宋彤《过程控制工程》2单回路控制系统

1、第二章单回路控制系统单回路反馈控制系统(简单控制系统)是由测量变送器、控制器、执行器和被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统。本章主要内容：单回路控制系统的结构和设计问题：控制变量选择操纵变量、调节阀选择控制器选择控制器参数设置、2.1控制系统结构和设计问题1)单回路控制系统的过程控制流程图、单回路控制系统框图、信号变量：控制变量(y)、测量变量(z)、设定值(r)、偏差(e)、控制变量(u)、操纵变量(q)所需自动化工具少，投资成本低；易于操作和维护；控制能力弱；适用于控制精度低、干扰平缓、幅度小、无大滞后的系统运行控制。单回路控制系统是目前应用最广泛、最成熟的过程控制系统。控制系统设计中需

2、要确定的主要问题有：被控变量的类型和运行方式、变量执行机构、控制器控制规律和动作方式、测量和传输方式及仪表、3)简单(单回路)控制系统设计、4)影响通道和参数、对象特征通道：控制通道：被控变量之间的信号连接关系受控制干扰通道：干扰被控变量之间的信号连接关系。通道特征参数：静态放大系数、Kp时间常数、t滞后时间，根据控制理论，闭环系统的输出与输入的关系为：其中：第一项是设定值变化对被控变量的影响；第二项是扰动对被控量的影响。控制系统设计：通过选择控制环节的特性和功能，被控变量可以准确跟踪设定值的变化，将扰动对被控变量的影响降到最低。2.2受控变量的选择、控制系统框图：过程工业的受控参数：温度、压

3、力、流量、液位和成分等。受控变量的分类：直接参数：过程要求作为受控变量的控制参数，间接参数：与过程要求的控制参数相关的其他参数。选择直接参数作为控制变量直接参数：直接反映生产过程产量和质量的工艺参数主要控制：的温度、液位、流量、压力等。例如：特点：选择直接变量作为被控变量，不需要中间转换环节，可以直接、快速、准确地获取被控变量的变化，实现控制。选择间接参数作为被控变量的间接参数：与被控参数(直接)有密切关系，直接过程指标的变量可以通过调整间接控制。主要应用：成分控制和质量控制，如：注：当选择间接参数作为控制变量时，应选择与直接参数具有单一值关系、灵敏度足够高、易于快速可靠测量的间接参数作为间接

4、控制变量。受控变量的选择原则：尽可能选择直接参数作为受控变量。选择与直接参数具有单一值关系、具有足够灵敏度且易于快速可靠测量的间接参数作为控制变量。选择的控制变量应该是自变量。自变量判断：自由度F=C P 2 F:自由度C:组分数P:相数例：饱和蒸汽系统自由度F=C P 2=1 2 2=1过热蒸汽系统自由度F=C P 2=1 1 2=2应注意所选控制变量与可能的运行变量之间的动态和静态影响关系。应考虑过程合理性和控制仪表生产水平。2.3操纵变量的选择，操纵变量：由执行机构(阀门)直接控制的变量示例：操纵变量：储罐的输出流量，操纵变量：蒸汽的输入流量，选择操纵变量的目的：确保控制质量，使控制过程

5、快速稳定注：操纵变量的选择直接影响控制特性信道和参数：信道参数：静态放大因子，k时间常数，t滞后时间，2.3.1干扰信道对控制质量的影响，系统框图，将干扰信道设置为一阶惯性环节，使：1)静态放大因子Kf的影响对应于干扰传递函数，结论1:干扰信道的大静态放大因子导致大的系统过渡残差，因此应用终值定理，2受控变量相对于干扰的变化与干扰信道的时间常数之间存在1/Tf时间关系。Tf越大，干扰对受控变量的影响越小。结论2:较大的干扰信道时间常数有利于提高系统的稳定性。同样，如果干扰信道是一个高阶过程，将会增加多个负点，并且可以得出相同的结论。(每次阶数增加1，就会在根平面的负实轴上增加一个额外的极点1/

6、Tfi，它受公式：的影响，3)纯延迟的干扰信道传递函数，结论3:干扰信道纯延迟对控制质量没有影响，系统控制变量的表达式，2.3.2控制信道特性(克服干扰的能力)的影响，控制信道：从控制信号到受控变量1的信号信道)静态放大因子、 K0的影响有利于减小残余误差。如果有终值定理，则设置：注：衰减系数0:自然振荡频率，与：标准二阶振荡方程：特征方程：注：系统衰减系数和控制通道。注：由于KCK0=常数，K0增加，KC减少，而KC较小，有利于参数调整。因此，从控制的角度来看，K0预计会更大。还有K0 Kf，它要求系统的衰减系数保持不变；2)控制信道时间常数T0的影响可以通过以下公式得到改善：如果控制信道时

7、间常数T01或T02较小，则可以提高系统工作频率，及时克服干扰；结论5:如果控制信道时间常数适当减小，系统工作频率将增加，有利于提高控制质量。目标系统的固有和工作振荡频率：控制信道和干扰信道之间的时间常数关系，控制信道的传递函数，TFT0: GPD (s)/GPC (s)相当于滤波器，使过度过程稳定，TFT0: GPD (s)/GPC (s)相当于微分器，使过度过程的波形陡峭。结论6:干扰信道的时间常数应大于控制信道的时间常数、干扰信道传递函数，3)纯延迟的影响，纯延迟时间0可视为系统的失控时间，会导致偏差增大，系统的控制质量和稳定性变差。参考标准：0/T0 0.3难以控制。结论7:应尽可能减

8、少控制信道的纯延迟。选择操纵变量的原则：所选的操纵变量必须是可控的，并且操纵变量通常应该比其他扰动对受控变量更敏感。控制信道的放大倍数应大于干扰信道的放大倍数。控制信道的时间常数应该更小，干扰信道的时间常数应该更大。控制通道的纯滞后时间应尽可能小，以保证过程的合理性。一般来说，生产负荷不会被选为操纵变量。2.4致动器选择。直径：正常工作阀门开度的15%-85%。控制阀两端的压降应占整个管道压降的很大一部分。(可控范围的宽度)，调节阀的选择内容：口径、流量特性、结构形式、切换形式；流动特性：线性、抛物线、等百分比、快开流动特性；结构形式：单座直通、双座直通、角阀、蝶阀、隔膜阀、高温低温阀；开关形

9、式：调节阀有气(电)开和气(电)关。开关形式描述当气(电)开型调节阀的控制信号增加时，调节阀的开度也增加。当气(电)闭调节阀的控制信号增加时开关形式实现(四种组合)，气闭、气闭、气开、换向阀、换向阀、正阀、正阀、P-in、P-in、P-in、Q、Q、Q，调节阀开关形式的选择原则主要考虑当控制信号失效时，调节阀的哪种开关形式有利于系统安全和生产过程的稳定。具体原则是：保证生产过程和设备的安全，保证产品质量，减少介质的工作状态，满足工艺要求。举个例子：当生产过程和设备安全控制信号失效时，确保阀门的动作方向能够保证生产设备的安全。空气关闭阀，空气打开阀，示例：系统控制信号在右图中被切断。关闭燃料阀可

10、以保证锅炉不会烧毁，打开供水阀可以保证锅炉的安全，当产品质量控制信号被切断时，保证阀门的动作方向不会影响产品质量。例如，塔顶产品的总回流可以保证塔顶产品的质量。在空气中关闭阀门，确保介质的工作状态。当控制信号被切断时，阀门的动作方向将保证工作介质不会发生相变。例如，在空气中关闭阀门，低温会产生液体结晶，因此蒸汽阀门在运行过程中不能关闭。减少材料和能源的损失，并满足工艺要求。由于不同的工艺要求，同一执行机构可能有两种不同的选择结果。例如，图中显示了锅炉操作系统的供水阀。为了锅炉的安全，为了防止锅炉因停水而燃烧，应选择气密阀。b .如果考虑到锅炉后续汽轮机设备的安全性，以防止蒸汽携带液体，应选择气

11、体开启阀。例如，加载和传输链接被说明：当控制信号被切断时，材料的排放被停止。选择空气开启阀。用空气打开阀门。注：根据上述原则选择开盘和收盘形式可能会导致矛盾的结果。在这种情况下，首先要考虑生产的安全。空气开关阀？2.5控制器选择，选择内容：控制律选择动作形式选择，1)控制律选择比例控制律。u:输出变化，e:输入变化，Kc:比例放大系数。比例控制的适用范围：低阶过程，调节通道滞后少，负荷变化小，控制要求低，考虑残差的参数控制不太重要。(如液位控制、热回收预热系统等。)，比例积分控制律(PI)，控制特性：消除残余误差，有一定的克服高噪声的能力；引入集成将降低系统的稳定性。比例积分控制律是应用最广泛

12、的控制律之一。适用范围：通道滞后小，负载变化小，控制精度高，残余误差得到严格控制。通常，它适用于流量和压力系统控制。比例微分控制特点：对大惯性控制对象有“高级”调节效果。时差的影响：适当调整微分时间可以缩短过渡过程，增加系统的稳定性，减小系统的动态误差。如果微分时间过长，系统将变得非常敏感，这将导致控制质量的恶化，甚至系统的不稳定。应用：它包含大容量滞后，不允许大的动态偏差，如温度控制和大容量液位控制。注意：纯滞后对象没有“领先”调整功能。比例积分微分控制律，控制能力最强的控制律。适用范围：是被控对象能力严重滞后、负荷变化大、控制质量要求高、动态偏差小的重要控制场合。2)控制器动作模式的选择，

13、为正：当偏差信号(e=测量给定)增加时，控制器的输出信号增加。反应：当偏差信号(e=给定测量值)增加时，输出，选择方法，选择是基于以下公式：(控制器)(执行器)(对象特性)(测量和传输)=(对象动作模式：正动作：当操纵变量(Q)值增加时，受控变量值随着执行器动作模式的减少而反应：当控制信号增加时，阀流通面积增加(空气打开阀)反应：当控制信号增加时，阀流通面积减少。变量输送单元的动作模式通常是正的，例如， 选择热交换过程中温控器的动作方式，阀门的动作方式为：介质易结晶，控制阀为气闭控制阀，符号为“-”，被控对象的动作方式为：出口温度随操作变量(蒸汽流量)的增加而增加。 动作模式为正，符号为 。测

14、量传输单位：默认动作模式，符号为 。根据：有(？)=()控制器的动作模式：正动作，正动作，a。为了保证加热炉的安全，执行机构是露天的，其符号是 。物体的出口温度随着燃料的增加而增加，符号为 。c .变送器输出信号随温度升高而增加，符号为 。为了使每个环节的总积为负，控制器的符号必须是，因此应选择反应控制器。例2:图解控制系统：a .为了防止加热炉内管道燃烧和破裂，从加热炉的安全角度出发，选择用空气打开和关闭阀门？要形成负反馈控制，选择控制器的正负作用形式。2.6测量仪器的选择和安装关键问题：测量传递滞后(纯滞后和容量滞后)导致测量滞后的主要原因是：1)测量元件安装位置不当，远离被控变量的敏感变

15、化区域；2)由于工艺条件的限制，不可能在理想的测量点安装测量元件；3)测量仪器本身存在严重的纯滞后或大容量滞后(如成分和物性测量)；4)测量信号传输线路长造成的传输滞后；5)测量仪器的不敏感性也可能导致滞后问题。克服测量传递问题的措施1)选择快速测量元件，例如，一个化工厂有一个反应器，如图6-8所示。该工艺要求反应温度在给定值的3以内，产品质量符合要求。当用时间常数为100秒的传感器测量温度时，反应温度在2以内，产品始终不合格，表明实际温度波动已超出工艺范围。用时间常数为5秒的热电偶测量温度，反应温度波动仍在2以内，但产品质量符合要求。2)选择检测点的位置检测点应为受控变量的变化选择最敏感和最有代表性的位置。3)差动单元的正确使用如果测量滞后大，差动单元可以串联。测量装置的正确选择、安装和使用测量装置的正确选择、安装和使用可以将测量过程中的误差降到最低，有助于提高控制精度和质量。2.7闭环负反馈系统的分析示例1:绘制控制系统的框图。分析：当过程冷料流出现增量扰动时，控制系统如何动作？-，物料量，物料温度，温度变送器输出信号，偏差信号，控制器输出信号，气体开度阀开度，燃料气体，物料温度，分析：2.8控制器参数整定，1)参数整定目的：确定控制器的最佳参数值，使系统过渡过程能满足最满意的质量指标要求。2)设置要求：不同的系统有不同的设置要求。一般系统：衰减比：4:1 10:1随动系