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1、5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 被控参数和控制参数的选择被控参数和控制参数的选择5.3 5.3 单回路控制系统的参数整定单回路控制系统的参数整定第五章 单回路控制系统的设计返 回一、单回路控制系统一、单回路控制系统单回路控制系统可实现：单回路控制系统可实现：定值控制、程序控制、随动控制定值控制、程序控制、随动控制等等例：液位定值控制系统例：液位定值控制系统（见下页图）（见下页图）其结构图如下：其结构图如下：定义：定义：是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。被控过程组成的、对一
2、个被控参数进行控制的反馈控制系统。5.1 概 述液位检测变送器液位控制器设定值执行阀从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、 最基本、最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路 控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。单回路控制系统方框图的单回路控制系统方框图的一般形式一般形式如下：如下：根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳定 地工作，必须要构成负反馈。地工作，必须要构成负反馈。即：系统的
3、开环放大倍数必须为负。即：系统的开环放大倍数必须为负。正作用：正作用：输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）反作用：反作用：输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）二、正作用、反作 用调节器的正作用：调节器的正作用：输出信号输出信号u u随着被控量随着被控量y y的增大而增大；的增大而增大；调节器的反作用：调节器的反作用：输出信号输出信号u u随着被控量随着被控量y y的增大而减小；的增大而减小；前例中：前例中： 执行器执行器+ +液位过程液位过程+ +检测变送检测变送+ +则则
4、调节器调节器- -气关式气关式- -+ + + +气开式气开式对上例进行改 动其结构图如下：其结构图如下：上例中：上例中： 执行器执行器+ +液位过程液位过程- -检测变送检测变送+ +则则 调节器调节器+ +气关式气关式- - -+ +- -气开式气开式返 回5.2 被控参数和控制参数的选择一、被控参数（被控量）的选择一、被控参数（被控量）的选择 是控制系统设计的一个重要内容。是控制系统设计的一个重要内容。 恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、 改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。
5、 若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先 进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。 1 1、选择的意义、选择的意义（P157P157）2、选择的方法(1) (1) 选直接参数选直接参数即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行 的参数。的参数。( (如锅炉的水位、蒸汽的温度等。如锅炉的水位、蒸汽的温度等。) )(2) 选间接参数例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的
6、产品或中间产品产品或中间产品控制目标（直接参数）：控制目标（直接参数）： 纯度纯度 或或 浓度浓度浓度浓度温度温度压力压力由于压力由于压力P P不仅与不仅与分离纯度分离纯度有关，而且影响塔的有关，而且影响塔的工作工作效率效率以及以及经济性经济性，因而选择温度为间接参数。，因而选择温度为间接参数。 当选直接参数有困难时采用。当选直接参数有困难时采用。间接参数的选择原则（P158 ） 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 间接参数要有足够的灵敏度。 3、选择被控参数的一般原则（P158） 选择对选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境产品的产量和
7、质量、安全生产、经济运行和环境 保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。 当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参 数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。 被控参数必须具有足够大的灵敏度。被控参数必须具有足够大的灵敏度。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪 表的性能。表的性能。二、控制参数（操纵量）的选择设单回路控制系统的框图如下图所示：以控制质量为依据，以控制质量为依据，通过对
8、过程静态特性、动态特性通过对过程静态特性、动态特性的分析，讨论控制参数选择的一般原则。的分析，讨论控制参数选择的一般原则。1、过程静态特性的分析控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。则被控量对扰动的闭环传递函数为 ：设传递函数分别为：设传递函数分别为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：结论：结论：2、过程动态特性的分 析（1）过程扰动通道的动态特性的对 控制质量影响时间常数 的影 响：结论：结论：延迟时间 的影 响：扰动作用点的位置 ： 见下页图见下页图结论：结论：结论
9、：结论：干扰从不同的位置进入控制系 统等效于 ：（2）过程控制通道的动态特性对控制质量的影响 可控性指标 ：衡量被控过程控制难易程度的指标，称为可控性指标 。控制通道的影响 ：控制通道的时间常数太大，控制不及时；时间常数太小 ，容易导致系统振荡，甚至系统不稳定。控制通道的延迟环节对控制效果不利。 过程的时间常数匹配 ：在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常 数数值错开，减小中间的时间常数，可以提高可控性指标 。3、根据过程特性选择控制参数的一般原则 （P164）控制通道的放大系数的放大系数K K0 0要适当选大一些；时间常数要适当选大一些；时间常数T T0 0要要适当小一些；纯滞后时间
10、适当小一些；纯滞后时间 0 0越小越好，越小越好，在有纯延时在有纯延时 0 0的的情况情况下，下， 0 0与与T T0 0之比应小于之比应小于1 1。扰动通道的放大系数的放大系数K Kf f应尽可能小；时间常数应尽可能小；时间常数T Tf f要大；要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程扰动引入系统的位置要远离控制过程( (即靠近调节阀即靠近调节阀) )；容量；容量滞后愈大，愈有利于控制。滞后愈大，愈有利于控制。广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时间常数数值错开组成，在选择控制参数时，应尽量将几个时
11、间常数数值错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。小其它时间常数。注意工艺操作的合理性、经济性。工艺操作的合理性、经济性。 返 回单回路参数整定的目标：单回路参数整定的目标：使过渡过程呈现使过渡过程呈现4 4：1 1（缓慢过程为（缓慢过程为10 10：1 1）的衰减过程。）的衰减过程。控制系统的参数整定：控制系统的参数整定：就是对于一个已经设计并安装就绪的控就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过对控制器参数制系统，通过对控制器参数 进行调整，使得系统的过渡过程达到最进行调整，使得系统的过渡过程达到最为满
12、意的质量指标要求。为满意的质量指标要求。5.3 单回路控制系统的参数整 定整定方法：整定方法：简之：简之：就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度 、积分时间、积分时间常数常数 和微分时间常数和微分时间常数 的具体值。的具体值。前提理论计算法：理论计算法：工程整定法：工程整定法：计算烦琐计算烦琐是一种近似方法，但简单、方便、适用。是一种近似方法，但简单、方便、适用。按照 先比例、后积分、再微分 的顺序进行整定工程整定法工程整定法1 1、经验法（现场实验整定法）、经验法（现场实验整定法）满足控制效果的参数是不唯一的（某个参数的减小可以用其它参数的增大来补偿）常见被
13、控量的常见被控量的PIDPID参数选择范围：参数选择范围：被控量特 点流量对对象时间时间 常数小，并有噪声，故 较较小， 较较小，不用微分401000.1 1 温度对对象为为多容系统统，有较较大滞后， 常用微分20603100.53压压力对对象为为容量系统统，滞后一般不大 ，不用微分30700.43液位在允许许有余差时时，不必用积积分， 不用微分20802 2、临界比例度法（参见、临界比例度法（参见P183P183）根据根据 P183 P183 表表5-75-7计算调计算调 节器参数节器参数3 3、衰减曲线法（参见、衰减曲线法（参见P183P183）解：应用表5-7经验公式，可得：(1).比例
14、控制器=2K=220%=40%(2).比例积分控制器=2.2K=2.220%=44% TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3).比例积分微分控制器=1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5minTD=0.25TI=0.250.5=0.125min例：例：用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临临 界振荡周期界振荡周期T TK K=1min=1min，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。 返 回
