2025化學(xué)工程專升本過程控制模擬試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在過程控制系統(tǒng)中，用于衡量系統(tǒng)輸出變化對輸入變化敏感程度的參數(shù)是（）。A.響應(yīng)時間B.滯后時間C.靈敏度D.穩(wěn)定性2.將液位控制系統(tǒng)改造成串級控制系統(tǒng)的主要目的是為了（）。A.提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度B.增大系統(tǒng)的無差度C.抑制干擾對系統(tǒng)的影響D.擴(kuò)大控制器的比例度范圍3.對于一階慣性加純滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為G(s)=K·e^(-τs)/(Ts+1)，要使系統(tǒng)在階躍輸入下輸出無超調(diào)，其開環(huán)放大系數(shù)K的取值應(yīng)滿足（）。A.K≤1/TB.K≤1/(T+τ)C.K≤2/TD.K≤2/(T+τ)4.在控制器的作用方式中，輸出信號不僅與當(dāng)前誤差有關(guān)，還與誤差的變化率或積分值有關(guān)的控制規(guī)律是（）。A.比例控制(P)B.積分控制(I)C.比例積分控制(PI)D.比例微分控制(PD)5.在過程控制系統(tǒng)中，被控對象的放大系數(shù)K越大，通常意味著（）。A.系統(tǒng)響應(yīng)越快B.系統(tǒng)越容易穩(wěn)定C.系統(tǒng)對干擾越不敏感D.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小6.若一個過程控制系統(tǒng)的特征方程為s^3+2s^2+3s+2=0，則該系統(tǒng)（）。A.一定是穩(wěn)定的B.一定是不穩(wěn)定的C.可能穩(wěn)定也可能不穩(wěn)定D.穩(wěn)定性無法判斷7.在比值控制系統(tǒng)中，若主流量Q1發(fā)生變化，從流量Q2應(yīng)該如何調(diào)節(jié)才能保持兩者之間的比值恒定？（）A.與Q1同向、同比例變化B.與Q1反向、同比例變化C.與Q1同向、反比例變化D.與Q1反向、反比例變化8.對于一個具有測量滯后τm的過程，為了減少測量滯后對控制系統(tǒng)性能的影響，常用的方法是（）。A.增大控制器增益B.減小控制器增益C.在系統(tǒng)中引入一個與測量滯后成比例的補(bǔ)償環(huán)節(jié)D.增大系統(tǒng)的積分時間9.在過程控制中，所謂“前饋控制”是指（）。A.根據(jù)被控變量的測量值進(jìn)行控制B.根據(jù)操縱變量的測量值進(jìn)行控制C.根據(jù)干擾變量的測量值，未經(jīng)控制器直接作用于被控對象D.根據(jù)誤差信號進(jìn)行控制10.在階躍響應(yīng)法整定控制器參數(shù)時，經(jīng)驗法中的“4:1衰減曲線法”適用于哪種類型的控制器參數(shù)整定？（）A.P控制器B.PI控制器C.PID控制器D.以上都可以二、填空題1.在過程控制系統(tǒng)中，將偏差（Error）定義為________與________之差。2.控制器的輸出信號直接用來驅(qū)動________，改變________，從而影響被控變量的。3.過程控制系統(tǒng)的方塊圖由________、________、________、________和________組成。4.對于二階振蕩環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)通常表示為G(s)=ωn^2/(s^2+2ζωns+ωn^2)，其中ωn是________，ζ是________。5.當(dāng)過程控制系統(tǒng)的特征方程的所有根都具有負(fù)實部時，該系統(tǒng)是________的。6.積分控制作用能消除________誤差，但容易引起________。7.在串級控制系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)控制器的作用是________，外環(huán)控制器的作用是________。8.分程控制是指控制器的輸出信號同時控制兩個或多個________，根據(jù)輸出信號的不同范圍，分別驅(qū)動不同的________進(jìn)行動作。9.在過程控制中，所謂的“擾動”是指________。10.使系統(tǒng)輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號的理想情況，即系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，其位置誤差常數(shù)Kp應(yīng)________。三、簡答題1.簡述過程控制系統(tǒng)中，被控變量(CV)、操縱變量(MV)和干擾變量(DV)的含義及其相互關(guān)系。2.簡述比例控制器(P)的控制作用特點及其局限性。3.簡述在過程控制中，引入純滯后對系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)速度可能產(chǎn)生的影響。四、計算題1.某液位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(10s+1)。當(dāng)系統(tǒng)在階躍擾動下，其輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為1.2倍的階躍輸入值。請計算該系統(tǒng)的放大系數(shù)K和時間常數(shù)T。2.一個溫度控制系統(tǒng)，其被控對象近似為二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s^2+0.1s+1)。試判斷該系統(tǒng)是否穩(wěn)定？若穩(wěn)定，請大致說明其響應(yīng)特性（是有阻尼振蕩還是等幅振蕩或過阻尼）。3.設(shè)有一個PI控制器，其傳遞函數(shù)為Gc(s)=Kc(1+1/Tis)。已知Kc=2，Ti=5s。當(dāng)控制器輸入為階躍信號r(t)=u(t)時，請求其輸出信號c(t)的表達(dá)式（用拉氏變換形式表示）。五、論述題試論述在過程控制系統(tǒng)中，選擇合適的控制器類型（P、PI、PID）和參數(shù)整定方法的重要性，并簡要說明不合適的控制器類型或參數(shù)會導(dǎo)致哪些不良后果。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.A6.A7.C8.C9.C10.B二、填空題1.設(shè)定值；測量值2.執(zhí)行器；操縱變量3.被控對象；傳感器/變送器；控制器；執(zhí)行器；擾動4.無阻尼自然頻率；阻尼比5.穩(wěn)定6.穩(wěn)態(tài)；振蕩7.濾除干擾；穩(wěn)定內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)整體調(diào)節(jié)目標(biāo)8.執(zhí)行器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)9.引起被控變量偏離設(shè)定值的、未加控制的外部因素或內(nèi)部因素10.趨于無窮大三、簡答題1.解析思路：先分別定義CV,MV,DV。CV是系統(tǒng)需要控制的輸出量。MV是操作者或控制器可以調(diào)整的輸入量，目的是改變CV。DV是外部或內(nèi)部因素，會自發(fā)地改變CV，而控制器的作用是抵消DV的影響，使CV回到設(shè)定值。三者關(guān)系是：MV作用于對象影響CV，DV也作用于對象影響CV，控制器根據(jù)CV與設(shè)定值的偏差來調(diào)整MV，以期望的擾動影響抵消非期望的擾動影響，或消除偏差。被控變量(CV)：過程控制中需要測量和控制的輸出量。操縱變量(MV)：控制器輸出所驅(qū)動的輸入量，用于影響被控變量。干擾變量(DV)：未加控制而引起被控變量偏離設(shè)定值的因素。三者關(guān)系：MV通過被控對象影響CV；DV也通過被控對象影響CV；控制器通過調(diào)整MV來克服DV的影響，使CV穩(wěn)定在設(shè)定值。2.解析思路：P控制作用與誤差成正比。誤差大，輸出大；誤差小，輸出小。其優(yōu)點是響應(yīng)直接，功耗小。其局限性是存在穩(wěn)態(tài)誤差，即誤差不能完全消除，系統(tǒng)輸出最終會偏離設(shè)定值（對于有靜差的對象）。當(dāng)系統(tǒng)有持續(xù)不變的擾動或設(shè)定值變化時，P控制器無法使輸出完全回到設(shè)定值。比例控制器(P)的控制作用特點是：控制器輸出信號u(t)與當(dāng)前誤差e(t)成正比，即u(t)=Kp*e(t)，其中Kp為比例增益。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，能量消耗少。局限性：存在穩(wěn)態(tài)誤差，無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)存在恒定擾動或設(shè)定值變化時，系統(tǒng)輸出會最終偏離設(shè)定值。3.解析思路：純滯后τ是指輸入信號發(fā)生變化后，系統(tǒng)輸出信號要經(jīng)過一段時間才發(fā)生相應(yīng)的變化。純滯后主要影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，而不直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性（只要系統(tǒng)中沒有其他不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)）。純滯后會使系統(tǒng)的有效時間常數(shù)變長，導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢，抑制干擾的能力下降，且容易在純滯后環(huán)節(jié)后形成閉環(huán)諧振，可能降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度或?qū)е孪到y(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩。純滯后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：主要影響系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性裕度，可能降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但純滯后本身不直接導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定（除非與其他環(huán)節(jié)形成正反饋或臨界振蕩）。純滯后對響應(yīng)速度的影響：顯著降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)動態(tài)過程變長，抑制干擾的能力下降。因為輸出信號要“等待”τ時間后才能開始響應(yīng)輸入信號的變化。四、計算題1.解析思路：根據(jù)傳遞函數(shù)G(s)=1/(10s+1)，可知時間常數(shù)T=10s。穩(wěn)態(tài)增益K=lim(s->0)G(s)=1/(10*0+1)=1。但題目給出穩(wěn)態(tài)值為1.2倍輸入，說明系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，或者模型需要修正。通常，對于一階系統(tǒng)，如果考慮擾動或系統(tǒng)非線性等，其穩(wěn)態(tài)增益可能不為1。假設(shè)系統(tǒng)在擾動下，有效增益為K_effective，滿足K_effective*1=1.2，則K_effective=1.2。但若按標(biāo)準(zhǔn)一階模型G(s)=K/(Ts+1)，其穩(wěn)態(tài)增益就是K。題目條件可能暗示K=1.2或模型需修正。此處按K=1.2解。T=10s。G(s)=K/(Ts+1)=1/(10s+1)時間常數(shù)T=10s。穩(wěn)態(tài)增益K=1/1=1。但題目說穩(wěn)態(tài)輸出為1.2倍輸入，說明K=1.2。此題條件可能存在歧義，若嚴(yán)格按照G(s)形式，K=1；若嚴(yán)格按照穩(wěn)態(tài)值，K=1.2。按最直接的K=1.2解。K=1.2T=10s2.解析思路：判斷穩(wěn)定性，需看傳遞函數(shù)分母的特征根。特征方程為s^2+0.1s+1=0。求解該二次方程的判別式Δ=b^2-4ac=(0.1)^2-4*1*1=0.01-4=-3.99。因為Δ<0，所以該方程有一對共軛復(fù)數(shù)根，其實部為負(fù)數(shù)。實部為負(fù)意味著所有特征根都具有負(fù)實部。根據(jù)勞斯判據(jù)或根的分布，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。判斷響應(yīng)特性，看阻尼比ζ=b/(2*sqrt(a*c))=0.1/(2*sqrt(1*1))=0.1/2=0.05。由于0<ζ<1，因此系統(tǒng)將產(chǎn)生有阻尼的振蕩過程。特征方程：s^2+0.1s+1=0判別式Δ=b^2-4ac=(0.1)^2-4*1*1=0.01-4=-3.99<0結(jié)論：系統(tǒng)穩(wěn)定。阻尼比ζ=0.1/(2*sqrt(1))=0.05因為0<ζ<1，所以系統(tǒng)響應(yīng)為有阻尼的振蕩過程。3.解析思路：PI控制器的傳遞函數(shù)Gc(s)=Kc(1+1/Tis)=Kc+Kc/Ti*s。將其看作Gc(s)=G0+G1s，其中G0=Kc，G1=Kc/Ti。求單位階躍響應(yīng)r(t)=u(t)的拉氏變換R(s)=1/s?？刂破鬏敵鯟(s)=Gc(s)*R(s)=(G0+G1s)*(1/s)=G0/s+G1=G0/s+G1。將G0和G1代入，得到C(s)=Kc/s+Kc/Ti。Gc(s)=Kc(1+1/Tis)=Kc+(Kc/Ti)sR(s)=L{u(t)}=1/sC(s)=Gc(s)*R(s)=(Kc+(Kc/Ti)s)*(1/s)C(s)=Kc/s+Kc/Ti五、論述題解析思路：*重要性：首先說明過程控制的目標(biāo)是維持工藝參數(shù)在設(shè)定值附近穩(wěn)定，保證產(chǎn)品質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)性。合適的控制器類型和參數(shù)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的根本?？刂破黝愋蜎Q定了系統(tǒng)克服擾動、跟蹤設(shè)定值的基本能力（P只克服偏差，I消除穩(wěn)態(tài)誤差，D提前預(yù)測，PID結(jié)合）；參數(shù)整定則決定了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能（響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)定性）和穩(wěn)態(tài)性能（穩(wěn)態(tài)誤差）。*不合適類型后果：如果選錯類型，例如需要消除穩(wěn)態(tài)誤差的場合選了P控制器，則系統(tǒng)無法穩(wěn)定；需要快速抑制干擾的場合選了I控制器，則響應(yīng)會非常緩慢。例如，溫度對象通常需要PID，只選P可能效果差，只