2025年自动化(过程控制与自动化仪表)试卷及答案

2025年自动化(过程控制与自动化仪表)试卷及答案适用专业：自动化、测控技术与仪器考试时长：120分钟满分：100分一、填空题（共20空，每空1分，共20分）1.过程控制系统一般由____、____、____、____四个基本环节组成。2.被控对象的三个固有特性参数分别是____、____、____，其数值仅由对象本身结构决定，与外部输入无关。3.用差压变送器测量敞口储罐液位，已知液位测量范围0~3m，被测介质密度为850kg/m³，重力加速度取9.8m/s²，变送器的测量量程为____kPa；若变送器安装位置比液位最低测量点低0.5m，则需要进行____（正/负/零）迁移，迁移量为____kPa（计算结果保留三位有效数字）。4.工业用S型热电偶测温，已知冷端温度为25℃，测得热电势为11.712mV，查分度表得25℃对应热电势为0.143mV，1050℃对应热电势为11.855mV，则被测介质实际温度为____℃。5.调节阀的理想流量特性分为____、____、____、快开四种，其中适用于负荷变化大、被控对象增益非线性的场合的是____特性。6.常规PID控制器中，____作用能够消除余差，____作用能够提前抑制偏差变化、减小动态超调，____作用能够快速减小偏差。7.本安防爆系统常用的两种安全栅类型为____、____。8.分布式控制系统（DCS）的三层核心结构为____、____、____。9.工业过程控制现场仪表的统一标准模拟信号为____mADC。二、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.下列过程参数中，不属于工业过程四大热工参数的是（）A.温度B.压力C.流量D.转速2.关于比例控制的特点，下列说法正确的是（）A.比例度越大，控制作用越强B.比例控制无法消除余差C.比例控制会导致系统响应变慢D.比例度与控制器放大系数成正比3.用节流装置测量气体流量时，若引压管内存在未排除的凝液，会导致流量测量值（）A.偏大B.偏小C.无影响D.不确定4.调节阀公称通径选择的主要依据是（）A.管道直径B.工艺流体的最大流量C.调节阀的流通能力C值D.流体压力5.下列复杂控制系统中，能够有效克服进入副回路的干扰的是（）A.串级控制B.前馈控制C.比值控制D.均匀控制6.热电偶测温时，若显示仪表指示值偏低，不可能的原因是（）A.热电偶热电极短路B.补偿导线与热电偶极性接反C.补偿导线与热电偶型号不匹配，补偿电势偏小D.热电偶冷端温度补偿过度7.下列PID参数整定方法中，属于闭环整定方法的是（）A.动态特性参数法B.临界比例度法C.经验试凑法D.前馈补偿法8.关于过程控制系统的过渡过程品质指标，下列说法错误的是（）A.衰减比大于1时系统是稳定的B.余差是稳态偏差，属于稳态指标C.过渡时间越短，说明系统响应速度越快D.最大偏差越小，说明系统稳定性越好9.下列仪表中，属于接触式测温仪表的是（）A.红外测温仪B.热电阻C.光学高温计D.辐射温度计10.本安防爆系统中安全栅的安装位置应当为（）A.危险区现场B.安全区控制室侧C.危险区与安全区中间D.以上都可以三、判断题（共10题，每题1分，共10分）1.过程控制中，被控变量的设定值始终保持恒定的系统称为定值控制系统。（）2.差压变送器的量程迁移会改变其测量量程的大小。（）3.分度号为Pt100的铂热电阻，0℃时的电阻值为100Ω，100℃时约为138.5Ω。（）4.调节阀的气开、气关特性选择的主要依据是执行机构的结构形式。（）5.前馈控制属于开环控制，能够对不可测干扰进行有效补偿。（）6.PID参数整定时，若系统振荡过于频繁，应减小比例度来降低振荡频率。（）7.电磁流量计可以测量导电液体的流量，也可以测量气体和油类的流量。（）8.衰减比为4:1的过渡过程，属于衰减振荡，是工程上认为比较理想的过渡过程。（）9.串级控制系统的副控制器一般不引入积分作用，避免副回路出现积分饱和。（）10.本安防爆仪表的防爆等级比隔爆型仪表更高，可用于0区危险场所。（）四、简答题（共4题，每题5分，共20分）1.简述热电偶测温的工作原理，以及常用的冷端补偿方法。2.简述调节阀气开、气关的定义，以及选择原则。3.简述串级控制系统的结构特点，以及适用场合。4.简述PID控制器中积分饱和的产生原因，以及常用的抑制方法。五、计算题（共2题，每题10分，共20分）1.某生产过程需要控制蒸汽加热反应器的出口温度，工艺要求温度控制范围为100~180℃，最大允许余差≤±2℃，现采用比例控制器，测得被控对象的放大系数K₀=2.5℃/%（阀门开度每变化1%，温度变化2.5℃），变送器的放大系数Kᵥ=0.25mA/℃（温度每变化1℃，变送器输出变化0.25mA），执行器的放大系数Kₖ=4%/mA（控制器输出每变化1mA，阀门开度变化4%），求：（1）系统的开环总放大系数至少为多少？（2）比例控制器的比例度δ至少设置为多少？（3）若将比例度设置为50%，此时系统的最大余差为多少？2.用孔板节流装置测量管道水的流量，设计工况下管道内水的压力为1.0MPa，温度为20℃，设计流量范围0~100m³/h，对应的差压范围0~25kPa。实际运行时，测得差压为16kPa，管道内实际压力为0.8MPa，温度为40℃，已知20℃水的密度ρ₁=998.2kg/m³，40℃水的密度ρ₂=992.2kg/m³，忽略可压缩性修正，求实际的体积流量为多少？六、综合设计题（共1题，10分）某化工生产精馏塔的塔釜温度需要控制，工艺要求塔釜温度稳定在120±1℃，主要干扰来自加热蒸汽的压力波动，塔釜温度的测量滞后约为12s，蒸汽流量的测量滞后约为1s。请设计合适的过程控制系统，回答以下问题：（1）画出控制系统的结构框图，标注各环节名称；（2）选择主、副被控变量，主、副控制器的控制规律并说明依据；（3）说明该系统相比单回路控制系统的优势。=====================参考答案=====================一、填空题答案1.被控对象、检测变送器、控制器、执行器2.放大系数K、时间常数T、滞后时间τ3.25.0、正、4.17（计算过程：量程ρgh=850*9.8*3=24990Pa≈25.0kPa；迁移量ρgΔh=850*9.8*0.5=4165Pa≈4.17kPa，变送器安装位置低于最低液位，正负压室存在固定正差压，需正迁移）4.1050（计算过程：总热电势=测得热电势+冷端补偿电势=11.712+0.143=11.855mV，对应分度表1050℃）5.线性、等百分比（对数）、抛物线、等百分比6.积分、微分、比例7.齐纳式安全栅、隔离式安全栅8.现场控制层、操作监控层、管理层9.4~20二、单项选择题答案及解析1.答案：D解析：工业过程四大热工参数为温度、压力、流量、物位，转速属于运动参数，不属于热工参数范畴。2.答案：B解析：A选项比例度越大，控制器放大系数越小，控制作用越弱；C选项比例控制响应速度快，不会导致响应变慢；D选项比例度与控制器放大系数成反比；比例控制属于有差控制，无法消除余差，B正确。3.答案：B解析：测量气体流量时，引压管内凝液会产生附加静压力，抵消部分节流产生的差压，导致变送器测得的差压小于实际差压，流量测量值偏小。4.答案：C解析：调节阀公称通径选择的核心依据是流通能力C值，即给定压差下，调节阀全开时能够通过的流体最大流量，需匹配工艺最大、最小流量的调节需求，不能仅依据管道直径选择。5.答案：A解析：串级控制系统包含副回路，进入副回路的干扰可被副控制器快速抑制，无需传递到主被控变量后再调节，抗干扰能力远强于单回路。6.答案：D解析：冷端温度补偿过度会导致补偿电势高于实际冷端对应的热电势，显示仪表指示值偏高，不会出现偏低的情况；A选项热电极短路、B选项极性接反、C选项补偿电势偏小都会导致指示值偏低。7.答案：B解析：闭环整定方法需要将系统投入闭环运行，临界比例度法是在闭环条件下将积分、微分切除，逐步减小比例度直到系统出现等幅振荡，据此计算PID参数，属于闭环整定方法；动态特性参数法、经验试凑法属于开环或半经验方法。8.答案：D解析：最大偏差是被控变量偏离设定值的最大幅度，反映系统的动态准确性，不直接反映稳定性；系统稳定性由衰减比、振荡次数等指标衡量，衰减比越接近4:1，稳定性越好。9.答案：B解析：热电阻需要与被测介质直接接触测量温度，属于接触式测温仪表；红外测温仪、光学高温计、辐射温度计均通过检测热辐射测量温度，属于非接触式测温仪表。10.答案：B解析：安全栅的作用是限制进入危险区的能量，必须安装在安全区控制室侧，避免安全区侧的故障能量传递到危险区。三、判断题答案及解析1.答案：√解析：定值控制系统的核心特点是设定值固定，核心控制目标是将被控变量稳定在设定值附近，是工业过程中应用最广泛的控制系统类型。2.答案：×解析：差压变送器的量程迁移仅改变测量范围的零点位置，测量上下限的差值（即量程）保持不变，不会改变量程大小。3.答案：√解析：Pt100铂热电阻的分度特性为0℃时电阻100Ω，电阻温度系数约为0.00385Ω/℃，100℃时电阻值约为138.5Ω，符合分度表规范。4.答案：×解析：调节阀气开、气关特性选择的核心依据是工艺生产安全，当仪表失气故障时，阀门状态应避免造成人员、设备损害，与执行机构结构无关。5.答案：×解析：前馈控制需要检测干扰的大小，按照干扰量进行补偿，仅能对可测干扰进行有效补偿，不可测干扰无法实现前馈补偿。6.答案：×解析：比例度越小，控制器放大系数越大，控制作用越强，系统振荡越频繁；系统振荡频繁时应增大比例度，减弱控制作用，降低振荡频率。7.答案：×解析：电磁流量计的工作原理是法拉第电磁感应定律，仅能测量导电率大于5μS/cm的导电液体流量，气体、油类等非导电介质无法测量。8.答案：√解析：衰减比为4:1的过渡过程振荡2~3次即可稳定，兼顾响应速度、稳定性和控制精度，是工程上公认的理想过渡过程。9.答案：√解析：串级控制系统的副回路是随动回路，要求快速跟随主控制器的输出变化，引入积分作用会导致副回路响应变慢，还容易出现积分饱和，因此副控制器一般不引入积分作用。10.答案：√解析：本安防爆仪表通过限制电路本身的能量实现防爆，不会产生点燃爆炸性混合物的火花或高温，防爆等级高于隔爆型，可用于0区、1区、2区危险场所，隔爆型仅能用于1区、2区。四、简答题答案1.答：（1）工作原理：热电偶基于热电效应工作，两种不同成分的导体两端闭合连接形成回路，两个接点温度不同时，回路中会产生热电势，热电势的大小与导体材质、冷热端温度差有关，当导体材质固定、冷端温度恒定时，热电势仅与热端温度成正比，据此可实现温度测量（2分）。（2）常用冷端补偿方法：①冷端恒温法：将冷端置于恒温装置中，保持温度恒定；②补偿导线法：用与热电偶热电特性一致的补偿导线将冷端延伸到温度稳定的控制室；③冷端温度校正计算法：实时测量冷端温度，通过计算对测得的热电势进行校正；④补偿电桥法：用不平衡电桥产生的电势补偿冷端温度变化产生的热电势变化（3分，答出3种即可得满分）。2.答：（1）定义：气开阀是指输入气压信号越高，阀门开度越大，失气时阀门处于全关状态的调节阀；气关阀是指输入气压信号越高，阀门开度越小，失气时阀门处于全开状态的调节阀（2分）。（2）选择原则：以工艺生产安全为核心原则，当仪表失气或出现故障时，阀门的开关状态应最大限度避免损害人员、设备安全，避免造成重大经济损失。例如加热炉燃料控制阀选择气开阀，失气时切断燃料，避免炉膛超温爆炸；锅炉给水控制阀选择气关阀，失气时全开，避免锅炉干烧损坏（3分）。3.答：（1）结构特点：串级控制系统包含主、副两个闭合控制回路，主被控变量是工艺要求的核心控制参数，主控制器的输出作为副控制器的设定值，副控制器的输出控制执行器；副回路为随动回路，能够快速跟随主控制器的输出变化，主回路为定值回路，核心目标是保证主被控变量稳定（2分）。（2）适用场合：①被控对象存在变化幅度大、频率高的强干扰，且干扰可被包含在副回路中，可大幅提高抗干扰能力；②被控对象纯滞后、时间常数大，用副回路减小等效对象的时间常数，加快系统响应速度；③被控对象存在非线性特性，将非线性环节包含在副回路中，提高系统适应负荷变化的能力；④需要实现多个变量协调控制的场合（3分，答出3种即可得满分）。4.答：（1）产生原因：当系统存在较大的持续偏差时，积分作用会持续累加偏差，导致控制器输出超出执行器的有效输入范围（如4~20mA对应0~100%开度，输出超过20mA或低于4mA），此时即使偏差反向，控制器输出需要先回到有效范围才能控制执行器动作，会导致控制滞后、动态超调大幅增大，即出现积分饱和（2分）。（2）常用抑制方法：①限幅法：对控制器的输出设置上下限限制，避免输出超出执行器的有效输入范围；②积分分离法：当偏差大于设定阈值时切除积分作用，偏差进入小范围后再引入积分作用；③遇限削弱积分法：当控制器输出达到限幅值时，仅累加使输出向有效范围内变化的偏差项，不累加使输出继续超限的偏差项；④偏差微分法：对偏差进行微分而非对控制器输出微分，避免积分饱和的同时保留微分的超前调节作用（3分，答出3种即可得满分）。五、计算题答案1.解：比例控制系统稳态下满足物料/能量平衡关系：设定值变化量Δr=余差e+被控变量变化量Δy，其中Δy=K₀*Kₖ*Kc*e，Kc为控制器放大系数，比例度δ=（Δe输入量程/Δu输出量程）*100%=（1/Kc）*（16mA/80℃）*100%（控制器输入量程80℃，输出量程16mA）。（1）已知Δr最大为80℃，要求e≤2℃，代入平衡公式：80=2+2.5*4*Kc*2→80=2+20Kc→Kc≥3.9mA/℃。系统开环总放大系数为无量纲参数，K开环=Kc*Kᵥ*Kₖ*K₀=3.9*0.25*4*2.5=9.75≈10，即开环总放大系数至少为10（4分）。（2）比例度δ=（1/Kc）*（16/80）*100%=（1/3.9）*0.2*100%≈5.13%，工程上取整为6%，即比例度至少设置为6%（3分）。（3）若δ=50%，则Kc=（1/δ）*（16/80）=2*0.2=0.4mA/℃，代入平衡公式：80=e+2.5*4*0.4*e→80=e+4e→e=16℃，即最大余差为16℃（3分）。2.解：节流装置体积流量公式为qᵥ=K*√(ΔP/ρ)，其中K为节流装置的仪表常数，仅与节流装置结构、管道参数有关，固定不变（3分）。设计工况下满量程流量满足：100=K*√(25/998.2)，实际工况下流量满足：qᵥ₂=K*√(16/992.2)，两式相除消去K得：qᵥ₂=100*√[(16*9