第一章_单回路反馈控制系统.

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1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第一章第一章单回路单回路控制系统控制系统 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 工作过程：工作过程：A.CA.C 控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象测量变送测量变送偏差偏差给定给定 测量测量 液位液位给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之

2、与输入统的输入端，使之与输入量进行比较，产生量进行比较，产生偏差偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部分输出信号称为。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号反馈信号。 维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好维持被控参数保持在设定值上，偏差越小越好偏差控制：纠正偏差偏差控制：纠正偏差 过程工业中，此类系统占大多数过程工业中，此类系统占大多数按被控参数分类：按被控参数分类： 温度控制回路、压力控制回路、温度控制回路、压力控制回路、 流量控制回路、物位（液位）控制回路流量控制回路、物位（液位）控

3、制回路单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统1.1 单回路系统的结构组成单回路系统的结构组成1.2 被控变量的选择被控变量的选择1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择1.4 控制阀的选择控制阀的选择1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择1.7 系统的关联及其消除方法系统的关联及其消除方法1.8 单回路系统的投运和整定单回路系统的投运和整定 实验：单回路控制系统连接、投运和整定、质量研究实验：单回

4、路控制系统连接、投运和整定、质量研究控制系统的设计目标控制系统的设计目标 被控变量的选择被控变量的选择即，要控制什么即，要控制什么 基于工艺要求，选择的结果直接影响基于工艺要求，选择的结果直接影响生产（产品产量、质量、生产安全）生产（产品产量、质量、生产安全） 最基本的热工参数，一般是可以直最基本的热工参数，一般是可以直接进行测量和控制的参数接进行测量和控制的参数 温度、压力、液位、流量温度、压力、液位、流量 质量指标，以及一些特殊的参数质量指标，以及一些特殊的参数成份、物性参数等，在一般条件下，成份、物性参数等，在一般条件下，无法直接测量和控制无法直接测量和控制 应根据工艺参数的关系，用可应

5、根据工艺参数的关系，用可测的参数，间接进行控制测的参数，间接进行控制苯、甲苯二元精馏系统苯、甲苯二元精馏系统 质量指标是最重要的控制参数质量指标是最重要的控制参数 如塔顶产品的纯度如塔顶产品的纯度 x xD D 但但 x xD D 目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。目前无法直接测量，因此，只能用间接控制参数进行控制。 根据精馏原理，根据精馏原理，x xD D = f (T = f (TD D, p), , p), 即与温度和压力成非线性函数关系。即与温度和压力成非线性函数关系。 理论上，固定一项，就可用另一项控制理论上，固定一项，就可用另一项控制x xD D 。 一般的，实际

6、中都采用恒定一般的，实际中都采用恒定p p，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分，通过控制塔顶温度来控制塔顶成分。 选择原则：选择原则： （1 1） 测量滞后测量滞后 P P （2 2） 工艺合理性工艺合理性 T T工艺合理性：工艺合理性：规定塔压稳定，保证分离度，保证效率规定塔压稳定，保证分离度，保证效率 各块塔板压力恒定，各块塔板压力恒定，X XD D与与T T有对应关系有对应关系选择选择X XD D=F=F（T T）PTfXD,0 50 100%0 50 100%DXP一定T一定一定DX精馏塔精馏塔: : F1F2FnY 必须从影响被控量的诸多影响参数中必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一

7、个，作为选择一个，作为操纵变量操纵变量 其它影响量则只能视作其它影响量则只能视作干扰量干扰量了了用操纵量克服干扰量对被控变量的影响用操纵量克服干扰量对被控变量的影响F F1 1(s)(s)F F2 2(s)(s)U(s)U(s)Y(s)Y(s)Y(s)=GPC(s)U(s)+GPD1(s) F1(s) +GPD2(s) F2 (s)干扰作用下的闭环传递函数为：干扰作用下的闭环传递函数为：结论：结论： 越大，系统的余差也越大，越大，系统的余差也越大， 控制质量越差控制质量越差分析过程：分析过程： 结论：结论：越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，系统越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越小，

8、系统的动态偏差越小，的动态偏差越小， 控制质量提高控制质量提高 干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变干扰进入系统的位置：越离被控变量近的干扰，对被控变量的影响也越大量的影响也越大 ( )()y ty t干扰通道特性对控制质量的影响特性参数静态质量的影响动态质量的影响Kf增加余差增加无影响Tf增加无影响过渡过程时间减小，振荡幅值减小f增加无影响无影响静态静态：控制通道放大倍数控制通道放大倍数K K0 0大，控制系统稳态余差小，见式（大，控制系统稳态余差小，见式（1-71-7）动态动态：控制系统衰减比控制系统衰减比与与KcKc 与与K K0 0的乘积有关，见式（的乘积有关，见式（1-

9、181-18），且），且 KcKc K K0 0越大，越大，越小，稳定性差。越小，稳定性差。 因此，要保证因此，要保证KcKc K K0 0= =常数。在常数。在KcKc K K0 0= =常数情况下，控制系统稳常数情况下，控制系统稳态余差不变。态余差不变。 从控制角度看，从控制角度看，K K0 0大些，说明控制通道对系统的影响大，易大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望于调节，因此，一般希望K K0 0大些好大些好010201 0202(1)CTTT TK K从控制系统传递函数推导进行分析从控制系统传递函数推导进行分析 结论：结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系

10、统的工作控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统的工作 频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温度系统。 一般希望控制通道时间常数小些好。一般希望控制通道时间常数小些好。 但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性但控制通道时间常数过小，将使得系统过于灵敏，也会使稳定性变差，如流量系统变差，如流量系统 结论：结论：纯滞后纯滞后 的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，的存在，使得控制不及时，增加动态偏差， 降低稳定性。降低稳定性。 控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响控控制通道纯滞后是控制系统非常不利的因素，会严重影响

11、控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严重后果，因此，实际工程中，必须重视。实际工程中，必须重视。 控制通道特性对控制质量的影响图特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响K0增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于振荡T0增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢0增加无影响稳定程度大大降低（6 6）兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁 改变的量也不宜作为操纵变量。改变的量也不宜作为操纵变量。 实质上是决定了控制通道的选择。实质上是决定了控制通道的选择。原则：原则：（1 1）操纵变量必须可控）操纵变量必须可控