2025年大學(xué)《化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——化學(xué)反應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本組成及其各部分的功能。二、在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，滯后時(shí)間（時(shí)滯）對(duì)控制系統(tǒng)性能有何影響？試舉例說(shuō)明克服滯后影響的常用控制策略。三、PID控制器是過(guò)程控制中最常用的控制器之一。請(qǐng)解釋比例（P）、積分（I）、微分（D）三項(xiàng)分別起到什么作用？在哪些情況下可能單獨(dú)使用P控制器或PI控制器？四、某反應(yīng)釜溫度控制要求較高，存在較大純滯后。試設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)方案，說(shuō)明選擇哪種控制結(jié)構(gòu)（如單回路、串級(jí)）更合適，并簡(jiǎn)述理由。若采用串級(jí)控制，請(qǐng)說(shuō)明主、副回路應(yīng)分別選擇什么被控變量和控制變量。五、在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿(mǎn)足控制性能（如穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）要求外，還需要考慮哪些非控制性能因素？請(qǐng)至少列舉三點(diǎn)并簡(jiǎn)述其重要性。六、以精餾塔提餾段溫度控制為例，說(shuō)明比值控制系統(tǒng)為何必要？簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括如何確定主、副參數(shù)。七、某化學(xué)反應(yīng)過(guò)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了傳遞函數(shù)模型。請(qǐng)簡(jiǎn)述模型驗(yàn)證的主要內(nèi)容和目的。在模型驗(yàn)證過(guò)程中可能會(huì)遇到哪些問(wèn)題？八、試述過(guò)程控制系統(tǒng)性能的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)有哪些？在設(shè)計(jì)或優(yōu)化控制系統(tǒng)時(shí)，這些指標(biāo)應(yīng)如何權(quán)衡？九、對(duì)于一個(gè)已投運(yùn)的化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，若發(fā)現(xiàn)其控制效果下降或出現(xiàn)異常，工程師通常會(huì)采取哪些步驟進(jìn)行故障診斷？請(qǐng)簡(jiǎn)述基本的診斷思路。十、設(shè)有一個(gè)液位控制系統(tǒng)，用于控制反應(yīng)釜的進(jìn)料流量，以穩(wěn)定液位。現(xiàn)要求在保證液位穩(wěn)定的前提下，當(dāng)進(jìn)料流量發(fā)生階躍變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量盡可能小。請(qǐng)從控制器參數(shù)整定角度，說(shuō)明應(yīng)如何調(diào)整PID參數(shù)（假設(shè)使用PI或PID控制）？十一、什么是前饋控制？它與反饋控制相比有何主要優(yōu)點(diǎn)和局限性？在前饋控制中，如何獲得用于控制的“前饋信號(hào)”？十二、在設(shè)計(jì)一個(gè)用于優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率的自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，除了控制溫度、壓力、流量等過(guò)程變量外，還需要考慮哪些與優(yōu)化相關(guān)的因素？請(qǐng)結(jié)合具體例子說(shuō)明。試卷答案一、自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常由傳感器（檢測(cè)環(huán)節(jié)）、變送器、控制器、執(zhí)行器（調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)）和被控對(duì)象（化學(xué)反應(yīng)過(guò)程本身）組成。傳感器和變送器用于測(cè)量被控變量的實(shí)際值并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；控制器接收來(lái)自變送器的反饋信號(hào)，與設(shè)定值比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法（如PID）計(jì)算出的偏差，輸出控制信號(hào)；執(zhí)行器接收控制信號(hào)，改變操縱變量（如閥門(mén)開(kāi)度、加熱功率等），進(jìn)而影響被控對(duì)象，使其向設(shè)定值靠近；被控對(duì)象是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，其輸出是被控變量。二、滯后時(shí)間會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)對(duì)被控變量的影響產(chǎn)生延遲，使得系統(tǒng)響應(yīng)變慢，穩(wěn)定性下降，超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。例如，在液位控制中，進(jìn)料閥門(mén)關(guān)閉后，液位不會(huì)立即停止上升，存在液體流動(dòng)和儲(chǔ)罐慣性導(dǎo)致的滯后。克服滯后影響的常用策略包括：采用串級(jí)控制，將具有較大滯后的對(duì)象作為副對(duì)象，可以顯著改善響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；采用前饋控制，根據(jù)擾動(dòng)（如進(jìn)料量變化）直接產(chǎn)生一個(gè)前饋信號(hào)，與反饋信號(hào)一起作用于控制器，可以補(bǔ)償滯后帶來(lái)的影響；選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定方法，如增大控制器增益或引入微分作用，以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。三、比例（P）控制作用：根據(jù)當(dāng)前誤差的大小成正比地調(diào)整控制輸出，能快速響應(yīng)誤差變化，提供基本控制能力，但單獨(dú)使用會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制作用：根據(jù)誤差隨時(shí)間的累積積分來(lái)調(diào)整控制輸出，能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但響應(yīng)較慢，且可能在系統(tǒng)接近設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)。微分（D）控制作用：根據(jù)誤差的變化速率來(lái)調(diào)整控制輸出，能預(yù)測(cè)誤差的未來(lái)趨勢(shì)，加快響應(yīng)速度，抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但對(duì)噪聲敏感。單獨(dú)使用P控制器適用于誤差變化緩慢、無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差且滯后不大的系統(tǒng)。PI控制器結(jié)合了P和I作用，既能快速響應(yīng)誤差，又能消除穩(wěn)態(tài)誤差，適用于大多數(shù)需要精確控制的系統(tǒng)。PID控制器結(jié)合了P、I、D作用，具有更強(qiáng)的控制能力，適用于要求高精度、快響應(yīng)、強(qiáng)魯棒性的復(fù)雜系統(tǒng)。四、對(duì)于存在較大純滯后的反應(yīng)釜溫度控制，采用串級(jí)控制結(jié)構(gòu)更合適。理由：串級(jí)控制中，副回路（通常包含滯后較大的對(duì)象）相當(dāng)于對(duì)主回路（溫度控制）進(jìn)行快速的前饋補(bǔ)償，能有效減小滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的影響，提高控制精度和魯棒性。設(shè)計(jì)時(shí)，主回路選擇反應(yīng)釜溫度作為被控變量（CV），控制變量（MV）是副回路輸出，通常是加熱器的功率或冷卻水的閥門(mén)開(kāi)度；副回路選擇影響溫度變化較快的參數(shù)作為被控變量，如加熱夾套的溫度或釜內(nèi)特定位置的熱電偶溫度，其控制變量是調(diào)節(jié)閥或加熱/冷卻設(shè)備的功率設(shè)定，以快速響應(yīng)主回路的需求。五、除了控制性能外，還需要考慮：1）安全性：設(shè)計(jì)必須確保操作安全，設(shè)置必要的聯(lián)鎖保護(hù)和緊急停車(chē)系統(tǒng)，防止發(fā)生危險(xiǎn)事故；2）經(jīng)濟(jì)性：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮成本效益，包括硬件投入、維護(hù)費(fèi)用、能源消耗等，選擇性?xún)r(jià)比高的方案；3）可靠性與維護(hù)性：系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能簡(jiǎn)單、可靠，便于操作、維護(hù)和故障排查，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可用率；4）人機(jī)交互友好性：提供直觀(guān)、易用的人機(jī)界面（HMI），方便操作員監(jiān)控過(guò)程、設(shè)定參數(shù)和接收?qǐng)?bào)警信息。六、對(duì)于精餾塔提餾段溫度控制，若僅使用反饋控制，當(dāng)塔頂產(chǎn)品成分發(fā)生變化（影響提餾段溫度）時(shí)，溫度控制器會(huì)動(dòng)作以調(diào)整上升蒸氣流量或回流比，但這種調(diào)整往往滯后，且可能影響塔的其他性能（如分離效率、能耗）。比值控制系統(tǒng)目的在于確保進(jìn)料流量和上升蒸氣流量（或其他相關(guān)物料流）按預(yù)定比例關(guān)系變化，使提餾段溫度的變化主要由蒸氣流量變化引起，而物料流量變化不會(huì)通過(guò)溫度反饋回路造成干擾，從而穩(wěn)定提餾段溫度。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：根據(jù)工藝要求確定主、副參數(shù)，通常是進(jìn)料流量為主參數(shù)，上升蒸氣流量為副參數(shù)；控制器輸出控制副參數(shù)（蒸氣流量），其設(shè)定值由主參數(shù)（進(jìn)料流量）乘以預(yù)定的比值系數(shù)得到。七、模型驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括：1）模型精度驗(yàn)證：將模型預(yù)測(cè)的輸出與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算誤差（如均方根誤差RMSE、絕對(duì)百分比誤差MAPE），判斷模型能否準(zhǔn)確反映過(guò)程動(dòng)態(tài)行為；2）模型結(jié)構(gòu)合理性檢驗(yàn)：檢查模型結(jié)構(gòu)是否與實(shí)際過(guò)程機(jī)理相符；3）模型參數(shù)有效性確認(rèn)：評(píng)估模型參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)，是否對(duì)模型行為有顯著影響。目的在于確認(rèn)建立的模型是否足夠準(zhǔn)確和可靠，能否用于后續(xù)的控制設(shè)計(jì)、優(yōu)化或仿真分析。遇到的問(wèn)題可能包括：實(shí)際過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單模型準(zhǔn)確描述；測(cè)量噪聲干擾大，影響模型辨識(shí)精度；實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際運(yùn)行條件差異導(dǎo)致模型適用性降低；模型參數(shù)對(duì)初始條件和操作方式敏感。八、常用評(píng)價(jià)指標(biāo)有：1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)在受擾動(dòng)后能否恢復(fù)到原平衡狀態(tài)，常用頻域指標(biāo)如增益裕度、相位裕度，或時(shí)域指標(biāo)如臨界振蕩周期；2）快速性：系統(tǒng)響應(yīng)從偏離到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)誤差帶所需的時(shí)間，常用上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間；3）準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)誤差）：系統(tǒng)響應(yīng)最終偏離設(shè)定值的程度，常用穩(wěn)態(tài)誤差值或相對(duì)誤差；4）魯棒性：系統(tǒng)在模型參數(shù)變化或外部擾動(dòng)下保持性能的能力。在設(shè)計(jì)或優(yōu)化時(shí)，通常需要在各項(xiàng)指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)先級(jí)確定側(cè)重方向，例如，有時(shí)為了提高穩(wěn)定性會(huì)犧牲一定的快速性，或?yàn)榱诉_(dá)到高精度需要接受更長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。九、故障診斷的基本思路：1）現(xiàn)象觀(guān)察：首先關(guān)注系統(tǒng)報(bào)警信息、操作記錄、趨勢(shì)圖等，判斷異常表現(xiàn)及其發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)；2）原因分析：根據(jù)異?，F(xiàn)象，結(jié)合工藝知識(shí)和控制邏輯，初步分析可能的原因，如傳感器故障（信號(hào)異常）、執(zhí)行器故障（輸出不響應(yīng)或卡滯）、控制器故障（參數(shù)異?；蚴ъ`）、對(duì)象特性變化（如反應(yīng)活性改變）、管道堵塞或泄漏等；3）信息驗(yàn)證：利用測(cè)試工具（如萬(wàn)用表、示波器）檢查相關(guān)設(shè)備狀態(tài)，或通過(guò)改變操作條件（如進(jìn)行階躍測(cè)試）觀(guān)察系統(tǒng)響應(yīng)，以驗(yàn)證初步推斷；4）故障隔離與處理：確定故障點(diǎn)后，采取相應(yīng)的維護(hù)措施或調(diào)整控制策略進(jìn)行處理，并記錄故障信息以備后續(xù)參考。十、為了保證液位穩(wěn)定并使系統(tǒng)在進(jìn)料流量階躍變化時(shí)超調(diào)量盡可能小，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整積分（I）作用。對(duì)于PI或PID控制器：1）若系統(tǒng)本身慣性較大、滯后明顯，應(yīng)先減小比例（P）增益，防止因增益過(guò)高導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或響應(yīng)過(guò)快引起過(guò)大超調(diào)；2）然后加入或調(diào)整積分（I）作用，消除穩(wěn)態(tài)誤差，但需注意積分作用會(huì)延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間并可能增加超調(diào)，因此需要仔細(xì)調(diào)整積分時(shí)間（TI），使其既能有效消除誤差又不至于引起過(guò)度振蕩；3）若需要進(jìn)一步加快響應(yīng)或抑制超調(diào)，可以適當(dāng)加入微分（D）作用，但微分作用對(duì)噪聲敏感，且在純滯后較大的系統(tǒng)中效果可能有限，應(yīng)謹(jǐn)慎使用并仔細(xì)調(diào)整微分時(shí)間（TD）。總的來(lái)說(shuō)，優(yōu)先保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，再根據(jù)需要調(diào)整P和D參數(shù)以?xún)?yōu)化快速性和抑制超調(diào)。十一、前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制方式，它根據(jù)被控對(duì)象上發(fā)生的擾動(dòng)（或操縱變量的變化）直接產(chǎn)生一個(gè)控制作用，以補(bǔ)償該擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，其控制作用與擾動(dòng)大小成比例。優(yōu)點(diǎn)：如果模型準(zhǔn)確，前饋控制可以完全補(bǔ)償可測(cè)量的擾動(dòng)，使被控變量響應(yīng)設(shè)定值，具有克服滯后、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，且不影響反饋控制的穩(wěn)定作用。局限性：1）需要精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述擾動(dòng)與被控變量之間的關(guān)系，而過(guò)程模型往往難以精確建立；2）只能補(bǔ)償可測(cè)量的、已知的擾動(dòng)，對(duì)于未測(cè)量或不可測(cè)量的擾動(dòng)無(wú)效；3）前饋控制器是靜態(tài)的或基于模型的，當(dāng)模型失配或過(guò)程特性變化時(shí)，控制效果會(huì)下降。前饋信號(hào)通常是擾動(dòng)本身（如進(jìn)料流量）或其導(dǎo)數(shù)、積分等。十二、設(shè)計(jì)優(yōu)化產(chǎn)率的自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，除了控制溫度、壓力、流量等直接影響反應(yīng)進(jìn)程的過(guò)程變量外，還需要考慮：1）反應(yīng)物/產(chǎn)物濃度：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度，不僅可以用于反饋控制