第六章简单控制系统的设计与投运
简单控制系统的设计共52页文档
简单控制系统的设计
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
《简单控制系统的设计》教案
《简单控制系统的设计》教案一、教学目标1. 了解控制系统的基本概念和分类。
2. 掌握简单控制系统的设计方法和步骤。
3. 能够运用控制系统理论知识分析和解决实际问题。
二、教学内容1. 控制系统的基本概念控制系统的定义控制系统的组成控制系统的分类2. 简单控制系统的设计方法系统建模系统稳定性分析系统控制器设计系统仿真与实验3. 控制系统设计实例线性控制器设计实例非线性控制器设计实例数字控制器设计实例三、教学方法1. 讲授法：讲解控制系统的基本概念、设计方法和实例。
2. 实践法：引导学生参与控制系统实验，提高实际操作能力。
3. 讨论法：组织学生分组讨论，促进互动交流。
四、教学准备1. 教学PPT：制作控制系统基本概念、设计方法和实例的PPT。
2. 实验设备：控制系统实验装置。
3. 参考教材：控制系统相关教材和学术论文。
五、教学过程1. 引入控制系统的基本概念，讲解控制系统的重要性。
2. 介绍控制系统的基本组成和分类，让学生了解控制系统的基本框架。
3. 讲解控制系统的设计方法，包括系统建模、稳定性分析、控制器设计等步骤。
4. 通过实例分析，让学生掌握控制系统设计的方法和技巧。
5. 组织学生进行实验操作，验证控制系统设计结果的正确性。
6. 引导学生进行分组讨论，分享控制系统设计的心得体会。
7. 总结本节课的内容，布置课后作业，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂讲解评估：通过观察学生的听课情况，了解学生对控制系统基本概念和设计方法的理解程度。
2. 实验操作评估：通过学生在实验过程中的操作表现，评价其对控制系统设计方法的掌握情况。
3. 课后作业评估：通过学生完成的课后作业，检验其对课堂所学知识的吸收和运用能力。
七、教学拓展1. 控制系统在工程中的应用：介绍控制系统在工业、交通、医疗等领域的应用案例，让学生了解控制系统的实际价值。
2. 先进控制系统技术：简要介绍智能控制、自适应控制等先进控制系统技术，激发学生的学习兴趣。
3 简单控制系统的设计
4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的 性能、价格、售后服务等因素 。
对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求 事先确定的。
19
三、实例
过程控制
第三章
精馏原理：根据被分离物各组分挥发度 的不同，把混合物分离为组 分较纯的产品。 假定：要使塔顶馏出物达到规定的纯 度，那么塔顶馏出物的组分纯 度XD应该作为被控变量，因为 它就是成产工艺的质量指标。
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。通过正确选择控制参数，构成一 个控制性能良好的过程控制系统，可有效克服扰动的 影响。
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过程静态特性的分析
• 单回路控制系统的框图如图所示
– Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数 – Wo（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
被控对象组成。
– 检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号
转换为标准信号输出。 – 控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行
比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结
果输出到执行器。 – 执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于控制操纵 变量变化。 – 被控对象是需要控制的设备 。
22
3.2.3 控制参数的选择
• 在正确选择被控参数后，就要确定构成一个怎样的控制回路。 • 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数的问题。 • 控制参数又称控制变量、控制量、操纵变量。 一、选择的意义 • 扰动量对被控参数的作用通道称为扰动通道；控制参数对被控 参数作用的通道称为控制通道。 • 扰动量通过扰动通道对被控参数产生影响，使被控参数偏离给 定值。
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过程控制
(优选)简单控制系统的设计
6.2.2被控参数与控制变量的选择 6.2.2.1被控参数的选择
被控变量—生产过程中希望借助自动控制保 持恒定值（或按一定规律变化）的变量。
合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达 到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。
被控变量的选择依据： 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关 键变量作为被控变量
过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工 程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等 四个主要内容。
其中控制方案设计是控制系统设计的核心。
3. 过程控制系统设计的步骤 1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求 2）建立被控过程的数学模型 3）确定控制方案
包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程 控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证
()
1
1 K0Kc
;ef
()
Kf 1 K0Kc
❖ K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；
❖ K0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏， 系统的闭环稳定性越低。
❖ Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。 故应选放大系数大的变量作为控制变量。
2．过程（通道）动态特性对控制品质的影响
1）干扰通道动态特性对控制品质的影响
影响变量
被控变量
对象特性对控制品质影响的分析：
1．过程（通道）静态特性对控制品质的影响 如图所示为单回路控制系统的等效框图。
X(s) ＋－
Gc(s)
Go(s)
Gc(s) —控制器的传递函数；
F(s)
Gf(s) ＋ ＋
Go
(s)
Ko Tos 1
Y(s) Gc (s) Kc
G
f
(s—甲苯
苯 甲苯
《简单控制系统的设计》教案
《简单控制系统的设计》教案一、教学目标1. 让学生了解控制系统的概念，理解控制系统的基本组成部分及其作用。
2. 使学生掌握简单控制系统的设计方法，能够运用控制理论设计简单的控制系统。
3. 培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生的创新意识和实践能力。
二、教学内容1. 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义、作用及其在工程应用中的重要性。
2. 控制系统的基本组成部分讲解控制器、被控对象、反馈元件及输入输出设备等基本组成部分的功能和作用。
3. 简单控制系统的设计方法介绍控制系统设计的基本原则，讲解系统稳定性、快速性、精确性等性能指标的确定方法。
4. 控制系统设计实例分析分析典型的控制系统设计实例，如PID控制器设计、模糊控制器设计等，让学生学会运用所学知识解决实际问题。
5. 控制系统设计软件工具的使用介绍常用的控制系统设计软件工具，如MATLAB/Simulink等，对学生进行上机操作训练。
三、教学方法1. 讲授法：讲解控制系统的基本概念、基本组成部分和设计方法。
2. 案例分析法：分析典型的控制系统设计实例，让学生学会运用所学知识解决实际问题。
3. 实践操作法：使用控制系统设计软件工具进行实际操作，提高学生的实践能力。
四、教学环境1. 教室：配备投影仪、计算机等教学设备，方便进行PPT讲解和案例分析。
2. 实验室：配备控制系统设计软件工具和相关实验设备，供学生进行实践操作。
五、教学评价1. 课堂参与度：考察学生在课堂上的发言、提问等互动情况，评价学生的积极性和主动性。
2. 课后作业：布置相关的课后练习题，评价学生对知识点的掌握程度。
3. 实践操作：评价学生在实验室进行控制系统设计实践操作的表现，包括设计方案的合理性、操作的正确性等。
六、教学资源1. 教材：《控制系统原理与应用》、《现代控制系统》等。
2. 课件：制作详细的PPT课件，用于辅助讲解和展示。
3. 实验设备：控制系统实验装置，用于学生实践操作。
《简单控制系统的设计核心素养目标教学设计、教材分析与教学反思-2023-2024学年高中通用技术粤科
《简单控制系统的设计》导学案导学目标：1. 了解控制系统的基本观点和分类；2. 掌握控制系统的设计步骤和方法；3. 能够运用所学知识设计简单控制系统。
导学内容：一、控制系统的基本观点和分类1. 控制系统的定义：控制系统是指能够对被控对象进行监测、比较和调节的系统。
2. 控制系统的分类：根据控制对象的性质和控制方式，控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
二、控制系统的设计步骤和方法1. 确定控制目标：明确控制系统需要实现的具体功能和目标。
2. 建立数学模型：通过对被控对象进行建模，得到控制系统的数学描述。
3. 设计控制器：根据数学模型和控制目标，设计合适的控制器。
4. 仿真分析：利用仿真软件对设计的控制系统进行验证和分析。
5. 调整优化：根据仿真结果，对控制系统进行调整和优化。
三、设计简单控制系统以温度控制系统为例，设计一个简单的闭环控制系统。
1. 确定控制目标：将房间温度控制在设定温度范围内。
2. 建立数学模型：假设房间温度满足一阶惯性系统的动态特性。
3. 设计控制器：选择比例-积分-微分（PID）控制器。
4. 仿真分析：利用MATLAB等软件进行仿真分析。
5. 调整优化：根据仿真结果，调整PID参数以实现更好的控制效果。
导学任务：1. 阅读相关教材和资料，了解控制系统的基本观点和分类；2. 尝试设计一个简单的控制系统，并进行仿真分析；3. 总结设计过程中遇到的问题和经验，准备下节课分享。
参考资料：1. 《摩登控制理论与应用》；2. 知乎文章《控制系统设计导学案》；3. 网络资源《控制系统设计导学案范文》。
《简单控制系统设计》课件
控制系统设计的步骤
1
确定控制系统的目标
明确您想要实现的目标，并确保您的设计能够实现这些目标。
2
确定控制对象的特性
了解您要控制的物体或过程的特性，并考虑如何应对不确定性。
3
选择合适的控制器
根据控制系统的要求选择适当的控制器，确保其能够满足您的设计需求。
4
设计控制系统的结构
根据控制器和控制对象的特性设计整个控制系统的结构。
2 学习本课件的收获
回顾本课件的主要内容，总结您在学习过程中的收获和体会。
3 推荐阅读材料
介绍一些与控制系统设计相关的优秀书籍和参考资料，帮助您进一步拓宽知识面。
参考文献
控制系统设计手册
作者：张三，出版社：机械工业出版社
控制工程实例分析
作者：李四，出版社：电子工业出版社
5
选定并调整控制器参数
确定控制器的参数，分析一个活塞位置控制系统的案例，了解如何将设计原理应用于实际情况。
温度控制系统
研究一个温度控制系统的例题，探讨如何通过控制系统设计来实现温度的精确控制。
总结
1 控制系统设计的重要性
了解控制系统设计对各行各业的重要性，并探讨其潜在的未来发展。
《简单控制系统设计》 PPT课件
控制系统设计是一个关键的领域，本课程将介绍简单控制系统设计的基本原 理、步骤和应用，帮助您掌握控制系统设计的关键知识。
介绍简单控制系统设计
控制系统是如何帮助我们实现目标的？了解简单控制系统设计的意义，以及 它在各个领域的应用。
控制系统设计的基本原理
掌握控制系统设计的目标和构成，同时了解控制系统的稳定性对设计的重要 性。
《简单控制系统的设计》教案
《简单控制系统的设计》教案一、教学目标1. 让学生了解控制系统的基本概念和分类。
2. 使学生掌握简单控制系统的设计方法和步骤。
3. 培养学生运用控制系统理论知识解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 控制系统的基本概念和分类2. 简单控制系统的设计方法3. 控制系统设计实例三、教学方法1. 讲授法：讲解控制系统的基本概念、分类和设计方法。
2. 案例分析法：分析控制系统设计实例，让学生参与讨论。
3. 实践操作法：让学生动手设计简单的控制系统。
四、教学准备1. 教学PPT：包含控制系统的基本概念、分类、设计方法和实例。
2. 控制系统设计软件：如MATLAB、Simulink等。
3. 计算机和投影仪。
五、教学过程1. 引入：讲解控制系统在工程中的应用，激发学生的兴趣。
2. 讲解控制系统的基本概念和分类：介绍控制系统的定义、目标、类型和性能指标。
3. 讲解简单控制系统的设计方法：包括系统建模、控制器设计、系统仿真和优化。
4. 分析控制系统设计实例：以实际工程案例为例，讲解设计过程和方法。
5. 实践操作：让学生利用控制系统设计软件，动手设计一个简单的控制系统。
7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂问答：通过提问了解学生对控制系统基本概念和分类的掌握情况。
2. 练习题：评估学生对简单控制系统设计方法的掌握程度。
3. 小组讨论：观察学生在案例分析中的参与度和协作能力。
4. 设计报告：评估学生对控制系统设计实例的理解和应用能力。
七、教学拓展1. 控制系统在其他领域的应用：介绍控制系统在工业、农业、医疗等领域的应用实例。
2. 先进控制系统：讲解现代控制系统技术，如智能控制、自适应控制等。
3. 控制系统设计软件的使用：教授学生如何运用MATLAB、Simulink等软件进行控制系统设计。
八、教学反馈1. 课堂反馈：课后收集学生对课堂教学的反馈，了解教学效果。
2. 作业反馈：对学生的练习题进行批改，提供个性化的反馈意见。
【精品】简单控制系统的投运
《化工仪表及自动化》课程教学课件化工仪表及自动化授课时间：第次课（2学时)教学目的：掌握简单控制系统的投运及操作中的常见问题教学重点:简单控制系统的投运教学难点:控制器正、反作用的判定方法教学过程：讲授教学内容：第十二章简单控制系统上节课知识回顾：12.1、由图可知，简单控制系统有着共同的特征，它们均由四个基本环节组成,即被控对象、测量变送器、控制器和执行器。
对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同,但都可以用相同的方块图来表示。
这就便于对它们的共性进行研究。
图12—3简单控制系统方块图12、2、被控变量的选择（①掌握何谓被控变量；②必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析个变量之间的相互关系，一般要遵循6项原则，见书P178）。
12。
3、操纵变量的选择（①掌握操纵变量的定义;②掌握选择操纵变量的3项原则，见书P180）。
12.4、控制器控制规律的选择及参数整定（①掌握P、PI、PID三种控制器的特点；②掌握控制器的工程整定的3种基本方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）.本节课程内容引入：简单控制系统设计并按设计要求进行正确安装后,即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。
但如何投运是一项很重要的工作，尤其是对一些重要的控制系统更应重视。
12.5.1、控制系统的投运经过控制系统设计、仪表调校、安装后，接下去的工作是控制系统的投运。
所谓控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。
这一过程是通过将控制器上的手动一自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的。
控制器在手动位置时，控制阀接受的是控制器手动输出信号：当控制器从手动位置切换到自动位置时，将以自动输出信号代替手动输出信号控制控制阀,此时控制阀接受的是控制器根据偏差信号的大小和方向按一定控制规律运算所得的输出信号(称之为自动输出)。
如果控制器在切换之前，自动输出与手动输出信号不相等，那么，在切换过程中必然会给系统引入扰动，这将破坏系统原先的平衡状态，是不允许的。
简单控制系统设计
根据前面的讨论，图可以8标－出5各方框的作用方向。
图8－5 控制系统方框图
假设执行器也是正作用
假设执行器也是正作用，此时，来确定 控制器的作用方向。
如果h受到扰动而增加，则有：
扰动→h↑→Y↑→e↓
（5）比例积分微分
微分作用对于克服容量滞后有显著效果， 对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的 基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，
如再加上积分作用消除余差，又有 ，TI ，
TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较 高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变 化大、控制质量要求高的场合，如反应器、 聚合釜的温度控制。
比例控制作用于控制通道滞后较小、时 间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不 大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。 如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的 蒸汽压力的控制等。
（3）比例积分控制
引入积分作用能够消除余差，因此比例积分 控制是使用最多、应用最广泛的控制规律，但是， 加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须加 大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下 降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加 长。
1、控制规律选择
控制规律主要根据过程特性和要求来选： （1）位式控制
常见的位式控制有双位和三位两种。一般 适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控 制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内 波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制 等。
（2）比例控制
是最基本的控制规律，当负荷变化时， 克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程 时间短，但过渡过程结束时存在余差，且负 荷变化越大余差也越大。
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例
广西大学电气工程学院
一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
广西大学电气工程学院
设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
广西大学电气工程学院
六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
广西大学电气工程学院
广西大学电气工程学院
二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
简单控制系统的投运与参数整定
• 图8-1所示的液位控制系统与图8-2所示的温度控制系统都是简单控制 系统的例子。图8-1所示的液位控制系统中，储槽是被控对象，液位 是被控变量，变送器LT将反映液位高低的信号送往液位控制器LC。 控制器的输出信号送往调节阀，调节阀开度的变化使储槽输出流量发 生变化以维持液位稳定。
某一数值上。这种过渡过程形式称为非周期衰减过渡过程，如图8-4 （a）所示。
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任务一 简单控制系统的投运
• （2）衰减振荡过程。 • 被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。这种
过渡过程的形式称为衰减振荡过程，如图8-4（b）所示。 • （3）等幅振荡过程。 • 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。这种形式的
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任务一 简单控制系统的投运
• 3.程序控制系统（又称顺序控制系统） • 这类自动控制系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数
，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。
• 三、控制系统的过渡过程和动态性能指标
• 1.控制系统的过渡过程 • 在定值控制系统中，我们将被控变量不随时间变化的平衡状态称为系
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任务一 简单控制系统的投运
• 2.控制系统的动态性能指标 • 定值控制系统的作用是克服干扰的影响，使被控变量保持在预定的数
值。因此对定值控制系统的控制要求是平稳，在扰动发生以后，希望 被控变量稳得住、稳得快、稳得好。控制系统的过渡过程品质指标示 意图如图8-5所示。 • 控制系统能否稳定、快速、准确地达到平衡状态，通常采用下列几个 品质指标来衡量。 • （1）最大偏差或超调量。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏 离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的 峰值，在图8-5中以A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最 大程度。若偏离的越大，偏离的时间越长，即表明系统离开规定的工 艺参数指标就越远，这对稳定正常生产是不利的。
第六章化工仪表及自动化-
目录
➢ 简单控制系统的结构与组成 ➢ 被控变量的选择 ➢ 操纵变量的选择 ➢ 测量元件特性对控制系统的影响 ➢ 控制器控制规律的选择 ➢ 控制器参数的工程整定
第一节 简单控制系统的结构与组成
•又称单回路反馈控制系统； •由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器 和一个执行器组成； •利用反馈闭环进行控制的系统； •其组成方框图为：
测量滞后包括测量环节的容量滞后和信号测 量过程的纯滞后。 1.测量环节容量滞后（时间常数）
测量元件，特别是测温元件，存在热阻和热 容，自身具有一定的时间常数，因而造成测量 滞后。
测量元件时间常数的影响
• 测量元件时间常数越大，上述现象越显著。 导致控制系统不能发挥正确的校正作用， 控制质量达不要求。
别组成控制系统时，则很容易产生系统间的相互关 联现象。
➢ 在精馏操作中，塔顶和塔底的产品纯度存 在关联。 ➢若以两个简单控制系统分别控制塔顶、塔 底温度，势必造成相互干扰，使两个系统都 不能正常工作。 ➢ 采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶 或塔底一端的产品质量。 ➢ 如果工艺要求塔顶和塔底产品纯度都要保 正，则通常需要组成复杂控制系统，增加解 耦装置、解决相互关联问题。
要求：T0适当小些，使反应灵敏，控制及时、 减小稳定过渡时间，提高控制质量。
例如，对于提馏段温度的控制。
不同时间常数的影响
y
A
T1
T2
C
D
E
A、B是被控制变量在单位
阶跃干扰作用下系统无
B
校正作用时的响应曲线。
E表示控制器的校正作用
C、D分别表示被控变量
t
在干扰与校正作用同时
作用下的变化曲线。
假设控制与干扰通道时间常数相同
《简单控制系统的设计作业设计方案》
《简单控制系统的设计》作业设计方案一、作业目标：本次作业旨在让学生通过设计一个简单的控制系统，加深对控制系统原理和设计方法的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。
二、作业要求：1. 设计一个包含传感器、执行器和控制器的简单控制系统，实现对某一物理量的监测和控制。
2. 确定控制系统的输入和输出信号，设计传感器和执行器的接口电路。
3. 编写控制器的程序，实现对传感器采集数据的处理和对执行器的控制。
4. 调试控制系统，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告，详细记录设计过程、实验结果和分析结论。
三、作业步骤：1. 确定控制系统的功能和结构：起首确定控制系统要监测和控制的物理量，例如温度、湿度等，然后确定控制系统的结构，包括传感器、执行器和控制器的选择和毗连方式。
2. 设计传感器和执行器的接口电路：根据控制系统的需求，设计传感器和执行器的接口电路，确保信号的稳定和可靠传输。
3. 编写控制器的程序：根据传感器采集的数据和控制系统的逻辑干系，编写控制器的程序，实现对执行器的控制。
4. 调试控制系统：毗连各个部件，进行控制系统的调试，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告：详细记录设计过程、实验结果和分析结论，总结经验和教训，提出改进建议。
四、作业评分标准：1. 设计的控制系统功能完备，结构合理，实现对物理量的准确监测和控制。
2. 传感器和执行器的接口电路设计合理，信号传输稳定可靠。
3. 控制器程序编写规范，逻辑清晰，实现对传感器数据的有效处理和对执行器的精确控制。
4. 调试过程详细，结果准确，实验报告内容完备、结构清晰、表达流畅。
5. 学生在实验过程中表现积极主动，动手能力强，创新认识突出。
五、参考资料：1. 《控制系统工程导论》，刘宗林，机械工业出版社，2018年。
2. 《自动控制原理与设计》，张三，电子工业出版社，2019年。
3. 《控制系统设计与实践》，李四，清华大学出版社，2020年。
化工仪表第6章简单控制系统
第二节 简单控制系统的设计
影响提馏段灵敏板温度T灵的
因素主要有：
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量Q回 回流温度T回 不可控 不可控 不可控 可控 (不可控)
图6-8 影响提馏段温度各种 因素示意图
加热蒸汽流量QZ
冷凝器冷却温度 塔压P
可控
(不可控) 不可控
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。 控制更及时，更显著。
燃料气
3. 变送器是随炉温升高,输出增大, 也是“正”方向。 4. 所以控制器必须为“反方向”, 才能当炉温升高时,使阀门关小, 炉温下降。
加热炉出口温度控制
第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题
举例
液位控制系统
控制阀采用了气开阀 1. 当控制阀打开时,液位是下 降的,所以对象的作用方向 是“反”的。
A: 无纯滞后时的校正作用
B: 有纯滞后时的校正作用
C: 不受控下的输出曲线 D: 无纯滞后时的输出曲线 E: 有纯滞后时的输出曲线
在选择控制变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞 后τ0的存在，无法避免时应使之尽可能小。
干扰通道时间常数 Tf
Tf越大越好，干扰对被控变量 的影响越缓慢，越有利于改善 控制质量。
概述
选择被控变量 选择控制变量
处理测量信号
选择调节阀 选择控制规律 系统投运 参数整定
第一节 简单控制系统的结构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
图6-1 液位控制系统
图6-2 温度控制系统
第一节 简单控制系统的结构与组成
1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图6-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
简单控制系统的方案设计
简单控制系统的方案设计
为了设计好一个简单控制系统，并使该系统在 运行时达到一定的质量指标要求，就要了解生产 工艺，掌握被控对象特性.以便确定合理的控制方 案.方案设计主要考虑以下几个问题:合理选择被控 变量和调节变最，选择合适的测量变送装置及信 号的正确传递，自力式压力调节阀: /的选型，调节阀的选择 等。
再如，在化工生产中常用精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品 或中间产品.如图6.3所示。这个过程对控制的要求就是使产品达到 规定的纯度.因而选择塔顶或塔底馏出物的浓度作为坡控变量最好， 因为它鼓直接反映了生产过程的要求.反映了产品的质量。但是.由于 对成分变量准确而及日寸的在线测量还有一定困难.所以一般选择塔 顶或塔底温度这个间接变量作为被控变量，来代替成分控制。由于 塔顶或塔底产品的浓度是温度和压力的二元函数.所以.实际上是在保 持压力一定的情况下.用溢度来代替成分控制(保证温度与成分之间的 单值函数关系)，并且且工艺上也是合理的。 • 被控变量的确定是控制系统方案设计的核心问题.也是系统方案 设计的第一步，它的正确选择对稳定生产过程、提高劳动生产率、 改善生产条件等具有决定性的意义。Leabharlann 2.对象动特性对系统质量的影响
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反映被控过程动态特性的参数是时间常数T和滞后时间r.其中时间常 数T反映了在输入作用下，被控变盆变化的快慢程度，时间常数越小，说明 被控过程变化速度越快。而滞后时间r则反映了被控过程在受到输人作用后， 被控变量是否立即发生变化，即反映了过程的及时性。干扰通道的时间常数 Td越大越好.容易理解，干扰通道的时间常数增大或时间常 数个数增多，会使这一通道的动态响应变得缓和，干扰最对被控变量的影响 就越小。干扰通 道的容量滞后rdc对控制质量的影响与时间常数Td的影响一样.希望rdc越大 越好.需要指出的是，干扰通道的纯滞后rdc对系统的质量没有影响，只是使 干扰量对被控变量的影响在时间上推迟rdo时间，如图6-7所示。 控制通道时间常数T的大小反映了控制作用的强弱，即反映了克服干 扰影响的快慢。时间常数太大，将使控制作用太弱.反应迟钝.过渡过程时间 加长，控制质量下降。所以希望控制通道的时间常数小一点好。以便系统能 及时克服干扰的影响.但是控制通道的时间常数也不能过小.当它过小时，容 易引起过渡过程的多次振荡.使系统难于稳定下来.不利于控制。 控制通道的滞后r，不论是纯滞后ro.或是容鼠滞后rt.对控制质量都有 不好的影响. 其中中ro影响最坏。ro对系统动态质量的影响可川图6-8来说明。
简单控制系统投运与参数整定
图8－8 4:1衰减振荡法
表8－3
4:1衰减曲线法控制器参数值
δ
TI
TD
δS
1.2δ S
0.8δ S
0.5TS 0.3TS 0.1TS
有时希望衰减比大于4，即要求过渡过 程更稳定，振荡减弱些。这时仍然按照上述 方法找到 δ s ，只是衰减比取10，如图8－9所 示。但此时 Ts 较难测准，因此改测上升时 间 TT ，再查表8－4得到控制器参数。
表8－2 临界比例度法控制器参数表值
表8－2
应采用的 控制规律
δ
Hale Waihona Puke /%TI /minTD /min
P PI PID
2δ K
2.2δ K
0.85TK
1.7δ K
0.5TK
0.125TK
临界比例度法比较简单 临界比例度法比较简单，适用面广，应
用较多。但 对于工艺上不允许有等幅振荡的情况不能 用； 如δ k 很小，容易使得被控变量超出允许范 围，也不能使用。
图8－10 三种振荡曲线比较
图8－11 曲线（d）：积分时间过大，曲线呈非周期变化， 缓慢地回到设定值。 曲线（e）：比例度过大，曲线虽不规则，但波浪 的周期较为明显。
图8－11 积分时间过大、比例度过大时的曲线
【例8－1】某控制系统用临界比例度法整定 参数，已知 δ K = 25 %, TK = 5 min，请分别确 定PI,PID作用时的控制器参数。 解：PI作用时控制器的参数为： δ = 2.2δ K = 55 %, TI = 0.85TK = 4.25 min PID作用时控制器参数为：
表8－5
经验法控制器参数值
δ
TI
TD
成功使用经验法进行参数整定的关键是 “看曲线，调参数”，必须能根据曲线正确 调整参数。 经验法适合各种控制系统参数整定，但经 验不足者会花费很长时间。 对同一组参数，出现不同组参数可能性增 大。