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21()()()HsGsQs。R1R2R3Q1Q2Q3h2h1水槽1水槽22．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。TTFCTCFT精馏塔再沸器精馏产品进料蒸汽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。原油FCTC燃料油过程控制系统试卷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.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：0()minJtetdt；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.所选的控制参数必须是可控的；控制通道的放大放大倍数0K要适当大些，时间常数0T要适当小些，纯滞后0时间越小越好；干扰通道的放大倍数fK应尽可能小，时间常数fT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()0iDt时，由()0(1,2,...,)ytin；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：11211dhQQdtC（2分）122hQR（2分）22321dhQQdtC（2分）233hQR（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33221213223122132()1()()11()1RRHsGsQsRCsRCsRRCCsRCRC（2分）2.解:①TC调节阀TTFT再沸器蒸汽管道FCTrT精馏塔（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：①TC调节阀TT加热炉TrFCTGPDF原油流量FT（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21()()()HsGsQs。R1R2R3Q1Q2Q3h2h1水槽1水槽22．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=500m³/h，F2max=210m³/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。FCTC原油燃料油过程控制系统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：0()minJetdt；该指标可以避免正负偏差相互抵消，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：11211dhQQdtC（2）分1222hhQR（2）分22321dhQQdtC（2）分233hQR（2）分消去中间变量，解得过程输入变量与输出变量之间