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1、单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.1单回路系统的结构组成, 单回路反馈控制系统四个基本环节：被控对象、测量变送、控制器和控制阀反馈控制中的最基本系统特点：简单、有效、 应用最成熟、最普遍 - 占70%以上,1.1单回路系统的结构组成,F1增加 L增加 变送
2、器输出信号增加 偏差（测量值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 阀开度增加 F2增加 L降低；,工作过程：,1.1单回路系统的结构组成,给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。,被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。, 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。,1.1单回路系统的结构组成, 控制系统的原理和作用（定值）,维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类
3、： 温度控制回路、压力控制回路、流量控制回路、物位（液位）控制回路,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,控制系统的设计目标,1.2 被控变量的选择,即，要控制什么基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）,分类,1.2 被控变量的选择,直接
4、控制,最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数温度、压力、液位、流量,间接控制,质量指标，以及一些特殊的参数 成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制应根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制,1.2 被控变量的选择,例1：,苯、甲苯二元精馏系统,质量指标是最重要的控制参数如塔顶产品的纯度 xD但 xD 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。根据精馏原理，xD = f (TD, p), 即与温度和压力成非线性函数关系。理论上，固定一项，就可用另一项控制xD 。一般的，实际中都采用恒定p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。,1.2 被控变量的选择,选择原则
5、：（1） 测量滞后 P（2） 工艺合理性 T 工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率各块塔板压力恒定，XD与T有对应关系 选择XD=F（T）,1.2 被控变量的选择,选择被控变量的原则,（1）尽可能选择直接质量指标参数； （2）必须选择间接量指标参数时，选择对目标参数影响最显著的可控参数，单值对应关系最好； （3）灵敏度好，反映产品质量变化，易于控制； （4）考虑工艺的合理性、测量仪表的选择。,操纵变量的选择： （1）一般选系统中可以调整的物料量或能量参数，多是流量； （2）不止一个，重要因素,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对
6、控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,对象特性分析,精馏塔: 影响塔顶成分的有,温度、压力、 进料流量、进料成分等,对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个，因此，实际上都是多输入系统（MIMO),F1,F2,Fn,Y,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,设计单回路控制系统:,必须从影响被控
7、量的诸多影响参数中 选择一个，作为操纵变量其它影响量则只能视作干扰量了,控制：,用操纵量克服干扰量对被控变量的影响,F1(s),F2(s),U(s),Y(s),Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵量输出：控制通道 干扰量输出：干扰通道 干扰作用与控制作用相互对立而存在 问题：如何选择一个良好的操纵变量。 分析通道特性,通道的概念：通道就是某个参数影响另外一个参数的通路,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择, 干扰通道特性分析,=,GPD(s),1+ Gc(s) GPC(s)
8、,Y(s),F(s),干扰作用下的闭环传递函数为：,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1） 放大倍数Kf的影响,结论：Kf越大，系统的余差也越大，控制质量越差,Y()=,Kf,1+ KC Ko,分析过程：,Y(s)=,GPD(s),1+ Gc(s)GPC(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2） 时间常数Tf的影响,结论：Tf越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统的动态偏差越小， 控制质量提高干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3） 纯滞后 f的影响,结论
9、：干扰通道的纯滞后对控制系统质量没有影响，只是滞后了干扰对控制的影响,Y(s)=,GPD(s)e-s,1+ Gc(s) GPC(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,干扰通道特性对控制质量的影响,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择, 控制通道特性分析,Gc(s),GPC(s),GPD(s),R(s),E(s),F(s),1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（1） 放大倍数K0的影响,静态：控制通道放大倍数K0大，控制系统稳态余差小，见式（1-7） 动态：控制系统衰减比与Kc 与K0的乘积有关，见式（1-18），且Kc K0越大，越小，稳定
10、性差，因此，要保证Kc K0=常数。在Kc K0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望K0大些好,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（2） 时间常数T0的影响,从控制系统传递函数推导进行分析 结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。一般希望控制通道时间常数小些好。但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,（3） 纯滞后 0的影响,结论：纯滞后0的存在，使得控制不及
11、时，增加动态偏差，降低稳定性。控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,操纵变量的选择,兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也不宜作为操纵变量。,实质上是决定了控制通道的选择。,原则：,（1） 操纵变量必须可控,（2） 选择通道放大倍数相对大的,（3）选择通道时间常数相对小的（干扰通道 时间常数大些）,（4）选择通道的纯滞后尽量小,（5）选择使干扰点远离被控变量而靠近控制阀,1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影
12、响图,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,第1章,1.4 控制阀的选择,控制系统的执行部件 接受控制器的命令执行控制任务。 选择内容： 口径大小、开闭形式、流量特性、结构形式,口径大小, 直接决定介质流过的能力,1.4 控制阀的选择,通过计算阀的流通能力，并且保证具有一
13、定的余量，具有较宽的可控范围。,口径过大，正常流量时阀门处于小的开度，阀的特性不好；,口径过小，正常流量时阀门处于大的开度，阀的特性也不好。,开闭形式,气动控制阀：,1.4 控制阀的选择,电动控制阀：,一般均为电开式（电机带动阀门）,气开式输入气压信号（来自控制器）增大，,气闭式输入气压信号（来自控制器）增大，,控制阀的气开、闭形式的选择原则：,1.4 控制阀的选择,（1）安全角度：即当出现意外事故时，如气源中断，或电源中断，此时输入控制阀的气压信号最小，这时，考虑到工艺设备的安全性，必须使阀门全闭（气开式）或阀门全开（气闭式）如：锅炉燃气控制阀气开式,（2）质量角度：出现以外事故，考虑产品质
14、量（3）消耗角度：原料、成品及动力消耗（4）介质特点：特殊介质，考虑气结晶、蒸发等因素,1.4 控制阀的选择,流量特性,流量特性：指流体通过阀门的相对流量和阀门相对开度 之间的关系 Q/Qmax=f(L/Lmax)Q/Qmax 相对流量 f(L/Lmax)相对开度,1.4 控制阀的选择,流量特性,目前控制阀的特性有三种：线性特性、对数特性（等百分比特性）、快开特性,L/Lmax,F/Fmax,一般的，生产负荷变化对象特性发生变化如，热交换器：负荷（被加热的流体）增大： 通过热交换器的时间缩短，纯滞后减小； 特性改变流速增大，传热效果变好控制系统投运时，已经整定好了PID参数，一旦对象特性发生变
15、化时，原来好的PID参数就变得不好了,1.4 控制阀的选择,流量特性,什么时候选择非线性特性？,（1）选择自整定调节器，代价大 （2）通过控制阀的特性选择进行弥补K 1 / K0G0 如对象负荷静态部分K0与控制阀流量F成反比， 对象负荷动态部分G0与控制阀流量F成正比， 控制阀特性取线性； P15 表1-1 控制阀流量特性的选择课本P15分析的例子 P16 表1-2 控制阀流量特性经验选择,1.4 控制阀的选择,流量特性,解决办法：,1.4 控制阀的选择,结构形式,直通单座、直通双座、角阀、高压阀、蝶阀、 隔膜阀、三通阀适用于不同工艺场合表1-4,A,B,C,1.4 控制阀的选择,阀门定位器,控制阀的辅助装置接受控制器信号，输出控制控制阀作用：提高控制阀控制精度，准确定位；功率放大；可改变控制阀流量特性；可实现分程控制,单回路反馈控制系统,1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究,
