2.自動控制系統的基本概念

87一套用DDZ-Ⅱ型單元組合儀表構成的溫度控制系統，設它是用改變加熱蒸汽量來調節的，方塊圖如圖2-3所示

圖2-3  用DDZ-Ⅱ型單元組合儀表構成的溫度控制系統
    ①請說明x、z、e、f、y所表示的專業術語是什么？
    ②氣動薄膜調節閥環節的輸入、輸出各是什么物理量？
    ③設工藝要求溫度保持在150℃±3℃。當系統在某一幅值的階躍擾動作用下，系統在調節的整個過程中，記錄儀表反映出溫度(z值)某一瞬間的最大超量是3 ℃，沒有超過工藝要求。問實際的溫度(y值)變化是否也符合工藝要求？實際最大超調量比3℃大還是小？為什么？
    ④當系統過渡過程結束后，記錄儀上所記下的溫度值能否代表實際溫度？
答：
    ①x是給定值、z是測量值（溫度）、e是偏差(e=x-z)，f是干擾、y為被調參數（溫度）的真實值。
    ②氣動薄膜調節閥輸入p是20-100kPa氣信號，輸出q是調節參數蒸汽流量。
    ③實際溫度變化超調量大于3℃，超過工藝要求。由于溫度測量的一次元件是慣性時間圈套的滯后環節，因而調節動態過程瞬時的測量值與真實值是不一樣的，最大偏差及超調量實際值要大于測量值 。
    ④當系統過渡過程結束后，靜態測量值能代表真實值，因此記錄儀上的記錄值是實際溫度值。

88試分析如圖2-4所示酒精蒸餾塔塔頂溫度控制方案，以塔頂溫度作為被調參數是否合理？

  圖2-4 酒精蒸餾塔塔頂溫度控制方案
     由相律關系
自由度數(f)=組分數(c)+相數(p)-2
    因為酒精蒸餾塔內進行酒精與水的分離組分數為2(即酒精和水兩組分)，且相數為2（呈氣、液兩相）
    所以
自由度數=2+2-2=2
     由所求得F=2來看，似乎應該控制兩個參數才合理。但是由圖可知，冷凝罐上部通大氣，因此實際上已恒定了冷凝罐與蒸餾塔的壓力，客觀上塔壓已被控制，因此用塔頂溫度作為被調參數是合理的。

89圖2-5各控制方案是否合理？理由如何？

     圖2-5（a）不合理。離心泵不能在吸入口安裝閥門，否則，當閥門關小時極易產生汽蝕現象。
   圖2-5（b）合理。因為有旁通閥和泵出口壓力控制系統使往復泵可以在其出口直接節流。
   圖2-5（c）不合理。壓力檢測點不對，為保證閥前燃油壓力穩定，會使燃油量變化較大，無法使爐溫穩定，應將油壓點移至閥后，測燒嘴的背壓。
  圖2-5（d）合理。根據被冷卻介質（出口）溫度調節氨冷器氨氣側的蒸發壓力，而蒸發壓力又對應一定的蒸發溫度，所以調節NH₃排出量實際上調整了氨冷器內氨蒸發側的溫度，使傳熱溫差得到調整，即可達到調節出口溫度的目的。
   圖2-5（e）不合理。塔釜為恒定加熱量。當受某種擾動使釜溫上升時，氣開閥將開大，放出一部分重組分物料，塔釜物料的減少，使塔內溫度上升更快，從而構成一個正反饋系統，不能正常工作，降溫亦如此。
   圖2-5（f）不合理。汽液混合進料不能采用這種溫度控制。因為當改變加熱蒸汽量時進料的溫度并不變化，只是汽液比發生了變化。應改為熱焓控制，控制進塔物料的熱量。

90氣體脫硫裝置的PRC-203與PRC-204（自控流程如圖2-6）不能同時投入自控，其原因是什么？怎樣改進？

   不能同時投自控，原因是：
    ①從流程圖可看出，塔205中部壓力與容208壓力是關聯的，任一個壓力變化，另一個壓力即跟著變化；
    ②兩者選用的都是壓力控制系統，反應速度都較快，互相干擾較大。
    改進措施：容208的壓力實際上代表著塔205的壓力，故塔205的壓力不需要再控制而改用塔頂溫度調節進換202的蒸汽量，使兩個調節回路的響應速度變成一快一慢，減少互相干擾。改進后的自控流程如圖2-7所示。

91圖2-8的自動控制系統錯在哪里？

 
      有人為解決造氣工段入爐蒸汽壓力不穩的問題，提出圖2-8所示的方案。理由是壓力自動控制系統能夠穩壓，蒸汽緩沖罐也有穩壓作用，圖中方案兩者兼而有之，可以解決蒸汽穩壓問題。安裝以后投入運行，結果適得其反。請問這個方案錯在哪里？
     答：因為進氣工段的蒸汽經截止閥以后，有一路經過蒸汽緩沖罐進到入爐蒸汽總管，調節閥的動作根本控制不了八爐蒸汽總管的流量 ，也就控制不了入爐蒸汽總管的壓力。 圖2-8  自動控制系統
 

92用變送器的輸出直接控制調節閥，能否起調節作用？

 
      這要視控制要求而定。
      所謂控制，指的是把被調參數控制在某個給定值上，因此系統中要有調節器，使被調參數和給定值 在調節器內進行比較，如果兩者不等，調節器的輸出就去調節閥門開度。但若變送器直接控制調節閥，那就沒法給定，也不能按要求的控制規律去調節閥門開度，因此不能把被調參數控制在所需值上，而只能圍繞某個不可調的值上下波動。如果變送器的量程可調，則波動可約束在某個范圍，這對要求不高的控制系統，有時也能滿足要求。

93鍋爐除氧器的水溫控制，除了用溫度控制系統外，是否可以用其他方法控制？

 
       除氧器里的水溫隨蒸汽的加熱變化慣性很大，這樣就給自動控制帶來了滯后現象，水溫不能實現理想的自動控制，使除氧效果不好，故直接影響鍋爐用水的水質標準。考慮到蒸汽的壓力和溫度有一對應關系，可以采用控制除氧器里的蒸汽壓力來控制除氧器的水溫，這樣就克服了滯后現象，除氧后的水質完全達到了鍋爐的用水標準。
       其他類似的溫度調節也可以用壓力來進行間接控制。

94鍋爐自控風量調節系統（圖2-9），由于暫缺風量變送器，系統為開環控制，為了提高系統的穩定性，試問用何種簡單方法使開環變成閉環？ 

  圖2-9 鍋爐自控風量調節系統
      將執行器的位置反饋電流延伸到調節器作為調節器的電流外給定，使系統構成閉環。這樣做的好處是：由于風量的大小與閥門的開度有關，閉環之后，把閥門的開度信號反饋至調節器，使系統的穩定性得到提高。

95控制系統中調節器確定正、反作用的依據什么？單參數控制系統中調節器的正反作用應怎樣選擇？

  圖2-10 控制系統
        前一問的依據是實現閉環回路的負反饋。
　　對后一問先做兩條規定：
　　①氣開調節閥為+Ａ，氣閉調節閥為-Ａ；
　　②調節閥開大，被調參數上升為+Ｂ，下降為-Ｂ，則
　　　　　Ａ·Ｂ＝＂+＂調節器選反作用
　　　　　Ａ·Ｂ＝＂一＂調節器選正作用
       圖2-10所示被調參數是液位，閥為氣開為+A，閥開大，液位下隆為一B，則（+A）·（一B）=“一”，調節器選正作用。

96圖2-11例中，控制系統中的調節器應該選用正作用方式，還是反作用方式？

 
      圖2-11(a)選定調節器為正作用
      圖2-11(b) 選定調節器為反作用
      圖2-11(c) 選定調節器為反作用
      圖2-11(d) 選定調節器為正作用
      圖2-11(e) 選定調節器為反作用 圖2-11  控制系統

97請判定圖2-12所示溫度控制系統中，當工況為以下情況時，調節閥和調節器選擇什么樣的作用形式。

 
    ① 當物料為溫度過低時易析出結晶顆粒的介質、調節介質為過熱蒸汽時；
    ②當物料為溫度過高時易結焦或分解的介質、調節介質為過熱蒸汽時；
    ③當物料為溫度過低時易析出結晶顆粒的介質、調節介質為待加熱的軟化水時；
    ④當物料為溫度過高時易結焦或分解的介質、調節介質為待加熱的軟化水時。
答：
    ①氣閉調節閥、正作用調節器；
    ②氣開調節閥、反作用調節器；
    ③氣開調節閥、正作用調節器；
    ④氣閉調節閥、反作用調節器；
 

98圖2-13所示為加熱爐溫度控制系統。根據工藝要求，出現故障時爐子應當熄火。試說明調節閥的氣開、氣閉形式，調節器的正、反作用方式怎么選擇？并簡述調節系統的動作過程。

 
      故障情況下，氣源壓力為零，應切斷燃料以確保護爐子熄火。故要求調節閥為氣開式，氣源中時關閉。
      當爐溫增高時，要求燃料量減少，即減小調節閥開度。由于是氣開閥，所以要求調節器輸出減小，應選用反作用調節器。
      調節系統的動作過程如下：
      進料↓→溫度↑→調節器輸出↓→調節閥開度↓→燃料量↓→爐溫↓
     反之，由于各種原因引起爐溫↓→調節器輸出↑→調節閥開度↑→燃料量↑→爐溫↑

99圖2-14(a)為一蒸汽加熱器，它的主要作用是對工藝介質加熱，要求此介質也口溫度恒定。

 
    ①怎樣選擇被調參數和調節參數組成調節回路（直接用圖例符號在圖上標明即可），并畫出方塊圖？ 圖2-14  蒸汽加熱器
    ②如何決定調節閥的氣開、氣閉形式和調節器的正、反作用？
    ③當被加熱的流體為熱敏介質時，應選擇怎樣的調節方案為好？
答：
    ①選擇被調參數和調節參數如圖2-14(b)所示，方塊圖表示如圖2-14(c)所示。
    ②對一非熱敏介質或易結晶介質應選氣閉式，調節器的作用方向應是正作用的。
    ③對于熱敏介質，為防止局部過熱而汽化，調節參數不宜為蒸汽而應選冷凝水為好，即將調節閥裝于冷凝水管線上。
 
 

100圖2-15所示為一液面調節回路，工藝要求故障情況下送出的氣體中也不許帶有液體。怎樣選取調節閥氣開、氣閉形式和調節器的正、反作用？這一調節回路的工作過程怎樣？

 
     因工藝要求故障情況下送出的氣體不許帶液，故當氣源壓力為零時，閥門應打開，所以調節閥是氣閉式。當液位升高時，要求調節閥開度增大，由于所選的是氣閉調節閥，故要求調節器輸出減少，調節器是反作用。 圖2-15  液面調節回路
    其工作過程如下：
    液位↑→液位變送器輸出↑→調節器輸出↓→調節閥開度↑→液體輸出↑→液位↓。
 

101簡要說明各類常見調節系統的特點怎樣？相應如何選擇調節閥的流量特性？