第1章单回路反馈控制系统2

1、过程控制工程第第1 1章章 单回路反馈控制系统单回路反馈控制系统 第 2 课Process Control EngineeringProcess Control Engineering信息科学与技术学院自动化系 宿翀 （1）单回路控制系统有哪些基本环节？）单回路控制系统有哪些基本环节？（2）单回路控制系统偏差的定义？）单回路控制系统偏差的定义？ 控制器控制器控制阀控制阀被控被控对象对象测量测量变送变送偏差偏差给定给定 测量测量 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。 也称为也称为参考输入参考输入量量（信号）。（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为被

2、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统的输入端，使输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生之与输入量进行比较，产生偏差偏差（给定信号与返回的输出信号之差（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）信号。输出量的返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部分输出信号。返回的全部或部分输出信号称为称为反馈信号反馈信号。 检测输出量（检测输出量（被控变量被控变量）的实际值）的实际值 将输出量的实际值与给定值（将输出量的实际值与给定值（输入量输入量）进行比）进行比 较得出偏差；较得出偏差； 用偏差值产

3、生控制调节作用，去调节用偏差值产生控制调节作用，去调节操纵变量操纵变量，消除偏差，使得输，消除偏差，使得输出量维持期望的输出。出量维持期望的输出。了解生产工艺了解生产工艺掌握生产过程的规律确定掌握生产过程的规律确定确定合理的控制方案确定合理的控制方案被控变量被控变量&操纵变量操纵变量控制阀控制阀开闭形式、开闭形式、流量特性流量特性控制器的类型控制器的类型及正、反作用及正、反作用测量变送装置测量变送装置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

4、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

5、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（见书（见书P89 ） 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

6、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即与温度和压力成非线性函数关系。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。 精馏塔精馏塔: : F1F2FnY 必须从影响被控量的诸多影响

7、参数中必须从影响被控量的诸多影响参数中 选择一个，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干扰量了量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F1(s)F2 (s)U(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：课本分析过程：课本P11P11 结论：结论：越大，个数越多，干扰对被控变量的影响越大，个数越多，干扰对被控变

8、量的影响越小，系统的动态偏差越小，越小，系统的动态偏差越小， 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扰，对被控变量的影响也越大 分析过程见课本分析过程见课本P12P12结论：结论： 静态静态：控制通道放大倍数控制通道放大倍数K0K0大，控制系统稳态余差小，见式（大，控制系统稳态余差小，见式（1-151-15）动态动态：控制系统衰减比控制系统衰减比与与KcKc 与与K0K0的乘积有关，见式（的乘积有关，见式（1-261-26），且），且KcKc K0 K0越大，越大，越小，稳定性差，因此，要保证越小，稳定性

9、差，因此，要保证KcKc K0= K0=常数。常数。在在KcKc K0= K0=常数情况下，控制系统稳态余差不变。常数情况下，控制系统稳态余差不变。从控制角度看，从控制角度看，K0K0大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，大些，说明控制通道对系统的影响大，易于调节，因此，一般希望因此，一般希望K K0 0大些好大些好从控制系统传递函数推导进行分析，见课本从控制系统传递函数推导进行分析，见课本P17P17结论：结论：控制通道的时间常数大，经过的容量数多，系统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，如温的工作频率低，控制不及时、系统控制质量差，如温

10、度系统。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，如流量系统会使稳定性变差，如流量系统 分析见课本分析见课本P19P19 结论：结论：纯滞后纯滞后00的存在，使得控制不及时，增加动态的存在，使得控制不及时，增加动态偏差，降低稳定性。偏差，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，会严重影响控制系统品质，以至于使控制系统发散，造成严影响控制系统品质，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。重后果，因此，实际工程中，必须重视。 兼顾考虑工艺的合理性，工艺上不易频繁改变的量也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。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（2 2） 选择通道放大倍数相对大的选择通道放大倍数相对大