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化工仪表及自动化历玉鸣复习资料第一章 自动控制的基本概念 1. 图 1-16 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。 答：PI-307：表示测量点在蒸汽加热器的一台压力指示仪表，工段号为 3，仪表序号为 07。仪表安装在现场。 TRC-303：表示测量点在蒸汽加热器出料管线上的一台温度记录控制仪表，工段号为 3，仪表序号为 03。仪表安装在集中仪表盘面上。 FRC-305： 表示测量点在蒸汽加热器进料管线上的一台流量记录控制仪表， 工段号为 3，仪表序号为 05。仪表安装在集中仪表盘面上。 2.写出自动控制系统的组成及方块图，并简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量、设定值和偏差的含义？ 答：组成：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 方块图: 被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 被控变量y：被控对象内要求保持一定数值的物理量称为被控变量。 控制变量q：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。 1 干扰f：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。 设定值x：工艺规定被控变量所要保持的数值。 偏差 e：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。 3.自动控制系统按给定值的变化可分为几种？以及各种的控制系统的特点。 答：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统三种。 定值控制系统：“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。 随动控制系统：给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。 程序控制系统：给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。 4.某化学反应器工艺规定的操作温度为(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图1-13所示。试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。 图1-13 过渡过程曲线 解 由过渡过程曲线可知 最大偏差 A=950-900=50 2 衰减比 第一个波峰值B=950-908=42 第二个波峰值B'=918-908=10 衰减比n=42:10=4.2 振荡周期 T=45-9=36min 余差 C=908-9008 47min。 过渡时间为 由于最大偏差为50，不超过80，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。 5.控制系统的各类品质指标及其计算？ 最大偏差A或超调量：最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。 超调量是用来表征被控变量偏离稳态值的程度。超调量=第一个峰值新的稳定值。 衰减比n：衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。 余差e：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。 过渡过程时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±(过渡时间应该要短）。 震荡周期或频率：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。 6.什么是控制系统的静态和动态？ 答：静态：在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态成为控3 制系统的静态。 在这种状态下，自动控制系统的输入及输出都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。 动态：系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。 当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值。此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间内整个系统都处在变动状态中。 7.控制系统过渡过程的四种过渡过程及其特点。 答：非周期衰减过程：被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一个值上。 衰减震荡过程：被控变量来回波动，但波动幅度逐渐减小，最后稳定在某一个值上。 等幅振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。 发散振荡过程：被控变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远。 8.图1-31为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。 (1)指出每种过程曲线的名称； (2)试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求？哪些不能？为什么？ (a) (b) (c) (d) 图1-31 过渡过程曲线 4 答：。 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。 第二章 被控对象的数学模型 1. 什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？ 被控对象特征：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。 被控对象的数学模型：这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。(定量地表达5 对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。)数学模型有两种：一种是非参量模型(曲线或者数据表格），另外一种是参量模型。 2. 建立对象数学模型的三种方法。 机理建模方法、试验建模方法和混合建模方法 (1)机理建模。机理建模是根据对象或生产过程内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应方程等，从而获得对象的数学模型，这类模型称之为机理模型。 (2)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)混合建模：将机理模型和实验模型结合起来得到。 3. 描述简单对象特性的参数有哪些？ 放大系数、时间常数、滞后时间。 放大系数K：放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比，即由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。 时间常数T：时间常数是指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，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的632所需时间。 滞后时间：滞后时间是纯滞后时间和容量滞后的总和。 4. 实验测取对象特性常用的方法有哪些？ 阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。 5. 何为系统辨识、参数估计？ 系统辨识：定义：通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数 。 特点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理 。 参数估计：这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些 参数。 第三章 检测仪表与传感器 1. 仪表的性能指标及精度的计算。 (1)精确度: Dmax´100%相对百分误差: d=测量范围上限值-测量范围下限值仪表允许的最大绝对误差值允许误差: d允=±´100%测量范围上限值-测量范围下限值(2)变差： 变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范6 围内进行正反行程测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。 最大绝对差值变差=´100% 测量范围上限值-测量范围下限值注意： 仪表的变差不能超出仪表的允许误差。 (3)灵敏度与灵敏限： 仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数Da变化量的比值。即 S= Dx式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。 (4)分辨率： 对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。 不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。 (5)线性度： 线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。 Dfmax di=´100% 仪表量程式中，f为线性度；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差。 7 (6)反应时间： 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。 仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。 仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2所用的时间，可用来表示反应时间。 例1某压力表的测量范围为 01MPa，精度等级为 1 级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为 0.5MPa 时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么? 解：最大绝对误差max =×1% = 0.01 在校验点为 0.5MPa 处，校验得到的绝对误差为 = 0.508-0.5 = 0.0080.01故在该校验点符合 1 级精度。 例2如果某反应器最大压力为 0.8MPa，允许最大绝对误差为 0.01MPa。现用一台测量范围为 01.6MPa，精度为 1 级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为 01.0MPa ，精度为 1 级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。 解：采用测量范围为 01.6MPa，精度为 1 级的压力表，其允许最大绝对误差max=×1%= 0.016 0.01超出了工艺上允许的最大绝对误差，故不能符合工艺上的误差要求。若采用测量范围为 01.0MPa，精度为 1 级的压力表，其允许最大绝对误差max=×1%= 0.01= 0.01等于工艺上允许的最大绝对误差，故能符合工艺上的误差要求 例3.某压力仪表的测量范围是1001100Pa，其精度为0.5级，则这台表的量程是多少？基本误差是多少？最大绝对误差是多少？允许误差是多少？ 8 答：1000Pa0.5%±5Pa0.5% 工业仪表的分类，1.按仪表使用的能源分：气动仪表，电动仪表和液动仪表。2.按信息的获得，传递，反映和处理的过程分类：(1) 检测仪表，(2) 显示仪表，(3) 集中控制装置，(4) 控制仪表，(5) 执行器。3.按仪表的组成形式分类：(1)基地式仪表，(2) 单元组合仪表弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。F=K*S。 液柱式压力计，它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。P=P2-P1=gh。 电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的仪表。 活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 3. 压差式流量计的工作原理、标准的节流体的种类和转子式流量计的工作原理。其他流量测量。 差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。 标准的节流体种类：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。 转子流量计是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。 椭圆齿轮流量计、涡轮流量计、电磁流量计、漩涡流量计、质量流量计 例1.力计安装要注意什么间题? 答 ：压力计应安装在易观察和检修的地方； 安装地点应力求避免振动和高温影响； 针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施： 压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏； 当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p = ±gH 进行修正 ； 为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。 9 例2什么叫节流现象?流体经节流装置时为什么会产生静压差? 答：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。流体流经节流装置时， 由于流速发生变化， 使流体的动能发生变化， 根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。 例3为什么说转子流量计是定压降式流量计，而差压式流量计是变压降式流量计? 答：转子流量计在流量变化时，转子两端的压降是恒定的；而差压式流量计在流量变化时，节流装置两端的压降也是随之改变的。 4. 压差式液位变送器工作原理、零点迁移问题和电容式物位传感器的工作原理？其他物位测量。 压差式液位变送器工作原理：利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压强也相应的变化。将差压变送器的一端接液相，另一端接气相： p1=p+Hrgp2=pDp=p1-p2=Hrg零点迁移问题：在使用压差变送器测液位时，一般来说，其压差P与液位高度H之间有如下关系 PH，这属于一般“无迁移”情况。 P=H1g-2g，为有迁移的情况。 电容式物位传感器的工作原理：在电容和电极之间，充以不同的介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过电容量的变化来检查液位、料位和两种不同的液位分界面。 核辐射物位计、超声波物位计 例1.什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？ 10 答：在使用差压变送器测量液位时， 一般压差 p 与液位高度 H之间的关系为：p=gH。这就是一般的“无迁移”的情况。当H= 0时，作用在正、负压室的压力是相等的。实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H =0 时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即p 0 ，这就是液位测量时的零点迁移问题。 为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H =0 时，尽管差压变送器的输入信号p不等于0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。零点迁移实质就是变送器零点的大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。 5. 热电偶测温原理、热电阻测温原理及温度计算 将热电效应：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。 热电阻测温原理：利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。 6. 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？ 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。 热电偶冷端温度补偿的方法： 冷端温度修正法 补偿导线法 冷端恒温法 补偿电桥法 例1.热电偶补偿导线的作用是什么？在选择使用补偿导线时需要注意什么问题？ 答 由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才11 是被测温度的单值函数。茬实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。 在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100。 例2.用热电偶测温时，要进行冷端温度补偿，其冷端温度补偿的方法有哪几种？ 答 冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为0的方法；(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。 例3.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？ 解(1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25，即 E(t,t0)=20mV 查表可得 E(t0,0)=E(25,0)=1mV 因为 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20+1=21mV 由此电势，查表可得t=509，即设备温度为509。 (2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25。查表可得 E(t0,0)=E(25,0)=1.5mV 设备温度为509，查表可得 E(t,0)=E(509,0)=37.7mV 因为 E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=37.7-1.5=36.2mV 即E热电偶测得的热电势为36.2mV。 12 例4.测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160时，请计算实际温度tx为多少度？(室温为25) 图3-17 测温系统图 解 这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160时的电势为10501V，这电势实际上是由K热电偶产生的，即 E(tx,25)=10501mV 查分度号K，可得E(20,0)=1000mV，由此可见， E(tx,0)=E(tx,25)+E(25,0)=10501+1000=11501mV 由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283。 第五章 自动控制仪表 1. 什么是位式、比例、积分、微分控制规律？它们各自的特点？ 位式控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置。特点：位式控制器结构简单、成本较低、易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不可能使被控变量稳定在某一个数值上。 比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量户与输入偏差信号变化量e之间成比例关系 比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在。 积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e的积分成正比， 即： p=KIòedt 当输入偏差是常数A时： p=KIAdt=KIAtò特点是控制缓慢，但能消除余差。比例积分控制规律的特点是控制既及 时，又能消除余差。 微分控制规律是指控制器的输出变化量户与输入偏差e的变化速度成正比， dep=TD即： dt13 特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性(但微分 作用不宜过强)。一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。 deöæp=Ke+Tç÷比例微分控制规律： PDdtèøæö比例积分控制规律： p=KPçe+1edt+TDde÷çTòdt÷Ièø 例1、在控制系统应用中，有哪些基本控制规律和组合控制规律？写出各自的表达式？它们各应用在什么场所？ 答：在控制系统应用中，基本调节规律有：P、I、D，基本组合调节规律有PI、PD、PID。 P：自衡能力强，滞后小的对象且控制质量要求不高 PI：对象滞后小，负荷变化幅度大，要求无差 PD：一阶滞后较大允许有余差的对象 PID：负荷变化大，容量滞后大，被控变量变化缓慢，质量要求高。 2. 能够根据选定的控制规律计算控制器的参数。 3.什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？ 解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即 p=f(e)=f(x-z) 式中,z 为测量值信号:x 为给定值信号:f 为某种函数关系。 控制器的基本控制规律有位式控制、比例控制 、积分控制 、微分控制以及它们的组合控制规律，如 PI、PD、 PID 等。 4. 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。 解 比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差(有差控制) 积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差(无差控制) 14 微分控制规律的特点是控制响应快，故有超前控制之称；但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制 第五章 执行器 1. 气动执行器的组成部分和分类。 执行机构：薄膜式和活塞式 控制机构：1直通单座控制阀2直通双座控制阀3角形控制阀4三通控制阀5隔膜控6蝶阀7球阀8凸轮挠曲阀 9笼式阀 2. 何为控制阀的理想流量特性和工作流量特性？ 控制阀的理想流量特性：在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状。 直线流量特性 等百分比流量特性 抛物线流量特性 快开型流量特性 控制阀的工作流量特性：在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。 串联管道的工作流量特性 并联管道的工作流量特性 3. 气开阀、气关阀、执行器。 气开式与气关式：有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。 执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。 4. 气开阀和气关阀选择的原则。 考虑原则：主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。 5气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？ 答：气动执行器主要由执行机构和控制机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置；控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。 7.试述电气阀门定位器的基本原理与工作过程。 15 答：电气阀门定位器的基本原理是力矩平衡原理。 电气阀门定位器的工作过程： 当由输入电流所产生的电磁力与由阀门位置所产生的反馈力在杠杆系统中建立力矩平衡时，就使一定的输入电流信号对应于一定的阀门位置。 8控制阀的日常维护要注意什么？ 答：控制阀的日常维护要注意：要对控制阀经常维护和定期检修；应注意填料的密封情况和阀杆上下移动的情况是否良好， 气路接头及膜片有否漏气等； 检修时重点检查部位有阀体内壁、阀座、阀芯、膜片及密封圈、密封填料等。 第七章 简单控制系统 1. 何为简单控制系统及简单控制系统的典型方块图。 简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。 简单控制系统的典型方块图： 2. 被控变量和操纵变量的选择原则。 被控变量选择原则： 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。 被控变量应是独立可控的。 操纵变量选择原则： 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。 操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时16 间要尽量小。而干扰通道的时间常数可以大一些。 选择的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的影响。 在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。 3. 自动控制系统中常用的控制规律及其特点。 自动控制系统中常用的控制规律有比例(P)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)控制规律。 比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。 特点: 控制器的输出信号与它的输入信号(给定值与测量值的偏差)成比例。 当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。 纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。(系统负荷变化后，控制结果有余差。) 比例积分控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 特点: 由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。(控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输入信号对时间 的积分成比例。) 积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。(能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。) 比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。 特点： 微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。 在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。 4. 控制系统正、反作用的确定。 控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。 作用的方向：输入变化后，输出的变化方向。 17 正作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。 反作用方向：当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。 测量元件及变送器：作用方向一般是“正”的。 执行器：作用方向取决于是气开阀还是气关阀。 被控对象：作用方向随具体对象的不同而各不相同。 控制器：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。 确定控制器的正、反作用可按以下步骤进行： 根据生产的安全原则确定调节阀的气开、气关形式，即确定执行器的正、反作用。 根据被控对象的特征，确定其正、反作用形式。 根据四个环节正、反作用的乘积为负的原则，确定控制器的正、方作用。 例1.什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？ 答 随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。 5. 控制器参数整定的方法及其参数确定。 临界比例度法：先通过试验得到临界比例度k和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 衰减曲线法：通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。 经验凑试法：根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。 6.试确定图 7-23 所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。 答：图 7-23为一加热器出口物料温度控制系统。由于物料温度需要控制，当控制阀上气源突然中断时，应使加热剂的阀门处于关闭状态，以避免大量加热18 剂流入加热器，所以应选择气开阀型式。当加热剂流量增大时，会使被加热物料出口温度升高，故该对象为“+”作用方向的，而气开阀是“+”作用方向的，为使整个系统能起负反馈作用，温度控制器应选反作用的。 图 7-23为一冷却器出口物料温度控制系统。由于物料温度需要控制，当控制阀上气源突然中断时，应使冷剂的阀门处于关闭状态，以避免大量冷剂进入冷却器，所以应选择气开阀型式。当冷剂流量增大时，会使被冷却物料出口温度降低，故该对象为“”作用方向的，而气开阀是“+”作用方向的，为使整个系统能起负反馈作用，温度控制器应选正作用的。 7.图是一反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方块的含义，指出它们具体代表什么？假定该反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 答：该反应器温度控制系统方块图如下图 其中各方块为： 对象为反应器， 执行器为加热蒸汽流量调节阀， 测量变送为反应器内温测量，控制器为反应器内部温度控制器。 根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。 8.工艺要求利用回流量来控制塔顶温度t(简单控制系统)，为保证塔正常操作，回流量不允许中断。 指出构成控制系统时的被控变量、操纵变量、主要干扰是什么？ 19 在图上画出控制流程图并确定执行器类型； 选择控制器的作用方向； 画出简单控制系统方框图； 简单说明该系统克服干扰的过程。答：构成控制系统时的被控变量是塔顶温度；操纵变量是塔顶回流量，主要干扰量是：进料的流量和温度，回流的温度和流量，加热蒸汽量等。 控制图见下图，执行器为气关式 控制器为反作用方向。 u 简单控制系统方框图见下图 9、(20分) 某列管式蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定在。已知主要干扰为蒸汽压力的波动。 确定被控变量，并选择相应的测量元件。 制定合理的控制方案。 如物料温度不允许过高，否则易裂解，试确定控制阀的气开、气关式。 画出控制流程图与方框图。 20 答：被控变量为列管式蒸汽加热器物料出口温度，因测量温度较低但精度较高选择铂热电阻为测量元件。 干扰为蒸汽压力，控制方案选用副参数为蒸汽压力主参数为物料出口温度的串级控制。 控制阀选用的气开式 控制流程图与方框图如图 10.某控制系统采用DDZ-k30、Tk3min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。 解 PI=66%，积分时间TI=2.55min。 PID=51%，积分时间TI=1.5min，微分时间TD=0.375min。 第八章 复杂控制系统 一串级控制系统 21 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。 举例说明 串级控制系统的结构及其工作原理 控制好温度 1.可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 2.可保证后面精馏分离的质量。 管式加热炉出口温度控制系统 图7-1 根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 受热管道长，热负荷大 燃料压力，热值波动大 图7-1 管式加热炉出口温度控制系 统 原因：当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢。 而温度控制器TC是根据原料油