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1、第章自动控制系统基本概念1-3 自动控制系统重要由哪些环节构成？解 自动控制系统重要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节构成。 1- 题1-图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别阐明图中PI-307、RC30、F305所代表的意义。题1-图 加热器控制流程图解 -307表达就地安装的压力批示仪表，工段号为3,仪表序号为07;TRC-303表达集中仪表盘安装的，具有批示记录功能的温度控制仪表；工段号为，仪表序号为03；FRC305表达集中仪表盘安装的,具有批示记录功能的流量控制仪表;工段号为，仪表序号为5。 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
2、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；控制器接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较得出偏差,并按某种运算规律算出成果，然后将此成果用特定信号（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变化阀门的启动度，从而变化操纵变量的大小。18试分别阐明什么是被控对象、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规定保持设定值的工艺参数。控系统一般用该变量的名称来称呼，如温度控制系统,压力制
3、系统等。给定值（或设定值或盼望值）人们但愿控制系统实现的目的,即被控变量的盼望值。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图所示为一反映器温度控制系统示意图。A、两种物料进入反映器进行反映，通过变化进入夹套的冷却水流量来控制反映器内的温度不变。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、操纵变量及也许影响被控变量的干扰是什么?并阐明该温度控制系统是一种具有负反馈的闭环系统。题1-图 反映器温度控制系统解 该温度控制系
4、统的方块图题解1-1图 反映器温度控制系统方块图其中，被控对象:反映器；被控变量:反映器内的温度；操纵变量：冷却水流量。也许影响被控变量的干扰因素重要有A、B两种物料的温度、进料量,冷却水的压力、温度，环境温度的高下等。若当反映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较，获得偏差信号，经温度控制器运算解决后,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,这样使反映器内的温度降下来。因此该温度控制系统是一种具有负反馈的闭环控制系统。-12 题1-1图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反映器内的温度超过给定值,试阐明此时该控制系统的工作状况,此时系统是如何通过控制作
5、用来克服干扰作用对被控变量影响的？解：当反映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较，温度控制器C将比较的偏差通过控制运算后，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，使反映器内的温度降下来,这样克服干扰作用对被控变量影响1- 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如下三类：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期间程序变化的系统。 -1 某化学反映器工艺规定操作温度为（90010）。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过8。现
6、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00（%)=9)的时间)，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺规定?题-19图 温度控制系统过渡过程曲线解 最大偏差A=950-90050()；超调量B=950-908=42(）;由于=18-908=10(),因此，衰减比n=B:B=42:=4.2;余差C=98-9=8；振荡周期T5-=3（min)；过渡时间ts=7in。由于A=5080，C=81,因此,该控制系统能满足题中所给的工艺规定。 1-20题l
7、-2(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、操纵变量和也许存在的干扰是什么?现因生产需要,规定出口物料温度从提高到8,当仪表给定值阶跃变化后,被控变量的变化曲线如题1-2()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12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。也许存在的干扰重要有:进口物料的流量、温度的变化;加热蒸汽的压力、温度的变化；
8、环境温度的变化等。该系统的过渡过程品质指标:最大偏差=1.5-10(）；由于B=1.-80.7=0.8（）,B=80.-8.7=02(）,因此，衰减比=:B=0.8:0.=4;余差C=8.7-81= -0.3(）。-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，就是用数学的措施来描述对象输入量与输出量之间的关系。当采用自动化妆置构成自动控制系统时,一方面也必须进一步理解对象的特性,理解它的内在规律，才干根据工艺对控制质量的规定，设计合理的控制系统,选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运营时,也要根据对象特性选
9、择合适的控制器参数(也称控制器参数的工程整定）,使系统正常地运营。被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大,因此必须对其进一步研究。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变化后来输出量的变化状况。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基本上的发展，稳态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型的一种特例。2- 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
10、间常数和滞后时间t放大系数在数值上等于对象(重新)处在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,即对象的放大系数越大,就表达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敏捷，因此,K实质上是对象的敏捷度。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.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
11、后现象。滞后现象用滞后时间t表达。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。211 已知一种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图所示的R电路中，已知R5kW，Cm。试画出ei忽然由0阶跃变化到5V时的eo变化曲线,并计算出t=T、t=2T、时的eo值。题2-1图 R电路解 C电路的微分方程为当ei=5V时,微分方程的解为eo=5（1-/）=5(-e-t/0)(V)(该系统的时间常数TRC=510310-6=10s)当t=T时
12、, o=5（1-e-T) 5(1-e-1）=.1V;当t=2T时，eo=5（-e-2TT)=5(1-e-2）=.32V；当t=3T时,eo=5(-e-3/T)= 5（1-e-3)=475V。题解212图 RC电路的阶跃响应曲线 2- 已知一种简朴水槽,其截面积为0.m2，水槽中的液体由正位移泵抽出,即流出流量是恒定的。如果在稳定的状况下，输入流量忽然在本来的基本上增长了0.1m3/，试画出水槽液位D的变化曲线。解 这是一种积分对象，则(m）题解21图 水槽液位D的变化曲线2-4 为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间(假定为0）忽然将燃料气流量从25t/h增长到3.0t/h,重油出口温度记录
13、仪得到的阶跃反映曲线如题214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体现式。题2-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(t)相对于输入(燃料)变化量x（t)的关系(方程)为 当x(t）=A50/6(kg/in)=ns.时，方程的解为(t)KA（1-t/T)由题图知，y(）=KA=15-1=30,则K0/A=0(5/)3.6(/（g/in)）一方面不考虑延迟，y(t）的变化从02mi开始,到t1=8时,实际变化
14、时间=6min,由题图知y()=y（6)=3(1-e-/T)1-0=2(）由此解出 T=.35(min）因此y(t)=30(-/3.5)若考虑滞后时间 t=min,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，前面求解过程中所拟定的K和T的值是不变的。因此，当燃料变化量(t)=A=1时,温度变化量的函数体现式为yt（t)=y(t-t）=6(1-e-(t-2）335) 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行比较的过程 某一标尺为0的温度仪表出厂前经校验,其刻度标尺上的各点测量成果分别为：原则表读数/2400600700800001000被校表读数0002070653101(1）求出该温度仪表的最大绝对误差值；（2）拟定该温度仪表的精度级别；（3)如果工艺上容许的最大绝对误差为C，问该温度仪表与否符合规定？解(1) 校验数据解决：原则表读数20040060
