化工仪表及自动化课后答案

第一章自动控制系统基本概念

1．什么是化工自动化？它有什么重要意义？

答：在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为化工自动化。

化工自动化的重要意义是：加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量；降低

劳动强度，改善劳动成本，改变劳动方式；确保生产安全。

6．图1-16 为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说

明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

答：PI-307：表示测量点在蒸汽加热器的一台压力指示仪

表，工段号为3，仪表序号为07。仪表安装在现场。

TRC-303：表示测量点在蒸汽加热器出料管线上的一

台温度记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为03。仪表安装在集中仪表盘面上。

FRC-305：表示测量点在蒸汽加热器进料管线上的一台流量记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为05。仪表安装在集中仪表盘面上。

8．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?

答：在自动控制系统中，测量变送装置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）；控制器将测量变送装置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。

9．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量?

答：被控对象——自动控制系统中，需要实现控制的设备、机械或生产过程等。

被控变量——被控对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的工艺参数（物理量）。

设定值——工艺规定被控变量所要保持的数值。

操纵变量——受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持一定数值的物料

量或能量。

11．图1-17 所示是一反应器温度控制系统示意图。A. B 两

种物料进入反应器进行反应，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。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干动是什么?

解：反应器的温度控制系统的方块图如下图所示。

干扰

T

反应器控制器执行器

测量、变送

TCP 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。

可能影响被控变量变化的干扰是：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。

21．某化学反应器工艺规定操作温度为(900士10)

℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值

最大不得超过80℃。现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图1-18

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、过和振荡周期，并回答该

控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

解：由反应器过渡过程曲线可知：

最大偏差A=950 一900 = 50℃

超调量B= 950 一908 = 42℃

衰减比n

第一个波峰值与新稳定值之差B=950 一908 = 42℃

第二个波峰值与新稳定值之差B' =918 一908 = 10℃

n =B / B' =42:10=4.2:1

振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故振荡周期T =45 一9 = 36 min

因为最大偏差A==50℃< 80℃，且新稳定值908℃符合题中要求的(900 ±10)℃，故该控

制系统能满足题中所给的工艺要求。

第二章过程特性及其数学模型

作业题（P32-33）

9．为什么说放大系数K 是对象的静态特性？而时间常数T 和滞后时间τ是对象的动态特性？

答：放大系数K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比，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 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要的时间。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%所需要的时间。时间常数是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是描述对象动态特性的一个重要参数。

滞后时间τ是纯滞后时间0 τ和容量滞后r

τ的总和。输出变量的变化落后于输人变量变

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。所以滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。

14．为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t0=0）突然将燃料气量从2.5t/h 增加到3. 0t/h.重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如图2-25 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人量与输出量)，并写出燃料量变化量为0.5t/h 时温度变化量的函数表达式。

解：该对象为具有纯滞后的一阶对象，由图2-25 可得出

放大系数

150 120

60

3.0 2.5

K −

==

−

（℃²h/t）

由一阶对象的输出响应(1 )

t

T KA e θ

Δ

−

Δ= − （14-1）