学习情境十二单回路检测控制系统设计与投运

学习情境十二单回路检测控制系统设计与投运第一页，共三十八页，2022年，8月28日任务引领：过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统（串级）。在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。通过本任务相关知识的学习，掌握单回路控制系统的设计方法与设计步骤。任务一单回路控制系统综合设计

第二页，共三十八页，2022年，8月28日请列出检验系统控制质量的标准有哪些？描述控制系统设计的基本思路和具体要求；描述控制系统设计的具体步骤；思考问题第三页，共三十八页，2022年，8月28日知识点1：单回路控制系统设计的共性问题

在工业过程自动化中，过程控制是不可缺少的重要组成部分。为了克服外界扰动，稳定生产等，需在生产过程中对温度、压力、流量、液位、成分、PH、粘度、湿度等过程参数实行自动控制。要达到以上目的，过程控制系统首先必须是稳定的，这是系统被控制的前提，此外，系统还必须具有适当的稳定裕量；其次系统应是一个衰减振荡过程,过渡过程时间要短，余差要小等。工程上这些要求往往是互相矛盾的，因此设计过程控制系统时，应根据实际情况，分清主次，以保证满足最重要的控制质量指标。一、一般要求第四页，共三十八页，2022年，8月28日二、控制方案

1．总体设计与系统布局的关系随着现代化工业生产迅速发展，各生产工艺设备相互间紧密地联系着，各设备的生产操作也是相互联系、相互影响的，所以首先必须明确局部生产过程自动化和全局过程自动化间的关系。

在进行总体设计和系统布局时，应该全面地考虑生产设备之间的相互联系，综合各个生产操作之间的相互影响，合理设计各个控制系统。

2．过程特性过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的特性所决定的。

其中过程检测控制仪表的特性在设计制造时就已人为确定，调节器的特性可随意调整，以满足不同被控过程和控制的要求。必须深入了解生产工艺情况，结合控制要求，根据过程特性、扰动情况以及限制条件等运用控制理论和控制技术才能设计一个工艺上合理的正确控制方案。第五页，共三十八页，2022年，8月28日三、基本方法

系统控制方案的设计和调节器参数的整定是过程控制系统设计的两个重要内容。工程设计者应根据被控过程的特性和对过程控制系统的各项技术分析，从全局出发选择合理的控制方案，通常采用反馈控制和复合控制，然后确定系统各部分的控制参数大小，最后进行调节器参数整定。在系统设计中，通常包括综合法和试探法，在开始进行设计阶段，首先应熟悉技术要求及性能指标，了解被控过程和过程检测控制仪表的动态性能，应用综合方法建立系统的数学模型。一旦设计问题可用数学模型表示，就可进行仿真，并应用最佳控制理论得出系统性能指标的上限。最后，对设计出来的系统在各种信号和扰动作用下进行响应测试，若系统性能指标不能令人满意，则必须进行再设计，直到获得满意的性能指标为止。第六页，共三十八页，2022年，8月28日四、设计步骤

（1）建立对象的数学模型被控过程的数学模型是控制系统设计的基础，在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学关系式,即所谓数学模型来描述被控过程的特性。只有掌握了过程的数学模型,才能深入分析过程的特性和精确设计控制器。（2）选择控制方案根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，考虑经济效益和技术实施的可行性，选择合理的控制方案。（3）建立系统框图根据系统的内在机理，画出系统框图。（4）进行系统静态、动态特性分析计算过程控制系统方案确定后，根据系统的质量指标，应用控制理论进行系统静态、动态特性分析计算，判定系统的稳定性、过渡特性等。（5）实验和仿真实验和仿真是检验系统设计正确与否的重要手段。有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系统的性能。（6）系统投运根据设计所选定的控制器的相关参数，使整个系统投入运行，观察其运行状况。第七页，共三十八页，2022年，8月28日五、主要内容

过程控制系统设计包括方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。控制方案设计是系统设计的核心。若控制方案设计不正确，则无论选用何种先进的过程控制仪表，其安装如何细心，都不可能使系统在工业生产过程中发挥作用，甚至系统不能运行。

工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的。它包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。

过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提。系统安装完，还要对每台仪表进行单校和每个控制回路进行联校。

在控制方案设计正确的前提下，调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证，是过程控制系统设计的重要环节之一。第八页，共三十八页，2022年，8月28日六、若干问题

在进行过程控制系统设计时，要针对工程实际情况和要求，对下列问题作合理考虑与正确处理。

1．测量信号校正在检测某些过程参数时，其测量值往往要受到其他一些参数的影响，为了保证其测量精度，必须考虑测量信号的校正问题。

2．测量信号噪声（扰动）的抑制在测量某些参数时，由于其物理或化学特性，常常具有随机波动特性。若测量、变送器的阻尼较小时，其噪声会叠加于测量信号之上，影响系统的控制质量，所以应考虑对其加以抑制。

3．对测量信号进行线性处理在检测某些过程参数时，测量信号与被测参数之间成非线性关系。是否要进行线性化处理，具体问题要作具体分析。

4．系统安全保护对策系统运行的环境条件是过程控制系统设计时必须考虑和解决的重要问题。在某些工业现场的危险环境条件下，为了提高系统的运行周期，保证系统的正常工作，除了加强日常的维护措施外，进行系统设计时还必须采取相应的安全保护对策。

第九页，共三十八页，2022年，8月28日◆

请说出控制系统设计的主要内容。

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请举出日常生活中控制系统的应用实例。请你做一做第十页，共三十八页，2022年，8月28日知识点2：单回路控制系统方案设计

选取被控参数的一般原则为：

1．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。

2．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。

3．被控参数必须具有足够高的灵敏度。

4．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。一、被控参数的选择第十一页，共三十八页，2022年，8月28日1．过程静态特性的分析二、控制参数的选择过程控制系统框图

图中W（s）为调节器的传递函数；W0（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（6-1）第十二页，共三十八页，2022年，8月28日1．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（6-2）由于系统是稳定的，故在阶跃扰动作用下，系统稳态值可应用终值定理求得（6-3）

扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳态误差也愈大。若静态放大系数很小，这时即使扰动量大，其影响也较小。控制通道的静态放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的能力愈强。但是，最佳控制过程K0与调节器的放大系数Kc的乘积应为一常数，而Kc是可调节的，所以K0的大小可通过调节KC来进行补偿。因此，在系统设计（即确定控制参数）时，要使控制通道的放大系数K0大于扰动通道的放大系数Kf。第十三页，共三十八页，2022年，8月28日2．过程动态特性的分析（6-6）单回路控制系统的特征方程为由式（6-6）可见，由于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

，即在右图所示根平面上增加了一个－1/Tf

的附加极点a。随着时间常数的增大，极点将向jω轴靠近，而且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，提高了系统的控制质量。（1）过程扰动通道动态特性的影响复平面

1）时间常数Tf的影响

第十四页，共三十八页，2022年，8月28日（6-9）当扰动通道有时延时，在扰动作用下系统的闭环传递函数为可见其闭环传递函数的分母（即特征方程）与式（6-8）相同。所以说扰动通道的时延不影响系统的控制质量，仅使系统响应曲线y（t）推迟了一个时延。（1）过程扰动通道动态特性的影响系统框图

2）时延τf的影响

时延τf的影响如图所示。

在给定信号X（s）作用下，系统闭环传递函数为闭环系统特征方程为（6-7）（6-8）第十五页，共三十八页，2022年，8月28日（1）过程扰动通道动态特性的影响液位控制

3）扰动作用点位置扰动引入系统的位置不同，则对被控参数的影响也不同。如图所示。图中3个水箱串联工作，为了实现3号水箱水位不变，故设计图a控制系统。扰动f1、f2、f3由三处分别引入系统，根据流程图画出其框图，见图b。设三只水箱均为一阶惯性环节，由前所述，它对扰动起着滤波作用，所以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（即离调节阀愈近）时，则对其影响愈小。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日（2）过程控制通道动态特性的影响在过程控制系统中，克服扰动对被控参数的影响均要通过控制通道进行。

1）可控性指标在设计过程控制系统时，对同一个被控参数，工艺上往往有几个可供选择的变量作为控制参数。由于选择的变量不同，构成的过程特性也不同，因而控制难易程度也不同。选择控制参数的目的是要得到一个好的控制通道。

2）控制通道的影响

由表可见，控制通道中时间常数大、阶数高、有纯时延环节都将使过程的可控性指标大为降低。因此可得出如下结论：在选择控制参数时，选择时间常数较小、反应灵敏、纯时延小的通道作为控制通道。不同过程特性的Kmax、ωC和KmaxωC值

第十七页，共三十八页，2022年，8月28日（2）过程控制通道动态特性的影响在过程控制系统中，克服扰动对被控参数的影响均要通过控制通道进行。

3）过程时间常数的匹配在实际生产过程中，被控过程可能是由多个一阶环节串联而成的，设广义过程的传递函数为不同时间常数对控制质量的影晌

第十八页，共三十八页，2022年，8月28日3．根据过程特性选择控制参数的一般原则

1）选择过程控制通道的放大系数K0要适当大一些；时间常数T0要适当小一些；纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0与T0之比应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。

2）选择过程扰动通道的放大系数Kf要尽可能小；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）；容量时延愈大，则有利于控制。

3）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，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。

4）注意工艺操作的合理性、经济性。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日

测量变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号（0.02～0.1MPa或0～10mADC，或4～20mADC）输出到调节器或指示记录仪。三、测量变送问题Tm引起的动态误差a）y为阶跃信号b）y为线性信号c）y为周期信号第二十页，共三十八页，2022年，8月28日三、测量变送问题1．信号滤波在有些工业生产过程中，例如用差压式流量变送器测量流量，有些容器的液位会有剧烈波动，引起测量变送器的输出波动不息；又如用弹性压力表测量脉动压力时，会使仪表指针跳动不停等，这些都是随机干扰，或称噪声，对此必须进行滤波。2．信号处理

测量信号的处理包括线性化和开平方等。3．纯时延问题

在过程控制中，测量温度、成分等被控参数时，由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身不可避免地产生纯时延，为消除对系统性能指标的可能影响，可专门设计某种补偿环节，以改善其控制品质。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日三、测量变送问题4．测量时延问题

测量时延主要是由测量元件本身的特性引起的。在工程上，把微分单元置于调节器之后，就具有变动给定值时加强其动态响应的作用，较快地达到跟踪的目的。5．信号传送时延问题

这主要是指气动单元组合仪表中，气压信号在管路中的传送时延。气动传输曾道的特性参数第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日四、执行器的选择调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。所以，在系统设计时，应根据生产过程的特点、被控介质的情况（如高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、强腐蚀、高粘度等）、安全运行和推力等，选用气动执行器或电动执行器。按生产安全原则，选取气开或气关式。根据被控过程的特性、负荷变化的情况以及调节阀在管道中的安装方式等，选择适当的流量特性。在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日五、控制器控制规律的选择1．对象特性对控制规律的影响

1）广义对象控制通道时间常数较大或容量迟延较大时，应引入微分动作。如工艺容许有残差，可选用比例微分控制规律；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分控制规律，如温度、成分、PH值控制等。

2）当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分控制规律，如管道压力和流量的控制。

3）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例控制规律，如贮罐压力、液位的控制。

4）当广义对象控制通道时间常数或容量迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日2．控制器控制规律的选择（1）依据对象特征参数选择

可根据对象的时延时间和对象自衡时间常数的比值选择控制器的控制规律：

1）<0.2时，选择比例或比例积分控制器；

2）当0.2<≤0.1时，选择比例微分或比例积分微分控制器；

3）当>1.0时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈、预估控制等复杂控制系统。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日2．控制器控制规律的选择（2）依据过程特性选择根据过程的特性和控制器的控制特征确定控制规律。

1）比例控制器适用于过程通道容量较大，纯延时时间较小，负荷变化不大，工艺要求不高的场合。一般情况下控制质量较高，有余差的场合都可以使用，其适用范围比较广。

2）比例积分控制器适用于过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差的场合。过程的时延时间较大时不能选择比例积分控制器，否则容易引起系统振荡。

3）比例微分控制器适用于过程容量较大，有时延的场合。对于过程扰动频繁的系统，微分作用可导致系统振荡。

4）比例积分微分控制器是一种理想的控制器，适用于不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用比例积分微分控制器。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日六、调节器正、反作用的确定1．广义过程的正、反作用的确定（1）对象的正反作用形式对象正作用：对象的输入量增加（或减少），其输出量亦增加（或减少），K0＞0对象反作用：对象的输入量增加（或减少），其输出量减少（或增加），K0＜0

（2）执行器正负作用形式执行器正作用：执行器（调节阀）是气关式，KV＜0。执行器反作用：执行器（调节阀）是气开式，KV＞0，

（3）控制器的正、反作用形式控制器正作用：测量值增加（或减少），其输出量亦增加（或减少），KC＞0。控制器反作用：测量值增加（或减少），其输出量减少（或增加），Kc＜0。

（4）变送器的作用形式变送器的静态放大系数通常为正，即Kmc＞0。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日六、调节器正、反作用的确定2．控制器作用形式的确定（1）确定原则过程内部各个环节的静态系数相乘为负。即KmK0KVKC<0，计算KC正反作用形式。（2）控制器正、反作用形式确定的步骤

①根据工艺安全确定执行器（调节阀）的气开、气关形式，从而确定KV；②根据过程特性确定对象的正反形式，确定K0；③根据确定原则确定控制器的正、反作用形式。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日◆

控制系统的方案设计包括哪些内容，哪些内容在前几个情境中已经介绍过？◆

右图为取暖锅炉液位的控制方案。（1）确定什么是被控量、控制量、干扰？（2）分析控制过程？◆

过程检测与控制实训装置可设计哪些单回路控制系统，被控量和控制量如何选择，调节器选择什么样的控制规律？◆

请完成过程检测与控制实训装置中的一个管道流量单回路控制系统的设计。思考与训练第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日学习情境十二单回路检测控制系统设计与投运

任务一

单回路控制系统综合设计任务二单回路控制系统的投运与故障分析处理

下篇控制仪表第三十页，共三十八页，2022年，8月28日任务引领：过程控制系统的方案设计、控制仪表选型和安装调试就绪后，或者经过停车检修后，将过程控制系统重新投入到生产过程中运行，称为系统投运。为使过程控制系统能顺利投入运行，投运前必须做好准备工作。在控制系统投运一个时期之后，可能会出现各种各样的问题，这时需要从工艺和仪表两方面查找原因。通过本任务的学习，掌握控制系统的正确投运方法和故障分析方法。任务二单回路控制系统的投运与故障处理第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日系统投运需要注意哪些问题？系统投运过程中常见故障及处理措施？思考问题第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日知识点1：单回路控制系统的投运准备工作大体包括：在熟悉生产工艺流程和控制方案的前提下，应对检测变送器、调节器、调节阀、供电、供气、联接管线等以及其他装置进行全面而细致的检查，它们的连接极性是否正确，仪表量程设置是否合理，仪表的相应开关是否置于规定位置上，仪表的精度是否满足设计要求等。其次，在组成系统的各台仪表进行单独调校的基础上，再对系统进行联调，观察其工作是否正常。一、控制系统的投运经过控制系统的设计、仪表调校、安装后的新建控制系统，以及经过改造或检修的控制系统，都应该按照下述步骤做好系统投运的全面准备工作，才能将控制系统投入运行，有希望获得要求的控制品质。1．准备工作第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日检查全部电气线路，核实是否符合施工图样要求。不允许有错接、漏接和虚接的现象存在，特别注意各种不同地线的连接是否符合规定，对地电阻是否符合要求。保证所有连接点接触良好无误。检查传送电力及信号的管线是否符合设计要求、布局是否合理，检查空气、蒸汽及水管等管路有无错接、漏接、泄漏和堵塞等现象，如有疑问必须经过必要的验证核实。一、控制系统的投运2．线路和管路核查（1）传感器与变送器：检查二者是否匹配并符合设计要求，其安装位置是否适宜；还要对变送器的零点和量程进行校验和调整。3．仪表的调整和校验第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日一、控制系统的投运（2）控制器：检查控制器的各开关位置是否正确、各个调整旋钮或按键功能是否正常；检查输入输出信号是否在规定的标准信号范围内；根据输入信号的极性，检查与执行器的动作方向是否对应；通过手动/自动切换开关，检查自动跟踪信号是否接入，手动操作时控制器输出是否为跟踪手操信号，手动/自动切换是否无扰动。（3）执行器：检查其动作方向与阀位指示是否一致；其动作范围与输入信号是否一致；阀位反馈信号是否起到负反馈作用。各项都应该调整核实。（4）控制阀：检查阀杆位移与控制器的输出是否符合规定的特性关系；阀杆移动时有无卡涩、松动或漏气现象，更不允许有间隙存在。（5）阀门定位器：当阀杆移动时，检查反馈连杆与反馈凸轮运动方向是否符合规定；经放大后的输出信号推动阀杆是否灵敏有力，有无阻滞现象。（6）综合检查：