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1、第6章 单回路控制系统,本章基本要求：,1.了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2.熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握被控参数、控制 参数的设计原则； 3.了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节规律的选择方法； 4.掌握调节器作用方式的选择； 5.熟悉执行器的选择方法及注意的问题； 6.掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重点掌握调节器参数 的工程整定方法。,单回路控制系统是指只有一个测量变送器、一个调节器、一个调节阀连同被控过程，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。,特点： 结构简单、投资少、易于调整和投运，能够满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛（80%以上），尤
2、其适用于被控过程的纯时延和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不太高的场合。 单回路控制系统是复杂控制系统的基础。,6.1 单回路控制系统设计概述,为了设计一个好的单回路控制系统，并使系统在运行时能够获得满意的控制效果，首先应该对具体生产工艺做全面深入的了解，掌握生产过程的静态和动态特性，并从全局出发，根据工艺要求，提出明确的控制目标；然后运用自动控制理论知识和相应的分析方法，从控制质量、节能、生产安全和成本等多方面考虑，确定一个合理的控制方案；最后还需要考虑系统实施中的具体向题，包括自动化仪表的选型、安装、投运以及控制器参数的工程整定等。,6.1.1 过程控制系统设计的基本要求
3、,生产过程对控制系统的要求是多样性的，可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。 安全性是指在整个生产过程中，过程控制系统能够确保人员与设备的安全，这是对过程控制系统最重要也是最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。,稳定性是指在存在一定扰动的情况下，过程控制系统将工艺参数控制在规定的范围内，维持设备和系统长期稳定运行，使生产过程平稳、持续地进行，是保证生产过程正常工作的必要条件。由自动控制理论的知识可知，过程控制系统除了要满足绝对稳定性的要求之外，同时要求系统具有良好的动态响应特性。 经济性是指保证产品产量、质量的同时，节省原材料，降低能源消耗，提高经济效益与
4、社会效益。采用有效的控制手段对生产过程进行优化控制是满足工业生产对经济性要求不断提高的重要途径。 实际工程中对过程控制系统的各性能指标要求往往存在矛盾，因此在实际控制系统设计时，应根据实际需要，分清主次，首先保证满足最重要的性能指标要求并留有适当余地，同时协调、兼顾其他指标的要求。,6.1.2 过程控制系统设计的基本方法,过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表组成，所以系统设计时必须从整体出发进行考虑。在很多场合，先给定被控过程，然后再进行系统设计，即已知过程数学模型，然后来设计系统的其他部分。 从控制的观点来正确选择过程检测控制仪表，可保证过程控制系统的品质指标。,系统的性能指标通常是由
5、用户或设计制造单位提出来的。性能指标的提出要有根据，决不能脱离实际。 一个过程控制系统能否符合其性能指标要求，往往还要对系统进行综合校正，在过程控制中，称此项工作为参数整定。 系统控制方案的设计和调节参数的整定是过程控制系统设计的两个最重要内容。所以工程设计者应根据被控过程的特性和对过程控制系统的各项技术要求，从全局出发选择合理的控制方案。,6.1.3 过程控制系统设计的步骤,过程控制系统设计，从设计任务提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计多次反复的过程。过程控制系统设计大致可分为以下几个步骤。 1熟悉和理解工业生产对控制系统的技术要求与性能指标； 2建立被控过程的数
6、学模型； 3确定控制方案； 4控制设备选型； 5实验（或仿真）验证 。,6.2 单回路控制系统方案设计,对于过程控制系统的设计和应用来说，控制方案的设计是核心。单回路控制系统控制方案设计的内容有： 1.被控参数的选择； 2.控制参数的选择； 3.测量、变送器的选择； 4.执行器的选择； 5.调节器（控制器）的选择等。,6.2.1 被控参数的选择,生产中希望借助控制系统保持恒定值（或按一定规律变化）的参数称为被控参数，也称为被控变量。 根据被控参数与生产过程的关系，被控参数的选择通常有两种方法。分别为直接参数法和间接参数法。 被控参数选择有时是一件十分复杂的工作，归纳起来，选取被控参数的一般原则
7、为：,（1）选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数 （2）当不能用直接参数作为被控参数时，应该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。 （3）被控参数必须具有足够大的灵敏度。 （4）被控参数的选取，须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。,6.2.2 控制参数的选择,在控制过程中，使被控变量发生变化的影响因素往往有多个，而且各种因素对被控变量的影响程度也各不相同。现在的任务是从影响被控变量的许多因素中选择其中的一个作为控制参数，而其他未被选中的因素均被视为系统的干扰。 导致被控变量变化的参数大致可分为两类：一类为可控
8、参数；另一类为不可控参数。显然，不可控因素只能作为干扰来影响被控变量 。 当对工艺进行分析后仍然有几个可控参数可供选择时，下一步便是从控制的角度进行分析，看哪一个可控参数能够更有效地对被控变量进行控制，即选择一个可控性良好的作为控制参数。,1.对象静态特性对控制质量的影响 对象静态特性主要由对象的放大系数K来表征，它揭示了对象由一个稳态过渡到另一个稳态时，其输入量与输出量之间的对应关系。研究对象静态恃性对控制质量的影响就是看放大系数K对控制质量的影响。,（a） （ b）,图中W(s)为调节器的传递函数；W0(s)为控制通道的传递函数；Wf(s)为扰动通道的传递函数。并设：,被控量Y(s)对扰动
9、量F(s)的传递函数为：,由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统稳态值可用终值定理求得：,由此可知，在比例控制系统中，对象放大系数对控制系统过渡过程的幅值有很大影响。具体讲，干扰通道的放大系数Kf与过渡过程的余差和最大偏差成正比。也就是说，Kf越大，被控变量偏离给定值就越远，控制精度也就越差。而对于控制通道的放大系数K0来说，理论上它的大小对过渡过程的余差和最大偏差没有影响。因为从广义的角度看，控制通道放大系数的大小可以由控制器的放大系数Kc进行补偿，即使对象控制通道的放大系数0较小，也可通过选取较大的Kc，使得控制通道总的放大系数足够大以满足控制要求。但是，由于控制器Kc的取值范围是有限的
10、，当对象控制通道的放大系数超过了控制器Kc所能补偿的范围时，则K0对余差和最大偏差的影响便会显现出来。在工艺允许的前提下，还是希望对象控制通道的K0尽可能地大一些，这样既有利于提高控制参数对被控变量控制的灵敏度，又有利于发挥控制器Kc的作用。 总之，从对象的静态特性考虑，干扰通道的放大系数越小，被控变量的波动就越小；控制通道的放大系数大于干扰通道的放大系数，对控制质量的提高是有利的。,2.对象动态特性对控制质量的影响 1）过程扰动通道对动态特性的影响 （1）时间常数Tf的影响。单回路控制系统中，当X(s)=0时，则系统的闭环传递函数为：,设Wf(s)为一单容过程，其传递函数为：,则 ：,由上式
11、可知，由于扰动通道为一个一阶惯性环节，使系统的特征方程式中增加了一个极点。所以，扰动通道的时间常数Tf越大，则扰动对被控参数的影响越小，控制质量也越好。,（2）时延f的影响。当扰动通道存在时延f时，在给定信号X(s)作用下，系统的闭环传递函数为：,当扰动通道有时延时，在扰动作用下，系统的闭环传递函数为：,比较式上两式可知，两式的分母相同，即其特征方程相同。所以说扰动通道的时延不影响系统的控制质量，仅使系统的响应曲线Y(t)推迟了一个时延f。,2. 过程控制通道对动态特性的影响 对控制通道而言，如果时间常数T0太大，则控制作用太弱，被控变量的响应速度过慢，控制作用不及时，过渡过程的偏差加大，过渡
12、过程时间延长，系统的控制质量下降。随着控制通道时间常数的减小，系统的工作频率会逐渐提高，控制作用变得及时，过渡过程时间缩短，控制质量容易得到保证。但是，控制通道的时间常数也不是越小越好，因为时间常数太小，系统将变得过于灵敏，容易引起剧烈振荡，反而使系统的稳定性下降，从而不能保证控制质量。所以在设计系统时，控制通道的时间常数T0适当小一点，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。,3选择控制参数的原则 综合以上的分析结果，可以归纳以下几条原则作为选择控制参数的依据： （1）控制参数必须是可控的。即所选控制参数不仅在工艺上能够实现控制，而且在工艺上允许对其进行控制。 （2）控制参数的选择应充分考虑工
13、艺的合理性和生产的经济性。在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制参数。 （3）控制参数一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，所选控制参数应使控制通道具有较大的放大系数和适当小的时间常数，而控制通道的时延则越小越好。,6.2.3 测量、变送器的选择,测量和变送是一个信息获取和传送的重要环节。对于测量变送环节通常可用一阶加时延来描述，即 ：,1测量变送对控制质量的影响 测量变送对控制质量的影响主要是滞后问题造成测量滞后的原因主要有： （1）测量元件的安装位置选择不当，远离被控变量的灵敏变化区； （2）由于受到工艺条件的限制，无法将测量元件安装在理想的测量点； （3）有些测量装置
14、，尤其是成分和物性测量仪表本身存在严重的纯滞后； （4）由于测量信号的传输线路长造成的传递纯滞后，这一问题主要表现在气动信号上； （5）测量环节存在的容量滞后。,2测量、变送器选择的原则 1）选择快速测量元件 克服测量滞后的根本方法就是选择快速测量元件，以减少测量环节的时间常数。 2）选好检测点位置 检测点位置选择的合理，不仅可以减小测量滞后，而且还可以缩短测量环节的纯滞后，这对于改进控制系统的质量是十分有利的。 3）正确使用微分单元 对于测量滞后很大的系统，在测量环节的输出端串接一个微分单元是一个很好的解决办法实际上，微分单元对于测量滞后的失真信号起到了一种超前补偿作用。但是微分单元对于克服
15、测量环节的纯滞后是无能为力的。因为在纯滞后时间里，参数变化速度等于零，因而微分单元的输出也等于零，微分单元起不到超前补偿作用。 4）正确地选择、安装和使用测量变送装置 正确地选择、安装和使用测量变送装置可将测量环节的误差减小到最低限度，有利于提高控制系统的控制精度和质量。,6.2.4 执行器的选择,过程控制使用最多的是由执行机构和调节阀组成的执行器。 1调节阀工作区间的选择 在过程控制系统设计中，确定调节阀的公称直径是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%85%之间。 2调节阀的流量特性选择 调节阀的流量特性选择一般分两步进行。首先要根据生产过程的工艺参数和对控制系统的
16、工艺要求，确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门的选型。 3调节阀的气开、气关作用方式选择 调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。控制系统选择调节阀气开或气关作用方式完全由生产过程的工艺特点和安全要求决定。一般说来，要根据以下几条原则进行选择： 1）人身、系统与设备安全原则； 2）保证产品质量原则； 3）减少原料和动力浪费的经济原则； 4）基于介质特点的工艺设备安全原则。,6.2.5 调节器（控制器）选择,调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有至关重要的影响，也是过程控制系统设计的核心内容之一。在实际工业过程控制中，比例、积分、微分（简称PID）是运用最为广泛的最基本的的调节规律。 1选择调节器控制规律 1）调节规律对控制品质影响的分析 （1）比例（P）调节对系统控制品质的影响 在比例调节中，调节器的输出信号与输入偏差信号成比例关系，即 ：,
