过程控制与自动化仪表(第3版)-第10章-思考题与习题

  第10章思考题与习题1．基本练习题（1）锅炉控制的基本任务是什么？它有哪些主要的控制系统？答：1）锅炉控制的基本任务是根据负荷设备的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。2）主要的控制系统有锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制等。（2）在锅炉水位控制中，可能的控制方案有哪几种？试分别说明它们的优缺点。答：单冲量水位控制方案：优点是结构简单、设计方便；缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰能力差。双冲量水位控制方案：优点是能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。缺点是对于给水系统的干扰不能有效的克服。三冲量串级控制方案：优点是当负荷变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，能及时地调节调节阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持进出汽包的物料平衡，从而有效地克服虚假水位的影响，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时由给水量为副被控量构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰。（3）图10-1所示为某厂辅助锅炉燃烧系统的控制流程图。试分析该控制方案的工作原理及调节阀的气开、气关形式、调节器的正反作用以及进入加法器信号的正负号。图10-1某厂辅助锅炉燃烧系统控制流程图答：1）锅炉燃烧系统工作原理：  防“脱火”控制：防“脱火”控制通常可以采用自动选择性控制方案。在烧嘴背压正常的情况下，由蒸汽压力控制器控制燃料阀，维护锅炉出口蒸汽压力相对稳定。当烧嘴背压过高时，为避免“脱火”现象，此时背压控制P3C通过低值选择器LS控制燃料阀，使烧嘴背压下降，以免“脱火”现象的发生。防“回火”控制：防“回火”控制是一个连锁保护控制系统。在烧嘴背压过低时，为避免“回火”现象，由继电器（PSA）系统带动连锁装置，把燃料的上游阀切断，以免“回火”现象的发生。2）调节阀选用气开形式；（4）精馏塔控制的基本任务是什么？它有哪两类控制方案？答：1）精馏塔的基本任务是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规定的纯度。2）控制方案：一端产品质量控制、两端产品质量均需控制。（5）精馏过程的主要干扰有哪些？被控参数和控制参数又有哪些？答：1）主要干扰有进料流量和进料成分。2）被控参数和控制参数：塔顶产品成分、塔底产品成分、回流罐液位和塔底液位、塔顶产品流量、塔底产品流量、回流量及再沸器加热用蒸汽流量。（6）为什么说两端产品成分同时控制的过程是一个耦合过程？除了用前馈补偿法进行解耦外，还可以采用什么解耦控制方法？答：由精馏操作的内在机理克制，当改变回流量时，不仅影响塔顶产品组分的变化，同时也会引起塔底产品组分的变化；同理，当控制塔底的加热用蒸汽流量时，也将引起塔内温度的变化，从而不但使塔底产品组分产生变化，同时也将影响到塔顶产品组分的变化。可见，这是一个2*2的多变量耦合系统。还可以采用其他解耦控制方法：对角矩阵设计法，单位矩阵设计法。（7）在工程化设计中，设计文件和图纸有什么作用？设计者应具备哪些基本素质？答：设计文件和图纸一方面要提供给上级主管部门，以便对该建设项目进行审批，另一方面则作为施工建设单位进行施工安装的主要依据。过程控制系统的工程化设计要求设计者具备的基本素质：掌握控制工程的基本理论；熟悉自动化技术工具（控制、检测仪表）及常用元件材料的性能、使用  方法及型号、规格、价格等信息；学习本专业的有关工程实践知识，如工程化设计的程序和方法、仪表的安装和调校等。（8）工程化设计的主要内容有哪些？答：主要内容：①在熟悉工艺流程、确定控制方案的基础上，完成工艺流程图和控制流程图的绘制；②在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制；③完成控制室的设计及其相关条件的设计；④完成信号连锁系统的设计；⑤完成仪表供电、供气系统图及管线平面图的绘制以及控制室与现场之间水、电、气的管线布置图的绘制；⑥完成与过程控制有关的其他设备、材料的选用情况统计及安装材料的编制；⑦完成抗干扰和安全设施的设计；⑧完成设计文件的目录编写等。（9）立项报告的设计有何重要意义？为做好此项设计，需要做好哪些准备工作？设计的主要内容有哪些？答：1）立项报告的重要意义为：为了给上级主管部门提供项目审批的依据，并为订货做好必要的准备。2）为做好此项设计，应做好如下几项准备：调查研究，规划目标，收集资料。设计的主要内容为：a）系统控制方案的论证与确定，所用仪表的选型，电源、气源供给方案的论证与确定，控制室的平面布置和仪表盘的正面布置方案的论证与确定，工艺控制流程图的绘制等；b）说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据；c）说明设计的分工范围，即哪些内容由企业人员自行设计、哪些内容由制造厂家设计、哪些内容由协作单位设计等；d）说明所设计的控制系统在国际、国内同行业中的自动化水平以及新工艺、新技术的采用情况等；e）提供仪表设备汇总表、材料清单以及主要的供货厂家、供货时间与相应的价格，并和概算专业人员共同做出经费预算及使用情况的说明；f）提出参加该项工作的有关人员和完成该项工作所需时间以及存在的问题及解决的办法等；g）预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济效益。（10）在集散控制系统施工图的设计中，组态文件的设计包括哪些内容？答：  工艺流程显示图、集散控制系统操作组分配表、集散控制系统趋势组分配表、网络组态数据文件表、集散控制系统生产报表、组态、软件设计说明书、系统操作手册等。（11）仪表及控制系统存在哪些干扰？克服这些干扰的主要措施有哪些？答：1）干扰：电磁辐射干扰、引入线（电源引入线、信号引入线）传输干扰、接地系统的干扰、系统内部干扰。2）抗干扰措施：隔离、屏蔽、滤波、避雷保护。（12）在过程控制系统中，“有效接地”有何重要意义？答：接地系统的主要作用是保护人身与设备的安全和抑制干扰。不良的接地系统，轻者使仪表或者系统部能正常工作，重者则会造成严重后果。（13）在接地系统中，什么是保护性接地?它是怎样实现的？在什么情况下，又不需要保护性接地？答：1）保护性接地是指将电气设备、用电仪表中不应代垫的金属部分与接地体之间进行良好的金属连接，以保证这些金属部分在任何时候都处于零电位。2）一般情况下，24VDC供电或低于24VDC供电的现场仪表、变送器、就地开关等无需做保护性接地。（14）工作接地有什么重要意义？它又有哪些类型？答：1）意义：正确的工作接地可抑制干扰，提高仪表的测量精度，保证仪表系统能正常可靠地工作。2）类型：信号回路接地、屏蔽性接地和本质安全接地。（15）接地电阻的大小对接地系统的性能有何影响？如何确定接地电阻的大小？答：1）影响：接地电阻越小，说明接地性能越好，接地电阻大到一定数值，系统就不能实现接地目的。2）确定接地电阻大小的方法：①保护性接地电阻值一般为4欧姆，最大不超过10欧姆。当设置有高灵敏度接地自动报警装置时，接地电阻值可略大于10欧姆。常用电子设备的保护性接地电阻值应小于4欧姆。②工作接地电阻值需要根据设备制造厂的要求以及环境条件确定。若制造厂无明确要求，设计者可按具体情况决定，一般为1-4欧姆。若控制系统与电力系统共用接地体，则可采用与电气系统相同的接地电阻。  2．综合练习题（1）在蒸汽量的阶跃干扰作用下，锅炉水位h的响应曲线如图10-2所示。试分析这种现象产生的机理，并求HsQs的近似表达式。图10-2蒸汽流量阶跃作用下的水位响应曲线答：略（2）在图10-3所示的锅炉水位双冲量控制系统中，加法器的输出是120cBukukuu，试说明它们的物理意义，并求静态前馈补偿系数2k的表达式。答：略图10-3锅炉水位双冲量控制流程图10-4锅炉燃烧系统选择性控制流程图（3）图10-4所示为锅炉燃烧系统选择性控制。它可以根据用户对蒸汽量的要求，自动调节燃料量和助燃空气量。不仅能维持两者的比值不变，而且能使燃料量与空气量的调整满足下述逻辑关系：当蒸汽用量增加时，先增加空气量后增加燃料量；当蒸汽用量减少时，先减燃料量后减空气量。根据上述要求，试确定图中控制阀的气开、气关形式、调节器的正、反作用及选择器的类型。答：控制阀的气开形式；调节器选用副作用；选择器选用低值类型。  3．设计题（1）由于减温器的结构形式不同，过热蒸汽温度控制通道的动态特性存在差异，如图10-5的a）与b）所示。试用MATLAB应用进行仿真，比较两种情况下烟气温度作阶跃干扰时的过渡过程质量。a)b)图10-5过热蒸汽温度控制方框图答：仿真模型如图10-5所示：图10-5仿真模型图仿真结果如图10-6所示：  图10-6仿真结果图根据仿真结果可知：b）图所示的系统动态性能较b）好。（2）在乙烯工程中有一吸收塔，其釜液作为脱乙烷塔的回流。正常情况下为保证脱乙烷塔的正常操作，采用流量定值控制。一旦吸收塔液位低于5%的极限，为保证吸收塔的正常操作，需即时改为按吸收塔液位来控制。为此设计了图10-7所示的选择性控制方案。试分析确定该系统中调节阀的气开、气关形式、调节器的正、反作用方式及选择器的类型，并画出控制系统方框图。答：调节阀选用气开类型；调节器为正作用；控制系统方框图如图10-8所示：()cGs()vGs01()Gs2()mGs1()mGs1q()hs2q02()Gs图10-8控制系统方框图（3）图10-9所示精馏塔再沸器采用蒸汽进行加热，进料量为F，为保证塔底产品质量指标，要求对塔底温度进行控制，但由于受到前面工序的影响，经常发生波动，又不允许对其进行定值控制，在这种情况下，应采用何种控制方案为好？画出系统的结构图与框图，选择调节阀的气开、气关形式及调节器的正、反作用。如果供给的蒸汽压力也经常波动，又应该采取何种控制方案？画出系统的流程图与方框图。  图10-7吸收塔液位选择性控制流程图图10-9精馏塔再沸器流程图答：略