过程控制与自动化仪表第3版第10章思考题与习题.pdf

第 10 章 思考题与习题 1基本练习题 （1）锅炉控制的基本任务是什么？它有哪些主要的控制系统？ 答： 1 ）锅炉控制的基本任务是根据负荷设备的需要，供应一定规格（压力、温 度、流量和纯度）的蒸汽。 2 ）主要的控制系统有锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控 制等。 （2 ）在锅炉水位控制中，可能的控制方案有哪几种？试分别说明它们的优 缺点。 答： 单冲量水位控制方案： 优点是结构简单、 设计方便； 缺点是克服给水自发性 干扰和负荷干扰能力差。 双冲量水位控制方案：优点是能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动， 改善控制质量。缺点是对于给水系统的干扰不能有效的克服。 三冲量串级控制方案： 优点是当负荷变化时， 它早于水位偏差进行前馈控制， 能及时地调节调节阀的给水流量， 以跟踪蒸汽流量的变化， 维持进出汽包的物料 平衡， 从而有效地克服虚假水位的影响， 抑制水位的动态偏差； 当蒸汽流量不变 时由给水量为副被控量构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰。 （3）图 10-1 所示为某厂辅助锅炉燃烧系统的控制流程图。 试分析该控制方 案的工作原理及调节阀的气开、 气关形式、 调节器的正反作用以及进入加法器信 号的正负号。 图 10-1 某厂 辅助锅炉燃烧系统控制流程图 答： 1）锅炉燃烧系统工作原理： 防“ 脱火” 控制： 防“ 脱火” 控制通常可以采用自动选择性控制方案。 在烧嘴背 压正常的情况下， 由蒸汽压力控制器控制燃料阀， 维护锅炉出口蒸汽压力相对稳 定。 当烧嘴背压过高时， 为避免“ 脱火” 现象， 此时背压控制 P3C 通过低值选择器 LS 控制燃料阀， 使烧嘴背压下降， 以免“脱火” 现象的发生。 防“ 回火” 控制： 防“ 回 火” 控制是一个连锁保护控制系统 。在烧嘴背压过低时，为避免“ 回火” 现象，由 继电器 （PSA ） 系统带动连锁装置， 把燃料的上游阀切断， 以免“ 回火” 现象的发 生。 2）调节阀选用气开形式； （4）精馏塔控制的基本任务是什么？它有哪两类控制方案？ 答： 1 ）精馏塔的基本任务是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行 分离以达到规定的纯度。 2）控制方案：一端产品质量控制、两端产品质量均需控制。 （5）精馏过程的主要干扰有哪些？被控参数和控制参数又有哪些？ 答： 1）主要干扰有进料流量和进料成分。 2 ）被控参数和控制参数：塔顶产品成分、塔底产品成分、回流罐液位和塔 底液位、塔顶产品流量、塔底产品流量、回流量及再沸器加热用蒸汽流量。 （6 ）为什么说两端产品成分同时控制的过程是一个耦合过程？除了用前馈 补偿法进行解耦外，还可以采用什么解耦控制方法？ 答： 由精馏操作的内在机理克制， 当改变回流量时， 不仅影响塔顶产品组分的变 化， 同时也会引起塔底产品组分的变化； 同理， 当控制塔底的加热用蒸汽流量时， 也将引起塔内温度的变化， 从而不但使塔底产品组分产生变化， 同时也将影响到 塔顶产品组分的变化。可见，这是一个 2*2 的多变量耦合系统。 还可以采用其他解耦控制方法：对角矩阵设计法，单位矩阵设计法。 （7 ）在工程化设计中，设计文件和图纸有什么作用？设计者应具备哪些基 本素质？ 答： 设计文件和图纸一方面要提供给上级主管部门， 以便对该建设项目进行审批， 另一方面则作为施工建设单位进行施工安装的主要依据。 过程控制系统的工程化设计要求设计者具备的基本素质： 掌握控制工程的基 本理论； 熟悉自动化技术工具 （控制、 检测仪表） 及常用元件材料的性能、 使用 方法及型号、 规格、 价格等信息； 学习本专业的有关工程实践知识， 如工程化设 计的程序和方法、仪表的安装和调校等。 （8）工程化设计的主要内容有哪些？ 答： 主要内容： 在熟悉工艺流程、 确定控制方案的基础上， 完成工艺流程图和 控制流程图的绘制； 在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制； 完 成控制室的设计及其相关条件的设计； 完成信号连锁系统的设计； 完成仪表 供电、 供气系统图及管线平面图的绘制以及控制室与现场之间水、 电、 气的管线 布置图的绘制； 完成与过程控制有关的其他设备、 材料的选用情况统计及安装 材料的编制；完成抗干扰和安全设施的设计；完成设计文件的目录编写等。 （9 ）立项报告的设计有何重要意义？为做好此项设计，需要做好哪些准备 工作？设计的主要内容有哪些？ 答： 1 ）立项报告的重要意义为：为了给上级主管部门提供项目审批的依据，并 为订货做好必要的准备。 2 ）为做好此项设计，应做好如下几项准备：调查研究，规划目标，收集资 料。 设计的主要内容为： a ）系统控制方案的论证与确定，所用仪表的选型，电源、气源供给方案的 论证与确定， 控制室的平面布置和仪表盘的正面布置方案的论证与确定， 工艺控 制流程图的绘制等； b）说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据； c ）说明设计的分工范围，即哪些内容由企业人员自行设计、哪些内容由制 造厂家设计、哪些内容由协作单位设计等； d） 说明所设计的控制系统在国际、 国内同行业中的自动化水平以及新工艺、 新技术的采用情况等； e ）提供仪表设备汇总表、材料清单以及主要的供货厂家、供货时间与相应 的价格，并和概算专业人员共同做出经费预算及使用情况的说明； f ）提出参加该项工作的有关人员和完成该项 工作所需时间以及存在的问题 及解决的办法等； g）预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济效益。 （10）在集散控制系统施工图的设计中，组态文件的设计包括哪些内容？ 答： 工艺流程显示图、 集散控制系统操作组分配表、 集散控制系统趋势组分配表、 网络组态数据文件表、 集散控制系统生产报表、 组态、 软件设计说明书、 系统操 作手册等。 （11 ）仪表及控制系统存在哪些干扰？克服这些干扰的主要措施有哪些？ 答： 1 ）干扰：电磁辐射干扰、引入线（电源引入线、信号引入线）传输干扰、 接地系统的干扰、系统内部干扰。 2）抗干扰措施：隔离、屏蔽、滤波、避雷保护。 （12）在过程控制系统中，“ 有效接地” 有何重要意义？ 答： 接地系统的主要作用是保护人身与设备的安全和抑制干扰。 不良的接地系统， 轻者使仪表或者系统部能正常工作，重者则会造成严重后果。 （13） 在接地系统中， 什么是保护性接地? 它是怎样实现的？在什么情况下， 又不需要保护性接地？ 答： 1 ）保护性接地是指将电气设备、用电仪表中不应代垫的金属部分与接地体 之间进行良好的金属连接，以保证这些金属部分在任何时候都处于零电位。 2） 一般情况下，24V DC 供电或低于 24V DC 供电的现场仪表、 变送器、 就 地开关等无需做保护性接地。 （14）工作接地有什么重要意义？它又有哪些类型？ 答： 1 ）意义：正确的工作接地可抑制干扰，提高仪表的测量精度，保证仪表系 统能正常可靠地工作。 2）类型：信号回路接地、屏蔽性接地和本质安全接地。 （15） 接地电阻的大小对接地系统的性能有何影响？如何确定接地电阻的大 小？ 答： 1 ）影响：接地电阻越小，说明接地性能越好，接地电阻大到一定数值，系 统就不能实现接地目的。 2 ）确定接地 电阻大小的方法：保护性接地电阻值一般为 4 欧姆，最大 不超过 10 欧姆 。 当设置有高灵敏度接地自动报警装置时，接地电阻值可略大于 10 欧姆。常 用电子设备的保护性接地电阻值应小于 4 欧姆。 工作接地电阻值需要根据设备 制造厂的要求以及环境条件确定。 若制造厂无明确要求， 设计者可按具体情况决 定， 一般为 1-4 欧姆。 若控制系统与电力系统共用接地体， 则可采用与电气系统 相同的接地电阻。 2综合练习题 （1）在蒸汽量的阶跃干扰作用下，锅炉水位 h 的响应曲线如图 10-2 所示。 试分析这种现象产生的机理，并求 HsQs 的近似表达式。 图 10-2 蒸汽 流量阶跃作用下的水位响应曲线 答：略 （2 ）在图 10-3 所示的锅炉水位双冲量控制系统中，加法器的输出是 120 cB uk uk uu ，试说明它们的物理意义，并求静态前馈补偿系数 2 k 的表 达式。 答：略 图 10-3 锅炉 水位双冲量控制流程 图 10-4 锅炉燃烧系统选择性控制流程图 （3）图 10-4 所示为锅炉燃烧系统选择性控制。 它可以根据用户对蒸汽量的 要求， 自动调节燃料量和助燃空气量。 不仅能维持两者的比值不变， 而且能使燃 料量与空气量的调整满足下述逻辑关系： 当蒸汽用量增加时， 先增加空气量后增 加燃料量； 当蒸汽用量减少时， 先减燃料量后减空气量。 根据上述要求， 试确定 图中控制阀的气开、气关形式、调节器的正、反作用及选择器的类型。 答： 控制阀的气开形式；调节器选用副作用；选择器选用低值类型。 3设计题 （1 ）由于减温器的结构形式不同，过热蒸汽温度控制通道的动态特性存在 差异，如图 10-5 的 a ）与 b ）所示。试用 MATLAB 应用进行仿真，比较两种情 况下烟气温度作阶跃干扰时的过渡过程质量。 a) b) 图 10-5 过 热蒸汽温度控制方框图 答： 仿真模型如图 10-5 所示： 图 10-5 仿真 模型图 仿真结果如图 10-6 所示： 图 10-6 仿真 结果图 根据仿真结果可知：b）图所示的系统动态性能较 b）好。 （2 ）在乙烯工程中有一吸收塔，其釜液作为脱乙烷塔的回流。正常情况下 为保证脱乙烷塔的正常操作，采用流量定值控制。一旦吸收塔液位低于 5% 的极 限， 为保证吸收塔的正常操作， 需即时改为按吸收塔液位来控制。 为此设计了图 10-7 所示的选择性控制方案。 试分析确定该系统中调节阀的气开、 气关形式、 调 节器的正、反作用方式及选择器的类型，并画出控制系统方框图。 答： 调节阀选用气开类型；调节器为正作用；控制系统方框图如图 10-8 所示： () c Gs () v Gs 01 () Gs 2 () m Gs 1 () m Gs 1 q () hs 2 q 02 () Gs 图 10-8 控制 系统方框图 （3）图 10-9 所示精馏塔再沸器采用蒸汽进行加热， 进料量为 F ， 为保证塔 底产品质量指标， 要求对塔底温度进行控制， 但由于受到前面工序的影响， 经常 发生波动， 又不允许对其进行定值控制， 在这种情况下， 应采用何种控制方案为 好？画出系统的结构图与框图， 选择调节阀的气开、 气关形式及调节器的正、 反 作用。 如果供给的蒸汽压力也经常波动， 又应该采取何种控制方案？画出系统的流 程图与方框图。 图 10-7 吸收 塔液位选择性控制流程图 图 10-9 精馏 塔再沸器流程图 答：略