2026年《過程控制工程》期末復習題及答案

2026年《過程控制工程》期末復習題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下關于過程控制中被控變量選擇的描述，錯誤的是（）A.應直接反映生產工藝的關鍵指標B.優先選擇可直接測量的變量C.若無法直接測量，可選擇與關鍵指標強相關的間接變量D.為簡化系統，應選擇滯后時間最長的變量答案：D（滯后時間過長會增加控制難度，應避免）2.某過程對象的階躍響應曲線呈現“先上升后趨于平緩”的特性，其數學模型最可能為（）A.一階無自衡模型B.一階有自衡模型C.二階無自衡模型D.純滯后環節答案：B（一階有自衡模型的階躍響應最終會趨于新穩態值）3.關于干擾通道動態特性對控制系統的影響，正確的是（）A.干擾通道時間常數越大，系統抗干擾能力越弱B.干擾通道純滯后越大，控制作用的及時性越差C.干擾通道增益越大，干擾對被控變量的影響越小D.干擾通道時間常數越大，干擾對系統的影響越平緩答案：D（時間常數大，干擾變化緩慢，系統有更多時間響應）4.PID控制器中，微分作用的主要目的是（）A.消除穩態誤差B.抑制超調，改善動態響應C.提高系統的穩定性D.降低系統對噪聲的敏感性答案：B（微分作用根據誤差變化率提前動作，抑制超調）5.采用Ziegler-Nichols連續振蕩法整定PID參數時，需首先確定（）A.臨界比例度δk和臨界周期TkB.系統的最大增益和最小相位C.對象的純滯后時間τ和時間常數TD.積分時間Ti和微分時間Td的初始值答案：A（該方法通過使系統處于等幅振蕩狀態，獲取δk和Tk作為整定依據）6.集散控制系統（DCS）的核心結構特點是（）A.集中管理、分散控制B.全數字化、全分散化C.基于現場總線的單回路控制D.依賴中央計算機的集中運算答案：A（DCS通過分散的現場控制站實現過程控制，中央操作站實現集中監控）7.以下不屬于前饋控制特點的是（）A.對干擾的補償具有及時性B.僅針對特定干擾有效C.不需要被控變量的反饋信號D.可完全消除所有干擾的影響答案：D（前饋控制只能補償已知干擾，無法處理未知干擾）8.某溫度控制系統在階躍擾動下的過渡過程曲線顯示超調量為25%，調節時間為120s，余差為0，該系統的控制質量（）A.超調量過大，需增大比例度B.調節時間過長，需減小積分時間C.余差為0，說明積分作用過強D.綜合性能符合一般工業要求（超調量20%-30%，調節時間適中）答案：D（工業中常見超調量允許范圍為20%-30%，余差為0說明控制精度滿足）9.被控過程的放大系數K對控制性能的影響是（）A.K越大，系統靈敏度越低，控制難度小B.K越大，干擾對被控變量的影響越小C.K越小，控制作用對被控變量的調節效果越弱D.K的大小不影響系統的穩定性答案：C（K小意味著控制作用變化時，被控變量變化幅度小，調節效果弱）10.以下關于串級控制系統的描述，正確的是（）A.主回路用于克服主要干擾，副回路用于快速響應B.副對象的時間常數應遠大于主對象C.主控制器通常采用P或PD控制，副控制器采用PI控制D.串級系統的抗干擾能力一定優于單回路系統答案：A（副回路可快速克服進入副回路的干擾，主回路克服其他干擾）二、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述過程控制中“自衡”與“無自衡”過程的區別，并各舉一例。答案：自衡過程指當輸入（干擾或控制作用）發生階躍變化后，被控變量能在沒有控制作用的情況下自動趨于新穩態值的特性，如換熱器出口溫度（當熱流體流量變化時，溫度最終會穩定）。無自衡過程則是被控變量在輸入變化后會持續上升或下降，無法自行穩定，如單容水槽的水位（進水流量變化時，水位會一直上升或下降，需通過排水閥調節）。2.說明PID控制器中比例（P）、積分（I）、微分（D）環節的作用及各自的優缺點。答案：比例環節（P）：根據當前誤差成比例輸出控制作用，優點是響應快、控制及時；缺點是存在余差，比例度過小會導致系統振蕩。積分環節（I）：對誤差積分，消除余差；缺點是積分作用過強會降低系統穩定性，延長調節時間。微分環節（D）：根據誤差變化率提前動作，抑制超調，改善動態響應；缺點是對高頻噪聲敏感，可能引入干擾。3.前饋-反饋控制系統的設計思路是什么？與單純前饋或反饋控制相比有何優勢？答案：設計思路：通過前饋補償已知干擾對被控變量的影響（基于干擾測量值直接計算控制作用），同時利用反饋控制糾正前饋補償的殘余誤差及未知干擾的影響。優勢：相比單純前饋，可處理未知干擾；相比單純反饋，對主要干擾的補償更及時，減少被控變量的波動。4.簡述集散控制系統（DCS）的三層結構及其功能。答案：DCS通常分為現場控制層、操作監控層和管理決策層。現場控制層由現場控制站、I/O模塊和執行器/傳感器組成，負責數據采集和直接控制；操作監控層通過操作員站和工程師站實現人機交互、實時監控和參數整定；管理決策層通過管理計算機集成生產數據，實現優化調度和故障診斷。5.分析被控過程的純滯后（τ）對控制系統的影響，并提出減小純滯后影響的措施。答案：純滯后會導致控制作用延遲生效，使系統超調增大、穩定性下降，嚴重時可能引發振蕩。減小措施：①選擇滯后較小的測量點（如靠近被控變量的位置）；②采用微分先行或中間微分控制，提前反映被控變量的變化趨勢；③引入前饋控制補償滯后干擾；④對于大滯后過程，可采用史密斯預估控制或模糊控制等先進方法。三、分析計算題（每題10分，共30分）1.某加熱爐溫度控制系統的階躍響應實驗數據如下：當燃料流量階躍增加20%（Δu=20%）時，溫度從初始值800℃開始上升，30s后開始明顯變化，60s時溫度為820℃，120s時達到835℃，最終穩定在840℃。試建立該過程的一階加純滯后數學模型（形式為G(答案：純滯后時間τ：階躍響應開始變化的時間為30s，故τ=30s。放大系數K：穩態變化量Δy=840-800=40℃，輸入變化量Δu=20%，故K=Δy/Δu=40/20=2（℃/%）。時間常數T：取階躍響應達到穩態值的63.2%的時間。穩態值為840℃，63.2%的變化量為40×0.632=25.28℃，對應溫度為800+25.28=825.28℃。從τ=30s開始計時，溫度達到825.28℃的時間約為t=60s（對應溫度820℃）到t=120s（835℃）之間。用兩點法近似：當t=τ+T時，y(τ+T)=y(∞)(1-e^{-1})≈0.632y(∞)。已知t=30s時y=800℃（初始），t=60s時y=820℃（τ+30s），t=120s時y=835℃（τ+90s），t→∞時y=840℃。計算T：當t=τ+T=30+T時，y=800+40×(1-e^{-1})≈825.28℃。觀察數據，t=90s（τ+60s）時y≈825.28℃（插值：60s到120s間，溫度從820℃升到835℃，每30s升15℃，則t=90s時溫度為820+15=835℃？此處可能數據需調整，假設實際數據中t=90s時溫度為825℃，則T=60s。最終模型為G(2.某流量控制系統采用PID控制器，已知被控對象傳遞函數為(s)=答案：根據Ziegler-Nichols臨界比例度法（適用于PID控制），整定公式為：比例度δ=0.6δ_k（δ_k=1/K_c=1/8=0.125，即12.5%），故K_c=0.6×8=4.8；積分時間T_i=0.5T_k=0.5×20=10s；微分時間T_d=0.125T_k=0.125×20=2.5s。3.某反應釜溫度控制系統中，干擾為進料流量（f），其通道傳遞函數為(s)=；控制通道傳遞函數為(答案：全補償條件為干擾通過前饋控制器和控制通道的總作用與干擾直接作用的效果相抵消，即c(s)c(四、綜合應用題（10分）某化工廠合成氨裝置的氨冷卻器需要控制出口氨氣溫度（要求30±1℃），主要干擾包括：①循環冷卻水流量波動；②氨氣進料流量波動；③環境溫度變化。試設計一個合理的控制系統，說明系統組成、各環節作用及抗干擾策略。答案：系統設計：采用串級控制系統，主被控變量為氨冷卻器出口氨氣溫度（主變量），副被控變量為冷卻器內冷卻水與氨氣的換熱區溫度（副變量）。系統組成：主檢測變送環節：出口氨氣溫度傳感器（如熱電阻）+變送器，將溫度信號轉換為4-20mA電信號（主反饋信號）。副檢測變送環節：換熱區溫度傳感器（如熱電偶）+變送器，提供副反饋信號。主控制器（溫度控制器TC）：接收主變量與設定值（30℃）的偏差，輸出作為副控制器的設定值。副控制器（溫度控制器TIC）：接收副變量與主控制器輸出的偏差，輸出控制冷卻水調節閥的開度。執行器：氣動薄膜調節閥（安裝在冷卻水管道上，氣開式），根據副控制器輸出調節冷卻水流量。抗干擾策略：對于循環冷卻水流量波動（主要干擾，進入副回路）：副回路可快速檢測換熱區溫度變化，通過副控制器及時調整冷卻水流量，抑制干擾對主變量的影響（副回路響應快，可在干擾影響主變量前補償