第04章单回路控制系统

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1、第四章 单回路控制系统,第一节 概述,第二节 被控对象特性对控制质量的影响,第三节 测量元件和变送器特性,第四节 执行器,第五节 控制规律对控制质量的影响,第六节 工程整定方法,第一节 概述,(1)控制系统原则性的拟定,自动控制系统的设计主要包括：,设计人员要熟悉生产设备（被控对象）的运行特点和工艺要求，掌握被控对象的动态特性，了解生产设备对自动控制的要求并转换为可以作为设计依据的数学形式。 然后，在选择被控量和控制变量后拟定原则性方案。如：采用恒值系统还是采用随动系统？采用单回路系统还是采用性能更完善的复杂系统？,第一节 概述,(2)控制系统的综合,自动控制系统的设计主要包括：,确定控制器的

2、控制规律和类型，确定各类元件的功能以及它们的参数，建立系统的数学模型。,(3)控制系统的分析,在已知系统结构和参数的条件下，计算出它的性能指标。 目的：检验控制系统是否符合事先给定的性能指标，以及系统方案的合理性。 是设计、研究控制系统的基础！,系统的综合和分析过程并不是截然分开的，也不是一次完成的！在系统综合阶段、确定原则性系统之前，就要对系统进行定性分析，在发现系统性能不足之后，需进一步修改。,第一节 概述,理论上 ：,数学模型,扰动形式,约束条件,设计控制系统,确定系统性能指标,但是,数学模型并不精确,参照已有的控制系统,依赖于设计人员的经验,系统性能的分析 显得更为重要,第一节 概述,

3、在控制系统结构已经确定的情况下，确定系统中的某些参数（如控制器参数，各信号间的配合等），称为系统整定。系统整定是以系统分析为基础的。,按照控制系统的结构，可以分为单回路系统和复杂系统。,单回路系统是由被控对象G(s)、测量和变送元件Gb(s)、控制器Gc(s) 、执行器Gz(s)组成的闭环反馈系统。,表征生产过程是否符合工艺要求的物理量或化学量，即控制系统要求维持为给定值的物理量或化学量（如温度、压力、流量等），称为被控量。,被控量有时既直观又明确。如，锅炉过热蒸汽温度、炉膛负压、汽包水位等。,一种情况是某些工艺参数，暂时还没有直接的快速测量手段，这时只能采用间接反映工艺参数的物理量或化学量作

4、为被控量。例如，直接快速测量煤的干燥程度是相当困难的，目前是采用磨煤机出口介质温度来表征原煤干燥程度，即作为控制系统的被控量。,(1)被控量的选择,要求被控量与实际所要求维持的工艺参数之间必须是单值线性关系，或者有一定的函数关系，否则应采取适当的补偿措施。,另一种情况是工艺参数的测量信号滞后太大或过于微弱，反而不如选用间接参数能获得更好的控制质量。例如，锅炉送风控制系统的任务是维持送入锅炉的送风量与燃料量成一定比例，以保证燃烧的经济性。烟气中的含氧量是反映燃烧经济性的直接参数之一，在过去采用磁性测氧计测量烟气中的含氧量时，由于测量滞后太大，反而不如以保持进入锅炉的燃料量和送风量的比值能获得较好

5、的效果。 氧化锆测氧计出现以后，才有可能采用以烟气中的含氧量为被控量的送风控制系统。一种新的测量方法的出现，往往能促进控制系统方案的变革！,(1)被控量的选择,合理地选择被控量是控制系统设计的第一步！,选择什么样的控制变量去克服各种扰动对被控量的影响。一个被控对象往往存在多个影响被控量的输入量。如果选择其中某一输入量作为控制变量，其余的输入量就成为扰动。 被控对象分为两部分控制通道和扰动通道。扰动是影响控制系统稳定运行的破坏性因素，控制变量是克服扰动，维持控制系统平稳运行的积极因素，两者是矛盾的、对立的。,(2)控制量的选择,应遵循以下两个原则： 首先，要考虑工艺上的合理性，选择工艺上允许作为

6、控制手段的变量作为控制变量。如，锅炉负荷控制系统中，被控量是主蒸汽压力，引起主蒸汽压力变化的主要因素是汽机进汽量和锅炉燃料量，前者是由电能生产要求所确定的，以它作为控制变量显然是不合理的，而应该选择燃料量作为控制变量。 其次，在选择控制变量时，希望控制通道有较大的放大系数，较小的惯性和迟延。扰动通道时间常数则越大越好，扰动进入系统的位置距被控量越远越好。,(2)控制量的选择,单回路系统是热工自动控制中最基本的单元，是组成复杂系统的基础。学会分析、设计、整定单回路系统的方法，了解系统中各组成环节对控制系统性能的影响，才有可能解决复杂系统的分析、设计、整定问题。,第二节 被控对象的特性对控制质量的

7、影响,执行器、变送器和对象共同构成广义对象，单回路控制系统可简化。 对象内部存在两种通道： 控制作用和被控量之间的信息通道，称为控制通道； 扰动和被控量之间的信息通道，称为扰动通道。 描述对象特性的特征参数是放大系数、时间常数和迟延时间，下面我们讨论这些参数对控制质量的影响。,第二节 被控对象的特性对控制质量的影响,执行器、变送器和对象共同构成广义对象，单回路控制系统可简化。 对象内部存在两种通道： 控制作用和被控量之间的信息通道，称为控制通道； 扰动和被控量之间的信息通道，称为扰动通道。 描述对象特性的特征参数是放大系数、时间常数和迟延时间，下面我们讨论这些参数对控制质量的影响。,设控制通道

8、的传递函数为：,2.1 放大系数的影响,扰动通道的传递函数为：,控制器采用比例规律，其传递函数为：,由图可求误差传递函数：,当给系统加入单位阶跃扰动时，利用终值定理，静态偏差为：,可见： 扰动通道的放大系数越小越好，这样可使静态偏差减小，提高控制精度。,控制通道的放大系数KcK越大，系统的静态偏差越小，即克服扰动的能力增强。,2.1 放大系数的影响,(1)扰动通道 为方便分析，设个环节的放大倍数均为1，即：,2.2 时间常数和阶次的影响,被控量对扰动通道的传递函数为,从物理意义上讲，具有惯性环节的扰动通道相当于低通滤波器。根据控制理论的知识，惯性环节的低通频率范围随着TD的增大而缩小，幅值衰减

9、程度随着TD的增大而严重，阶次m越高幅值衰减程度越严重，这将有利于控制！,(2)控制通道 传递函数中惯性环节的时间常数和阶次反映了惯性的大小和对象的容量。时间常数越大，阶次越高，表明响应越迟缓，越不利于控制。,2.2 时间常数和阶次的影响,(1)扰动通道 当扰动通道存在纯迟延时，系统的传递函数变为：,2.3 纯迟延的影响,系统输出为,式中：C(s)为扰动通道中不含迟延环节时被控量的输出的拉普拉斯变换。,有迟延的被控量：,有纯迟延时，对象的输出响应相当于对象没有纯迟延而扰动推迟了才施加于对象上，因此，对系统的控制品质没有什么影响！,(2)控制通道,2.3 纯迟延的影响,如果控制通道存在纯迟延，控

10、制作用就不能立即对被控量的变化起抑制作用，被控量还将在扰动的作用下自发变动，这显然对系统的控制品质不利。 如果对象控制通道的时间常数T的数值较大，则在时间内被控量变化的数值就较小。反之亦然！,因此，系统的控制品质不但与控制通道的有关，而且还与/ T的数值有关。 值和 T的数值越大，控制质量越差！,(2)控制通道,2.3 纯迟延的影响,曲线1和曲线2的时间常数Tc相同。若在t=0时有阶跃信号输入，则在t=时输出才开始变化。如果调节器没有不灵敏区，调节器将在t=时开始动作，产生调节作用，但这个调节作用需要再经过第二个的时间间隔后才在被调量的变化上反映出来。,由于21，曲线2的被调量偏差要大于曲线1

11、,曲线3和曲线2具有相同的纯迟延，而曲线3的时间常数Tc要大于曲线2的，可以看出，曲线3的最大偏差点C要低于曲线2的最大偏差点B，也就是说，/Tc的数值越大，系统的调节质量越差。,(2)控制通道,2.3 纯迟延的影响,测量元件又称敏感元件或传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。 如：热电偶；热电阻；节流装置等。,第三节 测量元件和变送器特性,由于测量元件的输出信号种类多，且信号较弱不易察觉，一般都需要经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如420mA或0l0mA直流电流信号，20100kPa气压信号等）送往显

12、示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控量进行控制。,有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表，或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。,3.1 测量元件对控制质量的影响,变送器的时间常数很小，对控制质量影响不大，主要关注测量元件特性对控制质量的影响：,在压力、流量测量中，由于测量元件均为就地安装，与变送器之间有一定距离，存在传输迟延时间；在温度或成分分析测量元件中，测量元件本身结构决定它们具有一定惯性。它们对控制质量的影响与被控对象迟延和时间常数对控制质量的影响是一致的。,实际输出C的变化幅值比测量得到的信号Cb大得多，而且两者之间存在相位差。这些差别随着

13、测量变送元件时间常数的增加而增加，从而导致控制质量的恶化！,为克服测量变送元件的惯性，通常可采取以下措施：,(1)采用快速测量元件。一般：Tb0.1T；,(2)采用微分（超前）单元，抵消测量变送元件的惯性 ；,(3)正确选择测量变送元件的安装位置。,第四节 执行器,执行机构的迟延较小，时间常数不大！,为减小时间常数和迟延，应尽量缩短气动管线的长度！,4.1 执行机构,执行器回差使控制系统控制性能变差，造成控制不及时。应尽量减小摩擦力，缩小死区和回差，以提高控制系统的性能指标。,4.1 执行机构,4.2 调节机构,调节阀门的流量特性是指通过调节阀门的流量q与其开度之间的定量关系。流量特性主要是由

14、调节阀门的结构，特别是由阀芯的几何形状及其构造决定的。常见的流量特性有线性、对数、抛物线和快开四种特性，如图所示。,qr=q/qmax，称为相对流量,=l/L，称开度， 其中l为阀杆位移，L为阀杆全行程。,调节阀门的实际调节范围是从最小流量qmin到最大流量qmax，其比值R=qmax / qmin称为可调比。 从图中可以看出，即使调节阀门处于全关状态，仍会有一定的流量通过阀门，此流量称为调节阀门的漏流量，漏流量一般应小于0.1qmax。这种情况与常用的截断阀不同。显然，漏流量是不利于调节的。,4.2 调节机构,根据阀门前后的压降p是否保持恒定而划分为理想流量特性和实际流量特性。当p为恒定值时

15、称为理想流量特性，当p变化时，称为工作流量特性。图示为p恒定时的四种理想流量特性。,在实际生产中，调节阀总是与管路设备等连在一起使用的，调节阀前后的压降是随管道阻力的变化而改变的，这时的流量特性称为工作流量特性。 调节阀门在全开时，流量最大，压降最小；而在全关时，流量最小（漏流量），压降最大。,4.2 调节机构,工作流量特性,计算实际可调比：,4.2 调节机构,工作流量特性,R为理想可调比；p100为调节阀全开时阀上的压降； p为管路系统的总压降，调节阀最小开度下阀上压降的近似值；S为压降比。,S值越小，实际可调比也越小。,当S=1时的阀门流量特性称为理想流量特性，而在实际工作中，S1，工作流

16、量特性偏离理想流量特性。图中表示出在不同S值下，线性理想流量特性和对数理想流量特性发生畸变的情况。,线性理想流量特性的调节阀门，随着S值的下降，其流量特性趋向于快开型。这种工作流量特性对调节质量是不利的。 随着S值的降低, qrmax逐渐减小，使实际的可调比R降低。,当S减小时，工作流量特性趋于直线。因此S值改变对调节质量的影响较小。,在选择和设计调节阀门时必须考虑下列因素： (1) 漏流量要小，一般应小于0.1qmax。对于给水调节阀门，由于它的工作静压高，漏流量较大，一般应不超过0.15qmax。 (2)压降比（调节阀全开时的压降占全压降）S不小于0.3-0.5，以保证所选用的调节阀门的工作流量特性不致偏离理想流量特性太远。 (3) 可调比R反映了调节阀门的调节能力的大小，因此希望它足够大，一般R为30-50。,调节阀的工作流量特性和可调范围都是由具体的工作条件所决定的，要想改变实际工作条件下调节阀的工作流量特性是比较困难的。为此，一般在控制回路中采取了补偿措施来弥补工作流量特性的畸