過程控制系統(tǒng)第7章-思考題與習(xí)題

第7章思考題與習(xí)題1．基本練習(xí)題（1）什么叫比值控制系統(tǒng)？它有哪幾種類型？畫出它們的原理框圖。答：1）比值控制系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)副流量QUOTE與主流量QUOTE成一定比值關(guān)系，滿足關(guān)系式：QUOTE的控制系統(tǒng)。2）比值控制系統(tǒng)的類型：開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。3）結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖7-1，圖7-2，圖7-3，圖7-4所示：圖7-1開環(huán)比值控制系統(tǒng)（a）開環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（b）開環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖7-2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（a）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（b）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖7-3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（a）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（b）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖7-4變比值控制系統(tǒng)（a）變比值控制系統(tǒng)原理圖（b）變比值控制系統(tǒng)方框圖（2）比值控制中的比值與比值系數(shù)是否是一回事？其關(guān)系如何？答：1）工藝要求的比值系數(shù)K，是不同物料之間的體積流量或重量流量之比，而比值器參數(shù)K’，則是儀表的讀數(shù)。它與實(shí)際物料流量的比值K，一般情況下并不相等。因此，在設(shè)計比值控制系統(tǒng)時，必須根據(jù)工藝要求的比值系數(shù)K計算出比值器參數(shù)K’。當(dāng)使用單元組合儀表時，因輸入-輸出參數(shù)均為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，所以比值器參數(shù)K’必須由實(shí)際物料流量的比值系數(shù)K折算成儀表的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號。2）當(dāng)物料流量的比值K一定、流量與其檢測信號呈平方關(guān)系時，比值器的參數(shù)與物料流量的實(shí)際比值和最大值之比的乘積也呈平方關(guān)系。當(dāng)物料流量的比值K一定，流量與其檢測信號呈線性關(guān)系時，比值器的參數(shù)與物料流量的實(shí)際比值和最大值之比的乘積也呈線性關(guān)系。（3）什么是比值控制中的非線性特性？它對系統(tǒng)的控制品質(zhì)有何影響？在工程設(shè)計中如何解決？答：1）比值控制系統(tǒng)中的非線性特性是指被控過程的靜態(tài)放大系數(shù)隨負(fù)荷變化而變化的特性。2）非線性特性使系統(tǒng)的動態(tài)特性變差。3）通常用開方器進(jìn)行補(bǔ)償，即在差壓變送器后串接一個開方器，使流量與測量信號之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。（4）同單回路控制、串級控制相比，比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有何特點(diǎn)？答：在比值控制系統(tǒng)中，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主動量回路可按單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行整定；變比值控制系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)上屬串級控制系統(tǒng)，所以主調(diào)節(jié)器可按串級控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行。這樣，比值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，主要是討論單閉環(huán)、雙閉環(huán)以及變比值控制從動量回路的整定問題。由于這些回路本質(zhì)上都屬隨動系統(tǒng)，要求從動量快速、準(zhǔn)確地跟隨主動量變化，而且不宜有超調(diào)，所以最好整定在振蕩與不振蕩的臨界狀態(tài)。（5）什么是均勻控制？常用均勻控制方案有哪幾種？試述設(shè)置均勻控制的目的與要求。答：1）均勻控制是將兩種控制統(tǒng)一在一個控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)內(nèi)部解決兩種工藝參數(shù)供求之間的矛盾的控制系統(tǒng)。2）常用的均勻控制方案有：簡單均勻控制系統(tǒng)、串級均勻控制系統(tǒng)。3）設(shè)置均勻控制的目的是使前后設(shè)備的工藝參數(shù)相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌兼顧，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行；要求是完成生產(chǎn)工藝所要求的特殊控制任務(wù)。（6）從調(diào)節(jié)器參數(shù)整定來看，怎樣區(qū)分均勻控制和液位或流量的定值控制？均勻控制參數(shù)整定有何特點(diǎn)？答：1）由于均勻控制和定值控制的控制目的不同，所以對控制的動態(tài)過程要求就不同，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定也不一樣。均勻控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時，比例作用和積分作用均不能太強(qiáng)，通常需設(shè)置較大的比例度（大于100%）和較長的積分時間，以較弱的控制作用達(dá)到均勻控制的目的。2）均勻控制參數(shù)整定的特點(diǎn)：參數(shù)均應(yīng)緩慢地變化，參數(shù)變化應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)。（7）什么是均勻控制系統(tǒng)參數(shù)整定的停留時間法？參數(shù)整定是怎樣進(jìn)行的？答：1）停留時間法是指被控參數(shù)在允許變化的范圍內(nèi)、依據(jù)控制介質(zhì)流過被控過程所需要的時間整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法。停留時間（單位為min）的計算公式如式（7-1）所示： （7-1）式中，是正常工況下的介質(zhì)流量；是容器的有效容量。2）具體整定方法歸納如下：a）副調(diào)節(jié)器按簡單均勻控制系統(tǒng)的方法整定。b）計算停留時間，然后根據(jù)表7-1確定液位調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。c）根據(jù)工藝要求，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到液位、流量的曲線都符合要求為止。表7-1整定參數(shù)與停留時間的關(guān)系停留時間/min<2020～40>40比例度（%）100～150150～200200～250積分時間/min51015（8）什么叫分程控制？與前述過程控制方案（如單回路、串級等）相比，有何特點(diǎn)？答：1）根據(jù)工藝要求，需將調(diào)節(jié)器的輸出信號分段，去分別控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥，以便使每個調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器輸出的某段信號范圍內(nèi)全行程動作，這種控制系統(tǒng)被稱為分程控制系統(tǒng)。2）特點(diǎn)：在一般的過程控制系統(tǒng)中，通常是調(diào)節(jié)器的輸出只控制一個調(diào)節(jié)閥。但在分程控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器的輸出信號分段，去分別控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥。（9）分程控制系統(tǒng)是怎樣進(jìn)行分類的？可分為哪幾類？答：根據(jù)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和分程信號區(qū)段不同。分程控制系統(tǒng)有兩種類型：調(diào)節(jié)閥同向動作、調(diào)節(jié)閥異向動作。（10）什么叫選擇性控制？試述其常用的系統(tǒng)分類及應(yīng)用。答：1）選擇性控制是指將工藝生產(chǎn)過程的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系疊加到正常自動控制系統(tǒng)上而形成的一種控制方法。2）自動選擇性控制系統(tǒng)按選擇器所選信號不同大致可分為兩類。選擇調(diào)節(jié)器的輸出信號，應(yīng)用實(shí)例：鍋爐燃燒過程壓力自動選擇性控制系統(tǒng)；選擇變送器的輸出信號，應(yīng)用實(shí)例：化學(xué)反應(yīng)過程峰值溫度選擇性控制系統(tǒng)。（11）什么叫積分飽和現(xiàn)象？在選擇性系統(tǒng)的設(shè)計中怎樣防止積分飽和現(xiàn)象？答：積分飽和現(xiàn)象是指由于長時間存在偏差而導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大或最小。為了防止積分飽和現(xiàn)象，通常采用外反饋法、積分切除法、限幅法等措施加以克服。（12）在分程控制系統(tǒng)設(shè)計中，分程控制信號是怎樣確定的？為什么從一個調(diào)節(jié)閥向另一調(diào)節(jié)閥過渡時，其流量變化需要平滑？在工程設(shè)計上如何來實(shí)現(xiàn)這一要求？答：1）分程控制信號的確定取決于工藝的要求，例如考慮到設(shè)備的安全和節(jié)能要求。2）因?yàn)槿绻麖囊粋€調(diào)節(jié)閥向另一調(diào)節(jié)閥過渡時流量變化不平滑，那么兩只調(diào)節(jié)閥組合在一起構(gòu)成分程控制時，在分程點(diǎn)處的流量變化就會不平滑，這會導(dǎo)致總流量特性的不平滑，這對系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行是不利的。3）為了解決這一問題，可采用如下方法：選擇流量特性合適的調(diào)節(jié)閥，如選用兩個流通能力相等的線性閥，使兩閥的流量特性銜接成直線。使兩個閥在分程點(diǎn)附近有一段重疊的調(diào)節(jié)器輸出信號，這樣不等到小閥全開，大閥就已開始啟動，從而使兩閥特性銜接平滑。（13）在分程控制系統(tǒng)中，什么情況下需選用同向動作調(diào)節(jié)閥？什么情況下需選用反向動作調(diào)節(jié)閥？答：如果兩個調(diào)節(jié)閥同為氣開式或同為氣關(guān)式，那么選用同向動作調(diào)節(jié)閥；如果兩個調(diào)節(jié)閥一個為氣開式，另一個為氣關(guān)式，那么選用反向動作調(diào)節(jié)閥。（14）某比值控制系統(tǒng)用DDZ-Ⅲ型乘法器進(jìn)行比值運(yùn)算（乘法器輸出，其中與分別為乘法器的兩個輸入信號），流量用孔板配差壓變送器來測量，未加開方器，如圖7-5所示。1）畫出該比值控制系統(tǒng)框圖；2）如果，應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)定值？ 圖7-5題（14）圖 圖7-7題（15）圖答：1）畫出該比值控制系統(tǒng)框圖如圖7-6所示：2）如果（7-2）（7-3）QUOTE將帶入式（7-3）得到QUOTE所以（7-4）QUOTE圖7-6比值控制系統(tǒng)框圖（15）圖7-7為管式加熱爐原油出口溫度分程控制系統(tǒng)。兩分程閥分別設(shè)置在天然氣和燃料油管線上。工藝要求盡量采用天然氣供熱，只有當(dāng)天然氣量不足以提供所需熱量時，才打開燃料油調(diào)節(jié)閥和為補(bǔ)充。根據(jù)上述要求確定：1）A、B兩調(diào)節(jié)閥的氣關(guān)、氣開形式及每個閥的工作信號段（假定分程點(diǎn)在0.06MPa處）；2）確定調(diào)節(jié)器的正、反作用形式；3）畫出該系統(tǒng)的框圖，并簡述其工作原理。答：1）A、B兩調(diào)節(jié)閥同為氣開式。每個閥的工作信號段如圖7-8所示，剛開始的時候，閥A開始打開，閥B處于全關(guān)狀態(tài)；當(dāng)信號增大到0.06MPa時，閥A全開，閥B開始打開；當(dāng)信號增大到一定程度后，閥B全開。圖7-8閥的工作信號段圖示2）由于選用的調(diào)節(jié)閥為氣開式，故QUOTE為正；當(dāng)給被控過程輸入的天然氣增加時，出口溫度升高，故QUOTE為正，測量變送器的QUOTE通常為正。為使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，則調(diào)節(jié)器的QUOTE應(yīng)為正，故選用反作用調(diào)節(jié)器。圖7-9系統(tǒng)的框圖3）系統(tǒng)的框圖如圖7-10所示。工作原理：在一般情況下，燃料油調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，天然氣調(diào)節(jié)閥工作；若在此情況下仍不能滿足出口溫度的要求時，調(diào)節(jié)閥輸出信號同時使燃料油調(diào)節(jié)閥打開，以滿足出口溫度的要求。（16）圖7-31所示高位槽向用戶供水，為保證供水流量的平穩(wěn)，要求對高位槽出口流量進(jìn)行控制。但為了防止高位槽水位過高而造成溢水事故，需對液位采取保護(hù)性措施。根據(jù)上述情況要求設(shè)計一連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用形式以及選擇器的類型，并簡述該系統(tǒng)的工作原理。圖7-10題（16）圖答：1）系統(tǒng)的方塊圖如圖7-11所示：2）根據(jù)工藝要求，調(diào)節(jié)閥的氣關(guān)；流量調(diào)節(jié)器選擇正作用方式，液位調(diào)節(jié)器選用反作用調(diào)節(jié)器；選擇器應(yīng)為低值選擇器。3）系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，下限節(jié)點(diǎn)是斷開的，電磁閥得電，低值選擇器選擇信號控制調(diào)節(jié)閥。當(dāng)水箱液位上升到極限時，液位調(diào)節(jié)器輸出大幅下降，并低于調(diào)節(jié)器的輸出值（反作用），此時通過低值選擇器選擇了的輸出信號，調(diào)節(jié)閥開度變大，增大了出口流量，降低了水箱液位。圖7-11系統(tǒng)的方塊圖2．綜合練習(xí)題（1）某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持的比例，兩物料的最大流量，，通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管道壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求：1）設(shè)計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)；2）計算該比值控制系統(tǒng)的比值系數(shù)（假定采用DDZ-Ⅲ型儀表）；3）選擇該比值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。答：1）比值控制系統(tǒng)如圖7-12所示：圖7-12比值控制系統(tǒng)2）計算該比值控制系統(tǒng)的比值系數(shù)（假定采用DDZ－Ⅲ型儀表）;不帶開方器時：帶開方器時：3）選擇A閥為氣開閥，主對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則主調(diào)節(jié)器為反作用。選擇B閥為氣開閥，副對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則副調(diào)節(jié)器為反作用。（2）圖7-13所示為一簡單均勻控制系統(tǒng)，圖中，A為水槽的橫截面，假定是恒值；為液位，和分別為進(jìn)入與排出流量；、和都用增量表示；調(diào)節(jié)規(guī)律為PI；調(diào)節(jié)閥可看作增益為的比例環(huán)節(jié)；測量變送為1:1的比例環(huán)節(jié)。令，為設(shè)定值，也用增量形式。對于該系統(tǒng)，有時會出現(xiàn)周期很長、衰減很慢的振蕩過程。若加大調(diào)節(jié)器的比例度，并不能減小振蕩；反之，若減小調(diào)節(jié)器的比例度反而能提高衰減比。試從理論上分析這一現(xiàn)象。答：均勻控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時，比例作用和積分作用均不能太強(qiáng)，通常設(shè)置較大的

比例度（較小的比例系數(shù)）和較長的積分時間，以較弱的控制作用達(dá)到均勻控制的目的。

對于該系統(tǒng)，有時出現(xiàn)周期很長、衰減很慢的振蕩過程。說明了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)：比例系數(shù)過大導(dǎo)致振蕩；周期很長、衰減很慢是由于積分時間大，導(dǎo)致曲線過渡過程很平緩，等待平衡的時間長。

若加大調(diào)節(jié)器的比例度（比例系數(shù)減?。┎⒉荒軠p小振蕩；若減小調(diào)節(jié)器的比例度（比例系數(shù)增大）反而能提高衰減比。對于此現(xiàn)象，因?yàn)樵黾诱{(diào)節(jié)器比例度，使控制作用減弱，，在干擾作用下，導(dǎo)致振蕩并不能減小；當(dāng)減小調(diào)節(jié)器比例度時，控制作用增強(qiáng)，使得動態(tài)響

應(yīng)變快，提高了衰減比。（3）圖7-14為一燃料氣混合罐（FA-703）壓力分程控制系統(tǒng)。正常時調(diào)節(jié)甲烷流量調(diào)節(jié)閥A，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低到閥A全關(guān)仍不能使壓力回升時，則開大來自燃料氣發(fā)生罐（FA-704）的出口管線調(diào)節(jié)B閥。試確定：1）該系統(tǒng)中各調(diào)節(jié)閥的氣關(guān)、氣開形式；2）每個閥的工作信號段（分程點(diǎn)在0.06MPa處）；3）調(diào)節(jié)器的正、反作用并畫出系統(tǒng)框圖。 圖7-13題（2）圖 圖7-14題（3）圖答：1）調(diào)節(jié)閥A、B同為氣開式2）每個閥的工作信號段如圖7-15所示，剛開始的時候，閥A開始打開，閥B處于全關(guān)狀態(tài)；當(dāng)信號增大到0.06MPa時，閥A全開，閥B開始打開；當(dāng)信號增大到一定程度后，閥B全開。3）由于選用的調(diào)節(jié)閥為氣開式，故QUOTE為正；當(dāng)給被控過程輸入的天然氣增加時，出口溫度升高，故QUOTE為正，測量變送器的QUOTE通常為正。為使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，則調(diào)節(jié)器的QUOTE應(yīng)為正，故選用反作用調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)方框圖如圖7-16所示。圖7-15閥的工作信號段圖示圖7-16系統(tǒng)的框圖（4）圖7-17所示的熱交換器用以冷卻裂解氣，冷劑為脫甲烷塔的釜液。正常情況下要求釜液流量維持恒定，以保證脫甲烷塔的穩(wěn)定操作。但是裂解氣冷卻后的出口溫度不得低于15℃，否則，裂解氣中所含水分就會生成水合物而堵塞管道。為此，需設(shè)計一個選擇性控制系統(tǒng)，要求：1）畫出該系統(tǒng)的控制流程圖和框圖；2）確定系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，調(diào)節(jié)器的正、反作用形式以及選擇器的類型。圖7-17題（4）圖答：略（參考題1-（16））3．設(shè)計題（1）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖7-18所示，其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器來實(shí)現(xiàn)。已知，。要求：1）畫出該系統(tǒng)框圖；2）若已知，求該比值系統(tǒng)的比值？比值系數(shù)？3）待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時，測得，試計算此時的？答：1）該系統(tǒng)框圖如圖7-19所示：圖7-19系統(tǒng)框圖2）由題7.1.14可以知道QUOTE又已知QUOTE，所以得到：QUOTE，又因?yàn)椋篞UOTE，所以QUOTE因此得到該比值系統(tǒng)的比值K=5，比值系數(shù)K’=0.8753）由得，（2）在硝酸生產(chǎn)過程中有一個氧化工序，其任務(wù)是將氨氧化成一氧化氮。為了提高氧化率，要求氨氣與氧氣的比例為2：1。該比值控制系統(tǒng)采用如圖7-20所示的結(jié)構(gòu)形式。已知，，試求比值系數(shù)？（假設(shè)采用DDZ-Ⅲ型儀表） 圖7-18題（1）圖 圖7-20題（2）圖答：有題意知：（7-5）