过程控制模拟试题

过程控制模拟试题过程控制模拟试题（一）1、什么是过程控制系统? 其基本分类方法有哪几种? （5分）2、什么是机理分析法建模? 该方法有何特点? （5分）3、何谓调节阀的流通能力？对数流量特性有何特点？（5分）4、何谓单回路系统？说明组成单回路系统各部分的作用。

（10分）5、选择调节器控制规律的依据是什么? 若已知过程的数学模型，怎样来选择PID控制规律?（10分）6、什么叫比值控制系统? 常用比值控制方案有哪些? 并比较其优缺点。

（10分）7、试推导单容过程数学模型（输入量为q1，被控量为h1）。

（15分）8、某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热。

热物料温度必须满足生产工艺要求，第 2 页（共 47 页）故设计下图所示温度控制系统流程图。

试画出其框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用。

（20分）加热炉9、对于下图所示的加热炉串级控制系统，试画出系统的结构框图，并分析其工作过程。

与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要第 3 页（共 47 页）特点?（20分）过程控制模拟试题（一）答案1、答案过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。

一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。

第 4 页（共 47 页）按过程控制系统的结构特点可进行如下分类：1）反馈控制系统：反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。

2）前馈控制系统：前馈控制系统直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。

由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。

3）前馈—反馈控制系统(复合控制系统)：开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被控参数的影响；对于其余次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。

按给定值信号的特点可进行如下分类：1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。

2) 程序控制系统：它是被控量的给定值按预定第 5 页（共 47 页）的时间程序变化工作的。

控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。

3) 随动控制系统：它是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。

其主要作用是克服一切扰动，使被控量快速跟随给定值而变化。

2、答案机理建模：是根据过程的内部机理(运动规律)，运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。

特点：机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型。

由于该模型的参数直接与设备的结构、性能参数有关，因此对新设备的研究和设计具有重要意义。

另外，对于不允许进行试验的场合，该方法是唯一可取的。

机理分析法建模主要是基于分析过第 6 页（共 47 页）程的结构及其内部的物理化学过程，因此要求建模者应有相应学科的知识。

通常此法只能用于简单过程的建模。

对于较复杂的实际生产过程来说，机理建模有很大的局限性，这是因为实际过程的机理并非完全了解，同时过程的某些因素如受热面的积垢、催化剂的老化等可能在不断变化，难以精确描述。

另外，一般来说机理建模得到的模型还需通过试验验证。

3、答案流通能力C表示执行器的容量，其定义为：调节阀全开，阀前后压差为0.1MPa，流体密度为1g／cm3时，每小时流过阀门的流体流量(体积(m3)或质量(kg))。

对数(等百分比)流量特性：是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。

调节阀对数流量特性曲线的斜率即放大系数是随行程(开度)的增大而递增的。

在行程变化值相同的第 7 页（共 47 页）情况下，当流量小时，则流量变化亦小；当流量大时，则流量变化亦大。

从过程控制工程来看，利用对数(等百分比)流量特性是有利的。

调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。

4、答案单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般是指针对一个被控过程(调节对象)，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定(或在很小范围内变化)，其输出也只控制一个执行机构(调节阀)。

从系统的框图看，只有一个闭环回路。

检测变送器作用：对被控参数(变量)以及其它一些参数、变量进行迅速、准确地测量的检测和将测量信号传送至控制器，是设计过程控制系统中的重要第 8 页（共 47 页）一环。

执行器（调节阀）作用：在过程控制中，执行器(亦称执行机构)大多采用阀的形式，控制各种气体或液体的流量与流速，是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。

控制器（调节器）作用：将给定信号与过程被控量的检测信号进行综合运算，控制执行器的动作，以保证被控量的稳定或按一定规律变化。

在过程控制中，控制器常称为调节器(控制常称为调节)。

在采用计算机控制时，控制是由计算机的数字运算来实现的。

在过程控制发展史中，控制器(控制规律)的发展起了决定性作用，并由此来划分过程控制的各个阶段。

可见控制器的选型与控制规律的确定是系统设计中最重要的环节，必须充分重视。

5、答案第 9 页（共 47 页）根据τ0/T0比值和过程特性来选择控制器的控制规律：根据τ0/T0比值来选择控制器的控制规律1）当τ0/T0<0.2时，选用比例或比例积分控制规律；2）当0.2<τ0/T0<1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；3）当τ0/T0>1.0时，采用单回路控制系统往往已不能满足工艺要求，应采用复杂控制方案。

根据过程特性来选择控制器的控制规律：1）比例控制规律(P)：适用控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。

2）比例积分控制规律(PI)：适用控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。

3）比例微分控制规律(PD)：具有超前作用，对容量滞后过程可改善系统的动态性能指标。

第 10 页（共 47 页）4）比例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。

它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。

6、答案凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。

常用的比值控制方案1）单闭环比值控制：从动量Q2是一个闭环随动控制系统，主动量Q1却是开环的。

Q2跟随Q1的变化而改变。

该控制方案的优点是能确保Q2／Q1＝K不变。

同时方案结构较简单，因而在工业生产过程自动化中得到广泛应用。

但该方案中Q1不受控制、易受干扰。

2）双闭环比值控制：它是由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成。

主动量控制回路能克服主动量扰动，实现其定值控制。

从动量控制回路能克服作用于从动量回路中的扰动，实现随动控制。

当扰动消除后，主、从动量都回复到原设定值上，其比值不变。

双闭环比值控制能实现主动量的抗扰动、定值控制，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳，这样，系统总负荷也将是稳定的。

双闭环比值控制的另一优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制器的给定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。

不过双闭环比值控制方案所用设备较多、投资较高，而且投运比较麻烦。

2）变比值控制单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定值控制，在系统运行过程中其比值系数希望(并设定)是不变的。

在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个参数的需要而变化。

为了满足上述生产工艺要求，开发了采用除法器构成的变比值控制。

这实际上是一个以某种质量指标y1(常称为第三参数或主参数)为主变量，而以两个流量比为副变量的串级控制系统。

当Q1、Q2出现扰动时，通过比值控制回路，保证比值一定，从而不影响或大大减小扰动对产品质量的影响。

7、答案8、答案120120()()()11H s R KW sQ s R Cs T s===++式中T0——液位过程的时间常数，T0＝R2C；)W c(s)：调节器（TC）；W v(s)：调节阀（控制燃料）；W0(s)：加热炉过程；W m(s):温度测量变送(TT)；F (s)：扰动量；Y(s)：热物料温度。

2）调节阀选气开形式（安全考虑）3）K v：+；K0：+；K m：+ K c：+ ，反温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。

(1)燃料压力、热值变化f2和烟筒抽力变化f3——二次扰动或副回路扰动扰动f2和f3先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。

如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值上来。

(2)被加热物料的流量和初温变化f1——一次扰动或主回路扰动扰动f1使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服人f1对炉出口温度的影响。

由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时要小。

(3)一次扰动和二次扰动同时存在假设加热炉串级系统中调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。

如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值上。

如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高)，另一个减小(燃料量减少，即炉膛温度降低)，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。

2)串级控制系统的特点串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环——双闭环或称为双环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，其系统特点与分析方法亦基本相同。

串级控制系统，就其主回路(外环)来看是一个定值控制系统，而副回路(内环)则为一个随动系统。

以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。

与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器)，但控制效果却有显著的提高。