过程控制考试期中试卷答案解析

过程控制考试一试卷一、填空题（本题共计10分，包括3小题，10个填空，每空1分）1、简单控制系统由（控制器）、（执行机构）、（被控对象）和（检测变送仪表）四个环节组成。2、对象数学模型是指对象的（输入输出）特点，是对象在各输入量（控制量和检测变送量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。3、获得对象数学模型的方法参方法有：（机理法）和（测试法）。4、气动执行器由（调治）机构和（执行）机构两部分组成，常用的辅助装置有（阀门）定位器和手轮机构。5、流通能力Ｃ的定义是：调治阀全开，阀前后压差为（0.1Mp），流体重度为（1g/m3），每（小时）所经过的流体（系）数。6、被调介质流过阀门的（相对）流量与阀门（相对）行程之间的关系称为调治阀的流量特点；若阀前后压差保持不变时，上述关系称为（理想流量）特点，实质使用中，阀门前后的压差总是变化的，此时上述关系为（工作流量）特点。7、动向前馈控制的设计思想是经过选择合适的（前馈）控制器，使搅乱信号经过（前馈）控制器致被控量通道的动向特点完满复制对象（搅乱）通道的动向特点，并使它们符号（相反）（正、反），进而实现对搅乱信号进行完满补偿的目标。8、自动调治系统常用参数整定方法（动向特点参数法），（牢固界线法），（衰减曲线法），（经验法）。9、调治系统中调治器正、反作用的确定依照是：（保证控制系统成为负反响）。4、模糊控制器的设计（不依赖）被控对象的精确数学模型。二、选择题（本题共计10分，包括5小题，每题2分）由于微分调治规律有超前作用，所以调治器加入微分作用主若是用来（C）:A.战胜调治对象的惯性滞后（时间常数T），容量滞后τc和纯滞后τ0.B.战胜调治对象的纯滞后τ0.C.战胜调治对象的惯性滞后（时间常数T），容量滞后τc.2.定值调治是一种能对（A）进行补偿的调治系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．搅乱量的变化设定值的变化定值调治系统是（X）环调治，前馈系统是（X）环调治(B)。A．开，闭B．闭，开C．开，开D．闭，闭调治系统在纯比作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原牢固度，此时应将比率度（A）。增大减小不变先增大后减小成分、温度调治系统的调治规律，平时采用（C）。PIPDPID6..流量、压力调治系统的调治规律，平时采用（A）。A.PIPDPID液位调治系统的调治规律，平时采用（D）。PIPDPIDP调治系统中调治器正、反作用的确定是依照(B)：A．实现闭环回路的正反响。B．实现闭环回路的负反响。C．系统放大倍数恰到好处D．生产的安全性。单纯的前馈调治是一种能对（C）进行补偿的调治系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．搅乱量的变化定值调治是一种能对（A）进行补偿的调治系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．搅乱量的变化热电偶温度计（C）是利用两个相互接触金属导体的温差电动势特点进行测温的。是利用两个相互接触金属导体的接触电动势特点进行测温的。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点进行测温的。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点进行测温的。下面的表达中哪一个是最为合理的（D）控制系统的时间滞后现象主若是由于被控对象的惯性特点引起的。B)控制系统的时间滞后现象主若是由于检测装置的安装地址引起的。控制系统的时间滞后现象对控制系统的牢固性无影响。以上三种表达都不完满。DCS的中文含意是：（B）比率、积分、微分控制。分布式控制系统。可编程序控制器。以上三个都不正确。三、判断题：判断以下陈述的对错。你认为正确的，在每道题后边的括号里打√，否则打×（本题共计20分，包括10题，每题2分）1．与DCS对照，Fieldbus的主要技术优点之一是实现了控制系统完整的分别[√]2．热电阻温度计需要进行冷端补偿才能正常工作。[×]3．PID的含义是比率、积分和微分。[√]4．前馈控制系统是一种定值控制，一般情况下前馈控制能够单独使用。[×]5．用Smith补偿器来办理大时延控制对象时，不用要供应精确的对象数学模型。[×]6．被控对象特点是指被控对象输入与输出之间的关系。[√]7．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。[×]8．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。[×]9．热电阻温度计和热电偶温度计同样，测温时需要进行温度补偿。[×]10．一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。[√]11．在比值控制系统中，一般选择易调治的量为主变量，易测量的量为副变量。[×]12．DDC的中文含义是直接数字控制。[√]13．被控对象的动向特点是描述被控对象输入输出关系动向特点的。[√]14．串级控制系统适用于容量滞后较小的生产工艺过程。[×]15．前馈控制系一致般可单独使用，由于其控制精度高，且不受外界搅乱影响。[×]16．前馈控制与定值控制的原理同样，都是以偏差进行调解的。[×]17．被控对象的存滞后时间常数是由于其自己的惯性特点引起的。[×]18．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（本题共计15分，包括5小题，每题3分）1．什么是定值控制系统？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，使被控变量最后回到设定值或其周边.今后无特别说明控制系统均指定值控制系统而言。2．什么是随动控制系统？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赶忙地,正确无误地追踪设定值的变化而变化。3．什么是程序控制系统？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，即设定值按必然的时间程序变化。4．什么是调治(被控)对象，给定值和偏差？答案：自动调治系统的生产设备叫做调治对象或简称对象，而生产中要求保持的工艺指标，称为给定值。对于自动调治系统中，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小于测量值时为负偏差。5．什么叫绝对压力、表压及真空度?它们的互有关系是怎样的?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。绝对压力、大气压、表压、真空度之间的互有关系以下列图。6．7．简述PID调治器Kc、Ti和Td的作用是什么？答案：在PID调治器中，Kc越大，表示调治作用越强，Ti值越大，表示积分作用减弱，Td值越大表示微分作用增强。8．有一流量调治系统，信号传输管线很长，所以，系统产生较大的传达滞后。有人设想给调治器后加微分器来改进系统特点，试问这种设想合理否？为什么？若不合理，应采用什么措施合理？答案：这种设想不合理，由于信号传达滞后是纯滞后，而微分作用不能够战胜纯滞后。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，进而减小传输滞后，改进系统特点。9．利用微分作用来战胜控制系统的信号传达滞后的设想可否合理与正确？答案：这种设想不合理，由于信号传达滞后是纯滞后，而微分作用不能够战胜纯滞后。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，进而减小传输滞后，改进系统特点。10．平时在什么场合下采用比率（P），比率积（PI）,比率积分微分（PID）调治规律？答案：比率调治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赞同有余差的调治系统。比率积分调治规律适用于对象调治通道时间常数较小，系统负载变化不大（需要消除搅乱引起的余差），纯滞后不大（时间常数不是太大）而被调参数不一样意与给定值有偏差的调治系统。比率积分调治规律适用于容量滞后较大，纯滞后不太大，不一样意有余差的对象。11．试简述临界比率度法及其特点。答案：临界比率度法是在纯比率运行下经过试验，得到临界比率度靠和临界周期Tk，尔后依照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率度小的系统和不一样意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。12．试简述衰减曲线法及其特点。答案：衰减曲线法是在纯比率运行下经过使系统产生衰减震荡，获得衰减比率度s和衰减周期Ts（或上升时间T升），尔后依照经验总结出来的关系求出控制器各参数值。这种方法比较简略，整定质量高，整定过程安全可靠，应用广泛，但对于搅乱频繁，记录曲线不规则的系统难于应用。13．简述热电偶温度计组成部分及各部件的功能。（本题每写出1个组成部分得1分，每写出1个组成部分功能得1分）答案：热电偶温度计的基本组成部分有：热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。以以下列图所示图题4（2）热电偶是系统中的测温元件，测量仪表是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计，导线用来连接热电偶与测量仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。14．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合?答案：串级控制系统的主要特点为：（每写出1个应用途合的得2分）a)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器组成的双闭环控制系统；b)c)d)

系统的目的在于经过设置副变量来提高对主变量的控制质量；由于副回路的存在，对进入副回路的搅乱有超前控制的作用，所以减少了搅乱对主变量的影响；系统对负荷改变时有必然的自适应能力。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、搅乱作用强而频频、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。15．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：一是机理解析法：机理解析法是经过对对象内部运动机理的解析，依照对象中物理或化学变化的规律(比方三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似办理后推导出的对象特点方程。经过这种方法获得的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式经常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，人为施加必然的输入作用，尔后，用仪器测取并记录表征对象特点的物理量随时间变化的规律，即获得一系列实验数据或实验曲线。尔后对这些数据或曲线进行必要的数据办理，求取对象的特点参数，进而获得对象的数学模型。16．复合前馈控制中的两种典型形式是什么？（4）答案：前馈-反响控制和前馈-串级控制。17．热电偶有哪几种冷端补偿方法？（6）答案：冷端温度冰浴法计算修正法补偿电桥法18．写出任意三种常用的控制器参数整定方法（6）答案：a)经验法牢固界线法衰减曲线法响应曲线法衰减频率特点法（答出其中任意三种者得6分，每答出1种得2分）19．什么是串级控制，它由哪些基本环节组成？答案：将两台控制器串通在一起，使被控量的控制器的输出作为辅助控制量控制器的给定值，而辅助控制器输出控制一台控制阀的控制系统就是串级控制系统。串级控制系一致般由主被控对象、副被控对象、控制阀、主控制器、副控制器、主变送装置、副变送装置组成。20．简述大时延控制系统Smith预估补偿方案的特点。答案：Smith预估补偿方案的特点是预估出过程在基本扰动下的动向特点，尔后由预估器进行补偿，力求使被延缓了时间的被调量超前反响到控制器，使控制器提前动作，进而明显的减小超调量和加速调治过程，改进控制系统的质量。21．简述什么是有自衡能力的被控对象。答案：当被控对象碰到搅乱作用，平衡状态被破坏后，不需要外加控制作用，能依赖自己达到新的平衡状态的能力称为有自衡能力，这种对象称为有自衡能力的被控对象。22．前馈控制适用于什么场合？答案：前馈控制是按扰动而进行控制的，所以，前馈控制常用于的场合：a)一是扰动必定可测，否则无法推行控制；b)二是必定经常有比较明显和比较频频的扰动，否则无此必要。c)三是存在对被控参数影响较大且不易直接控制的扰动。23．分别说明比率、积分、微分控制对控制系统的作用。答案：比率控制影响系统的动向特点和系统的牢固性；积分控制的作用是能够消除系统余差；微分控制能够提高系统的响应速度，战胜对象容量滞后的影响。24．前馈控制适用于什么样的场合？前馈控制是按扰动而进行控制的，所以，前馈控制常用于以下场合：1)扰动必定是可测的，否则无法推行控制；2)必定经常有比较明显和频频的扰动，否则没有必要；3)存在对被控参数较大而且不易直接控制的扰动。25．为什么前馈控制常与反响控制组成前馈—反响控制系统？答案：前馈控制是一种补偿控制。一般来讲，前馈控制无法全部补偿扰动对被控变量所产生的影响。所以，单纯的前馈控制系统在应用中就会带来必然的限制性。为战胜这一弊端，前馈控制常与反响控制联用，组成前馈—反响控制系统。对最主要的、明显的、频频的无法直接控制的扰动，由前馈来进行补偿控制；对无法完满补偿的扰动影响，由反响控制依照其对被控变量所产生的偏差大小来进行控制。26．控制器的正反作用是怎样确定的？五、计算题（本题共计15分，包括2小题）1．（5分）某控制系统用牢固界线法分别整定控制器参数，已知临界比率度k25%，Tk4.5min，试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。牢固界线法计算表以下。控制参数控制作用P2PI2.2PID1.7解：对于PI控制器查表得：

TITDk--k0.85Tk-k0.5Tk0.13TkP2.2k2.225%0.55TI0.85Tk0.854.53.825对于PID控制器查表得：P2.2k2.225%0.55TI0.85Tk0.854.53.825TD0.13Tk0.134.50.5852．（5分）某控制系统用4：1衰减曲线法分别整定控制器参数。将积分时间调至最大，微分时间调至最小，对系统施加阶跃信号，经过调治后系统的衰减比为4：1，此时记录下来的比率度s56%和时间参数Ts5.1min。试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。4：1衰减曲线整定经验参数表以下。控制参数TITD控制作用Ps--PI1.2s0.5Ts-PID0.8s0.3Ts0.1Ts解：对于PI控制器查表得：P1.2s1.256%0.67TI0.5Tk0.55.12.55对于PID控制器查表得：P0.8s0.856%0.48TI0.3Tk0.35.11.53TD0.1Ts0.15.10.513．（10分）一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器实现。已知Q1max26500m3/h，Q2max32000m3/h。求：a)画出控制系统的结构图。b)当I016mA时，比值控制系统的比值K及比值系数K'分别为多少。c)待比值系统稳准时，测得I116mA，试计算此时的I2为多大。题5.2图流量双闭环比值控制系统原理图解：1)由于I0K164得KI04/16(164)/160.75②所以KKQ1max①KKQ2max0.75320000.9②Q2maxQ1max265002)由仪表的比率系数定义，K'I24mA①I14mA得：I2K'(I14mA)4mA②即：I20.9(104)49.4mA②4．一个比值流量控制系统用DDZ-Ⅲ型乘法器来进行比值运算，其原理图如题3图所示。流量用孔板配差压变送器来测量，但没有开方器，已知Q1max3600kg/h，Q2max2000kg/h。a)试画出比值控制系统的结构图。b)若是要求比值为Q1:Q22:1，应怎样设置乘法器的设定值I0。(I14)(I04)（乘法器的输出I'4）16题3图单闭环乘法比值控制系统原理图解：流量的最大量程分别为F1max3600kg/h，F2max2000kg/h。流量与检测电流的关系为，I116F14，I216F24，流量比值为KF2，乘法器的输F1maxF2maxF1(I14)(I04)4。出为I'16稳态时有I'(I14)(I04)4，I0(II2，即：I21616(I

21

4)4)

4，I016K'4。不加开方器情况，要进行非线性办理：222K‘非性KF1maxF2F1max136000.920.81F2maxF1F2max22000乘法器的设置值：‘0.8116416.96mAI0K非线性164①②③④⑤六、应用题（15）为了获得被控对象的动向特点，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，进而有观察到的信息解析其特点。但由于某些生产过程的被控对象不一样意长时间施加这样的搅乱信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观察数据，再将脉冲响应曲线变换成阶跃响应曲线，以便于特点提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线变换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求解析变换机理，写出变换步骤。题6图矩形脉冲输入/输出曲线答：设被控对象特点为线性特点，由叠加原理，输入一个矩形脉冲信号，相当于施加两个阶跃信号，一个在t=0处，另一个在tt0处。⑤=设阶跃响应为y1，将所测绘的响应曲线准时间间隔t0均分。在第一区间，y1(t0)=y1(t0)。在第二区间y1(2t0)=y(2t0)+y1(t0)。第三区间，y1(3t0)=y(3t0)+y1(2t0)。以此类推，将前一区间的阶跃响应曲线叠加到本区间的脉冲响应曲线上，即可获得本区间的阶跃响应曲线。⑤其响应曲线见以下列图。阶跃响应曲线⑤为了获得被控对象的动向特点，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，进而有观察到的信息解析其特点。但由于某些生产过程的被控对象不一样意长时间施加这样的搅乱信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观察数据，再将脉冲响应曲线变换成阶跃响应曲线，以便于特点提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线变换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求解析变换机理，写出变换步骤。在某一蒸汽加热器的控制系统中，用响应曲线法进行参数调整。当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85℃升到87.8℃，从原来的牢固状态达到新的牢固状态。仪表的刻度为50100℃，并测出纯滞后时间0=1.2min,时间常数T0=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数（响应曲线法控制器参数整定经验公式见附表）。解：输入增量为：X761mA输出增量为：Y87.885.02.8℃输入量程差为：XmaxXmin10010mA输出量程差为：YmaxYmin1005050℃Y/(YmaxYmin)2.8/500.56所以，K0Xmin)1/10X/(Xmax由查表得：在采用PI控制器时，1.1K00100%1.10.561.2100%30%T02.5TI3.303.31.23.96min在选择PID控制器时，0.85K00100%0.561.223%T00.85100%2.5TI2021.22.4minTD0.500.51.20.6min用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采用冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问：实质温度应为多少？答：若是热端温度不变，想法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？解：显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实质输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即E(t,tO)20.64mV同样，查表可得：E(t,0)E(t,t0)E(t0,0)20.642.46323.076mV由23.076mV查表可得：t=557℃。即实质温度为557℃。当热端为557℃，冷端为20℃时，由于E（20，0）=0.798mV,故有：E(t,t0)E(t,0)E(t0,0)23.0760.79822.278mV由此电势，查表可得显示仪表指示值应为538.4℃。5.（12）某生产过程需要甲乙两种液体，甲液体的正常流量为3，仪表量1250m/h333程为0-1350m/h；乙的正常流量为150m/h，仪表量程为0-240m/h。若是选甲为主变量，乙为副变量，设计一个控制乙的单闭环比值控制系统，画出流程图并计算引入开方运算与不引入开方运算所分别设置的比值系数。答：采用乘法器的单闭环比值控制流程框图以下列图。（其中Q1为甲流量，Q为乙流量）2Q1max1350m3/h:Q1的量程上限，Q2max150m3/h:Q2的量程上限，Q1min0m3/h:1的量程下限，QQ2min0m3/h:Q2的量程下限。1引入开方器时，比值系数为：K'Q2Q1maxQ1minKQ1maxQ1minQ1Q2maxQ2minQ2maxQ2min1501350012502400不引入开方器时：

0.6752K'Q2Q1maxQ1minQ1Q2maxQ2min1501350020.67520.45612502400设计一个比率、积分(PI)调治器，控制一个温度调治系统。控制器的调治范围为：0-3000℃，控制器的输出为4-20mA。当给定被控对象一个如图(a)所示的阶跃输入时，测定的被控对象响应曲线如图(b)所示（响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表）。要求：计算出控制器的控制参数，画出控制系统方框图。响应曲线法控制器参数整定经验公式表调治参数调治规律比率度δ%积分时间TI微分时间TDP(K0τ0/T0)╳100%PI1.1(K0τ0/T0╳100%3.3τ0)PID0.85(K0τ0/T0)╳100%τ00.5τ02答：由已知条件得：控制器的调治范围上下限为：

ymax

3000℃和

ymin

0℃，控制器的输入上下限为

Pmax

20mA和Pmin

4mA，由测试数据得，当输入信号从

4mA变化到

18mA时，被控对象输出信号从

0℃变化到2500℃。由此得广义被控对象的放大系数

K0，K0yPyminPmaxPminymax25000184300002042500160.95300014在测得的曲线上找拐点A，作切线交于B、C点，以以下列图。图中的读数约为：tB3min，tC20min。所以，T020317min，03min。由表中查得PI控制器的比率度计算公式为1.1K00100%0.95318.48%T01.1100%17Kc1/1/0.184819.11积分常数为：TI3.303.339.9min控制系统方框图见以下列图PI控制器广义被控对象19.11(110.95e3s)19.9s17s已知已被控对象的传达函数为W0K0es(s)(T1s1)(T2s1)在阶跃扰动r(t)变化（从r(t)12mA变化到r(t)16mA）的作用下，其响应曲线以以下列图所示。使用阶跃响应曲线确定被控对象的传达函数中的各参数，K0，，T1和T2。二阶被控对象响应曲线上各特点值关系曲线图见附图。答：曲线的初步点为B，在曲线中找到拐点P，过拐点作切线交于C、D。在阶跃响应特点曲线上确定出y()108.5，y(0)100，y101，yT107，T11，05WeiWei对于有自衡能力的二阶被控对象的传达函数为：W0(s)

K0(T1s1)(T2s1)其单位阶跃响应曲线以以下列图。用图解法确定此二阶被控对象传达函数的参数K0，T1和T2。其中BE与m的互有关系表见附表。答：由于输入为单位阶跃输入，被控对象的放大系数为K013.5