过程控制模拟试题要点.docx

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过程控制模拟试题要点

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，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）

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。

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

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。

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

式中T0——液位过程的时间常数，T0＝R2C；

K0——液位过程的放大系数，K0＝R2；

C——液位过程的容量系数，或称过程容量

8、答案

1

）系统框图

Wc（s）：

调节器（TC）；Wv（s）：

调节阀（控制燃料）；W0（s）：

加热炉过程；Wm（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）Kv：

+；K0：

+；Km：

+Kc：

+，反作用调节器

9、答案

1）系统框图

2）加热炉串级控制系统的工作过程：

当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，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。

其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次干扰有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

过程控制模拟试题

（二）

1、过程控制系统有哪些特点？

（5分）

2、什么是试验法建模?

该方法有何特点?

（5分）

3、如何选择调节阀的气开、气关形式？

（5分）

4、被控参数的选择有何重要意义？

选择原则有哪些？

（10分）

5、控制通道时间常数T0对控制系统性能有何影响？

（10分）

6、如何进行比值控制系统的设计与整定？

（10分）

7、试推导双容过程数学模型（输入量为q1，被控量为h2）。

（15分）

8、在某锅炉运行过程中，必须满足汽—水平衡关系，故汽包液位是一个十分重要的指标。

当液位过低时，汽包中的水易被烧干引起生产事故（甚至会产生爆炸危险），故设计下图液位控制系统。

试画出该系统的框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。

（20分）

9、串级控制系统框图如下图（以加热炉为例），简述其工作原理。

主副调节器控制规律如何来选择？

（20分）

过程控制模拟试题

（二）答案

1、答案

1）连续生产过程的自动控制。

2）过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。

3）被控过程是多种多样的、非电量的。

4）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。

5）过程控制方案十分丰富。

6）定值控制是过程控制的一种常用形式。

2、答案

试验法建模是在实际的生产过程（设备）中，根据过程输入、输出的实验数据，即通过

过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。

与机理分析法相比，试验法建模的主要特点是不需要深入了解过程的机理。

但是必须设计一个合理的实验，以获得过程所含的最大信息量，而对此却往往是困难的。

所以，在实际使用时，这两种方法经常是相互补充的。

如先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的大小。

3、答案

调节阀开、关形式的选择主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。

1）考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。

当过程控制系统发生故障（如气源中断、控制（调节）器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。

2）考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。

3）考虑介质的性质。

对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式。

一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。

4、答案

选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意义。

若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制设备，均不能达到预期的控制效果。

对于一个生产过程来说，影响操作的因素是很多的。

但是，并非对所有影响因素都需加

以控制。

所以，必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数（这些参数又是人工控制难以满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，客观上要求进行自动控制的参数）作为被控参数。

1）选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。

2）当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控量。

3）被控参数必须具有足够高的灵敏度。

4）被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。

5、答案

T0的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。

若T0太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降；若T0太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。

所以在系统设计时，要求控制通道时间常数T0适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。

6、答案

1）主、从动量的确定

设计比值控制系统时，需要先确定主、从动量。

其原则是：

在生产过程中起主导作用或可测但不可控、且较昂贵的物料流量一般为主动量，其余的物料流量以它为准进行配比，为从动量。

2）控制方案的选择

比值控制有多种控制方案，在具体选用时应分析各种方案的特点，根据不同的工艺情况负荷变化、扰动性质、控制要求等进行合理选择。

3）调节器控制规律的确定

比值控制调节器控制规律要根据不同控制方案和控制要求而确定。

4）正确选用流量计与变送器

流量测量与变送是实现比值控制的基础，必须正确选用。

5）比值控制方案的实施

实施比值控制方案基本上有相乘方案和相除方案两大类。

在工程上可采用比值器、乘法器和除法器等仪表来完成两个流量的配比问题。

在计算机控制系统中，则可以通过简单的乘、除运算来实现。

6）比值系数的计算

设计比值控制系统时，比值系数计算是一个十分重要的问题

7）比值控制系统的参数整定

比值控制系统调节器参数整定是系统设计和应用中的一个十分重要的问题。

对于定值控制（如双闭环比值控制中的主回路）可按单回路系统进行整定。

对于随动系统（如单闭环比值控制、双闭环的从动回路及变比值的变比值回路），要求从动量能快速、正确跟随主动量变化，不宜过调，以整定在振荡与不振荡的边界为最佳。

式中：

T1——第一只水箱的时间常数，T1=R2C1

T2——第二只水箱的时间常数，T2=R3C2

K0——过程的放大系数，K0=R3

C1、C2——分别为两只水箱的容量系数

7、答案

8、答案

1

）系统框图

Wc（s）：

调节器（LC）；Wv（s）：

调节阀（控制给水）；W0（s）：

汽包过程；Wm（s）:

温度测量变送（LT）；F（s）：

扰动量；Y（s）：

热物料温度。

2）调节阀选气关形式（安全考虑，防干烧）

3）Kv：

-；K0：

+；Km：

+Kc：

-，正作用调节器

9、答案

1）加热炉串级控制系统的工作过程：

当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，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）主副调节器控制规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的出发点。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。

副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了，一般不引入积分控制规律（若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用），也不引入微分控制规律（因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利）。

过程控制模拟试题（三）

1、为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？

（5分）

2、简述研究过程建模的主要目的及其建模方法（5分）

3、工业生产过程中常用的测温方法有哪几种?

它们有何特点？

（5分）

4、如何根据过程控制特性选择控制参数？

（10分）

5、过程控制系统的性能指标有哪些？

（10分）

6、简述过程控制系统控制器的稳定边界法的工程整定方法。

（10分）

7、已知对某焙烧炉的投料量施加了从2.5t/h突变到2.89t/h的阶跃扰动，测得焙烧炉出口炉气的温度变化如下表所示，试求1）画出阶跃响应曲线，2）求温度对象的数学模型（一阶加延时）。

（15分）

时间/s

0

10

20

30

40

50

60

90

温度/℃

797

797

797

799

801

803

805

811

时间/s

120

150

180

240

360

420

540

630

温度/℃

917

823

828

835

847

851

854

855

8、下图为一出口物料温度控制系统（要求物料温度不能太低，防止结晶），试画出该系统的框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。

（20分）

9、某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。

由于釜温控制要求较高，且冷却水温度波动较大，故设置控制系统如下图。

1）试画出其结构框图，说明主变量和副变量是什么。

2）简述其控制过程。

（20分）

过程控制模拟试题（三）答案

1、答案

由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程

多属慢过程。

另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生产过程中，往往采用一些物理量和化学量（如温度、压力、流量、液位、成分、pH等）来表征其生产过程是否正常，因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参量控制。

2、答案

建模目的

1）设计过程控制系统和整定调节器参数：

在过程控制系统的分析、设计和整定时，是以

被控过程的数学模型为依据的，它是极其重要的基础资料。

2）指导设计生产工艺设备：

通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真，可以确定有

关因素对整个被控过程动态特性的影响（例如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温、汽压等动态特性的影响），从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。

3）进行仿真试验研究：

在实现生产过程自动化中，往往需要对一些复杂庞大的设备进

行某些试验研究，例如某单元机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷，当冲击电负荷过大时会造成什么后果。

对于这种破坏性的试验往往不允许在实际设备上进行，而只要根据过程的数学模型，通过计算机进行仿真试验研究，就不需要建立小型的物理模型，从而可以节省时间和经费。

4）培训运行操作人员：

在现代生产过程自动化中，对于一些复杂的生产操作过程（例如

大型电站机组的运行）都应该事先对操作人员进行实际操作培训。

随着计算机仿真技术的发展，先建立这些复杂生产过程的数学模型（不需要建小型物理模型），而后通过仿真使之成为活的模型，在这样的模型上，教练员可以安全、方便、多快好省地对运行操作人员进行培训。

建立过程数学模型的基本方法有机理分析法和试验法两种。

3、答案

测量温度的方法很多，从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两类。

接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。

在测量温度时，测量体与被测介质接触，被测介质与测量体之间进行热交换，最后达到热平衡，此时测量体的温度就是被测介质的温度。

接触式测温的主要特点是：

方法简单、可靠，测量精度高。

但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。

同时测量体可能与被测介质产生化学反应；此外测量体还受到耐高温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。

非接触式测温是通过接收被测介质发出的辐射热来判断温度的。

非接触式测温的主要特点是：

测温上限原则上不受限制；测温速度较快，可以对运动体进行测量。

但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差较大。

4、答案

选择控制参数的一般原则是：

1）控制通道的放大系数K0要适当大一些；时间常数T0要适当小一些