单回路反馈控制系统

第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统▪简称：单回路控制系统、简单控制系统▪在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。

▪在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。

▪研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。

1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。

图1-2 水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。

假定控制阀为气闭，控制器为反作用。

偏差：测量信号与给定值之差。

当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。

第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2）入口阀突然开大→F1>F2 →L↑→正偏差→输出减小→控制阀↑→F2 ↑→L↓→F1=F2→系统达到新的平衡 入口阀突然开小→F1<F2→L ↓→负偏差→输出增大→控制阀↓→F2 ↓→L ↑→F1=F2 →系统达到新的平衡第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2） 出口阀突然开大→F２>F1→L ↓→负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→L↑→F1=F2→系统达到新的平衡出口阀突然关小→F1>F2 →L ↑→正偏差→输出减小→控制阀↑→F2 ↑→L ↓→F1=F2→系统达到新的平衡单回路控制系统方框图几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。

(2)各环节的增益有正、负之别：控制器：正作用时增益为“负” 反作用时增益为“正”控制阀：气开阀增益为“正” 气闭阀增益为“负” 变送器：一般为“正”控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化来确定Q(S)↑→Y(S)↑ 增益为“正”，反之为“负”上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为“负”；当控制阀装在人口处时，对象增益为“正”整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S)至X(S)的各个环节增益的乘积必须是正值。

(3)在方框图中，各环节Gc(S)除外，其它环节合并成一个环节称为广义对象Gp(S)，它是由Gv(S)、 Go(S)、Gm(S)的乘积，所以整个系统就有控制器 Gc(S)和广义对象Gp(S)所构成。

(4)根据单回路控制系统方框图，可知闭环系统的输入与输出关系式是：G c (S)：控制器传递函数G v (S)：控制阀传递函数G m (S) 变送器传递函数G o (S)：对象控制通道的传函G f (S)：对象扰动通道的传函R(S)：给定值的拉氏变换式 X(S)：测量值的拉氏变换式 E(S)：偏差的拉氏变换式 U(S)：控制信号的拉氏变换式 Q(S)：操纵变量的拉氏变换式 Y(S)：被控变量的拉氏变换式 F(S)：扰动信号的拉氏变换式 )()()()()(1)()()()()()(1)()()()(S F S G S G S G S G S G S R S G S G S G S G S G S G S G S Y m O V C F m O V C O V C +++=)()()()()(1)()()()()()()(1)()()()()(S F S G S G S G S G S G S G S R S G S G S G S G S G S G S G S G S X m O V C m F m O V C m O V C +++=当R(S)=0时称为定值控制系统（给定值不变）当F(S)=0时称为随动控制系统（无外界干扰）(5) 单回路系统的分类：按被控变量的类型分：温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统成分控制系统按给定值的类型分：定值控制系统随动控制系统程序控制系统二、特点1、它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。

3、控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。

3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求。

因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。

三、如何设计好单回路控制系统前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求正确选择被控变量和操作变量正确选择控制阀的开闭型式及其流量特性正确选择控制器的类型及其正反作用正确选择测量变送装置深入研究其特性对系统控制质量的影响情况的重要性1.2 被控变量的选择1.2.1 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题被控变量的选择直接关系到：生产的稳定操作、产品产量和质量的提高生产安全与劳动条件的改善1.2.2 被控变量的选择的方法1、对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。

2、对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、作为被控变量。

该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。

举例：苯、甲苯二元系统的精馏 气、液两相并存，塔顶易挥发组分的浓度xD、温度TD、压力p三者函数关系：xD = f ( TD , p)1、直接指标：xD （反映塔顶产品纯度）2、间接指标：TD, p当组成的控制系统中xD无法正常获取（不可测变量），可选择温度TD或压力p作为被控变量。

当TD一定或p一定时，xD分别与TD , p成为一元函数关系：P 一定时：x D = f ( T D )组分与温度成单值对应关系, T D 越高, x D 越低。

T D 一定时：x D = f ( p)组分与压力成单值对应关系, p 越高, x D 越大。

T D , p 中固定一个变量，选择另一个作为间接指标代替质量指标成为被控变量？0 20 40 60 80 100 苯含量（分子百分数）120 110 100 90 80 70 温 度压力一定 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 苯含量（分子百分数）塔 压 温度一定在精馏操作中，希望保持塔压不变，选用温度作为间接指标代替质量指标成为被控变量。

能很好保证分离纯度以及塔的效率和经济性。

被控变量的选择的原则：在情况的许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。

当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。

所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。

在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状 。

1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.3.1 控制系统的质量指标在过程控制中更多地采用时域方面的单项指标，下图分别为给定值和扰动作用作阶跃变化时的过渡过程曲线：给定值作阶跃变化时的过渡过程干扰作阶跃变化时的过渡过程1、递减比：n=B/B’ 一般要求n=4:1~10:1对于定值系统n=4:1为宜，随动系统n=10:1或B’ =0（非周期） 2、最大动态偏差和超调量：对于随动系统采用超调量σ: σ=B/C*100% 对于定值系统最终稳态值C 是0或是很小的数值，通常改用最大动态偏差|e(∞) | =|B+C| 3、稳态误差（余差）：e(∞)=r-y (∞)=r-c对于定值系统r=0，所以e(∞)=-c 4、稳定（回复）时间ts 和振荡频率：t系统进入稳态值附近± 5%或± 3%以内区域就认为是稳态。

稳定（回复）时间ts 是反映控制快速性的一个指标： 在同样的振荡频率下，递减比越大，则稳定时间越短 在同样的递减比下，振荡频率越高，则稳定时间越短 1.3.2 对象特性对控制质量的影响 几个概念:操纵变量：在影响被控变量的诸多输入中选择其中某一可控性良好的输量作为操纵变量。

系统干扰：其它末被选中的所有输入量则称为系统的干扰变量。

通道：某个参数影响另外一个参数的通路。

干扰通道：干扰作用F(S)对被控变量Y(S)的影响通路控制通道：控制作用U(S)对被控变量Y(S)的影响通路控制作用与干扰作用同时影响被控变量，其影响是相反的。

控制作用与干扰作用是相互对立而存在。

1、 干扰通道特性对控制质量的影响对象特性可用K 、 T 、 τ三个特征参数来描述。

对于非周期具有自衡特性的对象传递函数可表示为：f Kf 越大，系统的余差越大，控制质量越差 时间常数Tf 的影响：Tf 越大，个数越多，或者说干扰进入系统的位置愈远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响愈小，系统的控制质量则愈高。

纯滞后的τf 影响：干扰对被控变量的影响要向后推迟一个纯滞后时间τf 。

2、控制通道特性对控制质量的影响（3）控制通道纯滞后τo 的影响：控制通道纯滞后τo 对控制质量的影响可用下图说明S eTS KS G τ-+=1)(Soo pc o e S T K S G τ-+=1)(控制通道特性对控制质量的影响： 放大倍数Ko 的影响Ko 越大，则操纵变量对被控变量的影响越大，这表示它的调节更为的效。

时间常数To 的影响To 越大，经过的容量数越多，控制越不及时 ， 系统的质量越低。

T o 减小，控制质量则愈高 ，但也不易过小。

纯滞后的τo 影响。

τo 会严重降低控制质量K 、T 、τ对控制质量的影响：1.3.3 操纵变量的选择 所选的操纵变量必须是可控的；所选的操纵变量的通道放大倍数应较大，最好大于干扰通道的放大倍数；所选的操纵变量应使扰动时间常数愈大愈好，而控制通道的时间常数适当小一些为好，但不宜过小；操纵变量其通道纯滞后时间愈小愈好；操纵变量应使干扰点远离被控变量而靠近控制阀； 选择操纵变量时还应考虑到工艺的合理性。

1.4 控制阀的选择控制阀的选择内容：口径大小 开闭形式 流量特性小，越小越好 无关 τ（纯滞后） 适当地小 大，越大越好 T （时间常数） 尽可能地大 小，越小越好 K （放大倍数） 控制通道 干扰通道结构型式1.4.1控制阀口径大小的选择▪控制阀口径大小直接决定着控制介质流过的能力。

▪原则：控制阀口径不宜选的太大，也不宜选的太小，留有余地。

▪控制阀口径大小通过计算控制阀流通能力的大小来决定，控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。

以通过阀的最大流量时阀的开度90%来验证。

为了保证控制阀具有一定的可控范围，必须使阀两端的压降在整个管线总压降中有较大的比例。

S 值小，可控范围就窄，将导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。

1.4.2 控制阀开、闭形式的选择气开阀：控制阀接受的是气压信号，当膜头压力增大，控制阀的开度也增大。

气闭阀：当膜头压力增大，而控制阀的开度反而减小。