简单过程控制系统单回路控制系统工程设计共141页文档
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过程控制--第六-2讲：单回路系统设计lyz
TD(0.2~ 50.3)
0.8P
2019/9/21
过程控制与仪表
12
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
临界比例度法是在系统闭环条件下进行的，方法简便，应用 广泛，其具体步骤如下：
（1）调节器置于纯比例位置，且比例度置最大值，此时无 积分Ti=∞和微分Td=0作用。使系统投入闭环运行。
A、4:1衰减曲线法 该法与临界比例度法相似，也是在系统闭环运行条件下进行
的。其具体步骤如下：
（1）将调节器积分时间置于Ti=∞，微分时间Td=0，比例 度置于最大值，将系统投入闭环运行。
（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现图8-17所示的 4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的 第一个振荡周期。然后查表便可计算出调节器的PID参数的 整定值。
方法：
Wo(S)输入端加一阶跃信号记录变送器的响应输出 据响应曲线求特征参数，（τ -延时To-响应ε-响应度） 根据参数计算整定参数值[Wc(s)]。
2019/9/21
过程控制与仪表
8
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
A、广义过程无自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= ε/{s(1+τ S/n)} 或 Wc(s)确定:
F、模值条件： |Wk(s)|=1D点距离极点距离求kc
δ =1/(To*(/pd) To*(/pd) To*(/pd) )=0.349
2019/9/21
过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
0.8P
2019/9/21
过程控制与仪表
12
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
2、临界比例度法
临界比例度法是在系统闭环条件下进行的，方法简便，应用 广泛，其具体步骤如下：
（1）调节器置于纯比例位置，且比例度置最大值，此时无 积分Ti=∞和微分Td=0作用。使系统投入闭环运行。
A、4:1衰减曲线法 该法与临界比例度法相似，也是在系统闭环运行条件下进行
的。其具体步骤如下：
（1）将调节器积分时间置于Ti=∞，微分时间Td=0，比例 度置于最大值，将系统投入闭环运行。
（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃 扰动，并逐步减小比例度，直到记录曲线出现图8-17所示的 4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的 第一个振荡周期。然后查表便可计算出调节器的PID参数的 整定值。
方法：
Wo(S)输入端加一阶跃信号记录变送器的响应输出 据响应曲线求特征参数，（τ -延时To-响应ε-响应度） 根据参数计算整定参数值[Wc(s)]。
2019/9/21
过程控制与仪表
8
三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
1、动态特性参数法
A、广义过程无自衡能力
阶跃信号 近似对象 Wo(s)= ε/{s(1+τ S/n)} 或 Wc(s)确定:
F、模值条件： |Wk(s)|=1D点距离极点距离求kc
δ =1/(To*(/pd) To*(/pd) To*(/pd) )=0.349
2019/9/21
过程控制与仪表
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三、单回路系统整定
（二）、工程整定法
6-2单回路过程控制系统及控制方案设计 共81页
• 控制作用通过控制通道对被控参数起主导影响， 抵消扰动影响，以使被控参数回复到给定值。
• 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。
选择控制参数的意义
• 在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显 的，是唯一确定的。
• 但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数 可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通 道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出 合理的选择。
• 正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的 问题。
过程静态特性的分析
• 单回路控制系统的框图如图所示
• Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数
• Wo（s）为控制通道的传递函数
• Wf（s）为扰动通道的传递函数
• 并设
W
o s
Wc
s
K
T0s K
0
c
1
W
f
s
• 控制参数 • 回流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路过程控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
• 被控参数 • 贮罐液位
• 控制参数 • 出口流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路系统的特点
• 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满 足大多数工业生产过程的控制要求。
• 单回路系统应用十分广泛，尤其适用于被控过 程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平 缓，或者对被控质量要求不高的场合，约占目 前工业控制系统的80％以上。
• 直接参数法
• 选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控参数。
• 间接参数法
• 选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。
• 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。
选择控制参数的意义
• 在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显 的，是唯一确定的。
• 但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数 可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通 道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出 合理的选择。
• 正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的 问题。
过程静态特性的分析
• 单回路控制系统的框图如图所示
• Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数
• Wo（s）为控制通道的传递函数
• Wf（s）为扰动通道的传递函数
• 并设
W
o s
Wc
s
K
T0s K
0
c
1
W
f
s
• 控制参数 • 回流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路过程控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
• 被控参数 • 贮罐液位
• 控制参数 • 出口流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路系统的特点
• 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满 足大多数工业生产过程的控制要求。
• 单回路系统应用十分广泛，尤其适用于被控过 程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平 缓，或者对被控质量要求不高的场合，约占目 前工业控制系统的80％以上。
• 直接参数法
• 选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控参数。
• 间接参数法
• 选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。
《过程控制系统》 单回路控制系统
Wm (s) ：检测元件、变送器传递函数；
传递函数：Transfer function
第四章 单回路控制系统 4.1.1 单回路控制系统的基本结构
《过程控制系统》
图中：箭头表示各方框之间的信号传递方向，不表示物料传输方向；
Wc(s)
−
Wv (s)
由控制理论可知，闭环系统的输出与输入的关系式为：
Closed-loop system
第四章 单回路控制系统
4.2.2 控制参数的选择 Manipulated variable
二、过程动态特性对控制质量的影响
（2）控制通道动态特性的影响 ③滞后时间对控制质量的影响
《过程控制系统》
j
K0 Kc
X (s)
-
Wc (s)
Y (s) Wo (s)
Wc (s) = Kc
Wo
(s)
=
Ko Tos +
X (s)+
=
−
lim
s→0
s
s[1 +
Wf (s) W (s)Wo
(s)]
=
−K 1+ Kc
f
Ko
E (s)
Z
(s)
U (s) Wc (s)
Wo (s) +
单回路控制系统结构框图
+ Y (s)
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择 Manipulated variable
《过程控制系统》
控制通道的放大系数 K o 愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效果 愈好。但是，Ko 的大小可通过 Kc 改变来补偿，所以，在系统设计时，应 使控制通道的放大系数 Ko 适当大一些以加强控制作用。
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)
单回路控制系统设计共51页文档
பைடு நூலகம்
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
单回路控制系统设计4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
单回路控制系统设计4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
过程控制简单(单回路)控
过程静态特性的分析 （扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko） 过程扰动通道动态特性的分析 （时间常数Tf、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To、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）
过程静态特性对控制品质的影响
F(s) X(s) －
Gf(s) Go(s)
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。直接法 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。间接法 被控参数必须具有足够大的灵敏度。（检测信 号不能很微弱或滞后很大） 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。
衰减曲线法
调节器置为纯比例：Ti=∞，Td=0， 比例度P放到最大，将系统投入自动 状态 逐步减小比例度，直到系统出现衰减 率为0.75的衰减震荡，如图所示记录 下此时的比例度Ps和震荡周期Ts
y(t)
o
Tr
Ts
t
衰减比为4：1时，衰减曲线法整定参数表
整定参数 调节规律 P PI PID P(%) Ps 1.2Ps 0.8Ps Ti -0. 5Ts 0.3Ts Td --0.1Ts
调节规律对控制品质的影响与 调节规律选择
fi x －
Gc(s)
u
Gv(s)
Go(s)
y
Gm(s)
y
调节规律的选择
比例调节：适合对象调节通道滞后/时间常数小、负荷 扰动小、工艺要求不高允许有静差的系统。 积分调节：动态偏差大、调节时间长。只能用于自衡 对象，很少单独使用。 比例积分调节：适合调节通道容量滞后小，负荷变化 不大的调节系统，如流量调节压力调节系统和要求比 较严格的液位调节系统（使用较多） 比例微分调节：由于对系统干扰敏感，Td不能太大， 否则影响系统的正常工作，不适合高频干扰或存在周 期干扰的场合。
过程静态特性对控制品质的影响
F(s) X(s) －
Gf(s) Go(s)
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。直接法 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。间接法 被控参数必须具有足够大的灵敏度。（检测信 号不能很微弱或滞后很大） 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。
衰减曲线法
调节器置为纯比例：Ti=∞，Td=0， 比例度P放到最大，将系统投入自动 状态 逐步减小比例度，直到系统出现衰减 率为0.75的衰减震荡，如图所示记录 下此时的比例度Ps和震荡周期Ts
y(t)
o
Tr
Ts
t
衰减比为4：1时，衰减曲线法整定参数表
整定参数 调节规律 P PI PID P(%) Ps 1.2Ps 0.8Ps Ti -0. 5Ts 0.3Ts Td --0.1Ts
调节规律对控制品质的影响与 调节规律选择
fi x －
Gc(s)
u
Gv(s)
Go(s)
y
Gm(s)
y
调节规律的选择
比例调节：适合对象调节通道滞后/时间常数小、负荷 扰动小、工艺要求不高允许有静差的系统。 积分调节：动态偏差大、调节时间长。只能用于自衡 对象，很少单独使用。 比例积分调节：适合调节通道容量滞后小，负荷变化 不大的调节系统，如流量调节压力调节系统和要求比 较严格的液位调节系统（使用较多） 比例微分调节：由于对系统干扰敏感，Td不能太大， 否则影响系统的正常工作，不适合高频干扰或存在周 期干扰的场合。
第四章单回路控制系统的工程设计
➢ 气开和气关调节阀： 气开式调节阀，其静态放大系数取正 气关式调节阀，其静态放大系数取负。
确定调节器正、反作用次序一般为：
过程控制
首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式， 然后按被控过程特性，确定其正、反作用，
最后根据负反馈的原则来确定调节器的正、反作用形式。
调节器的正、反作用也可以借助于控制系统方框图加以确定。
➢ 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。
4.3 控制参数的选择
过程控制
当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时， 应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量 的影响，正确地选择可控性良好的变量作为操纵(控制) 量。
一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应 比扰动通道快。
过程控制 二、时间常数对控制性能指标的影响
1、控制通道时间常数To的影响
控制通道的时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了 控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。
若控制通道时间常数太大，则控制作用太弱，被控参数变化 缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降；
若控制通道时间常数太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰 动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定 性下降，亦不能保证控制质量。
• 随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。 ➢ 积分控制作用对控制质量的影响： • 积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。
• TI愈小，稳定性愈差。 ➢ 微分控制作用对控制质量的影响：
•引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。 •微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。
过程控制
➢ 根据过程特性和工艺过程来选择控制器的控制规律
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