第4章 单回路控制系统设计

经济性
——高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。
4.1 过程控制系统设计概述——步骤
1.熟悉系统的技术要求或性能指标 2.建立被控过程的数学模型 3.确定控制方案 4.根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合 5.实验验证 6.工程设计 7.工程安装 8.控制器的参数整定
4.2 被控参数的选择
由此可见，干扰通道存在时间滞后时，理论上不影响控制质量， 仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了f值。
4.3 控制参数的选择——扰动通道纯滞后时间f的影响
定值控制系统，在阶跃扰动下，当f =0.5，1，1.5，2时的响应
4.3 控制参数的选择——扰动进入系统位置对性能的影响
当扰动F的幅值和形式相同时，进入系统的位置越远离被控变 量或越靠近调节阀，扰动对控制系统的被控变量的影响越小。 因进入系统的扰动位置远离被控变量，等效于扰动通道传递函 数中的时间常数增大，或扰动通道的滤波环节增加，因此，扰 动对被控变量的影响越小。 但如果等效增益Kf增大，则应根据Kf F确定其影响。
4.3 控制参数的选择——扰动通道纯滞后时间f的影响
当扰动通道有纯时间滞后时，系统对扰动的闭环传递函数为：
W f ( s )e Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )Wo ( s )
根据拉氏变换的平移定理，在单位阶跃干扰作用下，被控量的 时间响应
f s
y (t ) y (t )
4.3 控制参数的选择——控制通道纯滞后时间o的影响
时滞o的存在使控制系统的频率特性变化。 当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传送到 控制器；
当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；
当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的 变化。 因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及时，超调增大，并 引起系统不稳定。
环节的增益为正：当环节的输入增加，输出增加 环节的增益为负：当环节的输入增加，输出减小 环节增益正负的定义 当被控过程的输入（通过调节阀的物料和能量）增加（和 减小）时，其输出（被控参数）也增加（和减小），此时称此 被控过程为正作用，其静态放大系数取正； 反之为反作用，其静态放大系数取负。 被控过程正反作用特性
4.2 被控参数的选择——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。
4.2 被控参数的选择——一般原则
尽量选用对产品的产量和质量、安全稳定生产、经济运行 等具有决定性作用、并且可以直接检测的工艺参数作为被控 变量（直接变量）。被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测 仪表的可行性、可靠性。
周期 1～10s 0
噪声 有 无
比例带
积分作 用 重要 不必要
微分作 用 不用 不必要
流量 液体压力
气体压力
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100～500% 50～200%
0～5%
液位
温度 蒸汽压力 成分
无 变动
恒定
单容量 3～6
1～100
1～10s min～h
min～h
有 无
存在
5～50% 10～100%
100～1000%
少用 用
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。 干扰通道
F(s)
两条通道的过程参数不一定
Q(s) Gf(s) Go(s) Y(s)
4.3 控制参数的选择——控制通道时间常数To对性能的影响
控制通道的时间常数反映了控制作用的强弱，即控制器的校正 作用克服扰动对被控参数影响的快慢。 若控制通道时间常数太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓 慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降； 若控制通道时间常数太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰 动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定 性下降，亦不能保证控制质量。 所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一些，使其 校正及时，又能获得较好的控制质量。
工艺容许有静差时，选用PD调节；工艺要求无静差时，选用PID调
1）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入D调节；
节。
2）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选 用P调节。 3）控制通道时间常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差， 选用PI调节。
4）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，
第 4 章
单回路控制系统设计
单回路控制系统方框图
控制信号
给定 偏差 控制 量 扰动
被控量 测量 值
单回路控制系统特点
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。
4.1 过程控制系统设计 概述
4.4 控制器的选择——确定调节器正、反作用的次序
首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式， 然后按被控过程特性，确定其正、反作用， 最后根据负反馈的原则来确定调节器的正、反作用形式。 调节器的正、反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定。 在方框图中，各个环节的增益有正有负，负反馈要求闭环回 路上所以环节的增益乘积是正数。
G f ( s) Y (s) F ( s ) 1 Gc ( s )Go ( s ) Tf s 1 K K 1 c o To s 1 K f (T os 1) (To s 1)(T f s 1) K c K o (T f s 1) Kf
y () lim
t
Kf Y ( s) y (t ) lim sY ( s ) lim s F ( s) F ( s) 1 Ko Kc s 0 s 0
4.3 控制参数的选择——控制通道和扰动通道增益对性能的影响
过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数 的一个重要依据。 扰动通道静态放大系数越大，则系统的稳态误差也越大，这表 示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值越大， 显著地降低控制质量。 控制通道的静态放大系数越大，表示控制作用越灵敏，克服扰 动的能力越强，控制效果越显著。因此，确定控制参数时，使 控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数Kf是合理的。 当这一要求不能满足时，可通过调节控制器的放大Kc系数来补 偿，使KcKo的值远大于Kf。
③τo/To>1.0，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其 他控制方式。
4.4 控制器的选择——正、反作用形式
负反馈系统 R(s)+ E(s) Gc(s) U(s)
－ Ym(s)
Gv(s)
Q(s) Gp(s)
Y(s)
Gm(s) 负反馈准则 开环总增益（各组成环节的增益之积）为正
4.4 控制器的选择——各环节正反作用特性
简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制 方案。
4.4 控制器的选择——控制规律选择的原则
5）若广义过程的传递函数具有以下形式：
K o o s Go ( s) e To s 1
①τo/To<0.2，选用P或PI调节规律；
② 0.2<τo/To<1.0，选用PD或PID调节规律；
重要
不用 重要
可用
4.5 控制器参数整定——经验法
4.5 控制器参数整定
4.5 控制器参数整定——概念
确定调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。
整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性
相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。
控制指标：系统瞬态响应ψ=0.75-0.9（衰减比n=4:1-10:1）
4.5 控制器参数整定——方法
4.3 控制参数的选择——扰动通道时间常数Tf对性能的影响
分析一个一阶惯性环节的阶跃响应曲线，可以发现，惯性环节 相当于一个滤波环节。 因此，扰动通道为一个惯性环节，它对扰动起着滤波作用，抑 制扰动对被控参数的影响。所以，扰动通道的时间常数Tf越大， 容积越多，则扰动对被控参数的影响也越小，控制质量也越好。
注意工艺操作的合理性经济性。
4.4 过程控制仪表的选择
4.4 调节阀的选择
选择合适的的调节工作区间
在过程控制系统设计中，调节阀的口径必须很好地选择，在正 常工况下要求调节阀开度处于15％－85%之间。
选择合适的流量特性
选择合适的调节阀开、关形式
4.4 控制器的选择——控制规律选择的原则
4.3 控制参数的选择——时间常数匹配对性能的影响
当广义对象传递函数有多个时间常数 (To1> To2> To3>> Tom ) 时，各时间常数的匹配对控制系统有影响。
由执行器、对象和检测变送环节组成
4.3 控制参数的选择——选择控制参数的原则
控制通道的放大系数Ko要适当大一些； 时间常数To要适当小一些； 纯滞后o越小越好：在有纯滞后的情况下， o和To的比值应小 一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。 扰动通道的放大系数应尽可能小； 时间常数要大； 扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。
需要知道数学模型 理论计算整定方法
不需要事先知道过程的数学模型， 可直接在系统中进行现场整定，比 较简单
对数频率特性法 根轨迹法 经验法 衰减曲线法 临界比例度法 响应曲线法
工程整定法
自整定法：对运行中的系统进行整定
4.5 控制器参数整定——被控过程的特点确定控制器参数的范围
项目
时滞 无 无
容量数 多容量 单容量
4.3 控制参数的选择——选择控制参数的原则
广义过程选择参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其 中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、 第三个时间常数。 控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控 过程中最大的时间常数。这样，系统允许有较大的放大 倍数，而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度。
4.3 控制参数的选择——控制通道纯滞后时间o的影响
o增大
定值控制系统，在阶跃扰动下，当o =0.5，1，2，3，4时的响应
4.3 控制参数的选择——控制通道纯滞后时间o的影响
用o/To反映时滞的相对影响。 当o/To0.3时，系统尚可用简单控制系统进行控制； 当o/To>0.3时，应采用其他控制方案对该类过程进行控制。 在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减 小时滞的影响。
4.1 过程控制系统设计概述——要求
安全性
——在整个生产过程中，确保人员设备的安全。通常采用参数越限报警、事故 报警、连锁保护等措施加以保证。
稳定性
——系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内，能 长期稳定运行的能力。 ——准确性:系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小，使系统 具有足够的控制精度。 ——快速性:系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短。
4.4 控制器的选择——各环节正反作用特性
调节器正反作用特性 正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出 亦增加，其静态放大系数取负； 反作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出减 小，其静态放大系数取正。
气开和气关调节阀
气开式调节阀，其静态放大系数取正 气关式调节阀，其静态放大系数取负。
相同，其对系统的影响也不
一样。
控制通道
4.3 控制参数的选择——控制通道和扰动通道增益对性能的影响
F(s) R(s)
Gf(s) Go(s) Y(s)
Gc(s)
单回路系统方框图
4.3 控制参数的选择——控制通道和扰动通道增益对性能的影响
设：
Gc ( s ) K c Ko Go ( s ) To s 1 G f (s) Kf Tf s 1
当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，应选取与直接 变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量 对直接变量应具有较高的控制灵敏度。 当直接变量不可测量时，往往可以采用推断控制获得实际 取值。寻找与直接变量存在一定函数关系、可靠、容易测量 的辅助变量。
4.3 控制参数的选择
4.3 控制参数的选择