自動控制系統基本概念

自動控制系統主要由哪些環節組成？

解：自動控制系統主要由檢測變送器、控制器、執行器和被控對象等四個環節組成。

圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說明圖中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意義。

解：PI-307表示就地安裝的壓力指示儀表，工段號為3，儀表序號為07；

TRC-303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；

FRC-305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。

在自動控制系統中，測量變送裝置、控制器、執行器各起什么作用？

解：測量變送裝置的功能是測量被控變量的大小并轉化為一種特定的、統一的輸出信號（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定值相比較得出偏差，并按某種運算規律算出結果，然后將此結果用特定信號（氣壓或電流）發送出去執行器即控制閥，它能自動地根據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。

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？

解：被控對象（對象）——自動控制系統中，工藝參數需要控制的生產過程、生產設備或機器。

被控變量——被控對象內要求保持設定值的工藝參數。控系統通常用該變量的名稱來稱呼，如溫度控制系統，壓力制系統等。

給定值（或設定值或期望值）——人們希望控制系統實現的目標，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（調節變量）——對被控變量具有較強的直接影響且便于調節（操縱）的變量。或實現控制作用的變量。

操縱介質(操縱劑)——用來實現控制作用的物料。

如圖所示為一反應器溫度控制系統示意圖。A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水流量來控制反應器內的溫度不變。試畫出該溫度控制系統的方塊圖，并指出該系統中的被控對象、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是一個具有負反饋的閉環系統。

解：該溫度控制系統的方塊圖

其中，被控對象：反應器；被控變量：反應器內的溫度；操縱變量：冷卻水流量。

可能影響被控變量的干擾因素主要有A、B兩種物料的溫度、進料量，冷卻水的壓力、溫度，環境溫度的高低等。

若當反應器內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，經溫度控制器運算處理后，輸出控制信號去驅動控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應器內的溫度降下來。所以該溫度控制系統是一個具有負反饋的閉環控制系統。

如上題圖所示的溫度控制系統中，如果由于進料溫度升高使反應器內的溫度超過給定值，試說明此時該控制系統的工作情況，此時系統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：當反應器內的溫度超過給定值（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將比較的偏差經過控制運算后，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，使反應器內的溫度降下來，這樣克服干擾作用對被控變量影響。

按給定值形式不同，自動控制系統可分哪幾類？

解：按給定值形式不同，自動控制系統可以分為以下三類：

·定值控制系統——給定值恒定的控制系統。

·隨動控制系統（自動跟蹤系統）——給定值隨機變化的系統。

·程序控制系統——給定值按一定時間程序變化的系統。

某化學反應器工藝規定操作溫度為(900±10)℃。考慮安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃。現設計的溫度定值控制系統，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如題圖所示。試求該系統的過渡過程品質指標：最大偏差、超調量、衰減比、余差、振蕩周期和過渡時間（被控溫度進入新穩態值的±1%（即900´（±1%）=±9℃）的時間），并回答該控制系統能否滿足題中所給的工藝要求？

解：最大偏差A=950-900=50（℃）；

超調量B=950-908=42（℃）；

由于B¢=918-908=10（℃），所以，衰減比n=B:B¢=42:10=4.2；

余差C=908-900=8℃；

振蕩周期T=45-9=36(min)；

過渡時間ts=47min。

因為A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，該控制系統能滿足題中所給的工藝要求。

圖a是蒸汽加熱器的溫度控制原理圖。試畫出該系統的方塊圖，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？現因生產需要，要求出口物料溫度從80℃提高到81℃，當儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖b所示。試求該系統的過渡過程品質指標：最大偏差、衰減比和余差（提示：該系統為隨動控制系統，新的給定值為81℃）。

解：蒸汽加熱器溫度控制系統的方塊圖如下圖所示。

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。

可能存在的干擾主要有：進口物料的流量、溫度的變化；加熱蒸汽的壓力、溫度的變化；環境溫度的變化等。

該系統的過渡過程品質指標：

最大偏差A=81.5-81=0.5（℃）；

由于B=81.5-80.7=0.8（℃），B¢=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰減比n=B:B¢=0.8:0.2=4；

余差C=80.7-81=-0.3（℃）。