化工仪表及自动化作业参考答案

第一章自动控制系统基本概念

1. 什么是化学自动化？它的意义是什么？

答:在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。

实现化工自动化可以加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量，降低劳动强度，保证生产安全，为逐步消除体力劳动和脑力劳动的差异创造条件。

2. 化工自动化主要包括哪些内容？

答：化工生产过程自动化一般包括自动检测、自动操作、自动保护和自动控制。

3. 自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？

答：自动控制系统主要由两部分组成。其中一部分是一套完整的控制自动化装置。对于常规仪器，它包括检测元件、变送器、控制器、执行器等；另一部分是由自动化装置控制的被控对象。

在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器,执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流人（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。

什么是操纵变量？

受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

（或：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量）

4. 闭环控制系统和开环控制系统的区别是什么？

答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。

闭环自动控制是指控制器与被控对象之间具有正向控制和反向连接的自动控制。如图1-1（a）所示，它是一个闭环自动控制。在图中，控制器接收检测元件和变送器发送的测量信号，将其与设定值进行比较，得到偏差信号，然后根据偏差的大小和方向调整蒸汽阀的开度，改变蒸汽流量，使热料出口温度回到设定值。从图IT（b）所示的控制系统框图

可以清楚地看出，控制变量(蒸汽流量)通过受控对象影响受控变量，受控变量通过自动控制装置影响控制变量。从信号传输关系的角度来看，它构成了一个闭环。

(a) (b)

图1-1闭环自动控制的基本结构

开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

有两个开环控制系统。一个根据设定值进行控制，如图1-2(a)所示。该控制模式的控制变量(蒸汽流量)与设定值保持一定的函数关系。当设定值改变时，控制变量随之改变，然后改变控制变量。另一种是根据扰动进行控制，即所谓的前馈控制系统，如图1-2

(b) 所示。这种控制方法是测量干扰信号，根据其变化产生相应的控制效果，然后改变控制变量。

制药过程控制原理与仪表

(a)设定值控制的开环系统(b)扰动控制的开环系统

图1-2开环控制系统基本结构

开环控制系统不能自动检测控制变量的变化，也不能判断控制变量的校正效果是否适合实际需要。

5. 什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？

答：将系统(或链路)的输出信号直接或通过某些链路返回输入端的方法称为反馈。

反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈反之为正反馈。

6. 根据设定值的形式，闭环控制系统可分为哪些类型？

在闭环控制系统中，按照设定值的不同形式又可分为：(1)定值控制系统；(2)随动控制系统；(3)程序控制系统。

7. 控制系统的静态和动态是什么？

答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输人(设定值和干扰)及输出(被控变量)都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输人、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。

系统的动力学是一种不平衡状态，其中受控变量随时间变化。当处于初始相对平衡状态的系统受到干扰影响时，其平衡状态被破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变初始状态，产生相应的控制效果，改变控制变量，克服干扰的影响，努力恢复平衡状态。从扰动的发生到控制，直到系统重新建立平衡，在此期间，整个系统处于变化状态。9.控制系统运行的基本要求是什么？

答:自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应保证满足一定的精度要求或某些规定的性能指标，但最基本的要求是稳定的，也就是说系统投人运行后，被控变量不致失控而发散。

10.在阶跃扰动作用下，自动控制系统过渡过程的基本形式是什么？哪些过渡过程基本上可以满足控制要求？

答:过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。①发散振荡过程；②非振荡发散过程；③等幅振荡过程；④衰减振荡过程；⑤非振荡衰减过程。

在上述五种形式的过渡过程中，无振荡衰减过程和衰减振荡过程均为稳定过程，基本能满足控制要求。然而，由于受控变量在非振荡衰减过程中达到新稳态值的过程缓慢，受控变量长期偏离设定值，因此一般不使用。只有当生产过程不允许受控变量振荡时，才能考虑这种形式的过渡过程。11.衰减振荡过程的质量指标是什么？

答:衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）等。12、什么是传递函数？

答：对于图1-6所示的线性系统，当初始条件为零时，其输出与输入的拉普拉斯公式之比为系统

g（s）?在复数S域的输出与输人之比，称为系统的传递函数，记为

y（s）x（s）

图1-6系统的输人输出关系

第二节实例分析

1. 在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体

将裂解气温度降至规定值。

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制药过程控制原理与仪器

图1-9是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度

要求控制在(15±1.5)°C。如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。

图1-9丙烯冷却器温度控制系统示意图

(1) 指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？(2)试画出该控制系统的组成方块图。

(3)试着比较图1-9及其方框图，以说明控制变量的信号流向与材料的实际流向不同。解决方案

(1) 在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。

(2) 系统框图如图1-10所示。

图1-10丙烯冷却器温度控制系统方块图

注：e为乙烯裂解气出口温度；esp为乙烯裂解气出口温度设定值

(3) 在图1-9中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。

2•化学反应器工艺的规定操作温度为(900±10)°C。考虑安全因素

素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80°C。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-13所示。试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。

图1-13过渡过程曲线

解由过渡过程曲线可知最大偏差a=950-900=50°C衰减比第一个波峰值b=950-908=42°C第二个波峰值b'=918-908=10°C衰减比n=42:10=4.2振荡周期t=45-9=36min余差c=908-900=8°C

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制药过程控制原理与仪表

过渡时间为47分钟。由于最大偏差为50C，且不超过80°C，因此满足问题中最大偏差的工艺要求。

第三节习题

2. 锅炉是化工、炼油等企业常用的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量和锅炉安全的重要参数。如果水位过高，蒸汽会带来液体，降低蒸汽的质量和产量，甚至损坏后续设备如果水位过低，会影响汽液平衡，或使锅炉干燥，甚至引起爆炸。因此，必须严格控制汽包水位。图1-27是简单锅炉汽包水位控制示意图。要求如下：

（1）画出该控制系统方块图；

（2）系统中的被控对象、被控变量、控制变量和干扰变量是什么？

图1-27锅炉汽包水位控制示意图

答：（1）锅炉汽包水位控制系统框图如图1-36所示。

图1-36锅炉汽包水位控制系统方块图

注：H为锅炉汽包水位；H0为锅炉汽包水位设定值

（2）被控对象：锅炉汽包。

受控变量：锅炉汽包水位。控制变量：锅炉供水。

扰动量：冷水温度、压力，蒸汽压力、流量，燃烧状况等。

6.图1-31显示了在阶跃扰动作用下的一组过渡过程曲线。（1）指出每个过程曲线的名称；

（2）试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求？哪些不能？为什么？

（a）（b）（c）（d）

图1-31过渡过程曲线

答复:

（1）（a）等幅振荡；（b）衰减振荡；（c）非振荡衰减；（d）发散振荡。

（2）（b）、（c）基本能满足控制要求，（a）、（d）不能。因为对应于（b）、

（c）的过渡过程是稳定的。

8•某化学反应器工艺规定操作温度为（800±10）°C。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850C。现运行的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1-33所示。

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制药过程控制原理与仪表

（1）分别计算了最大偏差、残余误差、衰减比、过渡时间（当温度进入±2%的新稳态值

时，认为系统已经稳定）和振荡周期。

（2）说明此温度控制系统是否满足工艺要求。

图1-33温控系统过渡过程曲线

答：最大偏差：a=45°C。余差：c=5°C。衰减比：n=4:l。

过渡时间：TS=25分钟。振荡周期：T=13分钟。该系统符合正一的要求。

第二章过程特性及其数学模型

我喜欢解决问题

1. 什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？

答：受控对象的特性是指受控对象的输入和输出之间的关系。也就是说，当受控对象的输入发生变化时，对象的输出如何变化，变化的速度以及变化的最终值。对象的输入具有控制和干扰功能，输出为被控变量。因此，为了讨论对象的特性，我们应该讨论控制作用通过控制通道对受控变量的影响，以及干扰作用通过干扰通道对受控变量的影响。

定量地表达对象输人输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。

2. 什么是控制通道？什么是干扰通道？在反馈控制系统中，它们是

怎样影响被控变量的？

答：扰动变量和控制变量都是作用在被控对象上的输入，这将导致被控变量的变化。干扰变量影响受控变量变化的通道称为干扰通道，控制变量影响受控变量变化的通道称为控制通道，如图2-1所示。

图2-1干扰输人变量、控制输人变量与对象输出变量之间的关系

在反馈控制系统中，干扰变量总是通过干扰通道破坏系统的平衡状态，使被控变量离开设定值。为了抵抗和抵消干扰变量的影响，自动装置必须通过控制通道不断施加控制（即控制变量），努力使受控变量始终保持在工艺生产所需的技术指标（即设定值）上。

3. 简述建立对象数学模型的主要方法。

答：首先是机理分析。二是实验测量方法。上述两种方法也称为机理建模和实验建模将上述两种方法结合起来称为混合建模。

4. 稳态数学模型与动态数学模型有什么不同？