简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计
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统，简称单回路系统，一般是指针对一 个被控过程(调节对象)，采用一个测量变 送器监测被控过程，采用一个控制(调节) 器来保持一个被控参数恒定(或在很小范 围内变化)，其输出也只控制一个执行机 构S(in调gle节-Loo阀p co)。ntrol system
• 特点：结构简单，投资少，易于调整和投 运，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 控变量要求不高的场合，约占目前工业控 制系统的80%以上。
只有掌握了(深入了解了)过程的数学 模型，才能深入分析过程的特性和选择 正确的控制方案。
2．选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过
调查研究，综合考虑安全性、稳定性、 经济性和技求实施的可行性、简单性， 进行反复比较，选择合理的控制方案。
过程方案初步确定后，应用控制理 论并借助计算机辅助分析进行系统静态 、动态持性分析计算，判定系统的稳定 性、过渡过程等特性是否满足系统的品 质指标要求。
第三章 简单过程控制系统---单回路控制系统的工程设计
• 过程控制系统工程设计概述 • 控制方案设计 • 检测、变送器选择 • 执行器(调节阀)选择 • 控制器(调节器)选择 • 过程计算机控制系统的设计 • 过程控制系统的投运和控制器参数整定 •单回路控制系统的设计举例
• 单回路过程控制系统亦称单回路调节系
单回路系统(图3—1)控制方案设计包括： • 合理选择系统性能指标 • 合理选择被控参数Y(s)和控制参数Q(s) • 合理设计(选择)控制(调节)规律Wc(s) • 被控参数的测量与变送Wm(s)、执行器(调
节阀)Wv(s)的选择
一、过程控制系统的性能指标
被控过程总是不时受到各种外来干扰
的影响，即系统经常处于动态过渡过程，
在工程上，以上要求往往相互矛盾。 因此在设计时，应根据实际情况，分清 主次，以保证满足最重要的质量、指标 要求并留有余地。
• 过程控制系统的品质由组成系统的结构 和各个环节的特性所决定。因此对于过 程控制系统设计者来说除了掌握自动控 制理论、计算机、仪器、仪表知识外， 还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从 控制的角度理解它的静态与动态特性， 并能针对不同被控过程、不同的生产工 艺控制要求，设计不同的控制系统。
3.控制设备选型
根据控制方案和过程特性、工艺要 求，选择合适的测量、变送器、控制器( 控制规律)、执行器(调节阀)等。
4.实验(和仿真)
有些在系统设计过程中难以考虑的 因素，可以在实验中考虑，同时通过实 验可以检验系统设计的正确性，以及系 统的性能。
三、过程系统设计的主要内容
• 控制方案设计：系统设计的核心。若控制 方案设计不正确，则无论选用何种先进的 过程控制仪表或计算机系统，其安装如何 细心，都不可能使系统在工业生产过程中 发挥良好的作用，甚至系统不能运行。
2．衰减率Ψ： (动态指标) 反映系统的稳定程度，应根据生产过 程的特点来确定适宜的Ψ值，一般取 0.75~0.9。（衰减比4:1~10:1）
3．最大偏差A(或超调量σ) 定值系统的最大偏差是指被控参数第
一个波峰值与给定值的差；随动系统通常 采用超调量指标，即
4．过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参
• 工程设计：包括仪表或计算机系统选型、 控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系 统设计、Βιβλιοθήκη Baidu号及联锁保护系统设计等。
• 工程安装和仪表调校 • 调节器参数整定
四、系统设计中的若干问题
1．越限报警与联锁保护 例：加热炉热油出口温度的设定值为
300℃，工艺要求其高、低限分别为305℃ 和295℃。
例：加热炉运行中出现严重故障必须
例：热交换过程：过程特性复杂，时延明显 液位过程：时间常数有大有小 燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）
二、过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计，从任务的提出 到系统投入运行，是一个从理论设计到 实践，再从实践到理论设计的多次反复 的过程，往往要多次用试探法和综合法 并借助计算机来模拟仿真。 1．建立被控过程的数学模型
• 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控 制系统分析、设计的基础。
第一节 过程控制系统工程设计概述
• 要分析、设计和应用好一个过程控制系统 ： 首先应对被控过程做全面了解，对工 艺过程、设备等做深入的分析； 然后应用自动控制原理与技术，拟定 一个合理正确的控制方案，选择合适的检 测变送器、控制(调节)器、执行器，从而 达到保证产品质量、提高产品产量、降耗 节能、保护环境和提高管理水平等目的。
适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)
• 本节介绍过程控制系统设计中的一些共性 的原则。
一、对过程控制系统设计的一般要求
安全性：最重要也是最基本的要求。 通常采用参数越限报警、事故报警、联 锁保护等措施加以保证。
稳定性：绝对稳定、稳定裕量、良 好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳 态误差小等)。
经济性：提高产品质量、产量的同 时，降耗节能，提高经济效益与社会效 益。采用先进的控制手段，优化控制。
因而评价一个过程控制系统的性能、质量
，主要看它在受到外来扰动作用或给定值
发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳
地(而不是剧烈振荡地)回复(或趋近)到原(
或新)给定值上。
(一)系统阶跃响应性能指标
1．余差(静态偏差)C
(静态指标)
指系统过渡过程终了时，给定值与稳
态值之差。一般要求余差为零或不超过预
定值。
数进入新的稳态值±5%(±2%)的范围内所 经历的时间。(快速性指标)
上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应 根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼 顾。 (二)偏差积分性能指标
以目标函数形式表示，属于综合指标。 1.偏差绝对值积分(IAE--Integral of Absolute Error)
紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，然 后关掉燃油阀，经过一定时间后，停止引 风机，最后再切断热油阀。
2．其它系统安全保护对策 危险环境条件(如高温、高压、易燃、
易爆、强腐蚀等)下，还必须采取相应的 安全保护对策，如采用系统可靠性设计， 选用本质安全防爆〔防腐、防爆结构材料 )的仪器仪表及装置等。
第二节 控制方案设计
• 特点：结构简单，投资少，易于调整和投 运，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 控变量要求不高的场合，约占目前工业控 制系统的80%以上。
只有掌握了(深入了解了)过程的数学 模型，才能深入分析过程的特性和选择 正确的控制方案。
2．选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过
调查研究，综合考虑安全性、稳定性、 经济性和技求实施的可行性、简单性， 进行反复比较，选择合理的控制方案。
过程方案初步确定后，应用控制理 论并借助计算机辅助分析进行系统静态 、动态持性分析计算，判定系统的稳定 性、过渡过程等特性是否满足系统的品 质指标要求。
第三章 简单过程控制系统---单回路控制系统的工程设计
• 过程控制系统工程设计概述 • 控制方案设计 • 检测、变送器选择 • 执行器(调节阀)选择 • 控制器(调节器)选择 • 过程计算机控制系统的设计 • 过程控制系统的投运和控制器参数整定 •单回路控制系统的设计举例
• 单回路过程控制系统亦称单回路调节系
单回路系统(图3—1)控制方案设计包括： • 合理选择系统性能指标 • 合理选择被控参数Y(s)和控制参数Q(s) • 合理设计(选择)控制(调节)规律Wc(s) • 被控参数的测量与变送Wm(s)、执行器(调
节阀)Wv(s)的选择
一、过程控制系统的性能指标
被控过程总是不时受到各种外来干扰
的影响，即系统经常处于动态过渡过程，
在工程上，以上要求往往相互矛盾。 因此在设计时，应根据实际情况，分清 主次，以保证满足最重要的质量、指标 要求并留有余地。
• 过程控制系统的品质由组成系统的结构 和各个环节的特性所决定。因此对于过 程控制系统设计者来说除了掌握自动控 制理论、计算机、仪器、仪表知识外， 还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从 控制的角度理解它的静态与动态特性， 并能针对不同被控过程、不同的生产工 艺控制要求，设计不同的控制系统。
3.控制设备选型
根据控制方案和过程特性、工艺要 求，选择合适的测量、变送器、控制器( 控制规律)、执行器(调节阀)等。
4.实验(和仿真)
有些在系统设计过程中难以考虑的 因素，可以在实验中考虑，同时通过实 验可以检验系统设计的正确性，以及系 统的性能。
三、过程系统设计的主要内容
• 控制方案设计：系统设计的核心。若控制 方案设计不正确，则无论选用何种先进的 过程控制仪表或计算机系统，其安装如何 细心，都不可能使系统在工业生产过程中 发挥良好的作用，甚至系统不能运行。
2．衰减率Ψ： (动态指标) 反映系统的稳定程度，应根据生产过 程的特点来确定适宜的Ψ值，一般取 0.75~0.9。（衰减比4:1~10:1）
3．最大偏差A(或超调量σ) 定值系统的最大偏差是指被控参数第
一个波峰值与给定值的差；随动系统通常 采用超调量指标，即
4．过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参
• 工程设计：包括仪表或计算机系统选型、 控制室操作台和仪表盘设计、供电供气系 统设计、Βιβλιοθήκη Baidu号及联锁保护系统设计等。
• 工程安装和仪表调校 • 调节器参数整定
四、系统设计中的若干问题
1．越限报警与联锁保护 例：加热炉热油出口温度的设定值为
300℃，工艺要求其高、低限分别为305℃ 和295℃。
例：加热炉运行中出现严重故障必须
例：热交换过程：过程特性复杂，时延明显 液位过程：时间常数有大有小 燃烧过程：燃料不一（煤、油、气等）
二、过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计，从任务的提出 到系统投入运行，是一个从理论设计到 实践，再从实践到理论设计的多次反复 的过程，往往要多次用试探法和综合法 并借助计算机来模拟仿真。 1．建立被控过程的数学模型
• 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控 制系统分析、设计的基础。
第一节 过程控制系统工程设计概述
• 要分析、设计和应用好一个过程控制系统 ： 首先应对被控过程做全面了解，对工 艺过程、设备等做深入的分析； 然后应用自动控制原理与技术，拟定 一个合理正确的控制方案，选择合适的检 测变送器、控制(调节)器、执行器，从而 达到保证产品质量、提高产品产量、降耗 节能、保护环境和提高管理水平等目的。
适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)
• 本节介绍过程控制系统设计中的一些共性 的原则。
一、对过程控制系统设计的一般要求
安全性：最重要也是最基本的要求。 通常采用参数越限报警、事故报警、联 锁保护等措施加以保证。
稳定性：绝对稳定、稳定裕量、良 好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳 态误差小等)。
经济性：提高产品质量、产量的同 时，降耗节能，提高经济效益与社会效 益。采用先进的控制手段，优化控制。
因而评价一个过程控制系统的性能、质量
，主要看它在受到外来扰动作用或给定值
发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳
地(而不是剧烈振荡地)回复(或趋近)到原(
或新)给定值上。
(一)系统阶跃响应性能指标
1．余差(静态偏差)C
(静态指标)
指系统过渡过程终了时，给定值与稳
态值之差。一般要求余差为零或不超过预
定值。
数进入新的稳态值±5%(±2%)的范围内所 经历的时间。(快速性指标)
上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应 根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼 顾。 (二)偏差积分性能指标
以目标函数形式表示，属于综合指标。 1.偏差绝对值积分(IAE--Integral of Absolute Error)
紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，然 后关掉燃油阀，经过一定时间后，停止引 风机，最后再切断热油阀。
2．其它系统安全保护对策 危险环境条件(如高温、高压、易燃、
易爆、强腐蚀等)下，还必须采取相应的 安全保护对策，如采用系统可靠性设计， 选用本质安全防爆〔防腐、防爆结构材料 )的仪器仪表及装置等。
第二节 控制方案设计