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过程控制系统试卷集


A 试题 一、填空题(共 7 小题,每空 1 分,共 30 分) 1. 过程控制系统可以简化为调节器和广义对象两大部分, 其中广义对象是_____、 _____、 _____和_____的组合。 2.过程控制系统按照被控变量的不同,可分为_____控制系统、_____控制系统、______ 控制系统、_____控制系统和_____控制系统;按照被控变量的多少可分为_____控制系 统和_____控制系统。 3.评价过程控制系统性能优劣的指标主要包括_____、_____和_____三个方面。 4.被控过程的数学模型是反映被控过程的输出量和输入量之间的数学表达式,其中, 对于参数模型,常用_____、_____、_____、_____等表示。 5. 国产调节阀的流量特性有_____特性、_____特性和_____特性三种。 6. 单回路控制系统是一种基于_____的闭环反馈控制,前馈控制系统是一种按照_____ 进行补偿的系统,对于减少被控参数____偏差最为有效。 7. 串级控制系统中,主回路是_____系统,副回路是_____系统 8. 比值控制系统的具体实现方案有_____方案和_____方案。 9. 在前馈—反馈系统中,控制系统的_____由闭环控制回路决定,对被调参数影响最显 著的主要干扰由_____进行补偿。 二、简答题(共 6 题,每小题 6 分,共 36 分) 1. 衡量过程控制系统性能优劣的综合性能指标中, ITAE 的含义是什么, 请写出表达式, 并指出其特点。 2. 什么是被控过程的静态数学模型和动态数学模型,两者之间有什么联系。 3. 控制参数的选择应当遵守哪些原则? 4. 积分调节有何特点? 5. 什么是不变性原理?根据下图列写不变性原理的表达式, 并指出依据不变性原理设计 的控制系统是何种控制系统。

6. 前馈控制系统的有何特点? 三、综合分析题(第 1 题 10 分,第 2,3 题各 12 分,共 34 分) 1.已知两水槽串联工作,如图所示,输入量为 Q1,流出量为 Q2,Q3。h1,h2 为两个水 槽的水位。C1 和 C2 分别为两个水槽的横截面积即容量系数,三个阀门的液阻分别为 R1, R2,R3,液位与流出量具有线性关系。选取 2 号水槽水位 h2 为输出变量,不考虑管道传 输延迟,请根据流量平衡关系列写过程的微分方程组,并求取过程的传递函数

G( s) ?

H 2 ( s) 。 Q1 ( s)
Q1

R1 h1

水槽1 h2

R2

Q2

水槽2

R3

Q3

2.精馏塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统如下图所示。生产工艺要求一旦发生事故 应立即停止蒸汽的供应。不考虑蒸汽与进料的各种干扰对产品出口温度的影响,要求: ①画出控制系统的框图;②确定调节阀的气开、气关形式;③确定主、副调节器的调节 规律及正、反作用方式。

进料
TC TT

FT

FC

精馏塔

蒸汽

再沸器 精馏产品

3.下图为加热炉控制方案。要求:①画出控制系统的框图;②说明该控制系统的类型; ③该控制系统主要用来消除何种干扰; ④如果原油出口温度受其他干扰影响而高于给定 值,控制系统如何调节。
TC

原油

FC

燃料油

过程控制系统试卷 A 一、填空(每空 1 分,共 30 分): 1.检测元器件 2.温度 3.稳定性 4.微分方程 5.直线 压力 准确性 差分方程 变送器 流量 执行器 液位 快速性 状态方程 快开 动态 被控对象 成份

参考答案

单变量

多变量

传递函数

等百分比(对数)

6.(被调量的)偏差

干扰量(的大小)

7.定值控制 8.相乘 9.稳定性 相除

随动控制

前馈(调节器)

二、简答题(每题 6 分,共 36 分): 1. ITAE 是指时间与偏差绝对值乘积积分;其表达式为: J ? ? t e(t ) dt ? min ;该指标
0 ?

对初始误差和随机误差不敏感,可起到限制过度时间的作用。 2. 静态数学模型是过程在稳态时输出变量与输入变量之间的关系; 动态数学模型是过程 输出变量与输入变量随时间变化时其动态关系的数学描述; 静态数学模型是动态数学模 型在过程达到平衡时的特例。 3. 所选的控制参数必须是可控的; 控制通道的放大放大倍数 K0 要适当大些, 时间常数 T0 要适当小些, 纯滞后 ? 0 时间越小越好; 干扰通道的放大倍数 K f 应尽可能小, 时间常数 Tf 应尽可能大,容量数尽可能多,干扰信号进入系统的位臵尽可能远离被控参数而靠近调 节阀;广义被控对象由几个一阶惯性组成,其各时间常数应尽可能错开,使其中一个比 其他几个大得多, 以提高可控性; 考虑工艺的合理性、 一般不选生产负荷作为控制参数。 4.积分调节是一种无差调节,采用积分调节可以提高系统的无差度即提高系统的稳态控 制精度;与 P 相比,积分调节的过渡过程比较缓慢,系统的稳定性变差;减小积分时间, 虽然在一定程度上可以提高系统的响应速度,但会加剧系统的不稳定程度。 5.不变性原理就是指控制系统的被调量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关,也 即被调量完全独立或基本独立;当 Di (t ) ? 0 时,由 y(t ) ? 0(i ? 1, 2,...,n );基于不变性原 理设计的控制系统是前馈控制系统。 6.前馈控制比反馈控制及时;前馈控制是一种开环控制;前馈调节器是专用调节器;前 馈控制只能抑制可测而不可控的扰动;一种前馈控制作用只能克服一种干扰。 三、综合分析题(第 1 题 10 分,第 2,3 题各 12 分,共 34 分): 1. 解:根据动态流量平衡关系,可以列出如下增量方程:
d ?h1 1 ? ? ?Q1 ? ?Q2 ? dt C1

(2 分) (2 分)

?Q2 ?

?h1 R2

d ?h2 1 ? ? ?Q2 ? ?Q3 ? dt C2 ?Q3 ? ?h2 R3

(2 分) (2 分)

消去中间变量,解得过程输入变量与输出变量之间的传递函数为
G( s) ? R3 R3 H 2 ( s) 1 ? ? 2 Q1 (s) R2C1s ? 1 R3C2 s ? 1 R2 R3C1C2 s ? ( R2C1 ? R3C2 ) ? 1

(2 分)

2. 解: ①
Tr TC FC
调 节 阀

蒸汽 管道

再沸 器

精馏 塔

T

FT TT

(4 分)

② 根据工艺,故障时,调节阀必须关闭来切断蒸汽供应,因此调节阀选择气开式,其 静态放大系数为“+” 。 (2 分) ③由于副被控参数是流量,因此副调节器采用 PI 控制律;为了保证主被控参数无误差, 且由于控制通道的容量滞后比较大,主调节器采用 PID 控制律。 (2)对于副环,阀门开 度增大,流量增加,因此副对象的放大系数为“ +” ,流量变送器的放大倍数为“+” 。 根据副环放大倍数符号位“+”的原则,副调节器符号应为“+” ,故选择反作用。对于 主环,主调节器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。主对象的输入信号为蒸汽 流量(即副参数) ,输出信号为温度(即主参数) ,当流量增大时,热物料出口温度上升, 因此,主对象的放大倍数为“+” ,因此主调节器应选择反作用。 ( 4) 3 解:
F原油流量 FT
FC

GPD 加热 炉 TT T

Tr

TC

调节阀



(6 分)

②该系统为前馈—反馈控制系统。 (2 分)

③该系统主要用来克服原油流量变化对原油出口温度的影响。 (2 分) ④如果原油出口温度变化,则反馈控制器 TC 会减小调节阀的开度进而减小燃料的供给 量,以克服这种影响。 (2 分)

B 试卷 一、填空题(共 9 小题,每空 1 分,共 30 分) 1.过程控制系统主要由_____和自动化仪表两部分组成。自动化仪表主要完成对过程参 数的_____、_____和_____等任务。 2.被控过程的数学模型有_____数学模型和_____数学模型之分。 3.过程的输入变量至输出变量的信号联系称为通道,_____至_____之间的信号联系成 为控制通道,_____到_____之间的信号联系称为干扰通道。 4.被控过程的数学模型是反映被控过程的输出量和输入量之间的数学表达式,其中, 对于非参数模型,常用_____、_____等表示。 5.单回路控制系统由_____、_____、_____和_____四个基本环节组成。 6.过程控制系统按照被控变量的给定值是否变化及如何变化可分为_____控制系统、 _____控制系统、______控制系统;按照系统的结构特点分为_____控制系统、_____控 制系统和_____控制系统。 7. 串级控制系统中,主回路在过程控制中起_____的作用,副回路起_____的作用。 8. 反馈控制的控制作用发生在偏差出现_____,前馈控制的控制作用发生在偏差出现 _____。 9. 比值控制系统中的非线性特性是指_____的非线性特性,其根本解决办法是在_____ 的输出端加上_____、使最终输出信号与流量之间成_____。 二、简答题(共 6 题,每小题 6 分,共 36 分) 1. 建立被控过程数学模型的方法有哪些?如何根据过程输入、 输出测试数据建立被控对 象数学模型? 2. 衡量过程控制系统性能优劣的综合性能指标中,IAE 的含义是什么,请写出表达式, 并指出其特点。

3. 被控参数的选择应当遵守哪些原则? 4. 比例调节有何特点? 5. 什么是比值控制系统,比值控制系统有哪几种类型。 6. 前馈—反馈控制系统的优点是什么? 三、综合分析题(共 3 题,第 1 题 10 分,第 2,3 题各 12 分,共 34 分) 1.已知两水槽并联工作,如图所示,输入量为 Q1,流出量为 Q2,Q3。h1,h2 为两个水 槽的水位。C1 和 C2 分别为两个水槽的横截面积即容量系数,三个阀门的液阻分别为 R1, R2,R3,液位与流出量具有线性关系。选取 2 号水槽水位 h2 为输出变量,不考虑管道传 输延迟,请根据流量平衡关系列写过程的微分方程组,并求取过程的传递函数
G( s) ? H 2 ( s) 。 Q1 ( s)
Q1 Q2 h 2 水槽1 R2 水槽2 R3

R1 h1

Q3

2.某化学反应过程要求参与反应的两种物料保持 F1:F2=4:3 的比例,两物料的最大流 量为 F1max=500m?/h,F2max=210m?/h,通过观察发现 A、B 两种物料流量因管道压力波动 经常发生变化。根据上述情况,要求:①设计一个合适的比值控制系统;②采用差压式 流量计,计算比值系数 K’(选用 DDZ-III 型仪表)③选择调节阀的开、闭形式和调节器 的正反作用方式。 3.下图为加热炉控制方案。要求:①画出控制系统的框图;②说明该控制系统的类型; ③为什么该系统不是串级控制系统;④前馈调节器应该采用何种控制律。
TC

原油
FC

燃料油

过程控制系统 B 一、填空(每空 1 分,共 30 分): 1.被控过程 2.静态 3.控制作用 4.曲线 自动检测 动态 输出变量 表格 测量变送装臵 反馈 干扰作用 自动显示

参考答案

自动控制

输出变量

5.被控对象(被控过程) 6.定值 7.细调 8.后 随动 粗调 前 程序

调节器 前馈

调节阀 前馈—反馈复合

9.测量变送器

差压变送器

开方器

线性关系

二、简答题(每题 6 分,共 36 分): 1.主要有三种,分别是机理法、实验法、机理法和实验法相结合的混合法。首先,根据 测试数据或者曲线的形状确定模型的结构(包括形式、方程阶次及时滞情况) ,称为过 程辨识;其次在已知模型结构的基础上,由测试数据或曲线确定模型的参数,称为参数 估计。 2. IAE 是指偏差绝对值积分;其表达式为: J ? ? e(t ) dt ? min ;该指标可以避免正负
0 ?

偏差相互抵消,使大小偏差都起到相应的积分作用。 3.选择对产品的质量和产量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直 接测量的工艺参数为被控参数;当不能用直接参数作为被控参数时,应选择一个与直接 参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数;被控参数必须具有足够高的灵敏度;被 控参数的选取,还需考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。 4.比例调节动作快,克服干扰能力强,且克服偏差的能力随着偏差的增大而增强;比例 调节器是一种有差调节;比例调节系统的静差随比例度的增大而增大;减小比例度,不 仅可以减小系统的静差,而且可以降低系统的惯性,加快系统的响应速度。 5.实现两个或两个以上参数符合一定比值关系的控制系统,称为比值控制系统。常见

的比值控制系统有开环比值控制系统、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、串级和比值控制组合的系统、具有逻辑关系的比值控制系统。 6.对被调参数影响最显著的主要干扰由前馈进行补偿,而其余次要的干扰可依靠反馈来 克服,从而保证被调参数最终等于给定值;由于反馈回路的存在,降低了对前馈控制模 型的精度要求,为工程上实现比较简单的通用型模型创造了条件;负荷或工况变化时, 模型特性也要变化,可由反馈控制加以补偿,因此具有一定的自适应能力。 三、综合分析题(第 1 题 10 分,第 2,3 题各 12 分,共 34 分): 1. 解:根据动态流量平衡关系,可以列出如下增量方程:
d ?h1 1 ? ? ?Q1 ? ?Q2 ? dt C1

(2)分 (2)分 (2)分 (2)分

?Q2 ?

?h1 ? ?h2 R2

d ?h2 1 ? ? ?Q2 ? ?Q3 ? dt C2 ?Q3 ? ?h2 R3

消去中间变量,解得过程输入变量与输出变量之间的传递函数为
G( s) ? R3 H 2 ( s) ? 2 Q1 ( s) R2 R3C1C2 s ? ( R2C1 ? R3C2 ? R3C1 )s ? 1

(2 分)

2. 解: ① 由于主、副流量都会发生变化,因此采用双闭环比值控制方案。
F1

F1T

F 1C

K
F2T F 2C

F2

(4 分) ②选择带开方器的差压式流量计。根据生产工艺要求 K= F2 F 1 =3/4 ,折算成仪表的比值 系数为: K?=K
F1max 3 500 = ? ?1.79 (4 分) F2max 4 210

③ 根据工艺要求,为了在故障时保证产品质量,应该选择气开式调节阀(静态放大系 数为“+” ) 。同时,对于主、副两个对象,增大调节阀开度,则流量增加,因此主、副 对象的放大系数为“+” ,流量变送器的放大倍数为“+” 。根据主、副环放大倍数符号 位“+”的原则,主、副调节器符号应为“+” ,故选择反作用。 (4 分) 3 解: ①
F原油流量 FT Tr TC GPD 加热 炉 T

FC

调节阀

TT

(5 分)

②该系统为前馈—反馈控制系统。 (2 分) ③两个控制器串级工作,但是没有副回路,只有一个反馈回路,执行器的输出并不改变 原油的流量,因此不是串级控制系统。 (2 分) ④该系统相当于将前馈控制器 FC 移动到了控制回路内,此时,可以采用 P 控制器,则 对原油流量的变化仍能通过 FC 来改变燃料油的流量,起到静态前馈的作用,但是不能 含有积分环节,否则当原油流量变化时,会导致控制阀趋于全开或全关的极限位臵,是 系统无法正常运行。 (3 分) C 试题 一、填空题(共 15 空,每空 2 分,共 30 分) 1. 过程控制系统可以简化为调节器和_____两大部分。 2. 余差为零的过程控制系统称为_____调节系统。 3. 建立被控过程数学模型的方法主要有三种,分别是实验法、_____法和混合法。 4. 如果一个控制过程处于平衡状态,当其受到干扰时,其输出量在无人或者无控制装臵 干预下,能够自动恢复到原来或者新的平衡态,则称该过程具有_____特性。 5. 响应曲线法是通过测取过程的_____响应曲线或_____响应曲线来辨识数学模型的。 6. 常用的调节器参数的工程整定方法中,属于开环整定方法的是_____法。

7. 国产调节阀流量特性有直线特性、等百分比特性和_____特性三种。 8. 串级控制系统中,位于副回路的干扰称为_____干扰。 9. 基于_____组成的自动控制系统称为前馈控制系统。 10. 在前馈—反馈控制系统中,系统的稳定性由_____控制来保证,而由_____控制来有 效减小因主要干扰所致的被控量的动态偏差。 11. 生产过程中保护性措施有硬保护措施和软保护措施两种,其中选择性控制系统属于 _____保护措施。 12. 开关型选择性控制系统一般用于系统的_____保护。 13. 一种结构形式的控制系统能否实现均匀控制主要在于_____的参数整定。 二、简答题(共 3 题,每小题 8 分,共 24 分) 1. 衡量过程控制系统性能优劣的综合性能指标中,ISE 的含义是什么,请写出表达式, 并指出其特点。 2. 某个单回路过程控制系统,已知被控过程的静态放大系数 Ko 为负,工艺要求采用气 开式调节阀,试确定调节器的作用形式, (注:需要给出分析过程,只给出最终结果不 得分) 。 3. 假设主流量用 F1 表示,副流量用 F2,主流量变送器用 F1T 表示,主流量变送器用 F2T 表示,比值控制器用 K 表示,主流量控制器用 F1C 表示,副流量控制器用 F2C 表示,主 对象用 Gp1 表示,副对象用 Gp2 表示,主调节阀用 GV1 表示,副调节阀用 GV2 表示,主流 量给定用 F1r 表示,试画出用上述各部件的英文表示所组成的双闭环比值控制系统的等 效方块结构图(注意:框图中不允许出现中文说明,否则不得分) 。并说明当主流量发 生变化时,系统会如何自行调整来保持一定的比值关系? 三、综合分析题(第 1 题 10 分,第 2,3,4 题各 12 分,共 46 分) 1.某化学反应器工艺规定的操作温度为(40±2)℃,考虑安全因素,要求控制过程中 温度偏离设定值不得超过 6℃。现设计的定值温度控制系统,在最大阶跃扰动作用下的 过渡过程曲线如下图,试求最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入±2% 新稳态值即达到稳定来确定)和振荡周期。

2.已知单容水槽如图所示,输入量为 Q1,由排水泵控制流出量 Q2 保持恒定,h 为水槽 的水位。A 为水槽的横截面积即容量系数,阀门的液阻为 R1。选取 Q1 为过程的输入变 量,水槽水位 h 为过程的输出变量,不考虑管道传输延迟,请根据流量平衡关系列写过 程的微分方程组,并求取过程的传递函数 G( s) ?

H ( s) 。 Q1 ( s)

R1 h

Q1 Q2 水槽

3.下图为加热炉控制方案,原料油在加热炉中被加热到给定温度。要求:①画出控制 系统的框图;②说明该控制系统的类型;③工艺要求原料油不允许过热,试确定调节阀 的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。

4. 采用夹套水冷却的聚合物反应釜,釜温过高会发生事故,且冷却水温度波动较大,为 此设计如下图结构所示的控制系统来满足生产要求。①画出该控制系统的框图;②说明 该控制系统的类型,并确定调节阀的气开、气关形式;③确定控制器的正、反作用方式。 ④当冷却水温度升高时,简述系统的控制过程。

过程控制系统试卷 C 一、填空(每空 2 分,共 30 分):

参考答案

1. 广义对象 2. 无差 3. 机理 4. 自衡 5. 阶跃 脉冲 6. 反应曲线 7. 快开 8. 二次 9. 不变性原理 10. 反馈 二、简答题(每题 8 分,共 24 分): 1. ISE 是指偏差平方积分;其表达式为: J ? ? e(t )2 dt ? min ;该指标加大了对大偏差
0 ?

前馈 11. 软 12. 限值 13. 调节器

的加权系数,是限制大偏差的性能指标。 (8 分) 2. 由于被控对象的静态放大系数 Ko 为 “﹣” , 气开式调节阀的静态放大系数 Kv 为 “+” , 变送器的静态放大系数 Km 为“+” ,由 Kc×Kv×Km×Ko>0,可知 Kc<0,故选用正作用 调节器。 (8 分) 3.

F1r

F1C

Gv1

Gp1

F1

F1T
K F2

F2C

Gv2

Gp2

F 2T

(5 分) 当主流量发生变化时,通过比值控制器来改变副流量控制器的给定值,使副流量能随主 流量的大小变化而变化,始终保持一定的比值关系。 (3 分) 三、综合分析题(第 1 题 10 分,第 2,3,4 题各 12 分,共 46 分): 1.解: 最大偏差:A=45-40=5℃(2 分) 衰减比: n=
B 45 ? 41 ? ? 4: 1 (2 分) B? 42 ? 41

余差:C=41-40=1℃(2 分) 过渡时间:因为被控变量进入新稳态值± 2%就可认为过渡过程结束,因此该限制范围 是 41×(±2%)=±0.82℃,由图可以看出,过渡时间 Ts=23min。 (2 分) 振荡周期:T=18-5=13min(2 分) 2. 解: 根据动态流量平衡关系,可以列出如下增量方程:
d ?h 1 ? ? ?Q1 ? ?Q2 ? dt A

(4 分) (4 分)

?Q2 ? 0

消去中间变量,解得过程输入变量与输出变量之间的传递函数为
G( s) ? H ( s) 1 ? Q1 ( s) As

(4 分)

3 解:①

给定温度Tr

温度调 节器TC

调节阀

加热炉

实际温度T

温度变送器 TT

(4 分)

②该系统为单回路控制系统。 (2 分) ③根据工艺要求,在故障时调节阀必须关闭来切断燃料油的供应,因此调节阀选择 气开式,其静态放大系数为“+” 。 (3 分)主对象的输入为燃料油流量,当阀门开度 增大时,燃料油流量增加,出口温度上升,因此主对象的放大系数为“+” ,温度变 送器的放大倍数为 “+ ” 。 根据组成系统的各环节的静态放大系数相乘为 “ +” 的原则, 调节器的符号应为“+” ,故选择反作用。 ( 3) 4.解: ①
T1r T1C T2C
调节阀

夹套

T2

反应釜

T1

T2T T1T

(3 分)

②该系统为串级控制系统。 为了在故障时反应釜温度不过高, 应该选择气关式调节阀 (静 态放大系数为“-” ) 。 (3 分) ③对于副环,阀门开度增大,夹套温度降低,因此副对象的放大系数为“-” ,流量变送 器的放大倍数为“+” 。根据副环放大倍数符号位“+”的原则,副调节器符号应为“+” , 故选择反作用。对于主环,主调节器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。当夹 套温度 T2 增加时,反应釜温度上升,因此,主对象的放大倍数为“+” ,因此主调节器 符号应为“+” ,故选择反作用。 (3 分,注:无分析不得分) ④当冷却水温度升高时,夹套温度 T2 升高,副调节器的偏差为正,由于 T2C 为反作用 调节器,其输出减小,对于气关型调节阀,其开度增大,冷却水流量增加,及时将夹套 温度降低 T2。 ,进而减少冷却水温度波动对反应釜温度 T1 的影响,提高了控制质量。 (3 分)


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