化工自動化及儀表習(xí)題 合肥工業(yè)大學(xué)(A)

1、習(xí)題課一、 填空題：1干擾是指除操作變量以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素；2被控對象是指 需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過程，稱為對象。3被控變量是指 對象內(nèi)要求保持給定數(shù)值的工藝變量稱為被控變量。4工藝變量通常分為 直接變量 ， 間接變量， 安全變量 三大類；5直接變量是指和生產(chǎn)過程有著密切關(guān)系、或者說存在直接關(guān)系的，它的改變決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。6間接變量是指和生產(chǎn)過程沒有直接關(guān)系，并不直接決定著產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。；7安全變量是指既和生產(chǎn)過程沒有直接的關(guān)系，同時也不存在間接關(guān)系，但它們影響著生產(chǎn)的安全性。 8給定值是被控變量的預(yù)定值稱為給定值。它反映的是工藝過程的具體要求。

2、9操作變量是指受到控制裝置操縱，用以使被控變量保持給定值的物料量或能量。10偏差 偏差=實際值-給定值11閉環(huán)控制系統(tǒng)通常包括定值控制系統(tǒng)， 隨動控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)；12定值控制系統(tǒng)是指 被控變量的給定值恒定不變 。13隨動控制系統(tǒng)是指 給定值不斷變化，而且變化是隨機(jī)的。14程序控制系統(tǒng)是指給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。 15偏差產(chǎn)生的原因通常分為由于干擾導(dǎo)致實際值發(fā)生了變化：給定值發(fā)生了變； 計量誤差而引起的偏差。三個方面。16閉環(huán)控制系統(tǒng)通常是由 檢測元件和變送器； 比較機(jī)構(gòu)；調(diào)節(jié)裝置； 執(zhí)行器 四個部分組成的。17檢測元件和變送器的作用是把被控變量y（t）轉(zhuǎn)化為測量值z（t

3、），z（t）是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號；比較機(jī)構(gòu)的作用是 計算偏差e（t）；調(diào)節(jié)裝置的作用是依據(jù)偏差的大小、正負(fù)，按照一定的規(guī)律給出調(diào)節(jié)作用；執(zhí)行器的作用是 接受調(diào)節(jié)器送來的信號p（t）,發(fā)出相關(guān)的信號，改變操作變量。18自動控制系統(tǒng)中流動的是信號流 。19LC表示的是 液位控制器 ；L是指 液位 ；C是指 控制 。20自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)是指 被控變量y（t）不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的“靜態(tài)”；動態(tài)是指 被控變量y（t）隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的“動態(tài)”；過渡過程是指調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受到外作用下，從一個平衡狀態(tài)進(jìn)入到新的平衡狀態(tài)的整個過程稱為控制系統(tǒng)的過渡過程；21干擾的理想形式有 階躍擾動 ，斜

4、坡擾動 ， 正弦波擾動 ， 脈沖擾動 ；22過渡過程的主要形式有非周期衰減過程，又叫單調(diào)過程，衰減振蕩過程，等幅振蕩過程，發(fā)散振蕩過程；23定值控制系統(tǒng)衰減比通常規(guī)定在 4：1 范圍內(nèi)；隨動控制系統(tǒng)衰減比通常規(guī)定在 10：1 范圍內(nèi)；24過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)有衰減比 ，振蕩周期或頻率 ，余差，最大偏差或超調(diào)量 ； 過渡時間。25控制通道是指擾動變量到被控變量之間的信號聯(lián)系 ，干擾通道是指 做操作變量到被控變量之間的信號聯(lián)系 ；26描述對象的數(shù)學(xué)模型通常分為 參量模型 ，非參量模型 。27描述對象的反應(yīng)曲線通常分為有自衡能力的非周期特性 ， 非自衡非周期特性 ， 振蕩特性 ， 反向特性 四種類型。

5、28描述對象特性的三個參數(shù)是指 放大系數(shù)K ， 時間常數(shù)T ，滯后時間 ；29KO的含義是被控變量的變化量與操作變量的變化之比 ；一般希望該值 大一點 ；Kf的含義是 被控變量的變化量和擾動幅度之比 ；一般希望該值 小一點 ；30時間常數(shù)的含義 當(dāng)時的充電時間 ；調(diào)節(jié)通道To一般應(yīng) 合適 ；Tf一般應(yīng) 越大 。31純滯后產(chǎn)生的原因是 由于信息傳輸需要時間而引起的 ；容量滯后產(chǎn)生的原因是 一般是由物料傳遞需要通過一定阻力而引起的 ；32雙容量對象可以看成一個 單容量對象 和一個 純滯后過程 組合；33一階對象是指 動態(tài)方程都是一階常系數(shù)微分方程 ；34絕對誤差是指 測量值與真實值之差 ；相對誤差

6、y是指 某一點的絕對誤差和標(biāo)準(zhǔn)表在該點的指示值之比 。35精度不僅和 絕對誤差有關(guān) ，也和 儀表的測量范圍有關(guān) 。36儀表的精度通常用 相對百分誤差 來表示。37儀表等級度值越小，表示儀表精度 高 ；標(biāo)準(zhǔn)表精度一般為 0.05 以上。38工業(yè)生產(chǎn)上，感溫元件通常有 熱電阻 ， 熱電偶 。39熱電偶溫度計由 熱電偶 ， 測量儀表 ， 連接導(dǎo)線 三部分組成；40熱電勢eAB和兩方面因素有關(guān)，一是取決于 接觸處的金屬性質(zhì)的差異 ，二是 溫度 有關(guān)。41熱電偶溫度補償方法通常包括校正儀表零點法 ， 補償電橋法 ；42熱電偶溫度變送器結(jié)構(gòu)通常分為 輸入電橋 ， 放大電路 ， 反饋電路 三個部分；43熱電

7、偶的分度表是指t0=0。熱電偶的冷端溫度始終保持在0上。將E（t，t0）和t之間的一一對應(yīng)關(guān)系作成一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表格 ；分度號是指 熱電偶的代號 ；44在高溫區(qū)通常采用 熱電偶 作為測溫元件，在中、低溫區(qū)通常采用 熱電阻 作為測溫元件；45熱電阻是由 熱電阻（感溫元件） ， 顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋） ， 連接導(dǎo)線 三部分組成；46熱電阻溫度變送器結(jié)構(gòu)通常分為輸入電橋 ，放大電路 ，反饋電路三個部分；47顯示儀表又叫 二次儀表 ；48“XCZ”中各字母代表的含義，X 顯示儀表 ，C 動圈式磁電式 ，Z 指示儀 ；49“XCT”中各字母代表的含義，X顯示儀表 ，C 動圈式磁電式 ，T 指示

8、調(diào)節(jié)儀 ；50動圈式顯示儀表的外接電阻通常規(guī)定為15歐姆 ；外接調(diào)整電阻的作用是 ；外接電阻通常由 熱電偶電阻， 補償導(dǎo)線電阻， 連接銅導(dǎo)線電阻， 外接調(diào)整電阻四項組成；51基本控制規(guī)律通常包括 位式控制（主要指雙位控制） ，比例控制（P） ， 積分控制（I） ， 微分控制（D） ；52比例控制規(guī)律是研究 具有比例控制規(guī)律的控制器 ；53比例度的定義式對單元組合儀表，和kp之間的關(guān)系為 54比例度越大表示比例控制作用越弱 ，越小表示比例控制作用 越強 ；55一般工業(yè)用調(diào)節(jié)器的比例度在5250% 范圍內(nèi)；56積分調(diào)節(jié)規(guī)律最大的優(yōu)點是能夠消除 偏差 ；57輸入輸出關(guān)系符合關(guān)系式的調(diào)節(jié)規(guī)律稱為積分規(guī)

9、律；58積分速度kI的含義是 表示積分控制作用強弱的參數(shù) ，kI越大表示積分作用控制越及時 ；59微分時間TD的含義是 表示微分控制作用強弱的參數(shù) ，TD越大表示微分作用 微分作用越強 ；60氣動執(zhí)行器分為兩部分，分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu) 、 控制機(jī)構(gòu) ；61當(dāng)閥芯向下運動時，流通截面積減小 時，叫正裝；62當(dāng)閥芯向下運動時，流通截面積增大 時，叫反裝；63控制閥的理想流量特性包括直線流量特性 ，等百分比流量特性 ，拋物線流量特性 ，快開特性 ；64可調(diào)比R的定義式為，國產(chǎn)控制閥可調(diào)比R一般為 30 ；65執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)選擇的主要依據(jù)是 安全狀態(tài) ；66被控變量選擇的原則有 根據(jù)工藝要求，確定直接變

10、量，直接變量檢測和控制有困難，則選間接變量 、 依據(jù)相律，進(jìn)一步縮小被控變量的數(shù)量范圍 、 根據(jù)控制要求，考察各個候選被控變量的靈敏度 、 進(jìn)一步考察工藝變量的工藝合理性 ；67干擾通道存在純滯后時，對被控變量y 沒有 影響；68常用的工程整定方法有臨界比例度法 、 衰減曲線法 、 經(jīng)驗湊試法 ； 69經(jīng)驗湊試法的原則是看曲線 、 作分析 、調(diào)參數(shù) 、尋最佳 ；70串級控制系統(tǒng)的特點 兩個檢測變送器 、 兩個調(diào)節(jié)器 、 一個控制閥 、 兩個調(diào)節(jié)器之間是有信號流將它們串接在一起，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出為另一個調(diào)節(jié)器的輸 ；71對串級控制系統(tǒng)，副控制器作用方向的選擇和 簡單控制系統(tǒng)作用方向 一樣，主

11、控制器作用方向的選擇和調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式 無關(guān)；72前饋控制系統(tǒng)的特點 這是個開環(huán)控制系統(tǒng)（根據(jù)信號流走向，信號流在被控對象處斷開） 、 一個檢測器只能測出一個干擾，所以前饋控制只能克服一種干擾 、 前饋控制是基于不變性原理而工作的，控制及時、有效 、 前饋控制規(guī)律不是PID，而是采用由“不變性原理”決定的“專用”控制規(guī)律 ；73前饋控制系統(tǒng)是基于 不變性原理 工作的；74離心泵的控制方案一般包括 改變調(diào)節(jié)閥的開啟度 、 改變泵的轉(zhuǎn)速 、改變回流量 ；75精餾塔的控制方案中，通常選擇塔頂溫度 、 塔底溫度 、靈敏板溫度 、 中間溫度 、 溫差控制 作為間接被控變量；二、問答題：1 過渡過程

12、的基本形式有哪幾種（用圖表示）？簡要闡述其特點；工業(yè)生產(chǎn)一般需要什么類型的過渡過程？解：非周期衰減過程，又叫單調(diào)過程：特征：被控變量沒有來會（沿t軸）的波動，沿著一側(cè)作緩慢的變化，最后穩(wěn)定下來；衰減振蕩過程：特征：被控變量上下波動，但振幅逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一個值上面；等幅振蕩過程：特征：振幅不變；發(fā)散振蕩過程：特征：振幅不斷增大，被控變量最終遠(yuǎn)離給定值；工業(yè)生產(chǎn)一般需要衰減振蕩過程2 試闡述下圖所示的溫度控制系統(tǒng)為開環(huán)的原因？3 閉環(huán)控制系統(tǒng)分為哪三類？簡要闡述各類的特點。解：1、定值控制系統(tǒng)：特點：被控變量的給定值恒定不變 ； 2、隨動控制系統(tǒng)：特點：給定值不斷變化，而且變化是隨機(jī)的；3

13、、程序控制系統(tǒng)：特點：給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。4 畫出簡單控制系統(tǒng)的方塊圖，并簡要闡述各環(huán)節(jié)的作用。解：a檢測元件和變送器：把被控變量y（t）轉(zhuǎn)化為測量值z（t），z（t）是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。b“O”比較機(jī)構(gòu)：作用是計算偏差e（t）。c調(diào)節(jié)裝置：依據(jù)偏差的大小、正負(fù)，按照一定的規(guī)律給出調(diào)節(jié)作用。d執(zhí)行器：接受調(diào)節(jié)器送來的信號p（t）,發(fā)出相關(guān)的信號，改變操作變量。5 對下列液位控制對象，試?yán)L圖說明被控變量的變化情況。 解：變化情況如右圖所示：自身有能力達(dá)到新的平衡狀態(tài)隨q增大， h增高，隨h增高的增高，Q也隨之變大，最終達(dá)到新的平衡6 當(dāng)輸入流量qi作階躍變化，試?yán)L圖說明被控變量h

14、1、h2的變化情況。解：變化圖線如下：隨著h1的增高，q1會隨之而增大，則h2也會隨之而升高，但是h2開始變化比較緩慢，因為這時h1增加不多；h1增加越高，q1也增加越高，h2的速度會逐漸加快；而h2的升高，也必然導(dǎo)致q0的加大，即最后階段h2的變化呈現(xiàn)平緩趨勢 7 熱電偶冷端溫度為什么必須要進(jìn)行補償？試簡要說明補償步驟和原理。解：原因：一是冷端和熱端很靠近，所以熱端溫度必然影響到冷端溫度；二是熱電偶在使用過程中，冷端總是暴露在空氣中，冷端溫度必然受到周圍環(huán)境的影響。所以要進(jìn)行補償。第一：補償導(dǎo)線的使用（解決冷端溫度恒定）；第二：冷端溫度修正法，原理：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為：第三：校正儀表零點法

15、8 試簡要說明補償電橋法的工作原理。解：假設(shè)在某一時刻，冷端溫度為t0=0，顯示儀表指針指向800，這是實際溫度。此時電橋平衡，a點的電位Ua=Ub（b點電位）。如果另外一個時刻，冷端溫度上升，t0 t0（0）。 電橋中的電阻R1、R2、R3是由錳銅絲繞制而成的，電阻值穩(wěn)定。Rt由銅絲繞制成的，電阻值隨溫度的變化而變化。通常將Rt和熱電偶的冷端連在一起。介質(zhì)溫度升高，電阻值升高；溫度下降，電阻值也下降。9 什么是“三線制”？引入“三線制”的作用是什么？解：“三線制”：從熱電阻引出三根導(dǎo)線，其中與熱電阻相連的兩根導(dǎo)線分別接入橋路的兩個相鄰橋臂上，第三根導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源的負(fù)極相連。作用：當(dāng)環(huán)境溫度變

16、化時，兩根導(dǎo)線電阻同時變化，便可抵消對儀表讀數(shù)的影響。10.結(jié)合下圖，簡要說明電子電位差計的工作過程。11.結(jié)合下圖簡要闡述雙位控制的過渡過程的特征。12.為什么說比例控制作用一定產(chǎn)生余差？說明理由。13.基本控制規(guī)律有哪些？簡要說明、TI、TD對過渡過程的影響。解：基本控制規(guī)律通常包括1）位式控制（主要指雙位控制） ，2）比例控制（P）， 3）積分控制（I） ，4）微分控制（D） ；：比例控制最大優(yōu)點：反映非常迅速，能很快地克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下TI短，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。Td太大，微分作用強，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩；而Td太小或為零，表示微分作用弱或沒有，對系統(tǒng)

17、無影響。14.為什么說等百分比特性又叫對數(shù)特性？與線性特性相比它具有什么優(yōu)點？15.控制通道、干擾通道存在純滯后時，試分別分析它對被控變量的影響。解：如果0=0，操作變量對y(t)的影響如圖中A所示；當(dāng)純滯后為0時，曲線A平移到B位置，曲線A和C之間的合成就是曲線D，曲線B和C之間的合成為曲線E。很顯然，E和D相比惡化多了?？刂仆ǖ赖募儨髴?yīng)盡量減少。 當(dāng)干擾通道存在純滯后時，結(jié)論是沒有影響。如下圖，曲線C表示沒有滯后存在，干擾變量對被控變量的影響，當(dāng)滯后為f時，C平移到C位置。但在f時間內(nèi)，由于y(t)沒有變化，操作變量對y(t)也沒有影響，所以控制結(jié)果也一樣，僅僅延遲了滯后時間f16.試分

18、析雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和兩個簡單控制系統(tǒng)相比有哪些優(yōu)越性？解：1)a、擾動作用于副對象和簡單控制系統(tǒng)相比較，當(dāng)擾動嚴(yán)重時，由于z2、p1同時變動，使得控制作用非常迅速；而當(dāng)擾動較小時，由于副對象調(diào)節(jié)通道的滯后時間比整個對象的滯后時間要短得多，所以控制也同樣非常及時。結(jié)論：干擾作用于副對象時，串級控制系統(tǒng)明顯優(yōu)越于簡單控制系統(tǒng)b、擾動作用于主對象串級控制系統(tǒng)優(yōu)越于簡單控制系統(tǒng)。c、擾動同時作用于主、副對象2)特征： 1、對進(jìn)入副回路的擾動具有較迅速、較強的克服能力； 2、可以改善對象特性； 3、可以消除調(diào)節(jié)閥的非線性的影響； 4、可兼顧兩個變量。17.如圖1所示換熱器，由工藝分析得知：冷物料流量Q

19、1的變化為主要干擾，冷物料出口溫度2為被控變量，蒸汽流量Q2為操作變量，設(shè)所有參數(shù)不隨時間而變化，試基于不變性原理設(shè)計相應(yīng)的控制方案，并寫出過程及各環(huán)節(jié)的作用。18對精密精餾，為克服壓力的微小波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，可以采取溫差控制，試說明理由。解：選取雙溫差的理由是由壓降而引起的溫差，不僅出現(xiàn)在頂部，也出現(xiàn)在底部，這種因負(fù)荷引起的溫差，在作相減后就相互抵消。雙溫差控制的實質(zhì)是一種控制精餾塔進(jìn)料板附近的組成分布，使得產(chǎn)品質(zhì)量合格的辦法。它可以保證工藝上最好的溫度分布曲線，來代替單純的控制塔的一端溫度（或溫差）。三、判斷題1圖4所示是原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)，試問：這是個什么類型的控制系統(tǒng)？畫出它

20、的方塊圖；解：串級控制系統(tǒng)；為安全起見，加熱爐不允許空燒，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式（應(yīng)說明過程）；解：為安全起見，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即沒有控制信號，控制閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，也就是有氣就開，沒氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣開。確定主、副控制器的正、反作用（應(yīng)說明過程）；解：副回路中執(zhí)行器操作方式的選擇由生產(chǎn)的安全性決定，副控制器的作用方向?qū)凑照麄€副回路必須構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則進(jìn)行選擇，根據(jù)副回路負(fù)反饋的要求，被控對象為正作用方向，所以副調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用方向。如果燃料的壓力是經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應(yīng)如何改進(jìn)(繪出實物圖)？試畫出它的方塊圖，并確定主、副控制器的正、反作用（應(yīng)說明過程）。2圖5所示是

21、簡單貯槽液位控制系統(tǒng)，為安全起見，貯槽內(nèi)液體嚴(yán)格禁止抽空，試在下面兩種情況下，分別確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及控制器的正、反作用。以Qi為操縱變量；以Qo為操縱變量。解：（1）為安全起見，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即沒有控制信號，控制閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，也就是有氣就開，沒氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣開。(2) 為安全起見，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即沒有控制信號，控制閥應(yīng)處于打開狀態(tài)，也就是沒氣就開，有氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣關(guān)。3.假定在如圖所示的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中，反應(yīng)器內(nèi)需維持一定溫度，以利反應(yīng)進(jìn)行，但溫度不允許過高，否則有爆炸危險。試確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。4.試確定下圖所示兩個系統(tǒng)中執(zhí)行器的正、反作用及控制器的正、反作用。（a）為一加熱器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能過高，否則容易分解；（b）為一冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能太低，否則容易結(jié)晶。四、計算題1. 圖2所示是一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖，工藝要求反應(yīng)器溫度需要控制，通過冷卻水流量的變化可以達(dá)到溫度控制的目的。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、操縱變量和可能的干擾？現(xiàn)因生產(chǎn)因素的變化，要求反應(yīng)溫度從開始的120提高到122，當(dāng)給定值作階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖所示，試