化工过程控制工程综合练习题.docx

1、化工过程控制工程综合练习题过程控制工程综合练习题2015/06/251 某一管式加热炉的控制系统如图1所示，被控变量为工艺介质出口温度 T; P 为控制阀后的燃气压力，而 Ps为燃气气源压力（系统主要干扰之一）；Tm与 Pm分别表示T、 P的测量信号；U为控制阀的开度；Psp、Tsp分别表示控 制器TC11、PC21的设定值。（1） 试描述该控制系统完整的方块图，并注明每一模块的输入输出信号；（2） 选择控制阀的气开/气关形式，并解释选择的原因；（3） 确定控制器PC21、TC11的正反作用，以构成负反馈控制系统。图1管式加热炉工艺介质出口温度控制系统2考虑上述温度控制系统，当控制器 PC21

2、为“自动”、控制器TC11为“手动” 时，对于PC21的设定值阶跃变化，对应的过程响应曲线如图 2所示。假设压力变送器PT 21的量程为0.0 0.40 MPa；而温度变送器TT 11的量程为200 400C。(1)试指出温度控制器TC11对应的广义被控对象的输入输出信号；(2)计算该广义对象的特征参数K、T、t ;(3)图2针对控制器PC21设定值变化的过程阶跃响应 若TC11采用PID控制器，试整定其PID参数 心 Ti、Td。控制器类型KcTiTd入取值PY T、IK人九丿oO0k = 0PI丫 T 、 1 IKT05 TPID门丫 T 1 IIIK人宀丿Tt/2人=0.2汉T基于对象特

3、性参数的PID整定法02II怕0.160 10 20 30 40 50 60 70 90 903根据工艺过程的要求，需要用水将 NaOH溶液稀释，对应的控制系统如图 3 所示。假设NaOH溶液质量流量计FT31的仪表量程为0 30 T/hr，而FT32的 仪表量程为0 120 T/hr,而且两流量计均为线性 DDZ-III仪表，输出信号为4 20 mA DC。另外，K为某一比值计算单元，其输入输出满足以下关系13 = 4 K （I24） mA。（1） 试获得K值与实际流量比F1/F2之间的函数关系；（2） 假设NaOH溶液的质量浓度为20%，需要将其浓度稀释成5%。试确定K值。若F1的变化范围

4、为10 20T/hr，试计算I2与I3的变化范围。图3溶液稀释过程的比值控制4.某一锅炉汽包水位的三冲量控制系统如题图 4所示，图中加法器的运算式为I。二C0 C1IL C2IS - C3IW，其中Il为液位调节器LC 41的输出，Is为经开方后的蒸汽质量流量测量值，Iw为经开方后的给水质量流量测量值（假设 Il、Is、Iw的单位均为百分量%，取值范围0 100）。为确保锅炉安全，给水阀选用气关阀。（1） 试画出该系统的完整方块图，并注明每一模块的输入输出信号；（2） 选择LC 41的正反作用与系数Ci、C2、C3的符号，以构成负反馈系 统，并说明你的选择原理；（3） 若蒸汽流量仪表FT 32

5、的量程范围为020 T/hr,给水流量仪表FT 33的量程范围为0 25 T/hr。假设给水阀为线性阀，其开度的最大变化 范围为0 100 %。对于调节阀开度的变化，对应的水量变化量为 Kv=0.2（ T/hr）/ %。为实现对蒸汽量的理想静态前馈控制，试确定系数 C2、C3应满足的关系。图4锅炉汽包水位三冲量控制系统5.某一锅炉的空燃比逻辑比值控制方案如图 5所示，其中FC23.SP (FC24.SP)与FC23.PV (FC24.PV)分别表示流量控制器FC23 (FC24)的给定值与过程值， PC22.OP表示压力控制器PC22的输出；“LS”模块表示低选器，其输出FC23.SP 取两输

6、入中的较小者；“HS”模块表示高选器，其输出FC24.SP取两输入中的较 大者。假设燃料量与空气量的检测仪表 FT23、FT24均为质量流量仪，且仪表量程分别为0 -5 T/hr、O TOO T/hr,流量仪测量输出RFm、RAm的范围均为0 TOO(%)；乘法器输出为KFAX RAm,其中KFA为无因次的乘法系数。假设工艺过程 所希望的空气/燃料质量比为18:1。试回答：(1)Kfa如何设定，以满足工艺要求？(2)该系统采用蒸汽压力变送器 PT 22来反映产汽与用汽的平衡关系，试确 定压力控制器PC 22的正反作用，以构成负反馈控制系统。(3)假设该系统初态为稳定状态，当蒸汽用量增加或减少时

7、，试描述该系统 的自动控制过程。(4)图5锅炉空燃比逻辑比值控制方案6.某一换热器如图6所示，要求采用蒸汽流量Rv控制工艺介质的出口温度 T2。试依据下列情况设计相应的控制方案，并给出带控制的流程图情况#1：工乙介质流量Rf与蒸汽入口压力Pv均比较稳疋;情况#2:Rf稳定，而Pv变化频繁；情况#3：Rf变化频繁，而Pv比较稳定；情况#4：Rf与PV均变化频繁。凝液图6换热器被控对象7 考虑某一氨冷却器，控制目标为维持工艺介质出口温度 T的恒定，操作变量为液氨的流量Ra,目前采用如图7所示的单回路控制方案。操作经验表明该方 案存在一定的危险性：当工艺介质入口温度过高时，温度控制器 TC31将大幅

8、度地增加液氨流量，这样可能导致氨冷却器内的液面过高， 使液氨进行氨气管线而 损坏压缩机。工艺过程要求控制工程师设计一新的控制方案以防止液面超高， 这里假设控制阀为气开阀。(1)试设计一个多回路控制方案，以实现正常情况下的温度定值控制，同 时确保异常情况下氨冷却器内液位也不会超上限(液位上限对应的测 量值为Lmax)，并将控制方案标注在工艺流程图上；(2)画出该控制系统的控制方块图，并标明每一个方块的输入输出信号；(3)确定每一个控制器的正反作用，以构成负反馈控制回路；(4)假设所有的控制器均采用PI控制律，试提出相应的防积分饱和措施, 并给出控制器的内部结构；(5)假设新的控制系统初态为稳定状

9、态，且液位较高但不超上限。若此时 工艺介质入口温度突然大幅度升高，试描述该系统的自动控制过程。图7氨冷却器工艺介质出口温度单回路控制方案8考虑如图8所示的油罐，要求隔离外部的空气，以避免油品氧化或污染环境， 工业上常用N2作为气封气体。为保护油罐，要求通过调节进气阀与排空阀来控 制罐顶压力P,使其稳定并略大于大气压。为安全起见，进气阀 Va为气开阀，而 排空阀VB为气关阀。图中，U1、U2分别为施加到控制阀上的实际控制信号，可操 作范围均为0 TOO%。(1)试设计一个控制方案以实现上述要求，并将其标注在工艺流程图上；(2)描述该控制系统的控制方块图，并标明每一个方块的输入输出信号；(3) 给

10、出两控制阀的分程函数(假设压力控制器的输出为 u,可操作范围 为 0 -100%);(4)确定控制器的正反作用，以构成负反馈控制回路；(5)若该控制系统初态为稳定状态、且无进出油品，若此时环境温度突然 下降，试描述该系统的自动控制过程。9.某一连续放热反应器如图9所示，其反应方程为 A + B-C,仅有的控制回 路为反应温度单回路控制，其操作变量为冷却水量。(1)试设计一控制方案，以使进入反应器的两物料流量之比恒定，即满足 R = Fa / Fb，其中R为过程所希望的实际流量比值；(2)操作经验显示：冷却水温度变化频繁，为过程主要干扰之一，试改进 原控制方案，以改善反应温度的控制性能；(3)操

11、作经验也显示，在某些特殊情况下，冷却系统可能不能提供充足的 冷却量；此时控制反应温度 TT17唯一的手段是减少反应物流量。试 设计一控制方案以自动实现上述要求。注：当冷却量充分时，该方案 要求能返回到正常状态，即:反应物流量可由人工根据生产任务设定。图9放热反应器控制方案10.某一精馏塔两端产品质量控制系统如题图 10所示，并选择Ti （精馏段灵 敏板温度）、T2（提馏段灵敏板温度）为被控变量；而操作变量为Rl （冷回流量）、 Rv （塔底加热蒸汽量）。在某一稳定操作工况下，经阶跃响应测试，得到下列对 象特性1.2 仝 e 4s 10.8 _2ses 0.5（1） 试计算两个质量控制回路之间的

12、静态增益阵及其相对增益矩阵， 并分 析上述配对是否合适；（2） 请设计静态前馈解耦控制系统，并在流程图上予以表示；（3） 若需要降低提馏段灵敏板温度 T2的设定值，试解释该解耦控制系统的动态调节过程，并与原多回路控制方案的调节过程进行比较。图10精馏塔两端产品质量控制系统11 某一调合过程如图11所示，调合罐为恒液面装置，两进料的流量分别为Fi、 F2(T/hr)，两进料关键组分的质量浓度分别为 G、C2(m%)，假设调合均匀， 经调合进行后续工艺。希望通过调节两进料流量F1、F2来控制混合物的总流量F 与其关键组分的浓度C,主要干扰来自C1、C2的缓慢变化(假设C1C2)。(1)试建立主要被

13、控变量与其它输入变量的稳态数学函数关系；(2) 试设计相应的多变量控制方案以满足上述控制要求，同时减少回路间的 耦合，并将控制方案标注在流程图上；(3)当混合物总流量需要增加时或进料浓度 C1增大时，你的控制方案如何 工作，如何能减少回路间的耦合？TrTCTCTsV进料中的轻组分，为后续重整反应器提供原料。工艺工程师提出的要求包括：（1） 塔底产品流量Rb （作为反应器的进料）必须恒定，（2）提馏段灵敏板温度Ts、回 流罐液位CLd与塔底液位Lb需要得到有效的控制。而可操作变量包括进料量Rf、qh回流量Rl、塔顶B产出量Rd与加热蒸汽量Rs。试设计一个多回路控制方案以满足 上述要求，并尽可能减少回路间的关联。具体包括：（1） 确定被控变量CVs与操作变量MVs的合适配对；（2） 结合上述配对，设计基本控制方案，并将控制方案标注在工艺流程图上；（3） 假设系统主要干扰为塔底产品流量 Rb与进料轻组分含量xf，如何改善上述方案，以尽可能克服这些干扰对塔顶馏出物中重组分含量的影响？（4） 若后续反应器的生产需求量突然提高（即 FC34的设定值提高），试解 释你所设计的控制系统如何响应直至达到新的稳态？图12