过程控制工程基础习题及答案

西南科技大学成教学院德阳教学点

《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案班级：姓名：学号：成绩：

一、填空题

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节组成。

2、仪表的精度等级又称准确度级，通常用引用误差作为判断仪表精度等级的尺度。

3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减比n 、超调量σ和过渡过程时间s t；静态质量指标有稳态误差e ss 。

4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。

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、Smith预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后进行补偿。

10、随着控制通道的增益K0的增加，控制作用增强，克服干扰的能力最大，

系统的余差减小，最大偏差减小。

11、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。

12、建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计。

13、控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。

14、控制阀的选择包括结构材质的选择、口径的选择、流量特性的选择和正反作用的选择。

15、防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。

16、如果对象扰动通道增益f K 增加，扰动作用增强，系统的余差增大，

最大偏差增大。

17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。

二、名词解释题

1、衰减比

答：衰减比n 定义为：

衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:1～10:1。

2、自衡过程

答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。

3、分布式控制系统

答：分布式控制系统DCS ，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、

1B B n

控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。

DCS的设计思想是“控制分散、管理集中”

三、简答题

1、电气阀门定位器有哪些作用

答：①改善阀的静态特性

②改善阀的动态特性

③改变阀的流量特性

④用于分程控制

⑤用于阀门的反向动作

2.简述串级控制系统的设计原则。

答：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。

3. 简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

答：简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。

4. 前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补, 所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.

5、PID调节器的参数

K、I T、D T对控制性能各有什么影响？

答：(1)比例增益

K反映比例作用的强弱，p K越大，比例作用越强，

反之亦然。比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；

(2)积分时间

T反映积分作用的强弱，I T越小，积分作用越强，反之亦

然。积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；

(3)微分时间

T反映积分作用的强弱，D T越大，积分作用越强，反之

亦然。微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用。

6、与反馈控制系统相比，前馈控制系统有哪些特点？

答：

(1)反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差，而前馈控制是基于扰

动来消除扰动对被控量的影响；

(2)反馈控制是“不及时”的，而前馈控制器可“及时”动作；

(3)反馈控制属闭环控制，而前馈控制属开环控制；

(4)反馈控制对闭环内扰动均有校正作用，而前馈控制具有制定性

补偿的局限性；

(5)反馈控制规律通常有P、PI、PD、PID等，而前馈控制规律比

较复杂。

7、简述“积分饱和现象”产生的内因和外因。

答：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。在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值引起积分饱和。

8、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。

9、在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加入一定量的酸、碱，使药物呈酸性或碱性。这种注入过程一般都在混合槽中进行。工艺要求生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例，同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，以免混合过程产生局部的化学副反应，为此设计如下图所示的控制系统。

试分析：1图中停留槽的作用是什么？

2图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？

答: 停留槽的作用是稳定药物流量,防止其发生急剧变化.图中共有两个控制系统,一个是停留槽液位与出口流量的均匀控制系统,是药物流量缓慢变化;另一个是药物与添加剂的比值控制系统,保持二者的比例关系.

四、分析与计算题

1、有一台温度变送器，量程为400－600℃，输出为4－20mA，当温度从500℃变化到550℃时，变送器从多少变为多少？

答：500℃时输出为：（20－4）×［（500－400）/（600－400）］＋4＝12mA

500℃时输出为：（20－4）×［（550－400）/（600－400）］＋4＝16mA 即：当温度从500℃变化到550℃时，变送器从12mA变为16mA。

2.某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为0.5级，在600℃该仪表指示为604℃，问该仪表是否超差？

答：某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为0.5级，在600℃该仪表指示为604，问该仪表是否超差？

（600—（—200））×0.5=4℃

该仪表不超差。

3.某测量仪表的测量范围是+200~+500℃精度等级为为5.0，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？3、答：某测量仪表的测量范围是+200~+500℃,精度等级为为5.0，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？

△max=±5.0%（500-200）=±15

示值为200℃时真值在185和215℃之间

示值为500℃时真值在485和515℃之间

4、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。

5、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 i q 和 o q ，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)()(s Q s H i 。

完整解答过程如下（含评分标准）：

液位的变化满足动态物料平衡关系：

液罐内蓄液量的变化率＝单位时间内液体流入量－单位时间内液体流出量：

o i q q dt

dh A -=?

……………………………………………………………………………(2分)

以增量形式表示各变量偏离起始稳态值的程度。即：

o i q q dt h d A ?-?=?? （式

1）………………………………………………………………(2分) 由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：

222212112

2gz v p gz v p ++=++ρρ…………………………………………………………(2分) 得：gh v 2=

故

k gh A v

A q o ===2''……………………………………………………………………(2分)

对非线性项进行泰勒级数展开，并取线性部分：

h h k q q q o o o ?=-=?0

02………………………………………………………………(1分)

将上式代入（式1），得：

h q dt h d A i ?-?=?? 整理并省略增量符号，得微分方程：

i Rq h dt

dh RA =+?…………………………………………………………………………(1分)

经拉氏变换可得传递函数为：

)()(+=RAs R s Q s H i ………………………………………………………………………(2分)

什么是过程控制？

过程控制是生产过程自动化的简称。

过程控制的特点

1，系统由被控过程与系类化生产的自动化仪表组成

2，被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计

3，控制方案丰富多彩，控制要求越来越高

4,控制过程大多属于慢变过程与参量控制

5，定值控制是过程控制的主要形式

过程参数检测仪表通常由传感器和变松器组成。

测温仪表的选用原则

1，仪表精度等级应符合工艺参数的误差要求

2，选用的仪表应能操作方便、运行可靠、经济、合理，在同一工程中应尽量减少一起的品种和规格

3，仪表的量程应大于工艺要求的实际测温范围，但也不能太大。 4，热电偶是测温仪表的首选检测元件，但当在低温测量时还是选用热电阻元件合适

5，对装有保护套管的测温元件，保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级，其材料根据最高使用温度及被测戒指的特性确定

压力是指作用于单位面积上的力，即物理上的压强

流量

单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量称为瞬时流量，而把某一段时间内流过工艺管道某截面的流体总量称为累计流量

调节器的功能

1，偏差显示

2，输出显示

3，内外给定的选择

4，正反作用的选择

5，手动切换操作

6，其他功能

执行器由执行机构和调节机构两部分组成。

执行器的气开，是指当气压信号p>0.02MPa 时，阀门由关闭逐渐打开；气关相反

调节阀的流量特性是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系

理想流量特性是指当调节阀前后压差一定是获得的流量特性

理想流量特性主要有三种，直线流量特性，对数（等百分比）流量特性，快开流量特性

直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。适用于中等开度，且负荷变化不大的过程

对数流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，适用于负荷变化打的过程

快开流量特性是指小开度时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最大

流量特性的选择必须保证系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。

有自衡特性

当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下，能够自动回复到原来或新的平衡状态

单容过程。

只有一个储存容积的过程

M序列的产生方法通常有两种，一是用移位寄存器产生，二是用软件

实现。

简单控制系统控制参数的确定原则

1，选择结果应使控制通道的静态增益K0尽可能大，时间常数Ｔ０，选择恰当。

２，控制通道的纯滞后时间ｔ０应尽可能的小，一般ｔ与Ｔ０的比值小于０．３．

３，干扰通道的静态增益Ｋｆ应尽可能的小；时间常数Ｔｆ应尽可能的大，其个数尽可能的多；扰动进入系统的位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。

４，当广义被控过程有几个一阶惯性环节串联而成时，应尽可能的设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能的大，一边尽可能提高系统的可控性。

调节规律的选择原则

调节器的正反作用方式选择

串级控制

将两个调节器串联在一起工作、各自完成不同任务的系统结构，就称为串级控制结构

串级控制系统的控制效果

１，能迅速客服进入副回路的干扰

２，能改善控制通道的动态特性，提高工作频率

３，能适应负荷和操作条件的剧烈变化

串级控制系统的特点

１，对进入副回路的干扰有很强的一致能力。

２，能改善控制通道的动态特性、提高系统的快速反应能力。

３，对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

串级控制系统的适用范围

１，容量滞后较大的过程

２，纯滞后较大的过程

３，干扰变化剧烈、幅度大的过程

４，参数互相关联的过程

５，非线性过程

串级控制系统的副回路的设计与副参数选择原则

１，副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间应尽可能短

２，副回路应尽可能多得包含变化频繁、幅度大的干扰

３，主副被控过程的时间常数要适当匹配

４，应综合考虑控制质量和经济性要求

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节规律的基本出发点

相对增益与耦合特性关系

当某通道的相对增益越接近于１，则由该通道组成的控制回路受其他控制回路的影响就越小；当个控制回路之间无耦合关系时，则构成回路的每个过程通道的相对增益都应为１，因而无耦合过程的相对增益矩阵必为单位阵。

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