第1章 单回路反馈控制系统
第1章
单回路反馈控制系统
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单回路反馈控制系统
1、系统构成
单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象 (简称对象)或被控过程(简称过程)、测量变送装置、控制器和 控制阀。有时为了分析问题方便起见，往往把控制阀、对象和 测量变送装置合在一起，称之为广义对象。这样系统就归结为 控制器和广义对象两部分。
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可以看出。干扰作用与控制作用同时影响被控变量，不过 在控制系统中通过控制器正、反作用的选择使控制作用对被控 变量的影响正好与干扰作用对被控变量的影响方向相反，这样， 当干扰作用使被控变量偏离给定值发生变化时，控制作用就可 以抑制干扰的影响，把已经变化的被控变量拉回到给定值来 (当然这种控制作用是由控制器通过控制阀的开闭变化来达到 的)。因此、在一个控制系统中，干扰作用与控制作用是相互 对立而存在的，有干扰就有控制，没有干扰也就无需控制。 如何才能使控制作用有效地克服干扰对被控变量的影响呢? 关键在于选择一个可控性良好的控制变量。这就要研究对象的 特性．研究系统中存在的各种输入量以及它们对被控变量的影 响情况，以便从中总结出选择控制变量的一些原则。
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单回路反馈控制系统
单回路控制系统能够正常工作的前提： 1）、正确选择被控变量与控制变量。 2）正确选择调节器的正反作用和调节阀的开关形式。 3）合理选择调节器的控制算法，保证一定的控制精 度，同时尽量减少系统的动态误差。 4）合理选择调节阀的流量特性，提高控制系统的线 性度。 5）正确选择测量变送器，减少信号失真与滞后，提 高控制质量。
对于定值控制系统，y(∞)就是系统的余差。由上 式可知：干扰通道的放大倍数Kf 越大，系统输出的余 差也越大，控制系统的稳态性能越差，即控制质量越 差。
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2) 时间常数Tf 的影响
为研究方便，令各环节放大倍数均为1，则系统在干扰作用下的 闭环传递函数为
由式可知，当干扰通道为一阶惯性环节时，与干扰通道为放大 环节相比，系统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上 增加了一个附加极点1/ Tf。这个附加极点的存在，除了会影响过渡 过程时间外。还会影响到过渡过程的幅值，使其缩小了Tf 倍。这样 过渡过程的最大动态偏差也将随之减小。这对提高系统的品质是有 利的。而且，随着Tf 的增大，控制过程的品质亦会提高。
y () lim sY ( s)
s 0
Kf 1 KC KO
TO1 TO 2
2 TO1TO 2 (1 K C K O )
放大倍数Ko对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行 分析。从静态方面分析，由上式似乎可以得出当Kf、Kc不变时．控 制通道放大倍数Ko越大，系统的余差越小的结论。然而这是不对的。 对一个控制系统来说，在一定的稳定程度(即一定的衰减比)情况下， 系统的开环放大倍数是一个常数(Kc Ko=常数) ，这里系统开环放大 倍数即是控制器放大倍数Kc与广义对象控制通道放大倍数Ko的乘 积。即，在系统衰减比一定的情况下(ζ一定)，当Ko减小时，Kc必 须增大，而Ko增大时，Kc必须减小，这样才能维持系统具有相同的 稳定程度。
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第二节 一、被控变量的选择
单回路控制系统的设计
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。它选择得正确 与否，将会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高 以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不 论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期 的控制效果，满足不了生产的技术要求。为此，自控设计人员必 须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上 才能正确地选择出被控变量。被控制变量的选择
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3) 纯滞后τo 的影响 图中曲线C是没有控制作用时系统在 干扰作用下的反应曲线。如果xo为变 送器的灵敏度，那么，当控制通道没 有纯滞后时，控制作用从t1时刻开始 就对干扰起抑制作用，控制曲线为D。
如果控制通道存在有纯滞后时间τo ，那么，控制作用要等到t1+τo 时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此时间以前，系统由于得不 到及时的控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断地上 升(或下降)，其控制虚线为E。显然，与控制通道没有纯滞后的 情况相比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。
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第1章 单回路反馈控制系统
1.1 单回路控制系统的组成
1.2 单回路控制系统的设计
1.3 调节阀在单回路控制系统中的应用
1.4 调节器的投运和参数整定
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单回路反馈控制系统
第一节
单回路控制系统的组成
单回路控制系统是指由一个测量变送器，一个调节 器、一个调节阀只对一个被控参数进行自动控制而组成 的负反馈闭环控制系统。 单回路控制系统也称为单回路负反馈控制系统，简 称单回路系统。由于在所有反馈控制系统中，单回路反 馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此．它又 被称之为简单控制系统。
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可以得出如下结论： 控制通道的时间常数To愈大，系统的工作频率愈低，控 制速度愈慢，控制愈不及时，过渡过程时间也愈长，系统的质 量愈低。 随着控制通道时间常数的减小，系统工作频率会提高，控 制就较为及时，过渡过程也会缩短，控制质量将获得提高。 然而也不是控制通道时间常数愈小愈好。因为时间常数太 小，系统工作频率过于频繁，系统将变得过于灵敏．反而会使 系统的稳定性下降，系统质量会变差。
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二、控制变量的选择 控制变量也称为操纵变量，是调节阀的输出，同时 也是直接影响被控对象的输入信号。
被控变量确定之后，还需要选择一个合适的控制变量．以 便被控变量在外界干扰作用下发生变化时，能够通过对控制变 量的调整，使得被控变量迅速地返回到原先的给定值上，以保 持产品质量的不变。 控制变量一般选系统中可以调整的物料量或能量参数。而 石油、化工生产过程中遇到最多的控制变量则是物料流或能量 流，即流量参数。 然而在一个系统中，可供选择作为控制变量的参数往往不 只一个，而有数个，这时就有一个控制变量的选择问题。控制 变量的选择要考虑到对象特性、干扰位置与性质等各种问题。
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2) 时间常数To 的影响
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1 KC K o TO1TO 2
由上式可知，不认To1和To2哪一个增大，都会导致系统的工作 频率降低，而系统工作频率愈低，则控制速度则愈慢。这样就 不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的质量会愈差。
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一般的过程都有较明确的要求。如对温度、压力、 流量、液位控制系统，其相应的过程参数就是被控变量。
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通过分析，可以总结出如下几条选择被控变量的原则： (1)质量指标是产品质量的直接反映。在情况许可 时，应选择质量指标参数作为被控变量。 (2)当不能选择质量指标参数作被控变量时，可选 择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参 数作为被控变量。 (3)所选的间接指标参数必须具有足够大的变化灵 敏度，以便反映产品质量的变化。 (4)在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和 国内、外仪表生产的现状。
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3) 纯滞后τf 的影响
在干扰通道出现纯滞后的结果是，使干扰对被控变量的影 响的过渡过程曲线在时间轴上向右平移了一个τf 的长度，即慢 了一个τf 的长度。所以，干扰通道存在纯滞后对系统没有不同 的影响。
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（2） 控制通道特性对控制质量的影响
也从K、T、τ三个方面来进行分析。 1)放大倍数Ko 的影响
单回路控制系统是实现生产过程控制的最基本单元，在生产 中应用最为普遍；单回路系统虽然系统结构简单，但它却能解决 生产过程中的大量控制问题。它是过程控制中应用得最为广泛的 一种控制系统。 单回路系统是复杂控制系统的基础。学会了单回路系统的分 析和设计方法，会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。
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单回路反馈控制系统
（1） 干扰通道特性对控制质量的影响 从K、T、τ三个方面来进行分析。 1)放大倍数Kf 的影响
系统方块图如图
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单回路反馈控制系统
Kf 1 Tf s Kf 1 y () lim sY ( s ) lim s s 0 s 0 KO s 1 K 1 KC KO C (1 TO1s )(1 TO 2 s )
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由此可以得出如下结论： 系统的余差与控制通道放大倍数无关。也就是说，在一定 稳定性前提下，线性系统的控制质量与控制通道放大倍数无关。 然而,从控制角度看，Ko愈大，则表示控制变量对被控变量 的影响愈大，这表示通过对它的调节来克服干扰影响更为有效。 此外．在相同衰减比情况下，Ko与Kc的乘积为一常数，当Ko愈 大时Kc则愈小，而Kc小则δ大。δ大比较容易调整，如果反过来， δ小则不易调整。因为当δ< 3% 时，控制器则相当于—位式控制 器，已失去作为连续控制器的作用。 因此，从控制的有效性及调节器参数易调整性来考虑．则 希望控制通道放大倍数Ko愈大愈好，尤其不能比干扰通道的Kf 小。
Gc(s)
单回路控制系统的控制作用： 调节器根据被控变量产生的偏差，通过调节阀去改变 控制变量，从而使被控变量最终达到期望给定值。
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3、控制过程分析
设出口调节阀是气关式，调节器设定为 反作用方式。 偏差信号为测量值与给定值之差，当测 量值大于给定值时。偏差为正，反之则 为负。 例如：在平衡状态下，入口阀突然开大了。这样就使F1＞F2， 于是液位L将上升。随着L的上升，控制器将感受到正偏差(因为 给定值没有变)，而控制器是反作用的，于是它的输出将减小。 控制阀是气闭式的，随着控制器输出的减小，控制阀将开大。这 样，流出量F2将逐渐增大，液位L将慢慢下降并逐渐趋于给定值。 当再度达到F2＝F1时，系统将达到一个新的平衡状态。这时控制 阀将处于一个新的开度上。 同样，不论是什么因素使液位偏离给定值，在调节器正反作 用方式与调节阀开关形式设置正确的情况下，总能克服干扰，使 水位回到期望的给定值。
过程控制1章单回路
干扰（扰动）。
（2）工作原理
假定控制阀为气关式（气闭式）， 控制器为反作用 。
①F1旳变化造成 L 变化 （ F1 > F2 ）→ L ↑ → u ↓ → F2 ↑→ L ↓ （ F1 < F2 ）→ L ↓ → u ↑ → F2 ↓→ L ↑
(3)所选旳间接指标参数必须具有足够大旳变化敏捷度。 (4) 在被控变量选择时还需考虑到工艺旳合理性和国内、 外仪表生产旳现状。
1.3 操纵变量旳选择 操纵变量选择原则： 1. 选择操纵变量必须满足工艺上旳可实现性与合理性 可实现性——工艺上是可控旳。
如加热燃料旳流量与成份，流量是可控旳，成份是不 可控旳。
各环节特征： 检测元件：
Km 1 5s
干燥筒8.5S 1)(8.5S 1
K2 (100S 1)(100S 1)
混合过程： K3
1 10S
e 风管： 3s
选择： 1）乳液流量动态特征最佳，但工艺不合理，故不取。 2）空气量通道动态特征优于蒸汽流量，故空气流量选为
被控变量旳选择措施： （1）首选直接参数； （2）其次选择间接参数。
1.首选直接参数做被控变量 直接参数——能直接反应生产过程产品产量和质量、
稳定性以及安全运营旳参数。一般对于以温度、压力、流 量、液位为操作指标旳生产过程，就选择温度、压力、流 量、液位作为被控变量。 例：蒸汽锅炉锅水位控制系统，水位就是直接参数；
①被控对象 需要实现控制旳、与被控参数有关联旳设备或生产
过程称为被控对象，简称对象。
②被控变量 对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内或按预
定规律变化）旳物理量称为被控变量。如本例中旳贮槽液 位。
单回路控制系统(改)PPT课件
❖ 结论
➢ 扰动通道的静态放系数K d 越大，系统余差越大 ➢ 控制通道的放大系数 K0 越大，系统余差越小，克
服扰动通道的效果越好
➢ 由于KK0Kc ，则控制器增益和控制对象的增益有一 定的关系
7.2.2 操纵量的选择
❖ (1) 放大系数对控制质量的影响 ❖ (2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响 ❖ (3) 控制通道动态特征对控制质量的影响
(1).T太大 •特点：使控制作用变弱，控制质量变坏。 •措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂 控制.
(2).T过小 •特点：控制作用增强，但系统容易振荡。 •措施：选择快速监测、控制、执行器件；设法降 低控制通道的灵敏度；改革工艺以使T增大。
➢ 2）滞后时间对控制质量的影响
图7.6 具有纯滞后τ0的系统
3、举例（被控量选择）
❖ 在控制锅炉蒸汽质量的生产过程中，可供选择 的被控量有如下三种方案： 1）压力P和温度T皆为被控变量； 2）温度T为被控变量； 3）压力P为被控变量。
❖ 相关工艺的专业知识： 物理化学中的相律关系，其自由度的表达式为： F=C-P+2 式中，F为自由度；C为组分数；P为相数。
流量系数S
a. 衡量控制阀实际工作流量特性相对于理想流量特 性的变化程度；
b. S p V mi n p式中 vmin、—控制阀全 开时阀门前后的压差、系统总压差；
c. 当S=1时，控制阀前后的压差等于系统的总压差， 工作流量特性即为理想流量特性；
d. 当S<1时，受串联管道设备阻力影响，流量特性 发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制 阀可调范围变小；流量特性曲线畸变 ，S值越小， 畸变越严重，对控制越不利。所以，在实际使用 中要求S不低于0.3～0.5。
过程控制工程孙洪程答案
过程控制工程孙洪程答案【篇一：过程控制工程教学大纲】xt>过程控制工程（process control engineering）课程性质：专业主干课适用专业：机电一体化技术学时分配：课程总学时：60学时其中理论课学时：60学时；实验课学时：0学时；先行课程情况：先行课：高等数学、单片机原理与应用、自动控制原理、传感器技术等；教材：孙洪程，李大宇，翁维勤编著．《过程控制工程》．北京：高等教育出版社， 2013年12月重印参考书目：1、邵裕燊．过程控制工程．北京：机械工业出版社2、何衍庆，俞金寿，蒋慰孙．工业生产过程控制．北京：化学工业出版社一、课程的目的与任务过程控制工程是机电一体化技术专业开设的主干课之一，主要研究工业生产过程中应用比较成熟的控制系统。
随着现代工业的迅速发展，对工业过程的要求也越来越高，用于工业过程控制的自动化装置也迅速发展，因此对工业过程控制的要求也随之提高。
作为研究工业过程控制系统组成，基本控制规律，以及工业过程控制系统的设计，投运的课程-----过程控制工程也越来越受到重视，并使得该课程成为自动化相关专业的一门重要的专业课程。
本课程的任务是：使学生通过本课程的学习，获得工业过程控制系统的基本理论、基本知识和基本技能，掌握测量与变送器、执行器、智能控制仪表、以及工业生产过程中的一些具体设备等自动化装置的原理与使用方法，掌握基本过程控制系统设计的方法与控制器参数的整定方法，从而为从事与本课程有关的的技术工作打下一定的基础。
二、课程的基本要求本课程采用传统的课堂讲授模式，在课堂安排上，做到精讲教学内容和学生课外自学、阅读相结合，使学生了解重点、认识难点，突出重点、剖析难点，掌握重点、化解难点，提高学生解决问题能力；引导学生课前预习、课后复习，加深对其基础知识的巩固和对前沿领域的了解。
本课程的主要内容包括基本过程控制系统、先进控制系统、过程控制工程三大模块。
其中基本过程控制系统及过程控制工程为本课程的主要学习部分，要求学生可以运用所学知识对常见的过程控制系统加以论证或者进行必要的定性定量分析。
单回路反馈控制系统
第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统简称：单回路控制系统、简单控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。
研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。
1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2,为了控制水槽的液位1不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-1水槽图1-2水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。
偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。
第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2 ）入口阀突然开大一F1>F2 f Lf -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 ff L |fF1=F2 f系统达到新的平衡入口阀突然开小f F1<F2 fL | f负偏差f输出增大f控制阀I f F2 1f L f f F1=F2 f系统达到新的平衡第二种情况初始状态:平衡状态F1=F2 ）出口阀突然开大fF2>F1fL |f 负偏差f 输出增大f控制阀IfF2 1f Lff F1=F2 f系统达到新的平衡出口阀突然关小f F1>F2 f L f -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 f f L | f F1=F2 f 系统达到新的平衡几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而 不是物料或能量的流向。
(2)各环节的增益有正、负之别：控制器：正作用时增益为负”反作用时增益为正” 控制阀：气开阀增益为正” 气闭阀增益为负”变送器：一般为正”控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量丫 (S)的变化来确定Q(S) ffY(S) f 增益为正”反之为负，上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为 负”； 当控制阀装在人口处时，对象增益为正整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S) 至X(S)的各个环节增益的乘积必须是正值。
单回路反馈控制系统-V1(共40张PPT)
选择被控变量
明确 控制目的
使生产过程自动按照预定的目标进行，并使工艺参数 保持在预先规定的数值上〔或按预定规律变化〕
分析
生产工艺
确定
被控变量
“关键〞变量：对产品的产量、质量以及生产过程的 平安具有决定作用的变量
两种控制类型：直接指标控制和间接指标控制
当质量指标信号缺少检测手段、信号微弱、滞后很大时， 可选取与直接质量指标有单值对应关系而反响又快的变量 做为间接控制指标。
Q入
T入
X入
被控变量TD
被控对象
QZ F TH
影响塔顶温度的各种输入示意图
原那么上，在诸多影响被控变量的输入中选择一个对被控变 量影响显著而且可控性良好的输入作为控制变量后，其它所 有未被选中的输入那么成了为系统的干扰变量。
13
概述 选择被控变量 选择控制变量 处理测量信号 选择调节阀 选择控制规律
简单控制系统
引言
简单控制系统的结构与组成
控制的目的、被控变量的选择 对象特性、控制变量的选择 测量滞后、测量信号处理 负荷变化、调节阀选择 控制规律的选择
控制系统的投运与参数整定
这一章主要答复三个问题 1.控什么？
2.拿什么来控？ 3.通过什么方式控？
1
第一个问题：控什么？
答：控工艺要求的指标
20
确定调节方案的实例
生产的工艺要求 是将浓缩的乳液 用空气枯燥成乳 粉。
工艺流程 被控变量的选择 操纵变量的选择
21
概述 选择被控变量 选择控制变量
2.4 测量滞后对控制质量的影响及测量 信号的处理
测量滞后对控制质量的影响
测量元件时间常数的影响
处理测量信号
过程控制工程孙洪程答案.doc
过程控制工程孙洪程答案【篇一：过程控制工程教学大纲】xt> 过程控制工程（process control engineering ）课程性质：专业主干课适用专业：机电一体化技术学时分配：课程总学时：60 学时其中理论课学时：60 学时；实验课学时：0 学时；先行课程情况：先行课：高等数学、单片机原理与应用、自动控制原理、传感器技术等；教材：孙洪程，李大宇，翁维勤编著．《过程控制工程》．北京：高等教育出版社，2013 年12 月重印参考书目：1、邵裕燊．过程控制工程．北京：机械工业出版社2、何衍庆，俞金寿，蒋慰孙．工业生产过程控制．北京：化学工业出版社一、课程的目的与任务过程控制工程是机电一体化技术专业开设的主干课之一，主要研究工业生产过程中应用比较成熟的控制系统。
随着现代工业的迅速发展，对工业过程的要求也越来越高，用于工业过程控制的自动化装置也迅速发展，因此对工业过程控制的要求也随之提高。
作为研究工业过程控制系统组成，基本控制规律，以及工业过程控制系统的设计，投运的课程----- 过程控制工程也越来越受到重视，并使得该课程成为自动化相关专业的一门重要的专业课程。
本课程的任务是：使学生通过本课程的学习，获得工业过程控制系统的基本理论、基本知识和基本技能，掌握测量与变送器、执行器、智能控制仪表、以及工业生产过程中的一些具体设备等自动化装置的原理与使用方法，掌握基本过程控制系统设计的方法与控制器参数的整定方法，从而为从事与本课程有关的的技术工作打下一定的基础。
二、课程的基本要求本课程采用传统的课堂讲授模式，在课堂安排上，做到精讲教学内容和学生课外自学、阅读相结合，使学生了解重点、认识难点，突出重点、剖析难点，掌握重点、化解难点，提高学生解决问题能力；引导学生课前预习、课后复习，加深对其基础知识的巩固和对前沿领域的了解。
本课程的主要内容包括基本过程控制系统、先进控制系统、过程控制工程三大模块。
其中基本过程控制系统及过程控制工程为本课程的主要学习部分，要求学生可以运用所学知识对常见的过程控制系统加以论证或者进行必要的定性定量分析。
经典控制理论——第一章
第一章 自动控制的一般概念
1-1自动控制的基本原理与方式 1.自动控制技术及其应用
自动控制：是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置(称控制装置或控制 器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对 象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地 按照预定的规律运行。
2．自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的 技术科学。 发展：1）以传递函数为基础的经典控制理 论，它主要研究单输入—单输出、 线性定常系统的分析和设计问题。 2）现代控制理论。它主要研究具有高 性能、高精度的多变量变参数系统的 最优控制问题，主要采用的方法是以 状态为基础的状态空间法。 3）以控制论、信息论、仿生学为基础 的智能控制理论。
(3)复合控制方式 把按偏差控制与按扰动控制结合起 来，对于主要扰动采用适当的补偿装置 实现按扰动控制，同时，再组成反馈控 制系统实现按偏差控制，以消除其余扰 动产生的偏差。这种按偏差控制和按扰 动控制相结合的控制方式称为复合控制 方式。图1—7表示一种同时按偏差和扰 动控制电动机速度的复合控制系统原理 线路图和方块图。
3．非线性控制系统
系统中只要有一个元部件的输入— 输出特性是非线性的，这类系统就称为 非线性控制系统，这时，要用非线性微 分(或差分)方程描述其特性。非线性方程 的特点是系数与变量有关，或者方程中 含有变量及其导数的高次幂或乘积项， 例如
t y t y t y y
采用教材
参考文献目录
主要参考书：
《自动控制原理》 胡寿松主编, 科学出版社
《自动控制原理》
《自动控制原理》 《自动控制原理》
顾树生、王建辉主编, 冶金工业出版社
吴 麒主编， 清华大学出版社 国防工业出版社
李友善主编，
过程控制工程课后习题参考答案
过程控制工程第一章单回路控制系统何谓控制通道何谓干扰通道它们的特性对控制系统质量有什么影响控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系；干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系;（1）控制通道特性对系统控制质量的影响：从K、T、τ三方面控制通道静态放大倍数越大,系统灵敏度越高,余差越小;但随着静态放大倍数的增大,系统的稳定性变差;控制通道时间常数越大,经过的容量数越多,系统的工作频率越低,控制越不及时,过渡过程时间越长,系统的质量越低,但也不是越小越好,太小会使系统的稳定性下降,因此应该适当小一些;控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时,使动态偏差增大,而且还还会使系统的稳定性降低;（2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：从K、T、τ三方面干扰通道放大倍数越大,系统的余差也越大,即控制质量越差;干扰通道时间常数越大,阶数越高,或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀,干扰对被控变量的影响越小,系统的质量则越高;干扰通道有无纯滞后对质量无影响,不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0;如何选择操纵变量1考虑工艺的合理性和可实现性；2控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数；3控制通道时间常数应适当小一些为好,但不易过小,一般要求小于干扰通道时间常数;干扰动通道时间常数越大越好,阶数越高越好;4控制通道纯滞后越小越好;控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响对控制系统的动态质量有何影响比例度δ越小,系统灵敏度越高,余差越小;随着δ减小,系统的稳定性下降;图1-42为一蒸汽加热设备,利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出;试问：①影响物料出口温度的主要因素有哪些②如果要设计一温度控制系统,你认为被控变量与操纵变量应选谁为什么③如果物料在温度过低时会凝结,应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用答：①影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度;②被控变量应选择物料的出口温度,操纵变量应选择蒸汽流量;物料的出口温度是工艺要求的直接质量指标,测试技术成熟、成本低,应当选作被控变量;可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料流量;后者工艺不合理,因而只能选蒸汽流量作为操纵变量;③控制阀应选择气关阀,控制器选择正作用;图1-43为热交换器出口温度控制系统,要求确定在下面不同情况下控制阀的开闭形式及控制器的正反作用：①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚；②被加热物料在温度过低时会发生凝结；③如果操纵变量为冷却水流量,该地区最低温度在0℃以下,如何防止热交换器被冻坏;答：TC冷却水物料被冷却物料①控制阀选气关阀,选反作用控制器;②控制阀选气开阀,选正作用控制器;③控制阀选气关阀,选反作用控制器;单回路系统方块图如图1-44所示;试问当系统中某组成环节的参数发生变化时,系统质量会有何变化为什么1若T0增大； 2若τ0增大； 3若T f增大； 4若τf增大;答：1T0 增大,控制通道时间常数增大,会使系统的工作频率降低,控制质量变差；2τ0 增大,控制通道的纯滞后时间增大,会使系统控制不及时,动态偏差增大,过渡过程时间加长;3Tf 增大,超调量缩小1/Tf倍,有利于提高控制系统质量；4τf 增大对系统质量无影响,当有纯滞后时,干扰对被控变量的影响向后推迟了一个纯滞后时间τf ;第二章串级控制系统2．1 与单回路系统相比,串级控制系统有些什么特点1 串级系统由于副回路的存在, 使等效副对象时间常数减小,改善了对象的特性,使系统工作频率提高;2 串级控制系统有较强的抗干扰能力,特别是干扰作用于副环的情况下,系统的抗干扰能力会更强;3 串级系统具有一定的自适应能力;2．2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用方式只取决于主对象放大倍数的符号,而与其他环节无关主环内包括有主控制器,副回路,主对象和主变送器.而副回路可视为一放大倍数为“1”的环节,主变送器放大倍数一般为正,所以主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号;如果主对象放大倍数的符号为正,则主控制器为反作用,反之, 则主控制器为正作用;2．5 试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节来看副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出进行控制,是一随动系统;因此整个副回路可视为一放大倍数为正的环节来看;2．6 试说明在整个串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用方式选错会造成怎样的危害当主、副控制器有一个正反作用方式选错时,就会造成系统的主回路或副回路按正反馈控制,当被控变量出现偏差时,系统不仅不向着消除偏差的方向校正,反而使被控变量远离给定值;2．7 图2-20所示的反应釜内进行的是化学放热反应,,而釜内温度过高会发生事故,因此采用夹套通冷却水来进行冷却,以带走反应过程中所产生的热量;由于工艺对该反应温度控制精度要求很高,单回路满足不了要求,需用串级控制;⑴当冷却水压力波动是主要干扰时,应怎样组成串级画出系统结构图;⑵当冷却水入口温度波动是主要干扰时,应怎样组成串级画出系统结构图;⑶对以上两种不同控制方案选择控制阀的气开、气关形式及主、副控制器的正、反作用方式;1选冷水流量为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.2夹套温度为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.2．8 图2-21为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统;要求：⑴选择阀的开闭形式⑵确定主、副控制器的正、反作用方式⑶在系统稳定的情况下,如果燃料压力突然升高,结合控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用方式,分析串级系统的工作过程;1 气开阀2主控制器反作用,副控制器反作用;3如果燃料气的P1突然生高,副回路首先有一个“粗调”：P1↑→F1↑→T2↑→u2↓→ F1↓没有完全被副回路克服的部分干扰,通过主回路“细调”：T2↑→T1↑→u1↓→ F1↓→T2↓→T1↓2．9 某干燥器采用夹套加热和真空吸收并行的方式来干燥物料;干燥温度过高会使物料物性发生变化,这是不允许的,因此要求对干燥温度进行严格控制;夹套通入的是经列管式加热器加热的热水,而加热器采用的是饱和蒸汽,流程如图2-22所示;要求：⑴如果冷却水流量波动是主要干扰,应采用何种控制方案为什么⑵如果蒸汽压力波动是主要干扰,应采用何种控制方案为什么⑶如果冷却水流量和蒸汽压力都经常波动,应采用何种控制方案为什么1以热水温度为副变量,干燥器出口温度为主变量,蒸汽流量为操纵变量构成温度温度串级系统,冷水流量单独设计流量单回路系统理由：当被控变量为干燥器出口温度时,不宜选冷水流量做操纵变量,故单独设计流量单回路系统抑制冷水流量波动;以干燥器出口温度为被控量、蒸汽流量为操纵变量的控制系统中,控制通道太长,存在较大的时间常数和纯滞后,故选择换热器出口温度为副变量,构成串级系统,利用副回路减小等效时间常数;2 以热水温度为为副变量,干燥器的温度为主变量串级系统;理由：将蒸汽压力波动这一主要干扰包含在副回路中, 利用副回路的快速有效克服干扰作用抑制蒸汽压力波动对干燥器出口的温度的影响.3 采用与1相同方案;理由同1;第三章 比值控制系统比值与比值系数的含义有什么不同它们之间有什么关系答：①比值指工艺物料流量之比,即从流量与主流量之比：；比值系数指副、主流量变送器输出电流信号之比,即：二者之间的关系由下式决定：变送器输出与流量成线性关系时变送器输出与流量成平方关系时用除法器进行比值运算时,对输入信号的安排有什么要求为什么答：应使除法器输出小于1;除法器输出值既仪表比值系数,需要通过副流量调节器的内给定设置,大于1无法设定、等于1无法现场整定;什么是比值控制系统它有哪几种类型画出它们的结构原理图;答：比值控制系统就是实现副流量2F 与主流量1F 成一定比值关系,满足关系式：12F F K = 的控制系统;比值控制系统的类型：开环、单闭环、双闭环、变比值、串级－比值控制系统; 原理图见教材;用除法器组成比值系统与用乘法器组成比值系统有何不同之处答：① 系统结构不同,实现比值控制的设备不同;② 比值系数的设置方法不同,乘法方案通过在乘法器的一个输入端,输入一个外加电流信号I 0设置；除法方案通过副流量调节器的内给定设置;12F F K =min1min2I I I I K --='m ax 2m ax1F F K K ='2m ax 2m ax 1)(F F K K ='在用除法器构成的比值控制系统中,除法器的非线性对比值控制有什么影响 答：除法器环节的静态放大倍数与负荷成反比;为什么4：1整定方法不适用于比值控制系统的整定答：单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路、变比值回路均为随动控制系统,希望副流量跟随主流量变化,始终保持固定的配比关系;出现4：1振荡时,固定配比关系不能保证;当比值控制系统通过计算求得比值系数1K >' 时,能否仍用乘法器组成比值控制为什么能否改变一下系统结构,仍用乘法器构成比值控制答：当比值控制系统通过计算求得比值系数大于1时,不能用乘法器组成比值控制;因为当1K >'时,计算所得的乘法器的一个外加输入电流信号I 0大于20mA,超出乘法器的输入范围;不用改变系统结构,只要调整F 2max 保证K ＇〈1 即可;一比值控制系统用DDZ-III 型乘法器来进行比值运算乘法器输出416)4I )(4I (I 01+--=', 其中I 1与I 0分别为乘法器的两个输入信号,流量用孔板配差压变送器来测量,但没有加开方器,如图所示;已知h /kg 2000F ,h /kg 3600F max 2max 1==,要求：① 画出该比值控制系统方块图;② 如果要求1:2F :F 21=,应如何设置乘法器的设置值0I解：①方框图如下：0I1I 2F - 2I1F② 乘法器 控制器 调节阀测量变送器2测量变送器1 流量对象 21221max 2max 1213600()()0.8122000F K F F K K F =='==⨯=，由于流量用孔板配差压变送器，没加开方器，所以12I I =‘系统稳定时： 2111'1004444(4)(4)44,0.811616I I K I I I I I I K --==-----'=+⇒==‘’0164160.81416.96I K mA'=+=⨯+=某化学反应过程要求参与反应的A 、B 两物料保持5.2:4F :F B A =的比例,两物料的最大流量h m F h m F B A /290,/6253max 3max ==;通过观察发现A 、B 两物料流量因管线压力波动而经常变化;根据上述情况,要求：① 设计一个比较合适的比值控制系统;② 计算该比值系统的比值系数K ';③ 在该比值系统中,比值系数应设置于何处 设置值应该是多少假定采用DDZ-III 型仪表;④ 选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用;解：①系统设计如下：②81.1)29062545.2()F F K (K 22max B max A =⨯==' ③1K ≤',所以要将max B F 调大;所以 625.39062545.2KF F Amxa max B =⨯=≥取450max =B F 75.0)45062545.2()(22max max =⨯=='B A F F K K 比值系数K ＇通过I 0设置,mA K I 164160=+'=④选择A 阀为气开阀,主对象为正环节,测量变送为正环节,则主调节器为反作用;选取B 阀为气开阀,副对象为正环节,测量变送为正环节,则副调节器为反作用;在硝酸生产过程中有一氧化工序,其任务是将氨氧化成一氧化氮;为了提高氧化率,要求维持氨与氧的比例为2：1;该比值控制系统采用如图所示的结构形式;已知h /m 5000F ,h /m 12000F 3max 3max ==氧氨;试求比值系数K ’= 如果上述比值控制用DDZ-II 型仪表来实现,比值系数的设置0I 应该是多少解：12.150001200021F F K K max max≥=⨯=='氧氨 调整副流量的测量上限,使K ＜1’取8.0='K ,则7500max =氧F 即可;对于DDZ-II,mA K I 88.010100=⨯='=有一个比值控制系统如图所示;图中k 为一系数;若已知k=2,h /kg 1000F ,h /kg 300F max B max A ==,试求？K =' K=解：211='==K k I I A B 21)1000300K ()F F K(K 22max B max A ===' 36.2K =⇒一双闭环比值控制系统如图所示;其比值用DDZ-III 型乘法器来实现;已知h /kg 4000F ,h /kg 7000F max 2max 1==;要求：① 画出该系统方块图;② 若已知mA 18I 0=求该比值系统的比值K= 比值系数？K =' ③ 待该比值系统稳定时,测m A 10I 1=,试计算此时2I =解：①②12I I =‘系统稳定时： 2111'1004444(4)(4)44,1616I I K I I I I I I K --==-----'=+⇒=‘’③ 001max 2max 2max 1max 164, 18140.875160.8754000170002I K I mA K F K K F F K K F '=+='⇒=='=⨯'===212144(4)40.875(104)49.25I K I I K I mA -'=-'=-+=⨯-+=。
单回路负反馈控制系统的设计
单回路负反馈控制系统的设计单回路负反馈控制系统的设计是一种常见的控制系统设计方法，通常用于控制系统的稳定性和鲁棒性的提升。
该方法利用负反馈原理，将系统输出信号与期望值进行比较，并通过调节控制器输入信号，来实现系统的稳定和性能要求。
设计单回路负反馈控制系统的关键步骤如下：1.确定系统要素：首先需要确定要控制的系统以及所需控制的指标。
该指标可以是位置、速度、温度等物理量。
此外，还需要了解系统的功能和特性，如系统的非线性、时变性等。
2.搭建模型：接下来，根据系统要素，建立系统的数学模型。
可以使用框图、状态空间方程或传递函数等形式，对系统进行描述。
这个模型是设计控制器的基础。
3.设计控制器：根据系统模型，设计合适的控制器。
常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器，以及它们的组合，如PID控制器。
选择适当的控制器类型和参数，以满足系统性能指标。
4.进行仿真：通过仿真软件，将设计的控制器与系统模型进行连接，并输入期望值进行仿真。
通过分析仿真结果，评估控制系统的性能，并根据需要调整控制器参数。
5.实际实施：在设计好控制器后，将其实施到实际系统中。
通常需要采集系统反馈信号，并与期望信号进行比较，通过调整控制器输出信号，实现系统的期望控制效果。
6.对系统进行调优：实施控制系统后，可能需要对控制器进行调优，以进一步改善系统的性能。
这可以通过实时监测系统反馈信号来实现，根据实际反馈情况，优化控制器参数。
设计单回路负反馈控制系统时需要考虑系统的稳定性、鲁棒性和动态响应等因素。
稳定性是指在系统工作过程中，输出是否会发散或震荡。
鲁棒性是指在系统受到扰动或参数变化时，控制系统仍然能够保持稳定运行。
动态响应是指系统的输出对输入变化的响应速度和准确性。
在设计过程中，还需要注意以下几点：1.控制器的选取：选择合适的控制器类型和参数，以满足系统的稳定性和性能要求。
比例控制器可以提供稳定性，积分控制器可以消除静差，微分控制器可以提高系统的响应速度。
单回路
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，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。