《过程控制系统》作业题

《过程控制系统》思考题

一．

1．什么叫串级控制系统？绘制其结构方框图。

串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，有一个控制器的给定由外部设定。

2．与单回路控制系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？

多了一个副回路，形成双闭环。特点：主控制器输出改变副控制器的设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

3．为什么说串级控制系统由于存在一个副回路而具有较强的抑制扰动的能力？

①副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响；

②引入副回路，改善了副对象的特性(减小副对象的相位滞后)，提高了主回路的响应速度，提高了干扰的抑制能力；

③副回路可以按照主回路的要求对副变量进行精确控制；

④串级系统提高了控制系统的鲁棒性。

4．串级控制系统在副参数的选择和副回路的设计中应遵循哪些主要原则？

①将主要干扰包括在副回路；

②副回路尽量包含多的干扰；

③为保证副回路的快速响应，副对象的滞后不能太长；

④为提高系统的鲁棒性，将具有非线性时变部分包含于副对象中；

⑤需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象。

5．串级控制系统通常可用在哪些场合？

* 应用于容量滞后较大的过程

* 应用于纯时延较大的过程

* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程

* 应用于参数互相关联的过程

* 应用于非线性过程

6．前馈控制与反馈控制各有什么特点？绘制前馈控制系统结构方框图。

前馈：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；

?动作“及时” ；

?只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳

定；

? 具有指定性补偿的局限性；

? 控制规律取决于被控对象的特性。 ? 反馈：基于偏差来消除偏差； ? “不及时”的控制 ； ? 存在稳定性问题；

? 对各种扰动均有校正作用；

? 控制规律通常是P 、PI 、PD 或PID 等典型规律。

7．在什么条件下前馈控制效果最好？为什么一般不单独使用前馈控制方案？

准确地掌握过程扰动通道的特点wf （s ）及控制通道的特性wo （s ） 准确求出前馈控制wm （s ）；克服可测不可控的扰动 前馈控制室基于扰动的控制，扰动不止一个，难于把握 属于开环控制，易受其他扰动干扰而无法控制

其克服可测不可控的扰动，对于系统中其他扰动无抑制作用

8．试述前馈控制系统的整定方法。

⑴前馈控制器的选择

①用模拟表实施通过特定的前馈控制器，或采用运算单元自行构造； ②用软件实现 ⑵参数整定

①单纯的前馈控制，可视工艺要求进行参数整定；先调整

d K ，然后调整T1、T2

②前馈—反馈相结合，先整定反馈系统，再重复步骤①。

9．什么是比值控制系统？常用的比值控制方案有哪些？并比较其优缺点，绘制各比值控制方案结构方框图。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统 开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统

10．比值与比值系数有何不同？设计比值控制系统时需解决哪些主要问题？

比值k=Q1/Q2,,是两个体积流量或重量之比，而比值参数是把比值k折算成比值器上，K’=k(Q1max/Q2max)

主从动量确定；控制方案的选择；调节器控制规律的确定；正确选用流量计与变送器；比值控制系统的实施；比值参数的计算；比值控制系统参数的整定

11．什么是均匀控制？常用的均匀控制方案有哪些？

均匀控制是在连续生产过程中，各种设备前后紧密联系的情况提出来的一种特殊的控制

①采用液位控制②采用液位和流量的串级控制③取液位和流量两个信号之差为被控变量

双冲量均匀控制

12．什么是分程控制？怎样实现分程控制？在分程控制中需注意哪些主要问题? 在工业生产过程中，有时会遇到一个控制器去操纵几只阀门，若按输出信号的不同区间操作不同的阀门，这样的控制系统叫做分程控制系统。

尽量选用对数调节阀；采用分程信号重叠法；调节阀的泄漏量的大小

13．什么是选择性控制？试述常用选择性控制方案的基本原理。

凡是在控制回路中引入选择器的系统称为选择性控制系统。

选择器位于调节器的输出端，对调节器输出信号进行选择的系统：两个调节器共用一个调节阀

选择器位于调节器之前，对变送器的输出信号进行选择的系统：几个变送器合用一个调节器

14．什么是积分饱和现象？如何消除选择性控制中的积分饱和现象？

当选择器在控制器和控制阀之间，系统出现超限时，控制器应立即切换。为保证及时切换，在偏差为零时，两个调节器应该有相同的输出。当其中一个控制器或两个控制器采用PI作用时，一个调节器被另一个控制器切换后，偏差仍存在，且存在的时间较长，将产生积分饱和现象，使下一次不能及时切换。

由于偏差长时间存在，偏差为零时控制器输出仍要超出规定上、下限一段时间。为了保持同步，常采用积分外反馈的办法。采用选择器的输出，即控制调节阀的信号做为积分外反馈。

15．一般地说从结构上看，分程控制是由一只控制器控制两只控制阀，而选择性控制是由两只控制器控制一只控制阀，试绘制各自系统结构方框图。

16．什么是推断控制？两类“计算指标控制”是什么？

推断控制：利用系统的数学模型，由可测信息将不测输出推算出来实现反馈控制；或将不可测扰动推算出来实现前馈控制。

由辅助输出推算控制指标，作为被控变量的测量值；

以某辅助输出变量为被控变量，其设定值由控制指标算式推算出来。

17．试述复杂控制系统有哪些？它们都是为什么目的而开发的？

1串级控制系统：改善控制质量

2前馈控制系统：扰动出现时就能够进行控制

3比值控制系统：根据某一流量的变化调节另一流量

4均匀控制系统：使前后设备在物料供求上相互兼顾均匀协调

5分程控制系统：扩大控制阀的可调范围，使得在小流量时可实现更精确的控制

用于满足工艺上操作的特殊要求

6选择性控制系统：

7推断控制系统:被控对象的输出和扰动都不可测，无法设计一般的反馈和前馈控制。

1．离心泵或离心式压缩机的负荷控制方案有哪些？

①直流节流法

②改变泵的转速n

③通过旁路控制

2．叙述离心式压缩机的特性曲线及产生喘振的原因。

特性曲线：压缩比和入口体积流量的关系曲线；效率和流量或功率和流量之间关系曲线。在这里对于控制系统设计而言，压缩比和入口体积流量的关系

曲线如右图所示：

当负荷降低到一定程度时，气体的排出量会出现强烈振荡，同时机身也剧烈振动，这种现象叫离心式压缩机的喘振。

3．用图示说明离心式压缩机的防喘振控制方案。

固定极限流量法可变极限流量法

4．为什么有的场合下需要压缩机的串并联运行？

一些生产过程中，采用一个离心式压缩机压头不能满足要求时，就需要两台或两台以上压缩机串联运行，因此每台压缩机都应防喘振，才能保证设备的正常运行。因一台提供的压头不够，故不能采用两台单独的旁路回流量控制。

当一台压缩机的流量（气体）不能满足要求时，就需两台或两台以上的压缩机并联运行.

1．典型的传热设备有哪些？热量的传递方式有哪几种？

换热器，加热炉，锅炉；热传导，对流；热辐射

2．传热目的及其控制方案？

①使工艺介质达到规定的温度以使生产过程正常进行；

②在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量；

③在工艺过程中改变物料状态；

④热量回收。

⑴调载热体的流量

⑵调节传热平均温度差

⑶调节传热面积

⑷采用旁路控制

3．用图示加热炉的各串级控制方案，并说明各方案的优缺点及适用场合。

⑴炉出口温度对炉膛温度的串级控制⑵炉出口温度对燃料流量的串级

⑶出口温度对燃料阀后压力的串级⑷采用压力平衡式控制阀

4．用图示说明加热炉的前馈-反馈控制方案。

5．设置加热炉的安全联锁保护系统的作用是什么？对于燃气和燃油加热炉可能产生事故的原因分别是什么？用图示分别说明各安全联锁保护系统。

联锁保护系统的作用：为安全生产、防止事故

⑴燃气加热炉

①工艺介质流量过小或中断，切断燃料气；

②某种原因灭火时，切断燃料气；

③燃料气压力不能过低，流量不能太小；

④燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火

⑵燃油加热炉

①工艺介质流量过小或中断，切断燃料油；

②燃料油压力过低会回火，流量不能太小；

③燃料油压力过高会脱火；

④雾化蒸汽压力过低或中断，造成燃料油雾

化不良无法燃烧。

6．工业锅炉的主要控制系统

①汽包水位控制②燃烧系统控制③过热蒸汽系统控制

7．造成锅炉汽包“虚假”水位现象的原因是什么？为避免控制器误动作所采取的措施是什么？

锅炉燃烧率增加，主蒸汽流量增加汽包压力下降

锅炉燃烧率减少，主蒸汽流量减少，汽包压力上升，给水温度下降

依负荷变化的前馈控制

8．详细叙述锅炉汽包水位的双冲量控制方案，绘制其工艺流程简图，并给出加

法器的设置。

9．试绘制锅炉汽包水位三双冲量控制方案的工艺流程简图。

前馈与串级组成的复合控制系统前馈加反馈控制

前馈--串级控制系统

10．试绘制锅炉燃烧控制系统有逻辑提量控制方案的工艺流程简图，叙述其动作过程。

在正常工

况下，这是锅炉出口蒸汽压力对燃油流量的串级控制系统和燃油流量与空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器为反作用的，当蒸汽压力下降时（如因蒸汽耗量增加），压力控制器输出增加，而提高了燃油流量控制器的设定值。但是，如果空气量不足，将使燃烧不完全。为此设有低值选择器LS它只让两个信号中较小的一个通过，这样保证燃料量只能在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高值选择器HS来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把空气量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃油流量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。

四．

1．简述精馏塔受控变量的选择有哪些？各自的特点是什么？

⑴测温点的选择①测温点尽量选择在通道滞后较小的点。

②采用塔顶回流控制温度时，选择顶部塔板液相温度。

⑵温差控制优点：能够克服塔压变化对产品质量的影响。

缺点：不能克服进料组分和负荷变化对温差的影响。

⑶双温差控制压降引起的温差不仅在塔顶，也发生在塔底，相减后可相互抵消。

2．精馏塔产品质量的开环控制方案有哪些？绘制其工艺流程简图，叙述各自的特点。

⑴固定回流量和再沸气量

当进料流量及状态恒定时，固定了

LR和VS，D和B就确定了。

101控制回流量和102再沸器加热蒸汽量；

物料平衡控制

⑵固定馏出液量和再沸气量

特点：适用于回流比较大的场合。

LR/D为回流比

⑶固定塔底馏出量和回流量

3．精馏塔按精馏段指标的控制方案有哪些？绘制其工艺流程简图，叙述各自的特点。

⑴间接物料平衡控制

优点：调节作用滞后小，反应迅速；

有利于克服进入精馏段的扰动；

保证塔顶产品质量。

适用场合：回流比<0.8，需要减少滞后

⑵直接物料平衡控制

4．精馏塔按提馏段指标的控制方案有哪些？绘制其工艺流程简图，叙述各自的特点。

⑵直接物料平衡控制

优点：物料平衡与能量平衡之间关联最小。

缺点：滞后较大，液位控制回

路存在反向特性。

5．精馏塔压力控制系统的方案有哪些？绘制其工艺流程简图，叙述各自的特点。

6．简述精馏塔先进控制方案中内回流与外回流的区别？

外回流液的温度比第一块塔板的温度低。外回流进入塔后，需把它加热至

与第一块塔板温度相等，加热外回流所需热量由进入第一块塔板的蒸汽部分冷凝所产生的气化潜热供给，从第一块塔板向下流的内回流等于外回流量和这部分冷凝液之和。部分冷凝液流量，除了受外回流的影响外，还受塔顶和外回流液温差的影响。因此外回流量愈大，或外回流温度与第一块塔板温度之差愈大，则内回流变化越多。

当塔顶蒸气的温度与外回流液温度相同时，内回流等于外回流，一般情况下，内回流大于外回流。

当塔顶蒸气温度与外回流液温度之差变化不大时，控制外回流的办法一般可以满足精馏塔的操作要求。可以采用外回流的办法控制内回流，当塔顶采用风冷凝器时，外回流温度受环境温度影较大，此时外回流控制并不能使内回流恒定。

五．

1．简述反应器的分类方法和类型。

⑴根据反应物料的聚集状态分为均相与非均相反应器两大类

均相：反应器内物料处于同一相态下。

①反应在均一的气相中进行，为气相均相反应

②反应在均一的液相中进行，为液相均相反应

非均相：反应器内物料之间或反应物与催化剂之间存在相界面。

⑵按反应器进出料状况可分为间歇式，半间歇式和连续式

间歇式反应器：将反应物料分次或一次加入反应器中，经过一定反应时间后，取出反应器中所有物料，然后重新加料进行反应。

半间歇式反应器：反应物料间歇加入，产品连续取出。

⑶从传热情况分为绝热式和非绝热式反应器

绝热式反应：不与外界进行交换。

2．表征反应的质量指标有哪些？写出它们的算式。

3．简述催化裂化提升管反应器控制的要求，并绘制其工艺流程简图。

⑴工艺要求①控制合理的反应温度、反应压力。保证合理的反应深度；

②控制两器压差，保证催化剂的流化与循环；

③控制恰当的催化剂含碳量，保证催化剂的活性；

③控制合理的烟气含氧量，避免二次燃烧发生。

⑵反应温度控制①影响因素催化剂循环量、温度；进料量、温度；提升蒸汽量；

②控制设计出口温度》》再出滑阀开度控制；

要保证反应温度、原料预热温度、再生温度的稳定。

③优化控制设计反应热控制方案。

4．试设计釜式间歇反应器的温度控制系统，绘制其工艺流程简图，并确定每个控制阀的气开、气关形式和控制器的正反作用形式。

蒸汽阀选择气开式、冷水阀选

气关式；温度控制器取反作用。

11．试设计氨冷换热器的选择性控制方案，绘制其工艺流程简图，并确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正反作用形式。

控制阀选择：气开型。

控制器选择：温度控制器正作用、液位控制器反作用。

* 设计各种控制系统时，都应考虑每个控制阀的气开、气关形式和控制器的正反作用形式。