单回路控制系统原理
单回路控制系统
单回路控制系统一、单回路控制系统的概述图1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
图1 单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，干扰通道的放大系数Kf则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
，则阶跃扰动通过惯性环节后，如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf越大，则系统的动态偏其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
2．干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图2所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图2 扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为：G C (s)= KP=δ1(1)式中KP为比例系数，δ为比例带。
2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为：GC (s)=KP(1+s1IT)＝δ1(1+s1IT) (2)式中TI为积分时间。
3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
单回路控制系统详解
一、单回路控制系统1. 画出图示系统的方框图：2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？3. 试确定习题1中控制器的正反作用。
若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。
5. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。
7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。
8. 对图示控制系统采用线性控制阀。
当负荷G 增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 减少时，系统响应震9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。
（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。
（2）主要扰动为G 1时，量特性。
（3特性。
11.作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。
13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为)1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。
单回路控制系统概述
单回路控制系统概述
设定值r 偏差e 调节`器
u
调节阀
干扰 f (t)
μ
被控过程
测量值x
测量变送器
y(t) 被调参数
对于过程控制系统设计和应用来说，控制方案的设计和 调节器参数的整定是其中两个重要内容。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；若控制方案很好，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。
⑷ 执行器 执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号
组合而成的。
单回路控制系统
单回路控制系统概述
2．仪表位号
在检测控制系统中，构成回路的每个仪表(或元件)都用仪表位 号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成.首 字母表示被控变量，后继字母表示仪表的功能。回路的编号由 工序号和顺序号组成，一般用3-5位阿拉伯数字表示。
单回路控制系统
单回路控制系统概述
1.1 单回路控制系统的构成
单回路控制系统示例
液位控制系统
温度控制系统
压力控制系统
单回路控制系统
单回路控制系统概述
1.2 控制系统的工程表示
工艺控制系统流程图（管道仪表流程图）：
液位控制系统
温度控制系统
压力控制系统
带测控点工艺流程图是自控设计的文字代号、图形 符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图， 是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。
国家行业标准HG20505-92过程检测和控制系统用文字代号和图形符号
单回路控制系统
单回路控制系统概述
一些常用的图形符号和文字代号
1．图形符号
过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线(引线、信 号线)和仪表圆圈等。 ⑴ 测量点
单回路控制系统整定实验报告
单回路控制系统整定实验报告本文是对单回路控制系统整定实验的总结和分析，主要包括实验目的、实验原理、实验过程、实验结果以及实验分析等方面的内容。
一、实验目的本实验的主要目的是掌握单回路控制系统整定方法，了解控制系统的稳态误差和动态响应特性，提高实际应用控制系统的能力。
二、实验原理单回路控制系统是一种基本的控制系统形式，它由被控对象、传感器、执行机构、控制器和控制信号等组成。
例如，温度控制系统、速度控制系统、压力控制系统等都是单回路控制系统的应用。
在通过控制器使被控对象产生控制输出信号的过程中，存在稳态误差和动态响应特性问题，对其进行整定是控制系统设计中重要的环节。
稳态误差是指控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差。
当被控对象达到稳定状态时，控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差称为稳态误差，在实际控制系统设计中，应尽可能使稳态误差达到最小。
动态响应特性是指控制系统对负载扰动、控制信号变化等外部干扰的响应能力。
在实际应用控制系统中，需要考虑控制系统的动态响应特性，以此保证系统稳定性和控制效果。
控制系统的整定就是调整控制器参数，使系统的稳态误差和动态响应特性达到最优状态，从而获得最佳控制效果。
三、实验过程本实验是基于MATLAB/Simulink软件进行的模拟实验。
实验系统模型：本实验模拟一个简单的单回路负反馈控制系统，其模型如图所示。
其中，控制器采用比例积分控制器（PI控制器），其控制方程为：$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(τ) \, dτ$$传感器和被控对象之间的关系用传递函数表示为：$$G(s) = \frac{1}{s(1+0.5s)}$$控制器的参数Kp和Ki需进行整定。
实验过程中，先通过手动调节的方式获得基本的参数范围，再通过曲线法和频率法对其进行精细调整。
曲线法：首先设置一个阶跃参考信号，观察系统的单位阶跃响应曲线，根据曲线特征调整控制器参数。
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3单回路控制系统方框图R(S)：给定值的拉氏变换式Gc(S)：控制器传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Gm(S) 变送器传递函数U(S)：控制信号的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Gf(S)：对象扰动通道的传函Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(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。
单回路控制系统实验报告
单回路控制系统实验报告一、引言单回路控制系统是一种常见的控制系统，它由传感器、执行器、控制器和被控对象组成，用于实现对被控对象的精确控制。
本实验旨在通过搭建一个简单的单回路控制系统，探究其基本原理和性能特点。
二、实验目的1.了解单回路控制系统的基本组成和工作原理；2.熟悉传感器、执行器和控制器的选择和连接方法；3.掌握控制系统的参数调节方法；4.分析和评估单回路控制系统的性能。
三、实验器材和材料1.传感器：温度传感器、压力传感器等；2.执行器：电机、液压缸等；3.控制器：PLC、单片机等；4.被控对象：温度控制系统、压力控制系统等；5.连接线、电源等实验器材。
四、实验步骤1.根据实验要求选择适合的传感器、执行器和控制器，并进行连接；2.搭建单回路控制系统，确保传感器能够正确获取被控对象的状态，并传输给控制器；3.调节控制器参数，使得执行器能够根据被控对象的状态做出相应动作；4.观察和记录被控对象的状态变化，并进行分析；5.根据实验数据评估单回路控制系统的性能。
五、实验结果与分析通过实验我们发现，在单回路控制系统中，传感器的准确性对系统的控制精度起着关键作用。
若传感器的测量误差较大，则控制器会根据错误的数据做出误判，导致执行器产生错误的动作，影响了系统的稳定性和精度。
因此，在选择传感器时应注意其测量精度和可靠性。
控制器的参数调节也对系统性能有重要影响。
通过调节控制器的比例、积分和微分参数，可以改变控制系统的响应速度和稳定性。
比例参数的增大会加快系统的响应速度，但可能引起振荡；积分参数的增大会减小系统的稳态误差，但可能导致系统的超调；微分参数的增大会提高系统的稳定性，但可能引起噪声干扰。
因此，在调节控制器参数时需要综合考虑系统的要求和特性。
六、实验总结本实验通过搭建单回路控制系统，深入理解了其基本原理和性能特点。
我们了解到传感器、执行器和控制器在控制系统中的重要作用，以及参数调节对系统性能的影响。
通过实验数据的分析和评估，我们可以进一步优化单回路控制系统，提高其控制精度和稳定性。
DCS单回路控制系统设计资料讲解
DCS单回路控制系统设计资料讲解DCS，即分散控制系统，是一种基于微处理器的工业控制系统，广泛应用于化工、电力、石油等领域。
单回路控制系统是DCS系统中的一种常用架构，主要用于单个设备或过程的控制。
单回路控制系统的设计资料包括以下几个方面：1.系统结构：在单回路控制系统设计资料中，首先需要明确系统的总体架构和组成部分。
一般来说，单回路控制系统由传感器、执行器、控制器和人机界面组成。
传感器用于采集过程变量，执行器用于控制过程变量，控制器负责执行控制算法，人机界面则用于实现操作和监视。
2.控制策略：在单回路控制系统设计资料中，需要明确应用的控制策略。
常用的控制策略包括比例控制、积分控制、微分控制和模糊控制等。
根据具体的应用需求和控制对象的特性，选择合适的控制策略以实现稳定、准确的控制。
3.控制算法：在单回路控制系统设计资料中，需要详细描述控制器的工作原理和控制算法。
控制算法是控制器的核心部分，它根据输入的传感器信号和输出的执行器信号，通过运算和判断来实现过程变量的控制。
常见的控制算法有PID算法、模糊控制算法等。
4.通信协议：在单回路控制系统设计资料中，需要考虑通信协议的选择。
DCS系统是分布式控制系统，需要通过网络将各个部分连接起来，实现相互之间的数据交换和协同控制。
常用的通信协议有MODBUS、OPC等。
5.安全性与可靠性：在单回路控制系统设计资料中，需要考虑系统的安全性和可靠性。
安全性包括防止非法操作和保护系统免受外部攻击，可靠性包括系统硬件和软件的稳定性和可用性。
设计资料中需要详细说明安全和可靠性措施，例如设备的备份和冗余、数据的备份和恢复策略等。
6.软件架构：在单回路控制系统设计资料中，需要描述控制系统的软件架构。
软件架构包括了操作系统、控制算法、通信协议的实现等部分。
设计资料中需要详细描述软件的结构和模块之间的关系。
7.硬件配置：在单回路控制系统设计资料中，需要描述控制系统的硬件配置。
硬件配置包括了各个模块的型号和数量、布线方式、电源要求等。
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。
单回路控制系统实验报告
单回路控制系统实验报告实验名称：单回路控制系统实验实验目的：掌握单回路控制系统的基本原理和调节方法，熟悉控制系统的建模、分析和设计过程。
实验设备：计算机、控制系统实验仪器、数据采集卡、传感器、执行器等。
实验原理：单回路控制系统是由闭环反馈控制器、过程装置和传感器组成的反馈控制系统。
其基本原理是根据反馈信号来调节输出信号，使得系统输出达到期望值或稳定在某个给定值上。
单回路控制系统可用于控制温度、压力、速度等各种物理量。
实验步骤：1. 搭建单回路控制系统：将闭环反馈控制器、过程装置和传感器按照实验要求连接起来，确保各个设备之间的信号传输正常。
2. 设定控制目标：根据实验需求，设定控制系统的目标值，如温度控制系统中的目标温度。
3. 进行系统建模：将控制系统中的各个元件抽象为数学模型，如控制器的传递函数、过程装置的传递函数等。
4. 参数调整：选择合适的控制器参数，如比例增益、积分时间和微分时间，并通过试控实验进行参数调整。
5. 进行闭环控制实验：将控制系统闭合，即将输出信号作为反馈信号输入到控制器中，通过控制器输出调节过程装置的输入信号，控制系统达到期望值或稳定在给定值上。
6. 实验数据采集与分析：利用数据采集卡采集实验过程中的各个信号数据，并进行数据分析，如误差分析、系统响应时间等。
7. 评价控制效果：根据实验数据分析结果，评价控制系统的性能，并对控制系统进行改进或优化。
实验结果：根据实验数据采集与分析结果，可以得到控制系统的性能指标，如超调量、调节时间等。
根据实验结果，评价控制系统的性能，并对控制器参数进行调整和优化，以达到更好的控制效果。
实验总结：通过本实验，掌握了单回路控制系统的基本原理和调节方法，了解了控制系统的建模、分析和设计过程。
实验中还发现了控制系统中可能存在的问题，并进行相应的改进措施。
在今后的工作中，将进一步研究和应用控制系统技术，提高控制系统的性能和稳定性。
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。
单回路控制系统
J ITAE et dt
0
对存在余差的系统，采用
作为误差项代入。
采用不同积分指标，所获得的过渡过程的性能要求也不同。
例如，ISE最小的系统着重于抑制过渡过程中的大误差，但衰减比很大；
ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间过长，但过渡过程振荡激烈。
误差积分指标不能都保证控制系统具有合适的衰减比。
3.1 单回路控制系统的结构与组成 控制系统的有关术语
控制通道：操纵变量到被控变量的通道。 扰动通道：扰动变量到被控变量的通道。
扰动影响被控变量或设定值变化时，通过控制通道调节。 改变操纵变量，克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化。
定值控制系统：设定值固定的控制系统。 随动控制系统：被控变量跟随设定值变化的控制系统。 采样控制系统：包含采样开关的控制系统。如，计算机控制
（2）绝对误差积分准则IAE（ Integral of Absolute Value of Error Criterion ）：
（3）时间乘绝对误差积分准则ITAE（ Integral of Time Multiplied by The Value
of Error Criterion ）：
f e, t e t;
控制器（Controller）：根据设定值与测量值间的偏差， 按控制规律输出信号的设备；
执行器（Control Valve）：接受控制器输出信号，控制操 纵变量的设备。
3.1 单回路控制系统的结构与组成 控制系统的有关术语
框图中的各个信号是增量。箭头表示信号流向，不是物流和能量流。 各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环 节输入增加时，输出增加，增益为正；输出减少，增益为负。 常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象，用G0(s)表示。 该环节增益除以该物理量基准值表示为无量纲描述。控制器输入和输出 采用标准信号时，广义对象增益是无量纲的。
第3章 调节器的控制规律和单回路控制系统
能源与动力工程学院
二、调节器的控制规律
调节器根据被调量y与给定值r之间的偏差e（输入量）,
输出调节机构控制信号（输出量）,从而引起调节机构位置μ 的变化，使被调量最终等于给定值。调节器的输出量与输入 量之间的动态关系, 称作调节器的控制规律。调节器和被控 对象组成的一个闭合控制回路如下图所示： λ
能源与动力工程学院
e Δe0 o μ t o μ
2
e0
e
de a dt
e Δe0 t
a T d KD 1 e0 a Td
o μ
KD 1 0.632 e0
e0
t
1
o
(a)Leabharlann toTd (b)
t
o
TD
t
(c)
比例微分（PD）调节器响应曲线
能源与动力工程学院 上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应 曲线，其动态方程为：
确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程 安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元的正反特性，然 后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。 确定调节器正、反作用的原则：组成系统的各环节静态放 大系数极性相乘必须为负值（构成负反馈的条件）。
能源与动力工程学院
单回路系统注意事项：
在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差,是
一种有差调节器。
能源与动力工程学院
对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器 分别采用P、PD控制时，若保证稳定性相同（ψp= ψ PD=0.75）
r + e WT (s)
调节器
VT
W0 (s)
*
Vm
试分析比例带δp 、δ PD ，静态偏差eP(∞)、 ePD(∞)，动态偏 差eP(m)、 ePD(m)的大小。
单回路控制系统实验(过程控制实验指导书)
单回路控制系统实验单回路控制系统概述实验三单容水箱液位定值控制实验实验四双容水箱液位定值控制实验实验五锅炉内胆静（动）态水温定值控制实验实验三实验项目名称：单容液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验内容和（原理）要求本实验系统结构图和方框图如图3-4所示。
被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
三、实验主要仪器设备和材料1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。
四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱作为被控对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按二种方案分别叙述。
（一）、智能仪表控制1．按照图3-5连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-4 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图图3-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
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。
单回路DCS控制系统设计
单回路DCS控制系统设计随着工业自动化水平的提高，单回路DCS（分散控制系统）在工业控制领域中的应用越来越广泛。
本文将从单回路DCS控制系统设计的背景、特点、结构和实施过程等方面进行详细的介绍。
一、背景随着工业生产的复杂化和自动化水平的提高，传统的集中式控制系统已经无法满足对系统可靠性、稳定性和扩展性的要求。
因此，分散控制系统（DCS）便开始得到了广泛的应用。
单回路DCS是DCS的一种应用形式，由于其体积小、功能全、性价比高等优点，逐渐受到了工业控制领域的青睐。
二、特点1.可靠性：单回路DCS控制系统具有良好的可靠性，能够实现系统的24小时稳定运行。
2.灵活性：单回路DCS控制系统可以根据不同的需要进行扩展和修改，以适应不同的生产过程。
3.易操作性：单回路DCS控制系统设计考虑了人机工程学的原理，使操作界面友好、简洁，易于操作和维护。
4.高效性：单回路DCS控制系统采用先进的算法和控制策略，能够实现对生产过程的精确控制和调节，提高生产效率和质量。
三、结构1.控制器：单回路DCS控制系统的核心部分，负责接收和处理传感器采集到的信号，并发出相应的控制信号。
2.人机界面：提供给操作人员进行系统监控、操作和调节的界面，通常使用触摸屏、键盘和显示屏等设备。
3. 通信网络：用于控制器与人机界面、感应器以及执行器之间的数据传输，常见的通信方式包括以太网、Modbus和Profibus等。
4.传感器：用于采集生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。
5.执行器：根据控制器的指令，对生产设备进行控制，通常包括电动执行器、液压执行器等。
四、实施过程1.系统规划：根据生产过程的需求和控制目标，确定系统的功能和性能要求，进行系统的总体规划。
2.设备选型：根据系统规划，选择合适的硬件设备和软件工具，如控制器、人机界面、通信网络等。
3.系统设计：根据系统规划和选型结果，进行系统设计，包括系统结构设计、控制策略设计等。
4.系统实施：根据系统设计的结果，进行系统硬件和软件的安装和调试，并进行必要的培训和试运行。
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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。
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，但是，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，在系统可以采用以下措施：[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，以增大输出功率，减少传送滞后。
4、控制规律的选择调节器的控制规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）这三种基本规律及其各种组合。
比例调节（P）：依据偏差的大小来动作，其输出与输入偏差的大小成正比。
比例调节及时、有力、但有余差。
积分调节（Ti）：依据偏差是否存在来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止。
积分的作用是消除余差，但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。
积分时间越小表明积分作用越强，积分作用太强时会引起震荡。
积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI或PID控制。
积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
但积分控制通常使系统的稳定性下降。
Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，震荡次数较多；Ti太大对系统性能的影响减少。
微分调节（T d）：依据偏差变化速度来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。
它可以克服调节对象的惯性滞后、容量滞后，但不能克服调节对象的纯滞后。
常用控制系统温度控制系统：时间常数一般较大，为几分钟到几十分钟。
温度控制系统的纯滞后一般也较大。
为了改善温度控制系统的品质，测量元件应选用时间常数小的元件，并尽可能的安装在测量纯滞后小的地方，调节器一般选用PID调节器，适当引入微分作用，可以加快调节作用，改善因系统时间常数较大对控制系统造成的影响。
压力控制系统：气体压力对象基本上是单容的，时间常数与系统容积成正比，一般为几秒钟到几分钟，调节器常选用PI 调节器，积分时间一般为几十秒到几分钟；液体压力对象具有不可压缩性，时间常数很小，通常为几秒钟，同时对象的纯滞后时间很小，调节过程中被控变量的振荡周期很短。
调节器常选用PI调节器。
流量控制系统：流量对象时间常数很小，一般为几秒，对象的纯滞后时间也很小，调节过程中被控变量的振荡周期也很短。
调节器常选用PI调节器。
液位控制系统：一个设备或储罐的液位，代表了其流入量和流出量差的累积。
调节器常选用P或PI调节器。
调节器的参数整定调节器参数的工程整定方法有响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法和现场经验法。
在现场我们使用的是现场经验法来进行调节器的参数整定。
对于由比例调节器构成的过程控制系统，其整定参数只有一个比例度δ，此时只需将比例度δ由大逐渐调小，观察系统过渡过程曲线，直到认为其曲线达到最佳为止。
对于由比例积分调节器构成的过程控制系统，其整定参数有比例度δ和积分时间Ti。
此时，首先将Ti→∞，按纯比例作用整定调节器的比例度，使其得到较好的过渡过程曲线。
然后，把比例度放大约1.2倍，再引入积分作用并将积分时间从大到小进行调整，使其得到较好的过渡过程曲线。
最后，在这个积分时间下，再改变比例度，观察其曲线变化情况，如曲线变化，就按此方向再整定比例度；如曲线无变化，可将比例度再减小一点，改变积分时间，观察曲线是否变化。
这样反复多次，直到认为其曲线达到最佳为止。
对于由比例积分微分调节器构成的过程控制系统，先使微分时间T d=0，再按上述比例积分调节器的整定方法，得到较满意的过渡过程曲线，然后引入微分作用，使微分时间由小到大进行调整，逐步凑试，直到得到最佳整定参数值5、调节阀特性的选择调节阀是过程控制系统中的一个重要组成环节。
调节阀的选择主要是流量特性的选择、流通能力的选择、结构形式的选择和开关形式的选择。
应根据对象特性、负荷变化情况和生产工艺的要求出发，来确定所需要的调节阀。
主要介绍气动调节阀，正确选用气动调节阀应考虑工艺操作条件（温度、压力、流量、介质特性等）和过程控制系统的质量要求。
调节阀对通过的流体流量的控制是基于改变阀芯与阀座之间的流通截面大小，即改变其阻力大小来达到的。
所以，从流体力学的观点来看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。
A、调节阀的尺寸选择调节阀的尺寸通常用公称直径D和阀座直径d来表示。
D 和d是根据计算出来的流通能力C来选择。
流通能力C表示调节阀的容量，其定义为：调节阀全开，阀前、阀后压差为0.1MPa流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量m3数。
C = Q r /（p1-p2）式中：r —流体重度；Q —流体的体积流量p1-p2——调节阀前后压差根据调节所需的物料量Qmax、Qmin，流体重度r及调节阀上的压降p1-p2可以求得最大流量、最小流量时的Cmax和Cmin值。
根据Cmax，在所选用产品型式的标准系列中，选取大于Cmax 值，并最接近一级的C值。
B、气开、气关的选择气动调节阀分气开、气关两种。
有控制气压信号（即有输出信号）时阀开、无控制气压信号时阀关叫气开式；有控制气压信号（即有输出信号）时阀关、无控制气压信号时阀开叫气关式。
在具体选用调节阀气开、气关形式时，应考虑以下情况[1]、考虑事故状态时人身和工艺设备的安全[2]、在事故状态下减少生产原料或动力的消耗浪费，以及保证产品质量。
[3]、考虑介质的性质（防止物料结晶、凝固和堵塞）C、调节阀流量特性的选择调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。
从过程控制的角度来看，调节阀最重要的特性是它的流量特性。
因为调节阀的特性对整个过程控制系统的品质有很大的影响。
不少控制系统工作不正常，往往是由于调节阀的特性选择不合适，或者是阀芯在使用中受腐蚀、磨损使特性变坏引起的。
调节阀的理想流量特性，就是在调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性。