2025年過程控制系統(tǒng)試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.過程控制系統(tǒng)中，被控變量的選擇應(yīng)優(yōu)先滿足（）。A.測量方便性B.工藝核心指標C.控制回路簡單D.執(zhí)行器易操作答案：B2.某對象干擾通道的放大系數(shù)Kf增大時，系統(tǒng)的余差將（）。A.減小B.增大C.不變D.先增后減答案：B3.比例控制規(guī)律（P）的特點是（）。A.無余差，響應(yīng)慢B.有余差，響應(yīng)快C.無余差，響應(yīng)快D.有余差，響應(yīng)慢答案：B4.某壓力儀表的量程為0-1.6MPa，精度等級1.0級，其最大絕對誤差為（）。A.0.016MPaB.0.032MPaC.0.16MPaD.0.32MPa答案：A5.以下哪種滯后會導(dǎo)致控制系統(tǒng)穩(wěn)定性下降最明顯？（）A.純滯后τ0B.容量滯后TcC.測量滯后TmD.執(zhí)行滯后Ta答案：A6.一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為（）。A.G(s)=K/(Ts+1)B.G(s)=Ke^(-τs)/(Ts+1)C.G(s)=K/TsD.G(s)=K答案：A7.采用勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性時，若勞斯表第一列出現(xiàn)負數(shù)，則系統(tǒng)（）。A.穩(wěn)定B.臨界穩(wěn)定C.不穩(wěn)定D.無法判斷答案：C8.串級控制系統(tǒng)中，副回路的主要作用是（）。A.克服主要干擾B.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度C.改善主對象特性D.消除余差答案：A9.某加熱爐工藝要求燃料中斷時爐溫不能過高，應(yīng)選擇（）執(zhí)行器。A.氣開式B.氣關(guān)式C.電開式D.電關(guān)式答案：B（氣關(guān)式：氣源中斷時閥門全開，燃料切斷，避免爐溫過高）10.DCS系統(tǒng)的核心是（）。A.操作站B.控制站C.工程師站D.通信網(wǎng)絡(luò)答案：B二、填空題（每空1分，共20分）1.被控對象的三大特性參數(shù)是______、______、______。（放大系數(shù)K、時間常數(shù)T、滯后時間τ）2.PID控制中的三個參數(shù)分別是______、______、______。（比例度δ、積分時間Ti、微分時間Td）3.臨界比例度法整定PID參數(shù)時，需先將控制器設(shè)為______控制，逐步減小比例度至系統(tǒng)出現(xiàn)______振蕩。（純比例、等幅）4.前饋控制的主要缺點是______和______。（無法完全補償所有干擾、需要精確數(shù)學(xué)模型）5.數(shù)字PID位置式算法的公式為______。（u(k)=Kp[e(k)+(T/Ti)Σe(j)+(Td/T)(e(k)-e(k-1))]，j=0到k）6.滯后時間τ可分為______和______兩類。（純滯后、容量滯后）7.衰減比n定義為______與______的比值。（第一個波峰值、第二個同方向波峰值）8.智能變送器通常由______、______和______三部分組成。（傳感器模塊、微處理器模塊、通信模塊）9.串級控制系統(tǒng)主回路應(yīng)選______的參數(shù)作為主變量，副回路應(yīng)選______的參數(shù)作為副變量。（對工藝影響大、反應(yīng)快易控制）10.線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是其閉環(huán)傳遞函數(shù)的所有極點均位于s平面的______。（左半平面）三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述前饋控制與反饋控制的主要區(qū)別。答案：①控制依據(jù)：前饋基于干擾測量，反饋基于被控變量偏差；②及時性：前饋“超前控制”，反饋“事后調(diào)節(jié)”；③準確性：前饋依賴模型精度，反饋通過閉環(huán)自動修正；④經(jīng)濟性：前饋需針對每個干擾設(shè)計，反饋可統(tǒng)一處理；⑤適用場景：前饋用于大滯后或強干擾，反饋用于常規(guī)調(diào)節(jié)。2.分析積分飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及解決方法。答案：原因：當系統(tǒng)存在長時間偏差（如設(shè)定值階躍或執(zhí)行器限幅），積分作用持續(xù)累積，導(dǎo)致控制器輸出超過執(zhí)行器最大/最小限制（飽和），此時即使偏差反向，積分仍需先釋放累積量才能起作用，造成調(diào)節(jié)延遲。解決方法：①限幅法：對積分項輸出進行限幅，使其不超過執(zhí)行器范圍；②積分分離法：當偏差大于閾值時取消積分作用，僅用PD控制；③抗飽和積分法：通過反饋修正積分項，避免超出限幅。3.串級控制系統(tǒng)相比單回路控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢？答案：①抗干擾能力強：副回路能快速克服進入副環(huán)的干擾，減小其對主變量的影響；②改善對象特性：副回路可將主對象的大滯后、非線性部分包含進來，等效縮短主對象的時間常數(shù)和滯后；③提高控制質(zhì)量：主控制器可針對主變量的緩慢變化精細調(diào)節(jié)，副控制器應(yīng)對快速干擾；④適應(yīng)負荷變化：副回路的快速調(diào)節(jié)可緩解負荷變化對主變量的沖擊。4.數(shù)字PID控制中“微分先行”的作用是什么？答案：微分先行是指僅對測量值（被控變量）進行微分，而不對給定值微分。其作用是避免給定值突變（如階躍設(shè)定）時，微分作用產(chǎn)生過大的輸出跳變，導(dǎo)致執(zhí)行器劇烈動作甚至超調(diào)。通過僅對測量值微分，可平滑系統(tǒng)響應(yīng)，提高控制穩(wěn)定性。5.如何根據(jù)工藝安全要求選擇氣動執(zhí)行器的氣開/氣關(guān)形式？答案：選擇原則是“故障安全”：當氣源中斷（故障）時，執(zhí)行器應(yīng)處于使工藝系統(tǒng)最安全的位置。例如：-加熱爐燃料控制：氣源中斷時應(yīng)關(guān)閉燃料（氣關(guān)式），避免爐溫過高；-冷卻系統(tǒng)冷卻水控制：氣源中斷時應(yīng)全開冷卻水（氣開式），防止設(shè)備超溫；-有毒氣體管道：氣源中斷時應(yīng)關(guān)閉閥門（氣關(guān)式），防止氣體泄漏。四、分析計算題（共30分）1.（8分）如圖1所示的單容水箱液位控制系統(tǒng)，已知水箱截面積為A（m2），流入量為Qi（m3/h），流出量為Qo（m3/h），液位為h（m）。假設(shè)流出量與液位的關(guān)系為Qo=K√h（K為常數(shù)），試建立液位h對流入量Qi的動態(tài)數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）。解：①列寫物料平衡方程：A(dh/dt)=Qi-Qo②在穩(wěn)態(tài)點（Qi0,Qo0,h0）附近線性化：令ΔQi=Qi-Qi0，ΔQo=Qo-Qo0，Δh=h-h0Qo=K√h≈K√(h0+Δh)≈K√h0+(K/(2√h0))Δh=Qo0+K1Δh（K1=K/(2√h0)）③代入平衡方程：A(dΔh/dt)=ΔQi-K1Δh④拉普拉斯變換：AsΔH(s)=ΔQi(s)-K1ΔH(s)⑤整理傳遞函數(shù)：ΔH(s)/ΔQi(s)=1/(As+K1)=(1/K1)/((A/K1)s+1)=K/(Ts+1)其中K=1/K1=2√h0/K，T=A/K1=2A√h0/K2.（7分）某反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)采用串級控制，主變量為釜內(nèi)溫度T1，副變量為夾套水溫T2，操縱變量為蒸汽流量Q。畫出串級控制系統(tǒng)方框圖，并說明主、副變量選擇的依據(jù)。解：方框圖結(jié)構(gòu)：主控制器（TC）→副控制器（FC）→執(zhí)行器→蒸汽流量Q→夾套（副對象）→T2→副測量變送→主對象（反應(yīng)釜）→T1→主測量變送→反饋至主控制器。主變量選擇依據(jù)：T1是直接影響反應(yīng)質(zhì)量的核心工藝參數(shù)，需精確控制；副變量選擇依據(jù)：T2能快速反映蒸汽流量變化及夾套熱交換狀態(tài)，作為中間變量可提前克服蒸汽壓力波動、流量干擾等，縮短控制通道滯后。3.（7分）采用臨界比例度法整定某單回路PID控制器參數(shù)。實驗測得臨界比例度δk=30%，臨界周期Tk=2min。試計算PI控制和PID控制時的控制器參數(shù)（比例度δ、積分時間Ti、微分時間Td）。解：臨界比例度法經(jīng)驗公式：-PI控制：δ=2δk=60%，Ti=0.85Tk=0.85×2=1.7min-PID控制：δ=1.7δk=1.7×30%=51%，Ti=0.5Tk=0.5×2=1min，Td=0.16Tk=0.16×2=0.32min4.（8分）某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]，試確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍。解：閉環(huán)特征方程：1+G(s)=0→s(s+1)(s+2)+K=0→s3+3s2+2s+K=0列勞斯表：s3|1|2s2|3|Ks1|(3×2-1×K)/3=(6-K)/3s?|K穩(wěn)定條件：勞斯表第一列全為正。①s2行：3>0（恒成立），K>0；②s1行：(6-K)/3>0→K<6；綜上，K的取值范圍為0<K<6。五、綜合應(yīng)用題（20分）某化工廠有一連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（CSTR），工藝要求反應(yīng)溫度T穩(wěn)定在80±1℃，主要干擾為進料流量Qf和進料溫度Tf。已知反應(yīng)為放熱反應(yīng)，通過夾套冷卻水帶走熱量，冷卻水流量Qc由氣動調(diào)節(jié)閥控制?，F(xiàn)有以下儀表：熱電阻（測量T，0-100℃，4-20mA輸出）、電磁流量計（測量Qc，0-50m3/h，4-20mA輸出）、溫度變送器（輸入0-100℃，輸出4-20mA）、流量變送器（輸入0-50m3/h，輸出4-20mA）、PID控制器（輸入4-20mA，輸出4-20mA）、氣動調(diào)節(jié)閥（氣開式，輸入4-20mA，流量0-50m3/h）。（1）設(shè)計單回路溫度控制系統(tǒng)，畫出原理方框圖，標注各環(huán)節(jié)輸入輸出信號類型（電流或物理量）。（2）若進料流量波動大（干擾通道滯后小、幅值大），說明是否需要引入前饋控制？為什么？（3）若實際運行中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)量過大，分析可能原因并提出改進措施。答案：（1）方框圖：設(shè)定值（溫度80℃）→PID控制器（輸入：溫度變送器4-20mA信號；輸出：4-20mA）→氣動調(diào)節(jié)閥（輸入4-20mA，輸出冷卻水流量Qc，0-50m3/h）→反應(yīng)釜（輸入Qc、Qf、Tf；輸出溫度T，0-100℃）→熱電阻→溫度變送器（輸出4-20mA）→反饋至控制器。（2）需要引入前饋控制。原因：進料流量Qf是主要干擾，且干擾通道滯后小（可快速測量）、幅值大（對溫度影響顯著）。前饋控制可根據(jù)Qf的變化提前調(diào)整冷卻水流量Qc，補償其對溫度的影響，避免反饋控制因滯后導(dǎo)致