过程控制系统
一、填空题（每空1.5分）（本题33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。

二、名词解释题（每小题5分）（本题15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。

三、简答题（每小题8分）（本题32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KC ，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。

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。

四、分析与计算题（第1小题8分，第2小题12分）（本题20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：
⎪⎭
⎫
⎝⎛=L l f q q v v max m ax
v v q q L
l
（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）
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11012k 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：
[][]2
21221
211111)()()()(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
)()()()(122211222112
2++++⋅=s A R A R A R s A R A R R s Q s H i ………………………………………(2
分)。