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. 什么是化工自动化？它有什么重要意义？

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，能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

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、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。

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大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受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。

什么叫操纵变量？

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. 闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？

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既有顺向控制又有反向联系的自动控制。如图1-1 ( a)即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。从图1-1, (b)所示的控制系统方块图可以清楚看出，操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。

(a) (b)

图1-1 闭环自动控制基本结构

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。

开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2 (a)所示。这种控制方式的操纵变量(蒸汽流量)与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2 (b)所示。这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。

制药过程控制原理与仪表

(a)按设定值进行控制的开环系统 (b)按扰动进行控制的开环系统

图1-2开环控制系统基本结构

开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。

5. 什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？

答:把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。

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，闭环控制系统可以分为哪几类？

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. 什么是控制系统的静态与动态？

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。

系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值，此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间中整个系统都处于变动状态中。 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，自动控制系统的过渡过程有哪些基本形式？哪些过渡过程能基本满足控制要求？

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。

在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。 11.衰减振荡过程的品质指标有哪些？

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:对于如图1-6所示的线性系统，在初始条件为零时，它的输出与输入的拉普拉斯式之比，即系统

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 例 题 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

的热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。

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制药过程控制原理与仪表

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)℃。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)试比较图1-9及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。 解

(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)该系统方块图如图1-10所示。

图1-10丙烯冷却器温度控制系统方块图

注：θ为乙烯裂解气的出口温度；θsp为乙烯裂解气的出口温度设定值

(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. 某化学反应器工艺规定的操作温度为(900±10)℃。考虑安全因

素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。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℃ 衰减比 第一个波峰值B=950-908=42℃ 第二个波峰值B'=918-908=10℃ 衰减比n=42:10=4.2 振荡周期 T=45-9=36min 余差 C=908-900＝8℃

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制药过程控制原理与仪表

过渡时间为 47min。 由于最大偏差为50℃，不超过80℃，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。

第三节 习 题

2.锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-27是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：

(1)画出该控制系统方块图；

(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？

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方块图如图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。

被控变量：锅炉汽包水位。 操纵变量：锅炉给水量。

扰动量：冷水温度、压力，蒸汽压力、流量，燃烧状况等。

6.图1-31为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。 (1)指出每种过程曲线的名称；

(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：

(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)能基本满足控制要求，(a), (d)不能。因为(b), (c)对应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)℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。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)分别求出最大偏差、余差、衰减比、过渡时间(温度进入按±2％新稳态值即视为系统已稳定来确定)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 温度控制系统过渡过程曲线

答：最大偏差：A=45℃。 余差：C=5℃。 衰减比：n=4:1。

过渡时间：Ts=25min。 振荡周期：T=13min。 该系统满足正艺要求。

第二章 过程特性及其数学模型

一. 问题解答

1. 什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？

答:被控对象特性是指被控对象输人与输出之间的关系。即当被控对象的输人量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输人量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。

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:干扰变量与控制变量都是作用于被控对象的输人量，它们都会引起被控变量变化。由干扰变量影响被控变量变化的通道称干扰通道，由控制变量影响被控变量变化的通道称控制通道，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。为了对抗和抵消干扰变量的影响，就必须由自动化装置不断地施加控制作用(即操纵变量)通过控制通道，力图使被控变量始终保持在工艺生产所要求控制的技术指标(即设定值)上。

3. 简述建立对象数学模型的主要方法。

答:一是机理分析法。二是实验测取法。以上两种方法又称机理建模和实验建模，将以上两种方法结合起来，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？

答:稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输人量改变以后输出量的变化情况。稳态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。 6.为什么说放大系数K是对象的静态特性？而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

答:放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

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