化工仪表及自动化复习总结.docx

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化工仪表及自动化复习总结

化工仪表及自动化总结

（我是结合老师课件和习题解答总结复制的，有些要自己补充，可自行修改）谢谢！

1．简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？

被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。

操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

设定值被控变量的预定值。

偏差被控变量的设定值与实际值之差。

2.自动控制系统按其基本结构形式可分为几类?

其中闭环系统中按设定值的不同形式又可分为几种?

简述每种形式的基本含义.

答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统.

闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制.如图1-1（a）即是一个闭环自动控制.图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号,并与设定值相比较得到偏差的大小和方向,调整蒸汽阀门的开度,改变蒸汽流量,使热物料出口温度回到设定值上.从图1-1（b）所示的控制系统方块图可以清楚看出,操纵变量（蒸汽流量）通过被控对象去影响被控变量,而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量.从信号传递关系上看,构成一个闭合回路.

.

（a）

（b）

图1-1闭环自动控制基本结构

在闭环控制系统中,按照设定值的不同形式又可分为:

（1）定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.

（2）随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化

（3）程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。

开环控制系统是指控制器与被控制对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。

即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。

从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2（a）所示。

这种控制方式的操纵变量（蒸汽流量）与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。

另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2（b）所示。

这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。

（a）按设定值进行控制的开环系统（b）按扰动进行控制的开环系统

图1-2开环控制系统基本结构

开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。

3．自动控制系统主要由那些环节组成？

各部分的作用是什么？

答自动控制系统主要由两大部分组成。

一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包含检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。

在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转化成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）。

控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得到偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。

4．什么是自动控制系统的过渡过程?

对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。

系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。

把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。

5．什么是自动控制系统的方块图？

它与工艺管道及控制流程图有什么区别？

答：

自动控制系统的方块图是由传递方块、信号先（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特征的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观的显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。

在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同

6．什么是控制系统的静态与动态？

答在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态成为控制系统的静态。

在这种状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）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。

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。

7．什么是反馈？

什么是正反馈和负反馈？

负反馈在自动控制中有什么重要意义？

答把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引入输入端的作法叫做反馈。

反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫负反馈；反之为正反馈。

在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用，其作用方向与扰动方向相反，致使被控变量下降，这样就达到了控制的目的。

作业1：

什么是化工自动化？

它有什么重要意义？

书

4：

控制系统主要由哪些环节组成？

7：

12：

15：

给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？

⏹将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

21：

22：

衰减震荡过程

五种重要品质指标

1.最大偏差或超调量

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。

超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。

2.衰减比

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4～10之间为宜。

3.余差

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。

4.过渡时间

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。

5.震荡周期或频率

过渡过程同向两波峰（或波谷）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。

第二章

自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。

1：

什么是被控对象特性？

什么是被控对象的数学模型？

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。

这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。

什么是被控对象特性?

什么是被控对象的数学模型?

研究被控对象特性有什么重要意义?

答被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。

即当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。

对象的输入量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。

因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。

定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。

在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。

这些对象的特性各不相同。

有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。

只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。

因此，在控制系统设计时，首先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。

特别在设计新型的控制系统时，例如前馈控制、解耦控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。

2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。

答一是机理分析法。

机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律（比如三大守恒定律等），在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。

通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。

二是实验测取法。

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．描述简单对象特性的参数有哪些?

各有何物理意义?

答描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、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63．2％所需时间。

时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。

滞后时间

滞后时间

是纯滞后时间

和容量滞后

的总和。

输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。

容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。

滞后时间

也是反映对象动态特性的重要参数。

5．实验测取对象特性常用的方法有哪些?

答：

实验测取对象特性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。

（下面这点是个人总结的，可以不看）

2：

数学模型的表达形式分类

（1）非参量模型

当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。

非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。

（2）参量模型

当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。

对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。

5．机理建模的根据是什么？

根据对象或生产过程的内部机理，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、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。

6．

8．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？

作

⏹一