过程控制分析题.docx
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过程控制分析题
1、（12分）串级过程控制系统的概念和框图，性能和优点。
串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。
串级控制系统性能分析：
能迅速克服进入副回路扰动的影响；改善主控制器的广义对象特性，提高工作频率；容许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质，也可以减少控制阀流量特性不合适带来的效应；能够更精确控制操纵变量的流量；可实现更灵活的操作方式。
2、（12分）下图是釜式间歇反应器的温度控制，反应初期需要加热升温，反应开始后由于反应放热，又需要冷却降温，设计相应的过程控制系统。
（1）请根据工艺流程确定相应的过程控制系统，画出系统框图。
（2）选择控制阀类型。
（3）确定被控对象特性。
（4）选择控制器正反作用。
（5）分析控制过程。
1-系统框图：
2-控制阀类型选择：
从安全角度考虑，V1选气开型，V2选气关型。
即KV1>0，KV2<0。
3-被控对象特性确定：
开大冷却水阀V2，釜温下降，KP2<0；开大蒸汽阀V1，釜温升高，KP1>0.
4-控制器正反作用选择，根据稳定运行准则，KC>0，即选择反作用控制器。
5-控制过程分析：
反应初期，釜内温度较低，釜温工作点位于图中A点，反作用控制器输出增加，应开大蒸汽控制阀V1，直到反应开始放热。
反应进行过程中应移走反应热，假设釜温工作点位于图中B点，则反作用控制器输出减少，逐渐开大冷却水控制阀V2，使反应釜温度恒定。
因此，该控制系统应选用气关-气开导向分程控制。
3、（16分）下图是锅炉燃烧过程基本控制中的逻辑提量与逻辑减量控制系统。
（1）请说明该控制方案的特点和控制目标。
（2）假设燃烧稳定时燃料与空气的比值是1：
3，蒸汽检测仪表输出为12mA（标准信号为4-20mA），请叙述蒸汽仪表输出信号为14mA与10mA时此控制方案的工作过程。
该控制系统在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减少燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。
该方案既能保证蒸汽压力恒定，又可实现燃料的完全燃烧。
控制系统的工作原理见选择性控制系统的有关内容。
3、（16分）简要说明下图为什么控制系统，主要特点是什么，一般应用于什么场合？
上图是前馈控制系统。
前馈控制系统是改善反馈控制不及时的一种方法，它是按引起被控量变化的扰动大小进行控制的。
当扰动刚出现且能被测出时，控制器就能够发出控制信号去克服这种扰动，无须等待被控量的变化。
因此，前馈控制对于克服扰动的影响比反馈控制来得快。
如果使用恰当，控制质量可获得改善。
这种按照扰动产生校正作用的控制方法，通称为前馈控制。
（1）前馈控制的检测信号是扰动。
前馈控制器是基于扰动大小进行控制的，前馈控制具有明显的超前作用（相对于被控量的变化而言）
（2）实用的前馈控制控制器只能对有限的扰动进行补偿，不像反馈系统中的控制器那样，可克服各种扰动对被控量的影响。
因此，前馈控制常与反馈控制结合使用，以提高控制质量。
前馈控制的应用场合：
（1）扰动幅值大而频繁，对被控量影响强烈，反馈控制难于达到工艺要求的场合。
（2）主要扰动可测，但对反馈控制又是不可控的参数。
（3）当控制系统的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可考虑采用前馈或前馈——反馈控制系统，以提高控制质量。
06年
四、分析与应用题（本题28分，第1小题15分，第2小题13分）
1、如图为一蒸汽加热器，物料出口温度需要控制。
试分别设计串级控制系统、前馈控制系统和串级+前馈控制系统三种控制方案，画出控制系统的原理图、方块图，并对设计方案进行简要说明。
（15分）
解：
（1）串级控制系统
原理图：
方块图：
（2）前馈控制系统
原理图：
蒸汽
方块图：
（3）串级+前馈控制系统
原理图：
方块图：
2、为什么必须对锅炉汽包水位进行严格的控制？
（13分）
下图为一类简单的汽包水位控制示意图，要求：
画出该控制系统的方框图；
指出系统的被控对象、被控参数、操纵变量、扰动变量各是什么；
确定调节阀和调节器的作用型；
当蒸汽负荷突然增加时，试分析该系统是如何实现自动控制的；
⑤采用什么措施可以提高质量。
解：
控制原因：
保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的必要条件。
水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后序的过热管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性；水位过低造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。
方框图：
控制对象：
锅炉给水系统
被控参数：
汽包水位
操纵变量：
给水流量
扰动变量：
给水压力、蒸汽流量、燃料量、汽包压力等
考虑到汽包水位过低的危险性大于汽包水位过高的危险性，控制阀选用气关式，相应的调节器应选用正作用型。
蒸汽负荷突然增加，引起汽包水位下降，调节器接收一个负偏差信号，调节器为正作用，因此用于控制执行结构（控制阀）的输出信号减小，从而使控制阀开度增加（因为控制阀为气关式），冷水流量增大，水位上升，直至达到给定值。
⑤本例采用的是单冲量控制，结构简单，但当负荷变换较大时，会出现控制其输出误动作、控制不及时等缺陷。
针对这些缺陷，可进一步改进控制系统以改进控制品质。
如，考虑到蒸汽负荷波动的影响，可将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。
或再考虑其他扰动因素，设计相应的多冲量控制系统。
一、分析与应用题（本题40分，每小题10分）
1、请判定图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。
（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；
（4）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时；（SP175）
答：
（1）气关调节阀，正作用调节器；
（2）气开调节阀，反作用调节器；
（3）气开调节阀，正作用调节器；
（4）气关调节阀，反作用调节器。
2、图为锅炉的压力和液位控制系统的示意图。
试分别确定两个控制系统中调节阀的气开、气关型式及调节阀的正反作用。
（SP224）
答：
在液位控制系统中，如果从锅炉本身安全角度出发，主要是要保证锅炉水位不能太低，则调节阀应选择气关型，以便当气源中断时，能保证继续供水，防止锅炉烧坏；如果从后续设备安全角度出发，主要是要保证蒸汽的质量，汽中不能带液，那么就要选择气开阀，以便气源中断时，不再供水，以免水位太高。
本题假定是属于前者的情况，调节阀选择为气关型，为“-”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，对象为“+”方向，故在这种情况下，液位调节器应为正作用方向。
当调节阀因需要选为气开型时，则液位调节器应选为反作用方向。
在蒸汽压力控制系统中，一般情况下，为了保证气源中断时能停止燃料共给，以防止烧坏锅炉，调节阀应选择气开型，为“+”方向；当燃料量增加时，蒸汽压力是增加时，对象为“+”方向。
所以在这种情况下，压力调节器应选为反作用方向。
3、图为一个单闭环比值控制系统，图中F1T和F2T分别表示主、从流量的变送器，将差压信号变为电流信号，假设采用的是DDZ-III型差压变送器。
已知Q1max=625m3/h，Q2max=290m3/h，要求两流量的比值K=Q2/Q1=0.5，试确定乘法器的比值设定K’。
（SP194）
答：
比值控制是为了保持物料流量之间的比例关系。
工艺上规定的K是指两物料的流量比K=Q2/Q1，而乘法器比值系数K‘的设定是指仪表之间的信号关系，目前通用的仪表有它使用的统一信号，所以要设法将工艺规定的流量比K转换为比值系数K’。
图中没有加开方器，所以差压变送器的输入信号与流量Q之间不呈线性关系，有
式中，C为差压式流量变送器的比例系数。
对于DDZ-III型差压变送器，其输出信号为4-20mA，输入信号为差压，与流量的平方成比例。
因此对于F1T和F2T，其输出信号分别为：
比值系数：
K，=（I2-4）/（I1-4）
将给定数据代入得：
K，=1.16
4、图为一燃料气混合罐，罐内压力需要控制。
一般情况下，通过改变甲烷流出量QA来维持罐内压力。
当罐内压力降低到QA=0仍不能使其回升时，则需要调整来自燃料气发生罐的流量QB，以维持罐内压力达到规定值。
为此要求：
（1）设计一控制系统，画出系统的原理图；
（2）罐内压力不允许过高，请选择调节阀的气开、气关型式；
（3）确定调节器的正反作用；
（4）确定调节阀的工作信号段，并画出其分程特性图。
（SP202）
答：
（1）设计压力分程控制系统，其原理图见图；
（2）阀A为气关阀、阀B为气开阀；
（3）调节器为反作用；
（4）A阀的工作信号段为20-60KPa；B阀的工作信号段为60-100KPa，分程特性见图。
07年
四、分析与应用题（本题33分，第1、2题9分，第3题15分）
1、简要叙述串级过程控制系统与双重过程控制系统的分析与比较。
（1）请简单叙述二者的概念，并画出二者的系统框图，分析二者的区别。
（2）请简单说明二者都有什么性能和优点。
串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，他根据系统结构命名。
它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
双重控制系统是一个被控变量采用两个或两个以上的操众变量进行控制的控制系统。
这类控制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器的输出作为另一个控制器的测量信号。
两者区别：
双重控制系统主控制器的输出作为副控制器的测量，串级控制系统中作为副控制器的设定。
因此，串级控制系统中两个控制回路是串联的，双重控制系统中两个控制回路是并联的。
它们都具有急则治标，缓则治本的控制功能，但解决的问题不同。
串级控制系统性能分析：
能迅速克服进入副回路扰动的影响；改善主控制器的广义对象特性，提高工作频率；容许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质，也可以减少控制阀流量特性不合适带来的效应；能够更精确控制操纵变量的流量；可实现更灵活的操作方式。
双重控制系统性能分析：
增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性；提高双重控制系统的工作频率；动静结合，快慢结合，急则治标，缓则治本。
2、试分析下图锅炉燃烧过程逻辑提量和逻辑减量控制系统的工作过程。
逻辑提量和逻辑减量控制系统。
该方案在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。
提量时，SP增大，高选器输出选中SP，空气控制器调节空气量使空气量先增加，经检测后的信号被低选器选中，逐渐增大燃料量控制器的设定值，使燃料量流量跟随空气流量，并按所需比值增大，达到提量时先提空气量，后提燃料量流量的控制目的。
减量时，SP减小，低选器输出选中SP，使燃料量控制器设定减小，并经调节后减小燃料量流量，检测后按所需比值关系的信号被高选器选中，并逐渐减小，使空气流量相应减小，达到减量时先减燃料量流量，后减空气量的控制目的。
3、锅炉三冲量水位控制系统的设计。
1）确定被控变量。
2）确定扰动变量。
3）确定操纵变量。
4）确定调节阀的类型，并简要说明理由。
5）请画出三冲量水位控制系统原理图和控制系统方框图。
并简要说明系统设计的理由。
6）当蒸汽负荷突然大量增加时，试分析系统是如何工作的。
答：
1）主被控变量：
汽包水位；副被控变量：
给水流量
2）扰动变量：
给水流量；蒸汽用量；燃料量；汽包压力变化。
3）操纵变量：
给水流量
4）考虑到汽包水位过低的危险性大于汽包水位过高的危险性，控制阀选用气关式。
5）
原理图
控制系统方框图
控制原因：
保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的必要条件。
水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后序的过热管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性；水位过低造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。
考虑到汽包水位是锅炉汽包水位控制的关键所在，故将液位控制作为主控环节，而蒸汽负荷的扰动可测但不可控，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位构成前馈-反馈控制系统，而给水流量的扰动影响及由于被控对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲量系统中，构成三冲量系统。
三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。
6）蒸汽负荷突然增加，引起汽包水位下降，调节器接收一个负偏差信号，调节器为正作用，因此用于控制执行结构（控制阀）的输出信号减小，从而使控制阀开度增加（因为控制阀为气关式），冷水流量增大，水位上升，直至达到给定值。
四、分析与应用题（本题28分，每题14分）
1、锅炉汽包三冲量水位控制系统的设计。
7）锅炉汽包为什么会产生虚假液位？
8）试确定系统的被控变量和操纵变量。
可能存在的扰动有哪些。
9）确定调节阀的类型，并简要说明理由。
10）请画出三冲量水位控制系统原理图和控制系统方框图。
并简要说明系统设计的理由。
当蒸汽负荷突然大量增加时，试分析系统是如何工作的。
答：
1）答：
当出口蒸汽流量增加时，汽包内压力下降，汽化量突然增多，水位反而上升，当出口蒸汽流量减少时，情况相反，因此会产生虚假液位。
（3分）
2）主被控变量：
汽包水位；副被控变量：
给水流量。
操纵变量：
给水流量。
扰动变量：
给水流量；蒸汽用量；燃料量；汽包压力变化。
（3分）
3）考虑到汽包水位过低的危险性大于汽包水位过高的危险性，控制阀选用气关式。
（3分）
4）
原理图
控制系统方框图
控制原因：
保持锅炉汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的必要条件。
水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后序的过热管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，当用于蒸汽透平的动力源时，会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性；水位过低造成汽包水量太少，负荷有较大变动时，水的汽化速度过快，而汽包内水的全部汽化将导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。
考虑到汽包水位是锅炉汽包水位控制的关键所在，故将液位控制作为主控环节，而蒸汽负荷的扰动可测但不可控，因此，将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位构成前馈-反馈控制系统，而给水流量的扰动影响及由于被控对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲量系统中，构成三冲量系统。
三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。
蒸汽负荷突然增加，引起汽包水位下降，调节器接收一个负偏差信号，调节器为正作用，因此用于控制执行结构（控制阀）的输出信号减小，从而使控制阀开度增加（因为控制阀为气关式），冷水流量增大，水位上升，直至达到给定值。
（5分）
2、某列管式换热器的温度控制方块图如下图所示，，工艺要求物料温度保持在（90±1）℃，用蒸汽加热，采用DDZ－Ⅲ电动单元组合仪表。
（1）说明图中R、E、Q、C、F各代表的专业术语内容
（2）说明Z、I、P的信号范围。
（3）选用合适的测温元件。
（4）画出控制系统原理图。
（5）若物料温度不允许过低,否则易结晶,确定调节阀的气开、气关型式。
（6）若记录仪表的记录曲线上，最高值为91℃、最低值为89℃，问该系统是否达到了控制要求？
1）R、给定值，E、偏差，Q、操纵变量C、被控变量，F 干扰（3分）
2）Z：
4~20mA,I：
4~20mA，P：
20-100Kp（3分）
3）选用热电阻Pt100（2分）
4）（2分）
5）选用气关阀（2分）
6）因为测温元件是时间常数较大的滞后元件,因而在温度的动态变化过程中,瞬时的温度测量值不筀等于温度的真实值。
如果温度在上升过程中，记录仪表得到的数值已经是91℃，说明温度的真实值已经超过91℃。
如果温度在下降过程中，记录仪表得到的数值已经是89℃，说明温度的真实值已经低于89℃。
所以出口温度已经超过控制要求（90±1）℃，是不符全控制要求。
（2分）
10年
四、分析与应用题（本题30分，每小题10分）
1、蒸汽加热器的结构如图所示，现要控制工艺介质的出口温度，1）请设计一个单回路控制系统，画出框图，并确定控制器正反作用。
2）如果要提高控制质量可采用什么方法？
答：
1）以工质出口温度为被控变量的单回路控制系统，方框图：
如图（a）
B
对象为﹢，阀门为气开+，故控制器为—，为反作用。
（5分）
2）如要提高控制质量可采用串级控制系统，反馈+前馈控制系统，串级前馈控制系统等。
（5分）
串级控制系统如图（b）
换热器FFC-FBC系统
阀门为气开，对象为正作用，则TC为反作用控制器，FC为正作用控制器。
串级+前馈控制系统：
2、下图为聚合釜温度控制系统。
冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。
试问：
1）这是一个什么类型的控制系统？
试画出它的方块图；
2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定调节阀的气开、气关型式；
3）确定主、副调节器的正、反作用。
4）如主要干扰是进料的温度波动，试简述其控制过程；
5）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的控制系统原理图。
答：
（共10分）
1）这是一个串级控制系统。
主变量是釜内温度，副变量是冷却水流量。
方框图：
聚合釜温度控制系统方块图（2分）
2）为了在气源中断时保证冷却水继续供应，以防止釜温过高，故控制阀应选用气关型，为“—”方向。
（1分）
3）副控制器FC的作用方向可按单回路控制系统的原则来确定。
因为副对象为管道，阀开大时流过管道的流量增加，所以副对象为“+”方向，控制阀为“—”方向，所以FC应选正作用。
主控制器TC的作用方向可以这样来确定：
由于主变量增加时，需要开大控制阀，而副变量增加时，需要关小控制阀，故主控制器TC应选正作用。
（2分）
4）当进料量的温度增加时，导致系统的被控变量也跟着升高，温度检测信号增加，TC的输入增大，正作用的TC促使输出信号增加，气关型的控制阀要关小，使F减少，这样就克服了进料温度波动对系统的影响，使系统回到稳定状态。
（2分）
6）如果冷却水的温度而不是压力经常波动，应选择聚合釜夹套内的水温作为副变量，这样才能将主要扰动包含在副回路内，以充分发挥副回路能及时快速克服主要扰动的作用。
反应釜温度串级控制方块图：
控制阀仍应选气关阀，但副控制器和主控制器都应选反作用。
工艺原理图：
（3分）
3、试分析下图锅炉燃烧过程逻辑提量和逻辑减量控制系统的工作过程。
下图为锅炉燃烧过程基本控制中的逻辑提量与逻辑减量控制系统。
1）请说明该控制方案的特点和控制目标。
2）假设燃烧稳定时燃料与空气的比值是1：
3，蒸汽检测仪表输出为12mA（标准信号为4-20mA），请叙述蒸汽仪表输出信号为从12mA升至14mA时，控制系统的工作过程。
答：
（1）逻辑提量和逻辑减量控制系统。
该方案在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。
（4分）
（2）提量时，SP增大，高选器输出选中SP，空气控制器调节空气量使空气量先增加，经检测后的信号被低选器选中，逐渐增大燃料量控制器的设定值，使燃料量流量跟随空气流量，并按所需比值增大，达到提量时先提空气量，后提燃料量流量的控制目的。
（6分）
最好是配合图例进行说明。
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