单回路过程控制系统及控制方案设计

过程控制工程第六章单回路控制系统6.2单回路控制系统及控制方案设计单回路过程控制系统的概念•单回路过程控制系统亦称简单过程控制系统，简称单回路系统。•单回路过程控制系统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（调节阀）。单回路过程控制系统的概念•从系统的框图看，系统只有一个闭环回路。单回路过程控制系统的概念•单回路过程控制系统示例──换热器温度控制系统•被控参数•物料出口温度•控制参数•加热剂流量单回路过程控制系统的概念•单回路过程控制系统示例──水泵压力控制系统•被控参数•水泵出口压力•控制参数•回流量单回路过程控制系统的概念•单回路过程控制系统示例──贮罐液位控制系统•被控参数•贮罐液位•控制参数•出口流量单回路过程控制系统的概念•单回路系统的特点•结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足大多数工业生产过程的控制要求。•单回路系统应用十分广泛，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，或者对被控质量要求不高的场合，约占目前工业控制系统的80％以上。•单回路系统的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。单回路系统的控制方案设计•对于过程控制系统的工程设计与应用来说，控制方案的设计是核心。•单回路系统的系统结构已确定，控制方案设计所包含的内容是：•依据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选择被控参数和控制参数•合理选择控制装置及控制规律•测量变送装置、执行器（调节阀）的选择被控参数的选择•被控参数，又称被控变量、被控量。•选择被控参数是控制方案设计中的重要一环，对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意义。•若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制装置，均不能达到预期的控制效果。选择被控参数的意义•根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产状态变化的参数，这些参数又是人工控制难以满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大，客观上要求进行自动控制的参数作为被控参数。被控参数的选择方法•被控参数的选择一般有两种方法，一是直接参数法，二是间接参数法。•直接参数法•选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控参数。•间接参数法•选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。•当选择直接参数有困难时，如直接参数检测很困难或根本无法进行检测，可采用间接参数法。被控参数的选择方法•例：精馏塔•精馏塔是利用混合物各成分挥发度不同，将混合物分离成较纯组分产品或中间产品的设备。被控参数的选择方法•精馏过程要求产品达到规定的纯度，并希望在额定生产负荷下，尽可能地节省能源。•塔顶馏出物（或塔底残液）的浓度应选作被控参数，因为它最直接地反映了产品的质量。•但目前对成分的测量尚有一定的困难。•一般采用塔顶（或塔底）温度代替浓度作为被控参数。选取被控参数的一般原则•优先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高的灵敏度。•被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性。•必须考虑过程检测控制仪表及装置的现状。控制参数的选择•在正确选择被控参数后，就要确定构成一个怎样的控制回路。•确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数的问题。•控制参数又称控制变量、控制量、操纵变量。选择控制参数的意义•扰动量对被控参数的作用通道称为扰动通道；控制参数对被控参数作用的通道称为控制通道。•扰动量通过扰动通道对被控参数产生影响，使被控参数偏离给定值。•控制作用通过控制通道对被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数回复到给定值。•确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数的问题。选择控制参数的意义•在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显的，是唯一确定的。•但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出合理的选择。•正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题。过程静态特性的分析•单回路控制系统的框图如图所示•Wc（s）为控制器与执行机构的传递函数•Wo（s）为控制通道的传递函数•Wf（s）为扰动通道的传递函数•并设1sTKsWKsW1sTKsWfffcc00o过程静态特性的分析•被控量Y（s）对扰动F（s）的闭环传递函数为1sTKK1sT1sTK1sTsFsYfcofofo过程静态特性的分析•由于系统是稳定的，所以在阶跃扰动作用下，系统稳态值可应用终值定理求得•过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。coffc0foof0stKK1K1sTKK1sT1sTs1sTKslimtYlimY扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳态误差也愈大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值愈大，显著地降低控制质量。•扰动通道静态放大系数Kf对控制质量影响的仿真•仿真条件：To＝10s，τo＝2s，Ko＝1Tf＝5s，τf＝1s扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•Kf＝0.5仿真结果扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•Kf＝0.7仿真结果扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•Kf＝1.0仿真结果扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•Kf＝1.2仿真结果扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•Kf＝1.5仿真结果扰动通道静态放大系数Kf对控制质量的影响•仿真结果：Kf从0.5→1.5，曲线从蓝色到黑色控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•控制通道的静态放大系数Ko愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强，控制效果愈显著。•控制通道静态放大系数Ko对控制质量影响的仿真•仿真条件：To＝10s，τo＝2sTf＝1s，τf＝1s，Kf＝1控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•Ko＝0.5仿真结果控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•Ko＝0.7仿真结果控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•Ko＝1.0仿真结果控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•Ko＝1.2仿真结果控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•Ko＝1.5仿真结果控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•仿真结果：Ko从1.5→0.5，曲线从黑色到蓝色控制通道静态放大系数Ko对控制质量的影响•在确定控制参数时，使控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数Kf是合理的。•当这一要求不能满足时，可通过调节Kc的值来补偿，使KoKc值远大于Kf。过程动态特性的分析•过程动态特性分析包括•扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•扰动作用点位置对控制质量的影响•控制通道时间常数To对控制质量的影响•控制通道的时间滞后τ对控制质量的影响•时间常数分配对控制质量的影响扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•图示的单回路控制系统，系统对扰动的闭环传递函数为sWsW1sWsFsYocf扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•设扰动通道是一个单容过程，其传递函数Wf（s）为•系统对扰动的闭环传递函数为1sTKsWfffsWsW1T1s1TKsFsYocfff扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•扰动通道为一个一阶惯性环节，使系统特征方程式中增加了一个极点（－1／Tf），如图的根平面所示。•随着时间常数Tf的增大，极点a将向jω轴靠近，从而过渡过程时间加长，但由于过渡过程将乘上一个1／Tf的数值，使整个过渡过程的幅值减小Tf倍，从而使其超调量随着Tf的增大而减小。扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•因为Wf（s）为一个一阶惯性环节，它对扰动F（s）起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。•扰动通道的时间常数Tf愈大，容积愈多，则扰动对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好。•扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响仿真•仿真条件：To＝10，τo＝2，Ko＝1τf＝1，Kf＝1扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•Tf＝2s仿真结果扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•Tf＝5s仿真结果扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•Tf＝7s仿真结果扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•Tf＝10s仿真结果扰动通道时间常数Tf对控制质量的影响•仿真结果：Tf从2s→10s，曲线从蓝色到黑色扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•当扰动通道有纯时间滞后时，系统对扰动的闭环传递函数为sWsW1esWsFsYocsff扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•系统有无纯时间滞后时在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应yτ（t）与y（t）间的关系为•干扰通道存在纯时间滞后时，理论上不影响控制质量，仅使被控参数对干扰的响应在时间上比无滞后存在时推迟了τf值。•扰动通道纯时间滞后τf对控制质量影响的仿真•仿真条件：To＝10s，τo＝2s，Ko＝1Tf＝5s，Kf＝1ftyty扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•τf＝0.5s仿真结果扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•τf＝1s仿真结果扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•τf＝2s仿真结果扰动通道纯时间滞后τf对控制质量的影响•仿真结果：τf从2s→10s，曲线从蓝色到红色扰动作用点位置对控制质量的影响•扰动引入系统的位置不同，对被控参数的影响也不同。•如图所示串联工作的3个水箱，为了实现3#水箱水位不变，设计图示的控制系统。其中扰动f1、f2、f3由三处分别引入系统。扰动作用点位置对控制质量的影响•设三只水箱均为一阶惯性环节，它们对扰动f起着滤波作用。•当扰动引入系统的位置离被控参数愈近时，则对其影响愈大；相反，当扰动离被控参数愈远时，则对其影响愈小。控制通道动态特性对控制系统的影响•控制系统处于稳定边界下的放大系数，称为临界放大系数，用Kmax表示。相应的振荡频率，称为临界振荡频率，用ωc表示。•控制系统的临界放大系数Kmax，临界振荡频率ωc，以及它们的乘积Kmaxωc可在一定程度上代表了被控过程的控制性能，并为研究控制通道动态特性（即时间常数和时延）对系统控制质量的影响提供了方便。•Kmaxωc称为可控性指标。控制通道动态特性对控制系统的影响•不同被控过程的Kmax、ωc与KmaxωcKmax7.9423.1987.9422.512ωc1.720.730.350.9Kmaxωc13.662.3342.782.2631s151s131s513s1se控制通道动态特性对控制系统的影响•Kmax越大，可选放大系数K越大，从而系统稳态误差越小；ωc越大，可选系统工作频率ω越大，过渡过程越快。•控制通道中时间常数大、阶数高、有纯滞后环节都将使过程的Kmax与ωc值变小，从而使控制性能变差。•应选择时间常数较小，纯滞后小的通道作为控制通道。控制通道时间常数To对控制质量的影响•控制通道时间常数To的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。•若控制通道时间常数To太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降。•若控制通道时间常数To太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。控制通道时间常数To对控制质量的影响•在系统设计时，要求控