2025年注冊(cè)化工工程師考試真題匯編試卷化工過(guò)程控制與自動(dòng)化專項(xiàng)訓(xùn)練考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、已知某溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=10/(s+1)(s+2)，試求該系統(tǒng)的阻尼比ζ和自然頻率ωn。若要求系統(tǒng)的超調(diào)量σ%不超過(guò)5%，請(qǐng)確定采用比例微分（PD）控制器時(shí)的比例系數(shù)Kp和微分時(shí)間常數(shù)Td應(yīng)滿足的關(guān)系式（無(wú)需具體計(jì)算數(shù)值）。二、某精餾塔塔頂壓力通過(guò)一個(gè)量程為0-1MPa、精度等級(jí)為0.5級(jí)的壓力變送器測(cè)量，信號(hào)傳輸采用4-20mA模擬電流信號(hào)。當(dāng)塔頂實(shí)際壓力為0.75MPa時(shí)，該變送器可能輸出的實(shí)際電流范圍是多少？若該電流信號(hào)進(jìn)入一臺(tái)精度為±0.1%的DCS模塊，計(jì)算該DCS模塊接收到的壓力值可能存在的最大相對(duì)誤差。三、在一個(gè)液位控制系統(tǒng)中，使用的是容抗式液位傳感器，其傳遞函數(shù)可近似表示為G_sensor(s)=-1/(10s+1)。系統(tǒng)采用PID控制器，控制器輸出直接控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。若在某一時(shí)刻，由于液位劇烈波動(dòng)導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)發(fā)生飽和，試分析這對(duì)系統(tǒng)控制性能可能產(chǎn)生哪些不利影響？請(qǐng)簡(jiǎn)述原因。四、已知某反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為溫度控制回路，外環(huán)為物料流量控制回路。內(nèi)環(huán)控制器輸出作為外環(huán)控制器的給定值。試說(shuō)明采用串級(jí)控制相比單回路控制，在克服純滯后、提高系統(tǒng)魯棒性等方面具有哪些優(yōu)勢(shì)？請(qǐng)結(jié)合系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行解釋。五、某化工生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)兩種互不溶解的液體進(jìn)行流量混合?；旌宵c(diǎn)前分別安裝有流量計(jì)和壓力變送器。試問(wèn)在設(shè)計(jì)和選用這些檢測(cè)儀表時(shí)，需要重點(diǎn)考慮哪些因素？請(qǐng)分別說(shuō)明流量計(jì)和壓力變送器的選型依據(jù)。六、簡(jiǎn)述什么是控制系統(tǒng)的“積分飽和”現(xiàn)象。在DCS系統(tǒng)中，通常采用何種方法來(lái)克服積分飽和問(wèn)題？請(qǐng)簡(jiǎn)述該方法的基本原理。七、某工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)化工過(guò)程的壓力控制方案，選用了純比例控制器。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)響應(yīng)非常緩慢，且存在持續(xù)的穩(wěn)態(tài)誤差。請(qǐng)分析造成這種現(xiàn)象的可能原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。八、解釋什么是“前饋控制”。在哪些類型的化工過(guò)程中，前饋控制通常比反饋控制更有效？請(qǐng)結(jié)合具體例子說(shuō)明其作用原理。九、已知一個(gè)液位控制系統(tǒng)，其被控對(duì)象傳遞函數(shù)為G(s)=1/(5s+1)，調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)為G_valve(s)=1。現(xiàn)采用比例控制器，其比例系數(shù)Kp=2。試求該閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G_cl(s)=Y(s)/R(s)。當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)R(s)=1/s時(shí)，定性分析該系統(tǒng)的輸出響應(yīng)特性（如穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）。十、在化工生產(chǎn)中，安全儀表系統(tǒng)（SIS）扮演著重要角色。請(qǐng)簡(jiǎn)述SIS與過(guò)程控制系統(tǒng)的區(qū)別，并說(shuō)明選擇安全儀表功能（SIF）時(shí)，確定其安全完整性等級(jí)（SIL）需要考慮哪些因素。試卷答案一、解析思路：首先將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二階形式G(s)=K/(s2+2ζωns+ωn2)。通過(guò)比較系數(shù)，確定ωn2=10和2ζωn=3。然后求解ωn和ζ。根據(jù)超調(diào)量要求σ%≤5%，利用超調(diào)量公式σ%=exp(-ζπ/√(1-ζ2))，反推ζ的取值范圍。最后，根據(jù)PD控制器的傳遞函數(shù)Gc(s)=Kp(1+Td*s)，分析在保證系統(tǒng)穩(wěn)定（即滿足超調(diào)量要求）的前提下，Kp和Td之間的關(guān)系，通常與ζ和ωn相關(guān)。答案：ωn=√10rad/s,ζ=3/(2√10)。Kp和Td需滿足關(guān)系式以保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定并滿足超調(diào)量要求，具體關(guān)系取決于閉環(huán)系統(tǒng)的特征根分布。二、解析思路：首先計(jì)算變送器的量程范圍對(duì)應(yīng)的電流值，0-1MPa對(duì)應(yīng)4-20mA。然后計(jì)算0.75MPa對(duì)應(yīng)的電流值，使用線性關(guān)系計(jì)算：(0.75-0)/(1-0)=I/(20-4)，得到I=(0.75*16)/1=12mA?？紤]變送器精度等級(jí)為0.5%，計(jì)算電流測(cè)量范圍的最大誤差，最大誤差=20mA*0.5%=0.1mA。因此，實(shí)際電流可能范圍為[12-0.1,12+0.1]=[11.9mA,12.1mA]。接著計(jì)算DCS模塊的相對(duì)誤差，壓力實(shí)際范圍為(0.75-0.75*0.5%)=0.73125MPa至(0.75+0.75*0.5%)=0.76875MPa。DCS最大相對(duì)誤差=最大絕對(duì)誤差/壓力實(shí)際值范圍中點(diǎn)≈0.1mA/((11.9+12.1)/2)*(1MPa/20mA)≈0.1/12*50=0.4167%。考慮DCS本身精度，總相對(duì)誤差需按組合誤差計(jì)算，此處簡(jiǎn)化估算為系統(tǒng)可能存在的最大相對(duì)誤差約為變送器誤差與DCS誤差的組合影響，以變送器誤差為主。答案：11.9mA至12.1mA；系統(tǒng)可能存在的最大相對(duì)誤差約為0.417%。三、解析思路：分析容抗式液位傳感器工作原理，理解其輸出信號(hào)與液位變化的關(guān)系。當(dāng)傳感器輸出飽和時(shí)，意味著傳感器內(nèi)部電路或輸出信號(hào)超出其線性工作范圍。分析飽和對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)的影響：控制器輸出可能受限，無(wú)法按實(shí)際液位偏差進(jìn)行充分調(diào)整；調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可能不再準(zhǔn)確反映控制信號(hào)，導(dǎo)致控制作用減弱或畸變；系統(tǒng)可能進(jìn)入非線性控制狀態(tài)，導(dǎo)致響應(yīng)緩慢、超調(diào)增大或穩(wěn)態(tài)誤差。根本原因是傳感器的測(cè)量信息失真，無(wú)法準(zhǔn)確反映被控變量的真實(shí)狀態(tài)。答案：可能導(dǎo)致控制器輸出飽和或受限，調(diào)節(jié)閥響應(yīng)不準(zhǔn)確，系統(tǒng)控制作用減弱，出現(xiàn)非線性控制現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致響應(yīng)變慢、超調(diào)增大或穩(wěn)態(tài)誤差。原因是傳感器輸出失真，無(wú)法準(zhǔn)確反映液位變化。四、解析思路：串級(jí)控制的核心是內(nèi)環(huán)。分析內(nèi)環(huán)：內(nèi)環(huán)時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)快，可以快速克服進(jìn)入對(duì)象的純滯后或?qū)ο髸r(shí)間常數(shù)的變化。內(nèi)環(huán)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，能有效濾除高頻干擾。分析外環(huán)：外環(huán)包圍了內(nèi)環(huán)和對(duì)象，相當(dāng)于一個(gè)帶有濾波作用的遲滯環(huán)節(jié)。外環(huán)可以穩(wěn)定內(nèi)環(huán)的輸出，并根據(jù)長(zhǎng)期偏差調(diào)整給定值。結(jié)合優(yōu)勢(shì)說(shuō)明：克服純滯后效果更好（內(nèi)環(huán)快反應(yīng)補(bǔ)償滯后），抑制干擾能力強(qiáng)（內(nèi)環(huán)濾除干擾），系統(tǒng)魯棒性提高（對(duì)對(duì)象參數(shù)變化不敏感），擴(kuò)大了控制器工作范圍（內(nèi)環(huán)飽和不直接影響外環(huán)）。答案：優(yōu)勢(shì)在于：1)更有效地克服純滯后，因?yàn)閮?nèi)環(huán)響應(yīng)快；2)對(duì)對(duì)象的非線性、時(shí)變性及干擾具有更強(qiáng)的抑制能力，因?yàn)閮?nèi)環(huán)形成快速有效的局部反饋；3)提高了系統(tǒng)的魯棒性，即系統(tǒng)在參數(shù)變化或擾動(dòng)下保持穩(wěn)定工作的能力更強(qiáng)；4)擴(kuò)大了控制器的工作范圍，改善了操作條件。原因是串級(jí)結(jié)構(gòu)形成了兩級(jí)反饋，內(nèi)環(huán)快速反應(yīng)、濾除干擾，外環(huán)穩(wěn)定整體。五、解析思路：流量計(jì)選型需考慮：被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)（腐蝕性、溫度、壓力、粘度、是否滿管流等）、測(cè)量范圍（量程比）、精度要求、安裝條件（直管段長(zhǎng)度）、響應(yīng)速度要求等。例如，腐蝕性介質(zhì)需選耐腐蝕材質(zhì)，大流量小管徑可能需選渦街流量計(jì)或超聲波流量計(jì)，要求高精度可能需選質(zhì)量流量計(jì)。壓力變送器選型需考慮：測(cè)量點(diǎn)的工作壓力和允許壓損、測(cè)量范圍、精度要求、環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)）、輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、安裝位置（是否需要隔離、吹掃）等。例如，高壓場(chǎng)合需選高壓變送器，腐蝕性介質(zhì)需選隔離膜盒或耐腐蝕材質(zhì)，遠(yuǎn)距離傳輸需考慮壓損和信號(hào)類型。答案：流量計(jì)選型需考慮介質(zhì)特性、測(cè)量范圍與精度、安裝條件、響應(yīng)速度等；壓力變送器選型需考慮工作壓力與壓損、測(cè)量范圍與精度、環(huán)境條件、輸出信號(hào)、安裝要求等。六、解析思路：積分飽和是指控制器在長(zhǎng)時(shí)間存在穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，積分項(xiàng)不斷累積，導(dǎo)致控制器輸出長(zhǎng)時(shí)間停留在極限值（最大或最?。?，無(wú)法進(jìn)行有效調(diào)節(jié)的現(xiàn)象?？朔椒ㄖ饕恰胺e分外反饋”或“抗積分飽和算法”。其基本原理是在控制器輸出達(dá)到極限值時(shí)，暫時(shí)禁止或減少積分項(xiàng)的累積。當(dāng)控制器輸出脫離極限值后，再恢復(fù)積分累積。這相當(dāng)于在積分環(huán)節(jié)上并聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)或限幅器，阻止了在輸出飽和期間的“累積”，使得控制器輸出能及時(shí)反向，消除穩(wěn)態(tài)誤差。答案：積分飽和是指控制器因長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差導(dǎo)致積分項(xiàng)累積，輸出長(zhǎng)時(shí)間飽和的現(xiàn)象?？朔椒榉e分外反饋或抗積分飽和算法。原理是在控制器輸出飽和時(shí)，暫時(shí)斷開(kāi)或削弱積分環(huán)節(jié)的反饋（或禁止積分累積），當(dāng)輸出能反向后恢復(fù)積分累積，防止積分過(guò)量。七、解析思路：分析純比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：存在穩(wěn)態(tài)誤差（除非比例系數(shù)Kp=無(wú)窮大，這在實(shí)際中不可能）。系統(tǒng)響應(yīng)速度取決于Kp和對(duì)象時(shí)間常數(shù)。緩慢響應(yīng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)跟不上變化，調(diào)節(jié)不及時(shí)。持續(xù)穩(wěn)態(tài)誤差意味著系統(tǒng)在設(shè)定值附近波動(dòng)或存在永久偏差?？赡茉颍?)Kp值選得過(guò)小，導(dǎo)致控制作用太弱，無(wú)法克服擾動(dòng)或偏差；2)對(duì)象本身包含積分環(huán)節(jié)或純滯后較大，比例控制難以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差；3)存在未知的持續(xù)擾動(dòng)。改進(jìn)措施：1)適當(dāng)增大比例系數(shù)Kp（注意可能影響穩(wěn)定性和超調(diào)）；2)在比例控制基礎(chǔ)上增加積分環(huán)節(jié)（構(gòu)成PI控制器），以消除穩(wěn)態(tài)誤差；3)如果擾動(dòng)頻繁或變化快，考慮增加微分環(huán)節(jié)（構(gòu)成PID控制器），增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼和快速性；4)檢查并消除或補(bǔ)償系統(tǒng)中的純滯后。答案：可能原因：比例系數(shù)Kp太??；對(duì)象本身特性（如含積分環(huán)節(jié)、純滯后大）；存在持續(xù)未消除的擾動(dòng)。改進(jìn)措施：增大Kp（需兼顧穩(wěn)定性）；改為PI控制器（增加積分作用消除穩(wěn)態(tài)誤差）；改為PID控制器（增加微分作用提高快速性和穩(wěn)定性）；檢查并補(bǔ)償純滯后。八、解析思路：前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制，其控制作用不依賴于被控變量的測(cè)量值，而是基于對(duì)干擾信號(hào)的測(cè)量值或?qū)斎胼敵龅念A(yù)測(cè)值來(lái)產(chǎn)生附加的控制作用，目的是直接補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響。它與反饋控制（閉環(huán)）的主要區(qū)別在于：前饋控制是基于模型的、開(kāi)環(huán)的、針對(duì)特定干擾的補(bǔ)償；反饋控制是不依賴模型的、閉環(huán)的、對(duì)最終輸出誤差進(jìn)行修正。前饋控制通常在以下情況下更有效：1)干擾信號(hào)強(qiáng)且變化快，其影響能被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；2)干擾對(duì)被控變量的影響是線性的或近似線性的；3)干擾是主要的擾動(dòng)源，反饋控制難以有效抑制。典型例子：精餾塔塔釜溫度受進(jìn)料熱焓干擾，通過(guò)測(cè)量進(jìn)料流量和溫度，計(jì)算附加蒸汽流量，直接補(bǔ)償進(jìn)料熱焓變化對(duì)塔釜溫度的影響。答案：前饋控制是基于干擾信號(hào)（或輸入/輸出關(guān)系）產(chǎn)生附加控制作用，直接補(bǔ)償干擾影響的開(kāi)環(huán)控制。區(qū)別于反饋控制（閉環(huán)、基于誤差）。在干擾強(qiáng)、變化快、影響線性且為主要擾動(dòng)時(shí)更有效。例如，精餾塔通過(guò)測(cè)量進(jìn)料流量和溫度，計(jì)算附加蒸汽量補(bǔ)償進(jìn)料熱焓干擾。九、解析思路：首先計(jì)算前向通路總傳遞函數(shù)G_f(s)=G_valve(s)*G(s)=1*(1/(5s+1))=1/(5s+1)。然后根據(jù)閉環(huán)控制公式G_cl(s)=G_f(s)/(1+G_f(s)*Gc(s))。將G_f(s)和Gc(s)=Kp代入，得到G_cl(s)=[1/(5s+1)]/[1+(1/(5s+1))*Kp]=[1/(5s+1)]/[(5s+1+Kp)/(5s+1)]=1/(5s+1+Kp)。求單位階躍響應(yīng)R(s)=1/s，系統(tǒng)輸出Y(s)=G_cl(s)*R(s)=[1/(5s+1+Kp)]*(1/s)=1/[(5s+1+Kp)s]。這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)（若Kp≠-1/5）或帶有積分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)（若Kp=-1/5）。分析特性：若Kp使得5s+1+Kp>0，系統(tǒng)穩(wěn)定。時(shí)間常數(shù)τ=1/(5+Kp)。無(wú)超調(diào)。若Kp較大，響應(yīng)快（τ較?。?；若Kp較小或接近-1/5，響應(yīng)慢（τ較大）。若Kp<-1/5，系統(tǒng)不穩(wěn)定，輸出發(fā)散。準(zhǔn)確性取決于Kp，穩(wěn)態(tài)誤差與Kp相關(guān)（若含積分環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差為0）。答案：G_cl(s)=1/(5s+1+Kp)。定性分析：系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于Kp是否使(5+Kp)>0。響應(yīng)特性為指數(shù)形式（若穩(wěn)定），時(shí)間常數(shù)τ=1/(5+Kp)。系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。響應(yīng)速度（快速性）與Kp相關(guān)，Kp越大越快。準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)誤差）與Kp相關(guān)。十、解析思路：SIS與過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）的區(qū)別主要在于：1)目標(biāo)不同：SIS主要目標(biāo)是安全相關(guān)，防止危險(xiǎn)事件發(fā)生，確保人員、設(shè)備和環(huán)境安全；PCS主要目標(biāo)是工藝優(yōu)化和控制產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2)設(shè)計(jì)要求不同：SIS遵循安全完整性等級(jí)（SIL）規(guī)范，要求高可靠性、高可用性，并有安全儀表功能（SIF）的概念；PCS遵循IEC61131等標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重控制性能和效率。3)可用性要求不同：SIS通常要求高可用性（如99.9%或更高），而PCS的可用性要求可能相對(duì)較低。4)維護(hù)策略不同：SIS往往采用在線維護(hù)或