1、第第6章章 单回路控制系统的设计单回路控制系统的设计调节器调节器(控制器控制器)被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节(传感器、变送器传感器、变送器)+x执行器执行器zeuqyf“”“”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）。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，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，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。6.1.1 一般要求一般要求 自动控制系统的一般要求：1过程控制系统必须是稳定的过程控制系统必须是稳定的 2系统必须具有适当的稳定
2、裕量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），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，余差要小但过渡过程时间要短，余差要小 6.1.2 控制控制方案方案1.总体设计与系统布局的关系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
3、处理整个系统的布局，统筹兼顾。6.1.2 控制控制方案方案2.被控过程的特性被控过程的特性 过程控制系统设计应根据不同过程特性，确定控制方案与调节器的设计或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、扰动情况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控制方案。6.1.3 基本基本方法方法在系统设计中，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
4、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。6.1.4 设计步骤设计步骤建立对象的数学模型 选择控制方案 建立系统方框图 进行系统静态、动态特性分析计算进行系统静态、动态特性分析计算 实验和仿真 系统投运 6.1.5 主要内容主要内容过程控制系统设计包括方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。控制方案设计是系统设计的核心 工程设计包括仪表选型、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。过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提。系统安装完，还要
5、对每台仪表进行单校和每个控制回路进行联校。调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证 对于过程控制系统的设计和应用来说，控制方案的设计是核心。单回路控制系统（控制方案）设计的基本原则，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、调节器控制规律及其正、反作用方式的确定等。6.2.1 被控参数的选择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。被控参数的选取，
6、必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。6.2.2 控制控制参数的选择参数的选择1.过程静态特性的分析：单回路控制系统的框图见图6-1，图6-1 过程控制系统框图 设 被控量Y(s)对扰动F(s)的闭环传递函数为 由于系统是稳定的，在阶跃扰动下，系统稳态值可应用终值定理求得：6.2.2 控制控制参数的选择参数的选择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6-1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：设 为一个单容过程，其传递函数为：系统的特征方程为：其复平面如图：分析：扰动通道的时间常数 愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈
7、小，控制质量也愈好。2）时延 的影响：图6-1a所示，在给定信号X(s)作用下，系统闭环传递函数为:闭环系统特征方程为: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:ff)(tYf分析：扰动通道的时延 ，不影响系统的控制质量，仅使系统响应曲线 推迟了一个时延 。3）扰动作用点位置分析：当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时，则对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远（即离调节阀愈近）时，则对其影响愈小。（2）过程控制通道动态特性的影响 1）可控性指标最大增益 和临界频率 称为衡量被控过程进行控制的难易程度的指标，即可控性指标。由自动控制理论可知，产生临界振荡需要两个条件：系统开环对数幅
8、频特性的振幅比为1；系统开环对数相频特性的相角为-180。因此，若已知广义被控过程的对数频率特性，就可求得该过程可控性的 、值。2）控制通道的影响 利用对数频率特性方法，可求出表6-1所示的不同被控过程动态特性的可控性指标。3)1(1s5)1(1s3)15(1sses3)1(1cm axKcKm ax被 控 过 程系 统 参 数表 6-1 不 同 过 程 特 性 的值)(0scm axKcKm ax、和7.9423.1987.9422.5121.720.730.350.913.662.3342.782.26结论：在选择控制参数时，应选择时间常数较小、反应灵敏的、纯时延小的通道作为控制通道。3）
9、过程的时间常数匹配 设广义过程的传递函数为：cmaxKcKmax1T3T2T1T1T3T2T3T2T参数变化情况原始数据减小增大减小减小减小、12.652222111010105201052.5552.59.813.519.819.219.30.410.490.545.24.87.30.570.570.7411.27.114.2表6-2 不同时间常数对控制质量的影响分析：结论：在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率；减小过渡过程时间和最大偏差等，以提高可控性指标，改善控制质量。3根据过程特性选择控制参数的一般原则根据过程特性选择控制参
10、数的一般原则 选择过程控制通道的放大系数 要适当大一些；时间常数 要适当小一些；纯时延 愈小愈好，在有纯时延 的情况下，与 之比应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。选择过程扰动通道的放大系统 要尽可能小；时间常数 要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）；容量时延愈大，则有利于控制。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。fKfT6.2.3 测量变送器的特征对控制质量的影响测量变送器的特征对控制质量的影响
11、1.时延时延 和时间常数和时间常数 对控制质量的影响对控制质量的影响测量变送环节可用一阶时延环节来描述，即：mmTsmmmmesTKsW1)(减小上式中的 和 均对提高系统的控制质量有利。若 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。mmTmTmmT 图6-6 和 引起动态误差 a）y为阶跃信号 b）y为线性信号 c）y为周期信号 mT若 和 较大时，会使调节作用跟不上信号的变化，严重时会使系统失去稳定性，因此必须对 和 引起的信号时延进行补偿。在系统设计中，可选用快速测量元件，一般选其时间常数为控制通道时间常数的1/10以下为宜；也可在变送器的输出端，串一微分环节，如图6-7所示
12、。mmTmmT这时，输出与输入间的关系为：1)1()()(sTsTKsTsPmDm使 =，则mTDT)()(sTKsPm)()(tTKtPm从而消除了动态误差。2.检测变送仪表的误差对控制质量的影响检测变送仪表的误差对控制质量的影响 检测变送器仪表的误差包括基本误差和附加误差：检测变送仪表的基本误差的影响检测变送仪表的基本误差的影响。对测量信号进行线性处理对测量信号进行线性处理。测量信号校正测量信号校正。6.2.4 信号传送时延问题信号传送时延问题气动传输管道的特性可表示为：seTssW011)(在管道内径为4.8mm，气压为0.020.10MPa的情况下，试验测得如表8-3所列数据。)(0s
13、)(sT管道长度（m）纯时延时间常数1530601506003000.040.080.170.777.42.30.160.320.733.213.09.7表6-3 气动传输管道的特性参数改进措施：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5060m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。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。在系统设计时，应根据生产过程的特点、被控介质的情况（如高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等）、安全运行和推力等，选用气动执行器和电动执行器。按生
14、产安全原则，选取气开或气关式。根据被控过程的特性、负荷变化的情况以及调节阀在管道中的安装方式等，选择适当的流量特性。在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。6.2.5 执行器执行器的选择的选择6.2.5 调节器调节器控制规律的选择控制规律的选择1.调节器的控制规律的适用范围 比例控制器：比例控制器适用于过程通道容量较大，纯延时时间较小，负荷变化不大，工艺要求不高的场合。比例积分控制器：比例积分控制器适用于过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差的场合。比例微分控制器：比例微分控制器适用于过程容量较大，有延时的场合。比例积分微分控制器：比例积分微分控制器是一种理想的控制器，适用
15、于不同的过程特性。2根据过程特性选择控制规律根据过程特性选择控制规律 被控对象传递函数可近似为 Wo(s)=10SsTKe可根据对象的延时时间和对象自衡时间常数的比值00T选择控制器的控制规律：3控制器控制规律的选择控制器控制规律的选择 广义对象控制通道时间常数较大或容积时延较大时，应引入微分规律。如工艺容许有残差，可选用比例微分规律；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分规律。如温度、成分、PH值控制等。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分规律。如管道压力和流量的控制。广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例规律，如
16、贮罐压力、液位的控制。当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，应设计复杂控制系统。6.2.7 调节器调节器正、反作用的确定正、反作用的确定1广义过程的正、反作用的确定广义过程的正、反作用的确定 控制器有正作用和反作用两种形式，其作用形式取决于被控制过程、执行器、变送器等相关部分的作用形式。过程控制系统中相关部分的作用形式取决于各部分的静态放大系数，如图6-9所示，过程控制系统要能够正常工作，则组成系统的各个环节的静态系数相乘必须为负，即形成负反馈。图6-9 过程控制系统框图 00K00K0VK0VK0cK0cK0mK（1）对象的正反作用形式）对象的正反作用形式对象正作用：对
17、象的输入量增加（或者减少），其输出量亦增加（或者减少），对象反作用：对象的输入量增加（或者减少），其输出量亦减少（或者增加），（2）执行器正反作用形式）执行器正反作用形式执行器正作用：执行器（调节阀）是气关式，执行器反作用：执行器（调节阀）是气开式，（3）控制器的正反作用形式）控制器的正反作用形式控制器正作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦增加（或者减少），控制器反作用：控制器测量值增加（或者减少），其输出量亦减少（或者增加），（4）变送器的作用形式）变送器的作用形式 变送器的静态放大倍数通常为正，即。2控制器作用形式的确定控制器作用形式的确定 00cvmKKKKcKVK0K（1）确
18、定原则 过程内部各个环节的静态系数相乘为负。即，计算（2）确定步骤 控制器正反形式确定的步骤：根据工艺安全确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从而确定根据过程特性确定对象的正反形式，确定根据确定原则确定控制器的正、反作用形式。正反作用形式。调节器参数整定的方法可分为三类：理论计算整定法；工程整定法；计算机仿真寻优整定法。6.3.1 工程工程整定法整定法 工程整定法主要包括：反应曲线法、临界比例度法和衰减曲线法。1反应曲线整定法反应曲线整定法 在图6-10中，在调节阀的输入端加一阶跃信号，利用快速显示记录仪在变送器的输出端记录被控参数的响应曲线，见图6-11。图6-10 求广义过程阶跃相应曲线
19、示意图 图6-11 广义过程阶跃响应曲线a)无自平衡过程 b)自衡过程 对图6-11a可写出无自衡能力的广义过程的传递函数为：sessW)(0表6-4为75.0时无自衡能力过程的整定公式。表6-4 调节规律75.0，过程无自平衡能力时的整定计算公式)(sWPDTITPIDPI185.01.123.3)11(1sTI)11(1sTsTDI5.0对图6-11b可写出有自衡能力的广义过程的传递函数为：ssesTeesTKsW111)(0000PPIPID调节规律DTDTITIT)(sGC1)11(sTI)11(sTsTDI01T01.1T085.0T3.325.07.008.06.200TT6.00
20、8.06.200TT08.015.06.200TT08.0 T19.08.00TIT25.02.00T5.12.00T表6-5 75.0过程有自衡能力时的整定计算公式2临界比例度法临界比例度法 临界比例度法是在系统闭环条件下进行的（1）调节器置于纯比例位置，且比例度 置于最大值，此时无积分（）和微分（）作用。使系统投入闭环运行。（2）待系统运行稳定后，对给定值施加一适当幅值的阶跃扰动，并逐步减小比例度 ，直到出现6-12所示的等幅振荡，此即为临界振荡。并记录下此时的比例度 ，称为临界比例度 。由图6-12的记录曲线上可查出临界振荡周期 之值。IT0DTKKKTPPIPID调节规律整定参数DTI
21、T(%)K2KT85.0KT5.0K7.1K2.2KT125.0表6-6 采用临界比例度法的整定参数3衰减曲线法衰减曲线法 衰减曲线法在系统闭环运行条件下进行的。其具体步骤如下：（1）将调节器积分时间置于 ，微分时间 ，比例度 置于最大值，将系统投入闭环运行。（2）待系统运行稳定后，对给定值作一适当幅值的阶跃扰动，并逐步减小比例度 ，直到记录曲线出现图6-13a所示的4：1衰减的曲线为止，记录下此时的比例度 和衰减曲线的第一个振荡周期 。IT0DTsST图6-13 衰减曲线法a)4:1衰减曲线 b)10:1衰减曲线 查表6-7的计算公式，便可计算出调节器的PID参数的整定值。控制规律(%)(m
22、in)DT(min)IT调节器参数PPIDPIss8.0s2.1sT5.0sT3.0sT1.0表 6-7 衰减法整定计算（4:1）(%)(min)DT(min)IT调节器参数PPIDPIss8.0s2.1rT2rT2.1rT4.0表 6-8 衰减法整定计算（10:1）6.3.2 计算机仿真寻优整定法计算机仿真寻优整定法调节器参数整定的计算公式为：对于比例（P）作用 对于积分（I）作用 对于微分（D）作用 BcTAKK)(00BITATT)(00BDTATT)(00表6-9 计算机仿真寻优整定表判据调节规律调节作用AISETTAEISEIAEIAEBPIDPIDPIPIPIPPPITAEISEI
23、AETTAEPIDPPPPIPIPIDIPDIPDIP0.902-0.9851.411-0.9170.904-1.0840.984-0.9860.608-0.7071.305-0.9590.492-0.7390.859-0.9770.674-0.6801.435-0.9210.878-0.7490.482-1.1371.495-0.9451.101-0.7710.5601.0061.357-0.9470.842-0.7380.3810.995表6-10 计算机仿真寻优整定表（随动系统适用）判据调节规律调节作用AIAEBPIDPIDPIPIITAEISEIAEPPDPDP0.758-0.8611
24、.02-0.3230.586-0.9161.03-0.1651.086-0.8690.740-0.1300.3480.9140.965-0.8550.796-0.1470.3080.929*I*I*I*I准备工作准备工作：对检测变送器、调节器、调节阀、供电、供气、联接管线等以及其它装置进行检查；在各组成系统的各台仪表进行单独调校的基础上，再对系统进行联调，观察其工作是否正常，这是保证顺利投入的重要步骤。系统投运系统投运：根据生产过程的实际情况，首先将检测变送器投入运行，观察其测量显示的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳下来后，再从手动切换至自动控制。6.5.1 喷雾
25、式干燥设备控制系统设计喷雾式干燥设备控制系统设计1生产工艺概况生产工艺概况2控制方案的设计控制方案的设计 图6-15 温度控制系统及其框图a)控制系统流程图 b)控制系统组成框图 6.5.2 贮槽液位控制系统设计贮槽液位控制系统设计 图6-16 液位控制系统a)进液流量Q为控制参数 b)出液流量Q1为控制参数 系统控制方案的设计系统控制方案的设计 过程控制仪表的选择过程控制仪表的选择 1）选择DDZ-型差压变送器作为液位测量变送器；2）由于贮液罐为一阶惯性环节，可选择对数流量特性调节阀。对图6-16a）控制方案，为保证液体不溢出和根据生产工艺安全原则，应选择气开式调节阀。3）若工艺要求系统无余差或余差较小，可选用PI控制规律调节器；否则可选择P控制规律调节器。由于变送器为 正，气开阀的 为正；当输入量增加时，液位增加，为正作用，故 为正；为保证负反馈 ，则 为负，即选择反作用方式调节器。mKvK0K00KKKKvcmcK调节器参数整定调节器参数整定由于该对象为单容过程，液位变化迅速，不宜采用临界比例度法和衰减曲线法，故可采用反应曲线法整定调节器的参数。
