单回路控制系统设计模板
6-2单回路过程控制系统及控制方案设计 共81页
• 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。
选择控制参数的意义
• 在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显 的，是唯一确定的。
• 但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数 可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通 道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出 合理的选择。
• 正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的 问题。
过程静态特性的分析
• 单回路控制系统的框图如图所示
• Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数
• Wo（s）为控制通道的传递函数
• Wf（s）为扰动通道的传递函数
• 并设
W
o s
Wc
s
K
T0s K
0
c
1
W
f
s
• 控制参数 • 回流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路过程控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
• 被控参数 • 贮罐液位
• 控制参数 • 出口流量
单回路过程控制系统的概念
• 单回路系统的特点
• 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满 足大多数工业生产过程的控制要求。
• 单回路系统应用十分广泛，尤其适用于被控过 程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平 缓，或者对被控质量要求不高的场合，约占目 前工业控制系统的80％以上。
• 直接参数法
• 选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控参数。
• 间接参数法
• 选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。
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)
单回路控制系统设计共51页文档
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
单回路控制系统设计4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
单回路控制系统课程设计2
工业过程控制课程设计题 目: 基于组态软件的流量比值过程控制系统设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号：指导教师： 设计地点： 31-517 设计时间： 2011.6.25～2011.7.1工业过程控制课程设计任务书之七目录1 绪论 (1)2 设计目的与要求 (2)2.1 设计目的 (2)2.2 控制要求 (2)3.系统结构设计 (2)3.1 控制方案 (2)4 过程仪表选择 (5)4.1 流量检测传感器 (5)4.2 电动调节阀 (6)4.3 过程模块 (6)4.4变频器 (6)5 系统组态设计 (7)5.1 组态图 (7)5.2 组态画面 (8)5.3 数据字典 (10)5.4 应用程序 (11)5.5 动画连接 (14)6 结论 (14)摘要单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。
此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。
关键字：单闭环比值控制系统设计主副物料工业生产过程1 绪论在工业生产过程当中，有很多是要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。
特别是在产品生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行生产，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。
第五章 单回路控制系统设计
例：液位定值控制系统（见下页图）
其结构图如下：
设定值
e 液位控制器 u 执行阀
f (t) q1 液 位 过 程 实 际 液 位
检测变送器
执行阀 液位检测变送器
设定值 液位控制器
从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最 基本、最成熟的一种控制方式。
单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路 控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。
.........
K f (T0 s 1)
(T0s 1)(Tf s 1) Kc K0 (Tf s 1)
由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：
y() lim y(t)
t
lim s
K f (T0s 1)
s0 s[(T0s 1)(Tf s 1) KcK0 (Tf s 1)]
T（I min ）T（D min ）
0.1 ～1 3～10 0.5～3 0.4～3
2、临界比例度法（参见P183）
调节器取纯比例形式， 由大到小调节，使被控 量成
等幅振荡，如下图：
得 临界比例度 K
临界振荡周期 TK
根据 P183 表5-7计算调 节器参数
3、衰减曲线法（参见P183）
调节器取纯比例形式，
单回路控制系统方框图的一般形式如下：
F(S)
X (S) Z(S)
WC (S)
WV (S) Wm (S )
W0(S) Y(S)
WC (S)—调节器的传递函数 WV (S)—调节阀的传递函数 W0 (S)—被控过程的传递函数 Wm (S)—测量变送器的传递函数
二、正作用、反作用
根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳 定地工作，必须要构成负反馈。
换热器出口温度单回路控制
换热器出口温度单回路控制(总11页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--1、概述换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：图1、单回路控制系统方框图单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。
设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。
除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。
2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。
被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
换热器温度控制系统的工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使冷流体的出口温度升高。
冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。
热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。
从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。
且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID 控制。
图2 PID 控制系统原理图PID 控制是偏差比例（P ）、偏差积分（I ）、偏差微分（D ）控制的简称。
第五章 单回路控制系统设计
在给定信号X(s)作用下，系统闭环传递数为
Y (s) W (s)W0 (s) X (s) 1W (s)W0 (s)
闭环系统特征方程为
1W (s)W0 (s) 0
（5-7） （5-8）
16
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
Y (s) W f (s)e f s F (s) 1 W (s)W0 (s)
Kmaxwc值，见表5－2。
22
结论： ◆减小过程中最大的时间常数T1，不但无益，反而
使Kmaxwc数值比原始数据小，引起控制质量下降。 ◆减小T2或T3都能提高控制性能指标，若同时减小
T2、T3 ，则提高性能指标的效果更好 ◆增大最大时间常数T1，使wc略有下降，但Kmax增
大，有助于提高控制指标。 在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时
且Tf愈大，则该极点愈靠近虚轴，使整个过渡过 程的幅值减小Tf倍，超调量随之减小。扰动通道 的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参 数的影响也愈小，控制质量也愈好。
14
②时延τf的影响:图5－4所示
X(s) ＋－
Wf (s)e f s
Yp(s)
W(s)
W0(s)
＋ Y(s) ＋
图5-4 系统框图
克服扰动的能力愈强。但Ko与KC的乘积应为常数， Ko的大 小可以通过调节KC来补偿。总之，应使Ko >Kf.
12
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5-2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
Y (s)
Wf (s)
(5-4)
24
三、系统设计中的测量变送问题
(完整word版)单回路负反馈控制系统的设计
单回路负反馈系统校正前系统的单位阶跃响应曲线程序num=[20];den=[0.0125 0.525 1 20];step(num,den);grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('Unit-Step Response of G(s)=20/(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)')图2.1.2校正前系统的单位阶跃响应曲线2.1.3校正前系统的波特图校正前波特图程序num=[20];den=[0.0125 0.525 1];w=logspace(-2,3,100);bode(num,den,w);grid on;title('Bode Diagram of G(s)=20/[s*(0.5s+1)*(0.025s+1)]')图2.1.3校正前的波特图校正前根轨迹图程序K=20;Z=[];P=[0 -2 -40];[num,den]=zp2tf(Z,P,K);rlocus(num,den);V=[-45 2 -25 25];axis(V);TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');ylabel('Im');图2.1.1校正前根轨迹图图2.1.4校正前的仿真图图2.1.5校正前的仿真阶跃响应曲线校正后系统的单位阶跃响应曲线num=[0 1.7626 4.0800];den=[0.0011 0.0587 0.6130 2.7626 4.08];step(num,den);grid on;xlabel('t');ylabel('c(t)');title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');图2.3.3校正后系统的单位阶跃响应曲线2.3.4校正后的波特图校正后波特图程序num=[1.7626 4.0800];den=[0.0011 0.0587 0.6130 1.0000 0];bode(num,den);grid on;title('jlyC(s)/R(s)=20*0.204*(0.432*s+1)/((0.088*s+1)*(0.0125*s^3+0.525s^2+s+1)+20*0.204*( 0.432*s+1))');)图2.3.4校正后波特图图2.3.5校正后的仿真图图2.3.6校正后的仿真图校正后根轨迹图程序K=4.08;Z=[-1/0.432 ];P=[0 -1/0.088 -2 -40];[num,den]=zp2tf(Z,P,K);rlocus(num,den);V=[-45 2 -25 25];axis(V);TITLE('Root-locus plot of G(s)=4.08(0.432s+1)/[s(0.088s+1)(0.5s+1)(0.025s+1)]'); xlabel('Re');ylabel('Im');图2.3.2校正后的根轨迹图图3.1.3校正装置的仿真图图3.1.4校正装置的阶跃响应仿真图校正装置的仿真图及频率特性图图3.1.1校正装置的解阶跃响应曲线图图3.1.2校正装置的波特图。
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第五章单回路控制系统设计
⏹本章提要
1.过程控制系统设计概述
2.单回路控制系统方案设计
3.单回路控制系统整定
4.单回路控制系统投运
5.单回路控制系统设计原则应用举例
⏹授课内容
第一节过程控制系统设计概述
✧单回路反馈控制系统---又称简单控制系统, 是指由一
个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个
执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路
反馈闭环控制系统。
➢单回路反馈控制系统组成方框图:
➢简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运, 能满足一般工业生
产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛, 特别适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓, 或者控制质量要求不太高的场合。
➢过程控制系统设计和应用的两个重要内容: 控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。
➢过程控制系统设计的一般要求:
●过程控制系统是稳定的, 且具有适当的稳定裕度。
●系统应是一个衰减振荡过程, 但过渡过程时间要短,
余差要小。
➢过程控制系统设计的基本方法:
设计方法很多, 主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
➢过程控制系统统设计步骤:
●建立被控过程的数学模型
●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
●实验和仿真
➢过程控制系统设计的主要内容:
●控制方案的设计: 核心, 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
器控制规律及正、反作用方式的确定等。
●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。
●工程安装和仪表调校
●调节器参数工程整定: 保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计
1.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。
●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪
表的性能。
2.控制参数的选择
➢需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。
➢当工艺上允许有几种控制参数可供选择时, 可根据被控过程扰动通道和控制通道特性, 对控制质量的影响作出合理的选择。
所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。
✧扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,
力图使被控参数偏离给定性
✧控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影
响, 抵消扰动影响, 以使被控参数尽力维持在给定值。
➢在生产过程有几个控制参数可供选择时, 一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强, 动态响应要比扰动通道快。
➢可由过程静态特性的分析( 扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o) 、过程扰动通道动态特性的分析( 时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置) 、过程控制通道动态特性的分析( 时间常数T o、时延τ( 包括纯时延τ0、容量时延τc) 、时间常数匹配) 确定各参数选择原则。
➢根据过程特性选择控制参数的一般原则:
●控制通道参数选择: 选择过程控制通道的放大系数K o
要适当大一些, 时间常数T o要适当小一些。
纯时延τ0
愈小愈好, 在有纯时延τ0的情况下, τ0与T o之比应小—
些( 小于1) , 若其比值过大, 则不利于控制。
●扰动通道参数选择: 选择过程扰动通道的放大系数K f
应尽可能小。
时间常数T f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τc愈大则
有利于控制。
● 时间常数匹配: 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它时间常数大得多, 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。
3.
系统设计中的测量变送问题 ➢ 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化
情况, 为系统设计提供准确的控制依据。
➢ 测量和变送环节的描述:
s m m m m e s T K s W τ-+=
1)( ➢ 参数选择原则: 减小T m 和τm 均对提高系统的控制质量有
利。
若T m 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。
从减小测量变送环节误差角度考虑, 应减少仪表的量程, 即增大K m 。
➢ 系统设计测量和变送中涉及的问题:
●
信号滤波 ●
信号处理 ●
纯时延问题 ●
测量时延问题 ● 信号传送时延问题:
信号传递时延将降低控制质量。
对比可采取以下改进措
施:
i.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．
ii.若调节器输出为气压信号, 可在50～60 m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。
iii.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。
4.调节阀( 执行器) 的选择
➢调节阀类型的选择: 气动执行器和电动执行器
➢调节阀口径( D g、d g) 大小的选择: 主要依据是阀的流通能力。
正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。
➢调节阀气开、气关形式的选择: 主要以安全方面考虑。
➢调节阀流量特性的选择: 系统总的放大倍数尽可能保持不变, 一般被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性), 而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。
因此往往经过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性, 从而达到系统总放大倍数不变的目的。
5.调节器控制规律的选择
➢目的: 为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合, 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的
要求。
➢ 调节器PID 控制规律对控制质量的影响:
● 当广义过程的时间常数较大, 纯时延较小时(即τ0／T o
很小), 引入微分作用其效果良好。
此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为: 比例积分微分(PID)作用最好, 比例微分( PD) 作用较好, 比例( P) 作用次之, 比例积分( PI) 作用较差。
● 当过程控制通道时间常数较小, 而负荷变化很快, 引
入微分和积分作用均要引起系统振荡, 对控制质量的影响不利。
● 当过程控制通道时延很大, 负荷变化也很大时, 单回
路控制系统已不能满足工艺要求, 需采用其它控制方案。
➢ 调节器控制规律的选择原则: 根据
00T τ比值选择控制规律: ● 2.00
0<T τ时, 选用比例或比例积分控制规律; ● 12.000
<<T τ时, 选用比例积分或比例积分微分控制规律;
● 100
>T τ时, 单回路反馈控制系统已不能满足控制要求,
应根据具体情况, 采用其它控制方式。
根据过程特性选择控制规律:。