化工仪表及自动化第二章调节对象的特性
化工仪表及自动化第四版答案(终极版)
工仪表及自动化 (自制课后答案终极版)1.什么是化工仪表与自动化？它有什么重要意义？答： 化工自动化是化工、 炼油、 食品、 轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
在化工设备上， 配备上一些自动化装置， 代替操作人员的部份直接劳动， 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方法，称为化工自动化。
它的重要意义如下加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。
减轻劳动强度、改善劳动条件。
能够保证生产安全，防止事故发生或者扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人 身安全的目的。
生产过程自动化的实现， 能根本改变劳动方式， 提高工人文化技术水平， 以适应当代信息技术 革命和信息产业革命的需要。
2.化工自动化主要包括哪些内容？答： ①自动检测系统， 利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、 指示或者记录的部份 ②自动信号和联锁保护系统， 对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置， 是生产过程中的 一种安全装置③自动控制及自动开停车系统 自动控制系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行 某种周期性操作。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或者 自动停车。
④自动控制系统 对生产中某些关键性参数进行自动控制 ,使它们在受到外界干扰的影响而偏 离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内。
3.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答；开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况， 也不能判断控制变量的校正作用是否 适合实际需要。
也就是最本质的区别是闭环控制系统有负反馈。
开环系统中， 被控变量是不反 馈到输入端的。
闭环控制系统可以及时了解被控对象的情况， 有针对性的根据被控变量的变化 情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或者接近与所希翼的状态。
4. 自动控制系统主要由哪些环节组成？ 答：主要由测量与变送器 、自动控制器、执行器、被控对象组成。
第2章 被控对象的特性
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举例
一个对象如果可以用一个一阶微分方程式来描 述其特性（通常称一阶对象），则可表示为
a1yt a0 yt xt
（2-2）
或表示成 Tyt yt Kxt
（2-3）
式中
T a1 , K 1
a0
a0
上式中的系数与对象的特性有关，一般需要通过对象 的内部机理分析或大量的实验数据处理得到。
2020年7月10日星期五 2时9分7秒
衡。 水槽 对象
例如水槽对象
稳定时Q1＝Q2，h保持稳定。如Q1突 然增加，h逐渐增加，由于h↑，Q2随液 体静压强↑而↑，Q1与Q2的差值逐渐减小， h↑减慢，最后Q1与Q2重新相等， h又自 行稳定在新的高度h/上.
有自衡的对象有利于控制。除部分反 应器、锅炉汽包、泵排液对象之外，大 多数有自衡性质。
湖北大学化学化工学院 杨世芳
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(2)参量模型
当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模 型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微 分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来 表示。
2020年7月10日星期五 2时9分5秒
湖北大学化学化工学院 杨世芳
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对于线性的集中参数对象
通常可用常系数线性微分方程式来描述方程式来描述
当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为 非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到， 有时也可以通过计算来得到。
特点
形象、清晰，比较容易看出其定性的特征
缺点 直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难
表达形式 对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示
2020年7月10日星期五 2时9分5秒
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控
化工仪表及自动化第六版-课后-答案
化工仪表及自动化第六版-课后-答案化工仪表及自动化第六版课后习题详细答案1.化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
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。
实现化工生产过程自动化的意义:(1)加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
(2)减轻劳动强度，改善劳动条件。
(3)能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
(4)能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，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？一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
1-3自动控制系统主要由哪些环节组成？解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成?自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
1-5题『5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3,仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表;工段号为3,仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3,仪表序号为05。
6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI- 307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3,仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表;工段号为3,仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表;工段号为3,仪表序号为05。
第二章过程装备控制基础
qV 2 qV 3 h1 RS 1 h2 RS 2
（2—14） （2—15）
将式（2—14）和式（2—15）代入式（2—12），并求微分后， 经整理得到
dh d 2 h2 Rs1 dh2 1 Rs1 A2 2 dt dt Rs 2 dt （2—16）
第1节 被控对象的特性
从它的特性曲线可以看出，由于水槽的流出量不变，液位 H 将随时间 t 的 推移恒速上升，不会稳定下来直至从水槽顶部溢出。这就是无自衡特性。无自 衡特性的被控对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。 对这类被控对象除必须施加控制外，还常常设有自动报警系统。
第1节 被控对象的特性
①求纯滞后时间：从t0时刻起到输出开始变化的这段时间， 即输入变化而输出不发生变化的这段时间为纯滞后时间。
②求静态放大倍数：
K y () y 0 x() x(0)
（2-20）
③求时间常数T：在反应曲线上找到输出量变化至终值63.2% 时的坐标点，它所对应的时刻与输出量开始变化时的时刻之差就 是时间常数T。
影响变换炉一段反应温度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤气 流量。改变阀门1、2、3的开度就可以分别改变冷激量、蒸汽量和半水煤气量 的大小。从右上图看出，冷激量对温度的相对放大系数最大；蒸汽量对温度 的相对放大系数次之；半水煤气量对温度的相对放大系数最小。 26
第2节 对象特性的实验测定
对象的求取方法通常有两种：一种就是上面所介绍的公式法,即数学 方法；另一种是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数,即所谓的实验 测定法。 对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入 作用（输入量），然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量） 随时间变化的规律，得到一系列实验数据（或曲线）。这些数据或曲线就可以 用来表示对象的特性。
化工仪表与自动化第五版第二章作业及答案
第二章1．什么是被控对象特性?什么是被控对象的数学模型?研究被控对象特性有什么重要意义?答：被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。
即当被控对象的输入量发生变化时，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。
对象的输入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。
定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。
在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。
这些对象的特性各不相同。
有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。
只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。
因此，在控制系统设计时，首先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。
特别在设计新型的控制系统时，例如前馈控制、解耦控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。
2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。
答：一是机理分析法。
机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。
通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。
二是实验测取法。
实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。
然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。
3．描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?答：描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间 。
完整化工仪表与自动化的课后答案
第一章自动控制系统基本概念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.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答.闭环控制系统具有负反馈到输入端的能力，它可以随时了解被控对象的情况，有针对地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态.而开环控制系统，被控变量的情况是不反馈到输入端的。
4.自动控制系统主要由哪些环节组成?答：主要环节有，被控变量,测量元件和变送器，控制器，控制阀(执行器）。
12.什么是负反馈?负反馈在自定控制系统中有什么重要意义？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，并能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈.自动控制系统由于具备负反馈作用，可以随时了解被控对象的情况，有针对地根据被控变量的变化情况使反馈信号升高，经过比较,到控制器去的偏差信号将降低,此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化,变化的方向为负，从而使被控变量下降到给定值，这样就达到了控制的目的.15.按给定值的不同，自动控制系统可分为哪几类？答：定值控制系统，随动控制系统（自动跟踪系统)，程序控制系统（顺序控制系统）.20.自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些?影响这些品质指标的因素是什么？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。
影响因素：很大程度上决定于对象的性质，例如温控系统中，属于对象性质的主要素有,换热器的负荷大小,换热器的结构，尺寸,材质,换热器内的换热情况，散热情况及结垢程度等.自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量.22。
略，各自下去弄懂。
第二章过程特性及其数学模型1.什么是对象特性?为什么要研究对象特性？答对象特性是指被控对象及系统中的各类装备的特有性质规律.研究对象特性是因为在自动化装置来模拟人工操作时，必须了解对象的特性，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的操作系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件和控制器。
化工仪表第一、二章讲解
扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量 变化的因素
设定值：工艺参数所要求保持的数值
偏差：被控变量设定值与实际值之差
负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减
1.4. 闭环控制与开环控制
闭环控制：
在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设 定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量， 这样，整个系统构成了一个闭环。
二、字母
在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半园 内，一般写有两位字母，第一位字母表示被测变量， 后继字母表示仪表的功能，常用被测变量和仪表功能 能的字母代号见表1-2
1.4 自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制 系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般 都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节， 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方 框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。
t 些；化学反应器的温度控
制要求高，余差就要小一
些。
（4）过渡时间(回复时间) TS
过度时间表示控制系统过渡过程的长短。
定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态 值达到新的稳态值所需要的时间。
y
B
B’
A
0
C t
（1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ）
y
B
B’
A
0
控制系统的品 质指标示意图
C
动画链
t 接按钮
最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的 物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。
对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变 量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第 一个波的峰值，为A。
化工仪表及自动化-课后-答案
1. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
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。
实现化工生产过程自动化的意义：（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。
（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
（4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，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一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
1-3自动控制系统主要由哪些环节组成解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
1-5题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
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(Q1-Q2)dt =Adh
其中：Q2 h/Rs
RS——局部阻力项
由此可得：
Q2
RS Q1=h+A Rs (dh/dt)
或:
K Q1 =h+T(dh/dt)
（一阶常系数微分方程式）
示例二：积分对象
Q1 h
由体积守恒可得：
(Q1-Q2)dt=Adh 其中：Q2=C
C——常数
Q2
由此可得： Q1= Q2 +A (dh/dt)
实际工作中，常用下面三个物理量来表示对象的特性： 一、放大系数K 二、时间常数T 三、滞后时间t
一、放大系数K
在系统稳定条件下，输入量与输出量之 间的对应关系——系统的静态特性。
如：h=KQ+C 或
h=K Q
➢ K值越大，系统灵敏度越高。
在实际工艺系统中，通常采用比较K值的方法来
选择主要控制参数。当然，由于工艺条件和生产成
本的制约，实际上并不一定都选择K值最大的因素
作为主控参数。
例、合成氨厂的变换炉
二、时间常数T
定义：在一定的输入作用下，被控变量完成其变化所 需时间的参数。
物理意义：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如 果保持初始速度变化，达到新的稳定值所须的时间。
简单水槽的对象特性可由下式表示：
Tdh/dt + h = KQ， h(t) = KQ(1- e-t/T)
* 一阶水槽对象
(Q1-Q2)dt = Adh 其中 Q2 h/Rs
一个Q1对应一个确定的h ： Q1 = Q2 h/Rs
参数Rs实际上决定了稳定液位高度与给料量之间的对 应 关系—— 比例系数 或 放大倍数。
当某一瞬间Q1从a增加/减少到b时，h需要经过一段 时间才能从对应的h1 增加/减少到 h2。
§2.2 对象理论数学模型的建立
一阶对象： 系统输入、输出关系（动态特性）可以用一阶微分方程来表示的控制对象。
积分对象 系统动态特性可以用一阶积分方程来表示的控制对象。
二阶对象： 系统动态特性可以用二阶微分方程来表示的控制对象。
§2.2
Q1 h
对象理论数学模型的建立
示例一、一阶对象
由体积守恒可得：
所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出 对象输入量与输出量之间的关系——数学建模.
对象的数学模型：对象特性的数学描述。
通道：对象的输入变量与输出变量的信号联系
干扰通道 ；
调节通道
对象的数学模型可以分为：
1. 静态数学模型 描述的是对象在稳定时（静态）的 输入与输出关系；
2. 动态数学模型 描述的是在输入量改变以后，输出量 跟随变化的规律；
或:
h=(1/A) (Q1-C)dt
示例三： 二阶对象
Q1 h1
Q2
由物量守恒定律可得：
(Q1 - Q12)dt = A1dh1 (Q12 - Q2)dt = A2dh2 由此可得：
R2Q1= h2+(A1R1 +A2R2)(dh2/dt)
+ A1 R2 A2
R2(d2h2/dt2)
或:
h2
KQ1= h2+(T1 +T2)(dh2/dt)
时间常数T 即用于描述此过程的快慢。
示例五：二阶对象传递后与容积滞后
当Q1发生变化后，需要经过时间t1，其新流 量才能进入被控系统——传递滞后。
Q1变化后的流量进入被控系统后，首先使h1
Q1
逐步发生变化；经过时间t2 后，h1有了较大变化，
对象动态特性的研究方法
理论分析—— 数学描述法 根据系统工艺实际过程的数据关系，分析计算输入量与输出量之间的关系。
实验研究——实验测取法 有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在
实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入 与输出关系的经验曲线和经验函数关系。
对于一阶对象: 时间常数T，等于对象受到阶跃输入后，被控变量达
到新的稳态值的63.2%所需要的时间. 当加入输入作用后，经过3T时间，输出变量达到新稳
态值的95％，可近似认为动态过程基本结束。
三、滞后时间
滞后时间 —— 在输入参数变化后，有的输出参数不能立即发生变化，而需要等 待一段时间才开始产生明显变化，这个时间间隔称为 。
+ T1 T2(d2h2/dt2)
对象特性的实验测取
一、 实验测取法步骤： 1 . 使系统处于相对稳定 2. 加入阶跃干扰同时记录被调参数变化。 3 .根据记录绘制系统过度曲线。
二、分类： 1. 阶跃反映曲线。
2. 脉冲反映曲线 3. 矩形脉冲反映曲线。
§2- 3 描述对象特性的参数
假定对象的输入量是具有一定幅值的阶跃作用时，输出量究竟是如何变化 的呢？
第二章 过程特性及其数学模 型
➢化工过程的特点及其描述方法 ➢对象特性的实验测取 ➢对象数学模型的建立 ➢描述对象特性的参数 ➢总结；例题 ➢习题解答
§2-1 调节对象特性及其描述
➢ 定义：当一个被控对象受到调节作用和干扰作用后，被 控参数如何变化，是否变化，变化大小，变化的快慢 等。
被控 调节效果 取决于
动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是 动态数学模型在对象达到平衡时的特例。
系统的动态特性
对象受到干扰作用或调节作用后，操纵变量跟随变化规律。 研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之间的（函数）规律。
系统输入量：干扰作用、调节作用 系统输出量：系统的主要操纵变量、副作用 数学模型的表示方法： 非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系； 参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。
对象（内因）和控制系统（外因）两个方面。
(外因只有通过内因起作用，内因是最终效果的决定因
素。)
➢ 设计控制系统的前提是：
正确掌握工艺系统调节作用（输入）与调节结
果（输出）之间的关系——对象的特性。
➢ 研究调节对象特性目的：更好掌握工艺条件。使得操 作得心应手，降低经济成本。
§2-1 调节对象特性及其描述
根据滞后性质的不同，可分为两类：
1.传递滞后 0： 滞后期内无变化——新参数的作用结果还没有传递到输出点； 2.容量滞后 h：滞后期内逐步产生微弱变化——新参数的作用结果受到容积量
的缓冲。
示例四：一阶对象的放大倍数和时间常数
1.传递滞后0
传递滞后又叫纯滞后，一般用t0 表示。纯滞后时间t0与皮带 输送机的传送速度v 和传送距离L 有如下关系： t0 =L/v