第五章 单回路控制系统设计

§5.1概述§5.2被控参数和控制参数的选择§5.3单回路控制系统的参数整定第五章单回路控制系统的设计返回液位控制器执行阀液位过程检测变送器eu1q)(tf设定值实际液位一、单回路控制系统单回路控制系统可实现：定值控制、程序控制、随动控制等例：液位定值控制系统（见下页图）其结构图如下：定义：是指由一个测量变送器、一个调节器、一个执行器连同被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。§5.1概述液位检测变送器液位控制器设定值执行阀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。单回路控制系统方框图的一般形式如下：)(SF)(SX)(SY)(SWC)(SWV)(0SW)(SWm)(SZ()CWS—调节器的传递函数()VWS—调节阀的传递函数0()WS—被控过程的传递函数()mWS—测量变送器的传递函数根据控制论可知：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。即：系统的开环放大倍数必须为负。正作用：输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正）反作用：输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）二、正作用、反作用调节器的正作用：输出信号u随着被控量y的增大而增大；调节器的反作用：输出信号u随着被控量y的增大而减小；前例中：执行器+液位过程hq1+检测变送+则调节器-气关式-+++气开式液位控制器执行阀液位过程检测变送器eu2q)(tf设定值实际液位对上例进行改动其结构图如下：上例中：执行器+液位过程2qh-检测变送+则调节器+气关式--+-气开式返回§5.2被控参数和控制参数的选择一、被控参数（被控量）的选择是控制系统设计的一个重要内容。恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。1、选择的意义（P157）2、选择的方法(1)选直接参数即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行的参数。(如锅炉的水位、蒸汽的温度等。)(2)选间接参数例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的产品或中间产品控制目标（直接参数）：纯度或浓度)(PTfxDD，浓度温度压力由于压力P不仅与分离纯度有关，而且影响塔的工作效率以及经济性，因而选择温度为间接参数。当选直接参数有困难时采用。间接参数的选择原则（P158）必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。间接参数要有足够的灵敏度。3、选择被控参数的一般原则（P158）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作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。当不能用直接参数作为被控量时，应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。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。)(SX)(SWc)(0SW)(SY)(SF)(SWr二、控制参数（操纵量）的选择设单回路控制系统的框图如下图所示：以控制质量为依据，通过对过程静态特性、动态特性的分析，讨论控制参数选择的一般原则。1、过程静态特性的分析控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。ccKsW)(调节器：1)(sTKsWooo被控过程：则被控量对扰动的闭环传递函数为：设传递函数分别为：1)(sTKsWfff扰动通道：)1()1)(1()1(.........)()(1)()()(0000sTKKsTsTsTKsWsWsWsFsYfcffcf由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：不变。保持进行补偿，但其乘积要的变化可以通过调节CKK0)(lim)(tyyt结论：)]1()1)(1[()1(lim0000sTKKsTsTssTKsfcffs01KKKcf的影响越小；越小，扰动对被控参数fK能力越强；用越灵敏，克服扰动的越大，控制作数控制通道的静态放大系0KKKC)()(1)1(10sWsWTSTKcfff2、过程动态特性的分析（1）过程扰动通道的动态特性的对控制质量影响时间常数的影响：fT时，）（当0SX)()(1)()()(0sWsWsWsFsYcf质量越好。越大，容积越多，控制数道的时间常数的影响；而且扰动通能够抑制扰动对被控参）有滤波作用，（扰动为一阶惯性环节，它对ffTSFSW)(结论：延迟时间的影响：f时，为当扰动通道的传递函数SffeSW)()()(1)()()(0sWsWesWsFsYcSfff扰动通道的延迟时间不影响系统的控制质量，仅使系统的响应曲线推迟。扰动作用点的位置：见下页图结论：结论：响越大。被控参数越近，对其影扰动引入系统的位置离)(SX)(SWc)(SWV)(SY)(1SD)(01SW)(02SW)(03SW)(2SD)(3SD)(SH)(03SW)(03SW)(02SW)(03SW)(02SW)(01SW干扰从不同的位置进入控制系统)(SX)(SWc)(SWV)(SY)(1SD)(01SW)(012SW)(03SW)(2SD)(3SD)(SH等效于：（2）过程控制通道的动态特性对控制质量的影响可控性指标：衡量被控过程控制难易程度的指标，称为可控性指标。）（cKKKK0maxc。越大，则过渡过程越快越大，则余差越小；，）和（的参数可归结为影响系统控制性能指标KKKKKc0控制通道的影响：控制通道的时间常数太大，控制不及时；时间常数太小，容易导致系统振荡，甚至系统不稳定。控制通道的延迟环节对控制效果不利。过程的时间常数匹配：在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可以提高可控性指标。3、根据过程特性选择控制参数的一般原则（P164）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，在有纯延时0的情况下，0与T0之比应小于1。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。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，应尽量将几个时间常数数值错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小其它时间常数。注意工艺操作的合理性、经济性。返回单回路参数整定的目标：使过渡过程呈现4：1（缓慢过程为10：1）的衰减过程。控制系统的参数整定：就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过对控制器参数进行调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。§5.3单回路控制系统的参数整定）、、（DITT整定方法：简之：就是确定最佳过渡过程中控制器的比例度、积分时间常数和微分时间常数的具体值。ITDT前提理论计算法：工程整定法：计算烦琐是一种近似方法，但简单、方便、适用。按照先比例、后积分、再微分的顺序进行整定要求，则用比例控制；且静差较小，若能满足，过程达到由大到小调节，使过渡，，）（1:401DITT工程整定法1、经验法（现场实验整定法）减小或消除误差；础上，，在保持动态特性的基，由大到小调节增加度则需加积分环节：比例若静差不能满足要求，）（IT%20102。、调节，同时适当求：由小到大调节若动态特性不能满足要）（IDTT3满足控制效果的参数是不唯一的（某个参数的减小可以用其它参数的增大来补偿）常见被控量的PID参数选择范围：被控量特点流量对象时间常数小，并有噪声，故较小，较小，不用微分40～1000.1～1温度对象为多容系统，有较大滞后，常用微分20～603～100.5～3压力对象为容量系统，滞后一般不大，不用微分30～700.4～3液位在允许有余差时，不必用积分，不用微分20～80）（00）（minIT）（minDTcKIT等幅振荡，如下图：量成由大到小调节，使被控调节器取纯比例形式，2、临界比例度法（参见P183）K得临界比例度KT临界振荡周期根据P183表5-7计算调节器参数4:110:1调节器取纯比例形式，由大到小调节，使过渡过程衰减比达到（或），如右图所示。3、衰减曲线法（参见P183）5859SST记录此时的、，根据表（表）计算调节器参数。解：应用表5-7经验公式，可得：(1).比例控制器=2K=2×20%=40%(2).比例积分控制器=2.2K=2.2×20%=44%TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min(3).比例积分微分控制器=1.6K=1.620%=32%TI=0.5TK=0.51=0.5minTD=0.25TI=0.250.5=0.125min例：用临界比例度法整定某过程控制系统所得的比例度K=20%,临界振荡周期TK=1min，当控制器分别采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，求其最佳整定参数值。返回