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第三章单回路控制系统单回路控制系统2问题思考第八章第八章 单回路控制系统单回路控制系统控制器的参数整定控制器的选型系统概述系统概述单回路控制系统方案设计3第一节第一节 概述概述 单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重点之一。一、系统的基本结构 1、典型例子：见下图4液位变送器液位控制器执行器第一节第一节 概述概述5 2、系统方框图第一节第一节 概述概述63、特点 最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。二、过程控制系统的设计步骤1、建立被控过程的数学模型2、选择控制方案3、选择控制设备型号规格4、实验（与仿真）第一节第一节 概述概述7例储槽液位控制第一节第一节 概述概述8三、控制系统的工程考虑 包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。(2)(2)、对象信息的获取和变送、对象信息的获取和变送(3)(3)、执行器的选择、执行器的选择(4)(4)、控制器的选择、控制器的选择3、工程安装4、仪表调试 5、参数整定2、工程设计 1、方案设计 是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：(1)(1)、合理选择被控量、合理选择被控量(被控参数被控参数)和操纵量和操纵量(控制参数控制参数)第一节第一节 概述概述9确定被控变量确定被控变量确定被控变量确定被控变量第二节 单回路控制系统方案设计10被控参数的确定被控参数的确定例：喷雾干燥系统例：喷雾干燥系统系统被调参数：干燥器出口温度系统被调参数：干燥器出口温度y y。备选调节参数：备选调节参数：原料流量原料流量x1x1；空气旁路流量空气旁路流量x2x2热蒸气流量热蒸气流量x3x3第二节 单回路控制系统方案设计11第二节 单回路控制系统方案设计一、被控参数(即被控量)的选择 1.选择的意义 是控制系统方案设计的一个至关重要的问题。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、改善劳动条件有很大的作用。若选择不当，则不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，都不能达到良好的控制效果。12 影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。只有根据工艺要求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的工艺参数。2.选择方法(1).选直接参数 即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)(2).选间接参数 当选直接参数有困难时采用。(如用反应室的温度控制间接实现化学反应的质量控制。)第二节 单回路控制系统方案设计13直接指标控制：选择工艺指标要求的直接指标控制：选择工艺指标要求的量作为系统的被调参数。量作为系统的被调参数。例：饱和蒸气锅炉液位系统例：饱和蒸气锅炉液位系统第二节 单回路控制系统方案设计14直接指标控制：选择产品轻组份（苯）浓度作为被调参直接指标控制：选择产品轻组份（苯）浓度作为被调参直接指标控制：选择产品轻组份（苯）浓度作为被调参直接指标控制：选择产品轻组份（苯）浓度作为被调参数。数。数。数。缺点：缺点：在线分析仪表：反应慢，可在线分析仪表：反应慢，可靠性差。靠性差。成分作为被调参数：对象特成分作为被调参数：对象特性惯性大。性惯性大。第二节 单回路控制系统方案设计15间接指标控制：对于不便直接调节的工艺间接指标控制：对于不便直接调节的工艺直接指标，可以选择一个与直接指标相关直接指标，可以选择一个与直接指标相关的量进行调节，间接完成控制任务。的量进行调节，间接完成控制任务。例：精馏塔生产过程，例：精馏塔生产过程，质量指标：塔顶馏出物组份，即以塔顶产质量指标：塔顶馏出物组份，即以塔顶产品纯度为控制指标品纯度为控制指标第二节 单回路控制系统方案设计16间接指标控制：塔内温度、压力均与产品苯含量有单值关系。间接指标控制：塔内温度、压力均与产品苯含量有单值关系。但工艺上一般要求塔压最好固定不变。但工艺上一般要求塔压最好固定不变。第二节 单回路控制系统方案设计17间接指标控制：一般在塔内选择一块对温度反应最灵敏的塔间接指标控制：一般在塔内选择一块对温度反应最灵敏的塔间接指标控制：一般在塔内选择一块对温度反应最灵敏的塔间接指标控制：一般在塔内选择一块对温度反应最灵敏的塔板作为系统主回路的被调参数。板作为系统主回路的被调参数。板作为系统主回路的被调参数。板作为系统主回路的被调参数。例如提馏段的一块塔板（称为例如提馏段的一块塔板（称为灵敏板），即采用灵敏板温度灵敏板），即采用灵敏板温度T T灵作为间接控制指标。灵作为间接控制指标。第二节 单回路控制系统方案设计183.选间接参数的原则 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且测量。必须具有被控量间的独立性。第二节 单回路控制系统方案设计19间接指标控制间接指标控制（二元）（二元）精馏控制例精馏控制例主回路若干辅助回路主回路若干辅助回路第二节 单回路控制系统方案设计20多变量控制：一个工艺设备可能需多变量控制：一个工艺设备可能需多变量控制：一个工艺设备可能需多变量控制：一个工艺设备可能需要多个调节系统共同完成控制任务要多个调节系统共同完成控制任务要多个调节系统共同完成控制任务要多个调节系统共同完成控制任务第二节 单回路控制系统方案设计21二、控制参数(即控制量)的选择 当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。第二节 单回路控制系统方案设计22(一)、过程静态参数对控制质量的影响 (1).基本形式：如图3-3所示选择控制参数的一般原则如下：选择控制参数的一般原则如下：选择控制参数的一般原则如下：选择控制参数的一般原则如下：1.系统的简化方框图第二节 单回路控制系统方案设计23(2).突出干扰作用:框图如下图所示 第二节 单回路控制系统方案设计242.传递函数 则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为设传递函数分别为第二节 单回路控制系统方案设计253.稳态余差 由于系统本质是稳定的，则在单位阶跃扰动下的余差为 过程稳态特性对控制质量有很大影响，这是选择操纵参数的一个重要依据。应使Kf越小越好，以减弱扰动对控制参数的影响。最佳控制过程中，KcK0应为一常数，K0大小可通过Kc来调节。在控制系统设计时，控制通道的Kc拟适当选大一些。4.讨论第二节 单回路控制系统方案设计26 1.时间常数的影响 系统的超调量随Tf的增大而减少，控制质量得到提高。Tf变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。(二).干扰通道动态特性对控制质量的影响第二节 单回路控制系统方案设计272.滞后时间的影响 干扰通道的纯滞后时间仅使被控参数对其反应在时间上平移了一段时间 理论上无影响。干扰通道的容量滞后会使干扰信号变得缓和一些，对克服干扰有利。3.干扰作用位置的影响 (1).分析：如以下两图。如以下两图。第二节 单回路控制系统方案设计28(2).结论在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控量。第二节 单回路控制系统方案设计29(三).控制通道动态特性对控制质量的影响(1).T太大 特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂控制.1.时间常数的影响 (2).T过小 特点：控制作用增强，但系统容易振荡。措施：选择快速监测、控制、执行器件；设法降低控制通道的灵敏 度；改革工艺以使T增大。第二节 单回路控制系统方案设计30 (1).纯滞后0的影响较大,如图所示。应从 工艺着手改善。(2).容量滞后c比较缓和，引入微分作用可 有效克服。3.时间常数匹配对控制质量影响2.滞后时间的影响第二节 单回路控制系统方案设计31(四).选择控制参数的一般原则1.控制量应具有可控性，工艺操作的合理性和经济性2.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要适当小一要适当小一 些；纯滞后时间些；纯滞后时间 0 0越小越好，越小越好，0 0与与T T0 0之比应小于之比应小于1.1.2.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；扰动引入要大；扰动引入 系统的位置要远离控制过程系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀即靠近调节阀)；容量滞后愈大，；容量滞后愈大，愈有利于控制。愈有利于控制。3.如果有N个干扰同时作用于控制系统,由于由检测元件处进入干 扰时被控制量的影响最严重,因此在选择时,应尽力使干扰远离 被控量而诹执行器近些。4.如果广义对象由几个时间常数环节串联而成，选择控制量时应 尽可能避免几个T相等或相近的状况，越错开越好。第二节 单回路控制系统方案设计32(五).实例讨论 例：喷雾式乳粉干燥设备的控制。1.工艺流程：参见图参见图 2.控制要求：干燥后的产品含干燥后的产品含水量波动要小。水量波动要小。3.被控参数选择：干燥器里的干燥器里的温度温度 4.控制参数的选择 (三种方案如图所示三种方案如图所示)第二节 单回路控制系统方案设计3334 讨论后知，以风量作控制参数为最佳选择。第二节 单回路控制系统方案设计35第三节 控制器的选型 积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。TI愈小，稳定性愈差。信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。根据对象特性和控制质量要求 选择控制器的控制作用 确定控制器的类型。随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。(与自控 理论的分析一致。)随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。二、积分控制作用对控制质量的影响一、比例控制作用对控制质量的影响36三、微分控制作用对控制质量的影响(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但有余差。(2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量 在一定范围内变化的系统。引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。四、控制器的选型应由对象的特性和工艺要求确定 1、P控制器的选择第三节 控制器的选型37 2、PI控制器的选择 (1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。(2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。(2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。4、复杂控制系统3、PID控制器的选择第三节 控制器的选型38五、控制器正、反作用的选择 原则：使整个单回路构成负反馈系统使整个单回路构成负反馈系统-乘积为负。乘积为负。1 1、控制阀：气开式为、控制阀：气开式为“”，气关式为，气关式为“-”；2 2、控制器：正作用为、控制器：正作用为“”，反作用为，反作用为“-”；3 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“”，随之减少为随之减少为“-”；4 4、变送器：一般为、变送器：一般为“”；控制器正、反作用选择的判别式：(控制器“”)(控制阀“”)(对象“”)=“-”第三节 控制器的选型39第四节 控制器的参数整定概述 如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。控制器的参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳调整状态。4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:140 参数整定方法：参数整定方法：（1）理论整定法：对数频率特性法、根轨迹法等。（2）工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。对于单元组合仪表：比例度的概念：对于比例作用大小，工业控制器常用表示，其义为：第四节 控制器的参数整定41例 某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。解：应用表3-8中的经验公式，可得 (1)、比例控制器 =S=20%(2)、比例积分控制器 =1.2S=1.220%=24%TI=0.5TS=0.510=5min (3)、比例积分微分控制器 =0.8S=0.820%=16%TI=0.3TS=0.310=3min TD=0.1TS=0.110=1min 第四节 控制器的参数整定42例 在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100，并测出O=1.2min,TO=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数。第四节 控制器的参数整定43解：本例中，X=7-6=1mA Xmax-Xmin=10-0=10mA y=87.8-85.0=2.8 ymax-ymin=100-50=50 所以第四节 控制器的参数整定44因此，在PI控制器时：=1.1=1.1=1.1=1.1 27%=30%27%=30%27%=30%27%=30%T T T TI I I I=3.3=3.3=3.3=3.3 1.2=4min1.2=4min1.2=4min1.2=4min 在PID控制器时：=0.8527%=23%TI=21.2=2.4min TD=0.51.2=0.6min 解毕。第四节 控制器的参数整定451 1、试说明单回路控制系统的构成、主要特点及其应用场合。并说明系统、试说明单回路控制系统的构成、主要特点及其应用场合。并说明系统设计的主要内容。设计的主要内容。2 2、过程控制系统方案设计应包含哪些主要内容？、过程控制系统方案设计应包含哪些主要内容？3 3、选择被控参数时应遵循哪些基本原则？、选择被控参数时应遵循哪些基本原则？4 4、在选择控制参数时，为什么取过程控制通道的静态放大系数、在选择控制参数时，为什么取过程控制通道的静态放大系数K0K0应适当应适当大一些，而时间常数大一些，而时间常数T0T0应适当小一些？应适当小一些？5 5、在设计过程控制系统时，怎样选择调节器的控制规律？、在设计过程控制系统时，怎样选择调节器的控制规律？怎样确定调节器的正、反作用方式和调节阀气开、气关形式？怎样确定调节器的正、反作用方式和调节阀气开、气关形式？思 考