单回路控制系统

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1、第三章 单回路控制系统,通过这章的学习，我们可以得到以下收获：,单回路控制系统的结构与组成控制、被控变量及控制参数的选择控制系统执行、传感与变送机构控制器设计与控制规律的选择单回路控制系统的调试与参数整定应用举例,3.1 单回路控制系统的结构与组成,简单控制系统是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。,闭环系统模型,首先我们需要了解什么是闭环系统？了解综合系统的生产和控制过程是怎样实现的？,3.1 单回路控制系统的结构与组成,通过这个例子，我们可以总结什么？如果要测量压力、流量等信号，应该做什么？对不同的过程，可以做什么

2、？如果选择不同的阀，应该做什么？,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,传递函数 Gc(s)：控制器 Gv(s)：阀 Gp(s)：反馈过程 Gs(s)：传感器 Gd(s)：扰动过程,变 量 CV(s)：被控变量 CVm(s)： CV(s)的测量值 D(s)：扰动 E(s)：偏差 MV(s)：控制变量（操纵变量） SP(s)：设定值,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,在模型中哪里是信号传输？那里是信号转换？在CV(s) 和CVm(s)间有何不同？在Gp(s) 和Gd(s)间有何不同？怎样能够测量图中红色圆圈处的变量？哪些变量是有人来监测，哪些是由计算机来监测？,思考？

3、,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,设定值响应,扰动响应,哪些因素影响控制系统的稳定性？ 哪些影响控制系统的动态性？,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,设定值变化,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,扰动响应,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,扰动响应 通常过程会受到许多或大或小的扰动和测量噪声的影响，测量的性能可以表征这种变异性。,CV的标准偏差或方差,MV的标准偏差或方差,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,我们可以通过许多方法实现反馈 无控制：系统响应所有的输入，任意“漂移” 手动控制：依靠人观察测量值，并引入补

4、偿，系统的调节依赖于人。 开关控制：控制（操纵）变量只有两种状态，结果可能导致系统的振荡。 连续自动控制：通过对被控变量与期望值的偏差的自动调整实现控制。 紧急控制：当紧急状态发生时，将执行极端的作用（停机）。,闭环系统模型,3.1 单回路控制系统的结构与组成,概念,通过过程和装置的示意图可以得到传感器的位置、测量的变量、相关的执行机构（如：阀）和执行机构的位置。,3.1 单回路控制系统的结构与组成,在过程系统中有许多因素影响安全、可靠、精确、动态性和成本。工程设计者必须要明确这些细节。,实际,3.1 单回路控制系统的结构与组成,计算机对过程有什么影响？,试想一下没有反馈控制的情况。,思考,3

5、.1 单回路控制系统的结构与组成,做为工程师必须要明确在过程控制系统中需要测量哪些量？调节哪些阀？提供什么设备用于控制决策？,思考,3.1 单回路控制系统的结构与组成,做为工程师必须要明确在过程控制系统中需要测量哪些量？调节哪些阀？提供什么设备用于控制决策？ 考虑被控对象，主要有七类目标：,控制目标,3.1 单回路控制系统的结构与组成,当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（液位）与设定值保持一致；检测被控变量，并与设定值比较得到偏差；按一定控制规律对偏差运算；输出信号驱动操纵变量（流量）；最终使被控变量恢复到设定值；变送器检测液位。控制器对偏差运算。执行器改变操纵变量。,液位控制系统的示例,

6、3.1 单回路控制系统的结构与组成,当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（压力）与设定值保持一致；检测被控变量，并与设定值比较得到偏差；按一定控制规律对偏差运算。输出信号驱动操纵变量（流量）。最终使被控变量恢复到设定值。变送器检测压力控制器对偏差运算。执行器改变操纵变量。,压力控制系统的示例,3.1 单回路控制系统的结构与组成,当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（温度）与设定值保持一致；检测被控变量，并与设定值比较得到偏差；按一定控制规律对偏差运算。输出信号驱动操纵变量（流量）。最终使被控变量恢复到设定值。变送器检测温度。控制器对偏差运算。执行器改变操纵变量。,温度控制系统的示例,3.1

7、 单回路控制系统的结构与组成,控制系统的有关术语,被控对象（Process或Object）：被控制的设备或装置；被控变量（Controlled Variable）：需要对其进行控制的工艺变量；操纵变量（Manipulated Variable）：受执行机构操纵，用于克服扰动影响的变量；扰动（Disturbance）：影响被控变量的各种干扰作用；检测变送（Sensor，Transmitter）：把被控变量检测出来，并转换成标准信号，送控制器；控制器（Controller）：根据设定值与测量值间的偏差，按控制规律输出信号的设备；执行器（Control Valve）：接受控制器输出信号，控制操纵变量

8、的设备。,3.1 单回路控制系统的结构与组成,框图中的各个信号是增量。箭头表示信号流向，不是物流和能量流。各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环节输入增加时，输出增加，增益为正；输出减少，增益为负。常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象，用G0(s)表示。该环节增益除以该物理量基准值表示为无量纲描述。控制器输入和输出采用标准信号时，广义对象增益是无量纲的。,控制系统的有关术语,3.1 单回路控制系统的结构与组成,控制通道：操纵变量到被控变量的通道。扰动通道：扰动变量到被控变量的通道。扰动影响被控变量或设定值变化时，通过控制通道调节。改变操纵变量，克服扰动对被控变

9、量的影响或跟随设定变化。定值控制系统：设定值固定的控制系统。随动控制系统：被控变量跟随设定值变化的控制系统。采样控制系统：包含采样开关的控制系统。如，计算机控制系统。常将检测变送环节表示为1，检测变送与被控对象合并考虑。尽可能选择直接被控变量，少用间接被控变量。,控制系统的有关术语,3.1 单回路控制系统的结构与组成,稳定性：控制系统闭环极点位于s左半平面。准确性：控制系统被控变量与设定（参比变量）之间的偏差尽量小。快速性：控制系统存在偏差的时间尽量短。偏离度：控制系统被控变量偏离设定（参比变量）的离散度尽量小。,时域控制性能指标,衰减比n：系统稳定性指标。超调量和最大动态偏差：系统稳定性指标

10、。余差：系统准确性指标。恢复时间和振荡频率：系统快速性指标。偏离度：系统综合性指标。,3.1 单回路控制系统的结构与组成,综合性控制指标（积分鉴定指标）,常用积分鉴定指标的形式是： （1）平方误差积分准则ISE（Integral of Squared Error Criterion）：（2）绝对误差积分准则IAE（ Integral of Absolute Value of Error Criterion ）：（3）时间乘绝对误差积分准则ITAE（ Integral of Time Multiplied by The Value of Error Criterion ）：对存在余差的系统，采用

11、 作为误差项代入。采用不同积分指标，所获得的过渡过程的性能要求也不同。 例如，ISE最小的系统着重于抑制过渡过程中的大误差，但衰减比很大；ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间过长，但过渡过程振荡激烈。误差积分指标不能都保证控制系统具有合适的衰减比。,3.1 单回路控制系统的结构与组成,控制系统运行的重要准则,（1）负反馈准则 控制系统成为负反馈的条件是该系统各开环增益之积为正。即，（2）稳定运行准则 控制系统静态运行条件是扰动或设定变化时，控制系统各环节增益之积恒定。即， 控制系统动态运行条件是扰动或设定变化时，控制系统总开环传递函数的模恒定。即,3.1 单回路控制系统的结构与组成,控制对

12、象的动态特性：是指其输入信号变化时，输出随时间变化的规律,被调量,干扰作用,被控对象,G0（s）,W0（s）,干扰通道,控制通道,输入,控制作用,控制通道,干扰通道,3.2 被控变量的选择,控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态偏差y（）或e（）、控制时间ts等 。,描述对象特性的特征参数是放大系数K 、时间常数To（T）、迟延时间（n） 。,3.2 被控变量的选择,被控变量：生产过程中借助自动控制来保持恒定值的变量。必须找出影响生产的关键变量作为被控变量。 关键变量：是指对产品的产量、质量及安全具有决定性作用，而人工操作又难以满足要求的变量。,选择被控变量时，一般要遵循下列原则

13、： （1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标，或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 （2）被控变量在工艺操作中经常要遇到一些干扰影响而变化。维持被控变量的恒稳，所选取的被控变量应能较频繁的调节。 （3）尽量选直接控制指标作为被控变量。若无法获取直接指标信号，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标为被控变量。 （4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。 （5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和仪表产品现状。 （6）被控变量应该是独立可控的。,3.2.1 被控变量的选择原则,3.3 操纵变量的选择,操纵变量：用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。应把对

14、被控变量影响较显著的可控因素作为操纵变量。,选择操纵变量时，应尽量考虑： （1）与被控变量的因果关系。 （2）有利于实现自动化控制。 （3）具有快速的动态响应性能。 （4）对较大的扰动具有补偿作用。 （5）能够对过程性能的不利影响进行快速的调节。,3.3.1操纵变量的选择原则,影响提馏段灵敏板温度T灵的因素主要有：进料的流量（Q入）；进料的成分（X入）；进料的温度（T入）；回流的流量（Q回）；回流液的温度（T回）；加热蒸汽的流量（Q蒸）冷却器冷却温度及塔压等。 以上因素都会引起被控变量T灵的变化。,3.3.2 操纵变量的选择,把影响提馏段灵敏板温度T灵的因素分为两类：可控因素和不可控因素。可控

15、因素包括：回流量与蒸汽流量。其余都是不可控因素。在不可控因素中，有些也是可以调节的，例如进料量、塔压等，但工艺上不允许用调节这些变量来控制塔的温度。（因为进料量的波动意味着生产负荷的波动，塔压的波动意味着塔的工作不稳定。）在回流量与蒸汽流量两个可控因素中，蒸汽流量对提馏段温度影响更显著，更节能。所以选蒸汽流量为操纵变量 。,3.3.2 操纵变量的选择,3.4 控制参数的选择,过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大系数K0对控制质量的影响。,3.4.1 过程静态特性对控制质量的影响,确定控制通道和扰动通道静态放大倍数的关系（一阶惯性）,3.4.1 过程静态特性对控制质量的影响,系统余差,

16、3.4.1 过程静态特性对控制质量的影响,放大系数K0对控制质量的影响,控制通道的放大系数KcK0 是一种互补关系，如果Kc保持不变，K0增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的动态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长 。,结论扰动通道的静态放系数 越大，系统余差越大；控制通道的放大系数 越大，系统余差越小，克服扰动通道的效果越好；由于 ，则控制器增益和控制对象的增益有一定的关系。,3.4.1 过程静态特性对控制质量的影响,过程的动态特性包括过程扰动通道和控制通道 1. 扰动通道特性的影响 （1）扰动通道 的影响,3.4.2 过程动态特性对控制质量的影响,结论 扰动通道的时间常数使系统特征方程式增加了一个极点 愈大，则扰动通道对系统的影响愈小。,干扰通道的特征参数对控制质量的影响,（2）滞后时间常数 的影响结论 扰动滞后时间常数使整个过程推迟一个滞后时间常数，所以存在扰动滞后对系统有利。,