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第一章1什么是自动控制系统的方框图，它与控制流程图有什么区别？答：方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。它是由方框、信号线、比较点、引出点组成的；工艺流程上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致2如图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。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？反应器温度控制系统该温度控制系统的方块图扰动反应器温度控制系统方块图其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；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，环境温度的高低等。3如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；TRC303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；FRC305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。4. 反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？它们对自动控制系统有什么影响？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，即卩输出量的变化量K=输入量的变化量对象的放大系数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。控制通道k适量大有利于控制，干扰通道k尽量小有利于控制。时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的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，达到新的稳态值的时间。时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大控制通道T尽量小控制作用快，控制及时；干扰通道T越大越好易于控制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。控制通道的T越小越好吧，最好为0干扰通道的T对系统无影响。5. 对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？.纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间而引起的（输入变化后输出无变化）。控制通道若存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低；干扰通道若存在纯滞后，相当于将干扰推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的（输入变化后输出变化很小）。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T增大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低；T减小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统控制质量提高。但T不能太大或太小，且各环节时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在干扰通道，如果容量滞后增加，干扰作用对被控变量的影响比较平稳，一般有利于控制。6. 什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？答：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。7. 为什么生产上经常要求控制系统的过渡过程具有衰减震荡形式？答：因为衰减震荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，给操作员有效的提醒8某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)C。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80C。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900x(1%)=9C)的时间)，并回答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(C)；超调量5=950-908=42(C)；由于B=918908=10(C),所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908-900=8C；振荡周期T=45-9=36(min)过渡时间ts=47min。该系统最大偏差为50C,小于允许偏差80C；余差为908900=8C,在工艺操作规定对温度的要求范围之内(10C)因此，该系统能满足工艺要求。第二章4某温度表的测量范围为01000C，准确度等级为0.5级，试问此温度表的允许最大误差为多少？在校验点为500C时，温度指示值为504C，试问该温度表在这一点上的准确度是否符合一级，解：A=(为什么？x-%.)x(+0.5%)=1000x(+0.5%)=+5CmaxmmA504-500S=皿x100%=x100%=0.4%0.5%x.1000-0maxmm该温度在这一点的准确度符合1级5现有一台测量范围为01.6MPa,精度为1.5级的普通弹簧管压力表,校验后，其结果为:上行程下行程被校表读数/MPa0.00.40.81.21.61.61.20.80.40.0标准表读数/MPa0.0000.3850.7901.2101.5951.5951.2150.8100.4050.0001) 求出该压力表的变差；问该压力表是否符合1.5级准确度？答：先求出各校验测量点的绝对误差值：上行程下行程被校表读数/MPa0.00.40.81.21.61.61.20.80.40.0标准表读数/MPa0.0000.3860.7901.2101.5951.5951.2150.8100.4050.000绝对误差值/MPa0.0000.0140.010-0.0100.0050.005-0.015-0.010-0.0050.0001）正反行程的绝对差值为0.020MPa该压力表的变差为：i62x100%=1-25%1-5%该压力表的允许误差=Amax_x100%=X100%=0.9375xmaxxmin1,000.93750.5Mpa；下限值按0Mpa计。该反应器允许最大绝对误差为0.01MPa，选用压力计的允许误差为：6=Amax/（x上一x下）X100%=0.01/（1.60）X100%=0.625%若选用一台测量范围为01.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，不符合工艺上要求。2p上=1.0X3=0.667Mpa0.5MPa若采用一台测量范围为01.0MPa，精度为1级的压力表来进行测量，符合误差要求，但不符合测量范围要求。32某输气管道内天然气工作压力为1.11.5MPa,工艺要求就地指示管道内压力，最大测量误差不得大于0.05MPa，试选择一合适的压力表，说明其类型、流量和准确度等级。解由题意得选择仪表的上限p=叽X3=1.5X3=2.25MPa选择量程为02.5MPa准确度等级为1.5级由于11丄，故被测压力的最小值不低于满量程的1/32.53这是允许误差6=005X100%=2%所以准确度等级为1.5级的仪表可以满足要求2.533.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa,要求误差不超过0.4MPa,试选用一台就地指示的压力表（给出型号、测量范围、精度等级）。解合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p,则p3x14沁23.3（MPa）根据压力表量程系列（附表1），可选YX150型、测量范围为025MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足0.451.5%60251故被测压力最小值不低于量程的1/3,这是允许的。60339. 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？当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差Ap0的现象，称为液位测量时的零点迁移问题在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变送器的输入信号Ap0,则为“正迁移”反之如果被测液位H=0时，差压变送器的输入信号ApVO,则为“负迁移”所以零点迁移实际上是变送器零点的大范围调整，它改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，经常在负压管上装有冷凝罐（见题3-48图），问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考解：差压液位计正压室压力P=pgh+pgH+Po负压室压力p2=pgh2+p0正、负压室的压差Ap=p-p=pgH-OpgH=0时，Ap=一（h厂hjpg。这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使H=0时，Ap=0,该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为（h2-h1）pg第三章3.比例度的大小对控制过程有什么影响？比例度对控制过程的影响：比例度越大，比例控制越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大；比例度越小，比例控制越强，过渡过程曲线越振荡，系统的稳定性和动态性能变差，但余差也越小，提高了系统的静态准确度；比例度过小，可能会出现发散振荡。选择比例度要注意：若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大系数较小，可选择小比例度来提高系统的灵敏度，使过渡过程曲线形状较好；反之，为保证系统的稳定性，应选择大的比例度。4. 为什么积分控制能消除余差？积分时间的大小对控制过程有什么影响？积分控制能消除余差的原因：因为积分控制作用的输出与输入偏差的积分成正比，只要有偏差存在，积分控制作用将随时间不断变化，直至偏差完全消除，系统才能稳定下来，所以TI越小，余差消除越快，可提高系统的静态准确度，但会使系统稳定性下降，动态性能变差；TI越大，余差消除越慢；TI-时，成为纯比例控制。5. 微分控制的特点是什么？微分时间的大小对控制过程有什么影响？特点：对偏差的变化特别敏感；对不变的偏差微分不起任何作用；系统的稳定性增加，但不能增加的太多。影响：微分时间增加，微分作用加强，系统稳定性提高，变现为衰减比增大，过渡过程最大偏差emax减小，过渡时间tp缩短。Td太大，微分作用太强，导致反应速度过快，会引起系统震荡。6. 为比例控制能单独使用，而积分、微分控制规律一般不能单独使用？比例控制具有反应快、控制及时的特点，有偏差信号输入时，输出立即与它成比例的变化，偏差越大，输出的控制作用越强。所能单独使用。积分控制器的输出是偏差随时间的积分其控制作用是随着时间的积累而逐渐增加的。当偏差刚产生时控制器的输出很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用，所以积分控制一般不单独使用。因为微分控制作用的输出与输入偏差的变化速度成正比，一旦偏差不变化，即使偏差非常大，微分控制也无能为力了，所以微分控制规律不能单独使用。12. 控制阀的结构有哪些主要类型？各使用在什么场合？执行机构是指执行器中的哪一部分？执行器选择气开、气关的原则是什么？（1）直通单座控制阀：应用在小口径、低压差的场合。（2）直通双座控制阀：常用类型（3）角形控制阀:：适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。（4）三通控制阀：可代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀：适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。（6）蝶阀：大口径，大流量，低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（7）球阀：适用于高粘度和污秽介质的控制。（8）凸轮挠曲阀：适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制（。9）笼式阀：特别适用于要求低噪声及压差较大的场合（。10）小流量阀：适用于小流量的精密控制。（11）超高压阀：适用于高静压、高压差的场合。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）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。执行器选择气开、气关的原则是安全原则，即当控制信号中断时，应保证生产设备、操作人员的安全试分别说明什么叫控制阀的流量特性，理想流量特性和工作流量特性？常用的控制阀理想流量特性有哪些？为什么流量特性的选择对控制系统的工作至关重要？答：控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间Q_f(l)f的关系，即：max阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。常用的控制阀理想流量特性主要有直线、等百分比(对数)、抛物线及快开等几种。从自动控制的角度看，调节阀一个最重要的特性是他的流量特性，即调节阀阀芯位移与流量之间的关系，值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响第四章1.如图所示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。题7-2图反应器温度控制系统解该反应器温度控制系统方块图如下图所示。题解7-2图反应器温度控制系统方块图其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。根据工艺要求：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，且系统无能源初始状态阀门应完全关闭，所以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；执行器、被控对象与控制器组成一个负反馈系统，则控制器应为“反”作用。13、试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。(1) (a)图，当物料温度过低易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；(2)(a)图，当物料温度过高易易结焦成分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；(3) (b)图，当物料温度过低易析出结晶颗粒的介质，调节介质为带加热的软化水是时；(b)图，当物料温度过高易易结焦成分解的介质，调节介质为带加热的软化水是时;题7-13图温度控制系统解（1）根据工艺要求当物料温度过低易析出结晶颗粒的介质，系统无能源初始状态时阀门应完全打开，执行器应为气关阀；过热蒸汽流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用；执行器、被控对象与控制器组成一个负反馈系统，所以控制器应为“正”作用。（2）根据工艺要求物料温度过高易易结焦成分解的介质，系统无能源初始状态时阀门应完全关闭，执行器应为气开阀；过热蒸汽流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用；执行器、被控对象与控制器组成一个负反馈系统，所以控制器应为反”作用。（3）根据工艺要求当物料温度过低易析出结晶颗粒的介质，系统无能源初始状态时阀门应完全关闭，执行器应为气开阀；带加热软化水流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用；执行器、被控对象与控制器组成一个负反馈系统，所以控制器应为“正”作用。（4）根据工艺要求当物料温度过高易易结焦成分解的介质，系统无能源初始状态时阀门应完全打开，执行器应为气关阀；带加热软化水流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用；执行器、被控对象与控制器组成一个负反馈系统，所以控制器应为反”作用。4.图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。（1）选择流入量Qi为操纵变量；-（2）选择流出量Q0为操纵变量。fQs解：分两种情况：一（1）当选择流人量Qi为操纵变量时，控制阀安装F在流人管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式控制阀，为“+”作用方向。这时，操纵变量即流人量Qi增加时+被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于控制阀与对象都是“+”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用方向。（2）当选择流出量Q0为操纵变量时，控制阀安装在流出管线上，这时，为防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关型式控制阀，为“一”作用方向。这时，操纵变量即流出量Q0增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“一”作用方向。以上这两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关型式的选择及对象的作用方向都与操纵变量的选择是有关的。由于选择流出量Q0为操纵变量时，对象与控制阀都是“一”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，应选择反作用方向的控制器。5控制器参数正定的任务是什么？工程上常用的控制器整定方法有哪几种？答：控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值（包括比例度5积分时间T微分时间T），以便使系统能获得好的控制质量。1D控制器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。属于控制器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。8.临界比例度的意义是什么？为什么工程上控制器所采用的比例度要大于临界比例度？临界比例度的意义：在纯比例作用下，控制系统的被控变量输出呈等幅震荡曲线，这时的比例度为临界比例度。临界比例度处于稳定与不稳定状态之间，在工程上希望出现稳定状态，比例度越大系统越稳定，比例度越小系统越不稳定，所以比例度要大于临界比例度。、补充部分什么是控制通道和扰动通道（干扰通道）?对于不同的通道，对象的特性参数（K、T、T）对控制有什么不同的影响?答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数（K、T、T）对控制作用的影响是不同的。对于控制通道：放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。滞后时间T的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间T。对于扰动通道：放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将扰动推迟工0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。4、控制对象的干扰通道的动态特性对过渡过程的影响是:干扰通道的时间常数愈大,对被控变量的影响_越小;干扰通道容量滞后愈多,则调节质量_越差;干扰通道的纯滞后对调节质量_有影响，纯滞后越大，质量越差_。P166-5.被控变量的选择原则是什么？答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。P167-7.操纵变量的选择原则是什么？答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）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，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。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：自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率。影响因素有被控对象的额性质，自动化装置的选择和调整。试述自动控制系统中常用的控制规律及其特点和应用场合。答：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。比例控制规律是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。它的特点是控制及时，克服干扰能力强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变化不大、对控制要求不高的场合。比例积分控制规律是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。它的特点是能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差存在的系统。比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用，微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。为什么要考虑控制器的正、反作用?如何选择?答：在控制系统中，要正确选择控制器的作用方向，即“正”、“反”作用。选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器；个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正、反作用。过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。 发散振荡过程如图13(a)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。 非振荡发散过程如图13(b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。 等幅振荡过程如图13(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。 衰减振荡过程如图13(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。 非振荡衰减过程如图l3(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离给定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。
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