过程控制华航

1、1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响? 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 1.2如何选择控制变量?答： 所选控制变量必须是可控的。 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的

2、放大倍数。 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量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： 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。 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

3、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。 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。1.6图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用： 被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。 答：控制阀气

4、闭式，控制器的反作用。 被加热物料在温度过低时会发生凝结。 答：控制阀气开式，控制器的正作用。 如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0以下，如何防止热交换器被冻坏。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。1.8有一如图1.44所示的加热器，其正常操作温度为200，温度控制器得测量范围是150250，当控制器输出变化1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降l。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%，试求当设定值由200提高到220时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？ 答：当设定值由200提高到220

5、时，控制器输出变化20/200=10%，蒸汽量增加30%，液体流量不变，槽内温度将上升0.2×30=6，所以待系统稳定后，槽内温度是206。 1.9在u=50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下：根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。 答：从响应数据得干扰起作用点为0.6min，227，即=0.6min，拐点为1.0min，280，即T0=2.0min-0.6min=1.4 min，设采用型仪表，测量范围为100250，所以，K0=u=/P=50/(341.0-200.1)= 50/140.9=0.355 =(1.1K0/ T0)×100%=(1.1&

6、#215;0.355×0.6×1.4) ×100%=32.8%Ti=3.3=3.3×0.6=1.98 min 2.1与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点? 答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1)串级控制系统具有更高的工作频率；(2)串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3)串级控制系统具有一定自适应能力 2.2为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关? 答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各

7、个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即SignG01(s)SignG02(s)SignGm1(s)SignGc1(s)=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控

8、制器应选正作用。2.7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。 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 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 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

9、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。2.8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： 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。 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，

10、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。 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

11、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。2.9某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽，流程如图2.23所示。要求： 如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统，因为要将主要干扰冷水流量包围在副环内。 如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统，因为要将主要干扰蒸汽压力包围在副环内。

12、如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统，副控制器的输出控制蒸汽、冷水控制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控制器为负作用。3.1比值与比值系数的含义有什么不同?它们有什么关系？ 答：比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量F2与主动流量F1之比，即： K=从动流量/主动流量=F2/ F1 比值系数K'是仪表有效信号之比，定义为从动流量F2的有效信号与主动流量F1的有效信号之比。如果用I来表示仪表的测量信号，则有：流量比K与比值系数K'是两个不同的概念，不能混淆。 比值系

13、数K'的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量程有关，与负荷大小无关。 流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响。线性关系时K'=K(F1max/ F2max)；非线性关系(平方根关系)时K'=K2(F1max/ F2max)2。 3.8一比值控制系统用DDZ-型乘法器来进行比值运算(乘法器输出I0,其中I0与I1分别为乘法器的两个输入信号)，流量用孔板配差压变送器来测量，但没有加开方器，如图3.24所示。己知F1max=3600kg/h，F2max=2000kg/h，要求： (1)画出该比值控制系统方块图。 答：比值控制系统方块图如下(2 )如果要求F1：F

14、2=2：1，应如何设置乘法器的设置值I0? 答：没有加开方器，流量与测量信号成非线性关系，所以K'=K2(F1max/ F2max)2=0.52×（3600/2000）2=0.81 I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA 3.9某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持FA：FB=4：2.5的比例，两物料的最大流量FAmax=625m3/h，FBmax=290m3/h。通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情况，要求： 设计一个比较合适的比值控制系统。答：采用双闭环比值控制系统，使主副流量保持稳定，克服因管线压力波动

15、而经常变化带来的干扰，并保持比值关系，如下图所示。计算该比值系统的比值系数K。 答：设流量与测量信号成线性关系K'=K(F1max/ F2max)=(2.5/4)×(625/290)=1.35 该比值系统中，比值系数应设置于何处?设置值应该是多少(假定采用DDZ-型仪表)?答：，比值系数应设置于135%。设置值应该是1.35 选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用。答：选择两个控制阀为气开式，当流量增加时，测量值增加，控制器输入为正，此时要求阀的开度减小，即控制器输出下降，所以两个控制器为反作用。3.12一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用DDZ-

16、型乘法器来实现。已知F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求：画出该系统方块图。若已知I0=18mA求该比值系统的比值K=?比值系数K=?待该比值系统稳定时，测I1=l0mA，试计算此时I2？答：方框图如下 I=16K'+4 18=16K'+4 K'=0.875 K'=K(F1max/F2max)=K×(7000/4000)=0.875 K=0.5比值系统稳定时，测I1=l0mA，由公式得：K'=(I2-4)/(10-4)，I2=l.25mAg/h。当系统稳定时，测得v1=4V，v2=3V，试计算该比值控制系统的比值系数

17、K'=?，K=?v0=? 答：K'=（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67设流量与测量信号成线性关系K'=K(F1max/F2max)=K(3600/ 2000) =(2/3)K= 0.37根据比值控制要求，乘法器的v1与v1之间应具有下面的关系： v1-1=K'(v0-1)再根据可得：K'=(v0-1)/4 v=4 K'+1=4×0.67+1=3.68 V4.2均匀控制系统有什么特点? 答：(1)结构上无特殊性均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，

18、也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。(2)参数应变化，而且应是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征这两个物料的参数都不应为某一固定的数值,两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法是不能实现的。(3)参数应限定在允许范围内变化5.1前馈控制与反馈控制各有什么特点? 答：反馈控制的特点：优点：能够克服各种干扰，只要干扰对被控量造成影响，就有控制校正作用。缺点：反馈控制不及时，是一个有差控制系统，反馈控制系统只有被控变量在干扰作用下出现偏差时，才有校正作用，干扰总存在，偏差总存在。前馈控制的特点：1.前馈控制根据干

19、扰进行，控制及时，如果前馈控制规律恰当，理论上可完全消除干扰的影响。2.是一种开环控制，被控变量并不经测量反馈到输入端，不能保证控制效果。3.需要对干扰进行测量，才能进行控制，通常只测量一种干扰，因而只能克服一种干扰。4.前馈控制器的主要规律是经过干扰通道与控制通道的特性计算而得是一种专用控制器，在工程上，精确的通道特性难以取，精确的前馈控制规律难以实现。 5.3前馈-反馈控制具有哪些优点? 答：，前馈-反馈控制系统的优点在于： 由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有前馈控制系统。只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程

20、上实现比较简单的通用型模型创造了条件. 负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。6.1在选择性控制系统中，选择器的类型是如何确定的? 答：选非正常择器的类型可以根据生产处于情况下控制器的输出信号高、低来确定。如果在这种情况下它的输出为高信号，则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号，则应选低选器。 6.2何谓积分饱和?它有什么危害性?答：一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加(当控制器为正作用且偏差为正时)或不断减小(当偏差为负时)，一直达到输出的极限值为止

21、，这种现象称之为“积分饱和”。由于积分饱和的影响，造成了控制阀的工作“死区”，使控制阀不能及时地发挥控制作用，因而导致控制品质的恶化，甚至会导致发生事故。 6.5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

22、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

23、定值，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。 7.3在分程控制系统中，什么情况下需选用同向动作控制阀，什么情况下需选用反向动作的控制阀? 答：当分程控制系统用于扩大控制阀的可调范围，改善系统品质时，需选用同向动作控制阀。当分程控制系统用于满足某些工艺操作的特殊需要时，需选用同反动作控制阀。7.7图7.23为某管式加热炉原油出口温度分程控制系统。两分程阀分别设置在瓦斯气和燃料油管线上。工艺要求优先使用瓦斯气供热，只有当瓦斯气量不足以提供所需热量时，才打开燃料油控制阀作为补充。根据上述要求试确定： A、B两控制

24、阀的开闭形式及每个阀的工作信号段(假定分程点为0.06MPa)。 答：根据安全要求，A、B两个阀门应选择气开式；(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A阀工作信号段为412mA，B阀工作信号段为1220mA。 确定控制器的正、反作用。 A阀为气开式，其符号为“+”，A阀开度加大即瓦斯气流量增大，温度升高，对象符号为“+”；所以控制器为反作用。 画出该系统的方块图，并简述该系统的工作原理。 答：系统的方块图如下。工作原理：当瓦斯气量足以提供所需热量时，温度由于某种原因低于设定值，则TC的输入下降，由于TC为反作用，所以输出增加，但不会超过12mA，A阀

25、开度加大，增加瓦斯气供应量，使温度回升。当瓦斯气供应不足以维持出口温度时，TC的输入为负，输出增加超过12mA，此时A阀全开，B阀由全闭开始打开，提供燃料油，使温度回升到设定值。7.11某反应过程要求反应物入口温度必须预热到所要求的温度，因此在反应物进入反应器之前经蒸汽换热器与蒸汽进行换热，其工艺流程图如图7.27所示。假定该反应过程对入口温度要求很严，而蒸汽换热由于时间常数比较大，控制很不及时，那么你认为应该设计何种控制方案为好?画出系统的结构图与方块图，选择控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用，并说明该系统的工作原理。 答：采用分程控制系统，系统的结构图与方块图如下图所示：从安全角度出发，

26、A阀应选气开式，B阀应选气闭式。B阀气闭式，其符号为“-”，B阀开度加大，入口温度降低，其对象符号为“-”，TC选择反作用，其符号为“-”，A阀气开式，其符号为“+”，A阀开度加大，入口温度升高，其对象符号为“+”，VPC选择正作用。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VA处于某一开度，控制阀VB处于阀位控制器VPC所设置的小开度。当系统受到外界干扰使入口温度上升时，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VB；其二去VPC。送往VB的信号将使VB开度增大，这会将原油出口温度拉下来；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

27、减小，VA的开度将减小，燃料量则随之减少，入口温度也将因此而下降。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。随着入口温度上升趋势的下降，TC输出逐渐增加，于是阀VB的开度逐渐减小，阀VA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，意味着入口温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意味着控制阀VB的阀压与阀位控制器VPC的设定值r相等，而VB的开度与阀压是有着一一对应的关系的，也就是说阀VB最终会回到设定值r所对应的开度。 7.12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

28、应所产生的热量。图中采用两项措施：一是在夹套通以冷却水；其二是将反应物从中抽出，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：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。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。分析该系统的工作过程。 系统稳定情况下

29、，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

30、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。15.1离心泵流量控制方案有哪几种形式? 答：离心泵流量控制方案有：直接节流法、改变泵的转速n、改变旁路回流量 15.4何谓离心式压缩机的喘振?喘振产生的原因是什么? 答：离心式压缩机在运行过程中，当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈振荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。此时可看到气体出口压力表、流量表的指示大幅度波动。随之，机身也会剧烈振动，并带动出口管道、厂房振动，压缩机将会发出周期性间断的吼响声。如不及时采取措施，将使压缩机遭到严重破坏，这种现象就是离心式压缩机的喘振，或称飞动。喘振是由离心式压缩机的固有特性特性曲线呈驼峰型而引起的。正由于特性曲线极值点的存在，一旦工艺负荷下降，使工作点移入极值点左侧，成为不稳定的工作点。此时，系统稍有扰动，就不能稳定下来，出现气体排量强烈振荡而引起的喘振现象。引起离心式压缩机喘振的直接原因是负荷的下降，使工作流量Q1小于极限流量QP，从而工作点进入到喘振区内。除此以外，还有一些工艺上的原因，也容易使工作点靠近或进入喘振