《過程控制系統(tǒng)》作業(yè)題

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1、《過程控制系統(tǒng)》思考題 一． 1． 什么叫串級(jí)控制系統(tǒng)？繪制其結(jié)構(gòu)方框圖。 串級(jí)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)控制器的串接組成，一個(gè)控制器的輸出做為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，兩個(gè)控制器有各自獨(dú)立的測量輸入，有一個(gè)控制器的給定由外部設(shè)定。 2． 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？ 多了一個(gè)副回路，形成雙閉環(huán)。特點(diǎn)：主控制器輸出改變副控制器的設(shè)定值，故副回路構(gòu)成的是隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值是變化的。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 3．為什么說

2、串級(jí)控制系統(tǒng)由于存在一個(gè)副回路而具有較強(qiáng)的抑制擾動(dòng)的能力？ ①副回路的快速作用，對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾快速地克服，減小了干擾對(duì)主變量的影響； ②引入副回路，改善了副對(duì)象的特性(減小副對(duì)象的相位滯后)，提高了主回路的響應(yīng)速度，提高了干擾的抑制能力； ③副回路可以按照主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確控制； ④串級(jí)系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。 4．串級(jí)控制系統(tǒng)在副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循哪些主要原則？ ①將主要干擾包括在副回路； ②副回路盡量包含多的干擾； ③為保證副回路的快速響應(yīng)，副對(duì)象

3、的滯后不能太長； ④為提高系統(tǒng)的魯棒性，將具有非線性時(shí)變部分包含于副對(duì)象中； ⑤需要對(duì)流量實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤時(shí)，將流量選為副對(duì)象。 5．串級(jí)控制系統(tǒng)通?？捎迷谀男﹫龊希? * 應(yīng)用于容量滯后較大的過程 * 應(yīng)用于純時(shí)延較大的過程 * 應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過程 * 應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程 * 應(yīng)用于非線性過程 6． 前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？繪制前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。 前饋：基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響； t 動(dòng)作“及時(shí)” ； t 只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定； t 具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌裕? t 控制規(guī)律取決于被控對(duì)象的特性。

4、t 反饋：基于偏差來消除偏差； t “不及時(shí)”的控制 ； t 存在穩(wěn)定性問題； t 對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用； t 控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。 7．在什么條件下前饋控制效果最好？為什么一般不單獨(dú)使用前饋控制方案？ 準(zhǔn)確地掌握過程擾動(dòng)通道的特點(diǎn)wf（s）及控制通道的特性wo（s） 準(zhǔn)確求出前饋控制wm（s）；克服可測不可控的擾動(dòng) 前饋控制室基于擾動(dòng)的控制，擾動(dòng)不止一個(gè)，難于把握 屬于開環(huán)控制，易受其他擾動(dòng)干擾而無法控制 其克服可測不可控的擾動(dòng)，對(duì)于系統(tǒng)中其他擾動(dòng)無抑制作用 8．試述前饋控制系統(tǒng)的整定方法。 ⑴前饋控制器的選擇 ①用模擬表實(shí)施

5、通過特定的前饋控制器，或采用運(yùn)算單元自行構(gòu)造； ②用軟件實(shí)現(xiàn) ⑵參數(shù)整定 ①單純的前饋控制，可視工藝要求進(jìn)行參數(shù)整定；先調(diào)整 ，然后調(diào)整T1、T2 ②前饋—反饋相結(jié)合，先整定反饋系統(tǒng)，再重復(fù)步驟①。 9．什么是比值控制系統(tǒng)？常用的比值控制方案有哪些？并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，繪制各比值控制方案結(jié)構(gòu)方框圖。 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng) 開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，變比值控制系統(tǒng) 10．比值與比值系數(shù)有何不同？設(shè)計(jì)比值控制系統(tǒng)時(shí)需解決哪些主要問題？ 比值k=Q1/Q2

6、,,是兩個(gè)體積流量或重量之比，而比值參數(shù)是把比值k折算成比值器上，K’=k(Q1max/Q2max) 主從動(dòng)量確定；控制方案的選擇；調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定；正確選用流量計(jì)與變送器；比值控制系統(tǒng)的實(shí)施；比值參數(shù)的計(jì)算；比值控制系統(tǒng)參數(shù)的整定 11．什么是均勻控制？常用的均勻控制方案有哪些？ 均勻控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程中，各種設(shè)備前后緊密聯(lián)系的情況提出來的一種特殊的控制 ①采用液位控制②采用液位和流量的串級(jí)控制③取液位和流量兩個(gè)信號(hào)之差為被控變量 雙沖量均勻控制 12．什么是分程控制？怎樣實(shí)現(xiàn)分程控制？在分程控制中需注意哪些主要問題? 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有時(shí)會(huì)遇到一個(gè)控制器去操縱幾只閥門

7、，若按輸出信號(hào)的不同區(qū)間操作不同的閥門，這樣的控制系統(tǒng)叫做分程控制系統(tǒng)。 盡量選用對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥；采用分程信號(hào)重疊法；調(diào)節(jié)閥的泄漏量的大小 13．什么是選擇性控制？試述常用選擇性控制方案的基本原理。 凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)稱為選擇性控制系統(tǒng)。 選擇器位于調(diào)節(jié)器的輸出端，對(duì)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇的系統(tǒng)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器共用一個(gè)調(diào)節(jié)閥 選擇器位于調(diào)節(jié)器之前，對(duì)變送器的輸出信號(hào)進(jìn)行選擇的系統(tǒng)：幾個(gè)變送器合用一個(gè)調(diào)節(jié)器 14．什么是積分飽和現(xiàn)象？如何消除選擇性控制中的積分飽和現(xiàn)象？ 當(dāng)選擇器在控制器和控制閥之間，系統(tǒng)出現(xiàn)超限時(shí)，控制器應(yīng)立即切換。為保證及時(shí)切換，在偏差為零時(shí)，兩個(gè)

8、調(diào)節(jié)器應(yīng)該有相同的輸出。當(dāng)其中一個(gè)控制器或兩個(gè)控制器采用PI作用時(shí)，一個(gè)調(diào)節(jié)器被另一個(gè)控制器切換后，偏差仍存在，且存在的時(shí)間較長，將產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象， 使下一次不能及時(shí)切換。 由于偏差長時(shí)間存在，偏差為零時(shí)控制器輸出仍要超出規(guī)定上、下限一段時(shí)間。為了保持同步，常采用積分外反饋的辦法。采用選擇器的輸出，即控制調(diào)節(jié)閥的信號(hào)做為積分外反饋。 15．一般地說從結(jié)構(gòu)上看，分程控制是由一只控制器控制兩只控制閥，而選擇性控制是由兩只控制器控制一只控制閥，試?yán)L制各自系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。 16．什么是推斷控制？兩類“計(jì)算指標(biāo)控制”是什么？ 推斷控制：利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，由可測信息將不

9、測輸出推算出來實(shí)現(xiàn)反饋控制；或?qū)⒉豢蓽y擾動(dòng)推算出來實(shí)現(xiàn)前饋控制。 由輔助輸出推算控制指標(biāo)，作為被控變量的測量值； 以某輔助輸出變量為被控變量，其設(shè)定值由控制指標(biāo)算式推算出來。 17．試述復(fù)雜控制系統(tǒng)有哪些？它們都是為什么目的而開發(fā)的？ 1串級(jí)控制系統(tǒng)：改善控制質(zhì)量 2前饋控制系統(tǒng)：擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)就能夠進(jìn)行控制 3比值控制系統(tǒng)：根據(jù)某一流量的變化調(diào)節(jié)另一流量 4均勻控制系統(tǒng)：使前后設(shè)備在物料供求上相互兼顧均勻協(xié)調(diào) 5分程控制系統(tǒng)：擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，使得在小流量時(shí)可實(shí)現(xiàn)更精確的控制 用于滿足工藝上操作的特殊要求 6選擇性控制系統(tǒng)： 7推斷控制系統(tǒng):被控對(duì)象的輸出和擾動(dòng)都不

10、可測，無法設(shè)計(jì)一般的反饋和前饋控制。 二． 1．離心泵或離心式壓縮機(jī)的負(fù)荷控制方案有哪些？ ①直流節(jié)流法 ②改變泵的轉(zhuǎn)速n ③通過旁路控制 2．?dāng)⑹鲭x心式壓縮機(jī)的特性曲線及產(chǎn)生喘振的原因。 特性曲線：壓縮比和入口體積流量的關(guān)系曲線；效率和流量或功率和流量之間關(guān)系曲線。在這里對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，壓縮比和入口體積流量的關(guān)系 曲線如右圖所示： 當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排出量會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，同時(shí)機(jī)身也劇烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象叫離心式壓縮機(jī)的喘振。 3．用圖示說明離心式壓縮機(jī)的防喘振控制方案。 固定極限流量法 可變

11、極限流量法 4．為什么有的場合下需要壓縮機(jī)的串并聯(lián)運(yùn)行？ 一些生產(chǎn)過程中，采用一個(gè)離心式壓縮機(jī)壓頭不能滿足要求時(shí)，就需要兩臺(tái)或兩臺(tái)以上壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，因此每臺(tái)壓縮機(jī)都應(yīng)防喘振，才能保證設(shè)備的正常運(yùn)行。因一臺(tái)提供的壓頭不夠，故不能采用兩臺(tái)單獨(dú)的旁路回流量控制。 當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)的流量（氣體）不能滿足要求時(shí)，就需兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行. 三． 1．典型的傳熱設(shè)備有哪些？熱量的傳遞方式有哪幾種？ 換熱器，加熱爐，鍋爐；熱傳導(dǎo)，對(duì)流；熱輻射 2．傳熱目的及其控制方案？ ① 使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度以使生產(chǎn)過程正常進(jìn)行； ② 在過

12、程進(jìn)行中加入吸收的熱量或除去放出的熱量； ③ 在工藝過程中改變物料狀態(tài)； ④ 熱量回收。 ⑴ 調(diào)載熱體的流量 ⑵ 調(diào)節(jié)傳熱平均溫度差 ⑶ 調(diào)節(jié)傳熱面積 ⑷ 采用旁路控制 3．用圖示加熱爐的各串級(jí)控制方案，并說明各方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合。 ⑴ 爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制 ⑵ 爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí) ⑶ 出口溫度對(duì)燃料閥后壓力的串級(jí) ⑷ 采用壓力平衡式控制閥 4．用圖示說明加熱爐的前饋-反饋控制方案。 5．設(shè)置加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的作用是什么？對(duì)于燃?xì)夂腿加图訜釥t可能

13、產(chǎn)生事故的原因分別是什么？用圖示分別說明各安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的作用：為安全生產(chǎn)、防止事故 ⑴ 燃?xì)饧訜釥t ① 工藝介質(zhì)流量過小或中斷，切斷燃料氣； ② 某種原因滅火時(shí)，切斷燃料氣； ③ 燃料氣壓力不能過低，流量不能太??； ④ 燃料壓力不能過高，否則會(huì)引起脫氣滅火 ⑵ 燃油加熱爐 ① 工藝介質(zhì)流量過小或中斷，切斷燃料油； ② 燃料油壓力過低會(huì)回火，流量不能太小； ③ 燃料油壓力過高會(huì)脫火； ④ 霧化蒸汽壓力過低或中斷，造成燃料油霧 化不良無法燃燒。 6．工業(yè)鍋爐的主要控制系統(tǒng) ① 汽包水位控制② 燃燒系統(tǒng)控制③ 過

14、熱蒸汽系統(tǒng)控制 7．造成鍋爐汽包“虛假”水位現(xiàn)象的原因是什么？為避免控制器誤動(dòng)作所采取的措施是什么？ 鍋爐燃燒率增加，主蒸汽流量增加 汽包壓力下降 鍋爐燃燒率減少，主蒸汽流量減少，汽包壓力上升，給水溫度下降 依負(fù)荷變化的前饋控制 8．詳細(xì)敘述鍋爐汽包水位的雙沖量控制方案，繪制其工藝流程簡圖，并給出加法器的設(shè)置。 9．試?yán)L制鍋爐汽包水位三雙沖量控制方案的工藝流程簡圖。 前饋與串級(jí)組成的復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋加反饋控制 前饋--串級(jí)控制系統(tǒng) 10．試?yán)L制鍋爐燃燒控制系統(tǒng)有邏輯提量控制方案的工藝流程簡圖，敘述其動(dòng)作過

15、程。 在正常工況下，這是鍋爐出口蒸汽壓力對(duì)燃油流量的串級(jí)控制系統(tǒng)和燃油流量與空氣流量的比值控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制器為反作用的，當(dāng)蒸汽壓力下降時(shí)（如因蒸汽耗量增加），壓力控制器輸出增加，而提高了燃油流量控制器的設(shè)定值。但是，如果空氣量不足，將使燃燒不完全。為此設(shè)有低值選擇器LS它只讓兩個(gè)信號(hào)中較小的一個(gè)通過，這樣保證燃料量只能在空氣量足夠的情況下才能加大。壓力控制器的輸出信號(hào)將先通過高值選擇器HS來加大空氣流量，保證在增加燃料流量之前先把空氣量加大，使燃燒完全。當(dāng)蒸汽壓力上升時(shí)，壓力控制器輸出減小，降低了燃油流量控制器的設(shè)定值，在減燃料量的同時(shí)，通過比值控制系統(tǒng)，自

16、動(dòng)減少空氣流量。 四． 1．簡述精餾塔受控變量的選擇有哪些？各自的特點(diǎn)是什么？ ⑴ 測溫點(diǎn)的選擇① 測溫點(diǎn)盡量選擇在通道滯后較小的點(diǎn)。 ② 采用塔頂回流控制溫度時(shí)，選擇頂部塔板液相溫度。 ⑵ 溫差控制 優(yōu)點(diǎn)：能夠克服塔壓變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 缺點(diǎn)：不能克服進(jìn)料組分和負(fù)荷變化對(duì)溫差的影響。 ⑶ 雙溫差控制 壓降引起的溫差不僅在塔頂，也發(fā)生在塔底，相減后可相互抵消。 2．精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量的開環(huán)控制方案有哪些？繪制其工藝流程簡圖，敘述各自的特點(diǎn)。 ⑴ 固定回流量和再沸氣量 當(dāng)進(jìn)料流量及狀態(tài)恒定時(shí)，固定了 LR和VS，D和B

17、就確定了。 101控制回流量和102再沸器加熱蒸汽量； 物料平衡控制 ⑵ 固定餾出液量和再沸氣量 特點(diǎn)：適用于回流比較大的場合。 LR/D為回流比 ⑶ 固定塔底餾出量和回流量 3．精餾塔按精餾段指標(biāo)的控制方案有哪些？繪制其工藝流程簡圖，敘述各自的特點(diǎn)。 ⑴ 間接物料平衡控制 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用滯后小，反應(yīng)迅速； 有利于克服進(jìn)入精餾段的擾動(dòng)； 保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量。 適用場合：回流比<0.8，需要減少滯后 ⑵ 直接物料平衡控制 4．精餾塔按提餾段指標(biāo)的控制方案

18、有哪些？繪制其工藝流程簡圖，敘述各自的特點(diǎn)。 ⑵ 直接物料平衡控制 優(yōu)點(diǎn)：物料平衡與能量平衡之間關(guān)聯(lián)最小。 缺點(diǎn)：滯后較大，液位控制回路存在反向特性。 5．精餾塔壓力控制系統(tǒng)的方案有哪些？繪制其工藝流程簡圖，敘述各自的特點(diǎn)。 6．簡述精餾塔先進(jìn)控制方案中內(nèi)回流與外回流的區(qū)別？ 外回流液的溫度比第一塊塔板的溫度低。外回流進(jìn)入塔后，需把它加熱至 與第一塊塔板溫度相等，加熱外回流所需熱量由進(jìn)入第一塊塔板的蒸汽部分冷 凝所產(chǎn)生的氣化潛熱供給，從第一塊塔板向下流的內(nèi)回流等于外

19、回流量和這部 分冷凝液之和。部分冷凝液流量，除了受外回流的影響外，還受塔頂和外回流 液溫差的影響。因此外回流量愈大，或外回流溫度與第一塊塔板溫度之差愈大， 則內(nèi)回流變化越多。 當(dāng)塔頂蒸氣的溫度與外回流液溫度相同時(shí)，內(nèi)回流等于外回流，一般情況 下，內(nèi)回流大于外回流。 當(dāng)塔頂蒸氣溫度與外回流液溫度之差變化不大時(shí)，控制外回流的辦法一般 可以滿足精餾塔的操作要求?？梢圆捎猛饣亓鞯霓k法控制內(nèi)回流，當(dāng)塔頂采用 風(fēng)冷凝器時(shí)，外回流溫度受環(huán)境溫度影較大，此時(shí)外回流控制并不能使內(nèi)回流

20、 恒定。 五． 1．簡述反應(yīng)器的分類方法和類型。 ⑴ 根據(jù)反應(yīng)物料的聚集狀態(tài) 分為均相與非均相反應(yīng)器兩大類 均相：反應(yīng)器內(nèi)物料處于同一相態(tài)下。 ① 反應(yīng)在均一的氣相中進(jìn)行，為氣相均相反應(yīng) ② 反應(yīng)在均一的液相中進(jìn)行，為液相均相反應(yīng) 非均相：反應(yīng)器內(nèi)物料之間或反應(yīng)物與催化劑之間存在相界面。 ⑵ 按反應(yīng)器進(jìn)出料狀況 可分為間歇式，半間歇式和連續(xù)式 間歇式反應(yīng)器：將反應(yīng)物料分次或一次加入反應(yīng)器中，經(jīng)過一定反應(yīng)時(shí)間后，取出反應(yīng)器中所有物料，然后重新加料進(jìn)行反應(yīng)。 半間歇式反應(yīng)器：反應(yīng)物料間歇加入，產(chǎn)品連續(xù)取出。 ⑶ 從傳熱情況

21、 分為絕熱式和非絕熱式反應(yīng)器 絕熱式反應(yīng)：不與外界進(jìn)行交換。 2．表征反應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)有哪些？寫出它們的算式。 3．簡述催化裂化提升管反應(yīng)器控制的要求，并繪制其工藝流程簡圖。 ⑴ 工藝要求① 控制合理的反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力。保證合理的反應(yīng)深度； ② 控制兩器壓差，保證催化劑的流化與循環(huán)； ③ 控制恰當(dāng)?shù)拇呋瘎┖剂?，保證催化劑的活性； ③ 控制合理的煙氣含氧量，避免二次燃燒發(fā)生。 ⑵ 反應(yīng)溫度控制 ① 影響因素 催化劑循環(huán)量、溫度；進(jìn)料量、溫度；提升蒸汽量； ② 控制 設(shè)計(jì)出口溫度 》》再出滑閥開

22、度控制； 要保證反應(yīng)溫度、原料預(yù)熱溫度、再生溫度的穩(wěn)定。 ③ 優(yōu)化控制 設(shè)計(jì)反應(yīng)熱控制方案。 4．試設(shè)計(jì)釜式間歇反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)，繪制其工藝流程簡圖，并確定每個(gè)控制閥的氣開、氣關(guān)形式和控制器的正反作用形式。 蒸汽閥選擇氣開式、冷水閥選 氣關(guān)式；溫度控制器取反作用。 11．試設(shè)計(jì)氨冷換熱器的選擇性控制方案，繪制其工藝流程簡圖，并確定控制閥的氣開、氣關(guān)形式和控制器的正反作用形式。 控制閥選擇：氣開型。 控制器選擇：溫度控制器正作用、液位控制器反作用。 * 設(shè)計(jì)各種控制系統(tǒng)時(shí)，都應(yīng)考慮每個(gè)控制閥的氣開、氣關(guān)形式和控制器的正反作用形式。