過程控制與自動(dòng)化儀表期末試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在過程控制系統(tǒng)中，若被控對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為G(s)=K/(Ts+1)，則其階躍響應(yīng)達(dá)到63.2%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間為（）。A.0.5T??B.T??C.2T??D.3T答案：B2.某溫度變送器量程為0～200℃，輸出4～20mA，若實(shí)測(cè)電流為12mA，則對(duì)應(yīng)溫度為（）。A.75℃??B.100℃??C.120℃??D.150℃答案：B3.在PID調(diào)節(jié)器中，若積分時(shí)間Ti→∞，則控制器實(shí)際變?yōu)椋ǎ?。A.P??B.PI??C.PD??D.PID答案：C4.對(duì)于氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，閥桿運(yùn)動(dòng)方向與介質(zhì)流動(dòng)方向相同，則該閥為（）。A.氣開式??B.氣關(guān)式??C.雙座閥??D.三通閥答案：A5.在均勻控制方案中，為保證前后工序流量平穩(wěn)，通常選用（）控制規(guī)律。A.P??B.PI??C.PD??D.PID答案：B6.下列關(guān)于電磁流量計(jì)的描述，錯(cuò)誤的是（）。A.可測(cè)導(dǎo)電液體??B.不受流體密度影響??C.必須滿管??D.可測(cè)非導(dǎo)電液體答案：D7.某比值控制系統(tǒng)，主流量Q1=10m3/h，比值系數(shù)K=0.8，則副流量設(shè)定值應(yīng)為（）。A.8m3/h??B.10m3/h??C.12.5m3/h??D.18m3/h答案：A8.在DCS結(jié)構(gòu)中，完成模擬量輸入、輸出處理功能的板卡稱為（）。A.CPU??B.AI/AO??C.DI/DO??D.COMM答案：B9.對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，副回路主要克服的擾動(dòng)位于（）。A.主對(duì)象??B.副對(duì)象??C.主回路??D.副回路答案：B10.若某壓力變送器引用誤差為0.1%，量程0～1MPa，則最大允許絕對(duì)誤差為（）。A.10kPa??B.1kPa??C.0.1kPa??D.100kPa答案：B二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列屬于連續(xù)過程控制典型被控變量的有（）。A.溫度??B.液位??C.壓力??D.流量??E.轉(zhuǎn)速答案：ABCD12.關(guān)于電容式差壓變送器，正確的有（）。A.采用差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)??B.可測(cè)絕對(duì)壓力??C.需外加隔離膜片??D.輸出為數(shù)字信號(hào)??E.與介質(zhì)接觸部分為不銹鋼答案：ACE13.下列措施可減小調(diào)節(jié)閥氣蝕現(xiàn)象的有（）。A.降低閥前后壓差??B.選用多級(jí)降壓閥芯??C.提高介質(zhì)溫度??D.增大閥門口徑??E.采用耐磨材料答案：ABE14.在PLC梯形圖中，能完成邊沿檢測(cè)的指令有（）。A.R_TRIG??B.F_TRIG??C.SR??D.RS??E.NOP答案：AB15.下列關(guān)于前饋控制的描述，正確的有（）。A.屬于開環(huán)補(bǔ)償??B.需對(duì)象模型??C.可完全消除誤差??D.常與反饋結(jié)合??E.對(duì)不可測(cè)擾動(dòng)無效答案：ABDE三、填空題（每空1分，共20分）16.1.某調(diào)節(jié)器比例度PB=50%，則其比例增益Kc=________。答案：217.2.在DDZⅢ型儀表中，統(tǒng)一信號(hào)范圍為________mA。答案：4～2018.3.若某溫度對(duì)象時(shí)間常數(shù)T=5min，則其截止頻率ωc≈________rad/min。答案：0.219.4.對(duì)于PI控制器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)余差時(shí)，應(yīng)________積分時(shí)間Ti。答案：減小20.5.在DCS冗余配置中，CPU冗余切換時(shí)間一般小于________ms。答案：10021.6.某差壓變送器遷移后，其量程變?yōu)?0～80kPa，則零點(diǎn)遷移量為________kPa。答案：2022.7.在閥門定位器中，用于反饋閥桿位置的環(huán)節(jié)稱為________。答案：反饋杠桿（或反饋彈簧）23.8.對(duì)于一階系統(tǒng)，其相位滯后φ與頻率ω的關(guān)系為φ=________。答案：arctan(ωT)24.9.在均勻控制中，為兼顧液位與流量，通常將液位控制器參數(shù)整定得較________。答案：寬松25.10.在PLC中，16位無符號(hào)整數(shù)最大值為________。答案：6553526.11.某電磁流量計(jì)電極材料選用哈氏合金，主要考慮介質(zhì)的________性。答案：腐蝕27.12.在串級(jí)控制中，主控制器輸出作為副控制器的________。答案：設(shè)定值28.13.若某系統(tǒng)開環(huán)增益為10，欲使幅值裕度≥2，則允許最大增益為________。答案：529.14.在過程控制中，________圖用于表示儀表位號(hào)與安裝位置。答案：P&ID30.15.對(duì)于氣動(dòng)閥門，輸入信號(hào)為0.02～0.1MPa，對(duì)應(yīng)閥門行程為0～100%，則其輸入信號(hào)為0.06MPa時(shí)，開度為________%。答案：50四、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分。先判斷對(duì)錯(cuò)，若錯(cuò)則改正）31.在PID調(diào)節(jié)器中，微分作用對(duì)高頻噪聲具有抑制作用。答案：錯(cuò)。微分作用對(duì)高頻噪聲具有放大作用。32.電磁流量計(jì)可測(cè)量蒸餾水流量。答案：錯(cuò)。蒸餾水電導(dǎo)率過低，無法測(cè)量。33.在PLC中，模擬量輸入模塊的分辨率越高，則轉(zhuǎn)換精度一定越高。答案：錯(cuò)。分辨率只是精度的一個(gè)因素，還需考慮線性度、溫漂等。34.對(duì)于氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)閥門處于全開位置。答案：對(duì)。35.在比值控制中，副流量回路必須采用PI控制才能保證比值恒定。答案：錯(cuò)。采用P控制即可滿足比值要求，PI可進(jìn)一步提高精度。五、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）36.簡(jiǎn)述調(diào)節(jié)閥流量特性選擇的基本原則。答案：根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化范圍及對(duì)象特性選擇：(1)負(fù)荷變化小、壓差變化小，選直線特性；(2)負(fù)荷變化大、壓差變化大，選對(duì)數(shù)特性；(3)快開特性用于兩位式或安全聯(lián)鎖；(4)拋物線特性用于特殊負(fù)荷曲線；(5)考慮管道阻力影響，進(jìn)行特性修正。37.說明串級(jí)控制系統(tǒng)相比單回路的主要優(yōu)勢(shì)。答案：(1)副回路快速抑制二次擾動(dòng)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)；(2)副回路對(duì)象增益減小，改善主回路工作頻率；(3)副回路對(duì)象非線性、參數(shù)變化被副回路包圍，降低對(duì)主回路影響；(4)允許主副回路分別整定，提高系統(tǒng)魯棒性；(5)可引入前饋補(bǔ)償，進(jìn)一步提高品質(zhì)。38.寫出標(biāo)準(zhǔn)PID位置式算法表達(dá)式，并說明各參數(shù)物理意義。答案：u(k)=Kc[e(k)+T/Ti·Σe(j)+Td/T·(e(k)e(k1))]+u0Kc：比例增益，反映偏差放大倍數(shù)；Ti：積分時(shí)間，越小積分作用越強(qiáng)，消除余差越快；Td：微分時(shí)間，越大微分作用越強(qiáng)，預(yù)測(cè)偏差變化趨勢(shì)；u0：初始閥位，防止突變。39.簡(jiǎn)述DCS與PLC在過程控制應(yīng)用中的主要差異。答案：(1)DCS面向連續(xù)過程，I/O板卡冗余、掃描周期100ms級(jí)；PLC面向離散控制，掃描周期10ms級(jí)；(2)DCS采用全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，變量統(tǒng)一命名；PLC程序以任務(wù)為單位，變量局部化；(3)DCS具有豐富的PID、補(bǔ)償、計(jì)算功能塊；PLC需額外軟件包；(4)DCS人機(jī)界面一體化，歷史站冗余；PLC需外掛SCADA；(5)DCS通信協(xié)議以以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線為主，PLC支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線；(6)DCS系統(tǒng)規(guī)模可達(dá)萬點(diǎn)，PLC機(jī)架擴(kuò)展有限。40.解釋“安全儀表系統(tǒng)（SIS）”與“過程控制系統(tǒng)（DCS）”在功能安全上的分工。答案：DCS負(fù)責(zé)過程連續(xù)調(diào)節(jié)與監(jiān)控，追求高可用性；SIS負(fù)責(zé)超限聯(lián)鎖停車，追求高安全性；SIS獨(dú)立于DCS，采用冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，滿足SIL等級(jí)；DCS故障不得影響SIS，SIS動(dòng)作優(yōu)先于DCS；SIS采用故障安全型設(shè)計(jì)，失電、斷氣、斷信號(hào)均導(dǎo)向安全態(tài)；DCS可進(jìn)行在線維護(hù)，SIS需停車檢修或旁路管理。六、計(jì)算與分析題（共55分）41.（10分）某液位對(duì)象階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：t(min)012345678910h(cm)001.54.06.58.5101111.511.812輸入階躍Δu=20%。求：(1)用兩點(diǎn)法求K、T；(2)寫出傳遞函數(shù)。答案：穩(wěn)態(tài)值h(∞)=12cm，Δh=12cm，K=Δh/Δu=12/0.2=60cm。取28.3%與63.2%點(diǎn)：0.283×12=3.4cm→t1≈2.3min；0.632×12=7.6cm→t2≈4.5min；T=1.5(t2t1)=1.5×2.2=3.3min；G(s)=60/(3.3s+1)。42.（12分）某溫度控制系統(tǒng)采用PI控制，對(duì)象G(s)=2e^(0.5s)/(2s+1)，測(cè)量變送Gm=0.1，調(diào)節(jié)閥Kv=1。用ZieglerNichols閉環(huán)法整定：(1)求臨界增益Ku與臨界周期Tu；(2)按ZN公式求PI參數(shù)；(3)計(jì)算相位裕度。答案：(1)令純比例閉環(huán)，增大Kc至等幅振蕩，仿真得Ku=5.2，Tu=1.8min；(2)Kc=0.45Ku=2.34，Ti=0.83Tu=1.49min；(3)在ω=π/Tu=1.75rad/min處，開環(huán)增益=1，相位φ=180°，相位裕度PM=0°（臨界），按ZN整定后PM≈30°。43.（10分）某比值控制系統(tǒng)，主流量Q1測(cè)量范圍0～20m3/h，副流量Q2范圍0～25m3/h，工藝要求Q2/Q1=0.6。(1)計(jì)算儀表比值系數(shù)K'；(2)若Q1=15m3/h，求Q2設(shè)定；(3)若Q1變送器輸出電流為14mA，求Q2設(shè)定電流。答案：(1)K'=K·(Q1max/Q2max)=0.6×20/25=0.48；(2)Q2sp=0.6×15=9m3/h；(3)I1=(144)/16×20=12.5m3/h，Q2sp=0.6×12.5=7.5m3/h，I2=4+0.48×16=11.68mA。44.（10分）某儲(chǔ)罐液位均勻控制，采用PI控制器，液位測(cè)量范圍0～4m，流量測(cè)量范圍0～100t/h。要求液位波動(dòng)不超過±0.2m，流量波動(dòng)不超過±5t/h。已知對(duì)象傳遞函數(shù)Gp(s)=0.8/(5s+1)，擾動(dòng)Gd(s)=0.6/(3s+1)。求：(1)按λ=2min整定PI參數(shù)；(2)計(jì)算液位最大偏差；(3)是否滿足工藝要求。答案：(1)取λ=2，Kc=1/(K·λ)=1/(0.8×2)=0.625，Ti=5min；(2)對(duì)階躍擾動(dòng)±10t/h，液位偏差Δh=0.6×10×0.625×5/(5+2)=1.34m·%，即0.053m；(3)0.053m<0.2m，流量波動(dòng)經(jīng)仿真<5t/h，滿足要求。45.（13分）某加熱爐出口溫度與燃料壓力串級(jí)控制，主被控變量T，副變量P。主對(duì)象G1(s)=1.2e^(1.2s)/(4s+1)，副對(duì)象G2(s)=0.9/(0.8s+1)，燃料壓力擾動(dòng)D(s)經(jīng)副回路，測(cè)量環(huán)節(jié)Gm1=0.05，Gm2=0.1，閥Kv=1。(1)先整定副回路PI，取λ=0.3min，求Kc2、Ti2；(2)等效副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)；(3)用對(duì)稱最優(yōu)法整定主回路PI，求Kc1、Ti1；(4)仿真階躍設(shè)定值變化5℃，記錄主變量超調(diào)量。答案：(1)Kc2=1/(0.9×0.3)=3.7，Ti2=0.8min；(2)G2cl(s)=1/(0.3s+1)；(3)等效主對(duì)象Ge(s)=1.2e^(1.2s)/[(4s+1)(0.3s+1)]，取對(duì)稱最優(yōu)Ti1=4.5min，Kc1=1/(1.2×4.5)=0.185；(4)仿真得超調(diào)σ≈8%，滿足σ<10%要求。七、綜合設(shè)計(jì)題（共20分）46.某化工廠反應(yīng)釜需設(shè)計(jì)一套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（SIS）與過程控制系統(tǒng)（DCS）集成方案。工藝要求：(1)當(dāng)釜溫≥120℃或釜壓≥0.8MPa時(shí)，立即切斷蒸汽閥并打開冷卻水閥；(2)正常工況由DCS進(jìn)行溫度壓力串級(jí)控制；(3)所有閥門為故障安全型，信號(hào)中斷時(shí)蒸汽閥關(guān)、冷卻水閥開；(4)需滿足SIL2等級(jí)，硬件故障裕度≥1；(5)提供測(cè)試按鈕，允許在線驗(yàn)證閥門動(dòng)作。請(qǐng)完成：a.畫出P&ID圖（文字描述即可）；b.列出SIS輸入輸出清單；c.說明DCS與SIS信號(hào)隔離措施；d.給出閥門部分行程測(cè)試（PST）策略。答案：a.描述：反應(yīng)釜溫度TT101、壓力PT102信號(hào)經(jīng)安全柵分別進(jìn)DCSAI與SISAI；DCS輸出TY101、PY1