第五章 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。

●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