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过程控制系统试卷及答案


过程控制系统 试卷 C 卷
一、填空题(每空 1.5 分) (本题 33 分) 1、过程控制系统一般由 控制器 、 执行器 、 被控过程 和测量变 送等环组成。 2、过程控制系统由工程仪表和被控过程两部分组成。 3、压力检测的类型有三种,分别为:弹性式压力检测、应变式压力检测、 压阻式压力检测。 4、气动执行结构主要有 薄膜式和活塞式两大类。 5、根据使用的能源不同,调节阀可分为 气动调节阀 、 电动调节阀 和 液动调节 阀 三大类。 6、 过程数学模型的求取方法一般有 机理建模 、 试验建模 和混合建模。 7、积分作用的优点是可消除 稳态误差 (余差 ),但引入积分作用会使系统 稳定性 下降。 8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为 单闭环比值控制 、 双闭 环比值控制 和变比值控制 三种。 9、造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用,外因是控制器长 期存在偏 差。 二、名词解释题(每小题 5 分) (本题 15 分) 1、过程控制:指根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算 机 等自动化工具,应用控制理 论, 设计工业生产过程控制系统,实现工 业生产过程自动化。 2、串级控制系统:值采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制 器的设定值,由副控制器的输入去操纵调节阀,从而对住被控变量具有更好的控 制效果。 3、现场总线:是指将现场设备与工业控制单元、现场操作站等互联而成的计 算机网络,具有全数字化、分散、双向传输和多分枝的特点,是工业控制网络向 现场级发展的产物。 三、简答题(每小题 8 分) (本题 32 分) 1、什么是 PID,它有哪三个参数,各有什么作用?怎样控制? 答: PID 是比例-积分-微分的简称。其三个参数及作用分别为: (1)比例 参数 KC,作用是加快调节,减小稳态误差。 (2)积分参数 Ki,作用是减小稳 态误差,提高无差度 (3)微分参数 Kd,作用是能遇见偏差变化趋势,产生超 前控制作用,减少超调量,减少调节时间。 2、前馈与反馈的区别有哪些? 答: (1)控制依据:反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”,前馈控制是“基 于扰动消除扰动对被控量的影响”。

(2)控制作用发生时间方面:反馈控制器的动作总是落后于扰动作用的发 生,是一种“不及时”的控制;扰动发生后,前馈控制器及时动作。 (3)控制结构方面:反馈为闭环控制,存在稳定性问题,即使闭环环节中 每个系统都是稳定的,但闭环后稳定与否,还需要进一步分析;前馈属于开环控 制,各环节稳定,系统必然稳定。 (4)校正范围方面:反馈对各种扰动都有校核作用;前馈,只对被校核的 前馈扰动有校正作用,其他则没有。 (5)控制规律方面:反馈通常是 P PI PD PID 等典型规律;前馈控制规律 较为复杂,不好掌握。 3、控制器正反方向判断 ? 答:所谓作用方向,就是指输入作用后,输出的变化方向。当输入增加时, 输出也增加,则成该环节为“正环节”,反之,当输入增加时,输出减少,则称“反 作用”。具体步骤 (1) ,判断被控对象的正/反作用那个方向,主要由工艺机理确定。 (2)确定执行器的正/反作用方向由安全工艺条件决定。 (3)确定广义对象的正/反作用方向 (4)确定执行器的正/反作用方向

4、如图所示的压力容器,采用改变气体排出量以维 持 容器内压力恒定: (1) 调节阀应选择气开式还是气关式?请说明原 因。 (2)压力控制器(PC)应为正作用还是反作用?请说 明原因。 答:(1)应选择气关式。因为在气源压力中断时,调节阀可以自动打开,以使 容器内压力不至于过高而出事故。 (2) 调节阀应选择气关式, 则压力控制器(PC)应为反作用。 当检测到压力 增加时,控制器应减小输出,则调节阀开大,使容器内压力稳定。 或: 当检 测到压力减小时,控制器应增大输出,则调节阀开小,使容器内压力稳定。 四、分析与计算题(第 1 小题 8 分, 第 2 小题 12 分) (本题 20 分) 1、 (本小题 8 分) 如下图所示的隔焰 式隧道窑烧成带温度控制系统, 烧成带 温度是被控变量,燃料流量为操纵变 量。 试分析: (1)该系统是一个什么类型的 控制系统?画出其方框图; (2)确定调节阀的气开、气关

形式,并说明原因。 答:(1)该系统是一个串级控制系统,其方框图为: (2)当调节阀气源出现故障失去气源时,为保证系统安全,应使阀门处于关闭 位置,故调节阀采用气开式。

2、 (本小题 12 分)如下图所示 的液体储罐,设进水口和出水口 的体积流量分别是 q1 和 qo , 输出变量为液位 h,储罐的横截 面积为 A 。 试建立该液体储罐的动态数学 模型 H(S)/Qt(S)

过程控制试题库答案 一,填空题 1. 一般一个简单控制系统由(检测/变送)装置、 (被控对象) 、 (调

节)器 和(执行)机构组成。 2. 过程控制系统常用的参数整定方法有: (经 验法) 、 (衰减曲线法) 、 (稳定边 界法/临界比例度法)和(响应曲线法) 。 3. 在 PID 调节器中,调节 器的 Kc 越大,表示调节作用(越强) ,Ti 值越大,表示积分作用(减 弱) ,Td 值越大表示微分作用(增强) 。 4. 常见的过程计算机控制 系统分为下列几种典型形式: (操作指导控制系统) 、 直接数字控制系统、 (监督计算机控制系统) 、 (集散控制系统)和现 场总线控制系统。 5. 在闭环控制系统中,根据设定值的不同形式,又可分为定值控制 系统,随动 控制系统和程序控制系统。 1) 定值控制系统 特点:设定值是(固定不变) ; 作用: 保证在 (扰动) 作用下使被控变量始终保持在设定值上。2)随 动控制系统 特点:设定值是一个(变化量) ; 作用: 保证在各种条件下系统的输出 (及时跟踪设定值变化) 。 3) 程 序控制系统 特点:设定值是一个(按一定时间程序变化的时间函数) ; 作用:保

证在各种条件下系统的输出(按规定的程序自动变化) 。 6. 热电偶 温度计的基本组成部分部分是 (热电偶) 、 (测量仪表) 、 (连接热电偶) 和(测量仪表的导线) 。 7. 串级控制系统能迅速克服进入(副)回路的扰动,改善(主)控 制器的广义 对象特性,容许(副)回路内各环节的特性在一定的范围内变动而不 影响整个系统的控制品质。 8 定值控制系统是按(偏差)进行控制的,而前馈控制是按(扰动) 进行控制 的;前者是(闭)环控制,后者是(开)环控制。 9.保

证控制系统成为负反馈 10.干扰量的变化 11.正确,迅速,可靠 12.改 善动态性能 13.微分 二,选择题 1. 由于微分调节规律有超前作用, 因此调节器加入微分作用主要是用 来(C): A.克服调节对象的惯性滞后(时间常数 T) ,容量滞后 τc 和 纯滞后 τ0. B.克服调节对象的纯滞后 τ0. C.克服调节对象的惯性滞后(时间常数 T) ,容量滞后 τc 3. 定值调节是一种能对(A )进行补偿的调节系统。 A. 测量与给定 之间的偏差 B. 被调量的变化 C. 干扰量的变化 D. 设定值的变化 4. 定值调节系统是(X)环调节,前馈系统是(X)环调节( B )。 A.开,闭 B.闭,开 C.开,开 D.闭,闭 5. 调节系统在纯比作用下已整定好,加入积分作用后,为保证原稳定 度,此时 应将比例度(A) 。 A.增大 B.减小 C.不变

D.先增大后减小 6. 成分、 温度调节系统的调节规律, 通常选用 (C) 。 A. PI B. PD C. PID 7. . 流 量 、 压 力 调 节 系 统 的 调 节 规 律 , 通 常 选 用 (A ) 。 A. PI B. PD C. PID 8. 液 位 调 节 系 统 的 调 节 规 律 , 通 常 选 用

(D ) 。 A. PI B. PD C. PID D. P 9. A 10. 调节系统中调节器正、反作用的确定是根据(B): A.实现闭环回 路的正反馈。 B. 实现闭环回路的负反馈。 C.系统放大倍数恰到好 处 D.生产的安全性。 11. 单纯的前馈调节是一种能对(C)进行补偿的调节系统。 A. 测 量与给定之间的偏差 B. 被调量的变化 C. 干扰量的变化 12. 定值调节是一种能对(A)进行补偿的调节系统。 A. 测量与给 定之间的偏差 B. 被调量的变化 C. 干扰量的变化 13. 热电偶温度计 (C) A) 是 利 用 两 个 相 互 接 触 金 属 导 体 的 温 差 电 动 势 特 性 进 行 测 温 的。 B) 是利用两个相互接触金属导体的接触电动势特性进行测温 的。

C) 是利用两个相互接触金属导体的温差电动势和接触电动势特性进 行测温的。 D) 是利用两个非接触金属导体的温差电动势和接触电动势特性进行

测温的。 14. 下面的叙述中哪一个是最为合理的(D) A) 控制系统的时间滞后现象主要是由于被控对象的惯性特性引起 的。 B) 控制系统的时间滞后现象主要是由于检测装置的安装位置引 起 的 。 C) 控 制 系 统 的 时 间 滞 后 现 象 对 控 制 系 统 的 稳 定 性 无 影 响。 D) 以上三种叙述都不完整。 15. D 16. DCS 的中文含意是: (B) A) 比例、积分、微分控制。 B) 分布式控制系统。 C) 可编程序控制 器。 D) 以上三个都不正确。

三.判断 1.× 2.与 DCS 相比, Fieldbus 的主要技术优点之一是实现了控制系统彻底 的分散[√] 3.热电阻温度计需要进行冷端补偿才能正常工作。 4.PID 的含义是比例、积分和微分。 [√ ] 5. 前馈控制系统是一种定值控制,一般情况下前馈控制可以单独使 用。 [× ] 6.用 Smith 补偿器来处理大时延控制对象时,不必要提供精 确的对象数学模型。[× ] 7.被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。 [√] 8.串级控制系统中的副控制器给定值是由主控制器的输出决定的,所 以副控制器相当于一个闭环定值控制系统。 [× ] [× ]

9.衰减比 n 表示系统过渡过程曲线变化两个周期后的衰减快慢。 [× ] 10. 热电阻温度计和热电偶温度计一样,测温时需要进行温度补

偿。 [× ] 11.一个单回路控制系统由控制器、执行器、检测变送装置和被控对 象组成。[√] 12.在比值控制系统中,一般选择易调节的量为主变量, 易测量的量为副变量。[× ]

18.DDC 的中文含义是直接数字控制。

[√]

19.被控对象的动态特性是描述被控对象输入输出关系动态特征的。 [ √ ] 20. 串 级 控 制 系 统 适 用 于 容 量 滞 后 较 小 的 生 产 工 艺 过 程 。 [×] 21.前馈控制系统一般可单独使用,因为其控制精度高,且不受外界 干扰影响。[×] 22.前馈控制与定值控制的原理相同,都是以偏差进行调解的。 [×] 23. 被控对象的存滞后时间常数是由于其自身的惯性特性引起的。 [×] 24.在串级控制中,副控制器的输入值为主控制器的输出。 [√]

四.简答题 13.什么是定值控制系统? 答案:定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统 的作用是克服扰动对被控变量的影响, 使被控变量最终回到设定值或 其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言。 14.什么是随动控制系统?

答案:随动控制系统的设定值是不断变化的,随动控制系统的作用是 使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化。 15.什么是程序控制系统? 答案:程序控制系统的设定值也是变化的,但它是一个已知的时间 函数,即设定值按一定的时间程序变化。 16.什么是调节(被控)对象,给定值和偏差? 答案:自动调节系统的生产设备叫做调节对象或简称对象,而生产中 要求保持的工艺指标,称为给定值。对于自动调节系统中,习惯采用 给定值 R 减去测量值 Y 作为偏差 e,即 e=R-Y,给定值 R 大于测量 值 Y 时为正偏差,而给定值 R 小于测量值 Y 时为负偏差。 17.简述建立对象的数学模型两种主要方法( : 每写出 1 种方法的得 2 分) 答案: 一是机理分析法:机理分析法是通过对对象内部运动机理

的分析,根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等), 在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。 通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型, 它们的表现形式往往 是微分方程或代数方程。 二是实验测取法:实验测取法是在所要研 究的对象上,人为施加一定的输入作用,然后,用仪器测取并记录表 征对象特性的物理量随时间变化的规律, 即得到一系列实验数据或实 验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理,求取对象的特 性参数,进而得到对象的数学模型。 18. 写出一个带有纯时间滞后的一阶惯性线性定常被控对象的传递

函 数 表 达 式 , 说 明 个 参 数 含 义 ——滞后时间 ——惯性时间常数

K—— 放 大 系 数

19.答:如果有一个输入量作用

于过程,通过过程后被放大 K 倍。 20.答:时间常数越大,系统反应 越慢,T 越小,系统反应越快。 21.答:当输入量输入受控过程时, 受控变量并没有马上动作,而是需要一定的时间才发生变化。 22.

答:机理分析法是通过对过程内部运行机理的分析,根据其物理或化 学变化规律, 在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特 性方程,其表现形式往往是微分方程或代数方程。这种方法完全依赖 先验知识,所得到的模型称为 理模型。机理分析法一般限于简单过程的数学模型建立。 23. 简述用机理分析方法建立被控对象数学模型的步骤 的一般步骤如下: 1) 根据实际工作情况和生产过程要求, 确定过程的输入变量和输出 变量。 2) 依据过程的内在机理,利用适当的定理定律,建立原始方程。 3) 确定原始方程式中的中间变量, 列写出中间变量与其他因素之间 的关系。 4) 消除中间变量,即得到输入输出变量的微分方程。 5) 若微分方程是非线性的,则需要进行线性处理。 6) 标准化,将于输入有关的各项放在等号右边,与输出有关的各 项放在等号左边,并按降幂排序。 24 简述建立被控对象数学模型的实验测试方法 机理建模

实验测取法是在所要研究的对象上,人为施加一定的输入作用, 然后,用仪 器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的 数据或实验曲线。然后对这些数据或 特性参数,进而得到对

规律,即得到一系列实验

曲线进行必要的数据处理,求取对象的 象的数学模型。

25 建立被控对象数学模型的常用实验测试方法有哪些? 主要有阶跃信号法和矩形脉冲法 26.什么叫绝对压力、表压及真空度?它们的相互关系是怎样的? 答案: 绝对压力:绝对真空下的压力称为绝对零压,以绝对零压 为基准来表示的压力叫绝对压力。 表压力:当绝对压力大于大气 压力时, 绝对压力高于大气压力的数值称为表压力, 简称表压。 真 空度:当绝对压力小于大气压力时,绝对压力低于大气压力的数值 称为真空度或负压。 27.简述 PID 调节器 cK、iT 和 dT 的作用是什么? 答案:在 PID 调节器中,cK 越大,表示调节作用越强,iT 值越大, 表示积分作用减弱,dT 值越大表示微分作用增强。 28.有一流量调节系统,信号传输管线很长,因此,系统产生较大的 传送滞后。有人设想给调节器后加微分器来改善系统特性,试问这种 设想合理否?为什么?若不合理,应采取什么措施合理? 答案:这种设想不合理,因为信号传送滞后是纯滞后,而微分作用不 能克服纯滞后。 解决这一问题合理的措施是采用 1:1 继动器加在 信号传输线之间,以增大信号流速,从而减小传输滞后,改善系统特

性。 29.利用微分作用来克服控制系统的信号传递滞后的设想是否合理与 正确? 答案:这种设想不合理,因为信号传送滞后是纯滞后,而微分作用 不能克服纯滞后。合理的措施是采用 1:1 继动器加在信号传输线之 间,以增大信号流速,从而减小传输滞后,改善系统特性。 30.通常在什么场合下选用比例 (P) , 比例积(PI) ,比例积分微分 (PID) 调节规律? 答案:比例调节规律适用于负载变化较小,纯滞后不太大而工艺要 求不高又允许有余差的调节系统。 比例积分调节规律适用于对象调 节通道时间常数较小,系统负载变化不大(需要消除干扰引起的余 差) ,纯滞后不大(时间常数不是太大)而被调参数不允许与给定值 有偏差的调节系统。 比例积分调节规律适用于容量滞后较大,纯滞 后不太大,不允许有余差的对象。 31.试简述临界比例度法及其特点。 答案:临界比例度法是在纯比例运行下通过试验,得到临界比例度 靠和临界周期 Tk,然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数 值。 这种方法比较简单、 易于掌握和判断, 适用于一般的控制系统。 但是不适用于临界比例度小的系统和不允许产生等幅振荡的系统, 否 则易影响生产的正常进行或造成事故。 32.试简述衰减曲线法及其特点。 答案:衰减曲线法是在纯比例运行下通过使系统产生衰减震荡,得

到衰减比例度 s?和衰减周期 sT(或上升时间升 T) ,然后根据经验 总结出来的关系求出控制器各参数值。 这种方法比较简便,整定质 量高,整定过程安全可靠,应用广泛,但对于干扰频繁,记录曲线不 规则的系统难于应用。 33.什么是检测元件 能将被测的变量(参数)直接转换成适合于测量

形式的元件或器件。 例如,测量温度的检测元件热电偶,能将温度 转换成毫伏信号,用于显示和控制。 34. 什么是变送器 传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规

律转换成可用输出信号的器件或装置的总称, 通常由敏感元件和转换 元件组成。 当传感器的输出为规定的标准信号时, 则称为变送器。


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