自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？

解：自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由檢測(cè)變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象等四個(gè)環(huán)節(jié)組成。

圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說(shuō)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(hào)為3，儀表序號(hào)為07；

TRC-303表示集中儀表盤(pán)安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號(hào)為3，儀表序號(hào)為03；

FRC-305表示集中儀表盤(pán)安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號(hào)為3，儀表序號(hào)為05。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用？

解：測(cè)量變送裝置的功能是測(cè)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(hào)（如氣壓信號(hào)或電壓、電流信號(hào)等）送往控制器；控制器接受測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)，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(hào)（氣壓或電流）發(fā)送出去執(zhí)行器即控制閥，它能自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)值來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)啟度，從而改變操縱變量的大小。

試分別說(shuō)明什么是被控對(duì)象、被控變量、給定值、操縱變量、操縱介質(zhì)？

解：被控對(duì)象（對(duì)象）——自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。

被控變量——被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。控系統(tǒng)通常用該變量的名稱(chēng)來(lái)稱(chēng)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)控制作用的物料。

如圖所示為一反應(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(guò)改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來(lái)控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度不變。試畫(huà)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(duì)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(shuō)明該溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

解：該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖

其中，被控對(duì)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。

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(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(shí)，其測(cè)量值與給定值比較，獲得偏差信號(hào)，經(jīng)溫度控制器運(yùn)算處理后，輸出控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制閥，使其開(kāi)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(lái)。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

如上題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(guò)給定值，試說(shuō)明此時(shí)該控制系統(tǒng)的工作情況，此時(shí)系統(tǒng)是如何通過(guò)控制作用來(lái)克服干擾作用對(duì)被控變量影響的？

解：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過(guò)給定值（即升高）時(shí)，溫度測(cè)量元件測(cè)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(guò)控制運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)使冷卻水閥門(mén)開(kāi)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(lái)，這樣克服干擾作用對(duì)被控變量影響。

按給定值形式不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分哪幾類(lèi)？

解：按給定值形式不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為以下三類(lèi)：

·定值控制系統(tǒng)——給定值恒定的控制系統(tǒng)。

·隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)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(shí)間程序變化的系統(tǒng)。

某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(900±10)℃。考慮安全因素，控制過(guò)程中溫度偏離給定值最大不得超過(guò)80℃。現(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)如題圖所示。試求該系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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(guò)渡時(shí)間（被控溫度進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的±1%（即900´（±1%）=±9℃）的時(shí)間），并回答該控制系統(tǒng)能否滿(mǎn)足題中所給的工藝要求？

解：最大偏差A(yù)=950-900=50（℃）；

超調(diào)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(guò)渡時(shí)間ts=47min。

因?yàn)锳=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，該控制系統(tǒng)能滿(mǎn)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(huà)出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對(duì)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(xiàn)如圖b所示。試求該系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)，新的給定值為81℃）。

解：蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示。

其中：被控對(duì)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(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(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)：

最大偏差A(yù)=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（℃）。