2010-2011过程控制试卷B答案和评分标准

南阳理工学院电子与电气工程系2010—2011学年第一学期期末考试卷
课程名称过程控制工程试卷编号 B
考试方式闭卷满分分值 100分
一、填空题（共20分，每空1分）。

1、“被控变量”的英文全称是 Controlled Variable,CV
2、“误差”的英文全称是 error
3、“伺服控制”的英文全称是 Servo Control
4、“开关量控制”的英文全称是 Switch Control
5
、“连续量控制”的英文全称是 Continuous Control
6、“连续时间控制”的英文全称是Continuous-Time Control
7、“离散时间控制”的英文全称是 Discrete-Time Control
8、“常规控制”的英文全称是 Conventional Control
9、“先进控制”的英文全称是 Advanced Process Control ,APC
10、“PID”的英文全称是 Propotional Integral Derivative
11、S7-300 PLC中OB35的“OB”的英文全称是 Organization Block
数据块“DB”的英文全称是 Data Block
在本次的过程控制课程设计中：
12、你所在设计组使用的电加热丝功率是 2.5KW(4.5KW) ，采用铜（铂）热电阻测温，它的分度号是 Cu50(Pt100)，AI-818仪表中分度号设置数据是20(21)，CtrL设置数据是 0 ，变送输出的信号范围是 4-20(0-20) mA。

13、进入S7-300 PLC中A/D转换的数字量范围是
0-27648(约5530-27648) 。

14、在S7-300 PLC中调用 FC105 进行标度变换。

二、选择题（共25分，第15、16、17题 5分，第
18题10分）。

15、试述直接数字控制系统的系统结构与特点。

答：直接数字控制系统（Direct Digital Control,DDC）它使用一台计算机代替工程控制中的模拟控制器，并不改变原有的生产过程，计算机首先通过AI和DI接口采集数据，把检测仪表送来的反应各种工艺参数和过程状态的标准模拟信号、开关信号转换为数字信号及时送往计算机主机；主机按照一定的控制规律进行计算，发出数字化的控制信息；最后通过AO和DO接口把主机输出的数字信号转换为适应各种执行器的控制信号直接控制生产过程。

特点：计算灵活，不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路，能方便的对传统的PID算法进行改进或实现其他的复杂控制算法，但价格昂贵，而且计算机速度难以满足快速过程实时控制的要求。

16、在本次的过程控制课程设计中，使用AI-818仪表进行温度信号变送。

说明为什么使用三线制，画出三线制测温的原理电路。

答：为了进行引线电阻补偿。

电桥电路：
17、画出本次过程控制课程设计中，你所在设计组的控制系统的控制回路接线图。

18、在FB43模块的算法设计中，算法的时基信号是OB35的定时中断时间，设为100ms 。

如何实现对PER-TM=5s 的定时？如何实现对INV=30的输出时间比例控制？FB41.cycle 和FB43.cycle 设置为多少？
答：PER-TM 定时的实现是靠对时基信号的循环计数实现的。

设置计数器cnt1，为了实现PER-TM=5s=5000ms 的定时，须设计数器的初值为5000/100=50。

每个OB35周期，cnt1减一计数，直至为0，本PER-TM=5s 周期结束，重装计数初值，开始下一个周期计数。

INV=30的输出时间比例脉冲宽度=(30/100)*5000ms=1500ms,设置计数器cnt2,其计数初值设为1500ms/100ms=15，每个OB35周期减一计数，直至为0，即实现QPOS 为ON 的输出脉宽控制。

FB41.cycle=5000ms ，FB43.cycle=100ms 。

三、计算题（共25分，第19题15分，第20题10
分）
19、已知两只水箱串联工作（如题图2-2所示），其输入量为1Q ，流出量为2Q ，
3Q 。

1H ，2H 分别为两只水箱的水位，2H 为被控变量，1A ，2A 分别为两
个水箱的截面积，假设1R ，2R ，12R ，3R 为线性液阻。

（1）列写过程的微分方程组； （2）画出过程的方框图； （3）求液位过程的传递函数21()
()()
o H s W s Q s
得 分 评卷人
系 专业 班 姓名 学号
…………………………装 …………………………订……………………………线……………………
现 场
架 装
端子柜
控 制 站
TE 101
TIT 101
T Y 101触发
触发触发
G1G21JB
3456
G1G2G1G2
R S T N
加热丝
红红红蓝
模块
力控6.1
操作台
通信电缆
上位监控计算机
口
口
U S 52PX
V W N R T N
643或
补偿线
解：（1）根据物料平衡方程，可列出如下微分方程：
⎩
⎨⎧--=)()()()()
(122111
t Q t Q t Q t d t dH A
)
()()()()(321t Q t Q t Q t d t dH A --=
根据流体运动方程可得：
.;;323212122112R H
Q R H Q R H H Q ==-=
(2)上述微分方程经拉普拉斯变换得：
3
2
1221312222
1
1221111Q (S)Q (S)R H R H H Q SH A R H R H H SH A --=
-=---
=
(3)
3
1223212121312232223122213
2120)S R R A R R A R R A R R (A )()(R R R S R R R A A R R S Q S H S W +++++++=
=）
（
20、有一流量对象，当调节阀气压改变0.01MPa 时，流量的变化如表。

若该对象用一阶惯性环节近似，试确定其传递函数。

解：方法一：作图得，
T1=5.2S;
方法二：
4.95
1.9)-(5.2*1.5)t -(t 5.10.2830.6322===T
我们用两种方法求平均：
5.302.01.001.0500018002.01.001.0075.5295
.42.52min max 21≈--=--∆==+=+=
Q Q Q K T T T
传递函数：
1075.55
.31K (S)+=
+=
S TS G
四、控制系统设计题（共20分，第21、22题5分，
第23题10分）
21、单回路系统中其他参数不变，仅加速PI 控制器的积分作用，试回答如下问题。

（1）在相同的外界干扰作阶跃变化情况下，最大偏差是否增大？振荡
是否加剧？ （2）为了获得与以前相同的系统稳定性，可适当调整c K 。

c K 问应调
大还是调小？c K 调整后环路静态增益是否改变，是变大还是变小？
答：（1）最大偏差不增大，振荡加剧。

（2）C K 调小，C K 调整后环路静态增益变小。

得 分 评卷人
系 专业 班 姓名 学号
…………………………装 …………………………订……………………………线……………………
22、在某生产过程中，需求参与反应的甲，乙两种物料保持一定比例。

若已
知正常操作时，甲流量3
17q m h =，乙流量2250q L h =，两个流量均采
用孔板测量并配用开方器，甲流量的测量范围为0~103
m h ,乙流量的测量
范围为0~300L h 。

根据要求设计保持21q q 比值的控制系统，试采用DDZ-
Ⅲ型仪表组成系统时的比值系数K 。

解：因为两个流量均采用孔板测量并配用开方器，所以流量与测量信号成线性关系。

2.1/300/10*/7/250*33
max 2max 112max 2max 1≈===h L h m h m h L Q Q Q Q Q Q k K
采用DDZ 型仪表组成系统时的比值系数K=1.2
23、下图表示了二个动态过程的方框图。

为了改善闭环品质（d1干扰时），哪一个过程应该采用串级控制，为什么？对应该采用串级控制的系统，试画出相应的方框图（假设()()1v m G s G s ==）
答：上图如果采用串级控制，副对象为两个大惯性环节的串联，且时间常数较大，而主对象为1/（0.1s+1），且时间常数较小，
这样副回路难以发挥快速抑制扰动d1的作用，故不宜采用串级控制。

下图中应该采用串级控制，这样副对象为一阶系统且具有小的滞后，而主对象为两个大惯性环节的串联，这样副回路可以发挥快速调节作用，抑制d1扰动的
影响。

五、控制系统分析（共10分，每题5分） 24、有时前馈-反馈控制系统从其结构上看与串级控制系统十分相似。

试问如何来区
分它们？试分析判断下图所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。

答：前馈反馈控制系统对主变量的扰动检测并进行补偿控制，而串级控制没有对主变量的扰动提前检测和补偿，上图为串级控制系统，因为温度主回路的输出对燃料油流量进行调节，为了实现燃料油流量的稳定，设置了流量调节副回路，所以为串级控制系统。

25、推导史密斯预估补偿控制的传递函数
答：
得 分 评卷人
()()()()()'()()1()()1()()()p p s p p s c p p c s p p c p p s c k g s e G s G s k g s G s Y s R s k g s G s k g s e G s G s ττ--⎡⎤+⎣⎦==+⎡⎤++⎣⎦()()()p s
p p p p s k g s k g s e G s τ-=+()()1p s
s p p G s k g s e τ-⎡⎤=-⎣⎦。