单回路控制
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。
第12章单回路控制系统
(四)阀门流量特性选择实例
1、根据物料平衡求对象特性
Q1
Q2
A
dh dt
Q2 kb h
H (s) KP Q1(s) TCs 1
Q1
KP
1 KH
2 h0 kb0
,TC
A KH
2 A h0 kb0
h
A
2、画控制系统方框图
B(s) k h0 Q2(s)
kb0 2 h0
GC(s)
GV(s) Q1(s)
l
Q 快开
l
刘玉负荷长改变
数学分析法选控制阀流量特性注意事项
(1)不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量 特性可能是不一样，甚至是相反的，所以应根 据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流 量特性；
(2)采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开 特性，考虑到快开特性特点，一般用于双位控 制或程序控制而不适合于连续自动调节，此时 可用线性阀代替；
1
H(s)
As
刘玉长
Gm(s)
LC
LT
Q2
3、设定值扰动引起工作点移动
出液阀开度b不变，KP会随设定值变化，静态推理：
若h0↑
KP↑ 要维持KVKP恒定 要求KV↓ Q2↑ ∵稳定时Q1=Q2 Q1↑开度↑
要求阀在开度 增大时，阀增 益减少，故应 选快开阀
考虑对动态特性的补偿：
若h0↑
要维持稳定 TC↑，稳定性↑性能不变 要求KV↑ Q2↑ → Q1↑ → 要求阀开度↑
(二)控制阀口径计算计算步骤
(1)根据工艺专业委托的条件，初选阀的型式、流向及流 量特性，并决定流量系数C值的计算方法。
并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常 维持不变，则有
单回路控制系统原理
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。
Q2 x (t)如图1 ：液位控制系统K C：调节器的静态放大系数QK V：调节阀的静态放大系数1K0：被控对象的静态放大系数Km :变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式不少，它们的动态特性是未知的或者是不十分活楚的，但普通具有惯性大，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、；有摹拟量控制系统、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、控制过程届慢过程，多半届参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成份、PH 等进行控制。
5、在过程控制系统中，其给定值是包定的 (定值控制) ，或者是已知时间的函数 (程序控制) 。
控制的主要目的是在丁如何减少或者消除外界扰动对被控量的影响。
y (t〕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，又能满足普通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合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，、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不少的，但是，并非对所有影响因素都需要加以控制“选择被控参数的普通原则为：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(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，被控参数必须具有足够大的灵敏度⑥若生产工艺有几种控制参数可供选择，普通希翼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。
单回路控制系统的结构及基本原理
单回路控制系统的结构及基本原理单回路控制系统，听起来是不是有点高深？别担心，咱们慢慢来，把它说得简单明了。
想象一下，你家里的空调，夏天一开，立马变成了清凉的避风港。
这个过程背后，就是单回路控制系统在默默发挥作用。
它就像是一位调皮的管家，专门负责调节室内温度。
你觉得怎么样？挺酷吧？单回路控制系统到底是什么呢？其实就是一个简单的控制机制。
就像你在厨房里做饭，火候掌握得当，菜才能好吃。
系统通过传感器感知环境，像是人的“感觉器官”，然后根据设定的目标进行调整。
如果室温太高，控制系统就会给空调发信号，让它开起来。
这样一来，家里瞬间凉快。
是不是感觉有点像魔法？咱们再深入一下，单回路控制系统的基本原理其实就是反馈控制。
反馈控制就像是你骑自行车时的平衡，往左偏了就稍微向右打方向，保持稳定。
系统通过不断获取反馈数据，进行调整，保证温度不会过高或者过低。
要是没有这个反馈，空调就会像个无头苍蝇，根本不知道该怎么调节。
想象一下，如果空调开得太冷，你可能就得裹着毛毯看电视了，真是太折磨人了。
再说说控制环路，单回路控制系统的“主角”。
控制环路里有三个重要角色：传感器、控制器和执行器。
传感器就像你家里的眼睛，负责监测环境。
控制器是大脑，分析数据并做出决策。
执行器则是肌肉，负责实际操作。
三者协同合作，像是一场默契的舞蹈，缺一不可。
要是哪个环节出了问题，整个系统就会陷入混乱，真是让人无奈。
举个例子，想象一下你在夏天的炎热中，开着空调，舒舒服服地看着电视。
突然空调出问题，室内温度一下子飙升。
那种感觉就像是被烈日暴晒，简直要人命。
这个时候，如果控制系统能够及时反馈，让空调赶紧调整，那就完美了。
可一旦反馈失灵，你就得忍受那种汗流浃背的折磨，真是心烦意乱。
说到这里，咱们还得提一下这个系统的稳定性。
单回路控制系统就像是一道题，解出来才能得到最终答案。
假如反馈不准确，系统就可能过度反应，导致温度忽冷忽热，就像过山车一样刺激。
这样的结果可不是你想要的，毕竟生活需要一些“稳定感”，对吧？有了稳定的控制系统，大家才能安心享受生活。
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
单回路控制系统设计
控制仪表的选择
(1) 仪表的选型——电动单元组合仪表(DDZ) (2) 测温元件与变送器：
热电阻温度计，三线制接法配温度变送器。
(3) 调节阀选型：选气动调节阀，且事故时要求不 要超温！
气关形式，流量特性选择？
(4)调节器: PI或PID。
控制仪表的选择
调节器的正反作用的确定:
由于调节阀为气关方式 因此KV 0 由于冷风量（控制量） 增加炉温（被控量）降 低，K0 0 通常传感器的增益为正 , Km 0
典型最佳调节过程 1 b
a
生产过程中的控制系 统多为恒值调节系统， 评定控制系统性能的常 用指标有稳态误差、最 大超调或超调率、衰减 率和过渡过程时间等。
在过程控制系统中更
多的采用衰减率 来表
示调节系统的稳定度。
工程上通常将 0.75的调节过程当作“典型最佳调节过程”
临界比例度法
一．临界比例度法（Ziegler-Nichols 稳定边界法）
F(s) Gf (s)
C(s)
Y (s) H (s)
系统输出与干扰之间的传递函数为：
C(S)
Gf (S)
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
假设：G
f
(S
)
K Tf s
f
1
干扰通道的影响
C(S)
1
• Kf
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1
干扰通道的影响
干扰进入位置对控制质量的影响
F(s)
Gf (s)
R(s) E(s)
U (s)
Q(s)
GC (s)
Gv (s)
C(s) Gp (s)
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。
单回路控制
控制器正反作用的判定
3、对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。 4、 对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀 （注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用” 混淆）。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来 确定。气动薄膜调节阀可分为气关（NO或FO）和气开（NC 或FC）两种型式。有信号压力时阀关、无信号压力时阀开的 为气关式。反之，为气开式。气开阀是“正”方向。气关阀 是“反”方向。 5、对于被控对象的作用方向。当操纵变量增加时，被控变量也 增加的对象属于“正作用”的。反之，属于“反作用”的。 6、控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定， 以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。
控制器正反作用的判定
扰动 Qi(t) 设定值 hsp + _ 偏差 e(t) 液体贮罐 干扰 通道
－
液位 控制器
控制信号 u(t)
＋
出水 控制阀
操纵变量 Qo(t)
－
控制 通道 +
+
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
＋
液位传感 测量变送器
举例：假设液位出水控制阀为气开。则KV为正，过程对象KP 为负，液位测量单元为正，要使KC*KV*KP*KT=正，则必须 KC= 负。所以液位控制器为正作用。
1 .2
T p 1 K p
控制器正反作用的判断
控制器的偏差正反作用选择 1、控制器正负偏差的规定 控制理论上以及仪表制造厂家规定： 正偏差：测量－给定＝偏差 负偏差：给定－测量 2、正反作用规定：正作用：偏差增加，控制器输出增加（Ｚ ｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↑ 反作用：偏差增加控制输出减少（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↓
PID三个基本参数kp 、ki 、kd 对PID控制作用和影响
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。
单回路PID控制课件PPT
智能窗帘能够根据室内光线和时间自动调节开合程度，提供舒适的居住
环境。
其他领域中的应用
无人机飞行控制
在无人机飞行控制中，PID控制器用于调节无人机的姿态、高度和速度等参数。通过传感器检测无人机的状态信 息，PID控制器输出相应的控制指令，确保无人机能够稳定、准确地完成各种任务。
机器人运动控制
在工业机器人和智能服务机器人中，PID控制器广泛应用于关节运动控制、轨迹跟踪和力控等领域。通过调节电 机的输入电压或电流，PID控制器能够使机器人关节运动的位置、速度和加速度达到期望的目标值，提高机器人 的运动性能和定位精度。
积分单元（I）
根据误差信号积分调节输 出，影响控制系统的稳态 误差。
微分单元（D）
根据误差信号的微分调节 输出，影响控制系统的动 态响应。
PID控制器的参数整定
比例系数（Kp）
调整系统增益，影响系统 响应速度和超调量。
积分系数（Ki）
调整系统稳态误差，影响 系统消除误差的速度。
微分系数（Kd）
调整系统动态响应，影响 系统对变化信号的响应速 度。
单回路PID控制系统
04
的调试与优化
系统调试的方法和步骤
设定参数
根据系统要求和工艺特性，选择 合适的PID参数，如比例增益、 积分时间常数和微分时间常数。
模拟测试
在模拟环境中对PID控制系统进 行测试，观察系统的响应特性 和稳定性。
现场测试
将PID控制系统安装到实际设备 上，进行现场测试，检查系统 的实际运行效果。
THANKS.
PID控制器的优缺点
优点
结构简单、稳定性好、调整方便 、易于实现等。
缺点
对参数整定要求较高，参数整定 不当可能导致系统性能下降；对 于某些非线性或时变系统，PID控 制效果不佳。
单回路控制
一、单回路控制系统1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？2什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。
简单控制系统的典型方块图如下图所示。
题2 方块图3在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。
下图是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。
被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±）℃。
如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。
题3 图丙烯冷却器（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统的组成方块图。
答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。
（３）该系统的方块图：题3 方块图4反应温度控制系统示意图。
Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。
图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？题4图反应器温度控制系统答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。
反应器的温度控制系统的方块图：题4方块图5 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。
为了降低电石消耗量，提高乙炔的收率，确保生产安全，设计了如图所示温度控制系统。
工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。
题5图乙炔发生器答：乙炔发生器温度控制系统方块图如下图所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。
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。
单回路控制方案设计
单回路控制方案设计引言在工业自动化控制系统中，回路控制方案设计是非常重要的一局部。
单回路控制方案是指仅仅针对一个回路的控制方案。
本文将介绍单回路控制方案设计的要点和步骤。
设计要点在进行单回路控制方案设计时，需要考虑以下几个要点：1.回路类型：确定回路的类型，例如电气回路、液压回路、气动回路等。
2.控制对象：确定回路需要控制的对象，例如电机、液压缸、阀门等。
3.控制方式：确定回路的控制方式，例如开环控制、闭环控制。
4.控制信号：确定回路的控制信号，例如电压、电流、压力等。
5.控制策略：确定回路的控制策略，例如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
设计步骤进行单回路控制方案设计时，通常需要按照以下步骤进行：步骤一：系统分析和建模在设计控制方案之前，首先需要对要控制的回路进行分析和建模。
分析回路的结构和特性，并将其建模为数学模型。
数学模型可以是微分方程、差分方程、传输函数等形式。
步骤二：确定控制目标根据系统分析和建模的结果，确定回路的控制目标。
控制目标可以是稳定性、性能指标〔如超调量、调节时间〕、鲁棒性等。
步骤三：选择控制策略根据控制目标和回路的性质，选择适宜的控制策略。
常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
步骤四：设计控制器根据选择的控制策略，设计出相应的控制器。
控制器可以是PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
步骤五：仿真和优化设计完控制器后，进行仿真实验。
根据仿真结果对控制器进行优化，调节控制参数，使得回路的控制性能到达要求。
步骤六：实现和调试根据优化后的控制器参数，实现控制方案，并进行调试。
根据实际运行情况对控制方案进行调整，直到满足控制要求。
总结单回路控制方案设计是工业自动化控制系统中的重要环节。
在进行设计时，需要考虑回路类型、控制对象、控制方式、控制信号和控制策略等要点，并按照系统分析和建模、确定控制目标、选择控制策略、设计控制器、仿真和优化、实现和调试的步骤进行。
自动控制系统培训单回路系统培训课件
各数值分别为：最大偏差=第一波峰值y(tp) 45℃ -设定值40℃= 5℃； 余差=新稳态值y(∞)为41℃ -设定值为40℃=1℃；
衰减比=（第一波峰值y(tp) 45℃ -新稳态值y(∞)为41℃ ）/（第二波
峰值42℃ -新稳态值y(∞)为41℃ =4：1
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(4) 常用字母代号及含义
第一位字母
后续字母
字母
被测变量
修饰词
功
能
A 分析
报警
C 电导率
控制
D 密度
差
E 电压（电动势）
检测元件
F 流量
比（分数）
H 手动
I 电流
指示
K 时间或时间程序
变化速率
自动－手动操作
L 物位
灯
M 水分或湿度
P 压力或真空
连接点、测试点
Q 数量或件数
累积、积算
R 核辐射
记录
S 速度、频率
安全
开关、联锁
T 温度
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100% q
快开 线性 抛物线 对数
l
100%
(1) 阀两端压降固定不变条件下旳流量特性为理想特性，出 厂时提供旳。
(2) 实际工作时，阀两端旳压降随流量而变化，这时旳特性称 为工作特性。这种状况重要是由于管道上有串联阻力件而引起旳。
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P2
PT
PV
Ph
Pl
Q f (L)
无因次化后
q f (l)
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全开流量
q Q Qmax
l L Lmax
全开流量
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2．分类 线性型
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一、单回路控制系统1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？2什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。
简单控制系统的典型方块图如下图所示。
题2 方块图3在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。
下图是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。
被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。
如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。
题3 图丙烯冷却器（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统的组成方块图。
答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。
（３）该系统的方块图：题3 方块图4反应温度控制系统示意图。
Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。
图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？题4图反应器温度控制系统答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。
反应器的温度控制系统的方块图：题4方块图5 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。
为了降低电石消耗量，提高乙炔的收率，确保生产安全，设计了如图所示温度控制系统。
工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。
题5图乙炔发生器答：乙炔发生器温度控制系统方块图如下图所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。
题5 方块图被控对象：乙炔发生器；被控变量：乙炔发生器内温度；操纵变量：冷水流量；扰动量：冷水温度、压力；电石进料量、成分等。
6列管式换热器。
工艺要求出口物料温度保持恒定。
经分析如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，则温度的波动将会减小到工艺允许的误差范围之内。
现分别设计了物料入口流量和蒸汽流量两个控制系统，以保持出口物料温度恒定。
题6图（1）试画出对出口物料温度的控制系统方块图；（2）指出该系统是开环控制系统还是闭环控制系统，并说明理由。
答：（1）控制系统方块图如下图所示。
题6方块图（2）控制系统为开环控制系统。
从方块图可以看出，对物料入口流量和蒸汽流量均为闭环控制系统；而对于出口物料温度，未经过测量变送环节反馈到系统输入端，没有形成闭环系统。
7. 画出图示系统的方框图：8. 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？9. 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。
10增大过程的增益对控制系统的控制品质指标有什么影响？过程的时间常数是否越小越好？为什么？11. 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？1. 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。
2. 某温度控制系统已经正常运行，由于原温度变送器（量程200~300℃）损坏，改用量程为0~500℃的同分度号的温度变送器，控制系统会出现什么现象？应如何解决？3. 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？4. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。
5. 对图示控制系统采用线性控制阀。
当负荷G 1增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 1减少时，系统响应震荡加剧，试分析其原因，并设法解决之。
原料加热剂气开 (题7图)TT TCFC FT6. 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G1时，选择控制阀的流量特性。
（3）设定值变化时，选择控制阀的流量特性。
1. 试确定习题7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2 图中，控制系统的调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？(a) (b)(c) (d)题2图 答： (a)――正作用；(b) ――反作用；(c) ――正作用；(d) ――反作用；3 图中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。
试选取调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调节回路的工作过程。
答：因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气关式。
当液位升高时，要求调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要求调节阀输出减少，调节器是反作用。
其工作过程如下：液位↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。
θO G 2 题5，6图蒸汽 G 1 C 1 θi TT TC题3图4图示为加热炉温度控制系统。
根据工艺要求，出现故障时炉子应当熄火。
试说明调节阀的气开、气关型式，调节器的正、反作用方式，并简述控制系统的动作过程。
题4图答：故障情况下气源压力为零，应切断燃料，以确保炉子熄火。
故要求调节阀为气开式，气源中断时关闭。
当炉温增高时，要求燃料量减少，即减小调节阀开度。
由于是气开阀，所以要求调节器输出减小，应选用反作用调节器。
控制系统的动作过程为：进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓。
反之，由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑。
5请判定图示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。
题5图（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；（4）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时。
答：（1）气关调节阀，正作用调节器；（2）气开调节阀，反作用调节器；（3）气开调节阀，正作用调节器；（4）气关调节阀，反作用调节器。
6图为一蒸汽加热器，它的主要作用是对工艺介质加热，要求此介质出口温度恒定。
（1）选择被控变量和控制变量，组成调节回路，并画出方块图。
（2）决定调节阀的气开、气关型式和调节器的正反作用。
（3）当被加热的流体为热敏介质时，应选择怎样的调节方案为好？题6图答：（1）被控变量：流体出口温度，控制变量（操纵变量）：蒸汽流量。
方块图：（2）对于非热敏介质或易结晶介质，调节阀应选气关式，调节器的作用方向应是正作用。
（3）对于热敏介质，为防止局部过热而气化，调节参数不宜为蒸汽而选冷凝水为好。
即将调节阀装于冷凝水管线上。
7图为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。
为安全起见，储槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式及调节器的正、反作用。
题7图（1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Qo为操纵变量。
答：(1)当选择流入量Qi为操纵变量时，调节阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式调节阀，调节器应选择反作用方向；(2)当选择流出量Qo为操纵变量时，调节阀安装在流出管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于全开状态，所以应选用气关型式调节阀，反作用方向的调节器。
8 有一冷却器，以冷却水作为冷剂来冷却物料温度，现选择冷却水流量为操纵变量，物料出口温度被控变量。
试确定在下述3种情况下的调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用。
（1）被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利；（2）被冷却物料温度不能太低，否则易凝结；（3）冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达0℃以下。
答：(1)应选气关型调节阀、反作用式调节器；(2)应选气开型调节阀、正作用式调节器；(3)应选气关型调节阀、反作用式调节器；整定1调节器参数整定的任务是什么？工程上常用的调节器参数整定有哪几种方法？答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定调节器的最佳参数值（包括比例度δ、积分时间Ti、微分时间Td），以便使系统能获得好的调节质量。
调节器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。
属于调节器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。
2什么是临界比例度法？有何特点？答：临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系，求出调节器各参数值。
这种方法比较简单，易于掌握和判断，适用于一般的控制系统。
但是不适用于临界比例度小的系统和不允许产生等幅振荡的系统，否则易影响生产的正常进行或造成事故。
3什么是衰减曲线法？有何特点？答：衰减曲线法是在纯比例运行下，通过使系统产生衰减振荡，得到衰减比例度δs和衰减周期Ts（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出调节器各参数值。
这种方法比较简便，整定质量高，整定过程安全可靠，应用广泛，但对于干扰频繁、记录曲线不规则的系统难于应用。
4选择。
某控制系统采用比例积分作用调节器。
某人用先比例后加积分的凑试法来整定调节器的参数。
若比例带的数值已基本合适，在加入积分作用的过程中，则（）。
A.应适当减小比例带；B.应适当增加比例带；C.无需改变比例带。
答：B。
因为随着积分作用的增强，系统过渡过程的振荡将加剧，所以为了使系统得到与用纯比例作用相同的衰减比或达到同样的调节质量，应适当增加调节器的比例带。
这就相当于减少了放大倍数。
对二阶系统将会使衰减系数增大。
5. 一个纯比例简单控制系统，增加积分作用后，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？6. 一个过程控制系统的对象有较大的容量滞后，而另一系统由于测量点位置造成纯滞后。
若对两个系统均采用微分控制，试问效果如何？7. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K PτP/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 PτP/T P×100%，即比例度增加，为什么？8. 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？9. 某一温度控制系统，采用4:1衰减曲线法进行整定，测得系统的衰减比例度δs=25%，衰减振荡周期Ts=10min，当控制器采用P和PI控制作用时，试求其整定参数值。