过程控制工程2009-2010考试题(ZJU)

浙江大学2009–2010学年春夏学期《过程控制工程》课程期末考试试卷请考生仔细阅读以下注意事项：1.诚信考试，沉着应考，杜绝违纪。2.课程号：11120510__，考试试卷：√A卷、B卷（请在选定项上打√）3.开课学院：_控制系____4.考试形式：√闭、开卷（请在选定项上打√），允许带__计算器__入场5.考试日期：2010年07月01日,考试时间：120分钟考生姓名：学号：所属院系：_题序一二三四五六七八总分得分评卷人一、（19分）填空题（每空1分）1.反馈控制系统由（被控）对象，测量变送，末端执行器和控制器四部分组成。2.采用纯比例控制时，Kc增大控制作用增强，系统的稳定性变差，余差会变小。3.假设真实过程的传递函数为2152611581sssess，建立的内部模型为2182611861sssess，则可设计内模控制器为21861(1)(31)fssTss。4.温度变送器的量程为50～150℃，输出为4～20mA。假设采用12位的A/D，当实际的测量值是100℃时采样值为100000000000b。5.数字PID的位置式为1()()()()(1)ksdcsiisTTukKekeiekekuTT，增量式为()()(1)()()2(1)(2)sdcisTTukKekekekekekekTT。6.假设图1所示的锅炉三冲量控制系统中蒸汽和给水流量均为线性测量变送，加法器的运算式为0123OLVWICCICICI。若蒸汽量的仪表量程为VMFT/hr，给水量的仪表量程为WMFT/hr；而对于调节阀开度的变化，对应的水量变化为FK（T/hr）/%。工艺上要求给水流量和蒸汽流量相等。当给水阀为气开阀时，为实现对蒸汽量的理想静态前馈控制，则系数2C和3C应的关系应为321100VMWMFCCFFK。LC蒸汽汽包省煤器给水∑ILIVIWIOIBQAQBIAFC×I0Is图1锅炉三冲量控制系统图2比值控制系统7.图2所示为一个乘法器实现的比值控制系统，采用DDZ-III型仪表，且两个流量测量变送器都为线性变送器。已知BQ的量程为0~7000kg/h，AQ的量程为0~4000kg/h。若已知两个流量期望的比值ABQQ0.5，则18mAsI。8.在阶跃响应测试中，选择对象的近似模型为一阶加纯滞后模型，则由图3可知模型的静态增益1010yyKuu，时间常数21TTT，纯滞后时间10TT。tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2p蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTC∑前馈控制器T2mRFmRVmu图3阶跃响应测试图4换热器串级前馈控制系统FCFCPCAC蒸汽压力燃料量空气量含氧量×燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K129.图4所示的换热器串级前馈控制系统中采用的蒸汽流量调节阀是一个气开阀，则流量控制FC为反作用控制器，温度控制器TC为反作用控制器，前馈控制器为正作用控制器。假设干扰通道的传递函数为0.52()7.8%()()31/smYDFTseGsRssThr，控制通道的传递函数为0.22()2.0%()()6.31%smYCVspTseGsRss，介质流量FR的传感变送器的传递函数为%()4.0/DMDTGsKThr，则可得前馈控制器0.36.31()0.97531sffsGses。二、（11分）选择题：1.通常情况下温度对象多采用d控制律。a、比例Pb、比例积分PIc、比例微分PDd、比例积分微分PID2.一个串级控制系统中，主被控变量是温度，其变送器量程从原来的0-200℃改为80-120℃。在只考虑静态的情况下，副控制器比例度应该c，主控制器比例度应该a。a、变大b、变小c、不变d、随便3.图5为一个液体储罐对象，通过调节进液阀来保持储罐的液位H不变。假设该系统的主要扰动来自出液截止阀的开度变化，仅考虑补偿静态特性Kp的变化，应选择进液阀为c。a、快开阀b、线性阀c、对数阀d、截止阀图6锅炉燃烧控制图5储罐液位系统4.图6所示为锅炉燃烧控制，当图中的1处采用c，2处采用d时能实现正确的逻辑提降过程，即增加燃料时是先增加空气再增加燃料量，减少燃料时是先减少燃料再减少空气量。a、加法器b、乘法器c、低选器d、高选器5.在图7中所示的换热器出口温度控制方案中实际上是通过b来调节传热量的。a、改变传热系数b、改变平均温差c、改变传热面积d、前3项都有HQiQoATCLC氨气液氨TCY“A”“B”蒸汽冷水T图7换热器出口温度控制图8聚合反应器温度分程控制6.对于图8所示的聚合反应器温度分程控制系统，为实现在反应开始阶段通入蒸汽来提高反应温度；反应正常进行时通冷水来降低反应器的内部温度。蒸汽阀B应为a，分程区间为d；冷水阀A应为b，分程区间为c。a、气开阀b、气关阀c、0.02-0.06MPad、0.06-0.10MPa三、（10分）判断题：1.通过选择调节阀的“气开/气关”特性来保证控制回路是负反馈回路。（答案：×）2.由于串级控制系统比单回路控制更能够有效抑制干扰，在设计控制方案时应尽可能选择串级控制而不是单回路控制。（答案：×）3.串级控制系统能有效抑制副回路中的干扰，因此在选择副变量时应将所有的干扰都包含到副回路中。（答案：×）4.对于比值控制，假设期望两个流量QA和QB的比为1:2，则只需将比值器的K值设置为0.5即可。（答案：×）5.选择性控制系统中，要同时根据两个控制回路来决定应该采用高选器还是低选器。（答案：×）6.某简单精馏塔，要求控制其回流罐液位LD和精馏塔塔底液位LB，可操纵变量为回流量L，塔顶产品采出量D，塔底产品采出量B，再沸器加热量QH。若精馏塔塔顶采出量D和塔底采出量B的比大于10：1，则可用回流量L控制塔顶液位，塔底采出量B控制塔底液位。（答案：×）7.采用临界比例度法整定PID控制器参数时，首先将控制回路切换到手动，并将控制器的积分作用和微分作用全部切除，按比例增益Kc由小到大变化，对应于某一Kc值作小幅的设定值阶跃扰动，以获得临界情况下的等幅振荡。然后根据临界振荡周期Pu和控制器临界比例增益Kcmax，查表求取控制器的最佳参数值。（答案：×）8.对于多输入多输出系统，可根据静态增益的大小来选择变量配对。（答案：×）9.串级系统对副对象特性的变化具有较好的鲁棒性，因此副对象特性的变化对主、副回路的控制品质没有很大的影响。（答案：×）10.前馈控制是基于模型的开环控制。（答案：√）四、（10分）论述题（每题5分）1.图9所示的串级系统，分别在12,uu阶跃干扰下从一个稳态过渡到另一个稳态。当1cG和2cG都为PI作用时，试分析能否保证1122()(0),()(0)yyyy？ses2135ses218711s121s1CG145.2s155.1s2CG1u2u1y2y图9串级控制答：由于1cG为PI控制，在干扰情况下从一个稳态过渡到另一个稳态后应该没有余差，因此有111()(0)spyyy。在1u干扰下，由于11()(0)uu，所以22()(0)yy。在2u干扰下，由于11()(0)uu，所以22()(0)yy。2.试分析图10所示的两个系统各属于什么系统？并说明理由。（a）（b）图10两个系统的结构图答：图10（a）为前馈反馈控制，（b）为串级控制。串级控制和前馈反馈控制的区别在于第二个被检测变量（图（a）中为原油的流量，图（b）中为燃料油的流量）是否会受到调节阀的影响。显然图（a）中原油的流量不会受到燃料油调节阀的影响，而图（b）中燃料油调节阀直接改变燃料油的流量。五、（10分）对于图11所示的加热炉温度控制系统，假设采用继电器自整定方法来确定TC控制器的参数。继电器的幅度为2.0d，可得到图12所示的输入输出曲线。试计算控制器的参数。表1Z-N整定控制器参数控制器KcTiTdPPIPID0.5Ku0.4Ku0.6Ku0.8Tu0.5Tu0.12Tu图11加热炉反馈控制图12输入输出响应曲线答：由图12可得，振荡周期Tu=11min；振幅a=0.6。因而对应的临界控制增益为44*24.253.14*0.6udKa由于是温度控制，因此选择PID调节器，则由Ziegler-Nichols闭环整定法得到调节器参数为：KC=0.6*Ku=2.55，Ti=0.5*Tu=5.5min，Td=0.12*Tu=1.32min。TC进料出料燃料TTmTspRfu六、（10分）图13所示为一个加热炉对象，出料温度和燃料的阀后压力可测，燃料流量可调。试设计控制系统使得出料温度保持稳定，同时保证阀后压力不要过大，以免发生脱火的情况。1.画出带控制点的工艺流程图（可表示在原图上）；2.画出防积分饱和信号连接示意图。??????图13加热炉对象答：1、带控制的流程图如下图13-1所示。TCPCLS燃料进料出料图13-12、上图中的虚线即为防积分饱和信号连接。七、（15分）图14为一个精馏塔的两端质量指标控制流程图。假设已经建立塔底与塔顶温度BT、DT与回流L和再沸器加热量HQ之间的关系：0.60.751.80.352.161.26()()8.2517.051()()2.754.288.2519.01ssDssBHeeTsLsssTsQseess。现选择回流L来控制塔顶温度DT，再沸器加热量HQ控制塔底温度BT。1.试分析这种变量配对是否合适？2.该方案是否需要进行解耦控制？如果需要，请设计前馈解耦环节，并画出解耦控制系统的方块图。答：图14精馏塔的两端质量指标控制流程图1、可得静态增益矩阵为2.161.262.754.28K，可求得相对增益矩阵为1.60.60.61.6。因此变量配对合适。2、由于相对增益为1.6，因此变量对之间的耦合严重，需要进行解耦控制。解耦控制的方块图如图14.1所示，两个解耦环节分别为：0.7512120.6111.26()7.051()2.16()8.251sseGssDseGss，所以0.15120.588.251()7.051sseDss1.821210.35222.75()8.251()4.28()9.01sseGssDseGss，所以1.45210.649.01()8.251sseDssGc2(s)D12(s)D21(s)Gc1(s)G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)r1r2DTBTDLCFBLCTCQHTC精馏塔LPC图14.1解耦方块图八、（15分）某锅炉燃烧系统如下图15所示，工艺上采用燃料油和瓦斯气两者并用。其中瓦斯气为能源回收利用，有多少就用多少，但其流量不稳定，且只能提供所需热量的25%-35%左右。燃料油流量可选作操纵变量，但油源压力不稳定。假设瓦斯气流量、燃料油流量以及蒸汽压力可测，且两个流量计完全相同。为保持蒸汽压力稳定，请利用已有的测量变送器、调节阀以及PID控制器和加法器设计控制系统（加法器的输出为11220IcIcIc）。1.画出带控制点工艺流程图（可表示在原图上）；2.画出系统的方块图，并给出系数1c和2c的值。（已知燃料油的热值为2，瓦斯气的热值为1）；3.标出控制阀的气开、气关形式及控制器的正反作用。瓦斯气燃料油蒸汽1F2FP给水图15锅炉燃烧系统答：1、带控制点的工艺流程图如图15-1所示瓦斯气燃料油蒸汽1F2FPPC给水FC1c2c图15-12、控制方框图如图15-2所示PCFC燃料油调节阀蒸汽压力控制通道蒸汽压力干扰通道燃料油测量变送—蒸汽压力测量变送—瓦斯气流量测量变送压力设定值P1F2F2c1c图15-2图中系数分别为：11c，122c3