单回路控制系统原理样本
单回路控制系统的结构及基本原理
单回路控制系统的结构及基本原理单回路控制系统，听起来是不是有点高深？别担心，咱们慢慢来，把它说得简单明了。
想象一下，你家里的空调，夏天一开，立马变成了清凉的避风港。
这个过程背后，就是单回路控制系统在默默发挥作用。
它就像是一位调皮的管家，专门负责调节室内温度。
你觉得怎么样？挺酷吧？单回路控制系统到底是什么呢？其实就是一个简单的控制机制。
就像你在厨房里做饭，火候掌握得当，菜才能好吃。
系统通过传感器感知环境，像是人的“感觉器官”，然后根据设定的目标进行调整。
如果室温太高，控制系统就会给空调发信号，让它开起来。
这样一来，家里瞬间凉快。
是不是感觉有点像魔法？咱们再深入一下，单回路控制系统的基本原理其实就是反馈控制。
反馈控制就像是你骑自行车时的平衡，往左偏了就稍微向右打方向，保持稳定。
系统通过不断获取反馈数据，进行调整，保证温度不会过高或者过低。
要是没有这个反馈，空调就会像个无头苍蝇，根本不知道该怎么调节。
想象一下，如果空调开得太冷，你可能就得裹着毛毯看电视了，真是太折磨人了。
再说说控制环路，单回路控制系统的“主角”。
控制环路里有三个重要角色：传感器、控制器和执行器。
传感器就像你家里的眼睛，负责监测环境。
控制器是大脑，分析数据并做出决策。
执行器则是肌肉，负责实际操作。
三者协同合作，像是一场默契的舞蹈，缺一不可。
要是哪个环节出了问题，整个系统就会陷入混乱，真是让人无奈。
举个例子，想象一下你在夏天的炎热中，开着空调，舒舒服服地看着电视。
突然空调出问题，室内温度一下子飙升。
那种感觉就像是被烈日暴晒，简直要人命。
这个时候，如果控制系统能够及时反馈，让空调赶紧调整，那就完美了。
可一旦反馈失灵，你就得忍受那种汗流浃背的折磨，真是心烦意乱。
说到这里，咱们还得提一下这个系统的稳定性。
单回路控制系统就像是一道题，解出来才能得到最终答案。
假如反馈不准确，系统就可能过度反应，导致温度忽冷忽热，就像过山车一样刺激。
这样的结果可不是你想要的，毕竟生活需要一些“稳定感”，对吧？有了稳定的控制系统，大家才能安心享受生活。
单回路控制系统原理
单回路控制系统原理一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。
一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器、调节器和调节阀）两部分组成。
如图1Q2y（t）K C：调节器的静态放大系数K V：调节阀的静态放大系数K0：被控对象的静态放大系数K m：变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的，但一般具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。
3、控制方案的多样性。
有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。
这是其它自动控制系统所不能比拟的。
4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。
5、在过程控制系统中，其给定值是恒定的（定值控制），或是已知时间的函数（程序控制）。
控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。
工业生产要实现生产过程自动化，首先必须熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数的主要测量方法，了解仪表性能、特点，根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构建过程控制系统；并且通过改变调节仪表的PID特性参数，使系统运行在最佳状态。
过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。
二、单回路控制系统原理如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。
由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。
如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
过程控制1章单回路
干扰（扰动）。
（2）工作原理
假定控制阀为气关式（气闭式）， 控制器为反作用 。
①F1旳变化造成 L 变化 （ F1 > F2 ）→ L ↑ → u ↓ → F2 ↑→ L ↓ （ F1 < F2 ）→ L ↓ → u ↑ → F2 ↓→ L ↑
(3)所选旳间接指标参数必须具有足够大旳变化敏捷度。 (4) 在被控变量选择时还需考虑到工艺旳合理性和国内、 外仪表生产旳现状。
1.3 操纵变量旳选择 操纵变量选择原则： 1. 选择操纵变量必须满足工艺上旳可实现性与合理性 可实现性——工艺上是可控旳。
如加热燃料旳流量与成份，流量是可控旳，成份是不 可控旳。
各环节特征： 检测元件：
Km 1 5s
干燥筒8.5S 1)(8.5S 1
K2 (100S 1)(100S 1)
混合过程： K3
1 10S
e 风管： 3s
选择： 1）乳液流量动态特征最佳，但工艺不合理，故不取。 2）空气量通道动态特征优于蒸汽流量，故空气流量选为
被控变量旳选择措施： （1）首选直接参数； （2）其次选择间接参数。
1.首选直接参数做被控变量 直接参数——能直接反应生产过程产品产量和质量、
稳定性以及安全运营旳参数。一般对于以温度、压力、流 量、液位为操作指标旳生产过程，就选择温度、压力、流 量、液位作为被控变量。 例：蒸汽锅炉锅水位控制系统，水位就是直接参数；
①被控对象 需要实现控制旳、与被控参数有关联旳设备或生产
过程称为被控对象，简称对象。
②被控变量 对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内或按预
定规律变化）旳物理量称为被控变量。如本例中旳贮槽液 位。
单回路控制系统方案
第五章单回路控制系统设计⏹本章提要1.过程控制系统设计概述2.单回路控制系统方案设计3.单回路控制系统整定4.单回路控制系统投运5.单回路控制系统设计原则应用举例⏹授课内容第一节过程控制系统设计概述单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。
➢单回路反馈控制系统组成方框图：简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
➢过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。
➢过程控制系统设计的一般要求：●过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。
●系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。
➢过程控制系统设计的基本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
➢过程控制系统统设计步骤：●建立被控过程的数学模型●选择控制方案●建立系统方框图●进行系统静态、动态特性分析计算●实验和仿真➢过程控制系统设计的主要内容：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
●项目设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
●项目安装和仪表调校●调节器参数项目整定：保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计1.被控参数的选择➢选取被控参数的一般原则为：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。
●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。
单回路控制系统原理
单回路控制系统原理一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。
一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器、调节器和调节阀）两部分组成。
如图1：液位控制系统Q2t）z（t）K C：调节器的静态放大系数K V：调节阀的静态放大系数K0：被控对象的静态放大系数K m：变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的，但一般具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。
3、控制方案的多样性。
有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。
这是其它自动控制系统所不能比拟的。
4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。
5、在过程控制系统中，其给定值是恒定的（定值控制），或是已知时间的函数（程序控制）。
控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。
工业生产要实现生产过程自动化，首先必须熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数的主要测量方法，了解仪表性能、特点，根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构建过程控制系统；并且通过改变调节仪表的PID 特性参数，使系统运行在最佳状态。
过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。
二、单回路控制系统原理如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。
由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。
如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
第七章 单回路控制系统
7.1 单回路控制系统组成 控制原理：
例 液位控制系统
流入量
液位是被控参数，液位变送器LT 将 反映液位高低的检测信号送往液位 液位变送器 液位调节器 控制器 LC；控制器根据实际检测值 与液位设定值的偏差情况，输出控 液位设定值制信号给执行器（调节阀），改变 调节阀的开度，来调节水箱输出流 量，以维持液位稳定。
T0 s 1 1 Ex ( s) X ( s) X (S ) 1 Gc ( s)Go ( s) (T0 s 1) K 0 K c
E f ( s) G f ( s) 1 Gc (s)Go (s) F ( s) K f (T0 s 1) (T0 s 1)(T f s 1) K0 Kc (T f s 1) F ( s)
E ( s) X ( s) Y ( s) （ 3）
（2）代入（3）可得：
G f ( s) 1 E ( s) X ( s) F ( s ) E x ( s ) E f ( s ) （ 4） 1 GC (s)GO (s) 1 GC (s)GO (s)
G f ( s) 1 式中： F ( s) Ex ( s) X ( s) ,E f (s) 1 GC (s)GO (s) 1 GC ( s)GO ( s)
流出量 调节器 调节阀
图7.1 液位控制系统
测量变送器
被控过程
图7.2 单回路控制系统框图
7.1 单回路控制系统组成 对过程控制系统设计的一般要求
自动控制系统的一般要求： 1．过程控制系统必须是稳定的； 2．系统必须具有适当的稳定裕量 ； 3．系统应是一个衰减振荡过程（特殊生产要求例 外），但过渡过程时间要短，余差要小。
E f ( s)
单回路控制
一、单回路控制系统1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？2 什么是简单控制系统？试画出简单控制系统典型方块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。
简单控制系统典型方块图如下图所示。
题2 方块图3在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体热量，使裂解气体温度下降到规定数值上。
下图是一个简化丙烯冷却器温度控制系统。
被冷却物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。
如果温度太高，冷却后气体会包含过多水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。
题3 图丙烯冷却器（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统组成方块图。
答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气出口温度；操作变量为气态丙烯流量。
（３）该系统方块图：题3 方块图4反应温度控制系统示意图。
Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套冷却水流量来控制反应器内温度保持不变。
图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。
试画出该温度控制系统方块图，并指出该控制系统中被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化扰动各是什么？题4图反应器温度控制系统答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料流量、温度、浓度、冷却水温度、压力及搅拌器转速。
反应器温度控制系统方块图：题4方块图5 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。
为了降低电石消耗量，提高乙炔收率，确保生产安全，设计了如图所示温度控制系统。
工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。
试画出该温度控制系统方块图，并指出图中被控对被控变量、操作变量及可能存在扰动。
题5图乙炔发生器分别为乙炔答：乙炔发生器温度控制系统方块图如下图所示（图中T、TO 发生器温度及其设定值）。
第四节单回路控制系统
第四节单回路控制系统在热工生产过程控制中，最基本的且应用最多的单回路控制系统，其他各种复杂控制系统都是在单回路系统的基础上发展起来的，而且许多复杂控制系统的整定都利用了单回路控制系统的整定方法，可以说单回路控制系统是过程控制系统的基础。
一、单回路控制系统的组成及初步设计单回路控制系统的组成原理方框图如图3-44所示，它是仅有一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。
图1-26 单回路控制系统组成原理方框图1、被调量的选择在图1-26中，被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。
一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。
但是生产过程中，有些工艺参数目前还没有获得直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。
这种情况下往往采用间接测量手段，如采用磨煤机入口介质的温度来代表原煤的干燥程度。
以间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采取相应的补偿措施。
对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或迟延较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。
为提高测量的灵敏度，减小迟延，应采用先进的测量方法，选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。
2、控制量的选择选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。
例如：火力发电厂锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量，而只能选择燃料量作为控制量。
给定值 调节器 对象被调量 － μ 扰动 扰动 图1-28 单回路调节系统 3、控制通道和扰动通道单回路控制系统的组成如图1-27所示，图中W 01(s )为对象的传递函数，它是包括了检测元件、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；W c (s )为调节器的传递函数，D 为扰动信号，W 02(s )为被调量与扰动信号间的传递函数。
第三节 单回路控制系统
• （1）选择一个足够短的采样周期 Tmin。所谓足够短， 具体地说就是采样周期选择为纯滞后时间的1/10以下。 • （2）将数字PID控制器设定为纯比例控制，并逐步减 小比例带 （ 1 ），使闭环系统产生临界振荡。此时 Kp 的比例带和振荡周期称为临界比例带 和临界振荡周 k 期 。
• （5）按求得的整定参数投入在投运中观察控 制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控 制效果。
3、衰减曲线法（参见P183）
调节器取纯比例形式，
由大到小调节，使过渡过
程衰减比达到4 :1 （或10 :1 ）， 如右图所示。
记录此时的 S、TS， 根据表5 （表 8 5 9）计 算调节器参数。
间接参数要有足够的灵敏度。
3、选择被控参数的一般原则（P158）
选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。
当不能用直接参数作为被控量时，应选择一个与直接参 数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。 被控参数必须具有足够大的灵敏度。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪 表的性能。
简之：就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度 、积分时间
常数 TI 和微分时间常数 TD 的具体值。 单回路参数整定的目标：使过渡过程呈现4：1（缓慢过程为 10：1）的衰减过程。 整定方法：
理论计算法： 计算烦琐
工程整定法： 是一种近似方法，但简单、方便、适用。
工程整定法 1、经验法（现场实验整定法） 按照 先比例、后积分、再微分 的顺序进行整定
X (S )
Wc (S ) WV (S ) W01(S ) W02 (S ) W03(S )
单回路控制系统分析与其参数整定
能源与动力工程学院 Transfer 切换器
常规理解： IF FLAG=TRUE，THEN OUT=IN2
IF FLAG=FALSE， THEN OUT=IN1
能源与动力工程学院
高低限监视器 HighLow Monitor
能源与动力工程学院
能源与动力工程学院
M/A站 M/A Station
三种模式： 手动、自动、 就地
I
T
A
I
显示 操作器
能源与动力工程学院
SAMA图
SAMA图是美国科学仪器制造协会（Scientific Apparatus Maker’s Association）所采用的绘制图例，它易 于理解，能清楚地表示系统功能，广范为自动控制系统所 应用。
测量或信号显示功能 自动信号处理功能 手动信号处理功能 执行机构
时，PI→I。 （2）积分时间Ti 影响积分作用的强弱,比例带δ不但影响比
例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。 （3） 无差调节。
e
PI调节器 阶跃响应曲 线
o μ
e0
o
Ti
Δe0 t
e0
t
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阶跃扰动为Δe 0时
1
e0
1
Ti
e0t
（7－11）
把 t = Ti 代人式(3－11)可得：
+
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2 .1 基本调节作用
调节器的控制规律中最基本的调节作用是比例、积分和微分 作用 , 它们各有其独特的作用，下面分别讨论。
（1）比例作用（简称P作用）
比例作用的动态方程为：
KPe KP r y
式中：e ——被调量偏差，调节器的输入信号；
第四章 单回路控制系统
λ (s )
根据迟延定理： 根据迟延定理：
⋅ e −τ s
（4－5）
（4－6）
式中： 式中： y1( t ) ——无迟延时间的被调量； 无迟延时间的被调量； y1( t－τ ) ——y1( t )平移了迟延时间τ时的被调量。 时的被调量。
由式（ 由式（4－6）可见， 可见，干扰通道迟延时间 干扰通道迟延时间τ 迟延时间τ的存在仅使被 调量在时间轴上平移了一个τ 调量在时间轴上平移了一个τ值，即过渡过程增加了一 个τ时间， 时间，并不影响系统的控制质量。 并不影响系统的控制质量。干扰通道存在迟 干扰通道存在迟 延时间τ 延时间τ时的仿真曲线如下图所示： 时的仿真曲线如下图所示：
KZ
若试验得到的被控对象动态特性中包括了执行器的动态特性, 则广义对象的传递函数为： 则广义对象的传递函数为：
W 0∗ ( s ) = W 0 ( s ) W Z ( s )
此时等效调节器的传递函数为： 此时等效调节器的传递函数为：
WT∗ ( s ) = WT ( s ) W m ( s )
上式中测量变送器的动态特性可以近似认为是比例环节， 上式中测量变送器的动态特性可以近似认为是比例环节，即 Wm (s)=Km，当调节器采用PID控制规律时， 控制规律时，等效调节器的传递 函数为：
锅炉燃料量 锅炉负荷 控制系统 汽轮机进汽量 主蒸汽压力
4.2 对象特性对控制质量的影响 对象特性对控制质量的影响 控制系统的控制质量主要用衰减率ϕ 或衰减比m 或衰减比m、 动态偏差Ym 动态偏差Ym（ Ym（σ）、静态偏差 ）、静态偏差e 静态偏差e（∞）、控制时间 ）、控制时间ts 控制时间ts 等 表示, 表示, 以下主要讨论 以下主要讨论对象的特征参数 主要讨论对象的特征参数对控制系统控制质 对象的特征参数对控制系统控制质 量的影响。 量的影响。 （一）干扰通道特征参数对控制质量的影响 干扰通道特征参数对控制质量的影响 （1）放大系数K 放大系数Kλ对控制质量的影响
DCS单回路控制系统设计样本
DCS单回路控制系统设计样本DCS（分散控制系统）是一种用于工业过程控制的自动化系统。
它由多个分布式控制器组成，每个控制器负责一个或多个工艺设备或子系统的控制。
DCS系统具有高度的可靠性、可扩展性和可灵活性，可以适应各种不同的工业应用。
在设计DCS单回路控制系统时，需要考虑以下几个方面：1.控制策略设计：在设计过程中需要确定合适的控制策略，包括级联控制、比例控制、调节控制等。
根据具体的工艺要求和系统特点进行选择。
2.控制器选择：选择合适的控制器，通常使用可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制器（DCS）作为控制单元。
根据工艺的复杂程度和控制需求进行选择。
3.传感器选择：选择合适的传感器来获取过程变量的实时数据。
常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
根据具体的工艺要求和控制对象选择合适的传感器。
4.操作界面设计：设计易于操作和直观的操作界面，方便操作人员进行监控和控制。
界面应包括过程变量的实时显示、报警和故障信息的显示等功能。
5.通信网络设计：设计合适的通信网络来连接各个分布式控制器和外部设备。
通常使用以太网作为主要通信方式，确保数据的及时传输和系统的高可靠性。
6.安全设计：设计相应的安全机制来确保系统的安全性。
包括设定访问权限、监控系统状态、设置报警和故障保护等。
7.故障诊断和维护：设计相应的故障诊断和维护功能，方便对系统进行故障排除和维护。
包括故障报警、日志记录、故障排查和系统备份等。
8.系统扩展性：考虑系统的未来扩展需求，设计模块化的系统结构以方便后续的升级和扩展。
在设计过程中，需要充分考虑工艺的特点和要求，并与现场运行人员和相关专业人员进行密切合作，确保系统设计的合理性和可行性。
最后，设计完DCS单回路控制系统后，需要进行相应的调试和测试工作，确保系统能够正常运行。
并进行系统的优化和改进，以提高系统的性能和稳定性。
整个设计过程需要充分考虑各个方面的要求，确保设计的DCS单回路控制系统能够满足工艺的要求，并提高工程的效率和品质。
第3章 单回路控制系统
当温度TD 恒定时， 组分XD和压力P之间也存 在单值对应关系，如图 3-5 所示。
在温度 TD 和压力P两者之间，只要固定其中一个 参数，另一个就可作为间接参数来反映组分XD的变化。 大量经验证明，塔压力的稳定有利于保证产品的纯 度，提高塔的效率和降低操作费用。因此，固定塔压， 选择温度作为被控变量对精馏塔的出料组分进行间接指 标控制是可行的，也是合理的。
二、控制器正、反作用的确定 工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方 式。 控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时， 控制器工作于正作用方式； 控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控 制器工作于反作用方式。 控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被 控对象实现闭环负反馈控制的需要。 控制器正、反作用的选择并不是一项困难的工作。 下面介绍的判别准则具有普遍的指导作用。
阀流量特性选择，见表3-1。
二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。 在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具 体的生产工艺来决定。 提供几条原则作为选择的依据。 1、首先要考虑生产的安全。 2、有利于保证产品的质量。 3、有利于降低原料成本和节能。 选择时需注意两点： 1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结 果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。 2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的 选择结果。
在整个系统中各信号的传递关系可以用图3-2 所示的方块图表示。
单回路控制系统是按负反馈的原理根据偏差进行 工作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个， 它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 单回路控制系统具有结构简单、工作可靠、所需 自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点， 是目前研究最多也是最为成熟的过程控制系统，适用 于对象的纯滞后和惯性较小、负荷和干扰的变化都不 太频繁和剧烈、控制品质要求不是很高的应用场合。
第10讲 单回路控制系统原理分析
一自动控制系统的基本作用1稳态稳态也称为平衡状态，指控制系统的被调量稳定在某一确定的数值或在一定的范围内波动。
当系统处于稳态时，具有以下特点：(1) 调节器的输出为常数，不随时间发生变化；(2) 调节机构（调节阀门或挡板）保持一定的开度不发生变化；(3) 被调量稳定在某一确定的数值；当系统处于平衡状态时，控制系统的主要作用是保持被调量稳定在某一确定的数值上。
当系统处于稳态时，最关心的是系统的稳态误差e ss，稳态误差e ss常用来描述系统的稳态性能。
2动态系统在t0前处于平衡状态，假设在t0时刻扰动作用于系统，则系统原来的平衡状态就被破坏，被调量在扰动的作用下就会偏离原先的稳态值而随时间发生变化，系统进入动态，这时被调量的变化导致调节器输入端的偏差信号随之发生变化，调节器输出的调节信号也发生变化，通过执行器对被调量进行调节，直到被调量重新达到一个稳定的数值，系统进入另一个平衡状态。
可见，系统的动态实质是一个动态过渡过程，是系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过渡状态。
当系统处于动态时，调节器的输出、系统的被调量都随时间发生变化，通常在分析系统时，要绘制被调量随时间的变化特性曲线，称该特性曲线为系统的调节特性曲线或动态过渡过程曲线。
可以由系统的动态过渡过程曲线求得描述系统调节品质的一系列性能指标（例如调节时间t s、上升时间t r、最大超调量δp%、衰减率ψ等），从而对系统的动态性能进行分析。
需要注意的是，一个控制系统的输入信号基本可以分为两类，即定值输入和扰动输入。
两种输入信号发生变化时都会引起被调量发生变化，使得系统进入动态过渡过程。
当给定值发生变化时，系统的作用表现为被调量跟踪给定值的能力；而当扰动发生变化时，系统的作用表现为被调量克服扰动的能力。
图2－4给出了系统的动态过渡过程曲线（横坐标轴为时间轴，纵坐标轴为被调量）。
系统在t 0时刻前处于稳态,被调量为一稳定值c 1,在t 0时刻扰动作用于系统引起被调量发生变化，系统进入动态过渡过程，经过时间Δt=t 1- t 0，系统又在t 1时刻重新达到一个新的平衡状态，被调量稳定在一稳定值c 2。
单回路控制系统(改)PPT课件
❖ 结论
➢ 扰动通道的静态放系数K d 越大，系统余差越大 ➢ 控制通道的放大系数 K0 越大，系统余差越小，克
服扰动通道的效果越好
➢ 由于KK0Kc ，则控制器增益和控制对象的增益有一 定的关系
7.2.2 操纵量的选择
❖ (1) 放大系数对控制质量的影响 ❖ (2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响 ❖ (3) 控制通道动态特征对控制质量的影响
(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.
(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。
➢ 2）滞后时间对控制质量的影响
图7.6 具有纯滞后τ0的系统
3、举例（被控量选择）
❖ 在控制锅炉蒸汽质量的生产过程中，可供选择 的被控量有如下三种方案： 1）压力P和温度T皆为被控变量； 2）温度T为被控变量； 3）压力P为被控变量。
❖ 相关工艺的专业知识： 物理化学中的相律关系，其自由度的表达式为： F=C-P+2 式中，F为自由度；C为组分数；P为相数。
流量系数S
a. 衡量控制阀实际工作流量特性相对于理想流量特 性的变化程度；
b. S p V mi n p式中 vmin、—控制阀全 开时阀门前后的压差、系统总压差；
c. 当S=1时，控制阀前后的压差等于系统的总压差， 工作流量特性即为理想流量特性；
d. 当S<1时，受串联管道设备阻力影响，流量特性 发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制 阀可调范围变小；流量特性曲线畸变 ，S值越小， 畸变越严重，对控制越不利。所以，在实际使用 中要求S不低于0.3～0.5。
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单回路控制系统原理
一、过程控制的特点
与其它自动控制系统相比, 过程控制的主要特点是:
1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。
一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表( 包括测量元件, 变送器、调节器和调节阀) 两部分组成。
如图1: 液位控制系统
Q2
K C: 调节器的静态放大系数
K V: 调节阀的静态放大系数
K0: 被控对象的静态放大系数
K m: 变送器的静态放大系数
2、被控对象的设备是已知的, 对象的型式很多, 它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的, 但一般具有惯性大, 滞后大, 而且多数具有非线性特性。
3、控制方案的多样性。
有单变量控制系统、多变量控制系统; 有线性系统、有非线性系统、; 有模拟量控制系统、有数字量控制系统, 等等。
这是其它自动控制系统所不能比拟的。
4、控制过程属慢过程, 多半属参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。
5、在过程控制系统中, 其给定值是恒定的( 定值控制) , 或是已知时间的函数( 程序控制) 。
控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。
工业生产要实现生产过程自动化, 首先必须熟悉生产过程, 掌握对象特点; 同时要熟悉过程参数的主要测量方法, 了解仪表性能、特点, 根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法, 合理正确地构建过程控制系统; 而且经过改变调节仪表的PID特性参数, 使系统运行在最佳状态。
过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。
二、单回路控制系统原理
如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。
由于系统结构简单, 投资少, 易于调整、投运, 又
能满足一般生产过程的控制要求, 因此应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计, 控制方案的设计和调节器整定参数值的确定, 是系统设计中的两个重要内容。
如果控制方案设计不正确, 仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的; 反之, 如果控制方案设计很好, 可是调节器参数整定不合适, 也不能使系统运行在最佳状态。
1、选择被控参数
对于一个生产过程来说, 影响正常操作的因素是很多的, 可是, 并非对所有影响因素都需要加以控制。
选择被控参数的一般原则为:
[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等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。
[2]、当不能用直接参数( 如测量滞后过大) 作为被控参数时, 应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, 必须考虑工艺过程的合理性和所采用仪表的性能。
2、选择控制参数
若生产工艺有几种控制参数可供选择, 一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强, 动态响应应比扰动通道快。
控制通道: 是指调节作用与被控参数之间的信号联系。
即P( t) 到y( t) 。
扰动通道: 是指扰动作用与被控参数之间的信号联系。
即f( t) 到y( t) 。
扰动作用是由扰动通道对对象的被控参数产生影响的, 使被控参数偏离给定值。
引入控制作用的目的是为了克服扰动作用的影响, 使被控参数恢复和保持在给定值上。
而控制作用是由控制通道对对象的被控参数施加影响, 抵消扰动作用。
选择控制参数的一般原则为:
[1]、选择控制通道的静态放大系数K0要适当大一些, 时间常数T0应适当小一些, 纯滞后时间τ0则越小越好。
[2]、选择扰动通道的静态放大系数K f应尽可能小, 时间常数T f 应大些, 扰动引入系统的位置离被控参数越远, 即越靠近调节阀, 控制质量越好。
[3]、当控制通道由几个一阶惯性环节组成时, 为了提高系统的性能, 应尽量拉开各个时间常数。
[4]、应注意工艺上的合理性。
3、系统中的测量及信号传递问题
在过程控制系统中, 测量变送环节起着信息获取和传送作用。
在具体分析测量变送环节对控制质量的影响时, 经常碰到测量、变送和信息传送中的滞后问题。
因为它会引起控制指标的下降, 系统失调, 甚至产生事故。
测量变送中的滞后包括测量滞后, 纯滞后和信息传送滞后等, 这些滞后均与测量元件本身的特性、元件安装位置的选择和信息传送的方法有关。
A、测量滞后
测量滞后是测量元件本身的特性所引起的动态误差。
例如用热电偶或热电阻测量温度时, 由于其保护套管存在着热阻和热容, 因而具有一定的时间常数, 测温元件的输出信号总是滞后于被控参数的变化, 引起被控参数的测量值与真实值之间产生动态误差, 从而造成控制质量下降。
为了克服测量滞后的不良影响, 在系统能够采用以下措施:
[1]、合理选择快速测量元件。
[2]、正确使用微分环节。
B、纯滞后
纯滞后往往是由测量元件的安装位置不当而引入的。
在生产过程中, 温度测量和成分分析最容易引入纯滞后。
微分作用对于纯滞后是无能为力的。
为了克服纯滞后的影响, 只有合理选择测量元件的安装位置, 尽量减小纯滞后。
当过程参数测量引起的纯滞后较大时, 单回路控制系统很难满足生产工艺要求, 应考虑其它控制方案。
C、信息传送滞后
测量信息传送滞后, 主要是指气动单元组合仪表的输出信号在管路中传送所造成的滞后。
为了克服信号传送滞后, 可采用以下措施:
[1]、用气—电和电—气转换器, 将气压信号转换为电信号再传送。
[2]、在气压信号管路上设置气动继动器或气动阀门定位器, 以增。