化工過程控制工程綜合練習題

1、過程控制工程綜合練習題2021/06/251 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 為控制閥后的燃氣壓力，而 Ps為燃氣氣源壓力系統(tǒng)主要干擾之一；Tm與 Pm分別表示T、 P的測量信號；U為控制閥的開度；Psp、Tsp分別表示控 制器TC11、PC21的設(shè)定值。1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；2選擇控制閥的氣開/氣關(guān)形式，并解釋選擇的原因；3確定控制器PC21、TC11的正反作用，以構(gòu)成負反響控制系統(tǒng)。圖1管式加熱爐工藝介質(zhì)出口溫度控制系統(tǒng)II怕0.162考慮上述溫度控制系統(tǒng)，當控制器 PC21為“自動、控制器TC11為“手動

2、時，對于PC21的設(shè)定值階躍變化，對應(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 400C。(1) 試指出溫度控制器TC11對應(yīng)的廣義被控對象的輸入輸出信號；(2) 計算該廣義對象的特征參數(shù)K、T、t ;0102030405060709090圖2針對控制器PC21設(shè)定值變化的過程階躍響應(yīng)(3) 假設(shè)TC11采用PID控制器，試整定其PID參數(shù) 心 Ti、Td?？刂破黝愋蚄cTiTd入取值P1 丫 T 】IK 人QO0h = 0PI"Y T )1 1 JK丿匕+人丿T0丸=IPID1 Y T 1 II 1Ik

3、人t +九丿Tt/2九=0.2父t基于對象特性參數(shù)的PID整定法023根據(jù)工藝過程的要求，需要用水將 NaOH溶液稀釋，對應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖 3 所示。假設(shè)NaOH溶液質(zhì)量流量計FT31的儀表量程為0 30 T/hr，而FT32的 儀表量程為0 120 T/hr,而且兩流量計均為線性 DDZ-III儀表，輸出信號為4 20 mA DC。另外，K為某一比值計算單元，其輸入輸出滿足以下關(guān)系|3 = 4 K (12 - 4) mA o(1) 試獲得K值與實際流量比F1/F2之間的函數(shù)關(guān)系；(2) 假設(shè)NaOH溶液的質(zhì)量濃度為20%，需要將其濃度稀釋成5%。試確定 K值。假設(shè)F1的變化范圍為10 20T

4、/hr，試計算I2與I3的變化范圍。NaOH溶液F1I1水F2圖3溶液稀釋過程的比值控制4.某一鍋爐汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)如題圖4所示，圖中加法器的運算式為I。二C0 C1IL C2IS - C3IW，其中II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) II、Is、Iw的單位均為百分量%，取值范圍0 100。為確保鍋爐平安，給水閥選用氣關(guān)閥。1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；2選擇LC 41的正反作用與系數(shù)Ci、C2、C3的符號，以構(gòu)成負反響系 統(tǒng)，并說明你的選擇原理；3假設(shè)蒸汽流量儀表FT 32的量程范圍

5、為020 T/hr,給水流量儀表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 %。對于調(diào)節(jié)閥開度的變化，對應(yīng)的水量變化量為Kv=0.2 T/hr/ %。為實現(xiàn)對蒸汽量的理想靜態(tài)前饋控制，試確定系數(shù) C2、C3應(yīng)滿足的關(guān)系。圖4鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)5.某一鍋爐的空燃比邏輯比值控制方案如圖5所示，其中FC23.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

6、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、O TOO T/hr,流量儀測量輸出RFm、RAm的范圍均為0 TOO(%)；乘法器輸出為KFAX 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。試答復：(1) Kfa如何設(shè)定，以滿足工藝要求？(2) 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)成負反響控制系統(tǒng)。(3) 假設(shè)該系統(tǒng)初態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，當蒸汽用量增加或減少時，試描述該系統(tǒng) 的

7、自動控制過程。圖5鍋爐空燃比邏輯比值控制方案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)以下情況設(shè)計相應(yīng)的控制方案，并給出帶控制的流程圖情況#1：工乙介質(zhì)流量Rf與蒸汽入口壓力Pv均比擬穩(wěn)疋;情況#2:Rf穩(wěn)定，而Pv變化頻繁；情況#3：Rf變化頻繁，而Pv比擬穩(wěn)定；情況#4：Rf與PV均變化頻繁。凝液圖6換熱器被控對象7 考慮某一氨冷卻器，控制目標為維持工藝介質(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)驗說明該方 案存在一定的危險性：當工藝介質(zhì)入口溫度過高時，溫度控制器TC31將大幅度地增加液氨流量，這樣可能導致

8、氨冷卻器內(nèi)的液面過高， 使液氨進行氨氣管線而 損壞壓縮機。工藝過程要求控制工程師設(shè)計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。(1) 試設(shè)計一個多回路控制方案，以實現(xiàn)正常情況下的溫度定值控制，同 時確保異常情況下氨冷卻器內(nèi)液位也不會超上限(液位上限對應(yīng)的測 量值為Lmax)，并將控制方案標注在工藝流程圖上；(2) 畫出該控制系統(tǒng)的控制方塊圖，并標明每一個方塊的輸入輸出信號；(3) 確定每一個控制器的正反作用，以構(gòu)成負反響控制回路；(4) 假設(shè)所有的控制器均采用PI控制律，試提出相應(yīng)的防積分飽和措施, 并給出控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(5) 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

9、限。假設(shè)此時 工藝介質(zhì)入口溫度突然大幅度升高，試描述該系統(tǒng)的自動控制過程。圖7氨冷卻器工藝介質(zhì)出口溫度單回路控制方案8考慮如圖8所示的油罐，要求隔離外部的空氣，以防止油品氧化或污染環(huán)境， 工業(yè)上常用N2作為氣封氣體。為保護油罐，要求通過調(diào)節(jié)進氣閥與排空閥來控 制罐頂壓力P,使其穩(wěn)定并略大于大氣壓。為平安起見，進氣閥 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際控制信號，可操 作范圍均為0 TOO%。(1) 試設(shè)計一個控制方案以實現(xiàn)上述要求，并將其標注在工藝流程圖上；(2) 描述該控制系統(tǒng)的控制方塊圖，并標明每一個方塊的輸入輸出信號；(3) 給出兩控制閥的分程

10、函數(shù)(假設(shè)壓力控制器的輸出為 u,可操作范圍 為 0 -100%);(4) 確定控制器的正反作用，以構(gòu)成負反響控制回路；(5) 假設(shè)該控制系統(tǒng)初態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)、且無進出油品，假設(shè)此時環(huán)境溫度突然 下降，試描述該系統(tǒng)的自動控制過程。9. 某一連續(xù)放熱反響器如圖9所示，其反響方程為 A + B-C,僅有的控制回 路為反響溫度單回路控制，其操作變量為冷卻水量。(1) 試設(shè)計一控制方案，以使進入反響器的兩物料流量之比恒定，即滿足 R = Fa / Fb，其中R為過程所希望的實際流量比值；(2) 操作經(jīng)驗顯示：冷卻水溫度變化頻繁，為過程主要干擾之一，試改良 原控制方案，以改善反響溫度的控制性能；(3) 操

11、作經(jīng)驗也顯示，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；此時控制反響溫度 TT17唯一的手段是減少反響物流量。試 設(shè)計一控制方案以自動實現(xiàn)上述要求。注：當冷卻量充分時，該方案 要求能返回到正常狀態(tài)，即:反響物流量可由人工根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)設(shè)定。圖9放熱反響器控制方案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Ti 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，得到以下對 象特性3.51.2 仝斤、 eT1m _ 3s+14s+102m2.5 _2s0.8 _2se el 4s+1

12、s + 0.51 試計算兩個質(zhì)量控制回路之間的靜態(tài)增益陣及其相對增益矩陣，并分 析上述配對是否適宜；2請設(shè)計靜態(tài)前饋解耦控制系統(tǒng)，并在流程圖上予以表示；3假設(shè)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)過程進行比擬。圖10精餾塔兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)11 某一調(diào)合過程如圖11所示，調(diào)合罐為恒液面裝置，兩進料的流量分別為Fi、 F2(T/hr)，兩進料關(guān)鍵組分的質(zhì)量濃度分別為 G、C2(m%)，假設(shè)調(diào)合均勻， 經(jīng)調(diào)合進行后續(xù)工藝。希望通過調(diào)節(jié)兩進料流量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

13、(假設(shè)C1>C2)。(1) 試建立主要被控變量與其它輸入變量的穩(wěn)態(tài)數(shù)學函數(shù)關(guān)系；(2) 試設(shè)計相應(yīng)的多變量控制方案以滿足上述控制要求，同時減少回路間的 耦合，并將控制方案標注在流程圖上；(3) 當混合物總流量需要增加時或進料濃度 C1增大時，你的控制方案如何 工作，如何能減少回路間的耦合？LC12某煉油廠汽油催化重整裝置預分餾塔如圖12所示，其操作目標是切除TrTCTCTsV進料中的輕組分，為后續(xù)重整反響器提供原料。工藝工程師提出的要求包括：1 塔底產(chǎn)品流量Rb 作為反響器的進料必須恒定，2提餾段靈敏板溫度Ts、回 流罐液位CLd與塔底液位Lb需要得到有效的控制。而可操作變量包括進料量Rf、qh回流量Rl、塔頂B產(chǎn)出量Rd與加熱蒸汽量Rs。試設(shè)計一個多回路控制方案以滿