过程控制工程试题打印

一、简答题（每题6分，共24分）：

1、电气阀门定位器有哪些作用

答：

①改善阀的静态特性

②改善阀的动态特性

③改变阀的流量特性

④用于分程控制

⑤用于阀门的反向动作

2.简述串级控制系统的设计原则。

答：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。

3. 简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

答：简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。

4. 前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰 有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补, 所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.

三、(10分)一个如图1所示的换热器,用蒸汽将进入其中的冷物料加热到一定温度,生产工艺要求热物料出口温度维持恒定(℃).试设计一简单温度控制系统,选择被控量和操纵量，画出其结构原理图，并选择调节器的控制规律。

答：被控量为了流体出口温度，操纵量为蒸汽流量，调节器应选择PID调节规律。

系统结构原理图如下图所示：

四、(25分) 图2为管式加热炉温度控制系统。试确定：

1．这是一个什么系统？画出其方框图。

2．调节阀的作用形式；主、副调节器的正反作用；

3．分析系统的可能经受的扰动及主要扰动；

4．简述进料流量增大时的控制过程；

5．如果进料流量是注意扰动，上述系统应如何改进？

答：1、这是个串级控制系统；系统方块图如下

2、调节阀为气开式，副调节器应为反作用，主调节器也应为反作用

3、可能经受的扰动有被加热物料的流量、温度、成分的变化，燃料油的管道压力、流量、成分的变化及环境温度的变化。主要扰动应该是燃料道压力的波动。

4、若进入加热炉的进料流量发生变化而影响到炉出口温度变化时，则由主调节器首先起控制作用，此时副回路虽不能直接克服扰动，但副回路的存在改善了过程特性，缩短了控制通道，因此控制质量有所提高。

5、此时应该选择炉膛温度作为副变量,组成串级控制系统,如下图所示: 

五、（11分）如图所示为锅炉液位双冲量控制系统。试问：当供水压力波动较大时

该方案是否能够满足控制要求?说明理由.如果不能,请设计出改进的方案.

答：当供水压力波动较大时，由于主要扰

动没有能够及时的克服，所以该方案不能

满足控制要求。此时应该选择供水流量作

为副变量，以水位为主变量，蒸汽压力为

前馈信号，组成前馈串级复合控制系统。

改进的方案如右图所示

六、（10分）在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加入一定量的酸、碱，使药物呈酸性或碱性。这种注入过程一般都在混合槽中进行。工艺要求生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例，同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，以免混合过程产生局部的化学副反应，为此设计如下图所示的控制系统。

    试分析：1图中停留槽的作用是什么？

            2图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？

答: 停留槽的作用是稳定药物流量,防止其发生急剧变化.图有两个控制系统,一个是停留槽液位与出口流量的均匀控制系统,是药物流量缓慢变化;另一个是药物与添加剂的比值控制系统,保持二者的比例关系.

二、简答题（每题5分，共20分）：

1．简述被控量与操纵量的选择原则。

答：(1) 被控量的选择原则: 

①必须尽可能选择表征生产过程的质量指标作为被控变量;②当没有合适的质量指标时,应选择与质量指标由单质对应关系的间接指标作为被控量; ③间接指标必须有足够的灵敏度;④被控变量的选择还应考虑工艺过程的合理性及所用测量仪表的性能、价格等因素.

  (2) 操纵变量选择的原则

①操纵变量应是控制通道放大系数K0较大者;②应使扰动通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数适当小一些。③控制通道纯滞后时间则越小越好，并尽量使扰动远离被控变量而靠近调节阀;④当广义过程的控制通道由几个一阶滞后环节组成时，要避免各个时间常数相等或相接近的情况;⑤工艺上的合理性和方便性。

2．简述串级控制系统的特点。

 答：(1)串级控制系统由于副回路的存在,能够迅速克服进入副回路的扰动的影响;

(2) 串级控制系统由于副回路的存在,改善了对象的特性,提高了系统的工作频率;

(3) 串级控制系统由于副回路的存在,使对象非线性特性线性化,提高了系统的自适应能力;

(4) 能够更精确控制操纵变量的流量.

（5）可以实现灵活的操作方式选择

3．设置均匀控制系统的目的和其特点是什么？

答：目的是:对表征前后设备供求矛盾的两个变量均匀协调,统筹兼顾.

   特点是:表征前后供求矛盾的两个变量都应该是缓慢变化的;前后互相联系又

互相矛盾的两个变量都应保持在工艺操作所允许的范围内.

4．前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰 有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补, 所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.

三、计算题（10分）已知对象控制通道阶跃响应曲线数据如下表所表示，调节量阶跃变化为Δu=50。

2.应用动态特性参数法选择PID调节器参数。

答：1.由实验数据画出对象的阶跃响应曲线为：

解法一：由图可得：        

所以，PID调节器参数为： 

解法二：有作图法可以求出

所以，PID调节器参数为： 

四、计算题 (10分)某电动比例调节器的测量范围为100～200℃，其输出为0～10mA。当温度从140℃变化到160℃时，测得调节器的输出从3 mA变化到7mA。试求该调节器比例带。

答：

式中 Δy ---被控参数测量值的变化量；

 ΔX ---控制器输出的变化量；

     ymax-ymin---测量仪表的刻度范围；

     Xmax-Xmin---控制器输出变化范围。

五、设计题(20分) 下图为管式加热炉温度控制系统。试确定：

6．这是一个什么系统？画出其方框图。

7．调节阀的作用形式；调节器的正反作用方式；

8．分析系统的可能经受的扰动及主要扰动；

9．简述当扰动或负荷变化使炉膛温度T2升高时该串级控制系统工作过程；

10．如果燃料油的管道压力经常波动，上述系统应如何改进？画出改进后的结构原理图.

答:1、这是个串级控制系统,其方块图如下.

2、调节阀为气开式，主、副调节器都为反作用；

 3、可能经受的扰动有被加热物料的流量、温度、成分的变化，燃料油的管道压力、流量、成分的变化及环境温度的变化。主要扰动应该是被加热物料的流量、温度等。

4、该串级控制系统工作过程：

    当扰动或负荷变化使炉膛温度T2升高时，由于副调节器是反作用，它的输出减小，调节阀是气开式，阀的开度变小，造成料量减小，以使炉膛温度下降。同时当炉膛温度升高时，引起炉出口温度T1升高，因为主调节器是反作用，使副控制器给定值降低，通过副回路调节，减小燃料量，降低炉膛温度，保证炉出口温度恒定。

          T1↓← T2↓← Q燃↓← 阀的开度变小←PC2↓↓ 

     ↗T1↑→e1(=T1↑-r1)↑→PC1↓→e2↑↑(=T2↑- r2↓)

 f1→T2↑→e2(=T2↑-r2)↑→PC2↓→阀的开度变小→Q燃↓ 

                                         T1↓← T2↓←   

5、应该选择燃料油流量作为副变量，

出口温度为主变量，组成串级控制

系统，如右图所示：

六、设计题（10分）如图所示为锅炉液位双冲量控制系统。试问：当供水压力波动较大时, 该方案是否能够满足控制要求?说明理由.如果不能,请设计出改进的方案。

当供水压力波动较大时，由于主要扰

动没有能够及时的克服，所以该方案不能

满足控制要求。此时应该选择供水流量作

为副变量，以水位为主变量，蒸汽压力为

前馈信号，组成前馈串级复合控制系统。

改进的方案如右图所示:

七、设计题（10分）如图所示为自来水氯气净化工艺控制流程，请分析图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？

 答： 图中有3个控制系统。一个是气化器压力控制系统，以稳定气化器压力，保证设备安全；一个是气化器温度控制系统，为液氯正常气化提供热源；一个是氯气与自来水的比值控制系统，保证氯气与自来水的比例关系，既达到灭菌的效果，又不造成浪费和腐蚀设备的目的。

4. 前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰 有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补, 所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.

5. 一般常规调节系统在负荷变动或变动较大时，为什么调节质量会变坏？如何解决？ 答案：一般常规调节系统中的调节参数只能人工调节，在工艺正常运行是调整好的PID参数，只能保证在这种状态下的调节质量，而调节对象特性都为非线性的，在负荷工况变动较大时，对象特性将发生变化，因此原来的调节器参数就不再适应，这时要根据具体情况重新整定调节器参数才有可能使调节质量变好。

6、炉出口温度调节，当适当引入微分作用后，有人说比例度可以比无微分时小些，积分时间也可短些，对吗？为什么？

答案：这样说是对的。因为微分作用是超前的调节作用，其实质是阻止被调参数的变化，提高系统的稳定性，适当的减小比例度和积分时间有利于提高系统的质量。