单回路控制系统方案
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。
单回路控制系统
执行器 液位过程 检测变送 则 调节器
气开式 + q1 h +
+ -
控制系统的工程考虑
1、方案设计
是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意： (1)、合理选择被控量(被控参数)和操纵量(控制参数)
(2)、对象信息的获取和变送 (3)、执行器的选择 (4)、控制器的选择
2、工程设计
包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水 供电供气设计、信号系统设计、安全防暴设计等。
被控参数必须具有足够大的灵敏度。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表
的性能。
（二）控制参数（操纵变量）的选择
以控制质量为依据，通过对过程静态特性、动态特性的 分析，讨论控制参数选择的一般原则。
控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。
1、过程静态特性的分析 设单回路控制系统的框图如下图所示：
第三章 单回路控制系统设计
§3-1 概述
1。数学模型的有关概念
数学模型:指过程在各输入量的作用下，其相应输出量变化的函数关 系数学表达式。
干扰:内干扰---调节器的输出量u(t)； 外干扰---其余非控制的输入量。
通道:输入量与输出量间的信号联系。
控制通道--控制作用与被控量间的信号联系；
扰动通道--扰动作用与被控量间的信号联系。
设定值
e 液位控制器 u 执行阀
f (t) q1 液 位 过 程 实 际 液 位
DCS单回路控制系统设计
DCS单回路控制系统设计DCS（分布式控制系统）是一种用于实时控制和监控工业过程的自动化系统。
它是由多个分布在整个工厂的分散控制设备组成的。
每个设备都有自己的控制功能，并可以相互通信以实现全面的过程控制。
DCS可以实现对各种设备、仪器、传感器和执行器的集中控制和监控，从而提高生产效率和产品质量。
在设计DCS单回路控制系统时，需要考虑以下几个方面：1.控制目标和需求：首先需要确定系统的控制目标，例如温度、压力、流量等。
然后根据目标确定系统所需的设备、仪器和传感器。
2.信号传输和处理：DCS系统中控制信号的传输和处理非常重要。
可以使用模拟信号或数字信号，模拟信号通常用于测量和控制，数字信号用于数据传输和处理。
3.控制策略：根据控制目标，选择合适的控制策略。
常用的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制、模型预测控制等。
根据实际情况，可以选择单回路控制或多回路控制。
4.控制设备和软件：选择合适的控制设备和软件。
常用的控制设备包括PLC（可编程逻辑控制器）、DCS控制器等。
控制软件通常包括实时数据库、报警管理、历史数据记录和故障诊断等功能。
5.安全性和可靠性：在设计DCS单回路控制系统时，必须考虑安全性和可靠性。
例如，选择适当的传感器和执行器，确保系统安全可靠运行。
此外，应设置适当的报警和故障诊断系统，及时发现和解决潜在问题。
6.通信和网络：DCS系统中的设备通常通过网络进行通信。
因此，设计时需要选择适当的通信协议和网络架构，以确保数据的传输和处理效率。
7.人机界面：为了方便操作和监控，DCS系统需要良好的人机界面。
设计时应考虑用户的需求和操作习惯，以实现直观、简单、易用的界面。
总结来说，DCS单回路控制系统设计应考虑控制目标和需求、信号传输和处理、控制策略、控制设备和软件、安全性和可靠性、通信和网络，以及人机界面等方面。
通过合理的设计，可以实现对工业过程的高效控制和监控，提高生产效率和产品质量。
单回路控制系统方案
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。
●项目设计：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。
●项目安装和仪表调校●调节器参数项目整定：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)
第七章 单回路控制系统
7.1 单回路控制系统组成 控制原理：
例 液位控制系统
流入量
液位是被控参数，液位变送器LT 将 反映液位高低的检测信号送往液位 液位变送器 液位调节器 控制器 LC；控制器根据实际检测值 与液位设定值的偏差情况，输出控 液位设定值制信号给执行器（调节阀），改变 调节阀的开度，来调节水箱输出流 量，以维持液位稳定。
T0 s 1 1 Ex ( s) X ( s) X (S ) 1 Gc ( s)Go ( s) (T0 s 1) K 0 K c
E f ( s) G f ( s) 1 Gc (s)Go (s) F ( s) K f (T0 s 1) (T0 s 1)(T f s 1) K0 Kc (T f s 1) F ( s)
E ( s) X ( s) Y ( s) （ 3）
（2）代入（3）可得：
G f ( s) 1 E ( s) X ( s) F ( s ) E x ( s ) E f ( s ) （ 4） 1 GC (s)GO (s) 1 GC (s)GO (s)
G f ( s) 1 式中： F ( s) Ex ( s) X ( s) ,E f (s) 1 GC (s)GO (s) 1 GC ( s)GO ( s)
流出量 调节器 调节阀
图7.1 液位控制系统
测量变送器
被控过程
图7.2 单回路控制系统框图
7.1 单回路控制系统组成 对过程控制系统设计的一般要求
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。
E f ( s)
燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计
燃烧式工业窑炉温度单回路控制方案设计1. 引言燃烧式工业窑炉是工业生产中常见的设备，用于烧制各种材料或进行加热处理。
在燃烧过程中，准确控制窑炉的温度对于生产过程至关重要，能够影响产品的质量和产量。
设计一个高效、稳定的温度控制方案对于窑炉的生产效率和经济效益至关重要。
2. 温度控制的基本原理让我们从基本的温度控制原理开始。
燃烧式工业窑炉的温度控制，需要根据窑炉内部的温度变化情况，通过控制燃烧系统的供气、排气量和燃烧速度来实现。
而其中，控制燃烧系统的供气量是实现温度控制的关键。
3. 单回路控制方案设计在设计燃烧式工业窑炉的温度控制方案时，单回路控制是一种常见的方式。
简单来说，单回路控制就是通过窑炉内部的温度传感器收集窑炉温度信号，经过控制器处理后，再输出控制信号，调整燃烧系统的供气量，从而使窑炉的温度保持在设定值范围内。
4. 控制方案的优化然而，单回路控制方案也存在一些局限性，比如对窑炉内部环境变化的响应速度较慢，对窑炉温度的波动幅度不能完全控制等。
在实际应用中，需要对单回路控制方案进行优化。
可以采用先进的控制算法，如模糊控制、PID控制等，来提高控制系统的稳定性和响应速度。
另外，结合窑炉的实际工况，可以在控制系统中加入预测模型，从而实现对窑炉温度变化的提前预警和调整。
5. 个人观点和理解在我看来，针对燃烧式工业窑炉的温度控制，单回路控制方案是一种有效的方式，但需要在实际应用中不断优化和改进。
通过结合先进的控制算法和预测模型，能够更好地实现对窑炉温度的精准控制，从而提高生产效率和产品质量。
总结在燃烧式工业窑炉的温度控制方案设计中，单回路控制是一种常见的方式，但需要在实际应用中进行优化。
通过引入先进的控制算法和预测模型，能够提高控制系统的稳定性和响应速度，实现对窑炉温度的精准控制。
在文章中，我们从基本的温度控制原理出发，进一步探讨了单回路控制方案的设计和优化。
并结合个人观点和理解，对燃烧式工业窑炉的温度控制进行了全面的解析。
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。
单回路控制系统课件
变化范围。
控制要求分析
对控制要求进行分析，明确控制目 标和控制参数，以及控制参数的允 许变化范围。
控制方案制定
根据工艺流程和控制要求分析结果 ，制定合适的控制方案，包括控制 策略和控制算法等。
03 单回路控制系统的实现
控制算法的实现
开环控制算法
05 单回路控制系统的优化与改进
控制策略的优化
总结词
控制策略的优化是提高单回路控制系统性能的关键步骤。
详细描述
通过调整控制器的参数、改变控制算法或采用先进控制策略 ，如模糊控制、神经网络控制等，可以改善系统的动态性能 和稳态精度，提高系统的抗干扰能力和鲁棒性。
硬件设备的升级与改进
总结词
硬件设备的升级与改进是提高单回路控 制系统性能的重要手段。
干扰。
02 单回路控制系统的设计
控制器设计
01
02
03
控制器类型选择
根据控制要求和工艺特性 ，选择合适的控制器类型 ，如比例控制器、积分控 制器、微分控制器等。
控制算法设计
根据控制要求，设计合适 的控制算法，如PID控制 算法、模糊控制算法等。
控制器参数整定
根据系统特性和控制要求 ，对控制器参数进行整定 ，以获得最佳的控制效果 。
该算法基于设定值与实际输出值 的偏差进行控制，通过调节控制 阀或电机等执行机构来减小偏差 。
闭环控制算法
闭环控制算法通过负反馈机制， 将系统输出值与设定值进行比较 ，并据此调整控制阀或电机等执 行机构，以减小偏差。
控制程序的编写与调试
编程语言选择
根据控制系统的需求和开发环境 ，选择合适的编程语言，如C、C
单回路控制系统(改)
3、工程安装、仪表调试
4、控制器的参数整定
整理课件
7.2 单回路控制系统方案设计
➢ 被控量的选择 ➢ 操纵量的选择 ➢ 执行器的选择 ➢ 控制器的选择
整理课件
7.2.1 被控量的选择 1、选择被控量重要性和基本要求 2、选择被控变量的基本原则 3、举例
服扰动通道的效果越好 ➢ 由于KK0Kc，则控制器增益和控制对象的增益有一
定的关系
整理课件
7.2.2 操纵量的选择
❖ (1) 放大系数对控制质量的影响 ❖ (2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响 ❖ (3) 控制通道动态特征对控制质量的影响
整理课件
• (2)干扰通道动态特性对控制质量的影响 ➢ 1）时间常数对控制质量的影响 系统的特征方程为：
整理课件
图7.4 根平面上的附加极点
结论
❖
扰动通道的时间常数使系统特征方程式增加了一个极
点到提 T高1 d ，。系统的超调量随 T d 的增大而减少，控制质量得
❖ T d 变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。 T d 愈大，则扰动通道对系统的影响愈小
❖ 选择操纵量时，应使干扰通道的时间常数大些为好
整理课件
7.2.2 操纵量的选择
❖ (1) 放大系数对控制质量的影响 ❖ (2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响 ❖ (3) 控制通道动态特征对控制质量的影响
整理课件
❖ （3）控制通道动态特征对控制质量的影响 ➢ 1）时间常数T对控制质量的影响
(1).T太大 •特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。 •措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂 控制.
第4章 单回路控制系统设计
4.4 控制器的选择——各环节正反作用特性
调节器正反作用特性 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，其静态放大系数取正。
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，其静态放大制参数的原则
广义过程选择参数时，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它时间常数大得多，同时注意减小第二、 第三个时间常数。 控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控 过程中最大的时间常数。这样，系统允许有较大的放大 倍数，而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度。
根据拉氏变换的平移定理在单位阶跃干扰作用下被控量的时间响应由此可见干扰通道存在时间滞后时理论上不影响控制质量仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了43控制参数的选择扰动通道纯滞后时间的影响定值控制系统在阶跃扰动下当051152时的响应43控制参数的选择扰动通道纯滞后时间的影响当扰动f的幅值和形式相同时进入系统的位置越远离被控变量或越靠近调节阀扰动对控制系统的被控变量的影响越小
需要知道数学模型 理论计算整定方法
不需要事先知道过程的数学模型， 可直接在系统中进行现场整定，比 较简单
对数频率特性法 根轨迹法 经验法 衰减曲线法 临界比例度法 响应曲线法
工程整定法
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。
单回路控制系统教学规划方案
工业过程控制课程设计题目: 基于组态软件的温度单回路过程控制系统设计院系名称：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：工业过程控制课程设计任务书摘要为了取得较好的控制效果，采用PID控制规律。
通过温度传感器将检测到的实时温度值与温度设定值的差值送入计算机，计算机运用PID算法得到相应的控制信号，并将其输出给执行器，然后执行器调节加热器，以达到调节温度的控制目的。
关键词：温度过程控制PID算法组态目录1 引言 (7)2 系统设计分析 (8)2.1设计目的 (8)2.2设计要求 (8)2.3设计的内容 (8)3 系统方案的设计及控制规律的选择 (9)3.1系统控制方案 (9)3.2系统结构框图 (9)4 仪表与模块的选择 (10)4.1仪器仪表的选择 (10)4.2模块的选择 (11)5 组态画面设计 (12)5.1组态王简介 (12)5.2组态软件设计 (13)5.3 组态画面 (14)6 组态程序设计 (15)6.1 PID 控制算法 (15)6.2 PID控制算法流程图 (17)6.3 PID脚本程序 (17)7 组态王数据词典 (19)8 系统调试过程 (20)设计心得 (21)参考文献 (23)1 引言现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。
但随之而来的是巨额的成本。
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。
单回路DCS控制系统设计
单回路DCS控制系统设计随着工业自动化水平的提高，单回路DCS（分散控制系统）在工业控制领域中的应用越来越广泛。
本文将从单回路DCS控制系统设计的背景、特点、结构和实施过程等方面进行详细的介绍。
一、背景随着工业生产的复杂化和自动化水平的提高，传统的集中式控制系统已经无法满足对系统可靠性、稳定性和扩展性的要求。
因此，分散控制系统（DCS）便开始得到了广泛的应用。
单回路DCS是DCS的一种应用形式，由于其体积小、功能全、性价比高等优点，逐渐受到了工业控制领域的青睐。
二、特点1.可靠性：单回路DCS控制系统具有良好的可靠性，能够实现系统的24小时稳定运行。
2.灵活性：单回路DCS控制系统可以根据不同的需要进行扩展和修改，以适应不同的生产过程。
3.易操作性：单回路DCS控制系统设计考虑了人机工程学的原理，使操作界面友好、简洁，易于操作和维护。
4.高效性：单回路DCS控制系统采用先进的算法和控制策略，能够实现对生产过程的精确控制和调节，提高生产效率和质量。
三、结构1.控制器：单回路DCS控制系统的核心部分，负责接收和处理传感器采集到的信号，并发出相应的控制信号。
2.人机界面：提供给操作人员进行系统监控、操作和调节的界面，通常使用触摸屏、键盘和显示屏等设备。
3. 通信网络：用于控制器与人机界面、感应器以及执行器之间的数据传输，常见的通信方式包括以太网、Modbus和Profibus等。
4.传感器：用于采集生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。
5.执行器：根据控制器的指令，对生产设备进行控制，通常包括电动执行器、液压执行器等。
四、实施过程1.系统规划：根据生产过程的需求和控制目标，确定系统的功能和性能要求，进行系统的总体规划。
2.设备选型：根据系统规划，选择合适的硬件设备和软件工具，如控制器、人机界面、通信网络等。
3.系统设计：根据系统规划和选型结果，进行系统设计，包括系统结构设计、控制策略设计等。
4.系统实施：根据系统设计的结果，进行系统硬件和软件的安装和调试，并进行必要的培训和试运行。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
●项目设计：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。
●项目安装和仪表调校●调节器参数项目整定：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：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．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：根据比值选择控制规律：●时，选用比例或比例积分控制规律；●时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；●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K0取正；●反作用被控过程：其静态放大系数K0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K0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、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<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，所以目前在项目上较少采用。
项目整定方法：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，所以在项目上得到了广泛应用。
●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：➢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：，<N＝0，1，…）●模值条件：系统整定时，W0(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。
利用根轨迹作图方法可以定出开环增益和一个或两个可变开环零点、极点的适当位置，使系统特征方程的主导复根位于根平面确定的折线上，从而求出调节器的整定参数值和主导复根。