控制工程大作业

2014年控制工程大作业

要求：

a)每位同学对每个题目按照要求设计控制方案，画出带控制点的工艺流程

图。

b)详细说明设计的控制方案是如何运作的，如何能满足工艺要求。

c)报告采用PDF文档，正文为五号宋体，标题可适当加大字号或用粗体。

纸张采用A4。

d)所有报告均在首页标明姓名、学号、班级，文件以“学号.pdf”的格式

保存。

1．考虑如题图1所示的系统，希望将质量分数为50%的NaOH溶液稀释为30%。NaOH控制阀受其它控制器（未在图中展示）控制。由于50% NaOH溶液的流量变化频繁，希望设计一个比值控制方案，通过控制稀释水的流量以达到稀释要求。50%NaOH溶液的标称流量（即设计值）为100 kg/hr。假设选用的两个流量变送器为质量流量计，其输出信号与质量流量成线性比例关系。50%NaOH溶液的变送器量程为0到200 kg/hr，水的变送器量程为0到160 kg/hr。请详细描述其比值控制方案，并计算控制系统所涉及的比值系数。

2

题图1 混合过程

2． 考虑如题图2所示的制氢反应器。同锅炉一样，该反应器需要通过燃料和空气进行燃烧

才能提供反应所需要的能量（为简单起见，温度控制系统并未全部在图中画出）。甲烷和水蒸气反应产生氢气，反应方程为

4222CH +2H O CO +4H

该反应发生在反应器的内部管道中，管道内填充着反应所需的催化剂。为避免催化剂结焦，保证反应混合物中水蒸气富余十分重要。如果碳沉积在催化剂表面，将会使催化剂中毒。通过保证输入混合物中水蒸气富余，就可以避免此种现象。然而，过多的水蒸气又会引起能量消耗过大。工程部门估算，应当保证的最佳甲烷-水比为R 1（质量比）。请设计一套控制方案，可使实际比例维持在最佳比例；并且在生产过程中，无论产量增加或减少，都要保证反应混合物中水蒸气富余（即高于最佳比例）。注意：甲烷需求量由另外专门的信号控制。

题图2 制氢反应器

4．考虑如题图4所示的混合池。三种原料以一个确定的比例注入水箱之中形成一种混合液，供后续过程使用。对于某一种配方，要求最终混合物包含50%质量分数的A、30%质量分数的B以及20%质量分数的C。根据需求量的不同，后续过程将提供泵的转速控制信号。试设计一个控制方案用以控制水箱液位，并且同时保证正确的配方要求。

题图4

5．燃料电池广泛运用于航空器中以产生电能。燃料电池通过液态氢和氧的反应来提供电能，

2H+O=2H O

222

请设计一个比值控制器，来保证液态氢和氧按照化学计量比例输送到燃料电池中（在太空中，氢和氧都非常的宝贵，因此我们要保证二者都不能过量）。计算当产水量为0.5 kg/hr 时的氢和氧的设计流量，并且计算出氢和氧的流量比。请简要画出一个可以通过控制液态氧来保持氢氧之间精确化学计量比的比值控制方案。可以假设流量变送器的信号和质量流量成线性关系。试给出流量变送器的合理量程，并计算变送器信号之间的比值。

7．考虑如题图7所示的过程，污泥被送入储液槽T3，然后通过污泥泵被注入到两个过滤器中。该装置通过控制出口流量来控制储液槽液位，要求进入两个过滤器的流量必须符合以下比例，

总流量

过滤器的流量进入#1

R

图中显示的两个流量变送器和控制阀不可以从现有位置移动，也不可以添加其他仪器。试设计一个控制方案，在可以保证流量比例的同时，控制储槽液位。

过滤水

过滤水

题图7

13．考虑如题图13所示的管式锅炉，该锅炉用于部分产生蒸汽。液态水进入锅炉，以饱和液体和蒸汽的混合形式离开锅炉，然后进入一个分离器，用于分离饱和液体和蒸汽。工艺工程师将该过程的效率定义为“被蒸发的部分（即饱和蒸汽量）占总进水量的百分比”，期望的效率为80％。试设计一个控制方案，以使该效率维持在其期望值。

空气燃料

题图13

14．考虑如题图14所示的精馏塔底部，有两个物料流出，一个由用户控制以满足自身需求，另一个用以保持塔底液位。在一些情况下，当液位下降到一定程度时，液位控制阀将全关；此时，液位将失去控制。如果塔底液位下降到低于0.5m，这将很难保证有足够的流量通过再沸器为精馏塔提供上升蒸汽，这对精馏塔操作将是灾难性的。试设计一种控制方案，以避免上述情况的发生。

FC

题图14