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第一章
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? 答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是:
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，用以克服干扰的影响，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。
3.自动控制系统主要由哪些环节组成?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，它包括检测元件及变送器、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换成一种特定的信号（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出偏差，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?在阶跃扰动作用下，其过渡过程有哪些基本形式?哪些过渡过程能基本满足控制要求?
答: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。
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。
①发散振荡过程如图1-3 (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。
②非振荡发散过程如图1-3 (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一俩作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。
③等幅振荡过程如图1-3(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。
④衰减振荡过程如图1-3(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。
⑥非振荡衰减过程如图1-3(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。能墓本满足控制要求。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
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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。\\
5、衰减振荡过程的品质指标有哪些?各自的含义是什么?
答：衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。其各自的含义是:
最大偏差：是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。
衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。 余差：是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。
过渡时间：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。
振荡周期(或频率)：是指过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。
6，什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性的数学表达式;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。采用方块图可直观地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。
1．图1-6所示为一自力式贮槽水位控制系统。
(1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么? (2)试画出该系统的方块图。
(3)试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的?
解:(1)该系统中贮槽为被控对象;贮槽中水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量。 (2)贮槽水位控制系统方块图如图1-7所示。
(3)当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量。使水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。
2.在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。图1-8是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15?1.5）℃，如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响;如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。
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(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么? (2)试画出该控制系统的组成方块图。
(3)试比较图1-8及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。 解：(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器;被控变量为乙烯裂解气的出口温度;操纵变量为气态丙烯的流量。 (2)该系统方块图如图1-9所示。
(3)在图1-8中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。
3.图1-10所示是一反应器温度控制系统示意图。A, B两种物料进人反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么?
解：反应器温度控制系统中被控对象为反应器;被控变量为反应器内温度;操作变量为冷却水流量;干扰为A, B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。反应器的温度控制系统的方块图如图1-11所示。
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4、某发酵过程工艺规定操作温度为(40士2) C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6 ℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1-12所示.试确定该系统的最大偏差、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?
解：由反应曲线可知:
最大偏差A=45一40=5 'C 余差C=41一40=1℃
衰减比 第一个波峰值B =45一41=4℃ 第二个波峰值B' = 42一41=1℃
2.锅沪是化工，炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液。降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-15是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求:
（1）画出该控制系统方块图;
(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?
(3)当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。 答：(1)锅护汽包水位控制系统方块图如图1-23所示。
(2)被控对象:锅炉汽包。 被控变量:锅炉汽包水位。 操纵变量:锅炉给水量。
扰动量:冷水温度、压力，蒸汽压力、流量。燃烧状况等。
3.图1-16所示为离心泵出口流量控制系统。控制的目的是保持泵流量恒定。 (1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量及干扰各是什么? (2)画出流量控制系统方块图;
（3）结合本题，试说明该流量控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统·
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