2026年过程控制系统设计仪表习题附答案

2026年过程控制系统设计仪表习题附答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某温度控制系统中，被控对象的阶跃响应曲线在输入阶跃变化Δu=2mA后，输出最终稳定在Δy=120℃，则该对象的放大系数K为（）。A.60℃/mAB.240℃/mAC.120℃/mAD.30℃/mA2.以下哪种仪表属于执行器？（）A.差压式流量计B.气动薄膜调节阀C.热电阻温度计D.压力变送器3.某流量测量系统采用标准孔板+差压变送器，若实际被测流体密度为设计值的1.2倍，其他参数不变，则测量误差为（）。A.+9.5%B.-9.5%C.+18.3%D.-18.3%4.PID控制器中，积分作用的主要目的是（）。A.减小稳态误差B.提高响应速度C.抑制高频噪声D.防止超调5.某液位控制系统中，被控对象的传递函数为G(s)=K/(Ts+1)，若增大比例系数Kc，系统的稳定性会（）。A.提高B.降低C.不变D.先提高后降低6.热电偶测温时，补偿导线的作用是（）。A.延长热电极长度B.补偿冷端温度变化C.提高测量精度D.增强抗干扰能力7.调节阀的流量特性中，等百分比特性的相对流量变化率与（）成正比。A.相对开度B.绝对流量C.相对流量D.绝对开度8.某压力测量系统量程为0~1.6MPa，实际测量值为1.2MPa，若仪表精度等级为1.0级，则最大绝对误差为（）。A.±0.016MPaB.±0.012MPaC.±0.032MPaD.±0.024MPa9.串级控制系统中，主控制器的输出作为副控制器的（）。A.给定值B.测量值C.干扰量D.输出限幅值10.数字式仪表与模拟式仪表相比，主要优势是（）。A.抗干扰能力强B.响应速度快C.成本更低D.维修更简单二、填空题（每空1分，共20分）1.过程控制系统的基本组成包括被控对象、测量变送装置、______和执行器。2.仪表的精度等级是根据______来划分的，某0.5级仪表量程为0~100℃，其最大绝对误差为______。3.热电阻测温时，三线制接法可以减小______对测量的影响。4.调节阀的流通能力C定义为：当阀全开、阀前后压差为______、流体密度为______时，每小时流经阀门的流体体积（m³/h）。5.一阶被控对象的动态特性参数包括放大系数K和______。6.PID控制器的传递函数为______，其中Ti为______时间，Td为______时间。7.流量测量中，涡街流量计的输出信号与______成正比，属于______式流量计。8.串级控制系统中，副回路的主要作用是______，提高系统的抗干扰能力。9.智能仪表通常具备______、______和自诊断功能。10.被控过程的干扰通道放大系数越大，对系统稳态误差的影响越______（填“大”或“小”）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述过程特性参数K、T、τ对控制系统性能的影响。2.说明电磁流量计的工作原理及适用场景。3.比较比例控制（P）、比例积分控制（PI）、比例积分微分控制（PID）的优缺点。4.如何选择调节阀的气开、气关形式？需考虑哪些安全因素？5.简述数字PID控制器中“积分饱和”现象的产生原因及解决方法。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=5mA，输出从初始值80℃开始变化，经15s后达到90℃，最终稳定在130℃。假设对象为一阶加纯滞后模型，求其传递函数G(s)。（提示：一阶对象阶跃响应表达式为y(t)=KΔu(1-e^(-t/T))，纯滞后τ为输出开始变化的时间）2.某流量控制系统采用标准孔板+差压变送器，设计时流体密度ρ0=800kg/m³，差压变送器量程为0~16kPa，对应输出4~20mA。实际运行中，流体密度变为ρ1=900kg/m³，其他参数不变。当差压变送器输出为12mA时，实际流量是多少？（设计流量公式：q0=K√(Δp/ρ0)，实际流量q1=K√(Δp/ρ1)）3.采用齐格勒-尼科尔斯临界比例度法整定PID控制器参数。实验测得系统临界比例度δk=20%，临界周期Tk=60s。求PI控制和PID控制的参数（比例度δ、积分时间Ti、微分时间Td）。五、案例分析题（共20分）某化工厂精馏塔塔顶温度控制系统设计需求如下：被控变量：塔顶温度（目标值85±1℃）主要干扰：进料流量波动（最大±15%）、进料温度波动（±10℃）执行器：气动薄膜调节阀（气开式，流通能力C=100m³/h）测量变送：热电阻温度计（量程0~150℃，精度0.5级）+温度变送器（4~20mA输出）问题：1.设计该控制系统的方框图，标注各环节名称。2.分析进料流量干扰进入系统的位置（直接干扰或通过影响被控对象特性间接干扰），并说明副回路设计是否适用。3.计算测量变送环节的最大测量误差，判断是否满足控制精度要求（±1℃）。4.若实际运行中发现系统超调量过大，可能的原因有哪些？提出至少3种改进措施。答案一、选择题1.A（K=Δy/Δu=120/2=60℃/mA）2.B（执行器负责改变操纵变量，调节阀属于执行器）3.B（流量公式q=K√(Δp/ρ)，密度变为1.2倍，测量值q测=K√(Δp/ρ0)，实际q实=K√(Δp/(1.2ρ0))，误差=(q测-q实)/q实≈-9.5%）4.A（积分作用消除稳态误差）5.B（增大比例系数会降低系统稳定性）6.B（补偿导线将冷端延伸至温度稳定处，补偿冷端温度变化）7.C（等百分比特性的相对流量变化率与相对流量成正比）8.A（最大绝对误差=量程×精度等级%=1.6×1.0%=±0.016MPa）9.A（串级系统中主控制器输出作为副控制器给定值）10.A（数字式仪表抗干扰能力强，可通过编码、校验提高可靠性）二、填空题1.控制器2.最大引用误差；±0.5℃（100×0.5%）3.连接导线电阻4.100kPa；1000kg/m³（水）5.时间常数T6.Kc(1+1/(Tis)+Tds)；积分；微分7.流体流速；速度8.快速克服副回路内干扰9.数据存储；通信（或“智能算法”）10.大三、简答题1.K越大，系统稳态误差越小，但超调量可能增大；T越大，对象惯性越大，响应速度越慢；τ越大，控制作用滞后越明显，系统稳定性降低。2.电磁流量计基于法拉第电磁感应定律，导电流体切割磁感线产生感应电动势，电动势与流速成正比。适用于导电液体（如酸、碱、盐水），不能测量气体或非导电液体（如石油）。3.P控制：响应快但有稳态误差；PI控制：消除稳态误差但可能降低稳定性；PID控制：综合P的快速性、I的无差性、D的超前控制，适用于惯性大、滞后大的对象，但参数整定复杂。4.气开式（无气关断）：故障时阀门关闭，适用于流体为危险介质（如易燃），关闭更安全；气关式（无气全开）：故障时阀门打开，适用于流体为贵重介质（如稀有原料），避免断料。需考虑工艺安全要求（故障时设备/人员安全）、介质特性（毒性、腐蚀性）。5.积分饱和：偏差长期存在时，积分项累积至输出限幅值，导致控制滞后。解决方法：积分分离（偏差大时切除积分）、抗饱和积分（限制积分项输出）、限幅PID（限制控制器输出范围）。四、计算题1.纯滞后τ=15s（输出开始变化的时间）；稳定值Δy=130-80=50℃，Δu=5mA，故K=50/5=10℃/mA；当t→∞时，y(∞)=KΔu=50℃，符合。取t=τ+T时，y(τ+T)=KΔu(1-e^(-1))≈0.632×50=31.6℃，对应总时间为15+T，假设实验中t=45s时y=90℃（80+10），则10=50(1-e^(-(45-15)/T))→e^(-30/T)=0.8→T≈-30/ln0.8≈135s。传递函数G(s)=10e^(-15s)/(135s+1)。2.设计时，差压变送器输出12mA对应Δp=16×(12-4)/(20-4)=8kPa。设计流量q0=K√(8/800)=K√0.01=0.1K；实际流量q1=K√(8/900)=K√(0.00889)=0.0943K。q1/q0=0.0943/0.1=0.943，即实际流量为设计流量的94.3%。3.PI控制：δ=2δk=40%，Ti=0.5Tk=30s；PID控制：δ=1.7δk=34%，Ti=0.5Tk=30s，Td=0.125Tk=7.5s（齐格勒-尼科尔斯法经验公式）。五、案例分析题1.方框图：塔顶温度（被控变量）→热电阻温度计→温度变送器（测量变送环节）→温度控制器（PID）→气动薄膜调节阀（执行器）→再沸器加热量（操纵变量）→精馏塔（被控对象）→塔顶温度（形成闭环）。2.进料流量干扰直接影响塔内物料平衡，属于直接干扰；进料