过程控制工程重点习题答案整理

过程控制课后习题精点Gs1第一章1.5（P54）1.5图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：①影响物料出口温度的主要因素有哪些?答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么?答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用?答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。1.7P(55)1.7单回路系统方块图如图1.43所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化?为什么?答：当KC、KV、K0增加时，系统的余差减小，但系统稳定性下降。T0增加时，系统的工作频率降低，控制速度变慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。τ0增加时，使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系统的稳定性降低。Kf增加时，系统的余差也变大，即控制静态质量变差。Tf增加时，控制过程的品质会提高。τf增加时，质量没有影响。第二章P(85)2.72.7图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。①当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下②当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下③对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时过程控制课后习题精点Gs2要求阀的开度减小，即控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温度降低，因此K01为负，应选择正作用。2.82.8图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求：①选择控制阀的开、闭形式。答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。②确定主、副控制器的正、反作用。副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此K01为正，应选择负作用。③在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化，所以燃料气流量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制器为负作用，输出减小，控制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值减小，促使副环控制器对燃料气流量进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个新开度上。第三章3.12P(115)3.12一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现。已知F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求：①画出该系统方块图。②若已知I0=18mA求该比值系统的比值K=?比值系数K’=?③待该比值系统稳定时，测I1=l0mA，试计算此时I2？答：①方框图如下②I0=16K'+418=16K'+4K'=0.875K'=K(F1max/F2max)=K×(7000/4000)=0.875K=0.5③比值系统稳定时，测I1=l0mA，由公式得：K'=(I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA过程控制课后习题精点Gs3第四章（无）第五章P(149)5.125.12有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似，试问如何区分它们?试分析判断图52.9所示的两个系统各属于什么系统?说明其理由。答：串级控制是由内、外两个反馈回路所组成，而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。串级控制中的副参数与前馈-反馈控制中的前馈输入量是两个截然不同的概念。前者是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而后者是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量。(b)图为串级控制系统，因为它由内、外两个反馈回路所组成，其副参数是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果。(a)图为静态前馈-反馈控制系统，因为原油的流量是对主被控变量――温度有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量。第六章P158混合型选择性控制系统图6.96.5图6.15所示为一锅炉燃烧系统的产气量与燃料管线压力选择性控制系统。其中燃料压力控制是为了防止压力过高产生“脱火”事故而设置的，蒸汽流量控制则是根据用户所需蒸汽量而设置的。假设系统中所选控制阀为气闭阀，试分析确定各控制器的正、反作用及选择器的类型。并简要说明该系统的工作原理。答：所选控制阀为气闭阀，蒸汽流量增加时，FC输入增加，此时要求控制阀开度加大，即FC输出减小，所以FC为正作用；当燃料压力超过设定值时，PC输入为正，要求PC通过选择器使控制阀开度减小，即PC的输出为高信号，所以PC选择正作用，选择器为高选器。在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力(即低于给定值)，PC感受到的是负偏差，它的输出呈现为低信号(因为PC为正作用、窄比例控制器)，与此同时FC的输出信号相对来说则呈现为高信号。这样，高选选器HS将选中PC的输出送往控制阀，构成蒸汽流量控制系统。当燃料气压力上升到超过PC的给定值(脱火压力)时，PC感受到的是正偏差，由于它是正作用、窄比例，因此PC的输出一下升为高信号，于是高选器HS就改选PC的输出送往控制阀，构成燃料气压力控制系统，从而防止燃料气压力的上升，达到防止产生脱火的目的。待燃料气压力下降到低于给定值时，PC输出又迅速降为低信号，而蒸汽压力控制器FC输出相对而言又成为高信号，被高选器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。第七章P1847.97.9图7.25所示为甲烷化反应器(DC-301)入口温度分程控制系统。它利用反应生过程控制课后习题精点Gs4成物经换热器EA-302对进反应器的物料进行预热，如入口温度仍达不到要求，则进一步通过蒸汽换热器EA-301进一步预热。两分程阀分别设置在换热器EA-302的旁路和蒸汽管线上，如图7.25所示。试确定各控制阀的开闭形式、工作信号段(设分程点为0.06MPa)及控制器的正、反作用。答：B阀选择气闭式，A阀选择气开式。(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A阀工作信号段为12～20mA，B阀工作信号段为4～12mA。B阀为气闭式，其符号为“-”，B阀开度加大即旁路流量增加，入口温度下降，所以对象符号为“-”，所以控制器选择反作用。7.107.10图7.26为一燃料气混合罐(EA-703)压力分程控制系统。正常时调出界区的甲烷流量控制阀A，当罐内压力降低到A阀全关仍不能使其回升时，则开大来自燃料气发生罐(EA-704)的出口管线控制阀B。试分析该系统中各控制阀的开闭形式、阀上的信号段以及控制器的正、反作用。答：A、B两阀均选择气开式，A阀工作信号段为4～12mA，B阀工作信号段为12～20mA。A阀为气开式，其符号为“+”，A阀开度加大即出界区的甲烷流量增大，罐内压力下降，对象符号为“-”；所以控制器为正作用。？??？7.127.12某放热化学反应器温度阀位控制系统如图7.28所示。为了控制反应温度，必须及时移走反应所产生的热量。图中采用两项措施：其一是在夹套通以冷却水；其二是将反应物从釜中抽出，与冷冻盐水换热后再送回釜中。显然，第二项措施反应较快，滞后较小，有良好的动态性能，但是用冷冻盐水代价太高，不经济。因此，正常情况盐水控制阀只打开一个很小的开度(由设置值r决定)。要求：①确定两控制阀的开、闭形式。答：从安全角度出发A、B阀应选闭开式。②确定各控制器的正、反作用。答：A阀气闭式，其符号为“-”，A阀开度加大，釜内温度降低，其对象符号为“-”，TC选择反作用，其符号为“-”，B阀气闭式，其符号为“-”，B阀开度加大，釜内温度降低，其对象符号为“-”，VPC选择正作用。③分析一下该系统的工作过程。系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值R，控制阀VB处于某一开度，控制阀VA处于阀位控制器VPC所设置的小开度。当系统受到干扰使釜内温度上升时，温度控制器的输出将减小，这一减小的信号送往两处：其一去VA；其二去VPC。送往VA的信号将使VA开度增大，这会将釜内温度拉下来；送往VPC的信号是作为后者的测量值，在r不变的情况下，测量值减小，VPC的输出将减小，VB的开度将增大，冷水量则随之增加，釜内温度也将因过程控制课后习题精点Gs5此而下降。这样VA、VB两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。随着釜内温度上升趋势的下降，TC输出逐渐增加，于是阀VA的开度逐渐减小，阀VB的开度逐渐加大。这一过程一直进行到温度控制器TC及阀位控制器VPC的偏差都等于零时为止。温度控制器偏差等于零，意味着釜内温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意味着控制阀VA的阀压与阀位控制器VPC的设定值r相等，而VA的开度与阀压是有着一一对应的关系的，也就是说阀VA最终会回到设定值r所对应的开度。16.4某生产工序为了回收产品的热量，用它与另一需要预热的物料进行换热。为了使被预热物料的出口温度达到规定的质量指标，采用了如图16.55所示的工艺。根据上述情况，你认为有哪几种可供选择的控制方案，画出其结构图，并确定系统中控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用。答：该系统中载热体为一种工艺物料，不能节流。被加热物料也不能节流。所以只能采用载热体合流的控制方案。其结构图如下所示。从安全出发，控制阀选择气闭式。当物料出口温度升高时，测量值增大，控制器输入增大，此时要求控制器的输出也增大，以增加分流量，所以控制器选择正做用。干扰。16.12图16.58所示为锅炉燃烧系统选择性控制方案。它可以根据用户对蒸汽量的要求，自动调整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开闭形式、控制器正反作用及选择器的类型。答：从安全出发两个控制阀均选择气开式。对于PC－FC1串级系统，当燃料量由于扰动增大时，应该使阀门关小，此时FC1的测量值增大，输入增加，而输出应减小，所以FC1为负作用，当蒸汽压力增加时，应减小燃料量，所以PC也为负作用；同样可知FC2为负作用。当蒸汽压力降低（负荷增大时），PC输出增加，此时应该先增加空气量，所以上面的选择器应该为高选器；当蒸汽压力升高时（负荷增减小时），PC输出减小，此时应该先减燃料量，所以下面面的选择器应该为低选器。