节器的比例度5在以应切范围内；积分调节规律最大的优点是能够消除偏差；输入一输出关系符合P = K, I ledt关系式的调节规律称为积分规律；积分速度的含义是 表示积分控制作用强弱的参数，越大表示积分作用控制越及 时；微分时间TD的含义是 表示微分控制作用强弱的参数，越大表示微分作用 微分作用越强： 气动执行器分为两部分，分别为执行机构、控制机构：与阀芯向下运动时，流通截面积减小 时，叫正装；当阀芯向

9、下运动时，流诵截面积增大 时，叫反奘；控制阀的理想流量特性包括直线流量特蛆，等百分比流量特性，抛物线流量特性，快开特性：可调比R的定义式为R = Qmax / Qmin，国产控制阀可调比R一般为30 :执行器的气开、气关选择的主要依据是 安全状态：被控变量选择的原则有 根据工艺要求，确定直接变量，宜接变量检测和控制有困难， 则选间接变量、依据相律，进一步缩小被控变量的数量范围、根据控制要求，考察各 个候选被控变量的灵敏度、进一步考察工艺变量的工艺合理性：干扰通道存在纯滞后时，对被控变量y没有 影响； 常用的工程整定方法有临界比例度法、 衰减曲线法、经验凑试法： 经验凑试法的原则是看曲线、作分析

10、、调参数、寻最佳： 串级控制系统的特点 两个检测变送器、两个调节器、一个控制阀、两个调 节器之间是有信号流将它们串接在一起，其中一个调节器的输出为另一个调节器的输：对串级控制系统，副控制器作用方向的选择和 简单控制系统作用方向 一样，主控制 器作用方向的选择和调节阀的气开、气关型式 无关；前馈控制系统的特点 这是个开环控制系统（根据信号流走向，信号流在被控对象处 断开）、 一个检测器只能测出一个干扰，所以前馈控制只能克服一种干扰、前馈控制 是基于不变性原理而工作的，控制及时、有效、前馈控制规律不是PID，而是采用由“不 变性原理”决定的“专用”控制规律：前馈控制系统是基于 不变性原理 工作的；

11、 离心泵的控制方案一般包括改变调节阀的开启度、改变泵的转速、改变回流 量： 精馏塔的控制方案中，通常选择塔顶温度、塔底温度、灵敏板温度、 中间温度、 温差控制作为间接被控变量;二、问答题：过渡过程的基本形式有哪几种（用图表示）？简要阐述其特点；工业生产一般需要什么 类型的过渡过程？解：非周期衰减过程，又叫单调过程：特征：被控变量没有来会(沿|轴)的波动，沿 着一侧作缓慢的变化，最后稳定下来；衰减振荡过程：特征：被控变量上下波动，但振幅逐渐减小，最后稳定在某一个值上面;等幅振荡过程：特征：振幅不变；发散振荡过程：特征：振幅不断增大，被控变量最终远离给定值；工业生产一般需要衰减振荡过程试阐述下图所

12、示的温度控制系统为开环的原因？闭环控制系统分为哪三类？简要阐述各类的特点。解：1、定值控制系统：特点：被控变量的给定值恒定不变;2、随动控制系统：特点：给定值不断变化，而且变化是随机的;3、程序控制系统：特点：给定值不断变化，但x=x(t)是已知的。画出简单控制系统的方块图，并简要阐述各环节的作用。图4解：a.b.c.d.5.检测元件和变送器：把被控变量y (t)转化为测量值z (t)，z (t)是统一标准信号。0，比较机构：作用是计算偏差e (t)。调节装置：依据偏差的大小、正负，按照一定的规律给出调节作用。执行器：接受调节器送来的信号p (t)，发出相关的信号，改变操作变量。对下列液位控制

13、对象，试绘图说明被控变量的变化情况。变化情况如右图所示：自身有能力达到新的平衡状态随q增大，h增高，随h增高的增高，Q也随之变大，最终达到新的平衡当输入流量作阶跃变化，试绘图说明被控变量h1、h2的变化情况。解：变化图线如下:随着hl的增高，q1会随之而增大，则h2也会随之而升高，但是h2开始变化比较缓慢，因 为这时/hl增加不多；/h 1增加越高，ql也增加越高，h2的速度会逐渐加快；而h2的升 高，也必然导致q0的加大，即最后阶段h2的变化呈现平缓趋势热电偶冷端温度为什么必须要进行补偿？试简要说明补偿步骤和原理。解：原因：一是冷端和热端很靠近，所以热端温度必然影响到冷端温度；二是热电偶在

14、使用过程中，冷端总是暴露在空气中，冷端温度必然受到周围环境的影响。所以要进行补偿。第一：补偿导线的使用(解决冷端温度恒定)；第二：冷端温度修正法，原理：热电偶 产生的热电势为：虱,t )=虱,0)一虱,0)校仪零即:E(t,0)二虱,t0)+虱0,0)试简要说明补偿电桥法的工作原理。工作蔬800 TC解：假设在某一时刻，冷端温度为t0=0C，显示仪表指针指向800 r，这是实际温度。此时 电桥平衡，a点的电位Ua=Ub（b点电位）。如果另外一个时刻，冷端温度上升，t0微C）。 电桥中的电阻R1、R2、R3是由锰铜丝绕制而成的，电阻值稳定。Rt由铜丝绕制成的，电 阻值随温度的变化而变化。通常将R

15、t和热电偶的冷端连在一起。介质温度升高，电阻值升 高；温度下降，电阻值也下降。现在冷端温度t0升高,Rt也升高。电桥恒压电源电压为R1和Rt组成的桥臂电流压电源负极电位为通常R1R即:始时：Ua=u b，现在负极串联了一个电源。0伏特），则:R- P 就 t - ER1则a点的电位（假设恒R升高，tEERRhJ二tj E ，|_IrR 1+ R 1_ trE，RRiu也升高。因为开Ia Eu u 。这实际上相当于在热电偶的I C1什么是“三线制”？引入“三线制”的作用是什么？解：“三线制”：从热电阻引出三根导线，其中与热电阻相连的两根导线分别接入桥路的 两个相邻桥臂上，第三根导线与稳压电源的负

16、极相连。作用：当环境温度变化时，两根导线 电阻同时变化，便可抵消对仪表读数的影响。结合下图，简要说明电子电位差计的工作过程。说明：日是由锰铜丝绕制而成的滑线电阻，线性度非常好，由 稳压电源供电，电流是恒定的，6是检流计，灵敏度很高，E 是被测的未知电势。测量过程：移动触点:，BC上的电压差UC = IRC = R.七 当移动C时，UBC也跟着改变，当,UC时，检流计指针 不会指向零，只有典=U时，流过检流计的电流=0。 这时E= U。根据触点位置，便可以直接读出值也小。 又U =IR*，所以根据电喉直接读相。BC BCBCBC11.结合下图简要阐述双位控制的过渡过程的特征。双位调节示意图初始状

17、态假设：开始心。电磁阀关闭，时丁开。-当h （t） h时，超过给定值，浮子推开K，断电，由于 中间区的存在，K未立即关上，液位继续上升；直到h（t） =h时，K全关，Q=0，液位下降。下降到最低点，开始循环。1为什么说比例控制作用一定产生余差？说明理由。基本控制规律有哪些？简要说明5、T、TD对过渡过程的影响。解：基本控制规律通常包括1）位式控制（主要指双位控制），2）比例控制（P），3）积 分控制（I） ，4）微分控制（D）；5：比例控制最大优点：反映非常迅速，能很快地克服扰动，使系统稳定下TI短，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降，导致系统的不稳定。Td太大，微分作用强，导致系统振荡；

18、而Td太小或为零，表示微分作用弱或没有，对系统 无影响。为什么说等百分比特性又叫对数特性？与线性特性相比它具有什么优点？控制通道、干扰通道存在纯滞后时，试分别分析它对被控变量的影响。解：如果t0=0，操作变量对y（t）的影响如图中A所示；当纯滞后为T0时，曲线A平移到 B位置，曲线A和C之间的合成就是曲线D，曲线B和C之间的合成为曲线E。很显然， E和D相比恶化多了。控制通道的纯滞后应尽量减少。当干扰通道存在纯滞后时，结论是没有影响。如下图，曲线C表示没有滞后存在，干扰变量对被控变 量的影响，当滞后为Tf时，C平移到C位置。但在Tf时间内，由于y（t）没有变化，操作变量对y（t）也没有影响，所

19、以控制结果也一样，仅仅延迟了滞后时间Tf试分析双闭环比值控制系统和两个简单控制系统相比有哪些优越性？解：1)a、扰动作用于副对象和简单控制系统相比较，当扰动严重时，由于z2、pl同时变动，使得控制作用非常迅速； 而当扰动较小时，由于副对象调节通道的滞后时间比整个对象的滞后时间要短得多，所以控 制也同样非常及时。结论：干扰作用于副对象时，串级控制系统明显优越于简单控制系统b、扰动作用于主对象串级控制系统优越于简单控制系统。c、扰动同时作用于主、副对象2)特征：-1、对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；-2、可以改善对象特性；-3、可以消除调节阀的非线性的影响；-4、可兼顾两个变量。如图

20、1所示换热器，由工艺分析得知：冷物料流量Q1的变化为主要干扰，冷物料出口温 度。2为被控变量，蒸汽流量。2为操作变量，设所有参数不随时间而变化，试基于不变性原Q2相 Q23 1j冷彻粕温废！H幻 冷物fel出口温度甲：孙粕无屋：日土茶汽流宣副理设计相应的控制方案，并写出过程及各环节的作用。对精密精馏，为克服压力的微小波动对产品质量的影响，可以采取温差控制，试说明理 由。解：选取双温差的理由是由压降而引起的温差，不仅出现在顶部，也出现在底部，这种因负 荷引起的温差，在作相减后就相互抵消。双温差控制的实质是一种控制精馏塔进料板附近的组成分布，使得产品质量合格的办法。它可以保证工艺上最好的温度分布曲

21、线，来代替单纯 的控制塔的一端温度（或温差）。三、判断题图4所示是原料油加热炉温度控制系统，试问: 这是个什么类型的控制系统？画出它的方块图； 解：串级控制系统；也就是有气就开，没气就关，所以应当选气开。确定主、副控制器的正、反作用（应说明过程）；解：副回路中执行器操作方式的选择由生产的安全性决定，副控制器的作用方向将按照整个 副回路必须构成负反馈系统的原则进行选择，根据副回路负反馈的要求，被控对象为正作用 方向，所以副调节器应选反作用方向。如果燃料的压力是经常波动的，上述系统应如何改进（绘出实物图）？试画出它的方块图， 并确定主、副控制器的正、反作用（应说明过程）。图5所示是简单贮槽液位控制

22、系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止抽空，试在下面 两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。以Qj为操纵变量；以Q：为操纵变量。解：（1）为安全起见，在自动控制系统出现故障时，即没有控制信号，控制阀应处于关闭状 态，也就是有气就开，没气就关，所以应当选气开。（2）为安全起见，在自动控制系统出现故障时，即没有控制信号，控制阀应处于打开状态， 也就是没气就开，有气就关，所以应当选气关。假定在如图所示的反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但 温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。试确定下图所示两个系统中执行器

23、的正、反作用及控制器的正、反作用。（a）为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解;（b）为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。加热剂冷削四、计算题图2所示是一反应器温度控制系统示意图，工艺要求反应器温度需要控制，通过冷却水流 量的变化可以达到温度控制的目的。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、 操纵变量和可能的干扰？现因生产因素的变化，要求反应温度从开始的120C提高到122C，当给定值作阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示，试求该系统的过渡过程最大偏差、衰减比和余差。的品质指标:解：操作变量：冷却水流量；可能干扰：冷却水温

24、度变化和物料流量变化；最大偏差 A = 122. 8 120. 0 = 2.8C余差C = 121. 2 120. 0 = 1. 2C衰减比 第一个波峰B = 122.8 121.2 = 1.6C第二个波峰 B = 121.6 121.2 = 0.4C1.6两=4 :1为测量某反应器的对象特性，在某瞬间突然将参加反应的反应物的流量从1t/h增加到 1.5t/h,这时反应器出口温度的阶跃变化曲线如图3所示。假设该对象为二阶对象(可以 看成由一个一阶对象和纯滞后对象组成)，试写出描述该对象的微分方程(反应物的流量 为输入量，反应器出口温度为输出量)，并解出反应物的流量作单位阶跃变化时反应器出 口温度变化量的函数表达式。现用一支镍铬一铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30C，显示仪表的机械 零点在0C时，这时指示值为400C，则认为换热器内的温度为430C对不对？为什么？正 确值为多少度？解：不对，因为此时冷端温度为30C，而仪表的指