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。
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。
气闭阀wenku.baidu.com
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。
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。
-
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。
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
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
F1
F1
L C
F2 工作过程：
A.C
（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
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。
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。
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 +
● 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
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
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。
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。
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 -
-
电压 放大器
功率 放大 器
+
n
MC 负载
ua 电动机
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。