简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计
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
过程控制系统单回路控制系统
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2.1.2开环控制系统与闭环控制系统 ➢开环控制系统/Open-loop control system
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2.1.3 闭环控制系统的组成和基本环 节
1-给定环节(Set Point)；2-比较环节(Comparator)；3-校正
环节(Adjustor)；4-放大环节(Amplifier)；
5-执行机构(Actuator)；6-被控对象(Plant)；7-检测装置
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近20年来，随着计算机技术的发展，已将计算机用于过程控 制系统，称之为计算机过程控制系统。计算机过程控制是当 代大型机械设备自动化控制的基本形式。
➢计算机过程控制系统/Computer Process control system
计算机过程控制系统主要由 被控对象、 传感变 送器 、计算机装置和 执行机构四部分组成。
不失一般性，设系统的单位阶跃响应如图：(BP15~16)
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综上所述，对于稳定的系统，对于一个有界的输入，当时 间趋于无穷大时，微分方程的全解将趋于一个稳态的函数，使 系统达到一个新的平衡状态。工程上称为进入稳态过程。
系统达到稳态过程之前的过程称为瞬态过程。瞬态分析是 分析瞬态过程中输出响应的各种运动特性。理论上说，只有当 时间趋于无穷大时，才进入稳态过程，但这在工程上显然是无 法进行的。在工程上只讨论输入作用加入一段时间里的瞬态过 程，在这段时间里，反映了主要的瞬态性能指标。
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L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1-2 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→ F1>F2 → L↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑→ L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡 入口阀突然开小→ F1<F2→L ↓ → 负偏差→ 输出增大→ 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 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→F２>F1→L ↓→ 负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡出口阀突然关小→ F1>F2 → L ↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑ → L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡3单回路控制系统方框图R(S)：给定值的拉氏变换式Gc(S)：控制器传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Gm(S) 变送器传递函数U(S)：控制信号的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Gf(S)：对象扰动通道的传函Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(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。
单回路控制
控制器正反作用的判定
3、对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。 4、 对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀 （注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用” 混淆）。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来 确定。气动薄膜调节阀可分为气关（NO或FO）和气开（NC 或FC）两种型式。有信号压力时阀关、无信号压力时阀开的 为气关式。反之，为气开式。气开阀是“正”方向。气关阀 是“反”方向。 5、对于被控对象的作用方向。当操纵变量增加时，被控变量也 增加的对象属于“正作用”的。反之，属于“反作用”的。 6、控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定， 以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。
控制器正反作用的判定
扰动 Qi(t) 设定值 hsp + _ 偏差 e(t) 液体贮罐 干扰 通道
－
液位 控制器
控制信号 u(t)
＋
出水 控制阀
操纵变量 Qo(t)
－
控制 通道 +
+
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
＋
液位传感 测量变送器
举例：假设液位出水控制阀为气开。则KV为正，过程对象KP 为负，液位测量单元为正，要使KC*KV*KP*KT=正，则必须 KC= 负。所以液位控制器为正作用。
1 .2
T p 1 K p
控制器正反作用的判断
控制器的偏差正反作用选择 1、控制器正负偏差的规定 控制理论上以及仪表制造厂家规定： 正偏差：测量－给定＝偏差 负偏差：给定－测量 2、正反作用规定：正作用：偏差增加，控制器输出增加（Ｚ ｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↑ 反作用：偏差增加控制输出减少（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↓
PID三个基本参数kp 、ki 、kd 对PID控制作用和影响
【系统】温度单回路控制系统的设计与实现
【关键字】系统广东白云学院毕业设计（论文）题目：温度单回路控制系统的设计与实现学生姓名：王春雁学号：08班级: 07电气自动化（1）班专业：自动化所在系: 电子信息工程系指导教师：艾运阶完成日期:温度单回路控制系统的设计与实现摘要对于过程控制系统设计和运行而言，控制方案的选择和调节器参数整定是两个重要的内容。
本文以水箱为控制对象，主要介绍温度检测传感器、温度变送器、智能PID控制器以及可控硅调节器构成温度控制系统的参数选择和设计。
设计过零触发控制器，实现温度控制系统的参数整定和系统的投运。
采用实验方法对PID控制参数进行工程整定，提出该系统合理的水温自动控制系统的实现方法和控制参数整定方法。
关键词：温度控制；PID调节器；参数整定TEMPERATURE SINGLE CONTROL SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATIONABSTRACTFor process control system design and operation is concerned, control scheme selection and regulator parameters setting are two important content. This article based on the water tank for control object , mainly introduces temperature detection sensor, the temperature transmitter, intelligent PID controller and SCR regulator constitute a temperature control system parameter selection and design. Design zero trigger controller, realize temperature control system parameter setting and put the system into operation. Adopt experiment methods PID control parameters for engineering setting, puts forward the reasonable temperature system of the automatic control system realization and control parameter setting method.Keyword: Temperature control ；PID regulator ；Parameters setting目录第一章论绪1．1课题背景及目的目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
过程控制工程3
4、复杂控制系统
负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。
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第三节 控制器的选型
五、控制器正、反作用的选择
原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为负。
1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”； 2、控制器：正作用为“＋”，反作用为“-”；
3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，
3.时间常数匹配对控制质量影响
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第二节 单回路控制系统方案设计
(四).选择控制参数的一般原则
1.控制量应具有可控性，工艺操作的合理性和经济性 2.控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一 些；纯滞后时间0越小越好，0与T0之比应小于1. 2.扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入 系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后愈大， 愈有利于控制。 3.如果有N个干扰同时作用于控制系统,由于由检测元件处进入干 扰时被控制量的影响最严重,因此在选择时,应尽力使干扰远离 被控量而诹执行器近些。 4.如果广义对象由几个时间常数环节串联而成，选择控制量时应 尽可能避免几个T相等或相近的状况，越错开越好。
Kf Wf (s) Tf s 1
Ko Wo (s) To s 1
则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为
Wf (s ) Y(s ) F( s ) 1 Wc (s )Wo (s ) K f (To s 1) ......... (To s 1)(Tf s 1) K c K o (Tf s 1)
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第二节 单回路控制系统方案设计
(五).实例讨论
例：喷雾式乳粉干燥设备的控制。
1.工艺流程：参见图 2.控制要求：干燥后的产品含水 量波动要小。 3.被控参数选择：干燥器里的 温度
过程控制第三章第9,10,11讲
过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统 的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道 的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏， 克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(∞) t
ห้องสมุดไป่ตู้
图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
控制系统的阶跃响应性能指标小结
稳定性 衰减比n = 4:1~10:1最佳
准确性 余差C小好
最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如， 过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此， 应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决 定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
三、控制参数的选择
控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择
（一）过程静态特性分析
在新稳态值（ 205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一 区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min
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二、过程控制系统设计步骤
过程控制系统的设计，从任务的提出 到系统投入运行，是一个从理论设计到 实践，再从实践到理论设计的多次反复 的过程，往往要多次用试探法和综合法 并借助计算机来模拟仿真。 1．建立被控过程的数学模型
数进入新的稳态值±5%(±2%)的范围内所 经历的时间。(快速性指标)
上述有的性能指标之间是相互矛盾的，应 根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼 顾。 (二)偏差积分性能指标
以目标函数形式表示，属于综合指标。 1.偏差绝对值积分(IAE--Integral of Absolute Error)
适用于衰减和无静差系统。 2.偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)
只有掌握了(深入了解了)过程的数学 模型，才能深入分析过程的特性和选择 正确的控制方案。
2．选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过
调查研究，综合考虑安全性、稳定性、 经济性和技求实施的可行性、简单性， 进行反复比较，选择合理的控制方案。
过程方案初步确定后，应用控制理 论并借助计算机辅助分析进行系统静态 、动态持性分析计算，判定系统的稳定 性、过渡过程等特性是否满足系统的品 质指标要求。
因而评价一个过程控制系统的性能、质量
，主要看它在受到外来扰动作用或给定值
发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳
地(而不是剧烈振荡地)回复(或趋近)到原(
或新)给定值上。
(一)系统阶跃响应性能指标
1．余差(静态偏差)C
(静态指标)
指系统过渡过程终了时，给定值与稳
态值之差。一般要求余差为零或不超过预
定值。
• 本节介绍过程控制系统设计中的一些共性 的原则。
一、对过程控制系统设计的一般要求
安全性：最重要也是最基本的要求。 通常采用参数越限报警、事故报警、联 锁保护等措施加以保证。
稳定性：绝对稳定、稳定裕量、良 好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳 态误差小等)。
经济性：提高产品质量、产量的同 时，降耗节能，提高经济效益与社会效 益。采用先进的控制手段，优化控制。
单回路系统(图3—1)控制方案设计包括： • 合理选择系统性能指标 • 合理选择被控参数Y(s)和控制参数Q(s) • 合理设计(选择)控制(调节)规律Wc(s) • 被控参数的测量与变送Wm(s)、执行器(调
节阀)Wv(s)的选择
一、过程控制系统的性能指标
被控过程总是不时受到各种外来干扰
的影响，即系统经常处于动态过渡过程，
2．衰减率Ψ： (动态指标) 反映系统的稳定程度，应根据生产过 程的特点来确定适宜的Ψ值，一般取 0.75~0.9。（衰减比4:1~10:1）
3．最大偏差A(或超调量σ) 定值系统的最大偏差是指被控参数第
一个波峰值与给定值的差；随动系统通常 采用超调量指标，即
4．过渡过程时间ts 指系统从受扰动作用时起，到被控参
• 工程设计：包括仪表或计算机系统选型、 控制室操作台和仪表盘设计、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 • 调节器参数整定
四、系统设计中的若干问题
1．越限报警与联锁保护 例Fra bibliotek加热炉热油出口温度的设定值为
300℃，工艺要求其高、低限分别为305℃ 和295℃。
例：加热炉运行中出现严重故障必须
紧急停止运行时，应立即先停燃油泵，然 后关掉燃油阀，经过一定时间后，停止引 风机，最后再切断热油阀。
2．其它系统安全保护对策 危险环境条件(如高温、高压、易燃、
易爆、强腐蚀等)下，还必须采取相应的 安全保护对策，如采用系统可靠性设计， 选用本质安全防爆〔防腐、防爆结构材料 )的仪器仪表及装置等。
第二节 控制方案设计
第三章 简单过程控制系统---单回路控制系统的工程设计
• 过程控制系统工程设计概述 • 控制方案设计 • 检测、变送器选择 • 执行器(调节阀)选择 • 控制器(调节器)选择 • 过程计算机控制系统的设计 • 过程控制系统的投运和控制器参数整定 •单回路控制系统的设计举例
• 单回路过程控制系统亦称单回路调节系
3.控制设备选型
根据控制方案和过程特性、工艺要 求，选择合适的测量、变送器、控制器( 控制规律)、执行器(调节阀)等。
4.实验(和仿真)
有些在系统设计过程中难以考虑的 因素，可以在实验中考虑，同时通过实 验可以检验系统设计的正确性，以及系 统的性能。
三、过程系统设计的主要内容
• 控制方案设计：系统设计的核心。若控制 方案设计不正确，则无论选用何种先进的 过程控制仪表或计算机系统，其安装如何 细心，都不可能使系统在工业生产过程中 发挥良好的作用，甚至系统不能运行。
在工程上，以上要求往往相互矛盾。 因此在设计时，应根据实际情况，分清 主次，以保证满足最重要的质量、指标 要求并留有余地。
• 过程控制系统的品质由组成系统的结构 和各个环节的特性所决定。因此对于过 程控制系统设计者来说除了掌握自动控 制理论、计算机、仪器、仪表知识外， 还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从 控制的角度理解它的静态与动态特性， 并能针对不同被控过程、不同的生产工 艺控制要求，设计不同的控制系统。
统，简称单回路系统，一般是指针对一 个被控过程(调节对象)，采用一个测量变 送器监测被控过程，采用一个控制(调节) 器来保持一个被控参数恒定(或在很小范 围内变化)，其输出也只控制一个执行机 构S(in调gle节-Loo阀p co)。ntrol system
• 特点：结构简单，投资少，易于调整和投 运，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 控变量要求不高的场合，约占目前工业控 制系统的80%以上。
• 其分析、设计方法是其它各种复杂过程控 制系统分析、设计的基础。
第一节 过程控制系统工程设计概述
• 要分析、设计和应用好一个过程控制系统 ： 首先应对被控过程做全面了解，对工 艺过程、设备等做深入的分析； 然后应用自动控制原理与技术，拟定 一个合理正确的控制方案，选择合适的检 测变送器、控制(调节)器、执行器，从而 达到保证产品质量、提高产品产量、降耗 节能、保护环境和提高管理水平等目的。