过程控制系统习题和答案

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T o增大；(2)若0增大；(3)若T f增大(4)若f增大。

图1单回路系统方框图
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
(3)控制系统方框图:
F ⑶
——> W z CS)
翌严“ 一
Wo (S)
环)
-
►
(4)
扰动和控制系统输出之间的闭环传递函数：
H(S )
——W ^(S )——
F(s) 1 W c (s)W o (s)
(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)
h( ) lim sH(s)
s 0
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。

答案:
(1)建立对象(单容自衡过程)的数学模型:
W o (s)
R 2
q 1 (s) R 2Cs 1 K o
T o s 1 ；
(2)建立扰动通道模型： F(s)
H(S )
f(s) R 2
R 2CS 1
K f T f S 1
图3单回路控制系统方框图
答案：
K d
Y(s) W d(S) ______ T d s 1 ______ _____________ K dT sT o S 1
1)両1 W c(S)%(S) 1 「T.sT o s 1 T d s 1—K c K o T,s 1 T d s 1
1 K c 1 --- -----------
c T,s T°s 1
K d T s T)s 1 A
Y(s) —- *-
Ts T；s 1 T d s 1 K c K o T I s 1 T d s 1 s
应用终值定理，可求得系统的稳态值y( ) lim sY(s) 0，即该系统的余差为零。

s 0
2)设计前馈反馈控制系统如下图:
(3)控制系统方框图:
D(S)——_> Wd ( S)
Wf ( S)
根据绝对不变性原理，应有Y（s） D（s） 0 ,从而可知，前馈模型为:
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。

给水
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。