控制工程习题集2

1. 画出图示系统的方框图：

加热剂 TC TT 原料 气开 FC FT (题1图) 2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？

3. 试确定习题1中控制器的正反作用。若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要

4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述KP、Kf、τp、τ控制系统质量的影响。

f

对

KPeτPS5. 已知广义对象的传递函数为，若P的比值一定时，TP大小对控制质量有什么影响？为

TP(TPS1)什么？

6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。 7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以

加热剂 说明。

8. 对图示控制系统采用线性控制阀。当负荷G增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G减少时，系统响应震荡加剧，试分析其原因，并设法解决之。

9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？

（题8图） 10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G1C1(θ0-θi)=G2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。

（1）主要扰动为θi时，选择控制阀的流量特性。

TT TC 蒸汽 G1 C1 θi θO TC TT TC G G2 （2）主要扰动为G1时，选择控制阀的流量特性。 （3）设定值变化时，选择控制阀的流量特性。 11. 一个单比例简单控制系统，增加积分作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例

1

题10图 度δ要增加，为什么？

12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。

13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？

14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=KPτP/TP×100%,即δ∝KP，δ∝τP/TP,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44KPτP/TP×100%，即比例度增加，为什么？

15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK(临界比例度)，为什么？ 16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为时，应注意什么？

KP，进行控制器参数整定

(TVS1)(TPS1)(TWS1)KPeτPS17. 已知广义对象的传递函数为，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，KC=KCK，临界周

(TPS1)期为TK。问：

(1)TK/τ

P

在什么数值范围内(即上、下界)，τP/TP增加时，这一比值是上升还是下降？

(2)KCK在什么数值范围内(即上、下界)，τP/TP增加时，KCK是上升还是下降？

18. 一个过程控制系统的对象有较大的容量滞后，而另一系统由于测量点位置造成纯滞后。若对两个系统均采用微分控制，试问效果如何？

19. 某一温度控制系统，采用4:1衰减曲线法进行整定，测得系统的衰减比例度 δs=25%，衰减振荡周期Ts=10min，当控制器采用P和PI控制作用时，试求其整定参数值。

20. 有一个过程控制系统(采用DDZ-Ⅲ型仪表)，当广义对象的输入电流（即控制器的输出电流）为14mA时，其被控温度的测量值为70℃。当输入电流突然从14mA增至15mA，并待被控温度达到稳定时，其测量值为74℃。设测温仪表的量程为50-100℃。同时由实验测得广义对象的时间常数TP=3min，滞后时间τP=1.2min，试求衰减比为4:1时PI控制器的整定参数值。

21. 某一个过程控制系统，利用临界比例度法进行控制器的参数整定。当比例度为12%时，系统出现等幅振荡，其临界振荡周期为180s，试求采用PID控制器时的整定参数值。 22. 已知控制系统方块图如下： 求：(1)X作单位跃阶变化时，随动控制系统的余差。 (2)F作单位跃阶变化时，定值控制系统的余差。

2

F KF TPS1R KC KV KP TPS1Y KMTMS1（题22图）

二、复杂控制系统

1. 串级控制系统有哪些主要特点？为什么说串级控制系统能迅速克服进入副回路的扰动？ 2. 串级控制系统中的副被控变量如何选择？

3. 串级控制系统中的主、副控制器的正、反作用如何选择？它们与阀门的开关形式有无关系？ 4. 如图串级控制系统。该系统在扰动F1和F2作用下，要求输出Y无余差。问主、副控制器是否应全部采用具有积分作用的控制器，为什么？(设过程均具有自衡特性)

F2 GF2 R F1 GF1 Y GC1 GC2 GP2 GP1 （题4图）

5. 在一个串级控制系统中，原来采用Ф20的气开阀。后来因负荷增加，改用Ф25的气关阀。问：主、副控制器的正、反作用需要改变吗？为什么？如果需要，如何改变？主、副控制器的比例度和积分时间是否需要改变？

6. 在一个串级控制系统中，主被控变量是温度，原用0-200℃温度变送器，后改用80-200℃温度变送器。问：主、副控制器的比例度和积分时间是否需要改变？如果需要，如何改变？

7. 有附图所示反应器，反应器温度是用冷却水控制的。

(1)如果主要扰动是冷却水阀前压力有波动，应组成怎样的串级控制系统回路？画出控制方案。

(2)画出采用串级控制系统时的流程图。并设控制阀是气开式，那么，两个控制器分别应选正作用还是反作用，为什么？

(3)如果控制阀为气关式，两个控制器的正反作用是否需要改变？ 8. 当串级控制系统采用流量控制回路时，如果用孔板作为测量元件，且不采用开方器，有时会出现负荷小时反而不稳定的现象，为什么？为了避免这种情况，改变阀的流量特性行不行，为什么？如果不行，用什么办法可以解决？

9. 在串级控制系统中，当主、副控制器都有积分作用时，在主控

3

FT TT TC2 进料 TT 冷却水 出料 （题7图 ） 测量 TC1 积分外反馈 测量 GP2 GP1 （题9图） 制器达到饱和之后，副控制器也将积分饱和，情况更严重。采用如图方案，试说明为什么能防止积分饱和，并写出主控制器控制规律式来说明。这样的系统能使主被控变量没有余差吗？

10. 简单均匀控制系统与简单控制系统有何异同点？如何识别简单均匀控制系统？ 11. 简述简单均匀、双冲量均匀、串级均匀的应用场合。串级均匀与串级控制系统有何异同点？

12. 画出图示双冲量均匀系统的方框图，若控制器采用比例积分作用，在扰动作用后，输出(液位)是否有余差？

13. 试比较比值，双闭环比值和串级比值控制系统的特点，并画出各自的方块图。

14. 在比值控制系统中，用相乘方案较之相除方案有什么优点？

15. 在比值控制系统中，流体F1的流量是不可调的，仪表量程为0~50M/h。流体F2的流量是可调的，仪表量程为0~80M/h。现决定采用除法器(I0=10×I1/I2)组成单闭环比值控制系统，画出控制方案，并确定比值系数。

16. 甲烷转化反应中，为了保证甲烷的转化率，就必须保持天然气、蒸汽和空气之间成一定比值（1：3：1.4）且当蒸汽和天然气的比值低于2.9，空气和天然气的比值高于1.5时报警。设计如图所示的控制及报警系统。由电动III型比值器构成比值控制系统，用差压法测流量，未经开方运算。蒸汽流量的最大值GSMAX=31100M/h；天然气流量的最大值GNMAX=11000M/h；空气流量的最大值GAMAX=14000M/h。试求比值器的比值系数K1和K2，以及高限信号和低限信号器的设定值。

17. 工艺要求F1/F2=1/1.2，F1的流量是不可控的，仪表量程为0~36000NM/h。F2的流量是可控的，仪表量程为0~2400NM/h。采用气动乘法器（P03

3

3

3

3

3

3

LT ∑ FT FC （题12图）

K1 ÷ FT HS HA F2 天然气 FC FC FT F1 水蒸气 K2 LS ÷ F3 空气 转化炉 FT LA FC （题16图） (PA0.02)(PB0.02)0.02）0.08F1 FT 组成单闭环比值控制系统。画出控制方案，并确定比值系数。

18. 如图所示比值控制系统中，采用除法确定比值，并用孔板测量流量。问：该控制系统的非线性特性来自何处，对控制质量有什么影响，用什么办法可以克服？

19. 什么是前馈控制？它有何特点？为什么一般要与反馈控制相结合？ 20. 前馈控制有几种结构形式？前馈控制主要应用于什么场合？

（题18图） FT F2 ÷ RC 21. 对图示的前馈——串级控制系统，试确定前馈补偿装置的传递函数Gd(S)。

4

F Gd R 2eS (S1)(2S1)2 原料 出口 TT GC1 1 3S1eS 3S1Y 燃料油 雾化蒸气 （题22图） （题21图）

22. 图示加热炉的控制要求为出口温度恒定，燃烧良好。

FT 液化气 （热值高） 进料 出料 (1)主要扰动为原料流量(不可控)，试设计合理的控制方案。画出方框图，确定控制器的正反作用。

(2)主要扰动燃料油阀前压力，试设计合理的控制方案。

FT × AC AT 热值 FC FT TT TC GF FC FT Σ 23. 分析图示控制系统的作用。 24. 图示反应器的温度用冷水和热水控制。设计分程控制系统，并确定控制器的正反作用。

25. 在一个用燃料气的加热炉控制方案中，为了防止燃料气控制阀后压力过高，准备引入选择性控制回路。 (1)设计它的原理流程图，并简要说明。 (2)说明需要添置的仪器设备。 (3)提出需要采取的防积分饱和措施。 26. 工艺要求物料A、B、C(其中A为主物料)，在任何情况下(指任一物料供应不足时)，保持一定比值。试设计满足上述工艺要求的控制系统。

27. 某石油化工厂利用塔釜釜液冷却裂解气，如图所示。为了整个系统的平稳操作，必须使塔釜流量保持恒定。当裂解气温度太低时，

燃料气 气开 PT PC TT 炼厂气（热值低、变化大） （题23图） TT 热水 冷水 （题24图 ） 裂解气 TC 气开 （题27图） 将产生烃水化合物堵塞管道，造成事故。因此

（题25图） 5

裂解气温度低于某一值时，就改用温度控制系统来控制塔釜流量。

(1)试设计一个自动选择性控制系统来实现上述要求。

(2)当两个控制器都具有积分作用时，画出防止积分饱和的方法。

(3)试问可否用限幅的办法来防止积分饱和，为什么？

28. 如图所示为保证塔顶成分一定的控制系统。若在产品不合格的情况下，关闭V2使塔全回流。试确定控制阀是气开还是气关，以及确定控制器的正反作用，并简要说明动作原理。

（题28图）

V1 V2 AC1 低限给定 AT 正常给定 AC2 LT LC LS 产品 1eTSeS29. 已知某采样控制系统方框图如图所示，其中H，G采样周期T=0.2，试设计一

SS1最小差拍控制算法的Gc(Z)。

30. 图为一复合控制系统，画出

系统（双输入单输出）框图，并求出闭环系统的传递函数矩阵（已知u1→T的传递函数为GP1，u2→T的传递函数为GP2）。

31. 试分析图示控制系统的作用，并确定TC、EC、Gd的正反作用。控制阀由气开变成气关时，TC、EC、Gd的正反作用又如何变化？为什么？

32. 分别在：①流量控制系统；②以流量为副环的串级控制系统；③用除法器组成的单闭环比值控制

系统中，采用差压法测量流量。这三类控制系统中的非线性关系各来自何处？是否可采用控制阀流量特性加以补偿？为什么？

33. 有哪些系统可能会产生积分饱和？如何防止？ 34. 什么是关联？举例说明。一般用什么来衡量系统之间的关联程度？简述消除关联(耦合)的途径。

35. 已知图示控制系统存在严重关联，试设计解耦控制系统；

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FT AC T GC T H GC (题29图)

TC 冷剂 TT FT FC ∑ G FT 工艺介(题31图)

FC G1 G2 AT （题35图）

画出控制流程图和方框图。

36. 已知图示控制系统，画出该控制系统的方框图，并说明D12和D21的作用。

∑ 物料1 物料2 1F1237.请解释简易解耦不能由：或

1F22F121构成。 F22138. 如图所示控制系统中两个回路是否存在着关联？若存在着关联，问：该系统能否实施？其调节质量如何？简要说明原因。

39. 上图为二个支管合并到一个总管的混合系统。设m1、m2是流体的质量流量，它们的成分是x1、

V1 V2 LC LT LT TC TT LC ∑ D12 D21 （题36图）

AC TT m1 x1 FC FT AT TC m2 x2 (题39图) （题38图）

x2。试推导出系统的各项相对增益，把结果用x表示出来。

40. 已知控制系统方块图如下： 求：(1)若GC1KC1,GC2KC2(11)，在干扰作用下系统是否有余差？ TiS

(2)若GC1KC1(11),GC2KC2，在干扰作用下系统是否有余差? TiSF K2 T2S1R GC1 GC2 K2 T2S1K2 T2S1Y （题40图）

三、过程动态数学模型及单元操作系统控制

1. 求取动态数学模型有哪些途径？动态数学模型有几类？

2. 图示热交换器中，两侧流体温度均一。流体1和2的出口温度是它们的主体温度。假设间壁热管和热损失忽略不计，设传热面积为A，传热系数为U，流体比热为C1和C2，质量流量为G1和G2，入口温度为θ

1i

和θ

2i

，容器内质量分别为M1和M2，求Δθ

2i

→Δθ

7

1O

的传递函数θ

1O

(S)/θ

2i

(S)。

3. 试简述用相关函数法求取过程传递函数的方法。

4. 有一温度对象，采用脉冲响应法测试，脉冲宽度10min，幅值为2℃，试验结果数据如下表。试把脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线，并用切线法求取该对象的传递函数。 t(min) ℃ t(min) ℃ 1 3 4 3.7 60 2.8 5 9 70 1.1 8 19 80 0.5 10 26.4 90 0 15 36 16.5 20 G1 C1 θ1i G1 C1 θM2 C2 θ2O 1O M1 C1 θG2 C2 θ（题2图） 25 30 21 2i 1O 0.46 1.7 40 50 10.4 5.1 37.5 33.5 27.2 5. 试述离心泵的三种控制方案，并进行比较。 6. (1)离心式压缩机为什么常设置防喘震控制系统？ (2)防喘震控制系统有哪些类型？分别画出它们的原理图。

7. 某裂解气压缩机的控制系统如图所示。在正常工况下，控制阀V1关闭，由PC控制器工作，使吸入罐保证具有一定压力。

(1)说明FC的控制目的。

(2)决定控制器正反作用和选择器形式(高或低选)。

(3) 画出两控制阀开度变化示意图。(已知阀位开度在100%全开和某一开度之间变化。)

PT 吸 入 罐 FT 一 段 FC 气 开 蒸汽 PC V1 三段 冷 却 器 贮 气 罐 选择器 （题7图） 8. 试述传热设备的四种控制方案，并举例说明。 9. 列写图示逆流套管式换热器的动态方程。设管子热容及热损失忽略不计，传热系数为K，传热面积为A，内外流体的质量分别为M1、M2，流体1的重量流量F1，入口温度T1i，比热C1，出口温度T1O；流体2的重量流量F2，入口温度T2i，比热C2，出口温度T2O。

8

F2 C2 T2O F1 T C1 F1 C1 T1O F2 T （题9图）

C2 10. 锅炉汽包水位有哪三种控制方案，说明应用场合。

11. 如图示锅炉三冲量调节中，在正常用汽量情况下，使液位稳定在要求高度的条件是什么？如果冲洗等用水连续以每小时2000公斤流出，在蒸汽和上水变送器量程分别为18T/hr，40T/hr，正常用汽量为18T/hr时，则电动III型乘法器的IB应为多少？

12.. 锅炉燃烧系统中被控变量和操纵变量有几对？ 13. 对板式二元精馏塔上任一塔板： (1)列出物料及其浓度的动态方程式。 (2)列出热量动态方程式。

14. 试述下图所示锅炉控制系统中各个控制回路的作用。

蒸汽 PT FT PC F H 载热体 LT LC ∑ FS T1 CS F FO C FC 空气 FT K FC2 给水 FT T2

冲洗水 上水 蒸汽 S IB ∑ × （题11图） LS 汽包 HS 燃料 FT FC1 ddt （题20图）

（题14图） 15. 精馏塔主要扰动因素有哪几个？被控变量和操纵变量有哪几对？ 16. 试述精馏塔产品成分——被控变量(间接指标)的选择，并作简要说明。 17. 精馏塔中的压力控制方案有几类？

18.什么场合需采用精馏塔内回流控制？画出内回流控制流程图。

19. 什么叫精馏塔的浮动塔压控制？画出控制流程图，说明其目的和原理。 20. 试设计一个热焓控制系统(载热体进换热器之前和之后均为液相)。 21. 试列写出管式反应器的物料衡算式。 22. 试列出管式反应器的热量衡算式。

23. 为什么说强烈放热反应有可能存在不稳定性，如何防止？

24. 什么是化学反应速度？影响化学反应速度的因素有哪几个？简要说明。

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