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

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 )()

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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：