过程装备控制技术课后习题及参考答案

过程装备控制技术课后习题及参考答案

第一章控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？

答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。

自动控制系统常用的术语有：

被控变量y；给定值y s；测量值y m；操纵变量m；干扰f；偏差信号（e）；控制信号u

3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？

答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？

答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。

5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。

开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。

定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量是输出信号增大。可见定值控制系统满足闭环负反馈系统的要求。

6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？

③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大）时，该系统如何实现自动控制的？

答：如图所示为该控制系统的方框图。

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值y s，干扰作用f，输出为热物料出口温度T，

当冷物料流量增大，则出口温度y减小，TT检测后所得y m减小，偏差信号e=y m-y s<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。

7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，

（1）试画出该系统的方框图；

（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？

（1

（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？

答：对于任何一个控制系统，从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量恢复到给定值附近范围内的过程叫做系统的过渡过程。 ①发散振荡过程 ② 等幅振荡过程 ③衰减振荡过程 ④非振荡的单调过程 ⑤等幅振荡过程。上述五种振荡过程，其中非振荡衰减和振荡衰减过程是稳定过程，能基本满足要求，但衰减过程被控变量达到新稳态值进程过于缓慢，致使被控变量长期偏离给定值，所以一般不采用。只有生产工艺不允许被控变量振荡时才会考虑采用这种形式的过渡过程。 等幅振荡发散振荡和非振荡发散受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控自要求

9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n →∞ 时的过度过程曲线？

答：如图所示：

10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？

答：表示衰减振荡过程的控制指标有：

①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。

②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。

③回复时间（过渡时间）t s——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。

④差e(∞)——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。

⑤振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。

第二章过程装备控制基础

1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。

K：被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。T：时间常数是指当对象受到输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到输入作用后，被控变量达到新的稳态值的快慢。它决定整个动态过程的长短；τ：描述对象滞后现象的动态参数

2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？

答：放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以K是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。

3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？

答：被控对象的控制通道是指操纵变量与控制变量之间的关系，干扰通道是指干扰作用与被控变量之间的关系。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？

答：放大系数对控制的影响：对控制通道而言，放大系数K值大，即使调节器输出变化不大，也会对被控对象产生很大影响，控制灵敏。反之放大系数小，被控变量变化迟缓。对干扰通道而言，如果K很小，即使干扰幅度很大也不会对控制变量产生很大影响，如果K 很大则当干扰幅度很大并且频繁出现系统很难稳定。

时间常数T对控制影响：对控制通道而言，时间常数大，则被控变量变化较平缓，系统容易控制，缺点是控制较缓慢。若T小，则控制变量变化迅速，不易控制。对干扰通道而