2025年热工自动控制考试题与答案

2025年热工自动控制考试题与答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某热工对象阶跃响应曲线显示，输入阶跃信号Δu=5%后，输出最终稳定在Δy=12%，则该对象的静态增益K为（）。A.0.417B.2.4C.1.2D.0.5答案：B（K=Δy/Δu=12%/5%=2.4）2.以下关于PID控制器积分作用的描述，正确的是（）。A.积分作用可消除静态偏差，但会降低系统稳定性B.积分作用增强系统快速性，不影响稳态精度C.积分时间Ti越小，积分作用越弱D.积分作用仅在动态过程中起作用答案：A（积分作用通过累积误差消除静差，但会引入相位滞后，降低稳定性；Ti越小，积分作用越强）3.热电阻测温时，采用三线制接线的主要目的是（）。A.提高测量灵敏度B.减小导线电阻的影响C.简化接线方式D.增加信号传输距离答案：B（三线制通过电桥平衡抵消导线电阻的附加误差）4.某温度控制系统采用反作用控制器，当测量值突然增大时，控制器输出应（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B（反作用控制器：测量值↑→偏差↑→输出↓，以抵消偏差）5.以下哪种执行器适用于需要快速切断且泄漏量小的场合？（）A.气动薄膜调节阀B.电动球阀C.电磁阀D.气动活塞式执行器答案：C（电磁阀响应速度快，密封性能好，适合快速切断）6.采用临界比例度法整定PID参数时，若系统临界振荡周期为Tk=30s，临界比例度δk=25%，则PID控制器的积分时间Ti应整定为（）。A.15sB.30sC.45sD.60s答案：A（临界比例度法PID参数：Ti=0.5Tk=15s）7.以下关于前馈控制的描述，错误的是（）。A.前馈是开环控制，无法克服未知扰动B.前馈可与反馈控制结合形成复合控制C.前馈控制对所有扰动均有补偿作用D.前馈控制器的设计依赖于对象的扰动通道特性答案：C（前馈仅对可测扰动有补偿作用，不可测扰动需反馈控制）8.某压力变送器量程为0~1.6MPa，输出信号为4~20mA。当实测压力为1.2MPa时，输出电流应为（）。A.16mAB.14mAC.18mAD.12mA答案：A（电流=4+(20-4)×(1.2/1.6)=16mA）9.火电厂主汽温控制系统中，减温水流量扰动属于（）。A.给定值扰动B.基本扰动C.外部扰动D.内部扰动答案：D（减温水是系统内部可控的调节变量，其波动属于内部扰动）10.以下哪种控制策略适用于大滞后、大惯性的热工对象？（）A.单回路PID控制B.串级控制C.史密斯预估控制D.比值控制答案：C（史密斯预估器通过补偿纯滞后环节改善大滞后系统的控制品质）二、填空题（每空1分，共20分）1.热工自动控制系统的基本组成包括检测变送装置、（控制器）、执行器和（被控对象）。2.热电偶测温时，需满足（中间导体）定律以忽略连接导线的影响，冷端补偿常用方法有（冰浴法）、电桥补偿法和软件补偿法。3.PID控制器中，比例度δ越小，比例作用越（强）；微分时间Td越大，微分作用越（强）。4.阶跃响应的性能指标中，最大偏差是指过渡过程中（被控变量偏离设定值的最大幅度），余差是指（过渡过程结束后被控变量与设定值的差值）。5.气动执行器的气开式是指信号压力（增大）时阀门开启，气关式是指信号压力（减小）时阀门开启。6.热工对象的动态特性参数主要包括（放大系数K）、（时间常数T）和（纯滞后时间τ）。7.串级控制系统中，副回路的主要作用是（快速克服二次扰动）和（改善主对象的动态特性）。8.智能仪表的核心部件是（微处理器），其特点包括（自诊断）、（通信功能）和非线性校正能力。9.火力发电厂协调控制系统（CCS）的主要任务是协调（锅炉）和（汽轮机）的能量输出，满足电网负荷需求。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述热电阻与热电偶测温原理的区别，并说明各自的适用场景。答案：热电阻基于金属或半导体的电阻随温度变化的特性（如Pt100），适用于中低温（-200~850℃）测量，需外接电源；热电偶基于塞贝克效应，两种不同材料的导体两端温差产生热电势，适用于高温（0~1800℃）测量，需冷端补偿。2.说明PID控制器中比例、积分、微分作用的各自特点及适用场景。答案：比例（P）：输出与偏差成正比，快速产生调节作用，但存在静差，适用于干扰小、对象滞后小的系统；积分（I）：输出与偏差积分成正比，消除静差，但会降低稳定性，适用于需要无静差的系统；微分（D）：输出与偏差变化率成正比，预测偏差变化趋势，提高系统响应速度，适用于大惯性、大滞后的对象。3.比较单回路控制系统与串级控制系统的结构差异，并分析串级控制的优势。答案：单回路是“测量-控制-执行”的单闭环结构；串级有主、副两个闭合回路，副回路包围主对象的一部分。优势：副回路快速克服二次扰动（如燃料量波动），减小其对主变量的影响；改善主对象动态特性（如减小主对象时间常数），提高系统抗扰动能力和控制精度。4.简述气动调节阀的流量特性及其选择原则。答案：流量特性指相对流量与相对开度的关系，主要有线性、等百分比（对数）、快开特性。选择原则：根据对象特性匹配，若对象特性非线性严重（如传热过程），选等百分比特性以补偿对象非线性；若对象特性接近线性（如管道阻力），选线性特性；快开特性适用于快速切断场合（如事故放空阀）。5.分析热工控制系统中“扰动通道”与“控制通道”特性对控制质量的影响。答案：扰动通道：放大系数Kf越小、时间常数Tf越大、纯滞后τf越小，扰动对被控变量的影响越小，系统越易控制；控制通道：放大系数K0越大，控制作用越强，但过大会导致系统不稳定；时间常数T0越小，响应越快，但可能超调；纯滞后τ0越大，控制作用延迟越明显，系统稳定性越差。四、计算题（每题10分，共30分）1.某温度对象的阶跃响应实验数据如下：输入阶跃Δu=10%（控制器输出变化），输出y(t)随时间变化如下表：t(s)0102030405060∞y(t)0258101111.512（1）判断该对象的动态特性类型（一阶/二阶/一阶加纯滞后）；（2）计算其放大系数K、时间常数T和纯滞后时间τ（采用两点法）。答案：（1）对象输出在t=0~10s无变化，10s后开始上升，最终稳定，属于一阶加纯滞后（FOPDT）模型。（2）K=Δy∞/Δu=12%/10%=1.2；取y(τ+T)=0.632y∞=0.632×12=7.584%，对应t≈30s（y=8%接近），则τ+T=30s；纯滞后τ=10s（t=10s前y=0），故T=30-10=20s。2.某压力控制系统采用PID控制器，已知临界比例度δk=30%，临界振荡周期Tk=24s。按临界比例度法整定PID参数（δ、Ti、Td），并说明参数意义。答案：临界比例度法PID参数公式：δ=0.6δk=0.6×30%=18%；Ti=0.5Tk=0.5×24=12s；Td=0.125Tk=0.125×24=3s。δ为比例度，越小比例作用越强；Ti为积分时间，越小积分作用越强；Td为微分时间，越大微分作用越强。3.某流量测量系统采用孔板流量计，设计量程为0~500m³/h，对应差压0~16kPa，输出4~20mA电流信号。实际运行中，测得差压为9kPa，求：（1）对应的流量值；（2）输出电流值。答案：（1）流量与差压平方根成正比，q=qmax×√(Δp/Δpmax)=500×√(9/16)=500×0.75=375m³/h；（2）电流I=4+(20-4)×(Δp/Δpmax)=4+16×(9/16)=4+9=13mA。五、综合分析题（20分）某300MW火力发电厂主蒸汽温度控制系统存在以下问题：减温水流量波动时，主汽温调节滞后大，超调量达15℃（允许值≤10℃），且稳态偏差有时超过5℃（允许值≤2℃）。请分析原因并设计改进方案，要求：（1）画出改进后的控制系统方框图；（2）说明各环节的作用；（3）提出参数整定的注意事项。答案：（1）方框图：主汽温（主变量）→主变送器→主控制器（PID1）→副控制器（PID2）→减温水调节阀→减温水流量（副变量）→减温器→主汽温。副回路包含减温水流量测量与控制，主回路控制主汽温。（2）各环节作用：主变送器（T1）：测量主汽温，转换为电信号；主控制器（PID1）：根据主汽温偏差输出副回路设定值，消除稳态偏差；副变送器（F1）：测量减温水流量，转换为电信号；副控制器（PID2）：快速跟踪主控制器输出的流量设定值，克服减温水压力波动等二次扰动；减温水调节阀：调节减温水流量，影响主汽温。（3）参数整定注意事项：副回路应整定得“快而稳”，比例度δ2较小（10%~3