过程控制新版系统与仪表复习题.doc

一、某化学反映器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运营温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统与否满足工艺规定。

参照答案：
最大偏差 A = 230-200 = 30℃
余差 C= 205-200 = 5℃
衰减比 n = y1：y3 = 25:5 = 5:1
振荡周期 T = 20 – 5 = 15 （min）
设被控变量进入稳态值土2％，就以为过渡过程结束，则误差区域=205 ×（ ± 2％）＝ ± 4.1℃
在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min
工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺规定。
最大偏差 A = 230-200 = 30℃
余差 C= 205-200 = 5℃
衰减比 n = y1：y3 = 25:5 = 5:1

二、如图所示，用差压变送器检测液位。已知ρ1＝1200kg／m3，ρ2＝950kg／m3，h1＝1.0m，h2＝5.0m，液位变化范畴为 0～3.0m，如果本地重力加速度 g＝9.8m／s，求差压变送器量程和迁移量。

当液位在0～3.0m变化时，差压变化量为
ρ1gHmax＝ 1200×9.8×3.0＝35280 Pa
依照差压变送器量程系列，可选差变量程为40kPa
当H＝0时，有
Δp＝－ρ2g（h2－h1）＝－950×9.8×（5.0－1.0）＝－37240 Pa
因此，差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为37.24kPa
迁移后该差变测量范畴为－37.24～2.76kPa
若选用 DDZ-Ⅲ型仪表，则当变送器输出 I＝4mA时，表达 H＝0；当I＝20mA时，H＝40×3.0／35.28＝3.4m，即实际可测液位范畴为 0～3.4m。
如果规定H＝3.0m时差变输出满刻度（20mA），
则可在负迁移后再进行量程调节，
使得当Δp＝－37.24＋35.28＝－1.96kPa时，差变输出达到20mA。
三、有一台电动差压变送器，表量程为25000Pa，相应最大流量为50t/h，工艺规定40t/h时报警。问：①不带开方器时，报警值设定在多少？②带开方器时，报警信号设定在多少？
参照答案：
①不带开方器时相应40t/h流量差压
ΔP1= 25000(40/50)2=16000Pa
相应40t/h流量输出
I出1=（16000/25000）16+4=12.24mA
∴报警值S=12.24mA
②带开方器时， ∵ΔQ=KΔP
相应40t/h流量差压
ΔP2= 25000(40/50)=0Pa
相应40t/h流量输出
I出2=（0/25000）16+4=16.8mA
∴报警值S=16.8mA
四、某比例控制器，温度控制范畴为400～800℃，输出信号范畴是4～20mA。当批示指针从600℃变到700℃时，控制器相应输出从8mA变为16mA。求设定比例度。

即：温度偏差在输入量程50％区间内（即200℃）时，e和y是2倍关系。
五、有一台比例积分调节器，它比例度为50%，积分时间为1分，开始时，测量、给定和输出都在50%，当测量变化到55%时，输出变化到多少？1分钟后又变化到多少？

(1)当测量由50%跃变到55%一瞬间，时间t=0。已知调节器比例度δ=50%，积分时间TI=1分，ε=ΔI入=55%-50%=5%
代入上式可得Δy(0+)= ΔI出 (0+)= =10%
即输出变化为10%加上原有50%，因此输出跃变到60%。
(2)一分钟后，输出变化为Δy(1)= ΔI出(1)=20%
加上原有50%，因此一分钟后输出变到50%+20%=70%
六、请鉴定图所示温度控制系统中，调节阀和调节器作用型式。
TC
物料

1. 当物料为温度过低时易析出结晶颗粒介质，调节介质为过热蒸汽时； （ A ）
2. 当物料为温度过高时易结焦或分解介质，调节介质为过热蒸汽时； （ B ）
3. 当物料为温度过低时易析出结晶颗粒介质，调节介质为待加热软化水时； （ C）
4. 当物料为温度过高时易结焦或分解介质，调节介质为待加热软化水时； （ D ）
A.气关调节阀，正作用调节器；
B.气开调节阀，反作用调节器；
C.气开调节阀，正作用调节器；
D.气关调节阀，反作用调节器.
七、对于图示加热器串级控制系统。

规定：
（1）画出该控制系统方框图，并阐明主变量、副变量分别是什么？主控制器、副控制器分别是哪个？
（2）若工艺规定加热器温度不能过高，否则易发生事故，试拟定控制阀气开气关型式；
（3）拟定主、副控制器正反
作用；
（4）当蒸汽压力突然增长时，
简述该控制系统控制过程；
（5）当冷物料流量突然加大时，
简述该控制系统控制过程；
（注：规定用各变量间关系来阐述）
解：（1）该控制系统方框图
温度
控制器
控制阀
流量对象象
流量测量变送
主设
定值
扰动1
出口
温度
操纵
变量
流量
控制器
温度对象
蒸汽
流量
温度测量变送
副设
定值
主测量值
副测量值
扰动2

（2）由于工艺规定加热器温度不能过高，否则易发生事故，因此控制阀应选用气开型式，一但气源故障断气，控制阀自动关闭，蒸汽不再进入加热器，以避免介质温度过高发生事故。
（3）拟定主、副控制器正反作用：
在副回路中，由于流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增长）（Ko2>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）（Kv>0），故副控制器FC是“＋”特性（Kc2>0），选反作用，这样才起到负反馈控制作用；
在主回路中，由于主对象是“＋”作用（副变量蒸汽流量增大，主变量出口温度也增大 ）（Ko1>0），故主控制器TC是“＋”特性（Kc1>0），选反作用，这样才起到负反馈控制作用。
（4）当蒸汽压力突然增长时，该控制系统控制过程如下：蒸汽压力增长，则蒸汽流量增长，由于FC为反作用，故其输出减少，因而气开型控制阀关小，蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度影响，提高了控制质量。
（5）当冷物料流量突然加大时，该控制系统控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉出口物料温度减少，反作用TC输出增长，因而使FC给定值增长， FC为反作用，故其输出也增长，于是气开型控制阀开大，蒸汽流量增长以使加热炉出口物料温度增长，起到负反馈控制作用。
九、试判断图示两系统各属于何种控制系统？阐明其理由，并画出相应系统方框图。

右图是以加热器出口温度为主被控变量，以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成典型串级控制系统；
左图是一种形似串级控制但实际是一种前馈－反馈控制系统。两个控制器TC与FC串级工作，TC输出作为FC给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一种反馈回路，执行器输出并不能变化原料流量，因此不能以为是一种串级控制系统。为静态前馈-反馈控制非原则形式。

有时前馈－反馈控制系统从其系统构造上看与串级控制系统十分相似，试问任何区别它们？试分析图示两个系统各属于什么系统？阐明其理由。

• 前馈－反馈控制系统也有两个控制器，但在构造上与串级控制系统是完全不同。
• 串级控制系统是由内、外两个控制回路所构成；
• 而前馈－反馈控制系统是由一种反馈回路和另一种开环补偿回路叠加而成。
图（b）是以加热器出口温度为主被控变量，以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成典型串级控制系统；
图（a）是一种形似串级控制但实际是一种前馈－反馈控制系统。两个控制器TC与FC串级工作，TC输出作为FC给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一种反馈回路，执行器输出并不能变化原料流量，因此不能以为是一种串级控制系统。为静态前馈-反馈控制非原则形式。

参照答案：

炉出口温度对燃料油流量串级控制
加热炉前馈－反馈控制系统

十、图示热互换器中，物料与蒸汽换热，规定出口温度达到规定规定。试分析下述状况下应采用何种控制方案为好。画出系统构造图与方块图。
（1）物料流量F比较稳定，而蒸汽压力波动较大。
（2）蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。
（3）物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。

（1）物料流量F比较稳定，而蒸汽压力波动较大。可设计出口温度为主变量，蒸汽压力为副变量串级控制系统。

压力控
制器PC
执行器

压力对象
温度T
设定值
扰动f1
控制系统方块图
温度对象
温度控
制器TC

－
+

－
+
扰动f2
测量、变送y1

测量、变送y2

P

（2）蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量前馈－反馈控制系统。

给定
前馈－反馈控制系统方块图
温度控制器
执行器
热互换器对象
测量、变送
－
＋
流量控制器
测量、变送
干扰
＋
出口温度

（3）物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力为副变量前馈－串级控制系统。