过程控制章word版.doc

第4章 单回路控制系统学习目标： 掌握单回路控制系统的基本原理 掌握单回路控制系统的适用范围 掌握单回路控制系统方案的设计方法 掌握单回路控制系统调节器的参数整定方法4.1 概述单回路控制系统是指针对一个过程参数，采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其它参数没有或极少关联，是生产过程中应用十分广泛的基本控制系统一般说来，只有在单回路控制系统不能满足生产过程控制要求时，才有必要采用其他复杂的控制系统4.1.1 单回路控制系统的基本结构单回路控制系统是一种具有闭合回路的反馈控制系统一个典型例子如图4-1所示，液体储槽是化工生产上常用的中间容器，由前一工序送来的半成品不断流入槽中，而槽中的液体又不断送至下一个工序继续加工流入量(或流出量)的变化会引起槽内液位的波动，1 / 38严重时会出现溢出或抽干于是，槽内液位就成为被控量，它经液位检测元件和变送器1之后，变成统一标准信号，再送到液位控制器2与工艺要求的液位高度即设定值进行比较，按预定的运算规律算出结果，并将此结果送至执行器3，执行器按此信号自动地开大或关小阀门，以保持槽内液位在设定要求上，整个贮槽即为被控对象。

图4-1 典型单回路控制系统1－检测元件和变送器　２－液位控制器　３－执行器单回路控制系统的基本结构方框图如图4-2所示（图中箭头表示各方框之间的信号传递方向，而不是指物料或能量的流向）它由被控过程、测量变送器、调节器和调节阀等环节组成图中为设定值的拉氏变换式；为偏差的拉氏变换式；为调节器输出的控制信号的拉氏变换式；为控制变量的拉氏变换式；为扰动的拉氏变换式；为被控变量的拉氏变换式；为测量值的拉氏变换式系统由于扰动作用使被控量偏离了给定值，即产生偏差，调节器根据偏差大小并按某种控制算法发出控制信号送往调节阀，以改变阀门开度，即改变控制变量，从而克服扰动对被控量的影响，使测量值接近设定值由控制理论可知，闭环系统的输出与输人的关系式为： （4-1）式中，为扰动通道的传递函数图4-2 单回路控制系统结构框图单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、应用最广泛且最为成熟的控制系统由于其结构简单、投资少、易于调整、又能满足一般生产过程的工艺要求，所以，通常占实际应用的控制回路85％以上，尤其适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。

4.1.2 系统设计的基本内容对于一个实际生产过程，要设计一个理想的过程控制系统，首先应该对过程进行全面了解，同时对工艺过程设备等做比较深入的分析，然后应用自动控制理论和控制技术，拟定合理正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降低消耗、实现安全运行、节能、改善劳动条件、保护环境卫生和提高管理水平等目的过程控制系统的设计主要包括四部分内容：自动控制系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表的单校及系统的联校、控制器的参数整定等而控制方案设计和调节器参数值的确定则是系统设计中的两个核心内容如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定，则不可能获得好的控制质量；反之，若控制方案设计正确，但是调节器参数整定不合适，也不能发挥控制系统的作用，不能使其运行在最佳状态控制方案设计需要考虑合理选择被控参数和控制参数，被控参数的获取与变送、调节器正、反作用方式的确定及其控制规律的选取，调节阀的选择等问题由于单回路控制系统的设计原则是其它复杂过程控制系统的设计基础，因此掌握了单回路控制系统的设计方法，了解控制系统各环节对控制质量的影响，又掌握了系统设计的一般原则，就能设计其它更为复杂的过程控制系统。

本章将介绍单回路控制系统方案设计和调节器参数整定两个问题4.2 被控参数与控制参数的选择原则4.2.1 被控参数的选择被控量的选择是控制系统方案设计中的核心问题，它能否正确选择对稳定生产、提高产品的产量和质量、改善劳动条件等都具有重要意义在一个生产过程中影响正常运行的因素很多，但并非一一加以控制，所以就要求设计者必须深入生产实际，调查研究，熟悉和掌握工艺操作的要求，找出那些对产品的产量和质量以及安全生产都具有决定意义，且能最好地反映工艺生产状态变化的参数，同时这些参数往往又是无法采用人工能够控制或人工控制操作十分紧张而频繁的一般说来，选择被控量的方法有两种：一种是选择直接参数，另一种是选择间接参数直接参数即能直接反映生产过程产品产量和质量以及安全运行的参数例如，蒸汽锅炉锅筒水位控制系统，水位就是直接参数，因它直接表征了锅炉运行安全与否显然，用直接参数作为被控量最好当选择直接参数有困难(如缺少获取质量信息的仪表，或者测量滞后过大)、无法满足控制质量的要求时，可以选用间接参数作为被控参数但它必须与直接参数有单值一一对应关系例如，在化工生产中的精馏塔成份控制，成份是压力和温度的函数，如果保持压力一定，则成份与温度就成单值函数关系，所以选温度为被控参数。

此外，所选择的被控参数对控制作用的反应必须具有足够的灵敏度同时还应考虑到工艺生产的合理性等4.2.2 控制参数的选择被控参数确定后，还要正确选择控制参数、控制规律与调节阀等，以便正确设计一个控制回路(方案)如果在生产过程中有多个因素能影响被控参数变化，则应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，以被控对象特性参数对控制质量的影响为依据，正确地选择可控性良好的变量作为控制参数通常我们希望控制通道的抗扰动能力要强，动态响应比扰动通道快所以，在设计控制回路时，深入研究过程的控制通道和扰动通道是必要的下面通过分析过程特性对控制质量的影响，讨论一下选择控制参数的一般原则1．过程静态特性对控制质量的影响过程的静态放大系数对控制质量的影响即为过程静态特性对控制质量的影响以图4-3所示的单回路控制系统为例图中为调节器传递函数，为过程控制通道传递函数，为过程扰动通道传递函数设： （4-2）由此可得出系统的闭环传递函数为：图4-3 单回路控制系统结构框图 （4-3）控制系统的偏差为（此时）： （4-4）由于系统是定值控制系统，在单位阶跃扰动作用下，系统余差可应用终值定理求得： （4-5)由式(4-5)可见，过程静态特性对控制质量有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。

扰动通道的静态放大系数愈大，系统的余差也愈大为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使愈小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响控制通道的放大系数愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效果愈好但是，由于最佳的控制过程中与应为一常数，而调节器的是可调节的，的大小可通过改变来补偿，以满足与乘积为一常数的要求所以，在系统设计时，选择控制通道的适当大一些以加强控制作用，但必须以满足工艺生产的合理性为前提条件2．过程动态特性对控制质量的影响过程的动态特性包括过程扰动通道和控制通道两个部分的动态特性1） 扰动通道动态特性的影响①时间常数的影响在图4-3的单回路控制系统中，设各环节的放大系数均为1，干扰通道为一阶惯性环节，则系统的闭环传递函数为： （4-6）可见，系统特征方程式中增加了一个极点而一阶惯性环节的扰动通道传递函数为一个一阶滤波器，其时间常数愈大，则滤波能力愈强，扰动对被控参数的影响愈小，这种扰动的影响就比较容易克服扰动通道的容积愈多、愈大滤波的效果愈好，则扰动对被控参数的影响愈小，控制质量愈好②滞后时间的影响如图4-3所示，在给定作用下，系统闭环传递函数为： （4-7）闭环系统特征方程式为： 当扰动通道有纯滞后时，在扰动作用下的闭环传递函数为： （4-8）可见，其闭环传递函数的分母与式(4-8)相同。

因此，从理论上讲扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质量，仅使整个过渡过程推迟了一个纯滞后时间当扰动通道存在容量滞后时间时，它将使干扰信号变得平缓一些，对系统克服扰动有利它对控制质量的影响与时间常数对控制质量的影响是相同的③扰动作用点位置的影响通常被控过程存在多个扰动而各扰动进入系统的位置不同，则它们对被控参数的影响也不同考虑图4-4a所示的三只水箱串联工作过程中实现水箱水位不变而设计的控制系统现有三个扰动、、由三个不同位置分别引入系统为能更清楚地分析扰动作用点位置不同对系统控制质量的影响，根据控制流程图，画出其方框图4-4b设三只水箱均分别为一阶惯性环节由前所述，它对扰动能起滤波作用所以，当引入系统的扰动的位置离被控参数愈近时，则扰动对影响愈大；反之，当扰动离被控参数愈远(即离调节阀愈近)时，则扰动对其影响愈小所以，在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控参数a）b）图4-4 液位控制a）液位控制流程图 b）液位控制方框图（2） 控制通道动态特性的影响分析了扰动通道的动态特性对控制质量的影响，下面来了解一下控制通道的动态特性对控制质量的影响①可控性指示在过程控制系统设计中，选择正确的控制参数取得良好的控制通道对于设计出控制质量较好的方案是很重要的。

因为，对同一个被控参数，工艺上往往存在几个可供选择的变量作为控制参数由于选择的变量不同，则构成的过程特性也不同，因而控制难易程度也不同在过程控制中有各种简单、复杂的控制方案，除了因控制精度要求不同外，主要是由“过程可控性”的差异引起的为了比较不同过程的可控性，通常采用相同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能由式（4-5）可知，系统余差与(1+)成反比另外，一个稳定的过程控制系统的过渡过程快慢与其自激振荡频率成正比由此可见，决定系统控制过程情况的因素大体可归结为系统增益和振荡频率，即愈大，则余差愈小；而愈大，则过渡过程进行得愈快对于同一个被控过程，如果采用不同类型的调节器，在最佳整定的情况下，和是不同的但是它们的大小主要决定于该系统的最大增益和临界频率(即在纯比例作用时，系统处于稳定边界下的增益和振荡频率)和反映了过程的动态特性，在一定程度上代表了被控过程的控制性能所以称为衡量过程进行控制的难易程度的指标，即可控性指标而当产生临界振荡时系统开环频率特性的振幅比为1且开环相频特性的相角为-180，也就是说，当已知广义被控过程的频率特性时，即可求得过程可控性的值。

②时间常数对控制品质的影响控制通道时间常数的大小反映了控制作用反应的强弱，也反映了调节器的调节作用克服干扰对控制参数影响的快慢若时间常数太大，控制作用太弱，反映迟钝，过渡过程时间太长，控制品质下降在过程控制中，时间常数较大的居多，如炼油厂管式加热炉燃料油出口这一主控制通道，>15min；有的化学反应器，进料量对反应通道的时间常数多达几分钟这样大的时间常数，是较难控制的当发现过大时，较妥当的措施是：合理地选择执行器的位置，使之尽量减小从执行器到被控量检测点之间的距离，以大大减小控制通道的容量系数，时间常数也就随之减小如果不行，那就要考虑采用前馈或其它更复杂的控制系统若时间常数小，控制作用强，克服干扰影响快，过渡过程时间缩短但是，当它过小时，就容易引起过渡过程的多次振荡，使被控量难于稳定下来，即系统稳定性受到影响在过程控制对象中，时间常数过小的机会不多，但随着现代化生产日新月异地飞速发展，在。