过程控制系统习题和答案

习 题
一、 单回路系统方框图如图1所示，试问当系统中某组成环节的参数分别发生以下四种变化时，系统
控制性能会有何变化？为什么？
（1）若0T 增大；（2）若0τ增大；（3）若f T 增大（4）若f τ增大。

c
K v
K s
T
e K s 0010+-τs
T e
K f s
f f +-1τ+
-
)
(s X )
(s F )
(s Y
图1 单回路系统方框图
二、 在生产过程中，要求控制水箱液位，故设计了如图2所示的液位定值控制系统。

如果水箱受到一
个单位阶跃扰动f 作用，试求：
（1）当调节器为比例作用时，系统的稳态误差。

（2）当调节器为比例积分作用时，系统的稳态误差。

图2 液位定值控制系统
答案：
（1）建立对象（单容自衡过程）的数学模型：1
s T K 1Cs R R )s (q )
s (H )s (W 002210+=+==
； （2）建立扰动通道模型：1
s T K 1Cs R R )s (f )s (H )s (F f f 22+=+==
（3）控制系统方框图：
（4）扰动和控制系统输出之间的闭环传递函数：
)
s (W )s (W 1)s (W )s (F )s (H 0c f += （5）当控制器分别为比例、比例积分控制律时，在阶跃干扰作用下，应用终值定理，可求得系统的稳态值（即稳态误差） sH(s)lim )h(0
s →=∞
三、 单回路控制系统如下图3所示。

Wc(S)为控制器的传递函数，Wo(S)=Ko/(ToS+1)为被控对象的传
递函数，W d (S)=K d /(T d S+1)为干扰通道的传递函数。

(1). 设D(S)是幅值为A 的阶跃扰动，证明当控制律为PI 时，控制系统的稳态偏差（余差）为0。

(2). 若D(S)为可测扰动，且控制器Wc(S)=Kc 。

试设计一个控制系统，使其能完全补偿的D(S)扰
动的影响。

请给出系统方框图，并写出设计过程。

Wc （S ）
Wo （S ）
Wd （S ）
R(S)D(S)Y(S)
--
图3 单回路控制系统方框图
答案：
1）()()()()()1()1()
()1()()11111111d
d I o d d c o
I o d c o I d o c I o K K T s T s W S T s Y s D s W S W S T s T s T s K K T s T s K K T s T s ++===++++++⎛⎫⎛⎫++
⎪ ⎪+⎝⎭⎝⎭
()
()()()()
1()*
1111d I o I o d c o I d K T s T s A
Y s T s T s T s K K T s T s s +=
+++++
应用终值定理，可求得系统的稳态值 0)(lim )(0
==∞→s sY y s ，即该系统的余差为零。

2）设计前馈反馈控制系统如下图：
根据绝对不变性原理，应有()()0Y s D s =，从而可知，前馈模型为：
()(1)
()()(1)
d d o f
o o d W s K T s W s W s K T s +=-
=-+
4. 某锅炉气包水位流程如下图4示。

根据工艺要求，需将水位控制在某希望值上，在运行中发现给水
压力波动较大，同时负荷（蒸汽流量）也经常变化。

试设计一个控制系统，使其有效克服上述两种
主要扰动，要求：
（1） 画出控制原理图。

（2）画出系统方框图。

（3）简述设计的理由或分析系统功能。

图4 锅炉气包水位流程示意图
答案：
（1）控制原理图：
（2）控制系统方框图：
（3）系统设计思路及功能分析：
设计串级控制消除给水压力波动干扰；前馈控制消除负荷（蒸汽流量）经常变化的干扰。