单回路控制系统设计模板

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, 特别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。

●工程设计: 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。

●工程安装和仪表调校

●调节器参数工程整定: 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。

●被控参数必须具有足够大的灵敏度。

●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪

表的性能。

2.控制参数的选择

➢需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。

➢当工艺上允许有几种控制参数可供选择时, 可根据被控过程扰动通道和控制通道特性, 对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。

✧扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,

力图使被控参数偏离给定性

✧控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影

响, 抵消扰动影响, 以使被控参数尽力维持在给定值。➢在生产过程有几个控制参数可供选择时, 一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强, 动态响应要比扰动通道快。

➢可由过程静态特性的分析( 扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o) 、过程扰动通道动态特性的分析( 时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置) 、过程控制通道动态特性的分析( 时间常数T o、时延τ( 包括纯时延τ0、容量时延τc) 、时间常数匹配) 确定各参数选择原则。

➢根据过程特性选择控制参数的一般原则:

●控制通道参数选择: 选择过程控制通道的放大系数K o

要适当大一些, 时间常数T o要适当小一些。纯时延τ0

愈小愈好, 在有纯时延τ0的情况下, τ0与T o之比应小—

些( 小于1) , 若其比值过大, 则不利于控制。

●扰动通道参数选择: 选择过程扰动通道的放大系数K f

应尽可能小。时间常数T f要大。扰动引入系统的位置

要远离控制过程( 即靠近调节阀) 。容量时延τc愈大则

有利于控制。

● 时间常数匹配: 广义过程(包括调节阀和测量变送器)

由几个一阶环节组成, 在选择控制参数时, 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。

● 注意工艺操作的合理性、 经济性。

3.

系统设计中的测量变送问题 ➢ 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化

情况, 为系统设计提供准确的控制依据。

➢ 测量和变送环节的描述:

s m m m m e s T K s W τ-+=

1)( ➢ 参数选择原则: 减小T m 和τm 均对提高系统的控制质量有

利。若T m 较大, 则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑, 应减少仪表的量程, 即增大K m 。

➢ 系统设计测量和变送中涉及的问题:

●

信号滤波 ●

信号处理 ●

纯时延问题 ●

测量时延问题 ● 信号传送时延问题:

信号传递时延将降低控制质量。对比可采取以下改进措

施:

i.若测量信号为电信号, 可将转换器安装在仪表盘附近,

以缩短气压信号的传送距离．

ii.若调节器输出为气压信号, 可在50～60 m距离间, 装一继动器, 提高气压信号的传输功率, 以减小传递时

间。

iii.若调节器输出为电信号, 应将转换器安装在调节阀附近, 或采用电气阀门定位器。

4.调节阀( 执行器) 的选择

➢调节阀类型的选择: 气动执行器和电动执行器

➢调节阀口径( D g、d g) 大小的选择: 主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。➢调节阀气开、气关形式的选择: 主要以安全方面考虑。➢调节阀流量特性的选择: 系统总的放大倍数尽可能保持不变, 一般被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性), 而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往经过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性, 从而达到系统总放大倍数不变的目的。

5.调节器控制规律的选择

➢目的: 为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合, 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的