2026年《过程控制工程》期末复习题及答案

2026年《过程控制工程》期末复习题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.以下关于过程控制中被控变量选择的描述，错误的是（）A.应直接反映生产工艺的关键指标B.优先选择可直接测量的变量C.若无法直接测量，可选择与关键指标强相关的间接变量D.为简化系统，应选择滞后时间最长的变量答案：D（滞后时间过长会增加控制难度，应避免）2.某过程对象的阶跃响应曲线呈现“先上升后趋于平缓”的特性，其数学模型最可能为（）A.一阶无自衡模型B.一阶有自衡模型C.二阶无自衡模型D.纯滞后环节答案：B（一阶有自衡模型的阶跃响应最终会趋于新稳态值）3.关于干扰通道动态特性对控制系统的影响，正确的是（）A.干扰通道时间常数越大，系统抗干扰能力越弱B.干扰通道纯滞后越大，控制作用的及时性越差C.干扰通道增益越大，干扰对被控变量的影响越小D.干扰通道时间常数越大，干扰对系统的影响越平缓答案：D（时间常数大，干扰变化缓慢，系统有更多时间响应）4.PID控制器中，微分作用的主要目的是（）A.消除稳态误差B.抑制超调，改善动态响应C.提高系统的稳定性D.降低系统对噪声的敏感性答案：B（微分作用根据误差变化率提前动作，抑制超调）5.采用Ziegler-Nichols连续振荡法整定PID参数时，需首先确定（）A.临界比例度δk和临界周期TkB.系统的最大增益和最小相位C.对象的纯滞后时间τ和时间常数TD.积分时间Ti和微分时间Td的初始值答案：A（该方法通过使系统处于等幅振荡状态，获取δk和Tk作为整定依据）6.集散控制系统（DCS）的核心结构特点是（）A.集中管理、分散控制B.全数字化、全分散化C.基于现场总线的单回路控制D.依赖中央计算机的集中运算答案：A（DCS通过分散的现场控制站实现过程控制，中央操作站实现集中监控）7.以下不属于前馈控制特点的是（）A.对干扰的补偿具有及时性B.仅针对特定干扰有效C.不需要被控变量的反馈信号D.可完全消除所有干扰的影响答案：D（前馈控制只能补偿已知干扰，无法处理未知干扰）8.某温度控制系统在阶跃扰动下的过渡过程曲线显示超调量为25%，调节时间为120s，余差为0，该系统的控制质量（）A.超调量过大，需增大比例度B.调节时间过长，需减小积分时间C.余差为0，说明积分作用过强D.综合性能符合一般工业要求（超调量20%-30%，调节时间适中）答案：D（工业中常见超调量允许范围为20%-30%，余差为0说明控制精度满足）9.被控过程的放大系数K对控制性能的影响是（）A.K越大，系统灵敏度越低，控制难度小B.K越大，干扰对被控变量的影响越小C.K越小，控制作用对被控变量的调节效果越弱D.K的大小不影响系统的稳定性答案：C（K小意味着控制作用变化时，被控变量变化幅度小，调节效果弱）10.以下关于串级控制系统的描述，正确的是（）A.主回路用于克服主要干扰，副回路用于快速响应B.副对象的时间常数应远大于主对象C.主控制器通常采用P或PD控制，副控制器采用PI控制D.串级系统的抗干扰能力一定优于单回路系统答案：A（副回路可快速克服进入副回路的干扰，主回路克服其他干扰）二、简答题（每题8分，共40分）1.简述过程控制中“自衡”与“无自衡”过程的区别，并各举一例。答案：自衡过程指当输入（干扰或控制作用）发生阶跃变化后，被控变量能在没有控制作用的情况下自动趋于新稳态值的特性，如换热器出口温度（当热流体流量变化时，温度最终会稳定）。无自衡过程则是被控变量在输入变化后会持续上升或下降，无法自行稳定，如单容水槽的水位（进水流量变化时，水位会一直上升或下降，需通过排水阀调节）。2.说明PID控制器中比例（P）、积分（I）、微分（D）环节的作用及各自的优缺点。答案：比例环节（P）：根据当前误差成比例输出控制作用，优点是响应快、控制及时；缺点是存在余差，比例度过小会导致系统振荡。积分环节（I）：对误差积分，消除余差；缺点是积分作用过强会降低系统稳定性，延长调节时间。微分环节（D）：根据误差变化率提前动作，抑制超调，改善动态响应；缺点是对高频噪声敏感，可能引入干扰。3.前馈-反馈控制系统的设计思路是什么？与单纯前馈或反馈控制相比有何优势？答案：设计思路：通过前馈补偿已知干扰对被控变量的影响（基于干扰测量值直接计算控制作用），同时利用反馈控制纠正前馈补偿的残余误差及未知干扰的影响。优势：相比单纯前馈，可处理未知干扰；相比单纯反馈，对主要干扰的补偿更及时，减少被控变量的波动。4.简述集散控制系统（DCS）的三层结构及其功能。答案：DCS通常分为现场控制层、操作监控层和管理决策层。现场控制层由现场控制站、I/O模块和执行器/传感器组成，负责数据采集和直接控制；操作监控层通过操作员站和工程师站实现人机交互、实时监控和参数整定；管理决策层通过管理计算机集成生产数据，实现优化调度和故障诊断。5.分析被控过程的纯滞后（τ）对控制系统的影响，并提出减小纯滞后影响的措施。答案：纯滞后会导致控制作用延迟生效，使系统超调增大、稳定性下降，严重时可能引发振荡。减小措施：①选择滞后较小的测量点（如靠近被控变量的位置）；②采用微分先行或中间微分控制，提前反映被控变量的变化趋势；③引入前馈控制补偿滞后干扰；④对于大滞后过程，可采用史密斯预估控制或模糊控制等先进方法。三、分析计算题（每题10分，共30分）1.某加热炉温度控制系统的阶跃响应实验数据如下：当燃料流量阶跃增加20%（Δu=20%）时，温度从初始值800℃开始上升，30s后开始明显变化，60s时温度为820℃，120s时达到835℃，最终稳定在840℃。试建立该过程的一阶加纯滞后数学模型（形式为G(答案：纯滞后时间τ：阶跃响应开始变化的时间为30s，故τ=30s。放大系数K：稳态变化量Δy=840-800=40℃，输入变化量Δu=20%，故K=Δy/Δu=40/20=2（℃/%）。时间常数T：取阶跃响应达到稳态值的63.2%的时间。稳态值为840℃，63.2%的变化量为40×0.632=25.28℃，对应温度为800+25.28=825.28℃。从τ=30s开始计时，温度达到825.28℃的时间约为t=60s（对应温度820℃）到t=120s（835℃）之间。用两点法近似：当t=τ+T时，y(τ+T)=y(∞)(1-e^{-1})≈0.632y(∞)。已知t=30s时y=800℃（初始），t=60s时y=820℃（τ+30s），t=120s时y=835℃（τ+90s），t→∞时y=840℃。计算T：当t=τ+T=30+T时，y=800+40×(1-e^{-1})≈825.28℃。观察数据，t=90s（τ+60s）时y≈825.28℃（插值：60s到120s间，温度从820℃升到835℃，每30s升15℃，则t=90s时温度为820+15=835℃？此处可能数据需调整，假设实际数据中t=90s时温度为825℃，则T=60s。最终模型为G(2.某流量控制系统采用PID控制器，已知被控对象传递函数为(s)=答案：根据Ziegler-Nichols临界比例度法（适用于PID控制），整定公式为：比例度δ=0.6δ_k（δ_k=1/K_c=1/8=0.125，即12.5%），故K_c=0.6×8=4.8；积分时间T_i=0.5T_k=0.5×20=10s；微分时间T_d=0.125T_k=0.125×20=2.5s。3.某反应釜温度控制系统中，干扰为进料流量（f），其通道传递函数为(s)=；控制通道传递函数为(答案：全补偿条件为干扰通过前馈控制器和控制通道的总作用与干扰直接作用的效果相抵消，即c(s)c(四、综合应用题（10分）某化工厂合成氨装置的氨冷却器需要控制出口氨气温度（要求30±1℃），主要干扰包括：①循环冷却水流量波动；②氨气进料流量波动；③环境温度变化。试设计一个合理的控制系统，说明系统组成、各环节作用及抗干扰策略。答案：系统设计：采用串级控制系统，主被控变量为氨冷却器出口氨气温度（主变量），副被控变量为冷却器内冷却水与氨气的换热区温度（副变量）。系统组成：主检测变送环节：出口氨气温度传感器（如热电阻）+变送器，将温度信号转换为4-20mA电信号（主反馈信号）。副检测变送环节：换热区温度传感器（如热电偶）+变送器，提供副反馈信号。主控制器（温度控制器TC）：接收主变量与设定值（30℃）的偏差，输出作为副控制器的设定值。副控制器（温度控制器TIC）：接收副变量与主控制器输出的偏差，输出控制冷却水调节阀的开度。执行器：气动薄膜调节阀（安装在冷却水管道上，气开式），根据副控制器输出调节冷却水流量。抗干扰策略：对于循环冷却水流量波动（主要干扰，进入副回路）：副回路可快速检测换热区温度变化，通过副控制器及时调整冷却水流量，抑制干扰对主变量的影响（副回路响应快，可在干扰影响主变量前补偿