过程控制系统试卷集.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date过程控制系统试卷集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

2、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

3、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

4、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。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：画出控制系统的框图；确定调节阀的气开、气关形式；确定主、副调节器的调节规律及正、反作用方式。 3下图为加热炉控制方案。要求：画出控制系统的框图；说明该控制系统的类型；该控制系统主要用来消除何种干扰；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。过程控制系统试卷A 参考答案一、填空(每空1分，共30分)：1.检测元器件 变送器 执行器 被控对象2.

5、温度 压力 流量 液位 成份 单变量 多变量3.稳定性 准确性 快速性4.微分方程 差分方程 状态方程 传递函数5.直线 等百分比(对数) 快开6.(被调量的)偏差 干扰量(的大小) 动态7.定值控制 随动控制8.相乘 相除9.稳定性 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：；该指标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

6、制参数必须是可控的；控制通道的放大放大倍数要适当大些，时间常数要适当小些，纯滞后时间越小越好；干扰通道的放大倍数应尽可能小，时间常数应尽可能大，容量数尽可能多，干扰信号进入系统的位置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

7、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；当时，由；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： （2分） （2分） （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 （2分）2. 解: （4分） 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

8、式，其静态放大系数为“+”。（2分）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：（6分）该系统为前馈反馈

9、控制系统。（2分）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）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

10、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.

11、 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

12、程组，并求取过程的传递函数。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：设计一个合适的比值控制系统；采用差压式流量计，计算比值系数K(选用DDZ-III型仪表)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：画出控制系统的框图；说明该控制系统的类型；为什么该系统不是串级控制系统；前馈调节器应该采用何种控制律。过程控制系统B 参考答案一、填空(每空1分，共30分)：1.被控过程 自动检测 自动显示

13、 自动控制2.静态 动态3.控制作用 输出变量 干扰作用 输出变量4.曲线 表格5.被控对象（被控过程） 测量变送装置 调节器 调节阀6.定值 随动 程序 反馈 前馈 前馈反馈复合7.细调 粗调8.后 前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：；该指标可以避免正负偏差相互抵消，使

14、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

15、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： （2）分 （2）分 （2）

16、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 （2分）2. 解: 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。（4分）选择带开方器的差压式流量计。根据生产工艺要求，折算成仪表的比值系数为：（4分） 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：（5分）该系统为前馈反馈控制系统。（2分）两个控制器串级工作，但

17、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）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置，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

18、到干扰时，其输出量在无人或者无控制装置干预下，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

19、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G

20、p1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（402），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

21、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。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：画出控制系统的框图；说明该控制系统的类型；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。画出该控制

22、系统的框图；说明该控制系统的类型，并确定调节阀的气开、气关形式；确定控制器的正、反作用方式。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 参考答案一、填空(每空2分，共30分)：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 前馈11. 软12. 限值13. 调节器二、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：；该指标加大了对大偏差的加权系数，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

23、系数Km为“+”，由KcKvKmKo0,可知Kc0,故选用正作用调节器。（8分）3. （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： （2分）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

24、衡关系，可以列出如下增量方程： （4分） （4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 （4分）3 解：（4分）该系统为单回路控制系统。（2分）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：（3分）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

25、放大系数为“-”）。（3分）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）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）-