过程控制与自动化仪表(第3版) 第7章 思考题与习题

图 7-7 题（15）图
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 233
将
I2

(I1

4) (I0 16

4)

4
所以
K

q2 q
1
K'

I2 I1
4 4
带入式（7‐3）得到 K ' I 0 4
16
（7-2） （7-3）
I 0 16K ' 4
（7-4）
I0
K I2
I1
-
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 230
答： 1）比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的 特性。 2）非线性特性使系统的动态特性变差。 3）通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号 之间呈现线性关系。 （4）同单回路控制、串级控制相比，比值控制系统的参数整定有何特点？ 答： 在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主动量回路可按单回路控制系统进行整定； 变比值控制系统因结构上属串级控制系统，所以主调节器可按串级控制系统的整定方法进 行。这样，比值控制系统的参数整定，主要是讨论单闭环、双闭环以及变比值控制从动量 回路的整定问题。由于这些回路本质上都属随动系统，要求从动量快速、准确地跟随主动 量变化，而且不宜有超调，所以最好整定在振荡与不振荡的临界状态。 （5）什么是均匀控制？常用均匀控制方案有哪几种？试述设置均匀控制的目的与要 求。 答： 1）均匀控制是将两种控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供 求之间的矛盾的控制系统。 2）常用的均匀控制方案有：简单均匀控制系统、串级均匀控制系统。 3）设置均匀控制的目的是使前后设备的工艺参数相互协调、统筹兼顾，以确保生产 的正常进行；要求是完成生产工艺所要求的特殊控制任务。 （6）从调节器参数整定来看，怎样区分均匀控制和液位或流量的定值控制？均匀控 制参数整定有何特点？ 答： 1）由于均匀控制和定值控制的控制目的不同，所以对控制的动态过程要求就不同， 调节器的参数整定也不一样。均匀控制系统在调节器参数整定时，比例作用和积分作用均 不能太强，通常需设置较大的比例度（大于 100%）和较长的积分时间，以较弱的控制作 用达到均匀控制的目的。 2）均匀控制参数整定的特点：参数均应缓慢地变化，参数变化应限制在允许的范围 内。 （7）什么是均匀控制系统参数整定的停留时间法？参数整定是怎样进行的？ 答： 1）停留时间法是指被控参数在允许变化的范围内、依据控制介质流过被控过程所需 要的时间整定调节器参数的方法。停留时间 t（单位为 min）的计算公式如式（7‐1）所示：
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 231
t V q
（7-1）
式中，q 是正常工况下的介质流量；V 是容器的有效容量。
2）具体整定方法归纳如下：
a）副调节器按简单均匀控制系统的方法整定。
b）计算停留时间 ，然后根据表 7‐1 确定液位调节器的整定参数。
c）根据工艺要求，适当调整主、副调节器的参数，直到液位、流量的曲线都符合要
4mA)

4mA ，其中
I1 与
I0
分别为乘法器的两个输入信号），流量用孔板
配差压变送器来测量，未加开方器，如图 7‐5 所示。
1）画出该比值控制系统框图；
2）如果 q1 : q2 2 :1，应如何设置乘法器的设定值 I0 ？
q1
q2
图 7-5 题（14）图
答： 1）画出该比值控制系统框图如图 7‐6 所示： 2）如果q1 : q2 2 : 1
反向动作调节阀？
答：
如果两个调节阀同为气开式或同为气关式，那么选用同向动作调节阀；如果两个调节
阀一个为气开式，另一个为气关式，那么选用反向动作调节阀。
（ 14 ） 某 比 值 控 制 系 统 用 DDZ‐ Ⅲ 型 乘 法 器 进 行 比 值 运 算 （ 乘 法 器 输 出
I2

(I1

4mA)(I0 16mA
平滑，这对系统的平稳运行是不利的。
3）为了解决这一问题，可采用如下方法：
选择流量特性合适的调节阀，如选用两个流通能力相等的线性阀，使两阀的流量特性
衔接成直线。
使两个阀在分程点附近有一段重叠的调节器输出信号，这样不等到小阀全开，大阀就
已开始启动，从而使两阀特性衔接平滑。
（13）在分程控制系统中，什么情况下需选用同向动作调节阀？什么情况下需选用
2）确定调节器的正、反作用形式； 3）画出该系统的框图，并简述其工作原理。 答： 1）A、B 两调节阀同为气开式。每个阀的工作信号段如图 7‐8 所示，刚开始的时候， 阀 A 开始打开，阀 B 处于全关状态；当信号增大到 0.06MPa 时，阀 A 全开，阀 B 开始打 开；当信号增大到一定程度后，阀 B 全开。
阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内全行程动作，这种控制系统被称为 分程控制系统。
2）特点：在一般的过程控制系统中，通常是调节器的输出只控制一个调节阀。但在 分程控制系统中，将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。
（9）分程控制系统是怎样进行分类的？可分为哪几类？ 答： 根据调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同。 分程控制系统有两种类型：调节阀同向动作、调节阀异向动作。
不带开方器时： K '


K

q1 max q 2 max
2


1.81
带开方器时： K '

K
q1 max q 2 max
1.35
3）选择 A 阀为气开阀，主对象为正环节，测量变送为正环节，则主调节器为反作用。
选择 B 阀为气开阀，副对象为正环节，测量变送为正环节，则副调节器为反作用。
1）设计一个比较合适的比值控制系统；
2）计算该比值控制系统的比值系数 K （假定采用 DDZ‐Ⅲ型仪表）；
3）选择该比值控制系统调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。 答：
1）比值控制系统如图 7‐12 所示：
图 7-12 比值控制系统
2）计算该比值控制系统的比值系数 K ' （假定采用 DDZ－Ⅲ型仪表）;
阀开度(100%)
图 7-8 阀的工作信号段图示
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 234
2）由于选用的调节阀为气开式，故 K v 为正；当给被控过程输入的天然气增加时，出口温
度升高，故 K 0 为正，测量变送器的 K m 通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的
乘积为正，则调节器的 K c 应为正，故选用反作用调节器。
第 7 章 思考题与习题
1．基本练习题
（1）什么叫比值控制系统？它有哪几种类型？画出它们的原理框图。 答：
1）比值控制系统就是实现副流量 F 与主流量 F 成一定比值关系，满足关系式：
2
1
K

F2 F
的控制系统。
1
2）比值控制系统的类型：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控
制系统、变比值控制系统。
向另一调节阀过渡时，其流量变化需要平滑？在工程设计上如何来实现这一要求？
答：
1）分程控制信号的确定取决于工艺的要求，例如考虑到设备的安全和节能要求。
2）因为如果从一个调节阀向另一调节阀过渡时流量变化不平滑，那么两只调节阀组
合在一起构成分程控制时，在分程点处的流量变化就会不平滑，这会导致总流量特性的不
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 235
q1
Gc (s)
Gv (s)
h(s)
G02 (s)
G01 ( s )
q2
Gm2 (s)
Gm1 ( s )
2．综合练习题
图 7-11 系统的方块图
（1）某化学反应过程要求参与反应的 A、B 两物料保持q1 : q2 4 : 2.5 的比例， 两物料的最大流量q1 max 625m 3 / h ，q2 max 290m 3 / h ，通过观察发现 A、B 两物料流 量因管道压力波动而经常变化。根据上述情况，要求：
图 7-10 题（16）图
答： 1）系统的方块图如图 7‐11 所示： 2）根据工艺要求，调节阀的气关； 流量调节器选择正作用方式，液位调节器选用反作用调节器； 选择器应为低值选择器。 3）系统的工作原理为：系统在正常运行时，下限节点是断开的，电磁阀得电，低值 选择器选择信号控制调节阀。当水箱液位上升到极限时，液位调节器输出大幅下降，并低 于调节器的输出值（反作用），此时通过低值选择器选择了的输出信号，调节阀开度变大， 增大了出口流量，降低了水箱液位。
3）结构原理图分别如图 7‐1，图 7‐2，图 7‐3，图 7‐4 所示：
图 7-1 开环比值控制系统 （a）开环比值控制系统原理图 （b）开环比值控制系统方框图
图 7-2 单闭环比值控制系统 （a）单闭环比值控制系统原理图 （b）单闭环比值控制系统方框图
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 229
控制器
控制阀
测量变送
对象
测量变送
图 7-6 比值控制系统框图
（15）图 7‐7 为管式加热炉原油出口温度分程控制系统。两分程阀分别设置在天然气 和燃料油管线上。工艺要求尽量采用天然气供热，只有当天然气量不足以提供所需热量时， 才打开燃料油调节阀和为补充。根据上述要求确定：
1）A、B 两调节阀的气关、气开形式及每个阀的工作信号段（假定分程点在 0.06MPa 处）；
（11）什么叫积分饱和现象？在选择性系统的设计中怎样防止积分饱和现象？ 答： 积分饱和现象是指由于长时间存在偏差而导致调节器的输出达到最大或最小。
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 232
为了防止积分饱和现象，通常采用外反馈法、积分切除法、限幅法等措施加以克服。
（12）在分程控制系统设计中，分程控制信号是怎样确定的？为什么从一个调节阀
第 7 章 实现特殊工艺要求的过程控制系统 236
求为止。
表 7-1 整定参数与停留时间的关系
停留时间 t /min
<20
20～40
>40
比例度 （%）
100～150
150～200
200～250
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积分时间 Ti /min
5
10
15
（8）什么叫分程控制？与前述过程控制方案（如单回路、串级等）相比，有何特点？ 答： 1）根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节
（10）什么叫选择性控制？试述其常用的系统分类及应用。 答：
1）选择性控制是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控 制系统上而形成的一种控制方法。
2）自动选择性控制系统按选择器所选信号不同大致可分为两类。选择调节器的输出 信号，应用实例：锅炉燃烧过程压力自动选择性控制系统；选择变送器的输出信号，应用 实例：化学反应过程峰值温度选择性控制系统。
调节器 -
天然气 燃料油
对象
测量变送
图 7-9 系统的框图
3）系统的框图如图 7‐10 所示。 工作原理：在一般情况下，燃料油调节阀关闭，天然气调节阀工作；若在此情况下仍 不能满足出口温度的要求时，调节阀输出信号同时使燃料油调节阀打开，以满足出口温度 的要求。 （16）图 7-31 所示高位槽向用户供水，为保证供水流量的平稳，要求对高位槽出口 流量进行控制。但为了防止高位槽水位过高而造成溢水事故，需对液位采取保护性措施。 根据上述情况要求设计一连续型选择性控制系统。试画出该系统的方块图，确定调节阀的 气开、气关形式和调节器的正、反作用形式以及选择器的类型，并简述该系统的工作原理。
图 7-3 双闭环比值控制系统 （a）双闭环比值控制系统原理图 （b）双闭环比值控制系统方框图
图 7-4 变比值控制系统 （a）变比值控制系统原理图 （b）变比值控制系统方框图
（2）比值控制中的比值与比值系数是否是一回事？其关系如何？ 答： 1）工艺要求的比值系数 K，是不同物料之间的体积流量或重量流量之比，而比值器 参数 K’，则是仪表的读数。它与实际物料流量的比值 K，一般情况下并不相等。因此， 在设计比值控制系统时，必须根据工艺要求的比值系数 K 计算出比值器参数 K’。当使用 单元组合仪表时，因输入‐输出参数均为统一标准信号，所以比值器参数 K’必须由实际 物料流量的比值系数 K 折算成仪表的标准统一信号。 2）当物料流量的比值 K 一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物 料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。当物料流量的比值 K 一定，流量与 其检测信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈 线性关系。 （3）什么是比值控制中的非线性特性？它对系统的控制品质有何影响？在工程设计 中如何解决？