单回路控制系统
单回路控制系统
单回路控制系统一、单回路控制系统的概述图1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
图1 单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，干扰通道的放大系数Kf则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
，则阶跃扰动通过惯性环节后，如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf越大，则系统的动态偏其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
2．干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图2所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图2 扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为：G C (s)= KP=δ1(1)式中KP为比例系数，δ为比例带。
2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为：GC (s)=KP(1+s1IT)＝δ1(1+s1IT) (2)式中TI为积分时间。
3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
第12章单回路控制系统
(四)阀门流量特性选择实例
1、根据物料平衡求对象特性
Q1
Q2
A
dh dt
Q2 kb h
H (s) KP Q1(s) TCs 1
Q1
KP
1 KH
2 h0 kb0
,TC
A KH
2 A h0 kb0
h
A
2、画控制系统方框图
B(s) k h0 Q2(s)
kb0 2 h0
GC(s)
GV(s) Q1(s)
l
Q 快开
l
刘玉负荷长改变
数学分析法选控制阀流量特性注意事项
(1)不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量 特性可能是不一样，甚至是相反的，所以应根 据引起工作点移动的主要干扰来选取控制阀流 量特性；
(2)采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开 特性，考虑到快开特性特点，一般用于双位控 制或程序控制而不适合于连续自动调节，此时 可用线性阀代替；
1
H(s)
As
刘玉长
Gm(s)
LC
LT
Q2
3、设定值扰动引起工作点移动
出液阀开度b不变，KP会随设定值变化，静态推理：
若h0↑
KP↑ 要维持KVKP恒定 要求KV↓ Q2↑ ∵稳定时Q1=Q2 Q1↑开度↑
要求阀在开度 增大时，阀增 益减少，故应 选快开阀
考虑对动态特性的补偿：
若h0↑
要维持稳定 TC↑，稳定性↑性能不变 要求KV↑ Q2↑ → Q1↑ → 要求阀开度↑
(二)控制阀口径计算计算步骤
(1)根据工艺专业委托的条件，初选阀的型式、流向及流 量特性，并决定流量系数C值的计算方法。
并考虑到控制器增益与检测变送环节增益通常 维持不变，则有
单回路控制系统的结构及基本原理
单回路控制系统的结构及基本原理单回路控制系统，听起来是不是有点高深？别担心，咱们慢慢来，把它说得简单明了。
想象一下，你家里的空调，夏天一开，立马变成了清凉的避风港。
这个过程背后，就是单回路控制系统在默默发挥作用。
它就像是一位调皮的管家，专门负责调节室内温度。
你觉得怎么样？挺酷吧？单回路控制系统到底是什么呢？其实就是一个简单的控制机制。
就像你在厨房里做饭，火候掌握得当，菜才能好吃。
系统通过传感器感知环境，像是人的“感觉器官”，然后根据设定的目标进行调整。
如果室温太高，控制系统就会给空调发信号，让它开起来。
这样一来，家里瞬间凉快。
是不是感觉有点像魔法？咱们再深入一下，单回路控制系统的基本原理其实就是反馈控制。
反馈控制就像是你骑自行车时的平衡，往左偏了就稍微向右打方向，保持稳定。
系统通过不断获取反馈数据，进行调整，保证温度不会过高或者过低。
要是没有这个反馈，空调就会像个无头苍蝇，根本不知道该怎么调节。
想象一下，如果空调开得太冷，你可能就得裹着毛毯看电视了，真是太折磨人了。
再说说控制环路，单回路控制系统的“主角”。
控制环路里有三个重要角色：传感器、控制器和执行器。
传感器就像你家里的眼睛，负责监测环境。
控制器是大脑，分析数据并做出决策。
执行器则是肌肉，负责实际操作。
三者协同合作，像是一场默契的舞蹈，缺一不可。
要是哪个环节出了问题，整个系统就会陷入混乱，真是让人无奈。
举个例子，想象一下你在夏天的炎热中，开着空调，舒舒服服地看着电视。
突然空调出问题，室内温度一下子飙升。
那种感觉就像是被烈日暴晒，简直要人命。
这个时候，如果控制系统能够及时反馈，让空调赶紧调整，那就完美了。
可一旦反馈失灵，你就得忍受那种汗流浃背的折磨，真是心烦意乱。
说到这里，咱们还得提一下这个系统的稳定性。
单回路控制系统就像是一道题，解出来才能得到最终答案。
假如反馈不准确，系统就可能过度反应，导致温度忽冷忽热，就像过山车一样刺激。
这样的结果可不是你想要的，毕竟生活需要一些“稳定感”，对吧？有了稳定的控制系统，大家才能安心享受生活。
单回路控制系统原理
调单回路控制系统原理一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。
一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器、调节器和调节阀）两部分组成。
如图1：液位控制系统HQ1Q2f（t）x（t）e（t）节p（t调）节被控q（t）y（t）z（t）测量变：调节器的静态放大系数：调节阀的静态放大系数K：被控对象的静态放大系数：变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的，但一般具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。
3、控制方案的多样性。
有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。
这是其它自动控制系统所不能比拟的。
4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。
即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、等进行控制。
5、在过程控制系统中，其给定值是恒定的（定值控制）或是已知时间的函数（程序控制）。
控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。
工业生产要实现生产过程自动化，首先必须熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数的主要测量方法，了解仪表性能、特点，根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构建过程控制系统；并且通过改变调节仪表的特性参数，使系统运行在最佳状态。
过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。
二、单回路控制系统原理如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。
由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。
如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
单回路控制系统详解
一、单回路控制系统1. 画出图示系统的方框图：2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？3. 试确定习题1中控制器的正反作用。
若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。
5. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。
7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。
8. 对图示控制系统采用线性控制阀。
当负荷G 增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 减少时，系统响应震9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。
（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。
（2）主要扰动为G 1时，量特性。
（3特性。
11.作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。
13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为)1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。
单回路控制系统概述
单回路控制系统概述
设定值r 偏差e 调节`器
u
调节阀
干扰 f (t)
μ
被控过程
测量值x
测量变送器
y(t) 被调参数
对于过程控制系统设计和应用来说，控制方案的设计和 调节器参数的整定是其中两个重要内容。如果控制方案设计 不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质 量的；若控制方案很好，但是调节器参数整定不合适，也不 能使系统运行在最佳状态。
⑷ 执行器 执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号
组合而成的。
单回路控制系统
单回路控制系统概述
2．仪表位号
在检测控制系统中，构成回路的每个仪表(或元件)都用仪表位 号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成.首 字母表示被控变量，后继字母表示仪表的功能。回路的编号由 工序号和顺序号组成，一般用3-5位阿拉伯数字表示。
单回路控制系统
单回路控制系统概述
1.1 单回路控制系统的构成
单回路控制系统示例
液位控制系统
温度控制系统
压力控制系统
单回路控制系统
单回路控制系统概述
1.2 控制系统的工程表示
工艺控制系统流程图（管道仪表流程图）：
液位控制系统
温度控制系统
压力控制系统
带测控点工艺流程图是自控设计的文字代号、图形 符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图， 是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。
国家行业标准HG20505-92过程检测和控制系统用文字代号和图形符号
单回路控制系统
单回路控制系统概述
一些常用的图形符号和文字代号
1．图形符号
过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线(引线、信 号线)和仪表圆圈等。 ⑴ 测量点
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)
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过程控制系统
第三章单回路控制系统
压力控制系统的示例
? 当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量（压力）与设定值保持一致； 检测被控变量，并与设定值比较得到偏差； 按一定控制规律对偏差运算。 输出信号驱动操纵变量（流量）。 最终使被控变量恢复到设定值。
? 变送器检测温度。 ? 控制器对偏差运算。 ? 执行器改变操纵变量。
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过程控制系统
第三章单回路控制系统
控制系统的有关术语
?箭头表示信号流向，不是物流和能量流。 ? 各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环 节输入增加时，输出增加，增益为正；输出减少，增益为负。 ? 常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象，用 G0(s)表示。
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第三章单回路控制系统
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第三章单回路控制系统
通过学习，我们可以得 到以下收获：
? 单回路控制系统的结构与组成 ? 控制、被控变量及控制参数的选择 ? 控制系统执行、传感与变送机构 ? 控制器设计与控制规律的选择 ? 单回路控制系统的调试与参数整定 ? 应用举例
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第三章单回路控制系统
闭环系统模型
首先我们需要了解什么 是闭环系统，了解综合系统 的生产和控制过程是怎样实 现的。
传热设备
蓄水漕
加热器
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? 变送器检测压力 ? 控制器对偏差运算。 ? 执行器改变操纵变量。
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过程控制系统
第三章单回路控制系统
温度控制系统的示例
? 当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量（温度）与设定值保持一致； 检测被控变量，并与设定值比较得到偏差； 按一定控制规律对偏差运算。 输出信号驱动操纵变量（流量）。 最终使被控变量恢复到设定值。
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实际
第三章单回路控制系统
在过程系统中有许多因素影响安全、可靠、精确、动态性和成本。 工程设计者必须要明确这些细节。
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第三章单回路控制系统
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第三章单回路控制系统
控制系统的有关术语
? 控制通道：操纵变量到被控变量的通道。 扰动通道：扰动变量到被控变量的通道。
? 扰动影响被控变量或设定变化时，通过控制通道调节。 改变操纵变量，克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化。
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第三章单回路控制系统
闭环系统模型
传递函数 Gc(s)：控制器 Gv (s Gd (s) ：扰动过程
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变量 CV(s)：被控变量 CVm(s)： CV(s)的测量值 D(s) ：扰动 E(s)：偏差 MV(s)：控制变量（操纵变量） SP(s)：设定值
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过程控制系统
第三章单回路控制系统
3.1 单回路控制系统的结构与组成
简单控制系统是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、 一个控制阀、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，因此也 称为单回路控制系统。
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过程控制系统
第三章单回路控制系统
闭环系统模型
我们可以通过许多方法实现反馈 无控制：系统响应所有的输入，任意“漂移” 手动控制： 依靠人观察测量值，并引入补偿，系统的调节依 赖于人。 开关控制： 控制（操纵）变量只有两种状态，结果可能导致 系统的振荡。 连续自动控制： 通过对被控变量与期望值的偏差的自动调整 实现控制。 紧急控制： 当紧急状态发生时，将执行极端的作用（停机）。
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过程控制系统
概念
第三章单回路控制系统
通过过程和装置的示意图可以得到传感器的位置、测量的变量、相 关的执行机构（如：阀）和执行机构的位置。
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第三章单回路控制系统
液位控制系统的示例
? 当系统受到外界扰动的影响时 为使被控变量（液位）与设定值保持一致； 检测被控变量，并与设定值比较得到偏差； 按一定控制规律对偏差运算； 输出信号驱动操纵变量（流量）； 最终使被控变量恢复到设定值；
? 定值控制系统：设定值固定的控制系统。 随动控制系统：被控变量跟随设定值变化的控制系统。 采样控制系统：包含采样开关的控制系统。如，计算机控制系统。
? 常将检测变送环节表示为 1，检测变送与被控对象合并考虑。 ? 尽可能选择直接被控变量，少用间接被控变量。
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