10单回路控制系统11复杂控制系统
过程控制单回路控制系统设计
过程控制单回路控制系统设计设计流程：1.确定控制目标：首先，需要确定控制的目标，即需要控制的变量。
在温度控制系统中，控制目标是温度。
2.选择传感器：根据控制目标选择合适的传感器。
在温度控制系统中，可以选择温度传感器。
3.选择执行器：根据控制目标选择合适的执行器。
在温度控制系统中，可以选择加热器或制冷器作为执行器。
4.设计控制器：根据传感器和执行器的特性设计控制器。
常用的控制器包括比例控制器、积分控制器和微分控制器。
5.信号处理：将传感器获取到的数据进行处理，使其适合控制器的输入。
常见的信号处理操作包括放大、滤波和变换等。
6.反馈控制：将控制器的输出与传感器的反馈信号进行比较，并根据比较结果进行调节。
常见的反馈控制算法包括比例反馈控制、积分反馈控制和模糊反馈控制等。
7.参数调节：根据实际情况对控制器的参数进行调节，使得系统达到最佳性能。
8.系统集成：将传感器、执行器、控制器和信号处理器等各部分组装成一个完整的系统，并进行功能测试和性能评估。
关键要素：1.传感器：传感器用于将被控变量转换成电信号，常见的传感器有温度传感器、压力传感器和流量传感器等。
2.执行器：执行器用于根据控制信号调节被控变量，常见的执行器有阀门、电机和加热器等。
3.控制器：控制器根据传感器信号和设定值，计算出控制信号，并将其发送给执行器，常见的控制器有PID控制器和模糊控制器等。
4.信号处理器：信号处理器用于对传感器输出的信号进行放大、滤波和变换等处理，以提高控制系统的稳定性和抗干扰能力。
5.反馈控制：反馈控制通过比较传感器输出和设定值，根据比较结果调整控制信号，以实现控制目标。
6.参数调节：控制器的性能和稳定性很大程度上取决于其参数的选择和调节，通过对控制器参数的调节，可以提高控制系统的响应速度和稳定性。
过程控制单回路控制系统设计需要结合具体的应用场景和要求进行，根据控制目标选择合适的传感器、执行器和控制器，并通过信号处理和反馈控制等措施来提高系统的性能和稳定性。
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
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•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
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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
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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
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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)
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方块图说明
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
过程控制4.1串级控制系统
K 02 W02 ( s) T02 s 1
两式相比较：
K 02 K 02 T02 T02
原过程
T02 ＝ T02 1 K c2 K V K 02 K m2
K 02：等效过程放大系数 T02
：等效过程时间常数
容量滞后减小，改善 了动态特性，响应加 快，适用于滞后较大 的过程
随着现代工业生产过程的发展对产品的产量质量对提高生产效率降耗节能以及环境保护提出了更高的要求这使工业生产过程对操作条件要求更加严格对工艺参数要求更加苛刻从而对控制系统的精度和功能要求更高
第四章 复杂控制系统
前言
单回路控制系统解决了工业生产过程自动化中大量的参 数定值控制问题； 在大多数情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。 单回路系统仅适用于比较简单的单输出生产过程的控制， 不能解决多输出过程的控制问题。即使对于简单的单输 出生产过程，亦存在这样的情况，譬如其调节对象的动 态特性决定了它很难控制(如过程的滞后常数很大或扰 动量很大)；或调节对象的动态特性虽不复杂，但工艺 对调节质量的要求很高或很特殊；
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4.1.1串级控制系统结构
串级控制系统框图
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4.1.1串级控制系统结构
2.术语解释
主被控参数：在串级系统中起主导作用的被控参数 (炉出口温度)； 副被控参数：串级系统中，为了稳定主被控参数而引进 的中间辅助参数(炉膛温度)；
主被控过程：由主被控参数表征其特征的生产过程，
其输入是副被控参数； 主调节器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行 工作的调节器。其输出为副调节器的给定值；
串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：
Qc2 s) Wc1 ( s)Wc2 ( s) QD2 ( s) Wc ( s)
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。
常见的复杂控制系统
串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下： 根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控 变量应反映工艺指标。 副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的 扰动。 主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率 错开，以防止共振现象发生。 主、副被控变量之间应有一一对应关系。 主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够 的灵敏度。 应考虑经济性和工艺的合理性。
采用外部积分的防饱和积分系统
y
x1
yep
G2
K
T | |
G1
K
T | |
2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统
yep
1
K2
2
1 TI 2 s
3
G1外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图
最终得到输入节点e1与输出节点x1之间的传递函 数： K 1 G (s)W (s) K G (s)W (s) K G (s)W (s)(1 1 )
=
1-
2 T1 x串 g
+ T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 1 g T 1T 2 2x串
w单 =
1-
1 2 T1 + T 2 x单 g g T 1T 2 2x单
假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
x串 = x单
T 1 + T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 w串 = = w单 T1 + T 2 K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 = 1+ T1 + T 2 1+ T1 (1 + K T 2K Z K f K m 2K 2 ) T2 T 1+ 1 T2
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。
过程控制技术-第五章 复杂控制系统
5 复杂控制系统
③ 主、副对象的时间常数不能太接近。通常、 副对象的时间常数小于主对象的时间常数。这 是因为如果副对象时间常数很小，说明副被控 变量的位置很靠近主被控变量。两个变量几乎 同时变系统
如果两个对象时间常数基本相等，由于主、副 回路是密切相关的，系统可能出现“共振”， 使系统控制质量下降甚至出现不稳定的问题。 因此，通常使副对象的时间常数明显小于主对 象的时间常数。
5 复杂控制系统
（1） 串级控制系统的构成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5-3所 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5 示。 以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量， 构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。 以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被 控对象的输出信号，构成一个控制系统，称为主控制系统 或主回路。 主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制 器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输 入信号。如图5 入信号。如图5-2、5-3所示。
5 复杂控制系统
副控制器 ——按副被控变量的测量值与主控制器输出 ——按副被控变量的测量值与主控制器输出 的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制控制阀动 作。 主 回 路 ——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、 ——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、 主测量变送器组成的闭合回路。 副 回 路 ——由副控制器、副被控过程和副测量变送 ——由副控制器、副被控过程和副测量变送 器组成的闭合回路。 一次扰动 ——不包括在副回路能的扰动。如图5-2中 ——不包括在副回路能的扰动。如图5 被加热料的流量和炉前温度变化。 二次扰动 ——包括在副回路内的扰动。如图5-2中燃 ——包括在副回路内的扰动。如图5 料方面的扰动和烟囱抽力的变化。
复杂过程控制系统--串级控制专业教学
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
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技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
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技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了 保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化， 允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
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第3章 调节器的控制规律和单回路控制系统
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二、调节器的控制规律
调节器根据被调量y与给定值r之间的偏差e（输入量）,
输出调节机构控制信号（输出量）,从而引起调节机构位置μ 的变化，使被调量最终等于给定值。调节器的输出量与输入 量之间的动态关系, 称作调节器的控制规律。调节器和被控 对象组成的一个闭合控制回路如下图所示： λ
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e Δe0 o μ t o μ
2
e0
e
de a dt
e Δe0 t
a T d KD 1 e0 a Td
o μ
KD 1 0.632 e0
e0
t
1
o
(a)Leabharlann toTd (b)
t
o
TD
t
(c)
比例微分（PD）调节器响应曲线
能源与动力工程学院 上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应 曲线，其动态方程为：
确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程 安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元的正反特性，然 后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。 确定调节器正、反作用的原则：组成系统的各环节静态放 大系数极性相乘必须为负值（构成负反馈的条件）。
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单回路系统注意事项：
在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差,是
一种有差调节器。
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对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器 分别采用P、PD控制时，若保证稳定性相同（ψp= ψ PD=0.75）
r + e WT (s)
调节器
VT
W0 (s)
*
Vm
试分析比例带δp 、δ PD ，静态偏差eP(∞)、 ePD(∞)，动态偏 差eP(m)、 ePD(m)的大小。