过程控制工程 练习题.docx

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过程控制工程练习题

过程控制工程综合练习题

2012/05/26

1．某一管式加热炉的控制系统如图1所示，被控变量为工艺介质出口温度T；P为控制阀后的燃气压力，而Ps为燃气气源压力（系统主要干扰之一）；Tm与Pm分别表示T、P的测量信号；u为控制阀的开度；Psp、Tsp分别表示控制器TC11、PC21的设定值。

（1）试描述该控制系统完整的方块图，并注明每一模块的输入输出信号；

（2）选择控制阀的气开/气关形式，并解释选择的原因；

（3）确定控制器PC21、TC11的正反作用，以构成负反馈控制系统。

图1管式加热炉工艺介质出口温度控制系统

2．考虑上述温度控制系统，当控制器PC21为“自动”、控制器TC11为“手动”时，对于PC21的设定值阶跃变化，对应的过程响应曲线如图2所示。

假设压力变送器PT21的量程为0.0~0.40MPa；而温度变送器TT11的量程为200~400℃。

（1）试指出温度控制器TC11对应的广义被控对象的输入输出信号；

（2）计算该广义对象的特征参数K、T、τ；

（3）若TC11采用PID控制器，试整定其PID参数Kc、Ti、Td。

基于对象特性参数的PID整定法

控制器类型

Kc

Ti

Td

λ取值

P

0

PI

T

0

PID

T

图2针对控制器PC21设定值变化的过程阶跃响应

3．根据工艺过程的要求，需要用水将NaOH溶液稀释，对应的控制系统如图3所示。

假设NaOH溶液质量流量计FT31的仪表量程为0~30T/hr，而FT32的仪表量程为0~120T/hr，而且两流量计均为线性DDZ-III仪表，输出信号为4~20mADC。

另外，K为某一比值计算单元，其输入输出满足以下关系

。

（1）试获得K值与实际流量比F1/F2之间的函数关系；

（2）假设NaOH溶液的质量浓度为20%，需要将其浓度稀释成5%。

试确定K值。

若F1的变化范围为10~20T/hr，试计算I2与I3的变化范围。

图3溶液稀释过程的比值控制

4．某一锅炉汽包水位的三冲量控制系统如题图4所示，图中加法器的运算式为

，其中IL为液位调节器LC41的输出，IS为经开方后的蒸汽质量流量测量值，IW为经开方后的给水质量流量测量值（假设IL、IS、IW的单位均为百分量%，取值范围0~100）。

为确保锅炉安全，给水阀选用气关阀。

（1）试画出该系统的完整方块图，并注明每一模块的输入输出信号；

（2）选择LC41的正反作用与系数C1、C2、C3的符号，以构成负反馈系统，并说明你的选择原理；

（3）若蒸汽流量仪表FT32的量程范围为0~20T/hr，给水流量仪表FT33的量程范围为0~25T/hr。

假设给水阀为线性阀，其开度的最大变化范围为0~100%。

对于调节阀开度的变化，对应的水量变化量为KV=0.2（T/hr）/%。

为实现对蒸汽量的理想静态前馈控制，试确定系数C2、C3应满足的关系。

图4锅炉汽包水位三冲量控制系统

5.某一锅炉的空燃比逻辑比值控制方案如图5所示，其中FC23.SP（FC24.SP）与FC23.PV（FC24.PV）分别表示流量控制器FC23（FC24）的给定值与过程值，PC22.OP表示压力控制器PC22的输出；“LS”模块表示低选器，其输出FC23.SP取两输入中的较小者；“HS”模块表示高选器，其输出FC24.SP取两输入中的较大者。

假设燃料量与空气量的检测仪表FT23、FT24均为质量流量仪，且仪表量程分别为0–5T/hr、0–100T/hr，流量仪测量输出RFm、RAm的范围均为0–100%；乘法器输出为KFA×RAm，其中KFA为无因次的乘法系数。

假设工艺过程所希望的空气/燃料质量比为18:

1。

试回答：

（1）KFA如何设定，以满足工艺要求？

（2）该系统采用蒸汽压力变送器PT22来反映产汽与用汽的平衡关系，试确定压力控制器PC22的正反作用，以构成负反馈控制系统。

（3）假设该系统初态为稳定状态，当蒸汽用量增加或减少时，试描述该系统的自动控制过程。

图5锅炉空燃比逻辑比值控制方案

6.某一换热器如图6所示，要求采用蒸汽流量RV控制工艺介质的出口温度T2。

试依据下列情况设计相应的控制方案，并给出带控制的流程图。

情况#1：

工艺介质流量RF与蒸汽入口压力PV均比较稳定；

情况#2：

RF稳定，而PV变化频繁；

情况#3：

RF变化频繁，而PV比较稳定；

情况#4：

RF与PV均变化频繁。

图6换热器被控对象

7．考虑某一氨冷却器，控制目标为维持工艺介质出口温度T的恒定，操作变量为液氨的流量Ra，目前采用如图7所示的单回路控制方案。

操作经验表明该方案存在一定的危险性：

当工艺介质入口温度过高时，温度控制器TC31将大幅度地增加液氨流量，这样可能导致氨冷却器内的液面过高，使液氨进行氨气管线而损坏压缩机。

工艺过程要求控制工程师设计一新的控制方案以防止液面超高，这里假设控制阀为气开阀。

（1）试设计一个多回路控制方案，以实现正常情况下的温度定值控制，同时确保异常情况下氨冷却器内液位也不会超上限（液位上限对应的测量值为Lmax），并将控制方案标注在工艺流程图上；

（2）画出该控制系统的控制方块图，并标明每一个方块的输入输出信号；

（3）确定每一个控制器的正反作用，以构成负反馈控制回路；

（4）假设所有的控制器均采用PI控制律，试提出相应的防积分饱和措施，并给出控制器的内部结构；

（5）假设新的控制系统初态为稳定状态，且液位较高但不超上限。

若此时工艺介质入口温度突然大幅度升高，试描述该系统的自动控制过程。

图7氨冷却器工艺介质出口温度单回路控制方案

8．考虑如图8所示的油罐，要求隔离外部的空气，以避免油品氧化或污染环境，工业上常用N2作为气封气体。

为保护油罐，要求通过调节进气阀与排空阀来控制罐顶压力P，使其稳定并略大于大气压。

为安全起见，进气阀VA为气开阀，而排空阀VB为气关阀。

图中，u1、u2分别为施加到控制阀上的实际控制信号，可操作范围均为0–100%。

（1）试设计一个控制方案以实现上述要求，并将其标注在工艺流程图上；

（2）描述该控制系统的控制方块图，并标明每一个方块的输入输出信号；

（3）给出两控制阀的分程函数（假设压力控制器的输出为u，可操作范围为0–100%）；

（4）确定控制器的正反作用，以构成负反馈控制回路；

（5）若该控制系统初态为稳定状态、且无进出油品，若此时环境温度突然下降，试描述该系统的自动控制过程。

图8

9．天然气（主要成分为CH4）能够在催化剂的作用下与水蒸汽发生下列反应：

CH4+H2O=3H2+CO以产生H2与CO，而H2为氨合成的重要原料之一。

在工业生产过程中，天然气与水蒸汽的比值须满足以下条件：

（1）在正常工况下，天然气与水蒸汽的比值应维持恒定；

（2）控制系统应确保在任意动态条件下水蒸汽的相当过量。

试设计一逻辑比值控制系统以满足上述要求，并标注在工艺流程图上。

此外，若生产要求提高H2产量，试说明你的控制系统如何实现自动调节。

图9

10．某一连续放热反应器如图10所示，其反应方程为A+B→C，仅有的控制回路为反应温度单回路控制，其操作变量为冷却水量。

（1）试设计一控制方案，以使进入反应器的两物料流量之比恒定，即满足R=FA/FB，其中R为过程所希望的流量比值；

（2）操作经验显示：

冷却水温度变化频繁，为过程主要干扰之一，试改进原控制方案，以改善反应温度的控制性能；

（3）操作经验也显示，在某些特殊情况下，冷却系统可能不能提供充足的冷却量；此时控制反应温度TT17唯一的手段是减少反应物流量。

试设计一控制方案以自动实现上述要求。

注：

当冷却量充分时，该方案要求能返回到正常状态，即：

反应物流量可由人工根据生产任务设定。

图10放热反应器控制方案

11．某一管式加热炉如图11所示，用于产生饱和蒸汽。

液态水经该加热炉加热后，形成饱和蒸汽与水的混合物；该水汽混合物经后续的分离罐分离成饱和蒸汽与饱和水。

工艺工程师定义该加热炉的效率为饱和蒸汽质量流量占进炉液态水的比率（称为汽化率），期望的汽化率为80%。

（1）试设计一个比值控制方案以维持空燃比稳态恒定、动态过程空气过量，并标注在过程流程图上；

（2）设计一控制方案：

通过操作燃料流量以使汽化率维持在期望值，并在过程流程图上加以标注；

（3）若控制器FC30的设定值突然提量，试说明整个控制系统的自动调节过程（假设各控制阀均处于可调范围内）。

图11

12.某一精馏塔两端产品质量控制系统如题图12所示，并选择T1（精馏段灵敏板温度）、T2（提馏段灵敏板温度）为被控变量；而操作变量为RL（冷回流量）、RV（塔底加热蒸汽量）。

在某一稳定操作工况下，经阶跃响应测试，得到下列对象特性

。

（1）试计算两个质量控制回路之间的静态增益阵及其相对增益矩阵，并分析上述配对是否合适；

（2）请设计静态前馈解耦控制系统，并在流程图上予以表示；

（3）若需要降低精馏段灵敏板温度T1的设定值，试解释该解耦控制系统的动态调节过程，并与原多回路控制方案的调节过程进行比较。

图12精馏塔两端产品质量控制系统

13．某一调合过程如图13所示，调合罐为恒液面装置，两进料的流量分别为F1、F2，经调合进行后续工艺。

希望通过调节两进料流量F1、F2来控制混合物的总流量F与浓度C，主要干扰来自两进料浓度C1、C2的缓慢变化（假设C1＞C2）。

（1）试设计相应的多变量控制方案以满足上述控制要求，同时减少回路间的耦合，并将控制方案标注在流程图上；

（2）当混合物总流量需要增加时或进料浓度C1增大时，你的控制方案如何工作，如何能减少回路间的耦合？

图13

14．某炼油厂汽油催化重整装置预分馏塔如图14所示，其操作目标是切除进料中的轻组分，为后续重整反应器提供原料。

工艺工程师提出的要求包括：

（1）塔底产品流量RB必须恒定，

（2）提馏段灵敏板温度TS、回流罐液位LD与塔底液位LB需要得到有效的控制；而可操作变量包括进料量RF、回流量RL、塔顶产出量RD与加热蒸汽量RS。

试设计一多回路控制方案以满足上述要求，并尽可能减少回路间的关联。

具体包括：

（1）确定被控变量CVs与操作变量MVs的合适配对；

（2）将控制方案标注在工艺流程图上；

（3）若后续反应器的生产需求量突然提高（即FC34的设定值提高），试解释你所设计的控制系统如何响应直至达到新的稳态？

图14