单回路负反馈控制系统的设计
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。
简单过程控制系统单回路控制系统的工程设计
由表3-l可知，控制通道中时间常数大、阶数 高、有纯滞后环节都将使过程的Kmax与ωc值变小 ，从而使控制性能变差。可见应选择时间常数较 小、纯滞后小的通道作为控制通道。
(1)时间常数T0的影响
控制通道时间常数T0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T0太大，则控制作用太弱，被控参数变 化缓慢，控制不及时，系统过渡过程时间长， 控制质量下降。
若T0太小，虽然控制作用强，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。
所以在系统设计时，要求控制通道时间常 数T0适当小一点，使其校正及时，又能获得较 好的控制质量。
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)
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
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。
单回路控制系统整定实验报告
单回路控制系统整定实验报告本文是对单回路控制系统整定实验的总结和分析，主要包括实验目的、实验原理、实验过程、实验结果以及实验分析等方面的内容。
一、实验目的本实验的主要目的是掌握单回路控制系统整定方法，了解控制系统的稳态误差和动态响应特性，提高实际应用控制系统的能力。
二、实验原理单回路控制系统是一种基本的控制系统形式，它由被控对象、传感器、执行机构、控制器和控制信号等组成。
例如，温度控制系统、速度控制系统、压力控制系统等都是单回路控制系统的应用。
在通过控制器使被控对象产生控制输出信号的过程中，存在稳态误差和动态响应特性问题，对其进行整定是控制系统设计中重要的环节。
稳态误差是指控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差。
当被控对象达到稳定状态时，控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差称为稳态误差，在实际控制系统设计中，应尽可能使稳态误差达到最小。
动态响应特性是指控制系统对负载扰动、控制信号变化等外部干扰的响应能力。
在实际应用控制系统中，需要考虑控制系统的动态响应特性，以此保证系统稳定性和控制效果。
控制系统的整定就是调整控制器参数，使系统的稳态误差和动态响应特性达到最优状态，从而获得最佳控制效果。
三、实验过程本实验是基于MATLAB/Simulink软件进行的模拟实验。
实验系统模型：本实验模拟一个简单的单回路负反馈控制系统，其模型如图所示。
其中，控制器采用比例积分控制器（PI控制器），其控制方程为：$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(τ) \, dτ$$传感器和被控对象之间的关系用传递函数表示为：$$G(s) = \frac{1}{s(1+0.5s)}$$控制器的参数Kp和Ki需进行整定。
实验过程中，先通过手动调节的方式获得基本的参数范围，再通过曲线法和频率法对其进行精细调整。
曲线法：首先设置一个阶跃参考信号，观察系统的单位阶跃响应曲线，根据曲线特征调整控制器参数。
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)
第1章 单回路反馈控制系统
第1章
单回路反馈控制系统
第1章
单回路反馈控制系统
1、系统构成
单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象 (简称对象)或被控过程(简称过程)、测量变送装置、控制器和 控制阀。有时为了分析问题方便起见，往往把控制阀、对象和 测量变送装置合在一起，称之为广义对象。这样系统就归结为 控制器和广义对象两部分。
第1章
单回路反馈控制系统
第1章
单回路反馈控制系统
可以看出。干扰作用与控制作用同时影响被控变量，不过 在控制系统中通过控制器正、反作用的选择使控制作用对被控 变量的影响正好与干扰作用对被控变量的影响方向相反，这样， 当干扰作用使被控变量偏离给定值发生变化时，控制作用就可 以抑制干扰的影响，把已经变化的被控变量拉回到给定值来 (当然这种控制作用是由控制器通过控制阀的开闭变化来达到 的)。因此、在一个控制系统中，干扰作用与控制作用是相互 对立而存在的，有干扰就有控制，没有干扰也就无需控制。 如何才能使控制作用有效地克服干扰对被控变量的影响呢? 关键在于选择一个可控性良好的控制变量。这就要研究对象的 特性．研究系统中存在的各种输入量以及它们对被控变量的影 响情况，以便从中总结出选择控制变量的一些原则。
第1章
单回路反馈控制系统
单回路控制系统能够正常工作的前提： 1）、正确选择被控变量与控制变量。 2）正确选择调节器的正反作用和调节阀的开关形式。 3）合理选择调节器的控制算法，保证一定的控制精 度，同时尽量减少系统的动态误差。 4）合理选择调节阀的流量特性，提高控制系统的线 性度。 5）正确选择测量变送器，减少信号失真与滞后，提 高控制质量。
对于定值控制系统，y(∞)就是系统的余差。由上 式可知：干扰通道的放大倍数Kf 越大，系统输出的余 差也越大，控制系统的稳态性能越差，即控制质量越 差。
单回路控制系统设计共51页文档
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。
自动控制系统课程设计---单位负反馈系统的校正设计
自动控制系统课程设计---单位负反馈系统的校正设计
一、实验目的
本次实验的目的是利用单位负反馈设计实现系统输出相应的数值，以达到超调和补偿
的目的。
实验中参与的设备具体有：计算机、数据采集卡、DC机器电源、被测系统、LED
装置等。
二、实验原理
单位负反馈是控制系统中常用的方法，在实验中，单位负反馈会利用系统的输出信号
作为正反馈信号与理想信号做比较，当输出信号与理想信号不一致时，就会把误差反馈到
控制系统中，从而实现控制系统的超调和补偿。
三、实验方案
实验步骤
1、首先，将数据采集卡连接计算机，并使用VC语言编写实验程序，以设置系统的
控制级；
2、将DC机器电源连接被测系统，并利用数据采集卡采集被测系统的输出数据；
3、连接LED装置，它会根据控制系统的输出信号产生不同的颜色，从而实现系统的
颜色显示；
4、运行实验程序，观察被测系统的运行情况，检查输出的颜色，注意观察是否达到
理想超调和补偿的效果；
5、最后，记录实验结果并存档，进行实验的总结。
四、实验结果
实验运行后得到的颜色结果如下:
绿色：说明系统输出值处于可接受范围；
本次实验通过使用单位负反馈，使用数据采集卡以及VC语言编写实验程序来实现系
统的超调和补偿，并通过改变系统的控制参数来实现输出结果的调节。
通过本次实验，可
以使我们了解单位负反馈的工作原理，从而掌握使用单位负反馈在实际工程中的应用能力。
自动控制原理课程设计---单位负反馈系统设计校正
自动控制原理课程设计---单位负反馈系统设计校正
单位负反馈系统是自动控制原理课程设计中的重要内容，它是将输入信号与反馈信号进行比较、控制，从而达到调节系统性能的一种手段。
其目的是提高系统的稳定性和可靠性，缩小输入量的波动对输出量的影响，保持系统性能的稳定性和提高系统的控制性能，增强系统的鲁棒性。
系统的校正是保证其良好性能的前提，系统校正理论是所有反馈控制系统的基础之一，是实现系统自动控制的根本。
一、系统校正要点
1、调节器模式：调节器的类型是校正的核心，调节器的模式决定着反馈控制系统的性能。
常用的调节器有PI、PD、PID参数调节器，应根据实际情况灵活选择。
2、参数校正：选择调节器模式后，需要进行具体参数的校正，校正的过程一般有两种：经验法和数学模型法可以采用。
3、现场校正：现场校正过程主要是现场对参数进行实践调整，包括检查输入信号校正等，此类校正只能通过仪器进行，由于仪器的精度不同，校正效果也会有所不一样。
二、系统校正实施
1、系统检查：在校正实施前需要进行系统检查，检查项包括仪表精度以及反馈控制系统的结构与结构，检查后才能确定最佳的参数；
2、参数设置：在校正过程中，参数设置是提高反馈控制系统可用性的关键，特别是PID参数的调节，这要求改变参数时，要结合理论，灵活调整，以保证系统满足要求；
3、系统性能：在系统校正完成后，对系统性能进行检查，要求系统要满足设定的所有参数，结果必须与预期的结果保持一致，否则可以继续微调参数设置，以更好的满足需要。
总之，系统校正是自动控制原理中重要的一环，它既涉及到调整调节器参数，也涉及到系统调试等过程，必须根据实际情况，灵活选择，层层检查，从而实现反馈控制系统的良好性能。
第6章单回路控制系统的设计
6.1 概述 6.2 单回路控制系统方案设计 6.3 单回路控制系统调节器参数的整定 6.4 单回路控制系统的投运 6.5 单回路控制系统设计举例
6.1 概述
对于过程控制系统： ①控制方案的选择
如果控制方案设计的不合理，仅凭调节参数的整 定无法获得良好的控制质量； ②调节器参数整定 控制方案很好，但是调节参数整定得不合理，也 不能使系统运行在最佳状态。 过程控制系统结构形式：
⑴ K0要适当大一些；T0要适当小一些；t0愈小愈好。
⑵ Kf应尽可能小；Tf要大；扰动引入系统的位置要靠 近调节阀；容量时延愈大，则有利于控制。
⑶ 应尽量设法把几个时间常数错开。 ⑷ 工艺操作的合理性、经济性。
举例：
举例：
干 燥 塔 冷气流量
① 乳化物流量的变化将会影响温度 ② 蒸汽压力的变化将会影响温度 ③ 鼓风机风量的大小还会影响温度
较第一方案控制通道时延时 产品
间稍大, 灵敏度次之。
蒸汽
fG fp
x
Y
第三种方案： 蒸汽流量为控制参数
蒸汽
fQ
fG
x
产品
Y
控制通道很长，纯时延、容量时延大，灵敏度差。
T0、t0大，不易作控制参数。
第二种方案较好最合适
6.2.3 测量变送问题
Wm
s
K Tm s
m
1
1.纯时延问题
t l1 l2
v1 v2
控制通道存在纯时延
X s
Ps
Y s
W s
W0 s
X s
Ps
W s
WW00sset0s
Y s
W2 s
PsW0 s PsW0 set0s PsW2 s
第6章__单回路控制系统设计及调节器参数整定
假设进水阀门为线性阀，则
而流出量与水槽水位高度的平方根 成正比，即
则整理得到：
如何进行线性 化处理呢？
即：
这里还可以定义液阻Rs，其物理意义是：要使输出量 单位增长（即增加1m3/s）所需要液位升高的高度。它反 映了流出管路上阀门2的阻力大小。
即： 将上式整理可得：
若令T= RsC=RsA，K= ku Rs ,即 ：
一方面冷水的增加会引起汽包内水的 沸腾突然减弱，水中气泡迅速减少，水位 下降，如图中h1； 另一方面，液位会随着进水量的增加 而提高，并呈现出积分特性，如图中h2。
根据叠加原理，实际水位的变化
h h1 h2
这种在给水量阶跃增加作用下的开 始一段时间内水位不升反降，形成虚 假水位下降的现象，即是所谓“假水 位”现象。 用传递函数来描述可表示为：
只要对象的平衡工况一旦被破坏，就再也无法自建平 衡。这就是无自衡特性。
根据上图可以看出，自衡过程与非自衡过程的动态特 性一般可以分别用如下传递函数来近似描述，即 自衡过程：
K s G (s) e Ts 1 G (s) K s e Ts
无自衡过程：
工业过程的对象特性常见的还有采用二阶环节加纯滞 后过程来近似描述，即 自衡过程： G( s) 无自衡过程：
( K 2T1 K1 )s K 2 G( s) s(T1s 1) K1 观察上式可以看出，当： K 2 T1 K1 时，在响应初期， 占主导 T1s 1
地位，过程将出现反向特性。若该
条件不成立，则过程不会出现反向 特性。
K1 K2 T1
其右零点值为：： s
K2 K1 K 2T1
假设水槽的横截面积为A，根据物 料平衡关系可以得出：
单回路控制系统实验报告
单回路控制系统实验报告实验名称：单回路控制系统实验实验目的：掌握单回路控制系统的基本原理和调节方法，熟悉控制系统的建模、分析和设计过程。
实验设备：计算机、控制系统实验仪器、数据采集卡、传感器、执行器等。
实验原理：单回路控制系统是由闭环反馈控制器、过程装置和传感器组成的反馈控制系统。
其基本原理是根据反馈信号来调节输出信号，使得系统输出达到期望值或稳定在某个给定值上。
单回路控制系统可用于控制温度、压力、速度等各种物理量。
实验步骤：1. 搭建单回路控制系统：将闭环反馈控制器、过程装置和传感器按照实验要求连接起来，确保各个设备之间的信号传输正常。
2. 设定控制目标：根据实验需求，设定控制系统的目标值，如温度控制系统中的目标温度。
3. 进行系统建模：将控制系统中的各个元件抽象为数学模型，如控制器的传递函数、过程装置的传递函数等。
4. 参数调整：选择合适的控制器参数，如比例增益、积分时间和微分时间，并通过试控实验进行参数调整。
5. 进行闭环控制实验：将控制系统闭合，即将输出信号作为反馈信号输入到控制器中，通过控制器输出调节过程装置的输入信号，控制系统达到期望值或稳定在给定值上。
6. 实验数据采集与分析：利用数据采集卡采集实验过程中的各个信号数据，并进行数据分析，如误差分析、系统响应时间等。
7. 评价控制效果：根据实验数据分析结果，评价控制系统的性能，并对控制系统进行改进或优化。
实验结果：根据实验数据采集与分析结果，可以得到控制系统的性能指标，如超调量、调节时间等。
根据实验结果，评价控制系统的性能，并对控制器参数进行调整和优化，以达到更好的控制效果。
实验总结：通过本实验，掌握了单回路控制系统的基本原理和调节方法，了解了控制系统的建模、分析和设计过程。
实验中还发现了控制系统中可能存在的问题，并进行相应的改进措施。
在今后的工作中，将进一步研究和应用控制系统技术，提高控制系统的性能和稳定性。
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。
第五章 单回路控制系统设计
例：液位定值控制系统（见下页图）
其结构图如下：
设定值
e 液位控制器 u 执行阀
f (t) q1 液 位 过 程 实 际 液 位
检测变送器
执行阀 液位检测变送器
设定值 液位控制器
从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最 基本、最成熟的一种控制方式。
单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路 控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。
.........
K f (T0 s 1)
(T0s 1)(Tf s 1) Kc K0 (Tf s 1)
由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：
y() lim y(t)
t
lim s
K f (T0s 1)
s0 s[(T0s 1)(Tf s 1) KcK0 (Tf s 1)]
T（I min ）T（D min ）
0.1 ～1 3～10 0.5～3 0.4～3
2、临界比例度法（参见P183）
调节器取纯比例形式， 由大到小调节，使被控 量成
等幅振荡，如下图：
得 临界比例度 K
临界振荡周期 TK
根据 P183 表5-7计算调 节器参数
3、衰减曲线法（参见P183）
调节器取纯比例形式，
单回路控制系统方框图的一般形式如下：
F(S)
X (S) Z(S)
WC (S)
WV (S) Wm (S )
W0(S) Y(S)
WC (S)—调节器的传递函数 WV (S)—调节阀的传递函数 W0 (S)—被控过程的传递函数 Wm (S)—测量变送器的传递函数
二、正作用、反作用
根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳 定地工作，必须要构成负反馈。
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
第五章 单回路控制系统设计
在给定信号X(s)作用下，系统闭环传递数为
Y (s) W (s)W0 (s) X (s) 1W (s)W0 (s)
闭环系统特征方程为
1W (s)W0 (s) 0
（5-7） （5-8）
16
当扰动通道有时延时，在扰动作用下系统的闭环传递 函数为
Y (s) W f (s)e f s F (s) 1 W (s)W0 (s)
Kmaxwc值，见表5－2。
22
结论： ◆减小过程中最大的时间常数T1，不但无益，反而
使Kmaxwc数值比原始数据小，引起控制质量下降。 ◆减小T2或T3都能提高控制性能指标，若同时减小
T2、T3 ，则提高性能指标的效果更好 ◆增大最大时间常数T1，使wc略有下降，但Kmax增
大，有助于提高控制指标。 在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时
且Tf愈大，则该极点愈靠近虚轴，使整个过渡过 程的幅值减小Tf倍，超调量随之减小。扰动通道 的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参 数的影响也愈小，控制质量也愈好。
14
②时延τf的影响:图5－4所示
X(s) ＋－
Wf (s)e f s
Yp(s)
W(s)
W0(s)
＋ Y(s) ＋
图5-4 系统框图
克服扰动的能力愈强。但Ko与KC的乘积应为常数， Ko的大 小可以通过调节KC来补偿。总之，应使Ko >Kf.
12
2 过程动态特性的分析
(1) 过程扰动通道动态特性的影响
① 时间常数Tf 的影响。图5-2所示的单回路控制系 统，当X(s) = 0时，则系统的闭环传递函数为
Y (s)
Wf (s)
(5-4)
24
三、系统设计中的测量变送问题
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。
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单回路负反馈系统
校正前系统的单位阶跃响应曲线程序
num=[20];
den=[0.0125 0.525 1 20];
step(num,den);
grid on;
xlabel('t');ylabel('c(t)');
title('Unit-Step Response of G(s)=20/(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)')
图2.1.2校正前系统的单位阶跃响应曲线
2.1.3校正前系统的波特图
校正前波特图程序
num=[20];
den=[0.0125 0.525 1];
w=logspace(-2,3,100);
bode(num,den,w);
grid on;
title('Bode Diagram of G(s)=20/[s*(0.5s+1)*(0.025s+1)]')
图2.1.3校正前的波特图
校正前根轨迹图程序
K=20;
Z=[];
P=[0 -2 -40];
[num,den]=zp2tf(Z,P,K);
rlocus(num,den);
V=[-45 2 -25 25];
axis(V);
TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');
ylabel('Im');
图2.1.1校正前根轨迹图
图2.1.4校正前的仿真图
图2.1.5校正前的仿真阶跃响应曲线
校正后系统的单位阶跃响应曲线
num=[0 1.7626 4.0800];
den=[0.0011 0.0587 0.6130 2.7626 4.08];
step(num,den);
grid on;
xlabel('t');ylabel('c(t)');
title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');
图2.3.3校正后系统的单位阶跃响应曲线
2.3.4校正后的波特图
校正后波特图程序
num=[1.7626 4.0800];
den=[0.0011 0.0587 0.6130 1.0000 0];
bode(num,den);
grid on;
title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');)
图2.3.4校正后波特图
图2.3.5校正后的仿真图
图2.3.6校正后的仿真图
校正后根轨迹图程序
K=4.08;
Z=[-1/0.432 ];
P=[0 -1/0.088 -2 -40];
[num,den]=zp2tf(Z,P,K);
rlocus(num,den);
V=[-45 2 -25 25];
axis(V);
TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');
ylabel('Im');
图2.3.2校正后的根轨迹图
图3.1.3校正装置的仿真图
图3.1.4校正装置的阶跃响应仿真图
校正装置的仿真图及频率特性图
图3.1.1校正装置的解阶跃响应曲线图
图3.1.2校正装置的波特图。