化工過程控制工程綜合練習(xí)題

1、<p>　　過程控制工程綜合練習(xí)題</p><p>　　2015/06/25</p><p>　　某一管式加熱爐的控制系統(tǒng)如圖1所示，被控變量為工藝介質(zhì)出口溫度T；P為控制閥后的燃?xì)鈮毫?，而Ps為燃?xì)鈿庠磯毫Γㄏ到y(tǒng)主要干擾之一）；Tm與Pm分別表示T、 P的測量信號(hào)； u 為控制閥的開度； Psp、Tsp分別表示控制器TC11、PC21 的設(shè)定值。</p><

2、p>　　試描述該控制系統(tǒng)完整的方塊圖，并注明每一模塊的輸入輸出信號(hào)；</p><p>　　選擇控制閥的氣開/氣關(guān)形式，并解釋選擇的原因；</p><p>　　確定控制器PC21、TC11的正反作用，以構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖1 管式加熱爐工藝介質(zhì)出口溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　考慮上述溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)控制器PC

3、21為“自動(dòng)”、控制器TC11為“手動(dòng)”時(shí)，對(duì)于PC21的設(shè)定值階躍變化，對(duì)應(yīng)的過程響應(yīng)曲線如圖2所示。假設(shè)壓力變送器PT 21的量程為0.0 ~ 0.40 MPa；而溫度變送器TT 11的量程為200 ~ 400℃。</p><p>　　試指出溫度控制器TC11對(duì)應(yīng)的廣義被控對(duì)象的輸入輸出信號(hào)；</p><p>　　計(jì)算該廣義對(duì)象的特征參數(shù)K、T、τ；</p><p&

4、gt;　　若TC11采用PID 控制器，試整定其PID 參數(shù)Kc、Ti、Td。</p><p>　　基于對(duì)象特性參數(shù)的PID整定法</p><p>　　圖2 針對(duì)控制器PC21設(shè)定值變化的過程階躍響應(yīng)</p><p>　　3．根據(jù)工藝過程的要求，需要用水將NaOH溶液稀釋，對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖3所示。假設(shè)NaOH溶液質(zhì)量流量計(jì)FT31的儀表量程為0 ~ 30 T/h

5、r，而FT32的儀表量程為0 ~ 120 T/hr，而且兩流量計(jì)均為線性DDZ-III儀表，輸出信號(hào)為 4 ~ 20 mA DC。另外，K 為某一比值計(jì)算單元，其輸入輸出滿足以下關(guān)系</p><p><b>　　。</b></p><p>　　試獲得K值與實(shí)際流量比F1/F2之間的函數(shù)關(guān)系；</p><p>　　假設(shè)NaOH溶液的質(zhì)量濃度為20

6、%，需要將其濃度稀釋成5%。試確定K值。若F1的變化范圍為10 ~ 20T/hr，試計(jì)算I2 與 I3 的變化范圍。</p><p>　　圖3 溶液稀釋過程的比值控制</p><p>　　4． 某一鍋爐汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)如題圖4所示，圖中加法器的運(yùn)算式為，其中IL為液位調(diào)節(jié)器LC 41的輸出，IS為經(jīng)開方后的蒸汽質(zhì)量流量測量值，IW為經(jīng)開方后的給水質(zhì)量流量測量值（假設(shè)IL、IS、I

7、W的單位均為百分量%，取值范圍0 ~ 100）。為確保鍋爐安全，給水閥選用氣關(guān)閥。</p><p>　　試畫出該系統(tǒng)的完整方塊圖，并注明每一模塊的輸入輸出信號(hào)；</p><p>　　選擇LC 41的正反作用與系數(shù)C1、C2、C3的符號(hào)，以構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，并說明你的選擇原理；</p><p>　　若蒸汽流量儀表FT 32的量程范圍為0 ~ 20 T/hr，給水流量儀表

8、FT 33的量程范圍為0 ~ 25 T/hr。假設(shè)給水閥為線性閥，其開度的最大變化范圍為 0 ~ 100 %。對(duì)于調(diào)節(jié)閥開度的變化，對(duì)應(yīng)的水量變化量為KV = 0.2（T/hr）/ %。為實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽量的理想靜態(tài)前饋控制，試確定系數(shù)C2、C3應(yīng)滿足的關(guān)系。</p><p>　　圖4 鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　5. 某一鍋爐的空燃比邏輯比值控制方案如圖5所示，其中FC

9、23.SP（FC24.SP）與FC23.PV（FC24.PV）分別表示流量控制器FC23（FC24）的給定值與過程值，PC22.OP表示壓力控制器PC22的輸出；“LS”模塊表示低選器，其輸出FC23.SP取兩輸入中的較小者；“HS”模塊表示高選器，其輸出FC24.SP取兩輸入中的較大者。假設(shè)燃料量與空氣量的檢測儀表FT23、 FT24均為質(zhì)量流量儀，且儀表量程分別為0 – 5 T/hr、0 – 100 T/hr，流量儀測量輸出RFm、

10、RAm的范圍均為0 – 100（%）； 乘法器輸出為KFA×RAm，其中KFA為無因次的乘法系數(shù)。假設(shè)工藝過程所希望的空氣/燃料質(zhì)量比為18:1。試回答：</p><p>　　KFA如何設(shè)定，以滿足工藝要求？</p><p>　　該系統(tǒng)采用蒸汽壓力變送器PT 22來反映產(chǎn)汽與用汽的平衡關(guān)系，試確定壓力控制器PC 22的正反作用，以構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。</p><

11、;p>　　假設(shè)該系統(tǒng)初態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)蒸汽用量增加或減少時(shí)，試描述該系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程。</p><p>　　圖5 鍋爐空燃比邏輯比值控制方案</p><p>　　6. 某一換熱器如圖6所示，要求采用蒸汽流量RV 控制工藝介質(zhì)的出口溫度 T2。試依據(jù)下列情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案，并給出帶控制的流程圖。</p><p>　　情況 #1：工藝介質(zhì)流量RF與蒸汽入

12、口壓力PV均比較穩(wěn)定； </p><p>　　情況 #2：RF 穩(wěn)定，而 PV 變化頻繁； </p><p>　　情況 #3：RF 變化頻繁，而PV 比較穩(wěn)定；</p><p>　　情況 #4：RF 與PV 均變化頻繁。 </p><p>　　圖6 換熱器被控對(duì)象</p><p>　　7．考慮某一氨冷卻器，控制目標(biāo)為

13、維持工藝介質(zhì)出口溫度T的恒定，操作變量為液氨的流量Ra，目前采用如圖7所示的單回路控制方案。操作經(jīng)驗(yàn)表明該方案存在一定的危險(xiǎn)性：當(dāng)工藝介質(zhì)入口溫度過高時(shí)，溫度控制器TC31將大幅度地增加液氨流量，這樣可能導(dǎo)致氨冷卻器內(nèi)的液面過高，使液氨進(jìn)行氨氣管線而損壞壓縮機(jī)。工藝過程要求控制工程師設(shè)計(jì)一新的控制方案以防止液面超高，這里假設(shè)控制閥為氣開閥。</p><p>　?。?）試設(shè)計(jì)一個(gè)多回路控制方案，以實(shí)現(xiàn)正常情況下的

14、溫度定值控制，同時(shí)確保異常情況下氨冷卻器內(nèi)液位也不會(huì)超上限（液位上限對(duì)應(yīng)的測量值為Lmax），并將控制方案標(biāo)注在工藝流程圖上；</p><p>　?。?）畫出該控制系統(tǒng)的控制方塊圖，并標(biāo)明每一個(gè)方塊的輸入輸出信號(hào)；</p><p>　?。?）確定每一個(gè)控制器的正反作用，以構(gòu)成負(fù)反饋控制回路；</p><p>　?。?）假設(shè)所有的控制器均采用PI控制律，試提出相

15、應(yīng)的防積分飽和措施，并給出控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；</p><p>　?。?）假設(shè)新的控制系統(tǒng)初態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，且液位較高但不超上限。若此時(shí)工藝介質(zhì)入口溫度突然大幅度升高，試描述該系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程。</p><p>　　圖7 氨冷卻器工藝介質(zhì)出口溫度單回路控制方案</p><p>　　8．考慮如圖 8 所示的油罐，要求隔離外部的空氣，以避免油品氧化或污染環(huán)境，工業(yè)上常

16、用N2 作為氣封氣體。為保護(hù)油罐，要求通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥與排空閥來控制罐頂壓力P，使其穩(wěn)定并略大于大氣壓。為安全起見，進(jìn)氣閥VA為氣開閥，而排空閥VB為氣關(guān)閥。圖中，u1、u2分別為施加到控制閥上的實(shí)際控制信號(hào)，可操作范圍均為0 – 100%。</p><p>　　試設(shè)計(jì)一個(gè)控制方案以實(shí)現(xiàn)上述要求，并將其標(biāo)注在工藝流程圖上；</p><p>　　描述該控制系統(tǒng)的控制方塊圖，并標(biāo)明每一個(gè)方塊的輸

17、入輸出信號(hào)；</p><p>　　給出兩控制閥的分程函數(shù)（假設(shè)壓力控制器的輸出為u，可操作范圍為0 – 100%）；</p><p>　　確定控制器的正反作用，以構(gòu)成負(fù)反饋控制回路；</p><p>　　若該控制系統(tǒng)初態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)、且無進(jìn)出油品，若此時(shí)環(huán)境溫度突然下降，試描述該系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程。</p><p><b>　　圖 8

18、</b></p><p>　　9． 某一連續(xù)放熱反應(yīng)器如圖9所示，其反應(yīng)方程為 A + B→C，僅有的控制回路為反應(yīng)溫度單回路控制，其操作變量為冷卻水量。</p><p>　　試設(shè)計(jì)一控制方案，以使進(jìn)入反應(yīng)器的兩物料流量之比恒定，即滿足 R = FA / FB，其中R為過程所希望的實(shí)際流量比值；</p><p>　　操作經(jīng)驗(yàn)顯示：冷卻水溫度變化頻繁，為過

19、程主要干擾之一，試改進(jìn)原控制方案，以改善反應(yīng)溫度的控制性能； </p><p>　　操作經(jīng)驗(yàn)也顯示，在某些特殊情況下，冷卻系統(tǒng)可能不能提供充足的冷卻量；此時(shí)控制反應(yīng)溫度TT17唯一的手段是減少反應(yīng)物流量。試設(shè)計(jì)一控制方案以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述要求。注：當(dāng)冷卻量充分時(shí)，該方案要求能返回到正常狀態(tài)，即：反應(yīng)物流量可由人工根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)設(shè)定。 </p><p>　　圖9 放熱反應(yīng)器控制方案</p&g

20、t;<p>　　10. 某一精餾塔兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)如題圖10所示，并選擇 T1（精餾段靈敏板溫度）、T2（提餾段靈敏板溫度）為被控變量；而操作變量為RL（冷回流量）、RV（塔底加熱蒸汽量）。在某一穩(wěn)定操作工況下，經(jīng)階躍響應(yīng)測試，得到下列對(duì)象特性</p><p><b>　　。</b></p><p>　　試計(jì)算兩個(gè)質(zhì)量控制回路之間的靜態(tài)增益陣及其相

21、對(duì)增益矩陣，并分析上述配對(duì)是否合適；</p><p>　　請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)靜態(tài)前饋解耦控制系統(tǒng)，并在流程圖上予以表示；</p><p>　　若需要降低提餾段靈敏板溫度T2的設(shè)定值，試解釋該解耦控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，并與原多回路控制方案的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行比較。</p><p>　　圖10 精餾塔兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)</p><p>　　11．某一調(diào)合過程如

22、圖11所示，調(diào)合罐為恒液面裝置，兩進(jìn)料的流量分別為F1、F2（T/hr），兩進(jìn)料關(guān)鍵組分的質(zhì)量濃度分別為C1、C2（m%），假設(shè)調(diào)合均勻，經(jīng)調(diào)合進(jìn)行后續(xù)工藝。希望通過調(diào)節(jié)兩進(jìn)料流量F1、F2來控制混合物的總流量F與其關(guān)鍵組分的濃度C，主要干擾來自C1、C2的緩慢變化（假設(shè)C1＞C2）。 </p><p>　　試建立主要被控變量與其它輸入變量的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；</p><p>　　試設(shè)計(jì)相

23、應(yīng)的多變量控制方案以滿足上述控制要求，同時(shí)減少回路間的耦合，并將控制方案標(biāo)注在流程圖上；</p><p>　　當(dāng)混合物總流量需要增加時(shí)或進(jìn)料濃度C1增大時(shí)，你的控制方案如何工作，如何能減少回路間的耦合？</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　12．某煉油廠汽油催化重整裝置預(yù)分餾塔如圖12所示，其操作目標(biāo)是切除進(jìn)料中的輕

24、組分，為后續(xù)重整反應(yīng)器提供原料。工藝工程師提出的要求包括：（1） 塔底產(chǎn)品流量RB（作為反應(yīng)器的進(jìn)料）必須恒定，（2）提餾段靈敏板溫度TS、 回流罐液位LD與塔底液位LB 需要得到有效的控制。而可操作變量包括進(jìn)料量RF、回流量RL、塔頂產(chǎn)出量RD與加熱蒸汽量RS。試設(shè)計(jì)一個(gè)多回路控制方案以滿足上述要求，并盡可能減少回路間的關(guān)聯(lián)。具體包括：</p><p>　　確定被控變量CVs與操作變量MVs的合適配對(duì)；<

25、/p><p>　　結(jié)合上述配對(duì)，設(shè)計(jì)基本控制方案，并將控制方案標(biāo)注在工藝流程圖上；</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)主要干擾為塔底產(chǎn)品流量RB與進(jìn)料輕組分含量xF，如何改善上述方案，以盡可能克服這些干擾對(duì)塔頂餾出物中重組分含量的影響？</p><p>　　若后續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)需求量突然提高（即FC34的設(shè)定值提高），試解釋你所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)如何響應(yīng)直至達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)？ <