过程装备控制技术复习试题

一、填空题( 20分 )

1、对控制系统的基本要求:稳定性、快速性、准确性。

2、控制系统的组成:(1)被控对象 (2)测量元件和变送器 (3)调节器 (4)执行器。

控制系统按输出信号对操纵变量的影响分:开环控制系统和闭环控制系统。

控制系统按克服干扰的方法分:反馈控制系统、前馈控制系统和前馈反馈控制系统。、过渡过程的基本形式:发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程和非振荡衰减过3

程。

4、复杂控制系统分为:串级控制系统、前馈控制系统、分程控制系统、选择性控制系统、均匀控制系统和比值控制系统。

5、控制系统对象特性参数:放大系数K、时间常数T、滞后时间τ。

6、连续生产过程所遵守的两个最基本的关系:物料平衡和能量平衡。

7、PID调节器的参数整定调节器的参数整定:整定内容;调节器的比例度δ，积分时间 T1 和微分时间 TD的整定方法;?经验试凑法、?临界比例度法、?衰减曲线法。 8、最常见测量温度的传感器:热电偶和热电阻传感器。

9、仪表的精度等级1.0级表明:允许引用误差为 1.0%。

10、流量计的分类流量计的分类:A 压差式流量计、B 转子式流量计、C 电磁式流量计。二、选择题(共10分)

1、程装备控制的主要参数:温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和物性等。 2、被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响 (1)放大系数 K 对控制通道，K

;对干扰通道，K 值越小，相同干扰值大，控制灵敏，但被控变量不易控制，系统不稳定

产生的作用越小，利于控制。

3、热电偶温度仪表由热电偶、电测仪和连接导线组成。热电偶是由两种不同的导体或半导体材料焊接而成。焊接的一端称为热端，与导线连接的一端称为冷端。 4、调节阀的类型根据阀芯的动作形式可分为直行程式和转角式。

属于直行程式的阀有直通双座阀、直通单座阀、角型阀、三通阀、高压阀、超高压阀、隔膜阀等。属于转角阀的有蝶阀、球阀和凸轮挠曲阀等。

5、按照所用能源调节器可分为直接作用式调节器和间接作用调节器。

6、计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类:(1)数据采集和数据处理系统、(2)直接数字控制系统(DDC)、(3)监督控制系统 SCC、(4)分级计算机控制系统、(5)集散型控制系统。

7、常见的流量特性分类及其使用特性:A.理想流量特性 :?直线流量特性，在流量小时，流量的变化值大，而流量大时，流量变化的相对值小。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。?对数流量特性，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。?快开流量特性，主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。?抛物线流量特性，介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。B.工作流量特性 :?串联管道工作流量特性、?并联管道工作流量特性。

8、计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成:计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成,硬件部分主要包括计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台等;软件是指计算机系统的程序系统。

9、控制系统中常用的调节规律有:PPI和PID调节。

10、被控对象的滞后分为纯滞后和容量滞后。

三、简答题(共20分)

1、在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响, 答:对于不同的通道，对象的特性参数(K，T ，τ)对控制作用的影响是不同的。对于

控制通道:

放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小;放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大;若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大

偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间τ。

对于扰动通道:

放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大;而放大系数k小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ时间才进入系统，并不影响控制系统的品质;而容量0

滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的

2、什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点, 答:?位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数值(最大或最小)，其执行机构只有两个特定的位置(开或关)。位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

?积分控制(P)是指调节器的输出信号变化量与输入信号变化量e(t)成比例关系:， --比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。

?积分控制(I):调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，即:式中--积分速度，--积分时间。积分规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

?微分控制(D)--指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。即--微

分时间。

微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性;由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。故也不单独使用。

3、比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱,并分别说明它们对控制质量的影响。

答:?比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低;其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

?积分控制——积分时间T表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分I

控制作用越强。积分时间T的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消I

除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

?微分控制——微分时间T是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间T越DD大，表示微分控制作用越强。增加微分时间T，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，D

提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。 3 热点偶有那些特点,用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同,试证明补偿导线的补偿作用。

答:热电偶的特点有:测量精度教高，性能稳定;结构简单，易于制

造，产品互换性好;将温度信号转换成电信号，便于信号远传和象

现多点切换测;测量范围广，可达,200,2000?，形式多样，适用

于各种测量条件。选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的

热电偶具有相同的热电特性，型号相配，极性连接正确。补偿导线的

作用证明:

如图所示:回路中电势为:

E,E(t，t1)，E(t1，t0) abcd

由补偿导线的性质得:E(t1,t0)=E(t1,t0) cdab

?E,E(t，t1)，E(t1，t0),E(t，t0) ababab

补:用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温度相同热电势不同，故一般接热电偶的冷端，因此冷端温度依然是现场温度。而用补偿导线却可以将冷端温度现场温度分开，利于测量。

4 (PID调节器是由哪些基本部分组成的,试分析各部分所完成的功能。

答:PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID运算电路。(输入电路包括偏差检测电路，内给定稳压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等)。

PID运算电路:根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节器实现PID控制规律的关键环节。

输出电路:将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的组后一级，提供调节器的输出信号。

四、分析计算(共20分)

1(有一电动比例调节器，器输入电流范围为4,20mA，输出电压范围是1,5V。试计算当比例度规定在40,时，输入电流变化4mA所引起的输出电压变化量为多少?

,xxmaxmin,,0.4,解:? p

pp,maxmin

204,即 ,0.4 ,u

51,

,,uV2.5

即:输出电压变化量为2.5V

2 6.某被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。

解:方框图见:

生产过程

测量测控

量制

模拟仪表

SCC2控机

3(已知模拟调节器的传递各数G(S)=(1+0.17S)/0.085S，现在要用数字PID算法来实现，试分别写出相应的位置式和增量式PID算法表达式，设采样周期为To=0.2S.

10.17，s解:由G(S)=，可得:=1 =0.17 =0.085 KTTpID0.085s

kTTD位置式 u(k)= {e(k)+} ()[()(1)]，,,Keiekek？,pTT,0iI

代入 T=0.2

k0.20.085 u(k)= {e(k)+} eiekek，,,？()[()(1)],0.170.2,0i

增量式:

,u(k)= + KKekKekekek()[()2(1)(2)]，,,，,[()(1)]ekek,,pID

T10.085，T10.2，D其中: KK,,KK,,DpIpT0.2T0.17I

10.210.085，，, u(k)= + ekekekek()[()2(1)(2)]，,,，,[()(1)]ekek,,？0.170.2

五、综合题(共30分)

试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。答:电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种:四线制和两线制，四线制中，供电电源通过两根导线接入，另两根导线与负载电阻R2相连，输出0,10mA DC信号。这种连线方式中，同变送器连接的导线共有4根，成为四线制，如图(a)所示。如图b中所示，同变送器连接的导线只有两根，同时传送变送器所需的电源电压和4,20mA DC输出电流，称为两线制。

-220V 010 mA

现场变送器现场变送器

(a) (b)

2(试列出一些改进的PID算法，并分析其改进特点及适用场合。

答:改进的PID算法有:(1)带有死区的PID控制——当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节;当超过这个阀值时，系统按照PID进行调节，表示为

pkBPID()...|e(k)|,当控制动作,,,pk(), ,,0.........|e(k)|当，无控制输出值,B,,

式中B为阀值，O-B的区间称为死区。

该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控制。(2)饱和作用的抑制(A)、PID位置算法的积分饱和作用机器抑制采用遇限削弱积分法和积分分离法。(B)、PID增量算法的饱和作用及其抑制(C)、干扰的抑制——四点中的差分法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围以内，U<><><=?u。>

过程装备控制技术复习试题

2013 过程装备控制技术复习测评1-4

一、填空题( 20分 )

2、控制系统的组成:(1)(2)(3)

控制系统按克服干扰的方法分:反馈控制系统、前馈控制系统和前馈反馈控制系统。

3程。

4均匀控制系统和比值控制系统。

5、控制系统对象特性参数:放大系数K、时间常数T、滞后时间τ。

7、PID调节器的参数整定调节器的参数整定:整定内容;调节器的比例度δ，积分时间 T1 和微分时间 TD的整定方法;?经验试凑法、?临界比例度法、?衰减曲线法。

9、仪表的精度等级1.0级表明:允许引用误差为 1.0%。

10、流量计的分类流量计的分类:

二、选择题(共10分)

2、被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响 (1)放大系数 K 对控制通道，值大，控制灵敏，但被控变量不易控制，系统不稳定 ;对干扰通道，K 值越小，相同干扰产生的作用越小，利于控制。

3体材料焊接而成。焊接的一端称为热端，与导线连接的一端称为冷端。

4 属于直行程式的阀有直通双座阀、直通单座阀、角型阀、三通阀、高压阀、超高压阀、隔膜阀等。属于转角阀的有蝶阀、球阀和凸轮挠曲阀等。

5、按照所用能源调节器可分为直接作用式调节器和间接作用调节器。

6、计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类:接数字控制系统(DDC)、(3)监督控制系统 SCC、(4)分级计算机控制系统、(5)集散型控制系统。

7、常见的流量特性分类及其使用特性:A.理想流量特性流量的变化值大，而流量大时，流量变化的相对值小。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。?对数流量特性，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。?快开流量特性，主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。?抛物线流量特性，介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。B.工作流量特性 :?串联管道工作流量特性、?并联管道工作流量特性。

9、控制系统中常用的调节规律有:和

10、被控对象的滞后分为纯滞后和容量滞后。

三、简答题(共20分)

1、在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响, 答:对于不同的通道，对象的特性参数(K，T ，τ )对控制作用的影响是不同的。对于控制通道:

滞后时间 τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间 τ。

对于扰动通道:

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质;而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的

2、什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点,

答:?位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数值(最大或最小)，其执行机构只有两个特定的位置(开或关)。位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

?微分控制(D)--指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。即--微

分时间。

微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性;由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确

定不变的偏差。故也不单独使用。

3、比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱,并分别说明它们对控制质量的影响。

?积分控制——积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

?微分控制——微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

3 热点偶有那些特点,用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同,试证明补偿导线的补偿作用。

答:热电偶的特点有:测量精度教高，性能稳定;结构简单，易于制

造，产品互换性好;将温度信号转换成电信号，便于信号远传和象

现多点切换测;测量范围广，可达,200,2000?，形式多样，适用

于各种测量条件。选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的

热电偶具有相同的热电特性，型号相配，极性连接正确。补偿导线的

作用证明:

如图所示:回路中电势为:

E,Eab(t，t1)，Ecd(t1，t0)

由补偿导线的性质得:Ecd(t1,t0)=Eab(t1,t0)

?E,Eab(t，t1)，Eab(t1，t0),Eab(t，t0)

4 (PID调节器是由哪些基本部分组成的,试分析各部分所完成的功能。

答:PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID运算电路。(输入电路包括偏差检测电路，

即:输出电压变化量为2.5V

2 6.某被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。

解:方框图见:

3(已知模拟调节器的传递各数G(S)=(1+0.17S)/0.085S，现在要用数字PID算法来实现，试分别写出相应的位置式和增量式PID算法表达式，设采样周期为To=0.2S.

解:由G(S)，可得:Kp=1 TI=0.17 TD=0.085 0.085s

位置式 u(k)= Kp{e(k)+TI

代入

增量式:

其中:

五、综合题(共30分)

试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。

答:电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种:四线制和两线制，四线制中，供电电源通过两根导线接入，另两根导线与负载电阻R2相连，输出0,10mA DC信号。这种连线方式中，同变送器连接的导线共有4根，成为四线制，如图(a)所示。如图b中所示，同变送器连接的导线只有两根，同时传送变送器所需的电源电压和4,20mA DC输出电流，称为两线制。

(a) (b) 2(试列出一些改进的PID算法，并分析其改进特点及适用场合。

答:改进的PID算法有:(1)带有死区的PID控制——当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节;当超过这个阀值时，系统按照PID进行调节，表示为

当控制动作

..当，无控制输出值

式中B为阀值，O-B的区间称为死区。

该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控

)饱和作用的抑制(A)、PID位置算法的积分饱和作用机器抑制采用遇限制。(2

削弱积分法和积分分离法。(B)、PID增量算法的饱和作用及其抑制(C)、干扰

四点中的差分法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控的抑制——

制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围以内，Umax<=U<=Umax，控制器执行的控制量不再是计算值。,?U,<=?Umax。

过程控制技术

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在

过程控制系统

本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

本期中国重型机械研究院自动化研究所米进周和高朝波撰写的《连铸过程控制系统的研究和应用》详细阐述了作为钢铁企业实现企业信息化管理重要组成部分的连铸过程控制系统，集成了先进的工艺数学模型和控制技术，使铸坯质量得到极大提高、生产管理更加方便，增强了企业竞争力，发展前景十分广阔。

除此之外，还有关于回转窑PLC控制系统、煤矿矿车刷洗系统、烟机电控系统等过程控制系统的介绍给读者。

过程控制技术

《过程控制技术》课程设计报告

题目：工业蒸汽锅炉过程控制系统设计

专业：班级：姓名：指导教师：

2011 年 6 月 20 日

绪论???????????????????????? 1 1 工艺流程?????????????????????2 2 控制方案的选择??????????????????4 3 控制系统设计???????????????????7 4 报警系统设计???????????????????9 5 总结???????????????????????9 附录????????????????????????11

绪论

当前，节约资源、提高热能利用率已为各方面所重视及关心。锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，耗能量约占全国原煤产量的三分之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤其是使用管理不当，导致事故的频率很高。据日本 20 世纪 70 年代的调查披露，日本当时运行的十万余台锅炉，在十年间共发生事故 355 次，其中由于管理不善而发生的事故有 243 次，占事故总数的 70．8％。多年来锅炉的安全工作一直受到国家劳动部门的重视，相继颁发了许多安全和劳动保护工作的法令、规范和标准，收到了显著效果。解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。为此，如何提高工业锅炉运行效率，降低能源消耗，实现其自动化节能和环保的要求已成为亟待解决的问题。

1、工艺流程

1.1 锅炉设备介绍

锅炉生产过程是一个多变量多参数相互耦合的复杂过程，其汽水，燃烧过程非常复杂，受多重因素的影响，燃烧系统内部一次风、二次风，输煤，一次返料，二次返料耦合性很强，燃烧与汽水之间也有极其复杂的相互作用关系，同时运行过程的非线性和滞后性也导致了锅炉控制系统的复杂性，难以建立精确的数学模型，无法采用有效的预估补偿措施，因此锅炉设备需要非常严密全面的控制系统来实现。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成，常见锅炉设备工艺流程如图1。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一定气温的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。

图1 常见锅炉主要设备工艺流程

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：① 锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；② 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

③ 过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；

1.2 设计介绍与构想

该锅炉所产生的蒸汽有两部分用途：一部分作为汽轮机的动力源，蒸汽推动汽轮机转动，带动生产线上的其他生产设备正常运转，使生产顺利进行；另一部分蒸汽用作热源，供其他车间生产线提供热源，如原料加热车间、脱水车间、烘烤车间等。此外，在天气严寒的季节里，该锅炉生产的蒸汽还要为整个工厂和企业的所有办公室、车间、职工宿舍等提供热源暖气，供御寒之用。因此，过路的安全、可靠、稳定运行，对工厂、企业的正常运行和员工的生活、工作、学习等具有重大意义。

A、锅炉给燃料气介绍：燃料气煤来源于储气灌，由于储罐的压力不稳，燃烧时产生的热量变化也就很频繁。因此设计的燃烧控制系统要能及时地消除由于燃料气压力变化不均等因素所引起的燃料方面的扰动，而应用所学知识，采用压力信号的燃烧控制系统可以有效满足上述要求。

B、锅炉给水介绍：通过给水泵将水，由给水管道，经给水阀门沿给水管道进入锅炉的汽包中。由于给水泵是三相电动机拖动水泵运行，而电网电压、频率波动较大，为了维持汽包水位稳定在安全范围内，需对汽包水位控制系统进行精密设计，使控制信号驱动给水阀门和给水泵，使二者协调工作，维持正常的安全水位。

C、锅炉减温水介绍：用作锅炉过热蒸汽的减温水约20℃左右，由于生产线温水储备箱中的温水由减温水泵抽出，通过减温水阀门，沿减温水管道进入减温器，最后对过热蒸汽进行减温。同样，由于水泵工作时存在电压、频率等的扰动，

从而对减温水的流量造成扰动，另外，由于蒸汽经过过热器会造成时间上的延迟，因此要及时有效的控制蒸汽温度，必须克服减温水泵的转速扰动和过热器的时间延迟。结合所学理论知识，经过分析，用串级控制系统对蒸汽温度进行控制能满足要求。

D、本锅炉控制系统的控制任务：稳定过热蒸汽的温度、维持汽包水位在规定的范围内、稳定炉膛压力、维持经济燃烧。

2、控制方案的选择

2.1锅炉水位控制系统

图2 锅炉水位控制系统

2.2汽包三冲量水位控制系统原理图及框图

蒸汽D

给水G

图3 三冲量水位控制系统原理图

图4 汽包三冲量水位控制系统框图

选用三冲量控制系统的原因：单冲量控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，该方法结构简单，但克服不了“虚假水位”的影响;双冲量控制系统引入蒸汽流量作为前馈信号，减少了由于“虚假水位”带来的变化影响，但控制作用不能及时克服给水流量的扰动，当给水发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能调节执行器，滞后时间较长。

因此本设计中的锅炉汽包水位控制采用三冲量控制系统，即调节系统接受三个调节信号:水位H、蒸汽流量D和给水流量G，三冲量控制是在传统的PID串级控制的基础上，引入了前馈控制，构成串级—前馈复合控制系统，以达到消除扰动，克服滞后性的不良因素。

2.3过热蒸汽温度控制系统

图5 过热蒸汽温度控制系统

第一过热器减温器

第二过热器

图6 过热蒸汽温度控制系统原理图

图7 过热蒸汽温度控制系统框图

串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本方案中蒸汽温度控制系统选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量，汽包水位控制系统选择。该参数可直接反应控制目的。

副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：

① 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； ② 应使主、副对象的时间常数匹配； ③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型

综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。

过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求，

因此，

可采用如图7所示的串级控制系统，以减温器出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

2.4锅炉燃烧过程的控制

2 、

2、炉膛负压控制系统，一般情况下可以根据炉膛负压来控制烟道的翻板或引风机的转速，以达到稳定炉膛负压的要求，这里设置了一个前馈（蒸汽压力控制器的输出，反映燃料量也即空气量）与炉膛负压反馈控制的复合控制系统。

3、如果燃料控制阀阀后压力过高，可能会引起脱火的危险，由过压控制器P2C通过低选器LS来控制燃料控制阀，以防止脱火；

4、如果燃料控制阀阀后压力过低，可能导致回火的危险，由PAL系统带动联锁装置，将燃料控制阀的上游控制阀截断，切断发燃料量的供给。

1、蒸汽压力控制系统，依据蒸汽压力的变化来控制燃料量;

图8 锅炉燃烧控制系统

3、系统控制参数确定 3.1操纵变量的选择

工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：

① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；

② 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；

③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；

综合以上几种原则，汽包水位控制系统给水管输入量为操纵变量，汽包水位为被控变量；蒸汽温度控制系统选择减温水的输入量作为操纵变量，蒸汽温度为被控变量；燃烧控制系统选择燃料量的输入量作为操纵变量，炉膛压力为被控变量。

3.2 调节阀的选择

在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节的装置。

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

① 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

② 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；

③ 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； ④ 从介质的特点考虑。

综合以上各种因素以及本方案的实际情况，在锅炉汽包水位的控制系统中，如果从锅炉本身的安全角度出发，主要是要保证锅炉水位不能太低，则控制阀应选择气关式，以便当气源中断的时候，能够保证继续供水，防止锅炉被烧坏；如果从后续设备的安全角度出发，主要是要保证过热蒸汽的质量，比如汽中不能带液，那么就要选择气开阀，以便气源中断时，不在供水，以免水位被抬高。本方案是属于前者的情况，控制阀选择为气关阀，为“—”方向；当供水流量增加时，液位是升高的，对象为“+”方向，故在这种情况下，流量控制器FRC应为正作用方向。

在过热蒸汽温度控制系统中，当控制阀没有信号时，系统中减温器仍应继续工作，使过热蒸汽的温度控制在工艺规定的范围内，所以控制阀应选择气关式。控制阀选择为气关阀，为“—”方向；当减温水流量增加时，过热蒸汽的温度会下降，对象为“—”方向，所以温度控制器TC为反作用方向。

在蒸汽压力控制系统中，一般情况下，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开式，为“+”方向；当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向。所以在这种情况下，压力控制器P1C应选为反作用方向。

在炉膛负压控制系统中，控制阀为气开式，为”+”方向；当燃料量增加时，炉膛负压是增加的，故对象为“+”方向吗。所以在这种情况下，压力控制器P2C应选为反作用方向。

4、报警系统设计

本报警系统由检出元件、信号报警器、音响器、按钮等组成。主要的控制参数有汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等。当汽包水位、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛负压等过程参数发生越限时，检测元件检测到这个信号后，就会发出信号，并将其送到信号报警系统，报警系统发出声音和闪光信号，以便现场操作人员及时得知后报警信号，及时按下消音按钮，并采取一定的措施之后，使锅炉过程参数恢复到安全范围之内，灯光熄灭。

5、总结

本设计是在结合使所学的理论知识，联系工厂客观情况的基础上，进行的锅炉控制系统设计。设计中把整个锅炉控制系统分为三个子系统分别设计：汽包水位控制系统、蒸汽温度控制系统和燃烧控制系统。在对锅炉设备充分了解的基础上包括对锅炉的结构、组成、工作过程以及锅炉性能参数等，对各个子系统被控对象正确确定和合理分析之后，提出了自己的设计方案，进而确定控制规律、传感器、变送器、执行器的选择，最后还对调节器进行了参数整定。整体上看，本次设计是可以的，在工厂现有条件下，基本上能实现对锅炉的自动化调节控制。

本论文的不足之处：本论文所用的控制方案大都是基于比较传统、常规的控制控制理论，而许多先进的控制理论和方案没有涉及；关于设计中的参数整定问题，由于自己操作不熟练、试验设备的精度、不能到工业现场调试等原因，整定的参数可能会不很准确；对于变送器、传感器、执行器的选择，本人对此知之甚少，不太了解，因此所选设备可能会对控制效果造成一定的影响；关于本设计中的软件设计，由于本人知识和能力有限，也有不妥之处，也没有设计锅炉的实时自动监控系统和自动记录系统。这些不妥之处当然是可以通再努力来改善解决的。通过仔细而有计划的市场调查，多与有经验的专业技术人员交流，多多了解锅炉行业的有关业内动态和先进控制技术的发展，积极主动地学习先进的技术，多在工业现场锻炼自己，积累经验，在现实条件下，以节能、降耗、环保为设计原则，设计出实用、可靠、而投资又少的控制方案是条很好的途径。

考书书目：

[1] 柴诚敬，刘国维，李阿娜.《化工原理课程设计》.天津：天津科学技术出版社，1994 [2] 方康玲. 过程控制与集散系统. 电子工业出版社，2008.5.9

[3] 方清城罗中良. “过程控制系统”的计算机仿真实验教学电气电子教学学报，2006.12.28

[4] 翁维勤.孙洪程过程控制系统及工程北京:化学工业出版社,2002 [5] 王洪国.自动控制技术在工业锅炉上的应用 .云南冶金，1999 [6] 邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004 [7] 方康玲.过程控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，2002 [8] 翁维勤.过程控制系统及工程.北京：化学工业出版社，2005 [9] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004

过程控制技术

一、填空题。（2*10）

1、过程控制的目标和任务

2、过程控制的被控变量参数

3、工业生产过程对过程控制的要求

4、过程控制的性能指标、定义

5、过程控制的设计步骤有哪些

6、比值控制的实施方案有哪些

7、PID有哪些工程诊定方法、参数

8、DCS的概念，全称

9、什么是比例带，相对增益的定义

10、进行流量检测过程中为什么要加开方器

11、什么是流量系数

12、如何确定调节阀的口径

二、简答题。（7*5）

1、过程控制的组成部分有哪几个

2、差压式流量检测器的工作原理，为什么要加开方器

3、增量式与位置式PID的比较，各有什么优缺点，表达式有什么不同

4、什么是积分饱和？有哪些抗积分饱和的措施

5、什么是比例带？积分时间，微分时间对过渡过程有哪些影响

6、什么是均匀控制？均匀控制为什么不加微分控制？

7、前馈与反馈控制各有什么特点？

8、改进PID的办法有哪些形式？每一种改进形式对控制系统的控制值有什么影响

9、误差积分性能指标有哪些？每一种有什么特点？

10、什么是调节阀的工作流量特性？与理想的流量特性的区别

11、前馈控制有哪几种结构方式？为什么很少单独采用前馈控制？常用的结构形式有哪些？

12、什么是共振效应？怎么样避免共振的产生？

13、PID分别对系统过渡过程产生哪些影响？

三、求比值系数（10）

线性与非线性，工艺上的比值转化，设置比值系数，会画单闭环比值系统的结构图。

四、求前馈控制

计算公式，画前馈，反馈系统的方框图，根据输入输出进行离散化。

五、计算相对增益矩阵。（第八章）

如何根据系统的传递函数计算相对增益矩阵

根据相对增益矩阵进行变量配对

六、系统设计（15）

根据系统的工艺要求画出控制方案。设计串级系统。