1.1单回路系统的结构组成

（二）过程控制系统实例
1、 锅炉汽包水位控制
在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低 直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。水位过低，当负荷很大时， 汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致锅炉烧干甚至会 引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象， 降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。
● 控制系统的原理和作用（定值）
●维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好 ●偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统得到了广泛应用 ●按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路等
执行器（actuator）（控制阀） 作用是接受控制器的控制信号，直接推动被 控对象，使被控变量发生变化
给定
偏差
控制器 控制阀 被控 对象
测量
被控变 量
测量 变送
●给定量位于系统的输入端，称为输入量。 也称 为参考输入量（信号）。 ●被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 ● 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差 信号。控制器便是根据偏差控制系统的。
1.7 系统的关联及其消除方法
1.8 单回路系统的投运和整定
电炉箱恒温自动控制系统
发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统
温度调节器 调节阀
温度变送器
热电阻
汽鼓
过热蒸汽温度控制系统 a)控制流程图
+
+
+ E
+ +
RW
电压 + ur ue u1 放大器 -
功率 放大器 ua -
+
n
MC 负载
电动机 uf +
影响发酵过程温度的主要因素有微生 实现对发酵罐温度的控制，可使用温 2、发酵罐温度控制 物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及 度检测仪表（如热电偶、热电阻）测量罐 本身的温度变化以及周围环境温度的改变 发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品 中的实际温度，将测得的数值送入控制器, 等。一般采用通冷却水带走反应热的方式 等行业。发酵罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。因为微生物菌体 然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。 使罐内温度保持工艺要求的数值。对于小 本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及 如果两个信号不相等，则由控制器的输出 型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。 菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。温度 控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流 还会影响发酵产物的组成。因此，按一定的规律控制发酵罐的温度就显得 量，从而达到控制发酵罐温度的目的。 非常重要。
Process Control Engineering
过程控制工程
青岛理工大学临沂校区 姚利红 Tel.15725965312 2#楼4楼电气教研室
第 章 单回路反馈控制系统
1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及控制变量的选择
1
1.4 控制阀的选择
闭环控制
• 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与 设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被 控变量，这样，整个系统构成了一个闭环，因 此称为闭环控制。 • 闭环控制的特点是按偏差进行控制。不论什么 原因引起被控变量偏离设定值，只要出现偏差， 就会产生控制作用，使偏差减小或消除，达到 被控变量与设定值一致的目的，这是闭环控制 的优点。 • 闭环控制不够及时。此外，如果系统内部各环 节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使 系统失去控制，这些是闭环控制系统的缺点。
过程控制系统中常用被控变量
温度、压力、流量、液位 成分（氧含量，产品组份等） 物性（粘度，干点，冰点等）
（四）过程控制系统的主要类型
随动控制系统 特点：设定值是一个未知的变化量，并要求系统的 输出（被控变量）随之而变化的闭环控制系统称为 随动控制系统。 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量） 以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
气闭阀
F2
F1增加 → L增加 → 变送器输出信号增加 → 偏差 （测量值-设定值）为正、增加 → 控制器输出减小 →阀开度增加 → F2增加 → L降低；
控制信号
给定 偏差 控制变量
扰动
被控 变量 测量 值
（一）常用概念：
被控过程（对象）：工艺参数需要控制的生产过程设备 或机器等。如锅炉汽包、发酵罐等。 被控变量：被控对象中要求保持一定值的工艺参数。如 汽包水位、发酵温度等。 控制变量：受执行器操纵，又称为操纵变量。用以克服 扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。 如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。 干扰：除控制变量外，作用于被控对象并引起被控变量 变化的因素。如蒸汽负荷的变化、冷却水温度变化。 参比变量：被控变量的预定值，即给定值。 偏 差：被控变量的给定值与实际值之差。在实际控制系 统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不 是实际值，因此，通常把给定值与测量值之差作为系 统的偏差。
1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择 1.7 系统的关联及其消除方法 1.8 单回路系统的投运和整定
第 章
单回路反馈控制系统
1.1 单回路系统的结构组成
1.2 被控变量的选择
1
1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择
1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择
例如雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本身亦可以看作 是一个随动控制系统，它的输出（指示值）应迅速和正确地随 着输入（被测量值）而变化。
程序控制系统 特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的 时间函数 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
如：机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器
的温度控制等都属于这类控制系统。程序控制系统可以 看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随 动控制系统相同。
定值控制系统 特点：设定值固定不变（为一恒定值）的反馈控制 系统称为定值控制系统。 作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设 定值上。
在工业生产中的应用：例如各种 温度、压力、流量、液位等控 制系统；恒温箱的温度控制； 稳压电源的电压稳定控制等。
（五）控制系统正常运行的准则
• 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负。 • 稳定运行准则：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。
-
测速发 电机 直流电动机转速闭环控制系统
基本概念
• 反馈----输出变量通过适当的检测仪表，又送 回输入端，并与输入变量相比较。二者相加称 为正反馈，二者相减称为负反馈。
• 偏差----输出变量与输入变量相比较所得的结 果。控制装置根据偏差方向、大小或变化情况 进行控制，使偏差减小或消除。发现偏差，然 后去除偏差，这就是反馈控制的原理。利用这 一原理组成的系统称为反馈控制系统，通常也 称为自动控制系统。 • 有反馈存在，按偏差进行控制，是自动控制系 统最主要的特点。
直流电动机转速开环控制系统
● 单回路反馈控制控制系统
——结构上只有一个反馈回路的控
制系统
+
+ E
+
+ +
RW
电压 + ur ue u1 放大器 -
功率 放大器 ua -
+
n
MC 负载
电动机 uf +
-
测速发 电机 直流电动机转速闭环控制系统
例 1：
水槽液位控制系统
F1F1Biblioteka L CF2 工作过程：
A.C
眼
检测元件（变送器）
要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况 脑 控制器
控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。 如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时 控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号。 手 执行器
执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉 的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。
（三）过程控制系统的组成
被控对象(object) 需要控制的设备 测量变送装置（sensor and transmitter） 检测被控制的物理量 控制器(controller) 将测量信号与设定值进行比较，求出它们间的偏 差，然后按照预先选定的控制规律进行计算并将 计算结果作为控制信号送给执行装置
开环控制
• 开环控制方式比较简单，不需要对被控变量进 行测量，只根据输入信号进行控制。 • 由于不测量被控变量，也不与设定值相比较， 所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定 值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。
+
+
+ E
+ +
RW
ur -
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电压 放大器
功率 放大 器
+
n
MC 负载
ua 电动机