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1、第六章 单回路控制系统,第一节 系统组成和设计概述 第二节 被控量和操纵量的选择 第三节 比例、积分、微分及控制器的选型 第四节 控制器的参数整定,第一节 系统组成和设计概述,一、单回路控制系统的组成 单回路控制系统（又称简单控制系统）：它是只有一个检测元件或变送器，一个控制器，一个执行器连同被控对象，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统，见图6-1所示。 广义被控对象：把执行器、被控对象、检测元件及变送器等环节归在一起，称为“广义被控对象”，这样单回路控制系统又可简化成由广义对象和控制器两部分组成。,图6-1 单回路控制系统,1液位变送器 2液位控制器 3执行器,单回路控制系统结构简单，
2、投资少，技术成熟，适用于被控对象滞后时间比较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不很高的场合。,控制器,执行器,被控对象,检测元件，变送器,设定值,R(s),+,E(s),U(s),（s）,Y(s),广义对象,被控量,图6-2 典型单回路液位控制系统,见图6-2的液位控制系统就是一个典型的例子。尽管单回路控制系统比较简单，但它的系统设计方法、控制器的参数整定方法却是各种复杂控制系统设计和整定方法的基础。本章将介绍控制系统的一些共性问题。,二、单回路控制系统的设计概述 过程控制系统设计包括系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、控制器参数整定等4个主要内容。 控制方案设计是系统设计的核心。
3、单回路控制系统的方案设计要考虑：如何选择被控量和构成反馈回路所采用的操纵量；被控量信息的获取，即采用什么传感器和变送器；控制器的选型；执行器及控制阀的选择；以及多参数系统中各单回路系统间的关联影响。 在设计方案确定以后，工程设计主要是仪表选型，成套设计，供电供气系统设计，仪表的机柜和控制室设计，以及信号连锁保护系统设计等。,过程控制系统正确安装是系统正常运行的保证，安装完成后还要对每台仪表进行单独调试和联机调试。 为了使系统运行于最佳状态，控制器的各个参数都需要进行整定，参数整定是过程控制系统设计的一个重要环节。 通过参数整定可以使被控对象的特性与控制器特性合理配合，从而获得满意的控制质量。,
4、第二节 被控量和操纵量的选择,一、被控量的选择 二、操纵量的选择 三、过程静态特性分析 四、过程动态特性的分析,一、被控量的选择 根据工艺要求选择被控参数是系统设计的重要内容。它的选择对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节约能源、改善劳动条件、保护环境都具有决定性的意义。对于一个生产过程，影响运行的因素很多，但并非都要加以控制，必须根据生产工艺要求，深入分析工艺过程，熟悉和掌握工艺操作的要求，从中找出对安全生产、产品的产量和质量、经济运行、环境保护等具有决定性作用的工艺参数，在这些工艺参数中再选择可直接测量的工艺参数作为被控参数，构成过程控制系统，这样的工艺参数称为直接参数。在选择被控量时尽可
5、能采用直接参数。,但在有的系统中选用直接参数有困难，此时可以选择那些间接反映产品产量和质量，以及安全、环保的参数作为被控量。例如在化工生产的精馏塔中，塔顶馏出物或塔底残留物的浓度是控制精馏塔产品纯度的最好的直接被控量，但是由于目前对于成分检测还存在不少问题，准确检测有困难，取样周期也比较长，满足不了自动控制的要求，因而可用塔顶或塔底的温度这个间接参数，作为被控量代替成分量，设计控制系统。,总的来说，被控量选择要根据以下几点： 1) 被控量的选取必须考虑工艺过程的合理性和 所选用仪表的性能。 2) 要有能灵敏检测被控量的仪表。 3) 应该选择和生产的产品产量、质量、生产的安全性、经济性以及环保有
6、着决定作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。 4) 如不能采用直接参数作为被控量时，可以选择间接参数作为被控量，但它必须和直接参数有单值的函数关系。,二、操纵量的选择 在被控量确定之后，将确定操纵量。能控制被控量的因素可能有很多，设计人员必须在熟悉工艺过程和掌握工艺机理的基础上，认真分析干扰的来源，以及对系统的影响，以被控对象特性参数对控制质量的影响为依据，合理、正确地选择操纵量。,三、过程静态特性分析,图6-3 单回路控制系统简化方框图,图6-3的方框图可以画成6-3a和图6-3b的形式,图中Wc(s) Wd (s),W0(s)分别为控制器，干扰通道和被控对象的传递函数，并设： (6-1)
7、 系统的闭环传递函数为,由图6-3可得系统的偏差E(s)为 对定值控制系统而言R(s)=0，因而 (6-2) 在单位阶跃扰动作用下，控制系统的余差C，可按式（6-2）由偏差E(s)，根据终值定理求得 (6-3),如干扰函数有D(s)1/s，将式(6-1)带入上式，可以求得系统的余差为 (6-4) 从上式明显看出： 1) 干扰通道的放大系数Kd越小越好，这样余差减少，而控制精度得到提高。 2) 控制器的放大系数Kc和被控对象的放大系数K0的乘积越小，余差越小。而控制器的放大系数Kc是可调的，因此，被控对象放大系数的影响较小，可用Kc来补偿。当然，控制器的放大系数中Kc也有一定的范围，如超出可以补
8、偿的范围，也会对余差造成影响。,四、过程动态特性的分析 过程干扰通道动态特性的影响 过程控制通道对控制质量的影响,1.过程干扰通道动态特性的影响,(1)时间常数对控制质量的影响 (2)滞后时间对控制质量的影响 (3)扰动点位置对控制质量的影响,(1)时间常数对控制质量的影响,在见图63单回路控制系统中，当R(s)=0时，则系统的闭环传递函数为 (6-5) 设Wd(s)为单容过程，其传递函数为 则上式可写成 (6-6),系统的特征方程为 (6-7) 从式(6-7)可见，由于干扰通道为一个一阶惯性环节，使系统增加了一个（1/ Td） 的附加极点a，见图6-4所示。,图6-4 复平面,随着时间常数T
9、d的增大，极点a向 j 轴靠近，这样，在此极点a对应的过渡过程分量衰减系数减小了，使过程变慢，过渡过程时间加长。但由于该点在实轴上，因此其影响并不大。且由于过渡过程将乘上一个 1/Td 的数值，使过渡过程的动态分量的幅值减小了Td倍，从而使控制过程的超调量随Td的增大而减小，提高了系统的控制质量。也可以这样理解：Wd(s)是一阶惯性环节，它对扰动D（s）起了滤波作用，抑制了扰动对被控参数的影响。Td愈大，扰动对被控量的影响愈小，控制质量愈高。,(2)滞后时间对控制质量的影响,干扰通道存在纯滞后时间d0时,系统的闭环传递函数为: (6-8) 闭环系统的特征方程仍为: 故说明扰动通道纯滞后时间不影
10、响系统的控制质量。仅使系统的响应曲线Y（t）推迟了一个时间延迟d0，并使干扰信号变得和缓一些，d0 越大，干扰变得越平缓，对系统克服干扰就越有利。这和前面所述的时间常数Td的影响一致。,（3）扰动点位置对控制质量的影响,一个被控对象可能存在多个干扰，但干扰引入系统的位置不同，则对系统的影响也就不同。设被控对象由三个相互独立的单元环节串联组成，设各环节放大系统都等于1，时间常数相差也不大，在1#、2#、3#三个位置引入干扰，如图6-5a、b所示。为了区分干扰作用的位置对控制质量的影响，将图6-5画成图6-6的形式,图6-5 液位控制,图6-6 位置不同的干扰对系统的影响,由前所述，干扰通道惯性环
11、节越多，对干扰信号的缓和作用越强，起到了滤波的作用，从图中可以看出，D1影响最小，D2次之，D3影响最大。在选择操纵量时，应使干扰信号远离控制量检测点而靠近控制阀的位置引入系统，这样对提高控制质量有利。 在这里还应指出的是，干扰信号的幅值大小对控制质量的影响，幅值越大，影响也越大，克服它也就困难。,2、过程控制通道对控制质量的影响,(1) 时间常数T对控制质量的影响 (2) 滞后时间对控制质量的影响 (3) 时间常数的匹配 (4) 选择过程操纵量的一般原则,(1) 时间常数T对控制质量的影响,控制通道的时间常数的大小反映了控制作用的强弱，也反映了克服扰动影响的快慢。时间常数较大，控制作用较弱，
12、反应也较弱，过渡过程时间就比较长，控制质量差。而时间常数小，控制作用强，克服干扰影响快，过渡过程时间短。但如果时间常数太小，就容易引起过渡过程的多次振荡，被控量难于稳定下来，系统的稳定性会有影响。 在以上出现的几种情况中，过渡过程时间常数为较大的情况出现得较多，如炉温控制中，其时间常数都比较大。在这种情况下，应合理选择执行器的位置，使执行器到被控量检测点之间的容量系数减小，从而减小控制通道的时间常数。在控制方式上可以采用复杂控制方案，如前馈控制等。,(2) 滞后时间对控制质量的影响,控制通道的滞后时间包括纯滞后o和容量滞后c两种，它们对控制质量的影响都不利，尤其是o的影响。 在图6-7的系统中
13、，设 对象的纯滞后o = 0，其开环传递函数为,Kc,图6-7 具有纯滞后的系统,R(s),+,E(s）,Z(s),-,Y(s),(6-9),根据奈奎斯特判据，KcKo不论多大，闭环系数总是稳定的，频率特性见图6-8所示。 如上述系统中，对象存在纯滞后o，那么对象的传递系数为 则系统的开环传递函数为,图6-8 频率特性图,(6-10),(6-11),由于o的存在，使相角滞后增加了o弧度，而幅值不变。其频率特性求法如下： 在o = 0时的W（j）曲线上取1、2各点，如A点处，频率1，取W（j1）的幅值，但相角滞后增加了1o的弧度，从而定出了新的W（j1）的A点，同理得出2，3 时各相应的点B,C
14、 , 将A,B,C各点连接起来，即为W（j）的幅相频率特性。从该曲线可见，当00时，随Kc Ko的增加，W（S）有可能包围（1，zo）点，同时o值大，包围（-1，zo）点的可能性更大。 所以，纯滞后时间0的存在降低了控制系统的稳定性。,控制通道的容量滞后c同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降。但是c的影响比纯时间滞后o 对系统的影响缓和。另外，若引入微分作用，对于克服c 对控制质量的影响有显著的效果。 由于上述分析可知，在选择操纵量时，要设法使控制通道的时间常数适当小一点，滞后时间则越小越好。,（3） 时间常数的匹配,在实际生产过程中，被控过程可能是多个一阶环节串联而成，其时间常数分别为T
15、1,T2,T3,设: 时间常数T1 T2 T3 。 在稳定的边界条件下, 用代数判据来判别系统的稳定性，系统的总增益Km和临界频率K和时间常数T有下列关系： (6-12),Km K.被定义为系统的准品质指标，过程控制系统的控制质量可以用它来描述。这样不论Km或K提高，都认为控制系统的控制质量提高。 如设T1 = 10，T2 =5，T3 =2，接上式可以计算得Km K.=5.2。每次改变其中一个或两个时间常数，可求得一组Km K.，和Km K.值，其结果如表6-1所示。,表6-1 时间常数匹配对质量的影响,从表6-1中的数值变化可以看出： 1) 减小过程中的最大时间常数T1，不但无益，反而使Km
16、 K比原始数据小，引起质量下降。 2) 减小T2和T3都能提高控制性能的准品质指标，若同时减小T2、T3则提高性能指标的效果更好，可达到14.2。 3) 增大最大时间常数T1使 wk略有下降，但Km增大有助于提高准品质指标。 因此，在选择控制通道时，减小中间大小的那个时间常数，把几个时间常数的数值错开一些，可使系统的工作频率提高，过渡过程时间缩短，余差和最大偏差显著减小，系统的控制质量得到提高。,（4）选择过程操纵量的一般原则,选择操纵量时应使控制通道的放大系数K0适当大一些，时间常数To适当小一些，纯时间滞后o越小越好，在有纯滞后o的情况下，o 和To的比应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。 选择干扰通道的放大系数Kd尽可能小，时间常数Td要大，扰动引入系统的位置要远离控制过程，靠近控制阀，容量滞后愈大
