《过程控制系统》-单回路控制系统

结论1：扰动通道的放大系数越小越好，控制通道的放大系数适当大即可。
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
Dynamic characteristic
《过程控制系统》
Manipulated variable
二、过程动态特性对控制质量的影响
（1）扰动通道动态特性的影响
① 时间常数 T f 的影响
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（2）控制通道动态特性的影响
②时间常数对控制品质的影响
U (s)
K T 2 s 2 + 2ζTs + 1
Y ( s)
T：振荡环节的时间常数
ζ ：振荡环节的阻尼比(欠阻尼)
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（2）控制通道动态特性的影响
③滞后时间对控制质量的影响
控制通道滞后包括纯滞后τ o 和容量滞后 τ c 。 它们对控制质量的影响均不利，尤其是τ o 的影响最为严重。
纯滞后对系统过渡过程超调的影响：纯滞后 τ o 会使调节器的校正作用 滞后一个纯滞后时间 τ o ，从而使超调量增加、被控参数的最大偏差增大， 引起系统动态指标下降。 纯滞后 τ o 对系统稳定性的影响：纯滞后时间的存在将严重影响系统 的稳定性，甚至导致系统不稳定。
Dynamic characteristic
《过程控制系统》
Manipulated variable
二、过程动态特性对控制质量的影响
（1）扰动通道动态特性的影响
②滞后时间 τ f 的影响 当扰动通道有纯滞后时，在扰动作用下的闭环传递函数为： W f ( s )e Y ( s) = F ( s ) 1 + W ( s )Wo ( s ) 当扰动通道无纯滞后时，在扰动作用下的闭环传递函数为： W f (s) Y ′( s ) = F ( s ) 1 + W ( s )Wo ( s ) 则：
2#
f3 LT 3#
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（1）扰动通道动态特性的影响
③扰动作用位置的影响
F1 ( s ) X (s) F2 ( s ) Wo 2 ( s ) F3 ( s) Wo 3 ( s ) Y (s)
4.4
4.5 4.6 4.7
第四章 单回路控制系统
《过程控制系统》
4.1 概述
4.1.1
单回路控制系统的基本结构 系统设计的基本内容
4.1.2
第四章 单回路控制系统 4.1.1 单回路控制系统的基本结构
《过程控制系统》
单回路控制系统是一种具有闭合回路的反馈控制系统。
发电厂过热蒸汽温度控制原理图 锅炉锅筒水位自动控制原理图
第四章 单回路控制系统 4.1.1 单回路控制系统的基本结构
《过程控制系统》
W c( s )
Wv ( s)
_
Wc ( s ) ：控制器传递函数；
X ( s ), Z ( s ), E ( s ) ：设定值、测量值及偏差拉氏函数；
U ( s ) ：控制作用的拉氏函数；
Wv ( s ) ：调节阀拉氏函数；
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
Manipulated variable
《过程控制系统》
一、过程静态特性对控制质量的影响
Static characteristics
C = − lim s
s →0
W f ( s) s[1 + W ( s)Wo ( s)]
=
−Kf 1 + Kc Ko
+
-
W c( s )
Wv ( s )
Wo1 ( s )
Wm ( s )
F1 ( s ) 对系 同样幅值的扰动作用下，由于各个扰动通道环节的阻力作用， 统输出的影响最为平缓。
结论4：扰动的作用点离被控参数越远越好、扰动通道阻力环节越多越 好（容量滞后越大越好）。
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
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。 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。
结论5：选择控制参数，应使控制通道的时间常数适当小一些。 控制通道时间常数对过程输出的影响
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
Q( s ) ：操纵量拉氏函数； Wo ( s ) ：被控对象传递函数；
F ( s ), Y ( s ) ：扰动、被控量拉氏函数；
Wm ( s ) ：检测元件、变送器传递函数；
传递函数：Transfer function
第四章 单回路控制系统 4.1.1 单回路控制系统的基本结构
《过程控制系统》
图中：箭头表示各方框之间的信号传递方向，不表示物料传输方向；
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（1）扰动通道动态特性的影响
③扰动作用位置的影响
f1
1#
f2
LC
扰动通道1是由3个一阶 惯性环节组成，扰动通道2是 由2个一阶惯性环节组成，扰 动通道3是由1个一阶惯性环 节组成。 扰动通道作用位置对过程输出的影响
例如：蒸汽锅炉水位控制系统、过热蒸汽温度控制系统中的被控量水位和温 度都是直接参数作为被控量。
选择间接参数 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函数关系。
例如，在化工生产过程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，所以选精馏塔温度为被控参 数。
第四章 单回路控制系统
《过程控制系统》
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 控制参数的选择
4.2.2
第四章 单回路控制系统 4.2.1 被控参数的选择
Controlled variable
《过程控制系统》
被控参数：在生产过程中需要进行自动控制的物理参数。 选择直接参数 根据生产实际，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等都具有决定意义，且可以在线测量的工艺参数 作为被控量。
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（2）控制通道动态特性的影响
①可控性指标
决定控制系统过程情况的因素大体可归结为系统增益K 和振荡频率ω ，即K 愈大，则系统余差愈小；而ω 愈大，则过渡过程进行得愈快。 系统增益和振荡频率的大小主要决定于该系统的最大增益 K max 和临界频率 ω c (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)
W c( s )
Wv ( s)
−
由控制理论可知，闭环系统的输出与输入的关系式为：
sed-loop system
W f ( s) Wc ( s )Wv ( s )Wo ( s ) Y (s) = X ( s) + F ( s) 1 + Wc ( s )Wv ( s )Wo ( s )W m ( s ) 1 + Wc ( s )Wv ( s )Wo ( s)W m ( s )
式中， Wf (s)为扰动通道的传递函数。 第一项为设定值变化对被控量的影响； 第二项为扰动对被控量的影响。
第四章 单回路控制系统 4.1.2 系统设计的基本内容
《过程控制系统》
方案设计 包括合理选择被控参数和控制参数，被控参数的测量与变送、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。 工程设计 工程安装与仪表的调校 调节器参数整定 PID参数的整定，目的是使控制器特性与对象特性相匹配。 方案设计和调节器参数整定是系统设计的两个核心内容。
Wc ( s ) = K c Kf Ko Wo ( s ) = W f (s) = To s + 1 Tf s +1
由此可得出系统在扰动作用下的闭环传递函数为：
W f (s) Y (s) = F ( s) 1 + Wc ( s )Wo ( s )
在单位阶跃扰动作用下，定值控制系统余差 可应用终值定理求得：
Manipulated variable
《过程控制系统》
二、过程动态特性对控制质量的影响
Dynamic characteristic
（1）扰动通道动态特性的影响
结论2：扰动通道的时间常数越大越好。 结论3：扰动通道的纯滞后时间对控制质量无影响。 结论4：扰动通道的作用点离被控参数越远越好、扰动通 道阻力环节越多越好（容量滞后越大越好）。
F (s)
Kf Tf s +1
Y ( s)
一阶惯性环节的扰动通道为一个一阶滤波器，其时间常数 T f 愈大，则滤 波能力愈强，扰动 F ( s )对被控参数 Y ( s ) 的影响愈小，这种扰动的影响就比较容 易克服。
结论2：扰动通道的时间常数越大越好。 扰动通道时间常数对过程输出的影响
第四章 单回路控制系统 4.2.2 控制参数的选择