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...wd...第1章 自动控制系统 根本概念~~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~~ 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~~~~~ 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；控制器承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拟得出偏差，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。

~~~1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质解：被控对象〔对象〕——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等给定值〔或设定值或期望值〕——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的操纵变量〔调节变量〕——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节〔操纵〕的变量或实现控制作用的变量操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料~~~1-11 题l-11图所示为一反响器温度控制系统示意图A、B两种物料进入反响器进展反响，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反响器内的温度不变试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么并说明该温度控制系统是一个具有负反响的闭环系统题1-11图 反响器温度控制系统解 该温度控制系统的方块图题解1-11图 反响器温度控制系统方块图其中，被控对象：反响器；被控变量：反响器内的温度；操纵变量：冷却水流量可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的上下等。

假设当反响器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比拟，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反响器内的温度降下来所以该温度控制系统是一个具有负反响的闭环控制系统1-12 题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反响器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来抑制干扰作用对被控变量影响的解：当反响器内的温度超过给定值〔即升高〕时，温度测量元件测出温度值与给定值比拟，温度控制器TC将比拟的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反响器内的温度降下来，这样抑制干扰作用对被控变量影响1-13 按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类：·定值控制系统——给定值恒定的控制系统·随动控制系统〔自动跟踪系统〕——给定值随机变化的系统·程序控制系统——给定值按一定时间程序变化的系统~~~~~1-19 某化学反响器工艺规定操作温度为(900±10)℃考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。

现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间〔被控温度进入新稳态值的±1%〔即900´〔±1%〕=±9℃〕的时间〕，并答复该控制系统能否满足题中所给的工艺要求题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线解 最大偏差A=950-900=50〔℃〕；超调量B=950-908=42〔℃〕；由于B¢=918-908=10〔℃〕，所以，衰减比n=B:B¢=42:10=4.2；余差C=908-900=8℃；振荡周期T=45-9=36(min)；过渡时间ts=47min因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求~~~~~ 1-20 题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差〔提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃〕。

题1-20图 蒸汽加热器温度控制解 蒸汽加热器温度控制系统的方块图如以以下图所示题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等该系统的过渡过程品质指标：最大偏差A=81.5-81=0.5〔℃〕；由于B=81.5-80.7=0.8〔℃〕，B¢=80.9-80.7=0.2〔℃〕，所以，衰减比n=B:B¢=0.8:0.2=4；余差C=80.7-81= -0.3〔℃〕2-1什么是对象特性为什么要研究对象特性解 对象特性就是的对象的输出-输入关系研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系当采用自动化装置组成自动控制系统时，首先也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择适宜的被控变量和操纵变量，选用适宜的测量元件及控制器在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择适宜的控制器参数(也称控制器参数的工程整定)，使系统正常地运行被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。

2-2 何为对象的数学模型静态数学模型与动态数学模型有什么区别解 对象特性的数学描述〔方程、曲线、表格等〕称为对象的数学模型稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输入量改变以后输出量的变化情况稳态与动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学模型是在稳态数学模型根基上的开展，稳态数学模型是对象在到达平衡状态时的动态数学模型的一个特例2-8 反映对象特性的参数有哪些各有什么物理意义解：放大系数K、时间常数T和滞后时间t放大系数K在数值上等于对象〔重新〕处于稳定状态时的输出变化量与〔引起输出变化的〕输入变化量之比，即对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量到达新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，到达新的稳态值的时间时间常数越大，被控变量的变化也越慢，到达新的稳态值所需的时间也越大对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。

滞后现象用滞后时间t表示对象的滞后时间t，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时2-11 一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式解 该对象特性的一阶微分方程为 2-12 如题2-12图所示的RC电路中，R＝5kW，C＝2000mF试画出ei突然由0阶跃变化到5V时的eo变化曲线，并计算出t＝T、t＝2T、t＝3T时的eo值题2-12图 RC电路解RC电路的微分方程为当ei=5V时，微分方程的解为eo=5(1-e-t/T) = 5(1-e-t/10) (V)〔该系统的时间常数T=RC=5´103´2000´10-6=10s〕当t=T时， eo=5(1-e-T/T)= 5(1-e-1)=3.16V；当t=2T时，eo=5(1-e-2T/T)= 5(1-e-2)=4.32V；当t=3T时，eo=5(1-e-3T/T)= 5(1-e-3)=4.75V题解2-12图 RC电路的阶跃响应曲线~~~~2-13 一个简单水槽，其截面积为0.5m2，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。

如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的根基上增加了0.1m3/h，试画出水槽液位Dh的变化曲线解 这是一个积分对象，则(m)题解2-13图 水槽液位Dh的变化曲线~~~~~2-14 为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间〔假定为t0=0〕突然将燃料气流量从2.5t/h增加到3.0t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反响曲线如题2-14图所示假定该对象为一阶对象，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式〔分别以温度变化量与燃料量变化量为输出量与输入量〕，并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式题2-14图 重油预热炉的解 〔输入〕燃料变化量由题图知,该系统属于一阶系统，输出量(温度)的变化量y(t)相对于输入(燃料)变化量x(t)的关系(方程)为 当x(t)=A=50/6(kg/min)=const.时，方程的解为y(t)=KA(1-e-t/T)℃由题图知，y(¥)=KA=150-120=30℃,则K=30/A=30/(50/6)=3.6(℃/(kg/min))首先不考虑延迟，y(t)的变化从t0=2min开场，到t1=8min时，实际变化时间t=6min，由题图知y(t)=y(6)=30(1-e-6/T)=145-120=25〔℃〕由此解出 T=3.35(min)所以y(t)=30(1-e-t/3.35)℃假设考虑滞后时间 t=2min，则微分方程为系统的特性参数是系统的固有特性，不会随输入信号的变化而变化，因此，前面求解过程中所确定的K和T的值是不变的。

所以，当燃料变化量x(t)=A=1时，温度变化量的函数表达式为yt(t)=y(t-t)=3.6(1-e-(t-2)/3.35)℃ 3-1 什么叫测量过程 解 测量过程就是将被测参数与其相应的测量单位进展比拟的过程3-5 某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：标准表读数/℃02004006007008009001000被校表读数/℃02014026047068059031001(1)求出该温度仪表的最大绝对误差值；(2)确定该温度仪表的精度等级；(3)如果工艺上允许的最大绝对误差为±8C，问该温度仪表是否符合要求解 (1) 校验数据处理：标准表读数/℃02004006007008009001000被校表读数/℃02。