1、12第一章第一章 自動控制系統基本概念自動控制系統基本概念一、基本要求一、基本要求1. 掌握自動控制系統的組成，了解各組成部分的作用以及相互影響和聯系；2. 掌握自動控制系統中常用術語，了解方塊圖的意義及畫法；3. 掌握管道及控制流程圖上常用符號的意義；4. 了解控制系統的分類形式，掌握系統的動態特性和靜態特性的意義；5. 掌握閉環控制系統在階躍干擾作用下，過渡過程的形式和過渡過程的品質指標。二、問題解答二、問題解答1何謂化工自動化？3 所謂自動化是在工藝設備上，配備一些自動化裝置，用它們來代替操作人員的（部分）直接勞動，使生產在不同程度上按照規定的要求自動地進行，也即：2自動控制系統主要由哪

2、些環節組成？各部分的作用是什么？ 自動控制系統主要由被控對象、測量元件及變送器、執行器、控制器組成。其作用：測量元件及變送器用來感受被控變量的變化并將它轉換成一種特定信號；控制器將測量元件及變送器送來的測量信號與給定值相比較得出偏差，根據其大小按某種規律進行運算后，將運算結果用特定信號發送給執行器；執行器能自動地根據控制器送來的信號相應地改變流入（或流出）被控對象的物料或能量，克服干擾的影響。43簡述過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質指標的含義 過渡過程的基本形式有：衰減振蕩過程、非振蕩衰減過程、等幅振蕩過程、發散振蕩過程。 最大偏差A：指過渡過程中被控變量偏離給定值的最大數值；衰減比：是指

3、過渡過程曲線上同方向第一個波的峰值與第二個波的峰值之比；余差：過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值的差值；過渡時間：控制系統受干擾作用后，被控變量從原穩定狀態回復到新的平衡狀態所經歷的最短時間。4. 自動化系統中，儀表符號由哪幾部分組成，各表示什么意義？儀表位號由字母組合和回路編號組成： 字母組合：首字母被側變量，尾字母儀表功能，中字母修飾詞 回路編號：首位數工序號；后續數順序號(位號）55. 什么叫負反饋？將系統的輸入信號直接或經過一些環節后又返回輸入端并且使原信號減弱的作法叫負反饋。6. 控制系統按被調參數的變化規律可分為哪幾類？簡述每種形式的基本含義。 開環自動控制系統：操

4、縱變量可以改變被控變量，但被控變量對操縱變量沒有影響。 閉環自動控制系統：操縱變量可以改變被控變量，被控變量又對操縱變量產生影響。 定值控制系統：給定值為常數； 隨動控制系統：給定值為變數，要求跟隨變化； 程序控制調節系統：按預定時間順序控制參數。67. 簡述被控對象、被控變量、操縱變量、擾動量、設定值、偏差的含義？被控對象：自動控制系統中，工藝參數需要控制的生產過程、設備和機器。被控變量：被控對象內要求保持設定數值的工藝參數。操縱變量：受控制器操縱的，用以克服干擾的影響使被控變量保持設定制的物料量或能量。擾動量：除操縱變量外，作用于被控變量并引起被控變量變化的量。設定值：被控變量的預定值。偏

5、差：被控變量的設定值于與實際值之差。78. 自動控制系統由那些環節組成？各部分的作用是什么？ 自動控制系統主要由兩大部分組成。一部分是起控制作用的全套自動化裝置，對于常規儀表來說，它包括檢測元件及變送器、控制器、執行器等；另一部分是受自動化裝置控制的額被控對象。 在自動控制系統中，檢測元件及變送器用來感受被控變量的變化并將它轉換成一種特定信號（如氣壓信號或電壓、電流信號等）。控制器將檢測元件及變送器送來的測量信號與工藝上需要保持的設定值信號進行比較得出偏差，根據偏差的大小及變化趨勢，按預先設計好的控制規律進行運算后，將運算結果用特定的信號（如氣壓信號或電流信號）發送給執行器。執行器自動地根據控

6、制器送來的信號值相應地改變流入（或流出）被控變量的物料量或能量，克服擾動的影響，最終實現控制要求。8三、例題分析三、例題分析1.如圖所示為一自力式貯槽水位控制系統。（1）指出系統中的被控對象、被控變量、操縱變量是什么？（2）試畫出該系統的方塊圖。（3）試分析當出水量突然增大時該系統如何實現水位控制？ 解：（1）該系統中貯槽為被控對象；貯槽中的水位為被控變量；進水量為操縱變量。9（2）方塊圖如右：（3）當貯槽的出水量突然增大，出水量大于入水量，石水位下降，浮球隨之下移，通過杠桿裝置帶動針形閥下移，增大了進水量，使出水量與入水量差隨之減小水位下降變緩，直至進水量與出水量又相等，水位停止下降，重新穩

7、定，實現了水位控制。102.某發酵過程工藝規定操作溫度為（402），考慮到發酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不能超過6。現設計一定值控制系統，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如圖所示。試確定該系統的最大偏差、衰減比、余差、過渡時間和振蕩周期等過渡過程指標，并回答該系統能否滿足工藝要求？11解：由反應曲線可知：最大偏差：A45405余差：C41401 衰減比：第一個波峰值B 45414 第二個波峰值B42411 n=B/B41過渡時間：由題要求，被控變量進入新穩態值的2就可以為過渡過程已經結束，那么限制范圍應是41 2 0.82；由圖可以看出，過渡時間TS23min振蕩周期：T18513min

8、。123. 如圖所示為硫酸生產中的沸騰爐。請說明圖中位號和圖形的含義。1314第二章第二章 被控對象的數學模型被控對象的數學模型一、基本要求一、基本要求1. 了解建立被控對象數學模型的意義及數學模型的建立方法；2. 掌握用機理建模的方法，建立簡單對象的數學模型；3. 掌握表征被控對象特性的三個參數放大倍數K、時間常數T、滯后時間的物理意義及其對控制質量的影響；4. 了解被控對象特性的實驗測定方法。二、問題解答二、問題解答1什么是對象的特性？什么是對象的數學模型？ 被控對象的特性是指當被控對象的輸入量發生變化時，對象的輸出量是如何變化、變化快慢程度及最終變化的數值等。定量地表達對象輸入輸出關系的

9、數學表達式，稱為對象的數學模型。152簡述對象特性參數的物理意義及其對控制過程的影響。放大倍數K：放大倍數K在數值上等于對象處于穩定狀態時輸出的變化量與出入的變化量之比，由于放大倍數K反映的是對象處于穩定狀態下的輸出和輸入之間的關系，所以放大倍數是描述對象靜態特性的參數。放大倍數K大，控制作用強，但K過大會使系統的穩定性下降。時間常數T：時間常數T是指當對象受階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩態值所需的時間。時間常數T等于對象的容量系數與阻力系數的乘積，即：時間常數T是反映被控變量變化快慢的參數，因此它是對象的一個重要的動態參數。時間常數T大被控變量的變化比較緩慢，但過渡

10、時間變長；若時間常數T小則被控變量的變化速度快，不易控制，所以T應適中考慮。16滯后時間：對象的輸出落后于輸入變化的時間為滯后時間，它是純滯后時間與容量滯后時間的總和。純滯后一般由于介質的輸送或能量的傳遞需一定時間引起；容量滯后則由于介質的輸送或能量的傳遞需克服一定的阻力所致。滯后時間的存在，使得控制作用總落后于被控變量的變化，造成被控變量的最大偏差增大，使控制質量下降。因此應盡量減小滯后時間。3.簡述獲取對象特性（數學模型）的兩種方法。理論分析法：通過理論分析建立輸入和輸出之間的關系。例如：一階對象、積分對象、二階對象實驗測取法：在實際系統或實驗系統中，通過一組輸入來考察輸出的跟隨變化規律。

11、常見的有：多點擬合法、階躍輸入法和周期脈沖法。17三、例題分析三、例題分析 為了測定某物料干燥筒的對象特性，在某一瞬間突然將蒸汽量從25m3/h增加到28m3/h，物料出口溫度記錄儀得到的響應曲線如圖所示。試寫出描述物料干燥筒特性的微分方程（溫度變化作為輸出變量，加熱蒸汽的量作為輸入變量；溫度測量儀表的測量范圍0200C；流量測量儀表的測量范圍040m3/h）。18解：由階躍反應曲線可知：放大倍數時間常數T=4min滯后時間=2min所以，物料干燥筒特性的微分方程為：式中：T物料干燥筒溫度變化量； 加熱蒸汽流量變化量。240/ )2528(200/ )120150(K)(2)2()2(ttTd

12、ttdT19第三章第三章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器一、基本要求一、基本要求1掌握儀表精度的意義與測量誤差的關系。2了解儀表的性能指標。3初步掌握各種壓力檢測儀表的基本原理及壓力表的選用方法。4了解各種流量計的測量原理。重點是差壓式流量計及轉子流量計。5了解各種液位測量方法。初步掌握液位測量中零點遷移的意義及計算方法。6掌握熱電偶溫度計及熱電阻溫度計的測溫原理。熟悉熱電偶溫度測量中的冷端溫度補償的作用及方法。7了解電動溫度變送器的作用及原理。20二、問題解答二、問題解答1檢測儀表的主要性能指標有哪些？ 測量誤差（絕對誤差、相對誤差、允許誤差）、精確度、靈敏度、指示變差等。2試述彈簧管壓力

13、表的基本工作原理。彈簧管壓力表是利用彈簧管在正壓或負壓的作用下，自由端產生位移，帶動傳動機構指針偏轉，從而指示出壓力值的。3什么是節流現象？標準節流裝置有哪幾種？應用最廣泛的是哪種？流體在有節流裝置的管道中流動時，在節流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產生差異的現象稱為節流現象。標準節流裝置有三種：標準孔板、標準噴嘴、標準文丘里管。應用最廣泛的是標準孔板。214什么是液位測量時的零點遷移問題？怎樣進行遷移？其實質是什么？當被測液位為零時，將差壓變送器輸出零點所對應的輸入差壓由零遷移到某一不為零的數值，稱為液位測量時的零點遷移。測量始點由零變為某一正值叫正遷移，若變為某一負值則叫負遷移；可調節儀表

14、上的遷移彈簧，以抵消固定壓差的作用，此為零點遷移方法。零點遷移的實質是將測量范圍平移，不改變量程的大小。5何謂熱電現象？ 兩種不同材料的金屬導線兩端互相連接起來，當它們的兩端溫度不同時會產生熱電勢。6用熱電偶測溫時，為什么要進行冷端溫度補償？其冷端溫度補償方法有幾種？ 采用補償導線后，把熱電偶的冷端從較高和較不穩定的地方，延伸到溫度較低和較穩定的操作室內，但冷端溫度還不是0。22而工業上常用的各種熱電偶的溫度-熱電勢關系曲線是在冷端溫度保持為0的情況下得到的，與它配套使用的儀表也是根據這一關系曲線進行刻度的，由于操作室的溫度往往高于0，而且是不恒定的，這時，熱電偶所產生的熱電勢必然偏小，且測量

15、值也隨冷端溫度變化而變化，這樣測量結果就會產生誤差。因此，在應用熱電偶測溫時，又有將冷端溫度保持0，或者進行一定的修正才能得到準確的測量結果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補償。冷端溫度補償的方法有：（1）冷端溫度保持為0的方法；（2）冷端溫度修正法；（3）校正儀表零點法；（4）補償電橋法；（5）補償熱電偶法。237為什么說單杠桿氣動壓力變送器的量程范圍比雙杠桿氣動壓力變送器的量程范圍小？氣動壓力變送器與電動壓力變送器有又何不同？由單杠桿氣動壓力變送器的放大倍數及雙杠桿氣動壓力變送器的放大倍數 可知，單杠桿氣動壓力變送器只能調整 ，而雙杠桿氣動壓力變送器可調整 、 ，故單杠桿氣動壓力變送器的量

16、程范圍比雙杠桿氣動壓力變送器的量程范圍小。氣動壓力變送器與電動壓力變送器主要區別在于信號轉換裝置的不同：氣動壓力變送器為噴嘴-擋板機構+氣動功率放大器，電動壓力變送器為位移檢測片-平面檢測線圈+電子高頻振蕩放大器。22111lAlAK 2l4223112llAllAK 3l4l24三、例題分析三、例題分析1某氣氨貯罐，其正常工作壓力范圍為本14MPa，并要求測量誤差小于0.4 MPa，試選擇一個合適的就地指示壓力表（類型、量程、精度等級等），并說明理由。解：（1）選量程因被測壓力為高壓、穩定壓力，故所選壓力表的上限值應為：查得Y-100型彈簧管壓力表的量程025 MPa較合適，又由于 1/3這

17、是允許的；（2）選精度aMPPP24)4 . 014(3535max上限544. 0254 . 014minNP%6 . 1%100254 . 0允精度等級選1.5級可滿足要求。所以：選擇的壓力表為Y-100型彈簧管壓力表，量程025 MPa，精度1.5級。25952. 某廠用轉子流量計來測量溫度為27，表壓為0.16MPa的空氣流量，問轉子流量計讀數為38Nm3/h時，空氣的實際流量是多少？ 解解已知Q038Nm3/h，p10.160.101330.26133MPa， T127273300K，T0293K，p00.10133MPa， 101.293Kg/Nm3。 將上列數據代入公式，便可得

18、即這時空氣的流量為60.3Nm3/h。 hNmQ/3 .603830029310133. 026133. 0293. 1293. 131001001101111QKKKQTTppQTP263，用單法蘭電動差壓變速送器來測量敞口罐中硫酸的密度，利用已溢液來保持罐內液位H恒為1m。已知差壓變送器的輸出信號為010mA，硫酸的最小和最大密度分別為1.32g/cm3和1.82g/cm3。試問：（1）差壓變送器的測量范圍；（2）若要提高儀表的靈敏度，怎么辦？（3）如不遷移裝置，可在負壓側加裝水恒壓器，以抵消正壓室附加壓力的影響，請計算水恒壓器所需的高度h。27284. 用分度號為K的鎳鉻鎳硅熱電偶測量溫

19、度。在沒有采取冷端溫度補償的情況下。顯示儀表值為500，而這時的冷端溫度為60.試問：實際溫度應為多少？如果熱端溫度不變，設法是冷端溫度保持在20，此時顯示儀表的顯示值為多少？295.3031第四章第四章 顯示儀表顯示儀表一、基本要求一、基本要求1了解動圈式顯示儀表的基本結構及原理。2掌握自動電子電位差計的工作原理。熟悉電位差計的測量橋路及各個電阻的作用。3掌握自動電子平衡電橋的工作原理。4了解DDZ-型顯示儀表的基本結構及原理。5了解數字式顯示儀表的原理與組成。二、問題解答二、問題解答321動圈儀表的作用原理是什么？ 動圈儀表測量機構就是一個磁電式毫伏計。用張絲把動圈吊置于永久磁鐵的空間磁場

20、中，測量電路所產生的豪伏信號使動圈中流過一個相應的電流，載流先圈將受磁場力的作用而旋轉，支承動圈的張絲由于扭轉而產生一個反力矩。當兩個力矩平衡時，動圈就停留在某一位置上。由于動圈的位置與輸入豪伏信號相對應，裝在動圈上的指針即可在刻度標尺上指出毫伏或溫度的數值。2. 在電子電位差計測量橋路中，如果RG減小，儀表的指示溫度比實際溫度低，為什么？ 如果電阻RG減小，使得UCD兩端的電壓降低，要想使得UCDEt，滑線電阻滑頭必須右移。這樣儀表的指示溫度比實際溫度高。333電子平衡電橋與電子電位差計測量橋路有什么區別？ （1）所配用的測溫元件不同：電子平衡電橋熱電阻，電子電位差計熱電偶； （2）兩者的作

21、用原理不同：電子平衡電橋平衡電橋（輸出=0），電子電位差計不平衡電橋（輸出0）； （3）測溫元件的聯結方式不同：電子平衡電橋三線制接法，電子電位差計兩線制接法； （4）測量的電量形式不同：電子平衡電橋電阻，電子電位差計熱電勢； （5）電子電位差計要考慮溫度補償問題，而電子平衡電橋可不考慮。344. 試述DDZ=型計錄儀的主要構成部件？ DDZ=型計錄儀主要由測量組件，機械連桿部件和記錄驅動系統等組成。其中測量組件是由比較放大器、電壓脈沖轉換器、脈沖環形分配線路，步進電機和磁平衡位移變換器等五部分組成。機械連桿部件包括連桿機構、指針及直線化機構。記錄紙驅動部分由帶驅動電路的步進電機、記錄紙盒及連

22、接它們的齒輪機構所組成。35三、例題分析三、例題分析 圖示為電位差計線路圖。為冷端溫度補償電阻，在25時的阻值為5。假定熱電偶的熱電勢每100是4mV，并設溫度與熱電勢是線性關系，求室溫25時：（1）上支路電流；（2）下支路電流；（3）下限溫度；（4）上限溫度；（5）儀表量程；（6）若把儀表量程改成0600，橋路電阻如何變化？36解：由滑線電阻兩端都有一小段觸點不過去的部分，因此兩端各有一小段電阻，一般為全電阻的3%5%，用表示。在此取=0.3，兩端剩下的電阻各為 。（1）（2）（3）當觸點滑至下限C時所以下限溫度為： MpnpRRR/910901090MPMPnPRRRRRmARRRREIM

23、PG45 .23710/905 . 31000/4上mARREI24955100032下mVIRIRIRUnPGCD08. 554903. 045 . 32下上 5下t37（4）當觸點滑至上限B時mVIRIRIRUnPGBD92.38549)03. 01 (45 . 3)1 (2下上上所以上限溫度為：99825100492.38上t（5）儀表的量程為：N=998-152=846（6）當儀表量程改成0600時，其上、下限都發生變化，由于熱電偶沒有改變，其下支路電阻不發生改變，只是上支路電阻發生改變。要改變量程，只有改變量程電阻 。MR因為mVEnP244100600所以

24、393. 6)03. 021 (424)21 (1IERnPnP因為MPMPnPRRRRR， 所以88. 6393. 690393. 690nPPnPPMRRRRR38當熱電偶為0時，由于環境溫度為25，這時熱電偶兩端的熱電勢mVEt1410025所以04. 24488. 603. 02512上上下IIRIRERnPtG567.241393. 608. 2410004nPGRRIER上39第五章第五章 自動控制儀表自動控制儀表一基本要求：一基本要求：（1）掌握基本控制規律及其特點。（2）熟悉比例度、積分時間、微分時間。（3）了解模擬式控制器的特點和基本組成。二、問題解答二、問題解答1.控制器的控制規律是什么？常用控制規律有哪些？所謂控制器的控制規律是指控制器的輸出信號p與輸入信號e之間的關系，即：)()(zxfefp 常用的控制規律有位式控制、比例控制、積分控制、微分控制以及它們的組合控制規律，例PI、PD、PID等。 40 比例度是反