第1章过程控制系统概述习题与思考题

第1章 过程控制系统概述

习题与思考题

1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？

1.2 过程控制的目的有那些？

1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方

法？ 1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，

通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。试画出该温度控制系统的方

框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰

动有哪些？ 1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损

坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对

汽包水位进行严格控制。图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求： 1）画出该控制系统方框图。

2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。 3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。

图1.11 反应器温度控制系统ABTTTC

冷却水汽包

加热室LTLC

V-1蒸汽

图1.12 锅炉汽包水位控制示意图 1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些

指标？ 1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？ 1.8 某反应器工艺规定操作温度为80010℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。 1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。

2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。

800805810845T/℃

2025t/min图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线 1.9 简述过程控制技术的发展。

1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程

控制系统时应注意哪些问题？

第3章 过程执行器

习题与思考题

3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。

3.2 调节阀的结构形式有哪些？

3.3 阀门定位器有何作用？

3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？

3.5 已知阀的最大流量minvq=50hm3，可调范围R=30。

1) 计算其最小流量minvq，并说明minvq是否就是阀的泄露量。

2） 若阀的特性为直线流量特性，问在理想情况下阀的相对行程h/L为0.3及0.9时的

流量值qv。

3） 若阀的特性为等百分比流量特性，问在理想情况下阀的相对行程h/L为0.3及0.9

时的流量qv。

3.6 某台调节阀的流量系数C=100。当阀前后压差为200kPa ，其两种流体密度分别为 1.23cmg和1.83cmg时，问所能通过的最大流量各是多少？

3.7 在实际生产中，如果由于负荷的变动，使原设计的调节阀尺寸不能适应，会有什

么后果？问什么？ 3.8 图3.12为一加热炉原料油出口温度控制系统，试确定系统中调节阀的气开、气关

型试，并说明理由。

原料油TC

燃料油

图3.12 加热炉原料油出口温度控制系统 3.9 图3.13所示为一冷却器，用以冷却经压缩后的裂解气，采用的冷剂为来自脱甲烷

塔的釜液。正常情况下，要求冷剂流量维持恒定，以保证甲烷塔的平稳操作。但是裂解气冷

却后的出口温度不得低于15℃，否则裂解气中所含的水分就会生成水合物而堵塞管道。根据上述要求，试设计一控制系统，并画出控制系统的原理图和方框图，确定调节阀的气开、气关型式，简单说明系统的控制过程。

冷却器裂解气冷却F

ө

图3.13 冷却器控制系统 3.10 试简述变频器的基本工作原理和内部结构。

3.11 试述变频器在取代风机及泵类负载开度控制时的节能原理。

第4章 被控过程

习题与思考题

4.1 什么是对象的动态过程特性？为什么要研究对象的动态特性？

4.2 请列举实例说明什么是过程的自衡能力。 4.3 试分析放大系数K、时间常数T和滞后时间对过程特性的影响。

4.4 为什么说时间常数T是被控变量达到新的稳定值63.2%所需的时间，试推导证明。

4.5 为什么要建立被控对象的数学模型？稳态数学模型和动态数学模型有什么不同？

4.6 建立过程数学模型的方法有哪些？在建模过程中要注意哪些问题？

4.7 试分析如图4.11所示RC电路的动态特性，写出以iu的变化量为输入，0u的变化

量为输出的微分方程及传递函数表达式（提示：

0uidtC）。

4.8 如图4.12所示液位过程的流入量为1q，流出量为2q、3q，液位H为被控参数，

A为截面积，并设1R、2R和3R均为线性液阻。试求：

1）列写出该过程的微分方程组。

2）画出过程的方框图。

3）求出过程的传递函数sQsHsW10。

iR

Ciu

0u

图 4.11 题4.7 图

R1

R2R3AH1q

2q3q

图4.12 习题4.8图 4.9 如图4.13 所示两个串联在一起的水液储罐1，然后在通过储罐2流出。要求：

1）求出传递函数sQsH

i2。

2）画出串联液体储罐的方框图。

1

21H

1A2A2Hiq

1q2q

图4.13 习题4.9 图 4.10 已知一个对象具有一阶惯性加纯滞后的特性，其时间常数为5，放大系数为10，

纯滞后时间为2 。试写出描述该对象的微分方程和传递函数表达式。

4.11 为了测量某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定0t=0），突然将燃料气量从

2.5t/h增加到3.0t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图4.14所示。设对象为一阶特性，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式（燃料变化量为输入量，温度变化量为

输出量）及其传递函数的表达式。

燃料气量/（t/h）

t/min2.5

3.0

02468t/min120145160温度/℃

图4.14 习题4.11图

（a）燃料气量阶跃给定 （b）出口温度及响应曲线（a）（b）

4.12 某液位的阶跃响应实验测得如下数值：

t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600

h/mm 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 当其阶跃扰动量为△U=20%时，试求： 1） 画出液位过程的阶跃响应曲线。

2） 确定液位过程中的K、T、（设该过程用一阶惯性加纯滞后环节近似描述）。

4.13 试简述频域法测定过程数学模型的基本思路。

什么是最小二乘法估计？试简述其基本原理。 第五章

5.1 试简述PLC的基本结构及其工作过程。 5.2 试简述PLC梯形图绘制的基本原则。

5.3 写出 图5.11对应的Siemens S7系列PLC应用程序。

图5.11 5.4 现有一个16点24V（DC）的开关量输入模块，如何用它来输入无源接点信号和36V（AC）开关量输入信号？ 5.5 某系统有3个通风机，要求利用S7系列PLC对其进行监视和报警。当有2个或两个以

上风机运转时，信号灯持续发亮；当1个风机运转时，信号灯以0.5Hz的频率闪烁；当全部

风机停止运转时，信号灯以2.0Hz的频率闪烁。请设计出该通风机监控系统梯形图，并写出

相应的程序。 5.6 请在 例5.2的基础上接着编写出PLC控制啤酒发酵过程的控制程序。

5.7 试简述PID调节规律的物理意义。

5.8 是分析P、I、D、PI、PD、PID控制规律各自有何特点？其中哪些是有差调节，哪些是

无差调节？ 5.9 说明积分饱和现象，并解释积分分离PID算法对克服积分饱和的作用。 5.10 如果想采用Intel公司MCS-51系列单片机实现数字式PID控制算法。请分析设计思路

及要注意的问题。特别是将会涉及的运算和控制精度、小数处理及量程匹配等问题如何解决。 5.11 为什么要整定PID参数？具体有哪些整定方法？

5.12 请自行设计一个有意义的一阶惯性加纯滞后的过程控制对象，采用PID进行控制，然

后通过Matlab仿真研究整定的参数对系统性能的影响如何? 5.13 列表比较改进PID算法的控制规律及其特点。

5.14 对于一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加：①适当的积分作用；②适当

的微分作用。试问这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差和稳态误差分别有什么影响？ 5.15 试简述选择PID调节器控制规律的基本原则。

5.16 是简述过程控制系统的投运和维护的注意事项。

第六章 先进过程控制策略

6.1 什么是内模控制系统？其结构如何？

6.2 设计内模控制时为何要作因式分解？实际的内模控制器如何避免对模型的过分依赖？ 6.3 模型预测控制有哪些基本特点？试列举几种具有代表性的预测控制系统。 6.4 模糊控制器是由哪几个部分组成的？试述模糊控制系统的设计过程。

6.5 典型的神经网络模型有哪些？有哪些学习方法？

6.6 在工业控制中，有哪些典型的神经网络控制方法？ 6.7 试述专家控制系统的组成及特点，专家控制系统的结构如何？

第七章 串级控制系统

7.1 画出串级控制系统的典型结构框图，什么情况下可以考虑采用串级控制方式？ 7.2 串级控制系统有哪些主要特点？并进行简单的分析说明。

7.3 串级控制系统中，主、副变量如何选择？

7.4 试简述串级控制系统中主、副控制器规律的选择原则。

7.5 怎样防止主控制器积分饱和？其工作原理是什么？

7.6 试简述串级控制系统参数的整定方法。

7.7 考虑如图7.21所示4个串联储罐，水的出口温度4为被控变量，加热量Q是操纵变量，

11和F为扰动。

⑴在设计串级控制时，最合适的副变量应选择在何处？试与选择向前和向后一个储罐的情况相比较进行分析，结果有何不同。

⑵通过工艺图表示出该串级控制系统，并画出相应的控制方块图。

⑶确定控制器的正反作用。

图7.21 习题7.7图 7.8 如图7.22所示两动态过程方块图。

⑴为了改善闭环品质（2F扰动时），哪一个过程应该采用串级控制方式？为什么？