《控制工程》综合分析题的试题与答案

综合分析题

简单控制系统

1 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气的装置，若乙炔发生器内温度过高容易发生爆炸安全事故，为此设计了如图所示的乙炔发生器温度控制系统，试回答下列问题：

1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？

2、选择执行器的气开、气关类型，并说明选取的理由；

3、选择温度控制器的作用方向，详细说明选取的理由；

4、画出该控制系统的方框图；

5、若乙炔发生器内温度高于了给定值，试分析系统的调节过程。

答：1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量分别是乙炔发生器、乙炔发生器内温度和冷水流量。

2、执行器冷水阀选气关阀，当出现危险情况时，温度控制器没有信号送给执行器时，为防止乙炔发生器内温度过高而引发爆炸安全事故，希望冷水阀全开，故冷水阀选择气关阀，以保证操作人员和设备的安全。

3、温度控制器选反作用方向，因为被控对象乙炔发生器是反作用方向的（操纵变量冷水流量增加，被控变量乙炔发生器内温度下降），执行器选的是气关阀，也是反作用方向，为了构成温度负反馈控制系统，温度控制器应该选反作用方向，以使三者相乘为负。

4、方框图如下图所示：

5、若乙炔发生器内温度高于了给定值，测量大于给定，控制器输入偏差增大，因控制器是为反作用方向的，其输出控制信号减少，气关阀开大，冷水流量增加，乙炔发生器内温度下降，经过一段时间的调整后，乙炔发生器内温度回复给定。

2精馏塔工艺流程如图所示，若工艺要求利用回流量来控制塔顶温度T ，现设计简单控制系统进行控制，已知控制阀选用气开类型；试回答以下问题：

1、该控制系统的被控对象、被控变量、操纵变量和主要干扰各是什么？

2、在图上画出控制原理图；

3、选择控制器的作用方向并说明选取理由；

4、画出控制系统方框图；

5、简单说明该系统克服干扰的过程（可设因进料温度升高导致塔顶温度T 升高，分析控制动作过程）。

回流泵

原料

塔顶产品

塔底产品精

馏

塔再

沸

器

冷凝器

回流罐

冷却水T D

答：1、该控制系统的被控对象、被控变量、操纵变量分别是精馏塔塔顶、塔顶温度、塔顶回流量； 主要干扰有原料的温度、进料量、成分及回流液的压力等。

2、控制原理图如右图所示。

（评分标准：信号流向的箭头方向没有标注扣1分， ）

3、控制器选正作用方向；

对象为精馏塔塔顶，对象的输入信号为回流量，输出

信号为塔顶温度，当回流量增大时，塔顶温度下降，

所以对象是反作用的；调节阀选的是气开类型，是正

作用的，为了构成负反馈

的控制系统，控制器应选

正作用方向的。

4、控制系统方框图如右图

所示。

（评分标准：负反馈不标注扣1分，二个及以上的信号流向箭头方向不标注扣1

分，方框内的环节没有具体化扣1分，直到扣完为止）

5、该系统克服干扰的过程：若进料温度升高，将导致塔顶温度T 升高，温度的测量值大于给定值，控制器输入偏差增大，其输出控制信号增加，气开阀开大，回流量加大，使塔顶温度慢慢下降，经过一段时间调节后，塔顶温度调回到了给定值。

3蒸馏塔塔顶工艺流程如图所示，工艺上要求利用冷回流量来控制塔顶温度t，为保证塔的正常操作，回流量不允许中断，试回答下列问题：

1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？

2、在图上画出控制原理图；

3、选择控制阀的气开气型式并说明选取理由；

4、选择控制器的作用方向并说明选取理由；

5、画出控制系统方框图；

6、简单说明该系统克服干扰的过程（可设因进料温度升高导致塔顶温度T 升高，分析控制动作过程）。

答：1、该控制系统的被控对象、被控变量和操纵变量分别是蒸馏塔塔顶、塔顶温度和回流量。

2、控制原理图如下图所示：

3、工艺要求回流量不允许中断，出现停电或控制器没有信号送给控制阀时，阀全开才能满足工艺的要求，也可以防止生产不正常时出现塔顶温度过高而引发安全事故，故控制阀选气关阀。

4、4、控制阀选气关阀，是反作用方向的，被控对象蒸馏塔塔顶的输入信号为回流流量，输出信号为塔顶温度，当回流流量增加时，塔顶温度将下降，故被控对象是反作用方向的，要使温度控制系统构成一个负反馈的控制系统，所以温度控制器应该选择反作用方向的。

5、控制系统方框图如下图所示：

6、当进料温度升高导致塔顶温度T 升高，将导致塔顶温度T 升高，温度的测量值大于给定值，控制器输入偏差增大，其输出控制信号减少，气关阀开大，回流量加大，使塔顶温度慢慢下降，经过一段时间调节后，塔顶温度调回到了给定值。

4 如图所示的水压控制系统，希望进水管道压力保持恒定，试回答以下问题：

1、控制系统的被控对象、执行器、控制器、被控变量和操纵变量各是什么？

2、2、选择控制器的作用方向并说明选取理由（提示：计算机输出的控制信号越大，变频器输出的交流电源频率越大，交流电动机的转速越大）；

3、若储水箱水位变化频繁，又进水管道压力的控制要求较高，试选择控制器的

控制规律并说明选取的理由；

4、绘制该控制系统方框图；

5、若开大进水管道上手动阀门，试简述系统的调节过程。

答：1、控制系统的被控对象是进水管道，执行器是由变频器、交流电动机和水泵组合而成，控制器是计算机，被控变量是进水管道的压力，操纵变量是进水管道水的流量。

2、当计算机输出的控制信号越大，变频器输出的交流电源频率越大，交流电动机的转速越大，水泵抽上来水的流量越大，所以执行器是正作用方向的，被控对象进水管道的输入信号是进水流量，输出信号是进水管道的压力，进水流量增大，进水管道的压力也增大，所以被控制对象是正作用方向的，要构成一个负反馈的控制系统，控制器只级选反作用方向的。

3、3、若储水箱水位变化频繁，会导致进水管道压力变化频繁，故控制规律中不能引入微分环节，又进水管道压力的控制要求较高，故要引入积分环节，为了提高响应速度，控制规律中要引入比例环节，因而控制器的控制规律选为PI；

4、该控制系统方框图如下图所示：

5、若开大进水管道上手动阀门，进水管道的压力将下降，实际压力将不等于给定压力，将产生压力偏差，该偏差信号经过计算机的运算和处理，将产生一个控制信号，送给执行机构变频器，使交流电源的频率增大，使得电机的转速加快，水泵抽上来的水量增加，从而提升管道中水的压力，使得管道中水流的实际压力回复到给定值上来，经过一段时间的调节，管道中水流的实际压力将等于给定压力，系统将保持稳定运行。

复杂控制系统

1下图为加热炉控制系统，试回答以下问题：

1、这是一个什么类型的控制方案？

2、画出系统方框图。

3、确定主、副控制器的正反作用方向。

燃料油

答：1、该系统采用了由物料出口温度和燃料油压力组成的串级控制系统。

2、系统方框图如下图所示：

扰动F扰动F

3、从安全角度考虑燃料油控制阀选用气开阀，正作用方向的，副对象燃料油管

道输入信号为燃料油流量，输出信号为燃料油管道压力，当燃料油流量增加时，燃料油管道压力也增大，所以副对象是正作用方向的，为了使副回路构成一个负反馈的控制回路，副控制器即压力控制器选反作用方向的；整个副回路是一个随动控制系统，输出信号要跟随其给定信号变化，所以副回路是正作用方向的，主对象加热炉的输入信号是燃料油管道压力，输出信号是物料出口温度，当燃料油管道压力增大时，物料出口温度升高，所以主对象是正作用方向的，为了使主回路构成一个负反馈的控制回路，主控制器即温度控制器选反作用方向的。

2石油化工生产中常用到热交换器这一设备，其温度控制系统如图所示，冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水，冷水流量变化用流量计测量，试回答以下问题：

1、这是一个什么类型的控制方案？

2、采用该方案可以达到何种目的？

3、绘制该控制系统的方框图。

答：1、这是一个前馈加反馈的控制系统。

2、采用该方案可以有效地克服负荷量（冷水流量）波动对被控变量热水温度的

影响，提高控制质量。

3、控制系统的方框图如下图所示：

3如图所示锅炉蒸汽减压控制系统，试回答下列问题：

1、该控制系统采用了什么样的控制方案？

2、若规定A阀先开，B阀后开，试选择二阀的气开气关型式，若压力控制器送出的信号经电气转换器后为0.02Mpa~0.1Mpa，画出二阀的动作特性图？

3、采用图示的控制方案有何特点？

图锅炉蒸汽减压控制系统

答：1、该控制系统采用了分程控制方案。

2、若规定A阀先开，B阀后开，为了达到分程的目的和保证负荷设备及操作人员的安全，二阀均选气开型式。二阀的动作特性如图所示：

阀门开度/%

0.020.06

0.1μ/MPa

3、采用图示的控制方案的特点是：可以扩大控制阀的可调范围，满足生产工艺的要求，同时可以实现小流量的控制，提高控制质量。

4 为使二种物料按一定比例关系混合设计了如图所示的控制系统，试回答以下问题：

1、系统采用了哪种类型的复杂控制方案？

2、该系统的优缺点分别是什么？

3、该系统主要应用在什么场合？

答：1、系统采用了双闭环比值控制方案。

2、该系统的优点一是两种物料的比值关系控制比较精确，二是升降负荷比较方便；该系统的缺点是结构比较复杂，使用仪表较多，系统投运、维护比较麻烦。

3、该系统主要应用在主流量扰动频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要升降负荷的场合。