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10131313钟晓帆化工仪表及自动化总复习习题及答案

第一章 自动控制系统基本概念

一、基本要求

1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系； 2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法； 3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；

4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；

5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。

二、常用概念

1.化工自动化的主要内容：化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。

2.自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。 3.被控对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。

4.被控变量：过程内要求保持设定数值的物理量。

5.操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

6.干扰作用：指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。 7.设定值：被控变量的设定值。

8.偏差：个别测定值与测定的平均值之差。

9.闭环系统：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。

10.开环系统：指控制器与被控对象之间只有顺 向控制而没有反向联系的自动控制。

11.控制系统的过渡过程：一个控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。

12.反馈：把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。

13.负反馈：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，这种反馈叫做负反馈。 14.正反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相同，反馈信号使原来的信号增强，这种反馈叫做正反馈。

三、问答题

1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。 答：

开环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，但被控变量对操纵变量没有影响。

闭环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，被控变量又对操纵变量产生影

响。

定值控制系统：给定值为常数；

随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化； 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。 2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？ 答：

发散振荡过程 非振荡发散过程 等幅振荡过程 衰减振荡过程 非振荡衰减过程。

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设定值，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。 3.试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。

答:

最大偏差（超调量）：在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。 衰减比：表示衰减程度的指标。

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。 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。

振荡周期（振荡频率）：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间。

4.什么是控制系统的方块图？它与工艺管道及控制流程图有何区别？ 答：

自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线（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分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。

5.在自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？ 答：

仪表位号由字母组合和回路编号组成：

字母组合：首字母――被侧变量，尾字母――仪表功能，中字母――修饰词。 回路编号：首位数――工序号，后续数――顺序号。

四、选择题：

1．反馈调节系统（ C ）闭环系统。

A. 不一定是 B. 肯定不是 C. 肯定是 D、无法判断

2．定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统是按什么来划分的（ C）。 A. 按自动调节系统的结构 B. 按自动调节系统的特性 C. 按给定值变化的规律 D. 调节系统的结构

3. 在研究动态特性时可以将( C )看作系统对象环节的输入量。

A. 干扰作用； B. 控制作用；C．干扰作用和控制作用； D．测量仪表的信号 4.在下列仪表号位中表示有报警作用的字母为 ( C ） A、“C” B、“H” C、“A” D、“I” 5.控制系统在阶跃干扰作用下的几种过渡过程中，那种震荡过程是最希望出现的震荡过程（ B ） A、非周期衰减过程 B、衰减震荡过程 C、等幅震荡过程 D、发散震荡过程

6.下列哪些参数不是表示过渡过程品质好坏的指标（ A ） A、变差 B、余差 C、最大偏差 D、衰减比

7.关于调节系统方块图的说法，不正确的是（ B ）。

A.一个方块代表一个设备； B.方块间的连线代表的是方块间物料关系； C.方块图上的线条及箭头方向不一定与流体流向一致 D.方块间连线只代表信号关系

8.控制系统的反馈信号使得原来信号增强的叫做（ B ）。 A.负反馈 B.正反馈 C.前馈 D.回馈 9. 某换热器的温度控制系统（设定值是 40 ℃ ）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图6所示。则该系统的余差、衰减比、最大偏差是（ B ）。 A、1、4: 1、4 B、1、4:1、5 C、1、5:2、5 D、1、5:1、4

五、填空题：

1. 自动化装置是由测量元件与变送器、自动控制器、执行器、等环节组成。 2．描述控制系统的品质指标的参数有最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、震荡周期或频率等。 六、综合题：

1. 某发酵过程工艺操作温度为（40?2）?C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离设定值最大不能超过6?C。先设计一定值控制系统，在阶跃扰动系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入?2%新稳态值即达到稳定来确定）和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求？

图5

解：

由反应曲线可知：

最大偏差：A?45?40?5℃ 余差：C?41?40?1℃ 衰减比：

第一个波峰值B?45?41?4℃ 第二个波峰值B'?42?41?1℃

n?B4??4 B'1