过程控制与自动化仪表期末试卷及答案

过程控制与自动化仪表期末试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，将正确选项字母填入括号内）1.在过程控制系统中，若被控对象为一阶惯性环节，其传递函数为G(s)=K/(Ts+1)，则其阶跃响应达到63.2%稳态值所需的时间为（）。A.0.5T  B.T  C.2T  D.3T答案：B2.某温度变送器量程为0～200℃，输出4～20mA，若实测电流为12mA，则对应温度为（）。A.75℃  B.100℃  C.120℃  D.150℃答案：B3.在PID调节器中，若积分时间Ti→∞，则控制器实际变为（）。A.P  B.PI  C.PD  D.PID答案：C4.对于气动薄膜调节阀，当输入信号增大时，阀杆运动方向与介质流动方向相同，则该阀为（）。A.气开式  B.气关式  C.双座阀  D.三通阀答案：A5.在均匀控制方案中，为保证前后工序流量平稳，通常选用（）控制规律。A.P  B.PI  C.PD  D.PID答案：B6.下列关于电磁流量计的描述，错误的是（）。A.可测导电液体  B.不受流体密度影响  C.必须满管  D.可测非导电液体答案：D7.某比值控制系统，主流量Q1=10m³/h，比值系数K=0.8，则副流量设定值应为（）。A.8m³/h  B.10m³/h  C.12.5m³/h  D.18m³/h答案：A8.在DCS结构中，完成模拟量输入、输出处理功能的板卡称为（）。A.CPU  B.AI/AO  C.DI/DO  D.COMM答案：B9.对于串级控制系统，副回路主要克服的扰动位于（）。A.主对象  B.副对象  C.主回路  D.副回路答案：B10.若某压力变送器引用误差为0.1%，量程0～1MPa，则最大允许绝对误差为（）。A.10kPa  B.1kPa  C.0.1kPa  D.100kPa答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列属于连续过程控制典型被控变量的有（）。A.温度  B.液位  C.压力  D.流量  E.转速答案：ABCD12.关于电容式差压变送器，正确的有（）。A.采用差动电容结构  B.可测绝对压力  C.需外加隔离膜片  D.输出为数字信号  E.与介质接触部分为不锈钢答案：ACE13.下列措施可减小调节阀气蚀现象的有（）。A.降低阀前后压差  B.选用多级降压阀芯  C.提高介质温度  D.增大阀门口径  E.采用耐磨材料答案：ABE14.在PLC梯形图中，能完成边沿检测的指令有（）。A.R_TRIG  B.F_TRIG  C.SR  D.RS  E.NOP答案：AB15.下列关于前馈控制的描述，正确的有（）。A.属于开环补偿  B.需对象模型  C.可完全消除误差  D.常与反馈结合  E.对不可测扰动无效答案：ABDE三、填空题（每空1分，共20分）16.1.某调节器比例度PB=50%，则其比例增益Kc=________。答案：217.2.在DDZⅢ型仪表中，统一信号范围为________mA。答案：4～2018.3.若某温度对象时间常数T=5min，则其截止频率ωc≈________rad/min。答案：0.219.4.对于PI控制器，当系统出现余差时，应________积分时间Ti。答案：减小20.5.在DCS冗余配置中，CPU冗余切换时间一般小于________ms。答案：10021.6.某差压变送器迁移后，其量程变为20～80kPa，则零点迁移量为________kPa。答案：2022.7.在阀门定位器中，用于反馈阀杆位置的环节称为________。答案：反馈杠杆（或反馈弹簧）23.8.对于一阶系统，其相位滞后φ与频率ω的关系为φ=________。答案：arctan(ωT)24.9.在均匀控制中，为兼顾液位与流量，通常将液位控制器参数整定得较________。答案：宽松25.10.在PLC中，16位无符号整数最大值为________。答案：6553526.11.某电磁流量计电极材料选用哈氏合金，主要考虑介质的________性。答案：腐蚀27.12.在串级控制中，主控制器输出作为副控制器的________。答案：设定值28.13.若某系统开环增益为10，欲使幅值裕度≥2，则允许最大增益为________。答案：529.14.在过程控制中，________图用于表示仪表位号与安装位置。答案：P&ID30.15.对于气动阀门，输入信号为0.02～0.1MPa，对应阀门行程为0～100%，则其输入信号为0.06MPa时，开度为________%。答案：50四、判断改错题（每题2分，共10分。先判断对错，若错则改正）31.在PID调节器中，微分作用对高频噪声具有抑制作用。答案：错。微分作用对高频噪声具有放大作用。32.电磁流量计可测量蒸馏水流量。答案：错。蒸馏水电导率过低，无法测量。33.在PLC中，模拟量输入模块的分辨率越高，则转换精度一定越高。答案：错。分辨率只是精度的一个因素，还需考虑线性度、温漂等。34.对于气关式调节阀，当信号中断时阀门处于全开位置。答案：对。35.在比值控制中，副流量回路必须采用PI控制才能保证比值恒定。答案：错。采用P控制即可满足比值要求，PI可进一步提高精度。五、简答题（每题6分，共30分）36.简述调节阀流量特性选择的基本原则。答案：根据系统负荷变化范围及对象特性选择：(1)负荷变化小、压差变化小，选直线特性；(2)负荷变化大、压差变化大，选对数特性；(3)快开特性用于两位式或安全联锁；(4)抛物线特性用于特殊负荷曲线；(5)考虑管道阻力影响，进行特性修正。37.说明串级控制系统相比单回路的主要优势。答案：(1)副回路快速抑制二次扰动，提高动态响应；(2)副回路对象增益减小，改善主回路工作频率；(3)副回路对象非线性、参数变化被副回路包围，降低对主回路影响；(4)允许主副回路分别整定，提高系统鲁棒性；(5)可引入前馈补偿，进一步提高品质。38.写出标准PID位置式算法表达式，并说明各参数物理意义。答案：u(k)=Kc[e(k)+T/Ti·Σe(j)+Td/T·(e(k)e(k1))]+u0Kc：比例增益，反映偏差放大倍数；Ti：积分时间，越小积分作用越强，消除余差越快；Td：微分时间，越大微分作用越强，预测偏差变化趋势；u0：初始阀位，防止突变。39.简述DCS与PLC在过程控制应用中的主要差异。答案：(1)DCS面向连续过程，I/O板卡冗余、扫描周期100ms级；PLC面向离散控制，扫描周期10ms级；(2)DCS采用全局数据库，变量统一命名；PLC程序以任务为单位，变量局部化；(3)DCS具有丰富的PID、补偿、计算功能块；PLC需额外软件包；(4)DCS人机界面一体化，历史站冗余；PLC需外挂SCADA；(5)DCS通信协议以以太网+现场总线为主，PLC支持多种现场总线；(6)DCS系统规模可达万点，PLC机架扩展有限。40.解释“安全仪表系统（SIS）”与“过程控制系统（DCS）”在功能安全上的分工。答案：DCS负责过程连续调节与监控，追求高可用性；SIS负责超限联锁停车，追求高安全性；SIS独立于DCS，采用冗余容错结构，满足SIL等级；DCS故障不得影响SIS，SIS动作优先于DCS；SIS采用故障安全型设计，失电、断气、断信号均导向安全态；DCS可进行在线维护，SIS需停车检修或旁路管理。六、计算与分析题（共55分）41.（10分）某液位对象阶跃响应实验数据如下：t(min)012345678910h(cm)001.54.06.58.5101111.511.812输入阶跃Δu=20%。求：(1)用两点法求K、T；(2)写出传递函数。答案：稳态值h(∞)=12cm，Δh=12cm，K=Δh/Δu=12/0.2=60cm。取28.3%与63.2%点：0.283×12=3.4cm→t1≈2.3min；0.632×12=7.6cm→t2≈4.5min；T=1.5(t2t1)=1.5×2.2=3.3min；G(s)=60/(3.3s+1)。42.（12分）某温度控制系统采用PI控制，对象G(s)=2e^(0.5s)/(2s+1)，测量变送Gm=0.1，调节阀Kv=1。用ZieglerNichols闭环法整定：(1)求临界增益Ku与临界周期Tu；(2)按ZN公式求PI参数；(3)计算相位裕度。答案：(1)令纯比例闭环，增大Kc至等幅振荡，仿真得Ku=5.2，Tu=1.8min；(2)Kc=0.45Ku=2.34，Ti=0.83Tu=1.49min；(3)在ω=π/Tu=1.75rad/min处，开环增益=1，相位φ=180°，相位裕度PM=0°（临界），按ZN整定后PM≈30°。43.（10分）某比值控制系统，主流量Q1测量范围0～20m³/h，副流量Q2范围0～25m³/h，工艺要求Q2/Q1=0.6。(1)计算仪表比值系数K'；(2)若Q1=15m³/h，求Q2设定；(3)若Q1变送器输出电流为14mA，求Q2设定电流。答案：(1)K'=K·(Q1max/Q2max)=0.6×20/25=0.48；(2)Q2sp=0.6×15=9m³/h；(3)I1=(144)/16×20=12.5m³/h，Q2sp=0.6×12.5=7.5m³/h，I2=4+0.48×16=11.68mA。44.（10分）某储罐液位均匀控制，采用PI控制器，液位测量范围0～4m，流量测量范围0～100t/h。要求液位波动不超过±0.2m，流量波动不超过±5t/h。已知对象传递函数Gp(s)=0.8/(5s+1)，扰动Gd(s)=0.6/(3s+1)。求：(1)按λ=2min整定PI参数；(2)计算液位最大偏差；(3)是否满足工艺要求。答案：(1)取λ=2，Kc=1/(K·λ)=1/(0.8×2)=0.625，Ti=5min；(2)对阶跃扰动±10t/h，液位偏差Δh=0.6×10×0.625×5/(5+2)=1.34m·%，即0.053m；(3)0.053m<0.2m，流量波动经仿真<5t/h，满足要求。45.（13分）某加热炉出口温度与燃料压力串级控制，主被控变量T，副变量P。主对象G1(s)=1.2e^(1.2s)/(4s+1)，副对象G2(s)=0.9/(0.8s+1)，燃料压力扰动D(s)经副回路，测量环节Gm1=0.05，Gm2=0.1，阀Kv=1。(1)先整定副回路PI，取λ=0.3min，求Kc2、Ti2；(2)等效副回路闭环传递函数；(3)用对称最优法整定主回路PI，求Kc1、Ti1；(4)仿真阶跃设定值变化5℃，记录主变量超调量。答案：(1)Kc2=1/(0.9×0.3)=3.7，Ti2=0.8min；(2)G2cl(s)=1/(0.3s+1)；(3)等效主对象Ge(s)=1.2e^(1.2s)/[(4s+1)(0.3s+1)]，取对称最优Ti1=4.5min，Kc1=1/(1.2×4.5)=0.185；(4)仿真得超调σ≈8%，满足σ<10%要求。七、综合设计题（共20分）46.某化工厂反应釜需设计一套安全联锁系统（SIS）与过程控制系统（DCS）集成方案。工艺要求：(1)当釜温≥120℃或釜压≥0.8MPa时，立即切断蒸汽阀并打开冷却水阀；(2)正常工况由DCS进行温度压力串级控制；(3)所有阀门为故障安全型，信号中断时蒸汽阀关、冷却水阀开；(4)需满足SIL2等级，硬件故障裕度≥1；(5)提供测试按钮，允许在线验证阀门动作。请完成：a.画出P&ID图（文字描述即可）；b.列出SIS输入输出清单；c.说明DCS与SIS信号隔离措施；d.给出阀门部分行程测试（PST）策略。答案：a.描述：反应釜温度TT101、压力PT102信号经安全栅分别进DCSAI与SISAI；DCS输出TY101、PY1