最新河南工业大学过程控制系统试卷

2013 至2014学年第2 学期
工业过程控制试卷A卷
出卷教师：王伟生适应班级：自动化1101—1106
考试方式：闭卷本试卷考试分数占学生总评成绩的70 %
复查总分总复查人
（本题33分）一、填空题（每空1.5分）
1、过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环节
组成。

2、仪表的精度等级又称准确度级，通常用引用误差作为判断仪表精度等级
的尺度。

3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减比n 、超调量σ和过渡过程时间
s
t；
静态质量指标有稳态误差e ss。

4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用约定真值或相
对真值来代替。

5、根据使用的能源不同，调节阀可分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节
阀三大类。

6、过程数学模型的求取方法一般有机理建模、试验建模和混合建模。

7、积分作用的优点是可消除稳态误差(余差)，但引入积分作用会使系统稳定性下降。

8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为单闭环比值控制、双闭环比值控制和
变比值控制三种。

9、Smith预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器并联在被
控过程上，使其对过程中的纯滞后进行补偿。

《工业过程控制》试卷A 第 1 页（共 6 页）
（本题15分）二、名词解释题（每小题5分）
1、衰减比
答：衰减比n定义为：
衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。

为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:1～10:1。

2、自衡过程
答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质
称为自衡性。

称该类被控过程为自衡过程。

3、分布式控制系统
答：分布式控制系统DCS，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、
采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。

DCS的设计思想是“控制分散、管理集中”
《工业过程控制》试卷A 第 2 页（共 6 页）
学
院
名
称
专
业
班
级
姓
名
：
学
号
：
密
封
线
内
不
要
答
题
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃
密
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃
封
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃
线
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃
2
1
B
B
n
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（本题32分）三、简答题（每小题8分）
1、PID 调节器的参数p K 、I T 、D T 对控制性能各有什么影响？
答：(1)比例增益p K 反映比例作用的强弱，p K 越大，比例作用越强，反之亦然。

比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差； (2)积分时间I T 反映积分作用的强弱，I T 越小，积分作用越强，反之亦然。

积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；
(3)微分时间D T 反映积分作用的强弱，D T 越大，积分作用越强，反之亦然。

微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用。

2、与反馈控制系统相比，前馈控制系统有哪些特点？
答：(1)反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差，而前馈控制是基于扰动来消除扰动对被控量的影响；
(2)反馈控制是“不及时”的，而前馈控制器可“及时”动作； (3)反馈控制属闭环控制，而前馈控制属开环控制；
(4)反馈控制对闭环内扰动均有校正作用，而前馈控制具有制定性补偿的局限性； (5)反馈控制规律通常有P 、PI 、PD 、PID 等，而前馈控制规律比较复杂。

《工业过程控制》试卷A 第 3 页 （ 共 6 页 ）
3、简述“积分饱和现象”产生的内因和外因。

答：造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。

在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值引起积分饱和。

4、如图所示的压力容器，采用改变气体排出量以维持 容器内压力恒定：
(1)调节阀应选择气开式还是气关式？请说明原因。

(2)压力控制器(PC)应为正作用还是反作用？请说明原因。

答：(1)应选择气关式。

因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故。

(2) 调节阀应选择气关式，则压力控制器(PC)应为反作用。

当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器内压力稳定。

或：
当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。

《工业过程控制》试卷A 第 4 页 （ 共 6 页 ）
学院名 专业班级： 姓名： 学号
密 封 线 内 不 要 答 题
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 密
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 封
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 线
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（本题20分）四、分析与计算题（第1小题8分，第2小题12分）
1、（本小题8分）如下图所示的隔焰式隧道窑烧成带温度控制系统，烧成带温度是被控变量，燃料流量为操纵变量。

试分析： (1)该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图；
(2)确定调节阀的气开、气关形式，并说明原因。

答：(1)该系统是一个串级控制系统，其方框图为：
(2)当调节阀气源出现故障失去气源时，为保证系统安全，应使阀门处于关闭位置，故调节阀采用气开式。

2、（本小题12分）如下图所示的液体储罐，设进水口和出水口的体积流量分别是 i q 和 o q ，输出变量为液位h ，储罐的横截面积为A 。

试建立该液体储罐的动态数学模型
)
()
(s Q s H i 。

《工业过程控制》试卷A 第 5 页 （ 共 6 页 ）
答：液位的变化满足动态物料平衡关系：
液罐内蓄液量的变化率＝单位时间内液体流入量－单位时间内液体流出量：
o i q q dt
dh
A -=⋅
………………………………………………………………………………(2分) 以增量形式表示各变量偏离起始稳态值的程度。

即：
o i q q dt
h
d A ∆-∆=∆⋅
（式1）………………………………………………………………(2分) 由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：
22
221211
2
2gz v p gz v p ++=++ρρ………………………………………………………………(2分) 得：gh v 2=
故
h
k gh A v
A q o ===2''…………………………………………………………………………………(2分) 对非线性项进行泰勒级数展开，并取线性部分：
h h k q q q o o o ∆=
-=∆0
02………………………………………………………………………(1分)
将上式代入（式1），得：
R
h
q dt h d A i ∆-
∆=∆⋅
整理并省略增量符号，得微分方程：
i Rq h dt
dh
RA =+⋅
…………………………………………………………………………………(1分) 经拉氏变换可得传递函数为：
1
)()(+=RAs R
s Q s H i ………………………………………………………………………………(2分)
《工业过程控制》试卷A 第 6 页 （ 共 6 页 ）
学院名称 专业班级： 姓名 学号
密 封 线 内 不 要 答 题
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 密
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 封
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2008 至 2009 学年第 1 学期
工业过程控制 试卷B 卷
出卷教师： 适应班级：自动化0501—0504
考试方式：闭卷 本试卷考试分数占学生总评成绩的 70 %
复查总分 总复查人
（本题33分）一、填空题（每空1.5分）
1、过程控制系统中，有时将 控制器 、 执行器 和
测量变送环节 统称为过程仪表，故过程控制系统就由过程仪表和 被控过程 两部分组成。

2、仪表的精度等级又称 准确度级 ，级数越小，仪表的精度就越 高。

3、过程控制主要是指连续生产过程，被控参数包括 温度 、 压力 、 流量 、 物位 和成分等变量。

4、工业生产中压力常见的表示方法有 绝对压力pa 、 表压力p 和负压(真空度)a p 三种。

5、调节阀的流量特性有 直线流量特性 、 对数（等百分比）流量特性 、 抛物线
流量特性 和快开流量特性四种。

6、时域法建模是试验建模中的一种，可分为 阶跃响应曲线 法和 矩形脉冲响应曲线 法。

7、对于滞后小，干扰作用频繁的系统，PID 调节器不应采用 微分 作用。

8、分程控制根据调节阀的开闭形式分为两类，即 同向动作 和 异向动作 。

9、DCS 的设计思想是 控制 分散、 管理 集中。

《工业过程控制》试卷B 第 1 页 （ 共 6 页 ）
（本题15分）二、名词解释题（每小题5分）
1、串级控制系统
答：串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。

2、现场总线
答：现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、执行器等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络。

具有全数字化、分散、双向传输等特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。

3、调节阀的流量特性
答：调节阀的流量特性指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系： 为相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；
为相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。

《工业过程控制》试卷B 第 2 页 （ 共 6 页 ）
⎪⎭⎫
⎝⎛=L l f q q v v max
m ax
v v q q L
l
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（本题32分）三、简答题（每小题8分）
1、简述执行器在过程控制系统中的作用。

答：执行器接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直线位移或角位移）或速度，用于控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

2、简述单回路控制系统临界比例度法参数整定的步骤。

答：1.在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（i T = ∞，d T =0），从小到大逐渐增大控制器的比例增益K C ，直到出现等幅振荡曲线为止。

2.此时的比例度称为临界比例度cr δ，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期cr T 。

据此确定控制器参数。

3.根据cr δ和cr T 值，采用经验公式，计算出调节器各个参数。

4.按“先P 后I 最后D ”的操作程序将控制器整定参数调到计算值上。

若不够满意，可作进一步调整。

《工业过程控制》试卷B 第 3 页 （ 共 6 页 ）
3、什么是积分饱和现象？
答：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下，其输出达到输出范围上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态，这种现象称为积分饱和。

4、如图所示的锅炉汽包液位控制系统，为保证锅炉不被烧干： (1)给水阀应该选择气开式还是气关式？请说明原因。

(2)液位控制器(LC)应为正作用还是反作用？请说明原因。

答：(1)应选择气关式。

因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干。

(2) 调节阀应选择气关式，则液位控制器(LC)应为正作用。

当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定。

或：
当检测到液位减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定。

学院名 专业班级： 姓名： 学号
密 封 线 内 不 要 答 题
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┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 封
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 线
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《工业过程控制》试卷B 第 4 页 （ 共 6 页 ）
（本题20分）四、分析与计算题（第1小题8分，第2小题12分）
1、（本小题8分）如下图所示的管式加热炉出口温度控制系统，主要扰动来自燃料流量的波动，试分析：
（1）该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图；
（2）确定调节阀的气开、气关形式，并说明原因。

答：（1）该系统是一个串级控制系统，其方框图为：
（2）当调节阀气源出现故障失去气源时，为保证系统安全，应使阀门处于关闭位置，故调节阀采用气开式。

2、（本小题12分）如下图所示液位过程，它有两个串联在一起的储罐。

来水首先进入储罐1，然后再通过储罐2流出。

试建立系统的动态数学模型
)
()
(2s Q s H i 。

（1R 、2R 分别是两个阀门的线性液阻）
《工业过程控制》试卷B 第 5 页 （ 共 6 页 ）
答：由物料平衡方程，列微分方程为： 11
1
Q Q dt
dh A i -=……………………………………………………………………………(2分) 11
1
Q Q dt
dh A i -=……………………………………………………………………………(2分) 由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：
22
221211
2
2gz v p gz v p ++=++ρρ……………………………………………………………(1分) 可得：
2111h h k Q -=……………………………………………………………………………(1分)
221h k Q =………………………………………………………………………………(1分)
泰勒级数展开，线性化有：
12
11R h h Q -=，其中1
1012k h R =…………………………………………………………………(2分)
22
R h Q o =
，其中2
2022k h R =……………………………………………………………………(2分) o Q ，1h 为中间变量，需消去。

首先将各环节进行拉普拉斯变换：
专业班级： 姓名： 学号
密 封 线 内 不 要 答 题
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 密
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 封
┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ 线
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[][]2
21221211111)()()()(1
)()
()()()()(1
)(R s H s Q s Q s Q s A s H R s H s H s Q s Q s Q s
A s H o o i =
-=-=-= ……………………………………………………………………(2分)
消去中间变量，可以得出传递函数：
1
)()()()(1222112
22112
2++++⋅=s A R A R A R s A R A R R s Q s H i ………………………………………(2分)
《工业过程控制》试卷B 第 6 页 （ 共 6 页 ）。