单回路控制系统..
单回路温度定值控制系统
第１章绪论1.1 设计要求1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：智能温控系统设计设计指标：1）设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框图；2）能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控制方案；3)根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选择、执行器选择；4)合理选择PID 参数。
5)撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能设计一个单回路温度控制系统，实现温度定值控制；确定设计方案，选择检测变送器、控制器、执行器，确定控制器算法，并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。
第２章 系统总体设计方案2.1工艺流程图图1:工艺流程图2.2方框图工作流程介绍系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较，e 是否为0，如果为0直接输出，如果不为0，控制器进行PID 计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令，从而达到温度稳定。
PID 控制器 电阻丝加热器 加热罐水温水温检测一给定值 输出值图2：温度单回路系统结构框图+ 加热器 TT 温检控 制 器TC给定值第3章 硬件设计和器件选择3.1电气接线图250欧姆250欧姆0~5V0~10V12250欧姆250欧姆0~10V75温度控制对象温度变送脉宽调制图3：调节器与温度模块接线图3.2器件选择3.2.1 控制器用于调节PID 算法的控制器选择AI818 3.2.2 温度传感器测量水温的传感器采用热电阻Cu50。
热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。
系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC 电流信号，便于采集。
3.2.3 加热器采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。
输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。
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
自动化仪表技术的发展
20世纪70年代
20世纪80年代 20世纪90年代
•集成电路技术 •微处理器 •能源危机 •工业现代化 •微机广泛应用
•办公自动化 •数字化技术 •通讯，网络技术 •对环境的重视
•智能控制 •工业控制高要求
《过程控制工程》课程组
•电动仪表(III) •CAD •自动机械工具 •机器人 •DCS，PLC
•数字化仪表，各种通信协议， 如RS-232 •智能化仪表，危机化仪表 •先进控制软件 •DCS功能扩展
•现场总线 •分析仪器的在线作用 •优化控制
自动化仪表技术的发展
我国首创的无纸 无笔记录仪
《过程控制工程》课程组
微机化的记录、控制仪 表（智能化仪表）
《过程控制工程》课程组
过程控制系统的分类——反馈控制
《过程控制工程》课程组
以偏差为依据，以减少或消除偏 差为目的。在扰动未引起被控量 变化前，无控制作用，使控制不 及时。！！闭环
过程控制系统的分类——前馈控制
《过程控制工程》课程组
扰动作为依据，以减少扰 动对被控量的影响。无法 消除偏差。！！开环
《过程控制工程》课程组
控制系统的组成——方块图
设定值 ysp
+ _
偏差 e
控制器 Gc (s)
控制变量 u
扰动 D
操纵变量
执行器
q
Gv (s
被控对象
干扰通道 GD (s) +
控制通道 + Gp (s)
被控变量 y
测量值 ym
测量变送 Gm (s)
《过程控制工程》课程组
方块图说明
PID液位控制系统(单回路反馈)
过程控制实验报告学院：学号：姓名：实验指导老师：日期：一、实验要求与简介 (3)二、控制原理 (4)三、实验设备详细介绍 (6)四．实验过程调试 (15)五．单回路控制系统 (16)六．课程总结 (16)一．实验要求与简介要求：设计液位控制系统，利用实验室过程控制设备构建单回路PID液位控制系统。
了解设备的结构框架，学习对象模型建立的方法和技术、PID参数整定技术、自动化仪表选择相关技能。
根据实验条件和系统配置确定实验过程性能指标。
综合考虑抗干扰问题、系统稳定性问题、动态性能、稳态偏差等，对实验结果进行分析。
实验目标如下：A.了解实验设备，能够根据实物画出系统框图；B.了解和掌握P909自动化仪表的应用场合和使用方法；C.熟悉PID参数整定技术，在实验中正确运用，分析参数整定的作用和效果；D.熟悉液位控制系统中各种自动化测量点、调节阀的相关技术参数；E.实现单回路液位控制，有基本的系统调节能力。
液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，就控制系统本身而言，其含有压力传感器、计算机与采集板组成的控制器、执行器（水泵）、控制对象（水箱）等。
本次实验的主要任务是了解一个完整的液位系统的组成、构成液位控制系统的各个部件的工作原理及连接方式、工业上离散控制系统的通信标准、熟悉p909仪表的操作并实现单回路液位控制，有基本的液位调节能力。
液位系统结构图：整个系统主要有水泵、电磁阀、传感器、水箱组成。
由水泵供水，电动阀调节流速（实验系统中还含有手动调节阀）通过两个入水口进入水箱，在通过一个出水口进入排水箱，之所以用两个入水口是考虑到进水会带来液位的波动从而给控制器的控制带来困难所以通过两个入口从底部进水，但虽然减少了液位波动但也造成了一些负面影响：入水管中的压强会随着液位的上升而变大，在实际成产中可能会导致事故。
安置在系统中的传感器将系统的状态（温度，水箱液位，入水管压强）通过电流形式上传给上位机，通过控制器的计算再输出电流控制执行器，如：电动阀的开度，加热器等从而达到系统的反馈控制。
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 。
2 过程装备控制基础 (2)08
系统投运 参数整定
18
2.2.1单回路控制系统的设计 概述 三、测量元件特性的影响
选择被控变量
太原理工大学化学化工学院 —过程装备及控制系贺鸿
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装 置，也是系统进行控制的依据。要求它能正确地、 及时地反映被控变量的状况。
1.测量元件的时间常数 测量元件，特别是测温元件，由于存在热阻和 热容，它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞 后。
处理测量信号
选择调节阀
选择调节规律
系统投运 参数整定
在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控 制通道的纯滞后时间τ0尽量小。 16
2.2.1单回路控制系统的设计
概述
太原理工大学化学化工学院 —过程装备及控制系贺鸿
③ 干扰通道时间常数的影响
选择被控变量
选择控制变量
干扰通道的时间常数Tf越大， 表示干扰对被控变量的影响越 缓慢，越有利于控制。 ④ 干扰通道纯滞后τf的影响 如果干扰通道存在纯滞后 τf ， 控制作用也推迟了时间τf，使整 个过渡过程曲线推迟了时间 τf ， 只要控制通道不存在纯滞后， 通常是不会影响控制质量的， 干扰通道纯滞后τf 如图所示。
太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系贺鸿
过程装备控制技术及应用
2.2 单回路控制系统
1
内容提要
2.2.1简单控制系统的设计 被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 2.2.2 调节器调节规律的选择 位式 P I D PI PD PID 2.2.3 调节器参数的工程整定 临界比例度法 衰减曲线法 经验凑试法
塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之间 的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。
单回路PID控制课件PPT
智能窗帘能够根据室内光线和时间自动调节开合程度，提供舒适的居住
环境。
其他领域中的应用
无人机飞行控制
在无人机飞行控制中，PID控制器用于调节无人机的姿态、高度和速度等参数。通过传感器检测无人机的状态信 息，PID控制器输出相应的控制指令，确保无人机能够稳定、准确地完成各种任务。
机器人运动控制
在工业机器人和智能服务机器人中，PID控制器广泛应用于关节运动控制、轨迹跟踪和力控等领域。通过调节电 机的输入电压或电流，PID控制器能够使机器人关节运动的位置、速度和加速度达到期望的目标值，提高机器人 的运动性能和定位精度。
积分单元（I）
根据误差信号积分调节输 出，影响控制系统的稳态 误差。
微分单元（D）
根据误差信号的微分调节 输出，影响控制系统的动 态响应。
PID控制器的参数整定
比例系数（Kp）
调整系统增益，影响系统 响应速度和超调量。
积分系数（Ki）
调整系统稳态误差，影响 系统消除误差的速度。
微分系数（Kd）
调整系统动态响应，影响 系统对变化信号的响应速 度。
单回路PID控制系统
04
的调试与优化
系统调试的方法和步骤
设定参数
根据系统要求和工艺特性，选择 合适的PID参数，如比例增益、 积分时间常数和微分时间常数。
模拟测试
在模拟环境中对PID控制系统进 行测试，观察系统的响应特性 和稳定性。
现场测试
将PID控制系统安装到实际设备 上，进行现场测试，检查系统 的实际运行效果。
THANKS.
PID控制器的优缺点
优点
结构简单、稳定性好、调整方便 、易于实现等。
缺点
对参数整定要求较高，参数整定 不当可能导致系统性能下降；对 于某些非线性或时变系统，PID控 制效果不佳。
第五章 单回路控制系统
第五章单回路控制系统分析与设计《热工自动控制系统》第五章单回路控制系统分析与设计5.1 单回路控制系统分析 5.2 控制器参数的工程整定方法 5.3 单回路控制系统实例5.1 单回路控制系统分析调节器执行器对象测量变送器Y 0dY干扰euμ仅有一个测量变送器、一个执行器和一个调节器。
一、单回路控制系统的组成（一）被调量的选择如过热蒸汽温度控制系统的任务：维持过热器出口蒸汽温度，因此，被调量就是“过热器出口蒸汽温度”①一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量。
（一）被调量的选择如磨煤机中原煤的干燥程度、原煤装载量等无法直接测量，需要利用磨入口温度、磨出入口差压进行间接控制。
②实际生产中，有些工艺参数还没有有效手段，此时需要将间接测量信号作为被调量。
（一）被调量的选择间接测量信号的选择要满足如下条件：A. 与欲维持工艺参数具有单值函数关系；B. 具有一定灵敏度；C. 迟延时间小。
（二）控制量的选择★选择工艺上允许作为控制手段的变量工艺上的主要物料量不应选择不可控的变量（二）控制量的选择工艺上的主要物料量：蒸汽流量给水流量省煤器蒸汽流量过热器汽包给水阀～MW（三）控制通道和扰动通道ty (t )跟随给定值rty (t )克服扰动dry 0y 0td (t )d 0td (t )d 0r-G P (s )G C (s )G D (s )E (s )U (s )D (s )Y (s )R (s )（四）影响控制品质的主要因素被控对象特性调节器特性——客观存在，不可改变——不同的调节器有不同的调节规律，其特点不同，应根据不同对象和生产工艺要求确定热工控制系统设计应从如下四方面入手①根据生产过程的要求，确定被控制量和控制量，拟定控制系统结构；②建立系统的数学模型（机理/试验）；③在一定条件下对系统进行动态性能研究；④工程设计：控制设备选择、系统安装设计等。
5.1 单回路控制系统分析二、对象特性对控制系统的影响-G P (s )G C (s )G D (s )E (s )U (s )D (s )Y (s )R (s )两组特征参数：控制通道：放大系数K 、时间常数T 、迟延时间τ；扰动通道：放大系数K D 、时间常数T D 、迟延时间τD 。
单回路控制实验报告
实验三单回路控制系统组员:实验时间：2014.4.11、实验名称：液位单回路自动控制系统2、实验目的：1、通过实际构建、运行一个液位单回路控制系统，更深入理解一个工业自控系统的工作原理和投运步骤；2、掌握控制系统的调整方法—工程参数整定；三、实验设备：A3000过程控制实验装置中的二级水箱系统，PC机及工业组态软件；4、控制系统的要求：1、被控参数（液位）能保持在期望值上，并抵御一定的外部扰动，满足生产的质量与安全的要求（有报警，操作限制等）；2、一个一般的工业控制系统多是一个包含基本控制回路系统，并附加其它设备的复合系统。
五、实验内容：①通过信号连线，构建一个液位单回路控制系统；②启动计算机，运行实验软件；实验设备加电、开泵，手动操作系统达到稳定，进行手动->自动的无扰动切换；③采用工程参数整定方法，寻找满足控制要求的控制器参数（P、I、D ）；④进行测试，判断系统是否满足希望的控制质量要求─较快地实现平稳（如4~10:1的衰减过程)；⑤测试应以随动（内部扰动）和定值（外部扰动）两种情况验证。
输出值输出值LT1 02FV101先不连化，具体先向哪个方向变化取决于当时的水位高度。
理想的工作点是水箱的中间位置。
每次变化后要等到系统确实稳定后再向相反方向变化。
(3)若结果不满意应进一步试探。
将比例度P 分别改为50%、30% ，每改变一次P ，都应在设定值加干扰进行测试，观察过渡过程曲线的变化，直至到更接近4 : 1 衰减振荡过程，记下对应的P 值；(4)以该比例度为基础，将比例度P乘以1.2倍，并以P所对应的曲线振荡周期（两个波峰之间的时间）的一半时间为积分时间Ti，控制器为PI（比例+积分）作用；⑸在此PI参数下再次改变设定值，测试控制器的PI参数是否满足要求，即控制的效果和质量。
若不合适还可对PI参数再作调整，直至达到要求。
⑹若有时间，可根据前面的P，查表得到P、I、D作用，使控制器成为P+I+D的三作用控制器。
1简单控制系统
设定值 ysp
+
+
被控变量 y
+
_ 测量值 ym
测量变送 Gm (s)
反馈
负反馈
正反馈 青海大学 Process Control
过程控制
说明几点
简单控制系统有两个通道：控制通
道和扰动通道。 框图中的各个信号都是增量。图中 的箭头表示信号的流向，并非物流 或能流的方向。 各环节的增益有正、有负。当该环 节的输入增加时，其输出增加，则 该环节的增益为正，反之，如果输 出减小则增益为负。
控制系统的过渡过程
– 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式 非周期衰减过程
√
衰减振荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控 变量允许在工艺许可 等幅振荡过程 ？ 的范围内振荡（主要 指在位式控制时）， 才可采用。
发散振荡过程 过程控制
青海大学
X
Process Control
1、1、2
过程控制
青海大学
Process Control
1、1、2
控制系统的控制性能指标
控制系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
举例
当干扰作用于对象，系统输 出 y 发生变化，在系统负反 馈作用下，经过一段时间， 系统重新恢复平衡。
控制系统方块图
过程控制
青海大学
Process Control
过程控制
青海大学
Process Control
1、1、2 ！！
控制系统的控制性能指标
采用不同的积分公式意味着估计整个过渡 过程优良程度时的侧重点不同; e(t ） =x(t)-y(t), 应为希望的输出与实际 输 出 ， 有 余 差 时 实 际 的 e(t ） =y(∞)y(t); 在考虑积分性能指标时通常是在规定合适 衰减比的前提下，否则，振荡过程IE为0.