第五章 单回路控制系统设计
单回路温度定值控制系统
第１章绪论1.1 设计要求1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：智能温控系统设计设计指标：1）设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框图；2）能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控制方案；3)根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选择、执行器选择；4)合理选择PID 参数。
5)撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能设计一个单回路温度控制系统，实现温度定值控制；确定设计方案，选择检测变送器、控制器、执行器，确定控制器算法，并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。
第２章 系统总体设计方案2.1工艺流程图图1:工艺流程图2.2方框图工作流程介绍系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较，e 是否为0，如果为0直接输出，如果不为0，控制器进行PID 计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令，从而达到温度稳定。
PID 控制器 电阻丝加热器 加热罐水温水温检测一给定值 输出值图2：温度单回路系统结构框图+ 加热器 TT 温检控 制 器TC给定值第3章 硬件设计和器件选择3.1电气接线图250欧姆250欧姆0~5V0~10V12250欧姆250欧姆0~10V75温度控制对象温度变送脉宽调制图3：调节器与温度模块接线图3.2器件选择3.2.1 控制器用于调节PID 算法的控制器选择AI818 3.2.2 温度传感器测量水温的传感器采用热电阻Cu50。
热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。
系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC 电流信号，便于采集。
3.2.3 加热器采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。
输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。
单回路控制系统设计操作变量选择中对象特性应去掉前面已出现调节器规律的选择ppt课件
装备一个铸造车间，需要熔炼设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
被控变量的独立性
塔顶温度控制系统与塔底温度控制系统 塔顶的温度与塔底的温度之间存在关联问题。两个 系统都不能正常工作。 采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶或塔底一 端的产品质量。
常常选择温度作为被控变量。 1.在精馏塔操作中，压力需要固定。 塔压波动使塔处于不良工况。 随着压力的变化，还会引起与之相关的其他物料量 的变化。一般工艺设计结果足以保障塔压基本保持 不变。 2.在塔压固定的情况下，精馆塔各层塔板上的压力基本 上是不变的：各层塔板温度与组分之间就有一定的单 值对应关系
检测变送环节
纯滞后：存在容积滞后。 检测元件滞后：热容、热阻等惯性因素。 信号传递滞后：气动信号传递较慢。
2020/5/23
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操纵变量的选择
操纵变量： 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影 响，调节被控变量的参数，实现控制作用的变量称为 操作变量。 最常见的操纵变量：
精馏过程被控变量的选择
当温度TD 恒定时, 组分ZD和压力p之间也存在着单值
对应关系。
2020/5/23
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单回路控制系统设计
2982018.5MEC 对策建议MODERNENTERPRISE CULTURE一、单回路控制系统基本原理单回路控制性是指这样一个系统：在一个被控对象上采用一个调节器来保持一个变量（或称参数）恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出只控制一个执行器（或称调节阀）。
回路控制系统的例子之一热交换器闭环控制。
它的基本目标是使产品出口温度保持在所期望的设定值上。
要实现这一目标，控制系统应完成如下基本功能：（一）设定值（或目标值）的设定（二）被控变量的测量变松（被测变量的产生）（三）设定值与被测变量的比较（偏差的产生）（四）执行器按调节器的指令实现操作对于一般的单回路控制系统，其基本原理可表示为：当被控变量受到扰动作用后，被控变量发生变化，测量变送器的输出与设定值进行比较，调节器根据偏差大小按一定的规律输出到执行机构以实现某种操作，从而使被控变量保持在所期望的设定值上。
二、控制方案的确定在一般的连续生产过程中，单回路控制系统的用途广泛，可以满足大多数工业生产的控制要求，因此用量很大，其系统设计也很用实用意义。
一般地说，单回路控制系统控制方案的确定应包括如下内容：（一）被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计核心，它对稳定生产操作，提高产品的产量和质量，改善劳动条件等都具有决定性的意义。
如果选择不当，则不管后面的设计工作如何，都很难达到预期的效果。
根据生产过程对自动控制的要求，被控变量的选择应遵循以下的规则；1.选择对产品质量和产量、安全经济运行、环境保护等有重要作用的变量作为被控变量，如锅炉的过热蒸汽的压力和温度。
2.如不能直接用产品质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接变量作为被控变量，如反应器的的某一温度与输出物料的某一浓度相对应，故可选温度这一间接变量作为被控变量。
3.被表征的质量指标变化时，被控变量必须具有足够的灵敏度。
4.根据工艺过程的合理性和国内外自动化仪表可供选用情况，决定采用直接变量还是间接变量作为被控变量。
过程控制单回路控制系统设计
过程控制单回路控制系统设计设计流程：1.确定控制目标：首先，需要确定控制的目标，即需要控制的变量。
在温度控制系统中，控制目标是温度。
2.选择传感器：根据控制目标选择合适的传感器。
在温度控制系统中，可以选择温度传感器。
3.选择执行器：根据控制目标选择合适的执行器。
在温度控制系统中，可以选择加热器或制冷器作为执行器。
4.设计控制器：根据传感器和执行器的特性设计控制器。
常用的控制器包括比例控制器、积分控制器和微分控制器。
5.信号处理：将传感器获取到的数据进行处理，使其适合控制器的输入。
常见的信号处理操作包括放大、滤波和变换等。
6.反馈控制：将控制器的输出与传感器的反馈信号进行比较，并根据比较结果进行调节。
常见的反馈控制算法包括比例反馈控制、积分反馈控制和模糊反馈控制等。
7.参数调节：根据实际情况对控制器的参数进行调节，使得系统达到最佳性能。
8.系统集成：将传感器、执行器、控制器和信号处理器等各部分组装成一个完整的系统，并进行功能测试和性能评估。
关键要素：1.传感器：传感器用于将被控变量转换成电信号，常见的传感器有温度传感器、压力传感器和流量传感器等。
2.执行器：执行器用于根据控制信号调节被控变量，常见的执行器有阀门、电机和加热器等。
3.控制器：控制器根据传感器信号和设定值，计算出控制信号，并将其发送给执行器，常见的控制器有PID控制器和模糊控制器等。
4.信号处理器：信号处理器用于对传感器输出的信号进行放大、滤波和变换等处理，以提高控制系统的稳定性和抗干扰能力。
5.反馈控制：反馈控制通过比较传感器输出和设定值，根据比较结果调整控制信号，以实现控制目标。
6.参数调节：控制器的性能和稳定性很大程度上取决于其参数的选择和调节，通过对控制器参数的调节，可以提高控制系统的响应速度和稳定性。
过程控制单回路控制系统设计需要结合具体的应用场景和要求进行，根据控制目标选择合适的传感器、执行器和控制器，并通过信号处理和反馈控制等措施来提高系统的性能和稳定性。
DCS单回路控制系统设计
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，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。
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)
第5章 简单控制系统的设计及参数调整方法
第五章 简单控制系统的设计
2. 控制参数的选择（重要选择）
依据过程特性对控制质量的影响，不难归纳选择控制参数的 一般原则：
K P越大越好 ， TP 适当小一些 ； （a）
（b） P 越小越好 ， P
/ TP 0.3
(c)K f 尽可能小， T f 尽可能大，尽可能多，尽可能将大的纯滞 后置于干扰通道，干扰进入系统的位置尽可能远离被控参数。
由此可见，时间常数越错开，K 0 越大，对系统稳定性越有 利，在保持一定稳定性的条件下，对保持质量越有利。
小结
控制通道的K P 越大越好，TP适当减小， P 越小越好，多个 时间常数的大小越错开越好。
第五章 简单控制系统的设计
（三）控制方案的确定
1、系统被控参数选取的一般原则 （a）应选取对产品的产量、质量、安全生产、经济运行、环 境保护有决定性作用、又可直接进行测量的工艺参数作为被 控参数（直接参数）； （b）选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被 控参数； （c）间接参数对产品质量应有足够的灵敏性； （d）应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等； 特别说明：被控参数一般由工艺工程师确定，控制工程师无 多大选择余地。
第五章 简单控制系统的设计
c）按下表计算出P、I、D调节器的参数
（2）优缺点：
a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过程的动态特性； b）方法简单，使用方便；
第五章 简单控制系统的设计
第五章 简单控制系统的设计
（2）P调节对系统质量的影响：
a）比例调节是一种有差调节？ b）比例调节系统的静差随比例带的增大而增大？比例带 的减少，意味着系统稳定性降低？ c）比例调节不适合给定值随时间变化的情况；
d）增大 K C（即减小比例带），可以减少系统的静差，加 快系统的响应速度？这是因为： KP KC KC K P TP s 1 C (s) K KP R( s) TP s 1 K C K P Ts 1 1 KC TP s 1 KC K P TP K ,T (惯性减小） 1 KC K P 1 KC K P
单回路DCS控制系统设计
单回路DCS控制系统设计一、概述二、设计步骤1.系统需求分析：根据工业过程的特点和要求，确定单回路DCS控制系统的功能和性能需求，包括控制对象、控制变量、控制要求等。
2.系统结构设计：根据系统需求，确定单回路DCS控制系统的结构和组成部分，包括硬件设备和软件模块的选择和配置。
3.传感器和执行器的选择与布置：根据控制对象的特点和要求，选择适合的传感器和执行器，并合理布置在控制系统中。
4.控制策略设计：设计合适的控制策略，包括反馈控制、前馈控制、模糊控制等，以实现对控制对象的精确控制。
5.控制算法实现：根据控制策略设计，编写相应的控制算法，并将其实现在单回路DCS控制系统中。
6.系统仿真与调试：使用仿真软件对设计的控制系统进行仿真和调试，验证系统的性能和可靠性。
7.系统优化与改进：根据仿真和调试结果，对系统进行优化和改进，以提高系统的稳定性和响应速度。
三、控制策略与技术1.反馈控制：通过测量控制变量和目标变量之间的误差，并根据误差的大小调整控制变量，使其逼近目标变量。
常用的反馈控制策略有比例控制、积分控制和微分控制。
2.前馈控制：通过预测系统的未来状态，并提前调整控制变量，以减小系统响应时间和稳态误差。
常用的前馈控制策略有基于模型的前馈控制和自适应前馈控制。
3.模糊控制：通过模糊逻辑和模糊推理，将模糊控制规则和输入变量映射为输出变量。
模糊控制适用于非线性和模糊的系统，能够有效处理系统参数变化和外部干扰。
四、系统实施中的注意事项1.系统可靠性：在设计和选择硬件设备时，考虑设备的可靠性和稳定性，以确保系统长时间运行不发生故障。
2.数据安全：采用合适的通信协议和加密机制，保护通信和数据传输的安全性，防止信息泄露和篡改。
3.系统扩展性：在系统设计中考虑到后期的扩展需求，预留足够的接口和空间，以便对系统进行升级和扩展。
4.人机界面设计：设计直观友好的人机界面，方便操作人员对系统进行监控和调整，同时考虑到不同操作人员的使用习惯和技术水平。
简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计
简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计引言：过程控制系统是指对工业过程中的物理参数如压力、温度、液位等进行自动检测和调节的一种系统。
而单回路控制系统是过程控制系统中的一种基本形式，其通过反馈的方式对控制量进行调节，以达到设定值的目标。
一、系统的需求分析在进行工程设计之前，需要对控制系统的需求进行分析，并制定相关的技术要求和性能指标。
需求分析包括对过程控制的目标、控制对象、控制范围等的明确，以及系统实时性、稳定性、可靠性、可控性等性能指标的确定。
二、系统的架构设计系统的架构设计是指基于需求分析的基础上，确定系统的组成和功能模块，并进行模块化的设计。
对于简单过程控制系统单回路控制系统而言，一般包括传感器模块、执行器模块、控制器模块、反馈模块等。
1.传感器模块：用于检测和采集控制对象的物理参数，如温度传感器、压力传感器、液位传感器等。
2.执行器模块：根据控制器的指令，对控制对象进行调节和控制，如电动调节阀、电动执行器等。
3.控制器模块：根据传感器模块采集到的数据和设定值，通过算法计算出控制器的输出，以达到控制对象的目标。
4.反馈模块：根据控制器的输出和执行器的反馈信号，对系统的控制效果进行实时调整和反馈。
三、系统的算法设计在系统的架构设计的基础上，需要设计系统控制算法，以实现对控制对象的控制。
常见的控制算法有比例控制、积分控制、微分控制和PID控制等。
根据不同的过程要求和控制对象的特性，选择合适的控制算法进行设计。
四、系统硬件的选型和布置根据系统的设计要求和控制对象的特性，选择合适的硬件设备进行控制系统的搭建。
硬件的选型包括传感器、执行器、控制器、数据采集卡等设备。
在设计过程中，需要考虑硬件设备的性能和适用范围，确保其能够满足实际应用的需要。
同时，需要进行合理的硬件设备布置，保证信号的准确传输和系统的稳定运行。
五、系统软件的编程和调试根据系统的架构设计和算法设计，进行系统软件的编程和调试。
常见的编程语言有C语言、Java等。
19.第五章1-单回路控制系统
Kf Tf
f
越小越好
越大越好
对控制质量无影响 对被控变量的影响 推迟一个纯滞后时间。
调节通道：
e Wp(S) =
Kp Tps + 1
- ps
p
越小越好
Kp
过小则灵敏度下降
大好
Tp
小好
2. 操作变量（调节量）的选择原则
（1）、可控、 （2）、调节通道放大倍数大于干扰通道
放大倍数 （3）、干扰通道时间常数越大越好 （4）、调节通道纯滞后时间越小越好 （5）、干扰远离被控变量而靠近调节阀 （6）、工艺合理性
例二：工艺要求给定值做阶跃变化时，被控变量具有非周期响应， 试确定控制器的控制规律及整定控制器参数。
（2）工程整定法 第一：临界比例度法
利用临界比例度，临界周期进行参数稳定方法 步骤： 1）在系统闭合情况下，整定参数
纯比例：Ti=∞ Td=0 2）改变 δK ，由大到小，每改变一次δK ，作一次扰动 （如改变给定值）观察曲线直到等幅振荡，记下 3）根据δK、TK ，按表（经验）求取参数 4）求取 ：δ、Ti、 Td 后，先比例（比例度大一些） 后积分，最后加微分。观察曲线，不断修改直到满意为止。
被控对象的两种通道
设定值 r
+
_
偏差 e
控制器 Gc (s)
控制变量 u
扰动 D
操纵变量 执行器 q Gv (s)
受控对象
干扰通道 GD (s)
+ 控制通道 +
Gp (s)
受控变量 y
测量值 z
测量变送 Gm (s)
1. 各通道的特征参数对调节品质的影响
干扰通道：
e Kf
-f s
第五章 单回路控制系统
第五章单回路控制系统分析与设计《热工自动控制系统》第五章单回路控制系统分析与设计5.1 单回路控制系统分析 5.2 控制器参数的工程整定方法 5.3 单回路控制系统实例5.1 单回路控制系统分析调节器执行器对象测量变送器Y 0dY干扰euμ仅有一个测量变送器、一个执行器和一个调节器。
一、单回路控制系统的组成（一）被调量的选择如过热蒸汽温度控制系统的任务：维持过热器出口蒸汽温度，因此，被调量就是“过热器出口蒸汽温度”①一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量。
（一）被调量的选择如磨煤机中原煤的干燥程度、原煤装载量等无法直接测量，需要利用磨入口温度、磨出入口差压进行间接控制。
②实际生产中，有些工艺参数还没有有效手段，此时需要将间接测量信号作为被调量。
（一）被调量的选择间接测量信号的选择要满足如下条件：A. 与欲维持工艺参数具有单值函数关系；B. 具有一定灵敏度；C. 迟延时间小。
（二）控制量的选择★选择工艺上允许作为控制手段的变量工艺上的主要物料量不应选择不可控的变量（二）控制量的选择工艺上的主要物料量：蒸汽流量给水流量省煤器蒸汽流量过热器汽包给水阀～MW（三）控制通道和扰动通道ty (t )跟随给定值rty (t )克服扰动dry 0y 0td (t )d 0td (t )d 0r-G P (s )G C (s )G D (s )E (s )U (s )D (s )Y (s )R (s )（四）影响控制品质的主要因素被控对象特性调节器特性——客观存在，不可改变——不同的调节器有不同的调节规律，其特点不同，应根据不同对象和生产工艺要求确定热工控制系统设计应从如下四方面入手①根据生产过程的要求，确定被控制量和控制量，拟定控制系统结构；②建立系统的数学模型（机理/试验）；③在一定条件下对系统进行动态性能研究；④工程设计：控制设备选择、系统安装设计等。
5.1 单回路控制系统分析二、对象特性对控制系统的影响-G P (s )G C (s )G D (s )E (s )U (s )D (s )Y (s )R (s )两组特征参数：控制通道：放大系数K 、时间常数T 、迟延时间τ；扰动通道：放大系数K D 、时间常数T D 、迟延时间τD 。
单回路控制系统的工程设计方案
单回路控制系统的工程设计方案1. 系统概述单回路控制系统是一种常见的控制系统形式，通常由传感器、执行器、控制器和系统输入/输出组成。
本文将详细介绍一个单回路控制系统的工程设计方案，包括系统硬件、软件和调试方案等。
2. 系统硬件设计2.1 传感器传感器是单回路控制系统的重要组成部分，用于将要控制的物理量转换为电信号。
在本设计方案中，我们选择了温度传感器作为示例。
温度传感器通常使用模拟输出，因此需要使用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。
我们将选择一个精度高、输出稳定的温度传感器，并通过ADC将其输出转换为数字信号。
2.2 执行器执行器用于根据控制信号执行相应的操作。
在本设计方案中，我们选择了一个简单的电机作为示例。
电机通常需要驱动电路来提供足够的电流和电压以实现正常运转。
我们将选择合适的电机型号，并设计一个驱动电路，以便根据控制信号控制电机的转动方向和速度。
2.3 控制器控制器是单回路控制系统的核心部分，它根据传感器的反馈信号和系统输入，计算出控制信号并输出给执行器。
在本设计方案中，我们选择了一个单片机作为控制器，并使用C语言编程来实现控制算法。
我们将选择合适的单片机型号，并编写相应的控制程序。
2.4 系统输入/输出系统输入用于接收外部的控制信号或命令，而系统输出用于向外部反馈控制结果。
在本设计方案中，我们选择了一个开关作为示例的系统输入，用于启动或停止控制系统。
系统输出将显示当前的温度值和电机的运行状态。
3. 系统软件设计3.1 控制算法控制算法是控制系统的灵魂，决定了系统如何根据传感器反馈来生成控制信号。
在本设计方案中，我们选择了经典的PID控制算法作为示例。
PID控制算法可以根据系统误差、误差变化率和误差累积值来计算出控制信号。
我们将在控制器程序中实现PID控制算法，并根据具体的需求进行调参。
3.2 控制器程序设计控制器程序设计是系统软件设计的关键部分。
在本设计方案中，我们将使用C语言来编写控制器程序，并根据具体的硬件和算法需求进行调整。
单回路控制系统设计
单回路控制系统设计年级：08级专业：自动化班级：3班姓名：林秋宏学号：2008042053391概述过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统（串级）。
单回路控制系统由四个基本环节组成，即测量变送器、控制器、控制阀和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。
在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，也是运用最广泛的一种控制系统，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。
单回路反馈控制系统1.1一般要求自动控制系统的一般要求：1．过程控制系统必须是稳定的2．系统必须具有适当的稳定裕量3．系统应是一个衰减振荡过程（特殊生产要求例外），但过渡过程时间要短，余差要小1.2 控制方案1.总体设计与系统布局的关系在进行总体设计和系统布局时，应该全面地考虑生产设备之间的相互联系，综合各个生产操作之间的相互影响，合理设计各个控制系统。
要从生产过程去全面地分析问题和解决问题，从物料平衡和工艺流程去设计各个过程控制系统，即要从整个生产工艺过程的自动化考虑所设计的过程控制系统应该包含产品质量控制、物料或能量控制、限制条件控制等，以全局的设计方法来正确处理整个系统的布局，统筹兼顾。
2.被控过程的特性过程控制系统设计应根据不同过特性，确定控制方案与调节器的设计选型以及调节器参数的整定。
必须深入了解生产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、扰动情以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确制方案。
1.3 基本方法在系统设计中，通常包括综合法和试探法，具体过程如下：熟悉技术要求或性能指标，了解被控过程和过程检测控制仪表的动态性能；应用综合方法建立系统的数学模型并进行仿真，应用最佳控制理论得出系统性能指标的上限；对设计出来的系统在各种信号和扰动作用下进行响应测试，若系统性能指标不能令人满意，则必须进行再设计，直到获得满意的性能指标为止。
此外，还需进行反复试探测试实验，直到获得满意的性能指标要求为止。
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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，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他时间常数大得多，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。
对比可采取以下改善措施：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，通常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。
因此往往通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要求。
➢ 调节器PID 控制规律对控制质量的影响：● 当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／T o 很小)，引入微分作用其效果良好。
此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分（PD ）作用较好，比例（P ）作用次之，比例积分（PI ）作用较差。
● 当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。
● 当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。
➢ 调节器控制规律的选择原则： 根据00T τ比值选择控制规律： ● 2.000<T τ时，选用比例或比例积分控制规律； ● 12.000<<T τ时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；● 100>T τ时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。
根据过程特性选择控制规律：● 比例控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。
如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。
● 比例积分控制规律：引入积分作用能消除余差。
适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。
● 比例微分控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。
适用于过程容量滞后较大的场合。
对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。
● 比例积分微分控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。
6. 调节器正、反作用的确定✧ 正作用-----指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。
✧ 反作用-----指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出随着测量值增大而减少。
➢ 调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。
控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。
➢ 控制系统各环节的极性的规定：● 正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数K c 取负；● 反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数K c 取正；● 气开式调节阀：其静态放大系数K v 取正；● 气关式调节阀：其静态放大系数K v 取负；● 正作用被控过程：其静态放大系数K 0取正；● 反作用被控过程：其静态放大系数K 0取负。
过程控制系统要能正常工作，则该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为正。
变送器的静态放大系数K m 通常为正极性，故只需调节器K c 、调节阀K v 和过程的K 0极性相乘起来必须为正即可。
➢ 确定调节器正、反作用的次序过程：● 首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开气关形式；● 然后按被控过程特性，确定其正、反作用；● 最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。
第三节 单回路控制系统整定1. 有关单回路控制系统整定的概述✧ 系统整定-----指选择调节器的比例度σ、积分时间T I 和微分时间T d 的具体数值。
系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。
➢ 系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率9.075.0～＝ψ（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。
➢ 注意：只有系统设计正确，仪表经过调校和正确安装之后，调节器参数的整定才是有意义的。
➢ 调节器参数的整定方法：（可分为两大类）● 理论计算整定法：如根轨迹法、频率特性法等。
这类整定方法要求已知过程的数学模型。
其计算繁琐，工作量很大，而且最后得到的数据一般精度又不高，所以目前在工程上较少采用。
● 工程整定方法：如动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。
它直接在过程控制系统中进行。
其方法简单，计算简便，而且容易掌握，所得参数虽然不一定为最佳，但是实用，能解决一般性问题，所以在工程上得到了广泛应用。
● 计算机仿真寻优整定法：采用最优积分准则。
来求调节器的整定参数的最优值的方法。
2. 理论计算整定法（介绍根轨迹法）➢ 根轨迹作图整定方法原理：应用根轨迹作图方法的原则来选择调节器的PID 参数，使系统特征方程中对瞬态响应起主导作用的根满足某一指定要求，从而使系统的瞬态响应达到指定的性能指标。
➢ 单回路反馈控制系统根轨迹的基本方程式：1)()()(0-==s W s W s W K➢ 根轨迹上各点(即系统特征方程式的根)应满足下列条件：● 幅角条件：ο180)12()(+±=∠N s W K ，（N ＝0，1，…）● 模值条件：1|)(|=s W K➢ 系统整定时，W 0(s)为已知，调节器W(s)的形式已定，但比例度δ，积分时间 T I 、微分时间T d 待定。