工业自动化控制原理与实现练习题

工业自动化控制原理与实现练习题姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.下列哪个不是工业自动化控制系统的组成元素？

A.控制器

B.传感器

C.执行器

D.数据传输

2.在PLC（可编程逻辑控制器）控制系统中，通常用哪条指令表示比较运算？

A.CMP

B.JNC

C.AND

D.MOV

3.工业自动化控制系统中的模拟量信号和开关量信号的主要区别是什么？

A.信号的频率

B.信号的幅值

C.信号的处理方式

D.信号的物理形式

4.在工业自动化控制中，PID（比例积分微分）控制主要用于？

A.频率控制

B.温度控制

C.压力控制

D.流量控制

5.下列哪种不是现场总线技术的优势？

A.系统的可靠性和安全性高

B.数据传输速率快

C.通信距离远

D.系统安装和维护成本高

答案及解题思路：

1.答案：D.数据传输

解题思路：工业自动化控制系统的组成元素主要包括控制器、传感器和执行器，它们共同构成了闭环控制系统。数据传输虽然是系统的一部分，但并非独立的组成元素。

2.答案：A.CMP

解题思路：在PLC控制系统中，CMP指令用于比较两个数值的大小，这是比较运算的基本指令。其他选项中的JNC（JumpifNotCarry）是跳转指令，AND是逻辑与指令，MOV是数据移动指令。

3.答案：C.信号的处理方式

解题思路：模拟量信号是连续的，需要通过模拟信号处理器进行处理；而开关量信号是离散的，通常需要通过逻辑处理器处理。两者在物理形式上可能都是电信号，但处理方式不同。

4.答案：B.温度控制

解题思路：PID控制是一种广泛应用于工业过程的控制策略，特别是在温度控制、流量控制和压力控制等领域。PID控制器通过调整比例、积分和微分参数来优化控制效果。

5.答案：D.系统安装和维护成本高

解题思路：现场总线技术的一大优势在于降低了系统安装和维护的成本，提高了系统的可靠性和安全性。选项D与其优势相悖。二、填空题1.工业自动化控制系统中的执行器通常分为位置执行器、流量执行器和压力执行器。

2.在工业自动化控制系统中，模拟量信号的输入方式有电流输入和电压输入。

3.PLC的编程语言主要有梯形图、指令表、功能块图和结构化文本。

4.工业自动化控制系统中，常用的传感器有温度传感器、压力传感器和位移传感器。

5.在工业自动化控制系统中，检测是指对控制系统中的物理量和状态进行测量的过程。

答案及解题思路：

答案：

1.位置执行器、流量执行器、压力执行器

2.电流输入、电压输入

3.梯形图、指令表、功能块图、结构化文本

4.温度传感器、压力传感器、位移传感器

5.检测

解题思路：

1.对于执行器的分类，需要了解不同执行器的作用和特点。位置执行器通常用于控制机械设备的运动位置，流量执行器用于控制流体的流量，压力执行器用于控制压力大小。

2.模拟量信号的输入方式涉及到信号的传输和处理方式，电流输入和电压输入是工业自动化控制系统中常见的两种模拟量信号输入方式。

3.PLC编程语言的选择取决于用户的编程习惯和实际需求。梯形图是图形化编程语言，指令表是文本编程语言，功能块图是图形化编程语言，结构化文本是文本编程语言。

4.常用的传感器包括温度、压力和位移传感器，这些传感器能够将物理量转换为电信号，便于控制系统进行处理。

5.检测是对控制系统中的物理量和状态进行测量的过程，这是控制系统实现自动化控制的基础。三、判断题1.工业自动化控制系统中的传感器只能进行开关量检测。（×）

解题思路：工业自动化控制系统中的传感器不仅可以进行开关量检测，还可以进行模拟量检测。例如温度、压力、流量等物理量的检测通常需要模拟量传感器。

2.PID控制器的三个参数P、I和D分别表示比例、积分和微分。（√）

解题思路：PID控制器是工业自动化控制中最常用的控制器之一，其三个参数P、I和D分别代表比例、积分和微分，这是PID控制器的基本定义。

3.工业自动化控制系统的控制器主要实现信号放大、变换和隔离功能。（×）

解题思路：工业自动化控制系统的控制器主要功能是实现控制策略，包括逻辑控制、比例控制、PID控制等，而信号放大、变换和隔离功能通常由传感器和执行器等外围设备实现。

4.PLC的程序运行不受硬件设备限制。（√）

解题思路：PLC（可编程逻辑控制器）的程序运行主要受其处理器和内存等硬件设备限制，但与传统的硬件电路相比，PLC的程序运行更为灵活，因为程序可以通过软件进行修改，不受硬件设备的物理限制。

5.在工业自动化控制中，模拟量信号和开关量信号的处理方法相同。（×）

解题思路：在工业自动化控制中，模拟量信号和开关量信号的处理方法不同。模拟量信号需要通过模拟量输入模块进行采集，而开关量信号则通过数字输入模块进行采集。两者的处理方式和精度要求也有所不同。四、简答题1.简述工业自动化控制系统中的传感器及其分类。

传感器是工业自动化控制系统中的关键组成部分，用于将物理量转换为电信号。传感器按其工作原理可分为以下几类：

温度传感器：如热电偶、热电阻等；

压力传感器：如电容式、电阻式等；

位移传感器：如位移变送器、光电式等；

流量传感器：如电磁流量计、超声波流量计等；

光学传感器：如光电开关、光电传感器等。

2.简述工业自动化控制系统中模拟量信号和开关量信号的特点及其处理方法。

模拟量信号和开关量信号是工业自动化控制系统中的两种常见信号类型。

模拟量信号特点：

信号幅值连续变化；

信号范围较宽；

信号处理复杂。

模拟量信号处理方法：

采用模拟信号放大、滤波、调制、解调等手段；

采用模数转换器（A/D）将模拟信号转换为数字信号。

开关量信号特点：

信号两种状态：开（1）和关（0）；

信号传输距离较远；

信号处理相对简单。

开关量信号处理方法：

采用逻辑电路进行信号处理；

采用计数器、定时器等器件进行计数和定时。

3.简述PID控制器在工业自动化控制系统中的作用及调节方法。

PID控制器是一种广泛应用于工业自动化控制系统的控制算法，其作用

对被控对象的输出进行实时调整，使输出与期望值保持一致；

响应速度快，控制精度高；

具有良好的抗干扰功能。

PID控制器调节方法：

采用手动调节，通过调整比例（P）、积分（I）、微分（D）参数实现；

采用自动调节，通过自适应算法自动调整PID参数。

4.简述PLC的编程语言及其应用场景。

PLC编程语言主要有以下几种：

梯形图（LadderDiagram，LD）：适用于简单控制逻辑的编程；

功能块图（FunctionBlockDiagram，FBD）：适用于复杂控制逻辑的编程；

结构化文本（StructuredText，ST）：适用于编写复杂算法的编程；

顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）：适用于顺序控制编程；

指令列表（InstructionList，IL）：适用于编写低级控制指令的编程。

PLC应用场景：

工业生产过程自动化；

建筑自动化；

交通运输自动化；

能源管理自动化。

5.简述工业自动化控制系统中的执行器及其分类。

执行器是工业自动化控制系统中的关键组成部分，用于将控制信号转换为实际物理动作。执行器按其工作原理可分为以下几类：

电机类执行器：如交流电机、直流电机等；

气动执行器：如气动阀门、气动执行机构等；

液压执行器：如液压阀门、液压执行机构等；

电动执行器：如电动阀门、电动执行机构等；

磁阀执行器：如电磁阀、电动阀等。

答案及解题思路：

1.答案：传感器按工作原理可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器和光学传感器等。

解题思路：根据传感器的工作原理，列举出常见的传感器类型。

2.答案：模拟量信号特点是信号幅值连续变化、信号范围较宽、信号处理复杂；开关量信号特点是信号两种状态、信号传输距离较远、信号处理相对简单。模拟量信号处理方法包括放大、滤波、调制、解调等，开关量信号处理方法包括逻辑电路、计数器、定时器等。

解题思路：分析模拟量信号和开关量信号的特点，然后分别列举其处理方法。

3.答案：PID控制器的作用是对被控对象的输出进行实时调整，使输出与期望值保持一致，响应速度快，控制精度高，具有良好的抗干扰功能。调节方法包括手动调节和自动调节，通过调整比例、积分、微分参数实现。

解题思路：分析PID控制器的作用，然后阐述调节方法。

4.答案：PLC编程语言包括梯形图、功能块图、结构化文本、顺序功能图和指令列表等。应用场景包括工业生产过程自动化、建筑自动化、交通运输自动化和能源管理自动化等。

解题思路：列举PLC编程语言类型，然后分析其应用场景。

5.答案：执行器按工作原理可分为电机类执行器、气动执行器、液压执行器、电动执行器和磁阀执行器等。

解题思路：根据执行器的工作原理，列举出常见的执行器类型。五、计算题1.一阶微分环节的时间常数为t=2s，输入信号的变化规律为：f(t)=10t（单位：V/s），求系统的稳态输出值。

解答：

一阶微分环节的传递函数为：

\[G(s)=\frac{1}{s\tau}\]

其中，τ为时间常数。将时间常数τ=2s代入，得：

\[G(s)=\frac{1}{s\times2}\]

系统的稳态输出值可以通过求解拉普拉斯变换得到。对输入信号f(t)=10t进行拉普拉斯变换：

\[F(s)=\mathcal{L}\{10t\}=\frac{10}{s^2}\]

将F(s)代入G(s)中，求解输出信号的拉普拉斯变换Y(s)：

\[Y(s)=G(s)\cdotF(s)=\frac{1}{s\times2}\cdot\frac{10}{s^2}=\frac{5}{s^3}\]

稳态输出值是指系统达到稳态后，输出信号的拉普拉斯变换的实部。因此，我们需要对Y(s)进行逆拉普拉斯变换：

\[y(t)=\mathcal{L}^{1}\left\{\frac{5}{s^3}\right\}=5\cdot\frac{t^2}{2}=\frac{5t^2}{2}\]

由于我们要求稳态输出值，所以t趋向于无穷大时，t^2的系数趋向于0，因此系统的稳态输出值为0V。

2.设PID控制器参数为P=0.5，I=0.1，D=0.2，当给定值为1，负载干扰为0.2时，求控制器输出值。

解答：

PID控制器的输出值可以表示为：

\[u(t)=K_p\cdote(t)K_i\cdot\int_{0}^{t}e(\tau)d\tauK_d\cdot\frac{de(t)}{dt}\]

其中，e(t)是误差信号，即给定值与实际值之差。给定值为1，负载干扰为0.2，所以：

\[e(t)=10.2=0.8\]

P，I，D分别是比例、积分、微分控制参数。将P=0.5，I=0.1，D=0.2代入，得到：

\[u(t)=0.5\cdot0.80.1\cdot\int_{0}^{t}0.8d\tau0.2\cdot\frac{d(0.8)}{dt}\]

计算得到：

\[u(t)=0.40.1\cdot0.8t0.2\cdot0\]

因为干扰是静态的（不随时间变化），所以微分项为0。积分项从0到t的积分为：

\[u(t)=0.40.08t\]

因此，控制器输出值是0.40.08t。

3.计算一阶积分环节在输入信号f(t)=10sin(ωt)（单位：V/s）下的稳态输出值。

解答：

一阶积分环节的传递函数为：

\[G(s)=\frac{1}{s}\]

输入信号f(t)=10sin(ωt)的拉普拉斯变换为：

\[F(s)=\mathcal{L}\{10sin(\omegat)\}=\frac{10\omega}{s^2\omega^2}\]

系统的稳态输出值可以通过求解F(s)与G(s)的乘积得到：

\[Y(s)=G(s)\cdotF(s)=\frac{1}{s}\cdot\frac{10\omega}{s^2\omega^2}=\frac{10\omega}{s^3s\omega^2}\]

为了找到稳态输出值，我们需要对Y(s)进行逆拉普拉斯变换。由于输入信号是正弦波，其频率ω不为零，我们使用部分分式分解方法将Y(s)分解：

\[Y(s)=\frac{10\omega}{(s^2\omega^2)(s^2)}=\frac{A}{s^2\omega^2}\frac{B}{s}\frac{C}{s^2}\]

其中，A，B，C为常数。求解得到A=10ω，B=0，C=0，因此：

\[Y(s)=\frac{10\omega}{s^2\omega^2}\]

逆拉普拉斯变换得到稳态输出值：

\[y(t)=\mathcal{L}^{1}\left\{\frac{10\omega}{s^2\omega^2}\right\}=10\omega\cdot\sin(\omegat)\]

所以，一阶积分环节在输入信号f(t)=10sin(ωt)下的稳态输出值为10ωsin(ωt)。

答案及解题思路：

1.系统的稳态输出值为0V。

解题思路：通过拉普拉斯变换和逆拉普拉斯变换求解稳态输出值。

2.控制器输出值为0.40.08t。

解题思路：使用PID控制器输出公式和拉普拉斯变换求解控制器输出值。

3.稳态输出值为10ωsin(ωt)。

解题思路：通过部分分式分解和拉普拉斯变换求解稳态输出值。六、应用题1.设有一温度控制系统，控制器为PID控制器，输入信号为温度差值，要求：根据给定的控制曲线，求出控制器参数P、I、D的值。

（1）题目描述：

温度控制系统采用PID控制器，输入信号为温度差值。需要根据控制曲线求出控制器参数P（比例）、I（积分）、D（微分）的值。

（2）解题思路：

1.根据控制曲线，确定控制器在稳态时的输出。

2.通过比较输入信号与控制器输出信号，得到比例环节参数P。

3.分析控制曲线，确定积分环节参数I。

4.分析控制曲线的响应速度，确定微分环节参数D。

（3）答案：

1.P=1.2

2.I=0.4

3.D=0.2

2.某自动化生产线上需要检测物料的流量，现使用一差压式流量传感器进行测量。已知物料的密度ρ=0.5g/cm³，流速v=2m/s，要求：根据传感器的输出信号，计算出物料的质量流量。

（1）题目描述：

自动化生产线需要检测物料流量，使用差压式流量传感器进行测量。已知物料密度ρ和流速v，求物料质量流量。

（2）解题思路：

1.根据物料密度和流速，计算流量公式。

2.通过传感器输出信号，求出实际流量。

3.计算物料质量流量。

（3）答案：

物料质量流量=ρAv

其中，A为流量传感器横截面积，v为流速。

已知ρ=0.5g/cm³，v=2m/s，假设传感器横截面积为0.5cm²，则：

物料质量流量=0.50.521000=500g/s

3.在工业自动化控制系统中，要求通过PLC对一台电动机进行启停控制，现给出电动机的控制要求和PLC控制程序，请设计PLC的控制逻辑图。

（1）题目描述：

根据电动机控制要求和PLC控制程序，设计PLC控制逻辑图。

（2）解题思路：

1.分析电动机控制要求，确定控制逻辑。

2.根据控制逻辑，设计PLC控制逻辑图。

（3）答案：

PLC控制逻辑图如下（以梯形图表示）：

图中，“”代表继电器线圈，“”代表触点，“”代表电动机启动按钮，“”代表电动机停止按钮。根据控制要求，当启动按钮按下时，继电器线圈得电，触点闭合，电动机启动；当停止按钮按下时，继电器线圈失电，触点断开，电动机停止。七、论述题1.论述工业自动化控制系统的可靠性设计。

答案：

工业自动化控制系统的可靠性设计是指在设计阶段就考虑系统的稳定性、安全性、可靠性和可维护性。一些关键点：

解题思路：

首先概述可靠性设计的概念和重要性。

然后详细说明提高系统可靠性的方法，如冗余设计、容错技术、热备份、故障检测与隔离等。

接着讨论在系统设计过程中如何应用这些方法，包括硬件、软件和系统架构层面的考虑。

最后总结可靠性设计对提高工业自动化控制系统功能和降低维护成本的意义。

2.论述现场总线技术在工业自动化控制系统中的应用及其优势。

答案：

现场总线技术是一种用于工业自动化控制系统