【正文】 《儀表與自動化》第二版第1章 自動控制系統(tǒng)基本概念13 自動控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？解 自動控制系統(tǒng)主要由檢測變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象等四個環(huán)節(jié)組成。 15 題15圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說明圖中PI30TRC30FRC305所代表的意義。題15圖 加熱器控制流程圖解 PI307表示就地安裝的壓力指示儀表，工段號為3，儀表序號為07；TRC303表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號為3，儀表序號為03；FRC305表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號為3，儀表序號為05。 17 在自動控制系統(tǒng)中，測量變送裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用？解 測量變送裝置的功能是測量被控變量的大小并轉(zhuǎn)化為一種特定的、統(tǒng)一的輸出信號（如氣壓信號或電壓、電流信號等）送往控制器；控制器接受測量變送器送來的信號，與工藝上需要保持的被控變量的設(shè)定值相比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，然后將此結(jié)果用特定信號（氣壓或電流）發(fā)送出去執(zhí)行器即控制閥，它能自動地根據(jù)控制器送來的信號值來改變閥門的開啟度，從而改變操縱變量的大小。18．試分別說明什么是被控對象、被控變量、給定值、操縱變量、操縱介質(zhì)？解：被控對象（對象）——自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。被控變量——被控對象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)?？叵到y(tǒng)通常用該變量的名稱來稱呼，如溫度控制系統(tǒng)，壓力制系統(tǒng)等。給定值（或設(shè)定值或期望值）——人們希望控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，即被控變量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序變化的。操縱變量（調(diào)節(jié)變量）——對被控變量具有較強(qiáng)的直接影響且便于調(diào)節(jié)（操縱）的變量。或?qū)崿F(xiàn)控制作用的變量。操縱介質(zhì)(操縱劑)——用來實(shí)現(xiàn)控制作用的物料。111 題l11圖所示為一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖。A、B兩種物料進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，通過改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度不變。試畫出該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖，并指出該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量及可能影響被控變量的干擾是什么？并說明該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。題111圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)解 該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖題解111圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中，被控對象：反應(yīng)器；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)的溫度；操縱變量：冷卻水流量?？赡苡绊懕豢刈兞康母蓴_因素主要有A、B兩種物料的溫度、進(jìn)料量，冷卻水的壓力、溫度，環(huán)境溫度的高低等。若當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的被控溫度在干擾作用下升高時，其測量值與給定值比較，獲得偏差信號，經(jīng)溫度控制器運(yùn)算處理后，輸出控制信號去驅(qū)動控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。112 題111圖所示的溫度控制系統(tǒng)中，如果由于進(jìn)料溫度升高使反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過給定值，試說明此時該控制系統(tǒng)的工作情況，此時系統(tǒng)是如何通過控制作用來克服干擾作用對被控變量影響的？解：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過給定值（即升高）時，溫度測量元件測出溫度值與給定值比較，溫度控制器TC將比較的偏差經(jīng)過控制運(yùn)算后，輸出控制信號使冷卻水閥門開度增大，從而增大冷卻水流量，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來，這樣克服干擾作用對被控變量影響。113 按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可分哪幾類？解：按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可以分為以下三類：定值控制系統(tǒng)——給定值恒定的控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）——給定值隨機(jī)變化的系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)——給定值按一定時間程序變化的系統(tǒng)。 119 某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(900177。10)℃?？紤]安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃。現(xiàn)設(shè)計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如題119圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)：最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差、振蕩周期和過渡時間（被控溫度進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的177。1%（即900180。（177。1%）=177。9℃）的時間），并回答該控制系統(tǒng)能否滿足題中所給的工藝要求？題119圖 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解 最大偏差A(yù)=950900=50（℃）；超調(diào)量B=950908=42（℃）；由于B162。=918908=10（℃），所以，衰減比n=B:B162。=42:10=；余差C=908900=8℃；振蕩周期T=459=36(min)；過渡時間ts=47min。因?yàn)锳=50℃80℃，C=8℃10℃，所以，該控制系統(tǒng)能滿足題中所給的工藝要求。 120 題l20(a) 圖是蒸汽加熱器的溫度控制原理圖。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、操縱變量和可能存在的干擾是什么？現(xiàn)因生產(chǎn)需要，要求出口物料溫度從80℃提高到81℃，當(dāng)儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如題120(b) 圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)：最大偏差、衰減比和余差（提示：該系統(tǒng)為隨動控制系統(tǒng)，新的給定值為81℃）。題120圖 蒸汽加熱器溫度控制解 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示。題解120圖 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對象是蒸汽加熱器；被控變量是出口物料溫度；操縱變量是蒸汽流量?？赡艽嬖诘母蓴_主要有：進(jìn)口物料的流量、溫度的變化；加熱蒸汽的壓力、溫度的變化；環(huán)境溫度的變化等。該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)：最大偏差A(yù)==（℃）；由于B==（℃），B162。==（℃），所以，衰減比n=B:B162。=:=4；余差C== （℃）。第2章 被控對象的數(shù)學(xué)模型21什么是對象特性？為什么要研究對象特性？解 對象特性就是的對象的輸出輸入關(guān)系。研究對象的特性，就是用數(shù)學(xué)的方法來描述對象輸入量與輸出量之間的關(guān)系。當(dāng)采用自動化裝置組成自動控制系統(tǒng)時，首先也必須深入了解對象的特性，了解它的內(nèi)在規(guī)律，才能根據(jù)工藝對控制質(zhì)量的要求，設(shè)計合理的控制系統(tǒng)，選擇合適的被控變量和操縱變量，選用合適的測量元件及控制器。在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時，也要根據(jù)對象特性選擇合適的控制器參數(shù)(也稱控制器參數(shù)的工程整定)，使系統(tǒng)正常地運(yùn)行。被控對象的特性對自動控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量的影響很大，所以必須對其深入研究。22 何為對象的數(shù)學(xué)模型？靜態(tài)數(shù)學(xué)模型與動態(tài)數(shù)學(xué)模型有什么區(qū)別？解 對象特性的數(shù)學(xué)描述（方程、曲線、表格等）稱為對象的數(shù)學(xué)模型。穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型描述的是對象在穩(wěn)態(tài)時的輸入量與輸出量之間的關(guān)系；動態(tài)數(shù)學(xué)模型描述的是對象在輸入量改變以后輸出量的變化情況。穩(wěn)態(tài)與動態(tài)是事物特性的兩個側(cè)面，可以這樣說，動態(tài)數(shù)學(xué)模型是在穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的發(fā)展，穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型是對象在達(dá)到平衡狀態(tài)時的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的一個特例。28 反映對象特性的參數(shù)有哪些？各有什么物理意義？解：放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和滯后時間t放大系數(shù)K在數(shù)值上等于對象（重新）處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出變化量與（引起輸出變化的）輸入變化量之比，即對象的放大系數(shù)K越大，就表示對象的輸入量有一定變化時，對輸出量的影響越大，或被控變量對這個量的變化就越靈敏，所以，K實(shí)質(zhì)上是對象的靈敏度。時間常數(shù)T是指當(dāng)對象受到階躍輸入作用后，%所需時間；或當(dāng)對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始變化速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的時間。時間常數(shù)越大，被控變量的變化也越慢，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間也越大對象在受到輸入作用后，被控變量卻不能立即而迅速地變化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象；或輸出變量的變化落后于輸入變量的變化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象用滯后時間t表示。對象的滯后時間t，使對象的被控變量對輸入的變化響應(yīng)滯后，控制不及時。211 已知一個對象特性是具有純滯后的一階特性，其時間常數(shù)為5min，放大系數(shù)為10，純滯后時間為2min，試寫出描述該對象特性的一階微分方程式。解 該對象特性的一階微分方程為 212 如題212圖所示的RC電路中，已知R＝5kW，C＝2000mF。試畫出ei突然由0階躍變化到5V時的eo變化曲線，并計算出t＝T、t＝2T、t＝3T時的eo值。題212圖 RC電路解 RC電路的微分方程為當(dāng)ei=5V時，微分方程的解為eo=5(1et/T) = 5(1et/10) (V)（該系統(tǒng)的時間常數(shù)T=RC=5180。103180。2000180。106=10s）當(dāng)t=T時， eo=5(1eT/T)= 5(1e1)=；當(dāng)t=2T時，eo=5(1e2T/T)= 5(1e2)=；當(dāng)t=3T時，eo=5(1e3T/T)= 5(1e3)=。題解212圖 RC電路的階躍響應(yīng)曲線 213 已知一個簡單水槽，水槽中的液體由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。如果在穩(wěn)定的情況下，試畫出水槽液位Dh的變化曲線。解 這是一個積分對象，則(m)題解213圖 水槽液位Dh的變化曲線214 為了測定某重油預(yù)熱爐的對象特性，在某瞬間（假定為t0=0），重油出口溫度記錄儀得到的階躍反應(yīng)曲線如題214圖所示。假定該對象為一階對象，試寫出描述該重油預(yù)熱爐特性的微分方程式（分別以溫度變化量與燃料量變化量為輸出量與輸入量），并解出燃料量變化量為單位階躍變化量時溫度變化量的函數(shù)表達(dá)式。題214圖 重油預(yù)熱爐的解 （輸入）燃料變化量由題圖知,該系統(tǒng)屬于一階系統(tǒng)，輸出量(溫度)的變化量y(t)相對于輸入(燃料)變化量x(t)的關(guān)系(方程)為 當(dāng)x(t)=A=50/6(kg/min)=，方程的解為y(t)=KA(1et/T)℃由題圖知，y(165。)=KA=150120=30℃,則K=30/A=30/(50/6)=(℃/(kg/min))首先不考慮延遲，y(t)的變化從t0=2min開始，到t1=8min時，實(shí)際變化時間t=6min，由題圖知y(t)=y(6)=30(1e6/T)=145120=25（℃）由此解出 T=(min)所以y(t)=30(1et/)℃若考慮滯后時間 t=2min，則微分方程為系統(tǒng)的特性參數(shù)是系統(tǒng)的固有特性，不會隨輸入信號的變化而變化，因此，前面求解過程中所確定的K和T的值是不變的。所以，當(dāng)燃料變化量x(t)=A=1時，溫度變化量的函數(shù)表達(dá)式為yt(t)=y(tt)=(1e(t2)/)℃第3章 檢測儀表與傳感器 31 什么叫測量過程？ 解 測量過程就是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程 35 某一標(biāo)尺為0~1000℃的溫度儀表出廠前經(jīng)校驗(yàn)，其刻度標(biāo)尺上的各點(diǎn)測量結(jié)果分別為：標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃02004006007008009001000被校表讀數(shù)/℃02014026047068059031001(1)求出該溫度儀表的最大絕對誤差值；(2)確定該溫度儀表的精度等級；(3)如果工藝上允許的最大絕對誤差為177。8C，問該溫度儀表是否符合要求？解 (1) 校驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃02004006007008009001000被校表讀數(shù)/℃0201