化工儀表及自動化第五版

厲玉鳴主編

習(xí)題與思考題答案

山東輕工業(yè)學(xué)院

化學(xué)與制藥過程學(xué)院

應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)

葉寶慶第一章自動控制系統(tǒng)基本概念.什么是化工自動化？它有什么重要意義？答:在化工設(shè)備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動化。實現(xiàn)化工自動化，能加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、減輕勞動強度、保證生產(chǎn)安全，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創(chuàng)造條件。.化工自動化主要包括哪些內(nèi)容？答:化工生產(chǎn)過程自動化，一般包括自動檢測、自動操縱、自動保護和自動控制等方面的內(nèi)容。.閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)有什么不同？答：自動控制系統(tǒng)按其基本結(jié)構(gòu)形式可分為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)和開環(huán)自動控制系統(tǒng)。閉環(huán)自動控制是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動控制。如圖1-1(a)即是一個閉環(huán)自動控制。圖中控制器接受檢測元件及變送器送來的測量信號，并與設(shè)定值相比較得到偏差信號，再根據(jù)偏差的大小和方向，調(diào)整蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，使熱物料出口溫度回到設(shè)定值上。從圖1-1,(b)所示的控制系統(tǒng)方塊圖可以清楚看出，操縱變量(蒸汽流量)通過被控對象去影響被控變量，而被控變量又通過自動控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關(guān)系上看，構(gòu)成了一個閉合回路

蒸汽設(shè)定隼日控制器e執(zhí)行器熱物府(a)?擾動對象簟蒸汽設(shè)定隼日控制器e執(zhí)行器熱物府(a)?擾動對象簟控變員測量變送(b)測量變送圖1-1閉環(huán)自動控制基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系的自動控制系統(tǒng)。即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，但被控變量并不通過自動控制裝置去影響操縱變量。從信號傳遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。開環(huán)控制系統(tǒng)分為兩種，一種按設(shè)定值進行控制，如圖1-2(a)所示。這種控制方式的操縱變量(蒸汽流量)與設(shè)定值保持一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)設(shè)定值變化時，操縱變量隨其變化進而改變被控變量。另一種是按擾動進行控制，即所謂前饋控制系統(tǒng),如圖1-2(b)所示。這種控制方式是通過對擾動信號的測量，根據(jù)其變化情況產(chǎn)生相應(yīng)控制作用，進而改變被控變量。(a)按設(shè)定值進行控制的開環(huán)系統(tǒng) (b)按擾動進行控制的開環(huán)系統(tǒng)圖1-2開環(huán)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動地覺察被控變量的變化情況，也不能判斷操縱變量的校正作用是否適合實際需要。.自動控制系統(tǒng)主要有哪些環(huán)節(jié)組成答：自動控制系統(tǒng)主要由檢測元件及變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象等四個環(huán)節(jié)組成。什么是反饋？什么是正反饋和負(fù)反饋？答:把系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸人端的做法叫做反饋。反饋信號的作用方向與設(shè)定信號相反，即偏差信號為兩者之差，這種反饋叫做負(fù)反饋；反之為正反饋。根據(jù)設(shè)定值的形式，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以分為哪幾類？在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按照設(shè)定值的不同形式又可分為：（1）定值控制系統(tǒng)；（2）隨動控制系統(tǒng)；（3）程序控制系統(tǒng)。3.與動態(tài)?3.與動態(tài)?什么是控制系統(tǒng)的靜態(tài)答:在自動化領(lǐng)域內(nèi)，把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為控制系統(tǒng)的靜態(tài)。在這種狀態(tài)下，自動控制系統(tǒng)的輸人（設(shè)定值和干擾）及輸出（被控變量）都保持不變，系統(tǒng)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來的狀態(tài)，它們輸人、輸出信號的變化率為零。而此時生產(chǎn)仍在進行，物料和能量仍然有進有出。因此，靜態(tài)反映的是相對平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的動態(tài)是被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)。當(dāng)一個原來處于相對平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，受到擾動作用的影響，其平衡狀態(tài)受到破壞，被控變量偏離設(shè)定值，此時，控制器就會改變原來的狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，改變操縱變量克服擾動的影響，力圖恢復(fù)平衡狀態(tài)。從擾動發(fā)生，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這段時間中整個系統(tǒng)都處于變動狀態(tài)中。.控制系統(tǒng)運行的基本要求是什么？答：自動控制系統(tǒng)的基本要求是系統(tǒng)運行必須是穩(wěn)定的，并應(yīng)保證滿足一定的精度要求或某些規(guī)定的性能指標(biāo)，但最基本的要求是穩(wěn)定的，也就是說系統(tǒng)投人運行后，被控變量不致失控而發(fā)散。.在階躍擾動作用下，自動控制系統(tǒng)的過渡過程有哪些基本形式？哪些過渡過程能基本滿足控制要求？答:過渡過程中被控變量的變化情況與干擾的形式有關(guān)。在階躍擾動作用下，其過渡過程曲線有以下幾種形式。①發(fā)散振蕩過程；②非振蕩發(fā)散過程；③等幅振蕩過程;④衰減振蕩過程；⑤非振蕩衰減過程。在上述五種過渡過程形式中，非振蕩衰減過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定過程，能基本滿足控制要求。但由于非振蕩衰減過程中被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的進程過于緩慢，致使被控變量長時間偏離設(shè)定值，所以一般不采用。只有當(dāng)生產(chǎn)工藝不允許被控變量振蕩時才考慮采用這種形式的過渡過程。.衰減振蕩過程的品質(zhì)指標(biāo)有哪些?答:衰減振蕩過程的品質(zhì)指標(biāo)主要有:最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩期（或頻率）等。12、什么是傳遞函數(shù)?答:對于如圖1-6所示的線性系統(tǒng)，在初始條件為零時，它的輸出與輸入的拉普拉

斯式之比，即系統(tǒng)在復(fù)數(shù)s域的輸出與輸人之比，稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，記為G(s)系蛻輸出系蛻輸出y(t)圖1-6系統(tǒng)的輸人輸出關(guān)系第二節(jié)例題分析中，常常利用液態(tài)丙烯汽化吸收裂解氣體的熱量，使裂解氣體的溫度下降到規(guī)定的數(shù)值上。1.在石油化工生產(chǎn)過程1.在石油化工生產(chǎn)過程圖1-9是一個簡化的丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)。被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在(15±1.5)℃。如果溫度太高,冷卻后的氣體會包含過多的水分，對生產(chǎn)造成有害影響；如果溫度太低，乙烯裂解氣會

氣態(tài)丙烯產(chǎn)生結(jié)晶析出，堵塞管道。氣態(tài)丙烯—解氣液態(tài)丙烯圖1-9丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)示意圖(1)指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量和操縱變量各是什么?(2)試畫出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。⑶試比較圖1-9及它的方塊圖，說明操縱變量的信號流向與物料的實際流動方向不同。(1)在丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)中，被控對象為丙烯冷卻器；被控變量為乙烯裂解氣的出口溫度；操縱變量為氣態(tài)丙烯的流量。(2)該系統(tǒng)方塊圖如圖1-10所示。程--控制器程--控制器f執(zhí)行器丙烯冷卻器擾動-—— 0圖1-10丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)方塊圖注：。為乙烯裂解氣的出口溫度；。為乙sp烯裂解氣的出口溫度設(shè)定值⑶在圖1-9中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。而在方塊圖中，氣態(tài)丙烯作為操縱變量，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。2.某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定2.某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定的操作溫度為(900土10)℃?？紤]安全因素,控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃。現(xiàn)設(shè)計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1-13所示。試求最大偏差、衰減比和振蕩周期等

過渡過程品質(zhì)指標(biāo)，并說明該控制系統(tǒng)是否滿足題中的工藝要求。950時間/min圖950時間/min圖1-13過渡過程曲線解由過渡過程曲線可知最大偏差A(yù)=950-900=50℃緘比第一個波峰值緘比第一個波峰值B=950-908=42℃第二個波峰值B'=918-908=10℃衰減比n=42:10=4.2振蕩周期T=45-9=36min余差C=908-900=8℃過渡時間為47min。由于最大偏差為50℃,不超過80℃,故滿足題中關(guān)于最大偏差的工藝要求。第三節(jié)習(xí) 題2.鍋爐是化工、煉油等企業(yè)中常見的主要設(shè)備。汽包水位是影響蒸汽質(zhì)量及鍋爐安全的一個十分重要的參數(shù)。水位過高，會使蒸汽帶液，降低了蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至?xí)p壞后續(xù)設(shè)備。而水位過低，輕則影響汽液平衡,重則燒干鍋爐甚至引起爆炸。因此,必須對汽包水位進行嚴(yán)格的控制。圖1-27是一類簡單鍋爐汽包水位控制示意圖，要求：(1)畫出該控制系統(tǒng)方塊圖；(2)指出該系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么？圖1-27鍋爐汽包水位控制示意圖答：(1)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖如圖1-36所示。I擾動qT控制器H執(zhí)行器-瑞訴汽包圖1-36鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖注：h為鍋爐汽包水位；h為鍋爐汽包水位設(shè)定值(2)被控對象：鍋爐汽包。被控變量：鍋爐汽包水位。操縱變量：鍋爐給水量。擾動量：冷水溫度、壓力，蒸汽壓

力、流量，燃燒狀況等。6.圖1-31為一組在階躍擾動作用下的過渡過程曲線。(1)指出每種過程曲線的名稱；(2)試指出哪些過程曲線能基本滿足控制要求？哪些不能？為什么？(a) (b)(c) (d)圖1-31過渡過程曲線答：(1)3)等幅振蕩;(b)衰減振蕩;(1)3)等幅振蕩;(b)衰減振蕩;(c)非振蕩衰減；(d)發(fā)散振蕩。(2)(b)，(c)能基本滿足控制要求，［),(d)不能。因為(b),(c)對應(yīng)的過渡過程是穩(wěn)定的。8.某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(800±10)℃。為確保生產(chǎn)安