2.自动控制系统的基本概念

87一套用DDZ-Ⅱ型单元组合仪表构成的温度控制系统，设它是用改变加热蒸汽量来调节的，方块图如图2-3所示

图2-3  用DDZ-Ⅱ型单元组合仪表构成的温度控制系统
    ①请说明x、z、e、f、y所表示的专业术语是什么？
    ②气动薄膜调节阀环节的输入、输出各是什么物理量？
    ③设工艺要求温度保持在150℃±3℃。当系统在某一幅值的阶跃扰动作用下，系统在调节的整个过程中，记录仪表反映出温度(z值)某一瞬间的最大超量是3 ℃，没有超过工艺要求。问实际的温度(y值)变化是否也符合工艺要求？实际最大超调量比3℃大还是小？为什么？
    ④当系统过渡过程结束后，记录仪上所记下的温度值能否代表实际温度？
答：
    ①x是给定值、z是测量值（温度）、e是偏差(e=x-z)，f是干扰、y为被调参数（温度）的真实值。
    ②气动薄膜调节阀输入p是20-100kPa气信号，输出q是调节参数蒸汽流量。
    ③实际温度变化超调量大于3℃，超过工艺要求。由于温度测量的一次元件是惯性时间圈套的滞后环节，因而调节动态过程瞬时的测量值与真实值是不一样的，最大偏差及超调量实际值要大于测量值 。
    ④当系统过渡过程结束后，静态测量值能代表真实值，因此记录仪上的记录值是实际温度值。

88试分析如图2-4所示酒精蒸馏塔塔顶温度控制方案，以塔顶温度作为被调参数是否合理？

  图2-4 酒精蒸馏塔塔顶温度控制方案
     由相律关系
自由度数(f)=组分数(c)+相数(p)-2
    因为酒精蒸馏塔内进行酒精与水的分离组分数为2(即酒精和水两组分)，且相数为2（呈气、液两相）
    所以
自由度数=2+2-2=2
     由所求得F=2来看，似乎应该控制两个参数才合理。但是由图可知，冷凝罐上部通大气，因此实际上已恒定了冷凝罐与蒸馏塔的压力，客观上塔压已被控制，因此用塔顶温度作为被调参数是合理的。

89图2-5各控制方案是否合理？理由如何？

     图2-5（a）不合理。离心泵不能在吸入口安装阀门，否则，当阀门关小时极易产生汽蚀现象。
   图2-5（b）合理。因为有旁通阀和泵出口压力控制系统使往复泵可以在其出口直接节流。
   图2-5（c）不合理。压力检测点不对，为保证阀前燃油压力稳定，会使燃油量变化较大，无法使炉温稳定，应将油压点移至阀后，测烧嘴的背压。
  图2-5（d）合理。根据被冷却介质（出口）温度调节氨冷器氨气侧的蒸发压力，而蒸发压力又对应一定的蒸发温度，所以调节NH₃排出量实际上调整了氨冷器内氨蒸发侧的温度，使传热温差得到调整，即可达到调节出口温度的目的。
   图2-5（e）不合理。塔釜为恒定加热量。当受某种扰动使釜温上升时，气开阀将开大，放出一部分重组分物料，塔釜物料的减少，使塔内温度上升更快，从而构成一个正反馈系统，不能正常工作，降温亦如此。
   图2-5（f）不合理。汽液混合进料不能采用这种温度控制。因为当改变加热蒸汽量时进料的温度并不变化，只是汽液比发生了变化。应改为热焓控制，控制进塔物料的热量。

90气体脱硫装置的PRC-203与PRC-204（自控流程如图2-6）不能同时投入自控，其原因是什么？怎样改进？

   不能同时投自控，原因是：
    ①从流程图可看出，塔205中部压力与容208压力是关联的，任一个压力变化，另一个压力即跟着变化；
    ②两者选用的都是压力控制系统，反应速度都较快，互相干扰较大。
    改进措施：容208的压力实际上代表着塔205的压力，故塔205的压力不需要再控制而改用塔顶温度调节进换202的蒸汽量，使两个调节回路的响应速度变成一快一慢，减少互相干扰。改进后的自控流程如图2-7所示。

91图2-8的自动控制系统错在哪里？

 
      有人为解决造气工段入炉蒸汽压力不稳的问题，提出图2-8所示的方案。理由是压力自动控制系统能够稳压，蒸汽缓冲罐也有稳压作用，图中方案两者兼而有之，可以解决蒸汽稳压问题。安装以后投入运行，结果适得其反。请问这个方案错在哪里？
     答：因为进气工段的蒸汽经截止阀以后，有一路经过蒸汽缓冲罐进到入炉蒸汽总管，调节阀的动作根本控制不了八炉蒸汽总管的流量 ，也就控制不了入炉蒸汽总管的压力。 图2-8  自动控制系统
 

92用变送器的输出直接控制调节阀，能否起调节作用？

 
      这要视控制要求而定。
      所谓控制，指的是把被调参数控制在某个给定值上，因此系统中要有调节器，使被调参数和给定值 在调节器内进行比较，如果两者不等，调节器的输出就去调节阀门开度。但若变送器直接控制调节阀，那就没法给定，也不能按要求的控制规律去调节阀门开度，因此不能把被调参数控制在所需值上，而只能围绕某个不可调的值上下波动。如果变送器的量程可调，则波动可约束在某个范围，这对要求不高的控制系统，有时也能满足要求。

93锅炉除氧器的水温控制，除了用温度控制系统外，是否可以用其他方法控制？

 
       除氧器里的水温随蒸汽的加热变化惯性很大，这样就给自动控制带来了滞后现象，水温不能实现理想的自动控制，使除氧效果不好，故直接影响锅炉用水的水质标准。考虑到蒸汽的压力和温度有一对应关系，可以采用控制除氧器里的蒸汽压力来控制除氧器的水温，这样就克服了滞后现象，除氧后的水质完全达到了锅炉的用水标准。
       其他类似的温度调节也可以用压力来进行间接控制。

94锅炉自控风量调节系统（图2-9），由于暂缺风量变送器，系统为开环控制，为了提高系统的稳定性，试问用何种简单方法使开环变成闭环？ 

  图2-9 锅炉自控风量调节系统
      将执行器的位置反馈电流延伸到调节器作为调节器的电流外给定，使系统构成闭环。这样做的好处是：由于风量的大小与阀门的开度有关，闭环之后，把阀门的开度信号反馈至调节器，使系统的稳定性得到提高。

95控制系统中调节器确定正、反作用的依据什么？单参数控制系统中调节器的正反作用应怎样选择？

  图2-10 控制系统
        前一问的依据是实现闭环回路的负反馈。
　　对后一问先做两条规定：
　　①气开调节阀为+Ａ，气闭调节阀为-Ａ；
　　②调节阀开大，被调参数上升为+Ｂ，下降为-Ｂ，则
　　　　　Ａ·Ｂ＝＂+＂调节器选反作用
　　　　　Ａ·Ｂ＝＂一＂调节器选正作用
       图2-10所示被调参数是液位，阀为气开为+A，阀开大，液位下隆为一B，则（+A）·（一B）=“一”，调节器选正作用。

96图2-11例中，控制系统中的调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？

 
      图2-11(a)选定调节器为正作用
      图2-11(b) 选定调节器为反作用
      图2-11(c) 选定调节器为反作用
      图2-11(d) 选定调节器为正作用
      图2-11(e) 选定调节器为反作用 图2-11  控制系统

97请判定图2-12所示温度控制系统中，当工况为以下情况时，调节阀和调节器选择什么样的作用形式。

 
    ① 当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质、调节介质为过热蒸汽时；
    ②当物料为温度过高时易结焦或分解的介质、调节介质为过热蒸汽时；
    ③当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质、调节介质为待加热的软化水时；
    ④当物料为温度过高时易结焦或分解的介质、调节介质为待加热的软化水时。
答：
    ①气闭调节阀、正作用调节器；
    ②气开调节阀、反作用调节器；
    ③气开调节阀、正作用调节器；
    ④气闭调节阀、反作用调节器；
 

98图2-13所示为加热炉温度控制系统。根据工艺要求，出现故障时炉子应当熄火。试说明调节阀的气开、气闭形式，调节器的正、反作用方式怎么选择？并简述调节系统的动作过程。

 
      故障情况下，气源压力为零，应切断燃料以确保护炉子熄火。故要求调节阀为气开式，气源中时关闭。
      当炉温增高时，要求燃料量减少，即减小调节阀开度。由于是气开阀，所以要求调节器输出减小，应选用反作用调节器。
      调节系统的动作过程如下：
      进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓
     反之，由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑

99图2-14(a)为一蒸汽加热器，它的主要作用是对工艺介质加热，要求此介质也口温度恒定。

 
    ①怎样选择被调参数和调节参数组成调节回路（直接用图例符号在图上标明即可），并画出方块图？ 图2-14  蒸汽加热器
    ②如何决定调节阀的气开、气闭形式和调节器的正、反作用？
    ③当被加热的流体为热敏介质时，应选择怎样的调节方案为好？
答：
    ①选择被调参数和调节参数如图2-14(b)所示，方块图表示如图2-14(c)所示。
    ②对一非热敏介质或易结晶介质应选气闭式，调节器的作用方向应是正作用的。
    ③对于热敏介质，为防止局部过热而汽化，调节参数不宜为蒸汽而应选冷凝水为好，即将调节阀装于冷凝水管线上。
 
 

100图2-15所示为一液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。怎样选取调节阀气开、气闭形式和调节器的正、反作用？这一调节回路的工作过程怎样？

 
     因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气闭式。当液位升高时，要求调节阀开度增大，由于所选的是气闭调节阀，故要求调节器输出减少，调节器是反作用。 图2-15  液面调节回路
    其工作过程如下：
    液位↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。
 

101简要说明各类常见调节系统的特点怎样？相应如何选择调节阀的流量特性？