过程控制工程章复习资料孙洪程著

(i 第二章思考题及习题

2.1与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点 ？

答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。 因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。 （1）串级控制系统具有更高的工作频率；（2）串

级控制系统具有较强的抗干扰能力；

（3）串级控制系统具有一定的自适应能力

2.2为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无

关？

答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副 回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来 看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为

“负”的要求。

即Sign{ G oi （s ）}Sign{ G o2（s ）}Sign{ G mi （s ）}Sign{ G ci （s ）}=-1就可以确定主控制器的正、 反作用。实际上主变送 器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器 的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选 “负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.3串级控制系统的一步整定法依据是什么

？

答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到 产品的质量，因此对它要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身 没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达 到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大 倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数

K ci 与K ci 的乘积等于K s

（K s 为主变量呈4: 1衰减

振荡时的控制器比例放大倍数

），系统就能产生 4: i 衰减过程（下面的分析中可以进一步证明 ）。虽然按照

经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但可通过调整主控制器放大倍数来进行补偿，结果仍然可使主 变量呈4: i 衰减。

2.4试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用就能保证 主变量无余差。而

当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时才能保证主变量无余差。

答：从串级控制系统结构图中可以看出：

i. 当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算:

并假定f （t ）为单位阶跃干扰，则 F （

s ）=i/s ，运用终值定理可得:G V (S)

K V ；G O 2(S)

K 02 T 02 s)

；G m2 (S) K m2

y

（）叽 SF （S ） S S “ G ；

忙K v K m 2 叽 1 3；［恥）

C2

（1 T 02S ）

如果G c2（s ）=K c2（T i s+1）/T i s ，即含有积分环节，则在上式分子上出现 T i s 项，y 2（^）=0,即干扰作用下主

环也无余差。如果 G c2（s ） =K C 2，则副环余差为 y 2（g ）=1/K v K m2K c2，此余差进入主环，此时将副环等效成一 个环节，G‘02（S ）=1/K m2,用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，

如果主环控制器具有积分作用，

y i （g ）=0，反之 y 1（ g ）丰 0。

当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节， G ’02（s ） =1/K m2，用与上述副环余差计算一样的方法计算

主环余差，如果主环控制器具有积分作用，

y 1（ g ）=0，反之y 1（g ）工0。

2.5试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节来看待

？

答：对于副环来说，如果是负反馈系统，其等效环节等效传递函数为：

当控制器放大倍数远远大于 1时，则有| G c2 G v G 02 G m |>>1，又因为通常各个环节都是无量纲化的，此

时G m =1。则有式（2-1）近似等于+1。

2.6试说明在串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用选错会造成怎样的危害

？

答：串级控制系统属于反馈控制系统，

只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时,

其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡 过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工 作，必须要构成负反馈。

2.7图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷 却水来进行冷却，

以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回 路控制满足不了要求，需用串级控制。

① 当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级

？画出系统结构图。

选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下

② 当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级

？画出系统结构图。

选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下

G 02

G c2G v G °2

1

G c2G v G 02G m

(2—1)