过程控制试题及答案

三：简答题 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．正反方向判断 气开气关,如何选择？ P84

答：所谓起开式，是指当气体的压力信号增大时，阀门开大；气关式则相反，压力增大时，阀门关小。气动调节阀气开气关形式的选择，主要从工艺生产的安全来考虑的。详见例题3-5

气开气关调节阀的选择主要是从生产安全角度和工艺要求考虑的，当信号压力中断时应避免损坏设备和伤害操作人员。如阀门处于开的位置时危害性小，则应选气关式反之选用气开式。

3.控制器正反方向判断 P133

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.串级系统方框图 P176及特点是什么？

答：特点（1）减小了被控对象的等效时间常数；（2）提高了系统工作频率；（3）对负载变化有一定的自适应能力。

5.前馈反馈的区别有哪些？

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。

四：计算题 20分

1. 稳态误差 衰减比 超调量的计算，详见课本第九页例题。 2. 数学建模类大题。

一、 简答题（40分）

1、过程控制系统的主要特点是什么？

2、热电阻在使用时要注意什么？为什么？请画出具体电路！

3、何谓调节阀的气开、气关形式？在选用气动执行器时需考虑哪些内容？ 4、前馈控制与反馈控制各有什么特点？

5、什么是比值控制系统？请画出一个单闭环比值控制系统的结构图。

二、 图示为氯乙烯装置中的聚合反应釜温度控制系统，氯乙烯在釜中进行聚

合反应生成聚氯乙烯。反应中放出的热量由夹套中流动的冷却水源源不断地带走。聚合反应·釜的反应温度是聚合反应生产中的最重要参数。如果反应温度高于给定值，会使产品报废，甚至会引起爆炸。如果反应温度低于给定值，会使产品质量下降。为使反应釜的反应温度为恒值，设计了图示的控制系统。试确定图中所有控制系统的类型并画出结构图。试确定调节阀的气开、气关形式以及调节器的正反作用。（10分）

TT1 TC1 氯乙烯

TT2 TC 水 反应釜 夹

套

冷却水

出料

三、 图示为某生产过程中的热交换器，为了满足被加热物料出口温度的工艺要求，采用工业废热水和蒸汽对其加热。当用热水不能满足出口温度要求时，则再同时使用蒸汽加热。试设计一个过程控制系统满足工艺要求。（20分） 热水 蒸汽 热物料

冷凝水

三、简答题（40分） 冷物料 1、过程控制系统的主要特点是什么？ 答：（1）、系统由系列生产的过程检测控制仪表组成 （2）、被控对象的多样性 （3）、控制方案的多样性 （4）、控制过程属慢过程 （5）、定值控制是过程控制中的一种主要控制形式。

2、热电阻在使用时要注意什么？为什么？

答： 要使用三线制。因为热电阻在电桥中使用时要引线到现场，引线也有电阻，但由于到现场的距离是随机的这样就会引起误差。

3、何谓调节阀的气开、气关形式？在选用气动执行器时需考虑哪些内容？ 答：气开阀：有控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门打开、无控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门关闭。

气关阀：无控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门打开、有控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门关闭。 在选择调节阀时要注意： （1）、调节阀的尺寸。 （2）、气开、气关的选择 （3）、调节阀流量特性的选择

4、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 答：（1）前馈控制是开环控制，是及时的。反馈控制是不及时的。 （2）前馈控制只能克服那个可测而不可控的主要扰动量。而反馈控制可以克服前向通道上的所有扰动量。 （3）前馈控制是根据扰动量大小进行的控制；而反馈控制是根据偏差来进行控制。 （4）前馈控制的控制规律是由对象的特性决定的。而反馈控制的控制规律是通用的PID

5、答：凡是用来实现两个或两个以上参数之间保持一定的比值控制系统就是比

Wv Wo Q2 Q1 Wm Wc Wc 值控制系统。

三、答：为确保事故状态下设备和人身安全，调节阀为气关阀。

为保证系统是负反馈，己知副对象W02为反作用的对象，所以副调节器为反作用。己知主对象W01为正作用的对象，所以主调节器为正作用。 Wc Wo2 Wo1 Wc1 Wv 测量变送2

测量变送1

四、 ：根据题意

1、可选择出口处物料温度为被控参数。 2、可分别选择蒸汽和热水作控制参数。

3、应该选用分程控制系统来实现，其原理框图如下：

调节阀1

对象 调节器 调节阀2 测量变送

4、选择热电阻元件为测量元件，DDZ-Ⅲ型热电阻变送器 5、调节器控制规律选择PI调节器

6、为确保事故状态下设备和人身安全，蒸汽调节阀为气开阀。

热水调节阀也为气开阀。

7、为保证系统是负反馈，己知对象为正作用的对象，所以温度调节器为反作用。

8、画出流程图。 二、填空及解释（14分）

1、在自动控制系统中，能够测量某物理量的大小并把它转化为一种特定信号的自动化装置是

2、串级调节系统中，副回路是一个 调节系统。

3、工程上定义的压力是指： 4、体积流量是指： 5、电-气转换器能够把0~10 mA或4~20 mA的电流信号转换成 的气压信号。

6、对象的自平衡能力是指 。 7、调节阀的理想流量特性：

三 、简答题（40分）

1、过程控制系统的主要特点是什么？

2、温度检测仪表可分为哪两大类？各有什么优缺点？ 3、图示为一充满介质的管道，现欲测量流动介质的温度。请画出热电偶安装位置！热电偶在使用时要注意什么？ 4、何谓调节阀的气开、气关形式？在选用气动执行器时需考虑哪些内容？

5、前馈控制能否单独使用？为什么？

四、在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。图中是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产的产品造成质量下降；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。

图6-3

（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？ （２）试画出该控制系统的组成方块图。

（３）试确定调节阀的气开、气关形式以及调节器的正反作用。（10分）

五、在环保中为了消除工厂烟道气中SO2等有害气体对大气的污染，其方法之一是将烟道气送入高速旋转的吸收塔内与雾状石灰水即Ca（OH）2反应。Ca（OH）2与SO2反应生成CaSO4沉淀，从而消除了SO2，保护了环境。为了提高SO2的吸收效率，在烟气进入吸收塔之前必须使其温度控制在150℃，若当烟气温度过低时则用蒸汽加热。当温度过高时，可用冷空气对其进行调节，以满足吸收效率的要求，试设计一个过程控制系统。（20分） 去吸收塔 烟囱

蒸汽 冷空气

二、填空

1、答：变送器 2、答：随动系统

3、答：单位面积上的压力即物理学上的压强。 4、答：单位时间内流过管道截面流体的体积。

5、答：。20-100KPa

6、答：当发生扰动时在不需要人工和设备的干预下，能重新取得平衡 三、简答题

1、 过程控制系统的主要特点是什么？ 答：（1）、系统由系列生产的过程检测控制仪表组成 （2）、被控对象的多样性 （3）、控制方案的多样性 （4）、控制过程属慢过程 （5）、定值控制是过程控制中的一种主要控制形式。 2、 答：

分接触式测温和非接触式测温。

接触式测温的优点：简单、可靠，测量精度高。 缺点：有滞后，有上限。

非接触式测温的优点：测量范围广，无上限，速度快

缺点：误差大

3、热电偶使用时要使用补偿导线和冷端温度补偿，

热电偶在使用补偿导线和冷端温度补偿。使用补偿导线是因为热电偶由贵重金属做成，而热电偶到变送器距离较远，使用贵重金属则太贵，而使用与贵重金属特性相近的便宜金属代替，这就是补偿导线。

热电偶的分度表是在冷端温度为0℃，而在正常使用时很难保证环境温度为0℃，

这样会使测量出来的电动势有误差，因此必须采用冷端温度补偿电路。

4答：气开阀：有控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门打开、无控制气压信号（即

调节器有输出信号）时阀门关闭。

气关阀：无控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门打开、有控制气压信号（即调节器有输出信号）时阀门关闭。 在选择调节阀时要注意： （1）、调节阀的尺寸。（2）、气开、气关的选择（3）、调节阀流量特性的选择 （4）调节阀的结构

5、答：不能单独使用。原因：1、开环控制 2、只能针对一种扰动3、只能对可测不可控制的扰动。4、前馈调节器实现起来较困难。 四、解：答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。

（４） 该系统的方块图如图所示。调节阀为气关，调节器的正作用。

为确保事故状态下设备和人身安全，调节阀为气关阀

为保证系统是负反馈，己知对象为负作用的对象，所以空气流量调节器为正作用。

五、答：根据题意

1、可选择出口处烟气温度为被控参数。 2、可分别选择蒸汽和冷空气作控制参数。

3、应该选用分程控制系统来实现，其原理框图如下：

调节阀1 调节器 调节阀2 测量变送 对象

4、因为烟气温度为150℃，故选择热电阻元件为测量元件，DDZ-Ⅲ型热电阻变送器。 5、调节器控制规律选择PI调节器

6、为确保事故状态下设备和人身安全，蒸汽调节阀为气开阀。

空气调节阀也为气关阀。

7、为保证系统是负反馈，己知对象为正作用的对象，所以温度调节器为反作用。 8、画出流程图。

1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。

解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体 并释放出热量。当电石加入时，内部温度上升，温度 检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控 制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调 节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。 系统框图如下：

被控过程：乙炔发生器 被控参数：乙炔发生器内温度 控制参数：冷水流量

1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类：

1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。

3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？

答：1. 余差(静态偏差）e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。

2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第

一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：

n?BB? n＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。 衡量系统稳定性也可以用衰减率φ

B?B???B4．最大偏差A：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。

5． 过程过渡时间ts：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ （根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，ts越小，过渡过程进行得越快。

6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp。它反映了系统响应的灵敏程度。

静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。

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