化工儀表及自動(dòng)化作業(yè)參考答案

第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念什么是化學(xué)自動(dòng)化？它的意義是什么？答:在化工設(shè)備上，配備上一些自動(dòng)化裝置，代替操作人員的部分直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行，這種用自動(dòng)化裝置來(lái)管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)化工自動(dòng)化可以加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證生產(chǎn)安全，為逐步消除體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)的差異創(chuàng)造條件?；ぷ詣?dòng)化主要包括哪些內(nèi)容？答：化工生產(chǎn)過程自動(dòng)化一般包括自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操作、自動(dòng)保護(hù)和自動(dòng)控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)怎樣構(gòu)成？各組成環(huán)節(jié)起什么作用？答：自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由兩部分組成。其中一部分是一套完整的控制自動(dòng)化裝置。對(duì)于常規(guī)儀器，它包括檢測(cè)元件、變送器、控制器、執(zhí)行器等；另一部分是由自動(dòng)化裝置控制的被控對(duì)象。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)元件及變送器用來(lái)感受被控變量的變化并將它轉(zhuǎn)換成一種特定的信號(hào)（如氣壓信號(hào)或電壓、電流信號(hào)等）?？刂破鲗z測(cè)元件及變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)與工藝上需要保持的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較得出偏差，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢(shì)，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果用特定的信號(hào)（如氣壓信號(hào)或電流信號(hào)）發(fā)送給執(zhí)行器,執(zhí)行器能自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)值相應(yīng)地改變流人（或流出）被控變量的物料量或能量，克服擾動(dòng)的影響，最終實(shí)現(xiàn)控制要求。什么是操縱變量？受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。（或：具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量叫做操縱變量）閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別是什么？答自動(dòng)控制系統(tǒng)按其基本結(jié)構(gòu)形式可分為閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)和開環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。閉環(huán)自動(dòng)控制是指控制器與被控對(duì)象之間具有正向控制和反向連接的自動(dòng)控制。如圖1-1（a）所示，它是一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制。在圖中，控制器接收檢測(cè)元件和變送器發(fā)送的測(cè)量信號(hào)，將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，然后根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)整蒸汽閥的開度，改變蒸汽流量，使熱料出口溫度回到設(shè)定值。從圖IT（b）所示的控制系統(tǒng)框圖可以清楚地看出，控制變量(蒸汽流量)通過受控對(duì)象影響受控變量，受控變量通過自動(dòng)控制裝置影響控制變量。從信號(hào)傳輸關(guān)系的角度來(lái)看，它構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。(b)圖1-1閉環(huán)自動(dòng)控制的基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對(duì)象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系的自動(dòng)控制系統(tǒng)。即操縱變量通過被控對(duì)象去影響被控變量，但被控變量并不通過自動(dòng)控制裝置去影響操縱變量。從信號(hào)傳遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。有兩個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行控制，如圖1-2(a)所示。該控制模式的控制變量(蒸汽流量)與設(shè)定值保持一定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)設(shè)定值改變時(shí)，控制變量隨之改變，然后改變控制變量。另一種是根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)行控制，即所謂的前饋控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。這種控制方法是測(cè)量干擾信號(hào)，根據(jù)其變化產(chǎn)生相應(yīng)的控制效果，然后改變控制變量。制藥過程控制原理與儀表(a)設(shè)定值控制的開環(huán)系統(tǒng)(b)擾動(dòng)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(dòng)檢測(cè)控制變量的變化，也不能判斷控制變量的校正效果是否適合實(shí)際需要。什么是反饋？什么是正反饋和負(fù)反饋？答：將系統(tǒng)(或鏈路)的輸出信號(hào)直接或通過某些鏈路返回輸入端的方法稱為反饋。反饋信號(hào)的作用方向與設(shè)定信號(hào)相反，即偏差信號(hào)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)可分為哪些類型？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(dòng)控制系統(tǒng)；(3)程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)是什么？答:在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，把被控變量不隨時(shí)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(dòng)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(lái)的狀態(tài)，它們輸人、輸出信號(hào)的變化率為零。而此時(shí)生產(chǎn)仍在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出。因此，靜態(tài)反映的是相對(duì)平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)是一種不平衡狀態(tài)，其中受控變量隨時(shí)間變化。當(dāng)處于初始相對(duì)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，其平衡狀態(tài)被破壞，被控變量偏離設(shè)定值，此時(shí)控制器會(huì)改變初始狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制效果，改變控制變量，克服干擾的影響，努力恢復(fù)平衡狀態(tài)。從擾動(dòng)的發(fā)生到控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在此期間，整個(gè)系統(tǒng)處于變化狀態(tài)。9.控制系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求是什么？答:自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求是系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行后，被控變量不致失控而發(fā)散。10.在階躍擾動(dòng)作用下，自動(dòng)控制系統(tǒng)過渡過程的基本形式是什么？哪些過渡過程基本上可以滿足控制要求？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(dòng)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。在上述五種形式的過渡過程中，無(wú)振蕩衰減過程和衰減振蕩過程均為穩(wěn)定過程，基本能滿足控制要求。然而，由于受控變量在非振蕩衰減過程中達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的過程緩慢，受控變量長(zhǎng)期偏離設(shè)定值，因此一般不使用。只有當(dāng)生產(chǎn)過程不允許受控變量振蕩時(shí)，才能考慮這種形式的過渡過程。11.衰減振蕩過程的質(zhì)量指標(biāo)是什么？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(shí)間、振蕩周期（或頻率）等。12、什么是傳遞函數(shù)？答：對(duì)于圖1-6所示的線性系統(tǒng)，當(dāng)初始條件為零時(shí)，其輸出與輸入的拉普拉斯公式之比為系統(tǒng)g（s）?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y（s）x（s）圖1-6系統(tǒng)的輸人輸出關(guān)系第二節(jié)實(shí)例分析在石油化工生產(chǎn)過程中，常常利用液態(tài)丙烯汽化吸收裂解氣體將裂解氣溫度降至規(guī)定值。第2頁(yè)制藥過程控制原理與儀器圖1-9是一個(gè)簡(jiǎn)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)°C。如果溫度太高，冷卻后的氣體會(huì)包含過多的水分，對(duì)生產(chǎn)造成有害影響；如果溫度太低，乙烯裂解氣會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶析出，堵塞管道。圖1-9丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)示意圖指出系統(tǒng)中被控對(duì)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。(3)試著比較圖1-9及其方框圖，以說明控制變量的信號(hào)流向與材料的實(shí)際流向不同。解決方案在丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)中，被控對(duì)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。系統(tǒng)框圖如圖1-10所示。圖1-10丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)方塊圖注：e為乙烯裂解氣出口溫度；esp為乙烯裂解氣出口溫度設(shè)定值在圖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(hào)的流向是指向丙烯冷卻器的。2?化學(xué)反應(yīng)器工藝的規(guī)定操作溫度為(900±10)°C。考慮安全因素素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80°C?，F(xiàn)設(shè)計(jì)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。圖1-13過渡過程曲線解由過渡過程曲線可知最大偏差a=950-900=50°C衰減比第一個(gè)波峰值b=950-908=42°C第二個(gè)波峰值b'=918-908=10°C衰減比n=42:10=4.2振蕩周期t=45-9=36min余差c=908-900=8°C第3頁(yè)制藥過程控制原理與儀表過渡時(shí)間為47分鐘。由于最大偏差為50C，且不超過80°C，因此滿足問題中最大偏差的工藝要求。第三節(jié)習(xí)題鍋爐是化工、煉油等企業(yè)常用的主要設(shè)備。汽包水位是影響蒸汽質(zhì)量和鍋爐安全的重要參數(shù)。如果水位過高，蒸汽會(huì)帶來(lái)液體，降低蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至損壞后續(xù)設(shè)備如果水位過低，會(huì)影響汽液平衡，或使鍋爐干燥，甚至引起爆炸。因此，必須嚴(yán)格控制汽包水位。圖1-27是簡(jiǎn)單鍋爐汽包水位控制示意圖。要求如下：（1）畫出該控制系統(tǒng)方塊圖；（2）系統(tǒng)中的被控對(duì)象、被控變量、控制變量和干擾變量是什么？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)框圖如圖1-36所示。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；H0為鍋爐汽包水位設(shè)定值（2）被控對(duì)象：鍋爐汽包。受控變量：鍋爐汽包水位?？刂谱兞浚哄仩t供水。擾動(dòng)量：冷水溫度、壓力，蒸汽壓力、流量，燃燒狀況等。6.圖1-31顯示了在階躍擾動(dòng)作用下的一組過渡過程曲線。（1）指出每個(gè)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過渡過程曲線答復(fù):（1）（a）等幅振蕩；（b）衰減振蕩；（c）非振蕩衰減；（d）發(fā)散振蕩。（2）（b）、（c）基本能滿足控制要求，（a）、（d）不能。因?yàn)閷?duì)應(yīng)于（b）、（c）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）°C。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850C?，F(xiàn)運(yùn)行的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過渡過程曲線如圖1-33所示。第4頁(yè)制藥過程控制原理與儀表（1）分別計(jì)算了最大偏差、殘余誤差、衰減比、過渡時(shí)間（當(dāng)溫度進(jìn)入±2%的新穩(wěn)態(tài)值時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定）和振蕩周期。（2）說明此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求。圖1-33溫控系統(tǒng)過渡過程曲線答：最大偏差：a=45°C。余差：c=5°C。衰減比：n=4:l。過渡時(shí)間：TS=25分鐘。振蕩周期：T=13分鐘。該系統(tǒng)符合正一的要求。第二章過程特性及其數(shù)學(xué)模型我喜歡解決問題什么是被控對(duì)象特性？什么是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型？答：受控對(duì)象的特性是指受控對(duì)象的輸入和輸出之間的關(guān)系。也就是說，當(dāng)受控對(duì)象的輸入發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象的輸出如何變化，變化的速度以及變化的最終值。對(duì)象的輸入具有控制和干擾功能，輸出為被控變量。因此，為了討論對(duì)象的特性，我們應(yīng)該討論控制作用通過控制通道對(duì)受控變量的影響，以及干擾作用通過干擾通道對(duì)受控變量的影響。定量地表達(dá)對(duì)象輸人輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為該對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。什么是控制通道？什么是干擾通道？在反饋控制系統(tǒng)中，它們是怎樣影響被控變量的？答：擾動(dòng)變量和控制變量都是作用在被控對(duì)象上的輸入，這將導(dǎo)致被控變量的變化。干擾變量影響受控變量變化的通道稱為干擾通道，控制變量影響受控變量變化的通道稱為控制通道，如圖2-1所示。圖2-1干擾輸人變量、控制輸人變量與對(duì)象輸出變量之間的關(guān)系在反饋控制系統(tǒng)中，干擾變量總是通過干擾通道破壞系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，使被控變量離開設(shè)定值。為了抵抗和抵消干擾變量的影響，自動(dòng)裝置必須通過控制通道不斷施加控制（即控制變量），努力使受控變量始終保持在工藝生產(chǎn)所需的技術(shù)指標(biāo)（即設(shè)定值）上。簡(jiǎn)述建立對(duì)象數(shù)學(xué)模型的主要方法。答：首先是機(jī)理分析。二是實(shí)