第七章单回路控制系统资料

单回路控制系统原理单回路控制系统原理一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。

一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表(包括测量元件，变送器、调节器和调节阀)两部分组成。

Q2 x (t)如图1 ：液位控制系统K C：调节器的静态放大系数QK V：调节阀的静态放大系数1K0：被控对象的静态放大系数Km :变送器的静态放大系数2、被控对象的设备是已知的，对象的型式不少，它们的动态特性是未知的或者是不十分活楚的，但普通具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。

3、控制方案的多样性。

有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统、；有摹拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。

这是其它自动控制系统所不能比拟的。

4、控制过程届慢过程，多半届参量控制。

即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成份、PH 等进行控制。

5、在过程控制系统中，其给定值是包定的 (定值控制) ，或者是已知时间的函数 (程序控制) 。

控制的主要目的是在丁如何减少或者消除外界扰动对被控量的影响。

y (t〕工业生产要实现生产过程自动化，首先必须熟悉生产过程，掌握对象特点；同时要熟悉过程参数的主要测量方法，了解仪表性能、特点，根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构建过程控制系统；并且通过改变调节仪表的特性参数，使系统运行在最佳状态，过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。

二、单回路控制系统原理如图所示单回路控制系统由对象、测量变送器，调节器，调节阀等环节组成。

由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足普通生产过程的控制要求, 所以应用十分广泛。

单回路控制系统的设计原则同样合用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容，如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态，、选择被控参数对于一个生产过程来说，影响正常操作的因素是不少的，但是，并非对所有影响因素都需要加以控制“选择被控参数的普通原则为：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(如测量滞后过大)作为被控参数时，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⑥若生产工艺有几种控制参数可供选择，普通希翼控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应应比扰动通道快。

单回路控制系统的结构及基本原理单回路控制系统，听起来是不是有点高深？别担心，咱们慢慢来，把它说得简单明了。

想象一下，你家里的空调，夏天一开，立马变成了清凉的避风港。

这个过程背后，就是单回路控制系统在默默发挥作用。

它就像是一位调皮的管家，专门负责调节室内温度。

你觉得怎么样？挺酷吧？单回路控制系统到底是什么呢？其实就是一个简单的控制机制。

就像你在厨房里做饭，火候掌握得当，菜才能好吃。

系统通过传感器感知环境，像是人的“感觉器官”，然后根据设定的目标进行调整。

如果室温太高，控制系统就会给空调发信号，让它开起来。

这样一来，家里瞬间凉快。

是不是感觉有点像魔法？咱们再深入一下，单回路控制系统的基本原理其实就是反馈控制。

反馈控制就像是你骑自行车时的平衡，往左偏了就稍微向右打方向，保持稳定。

系统通过不断获取反馈数据，进行调整，保证温度不会过高或者过低。

要是没有这个反馈，空调就会像个无头苍蝇，根本不知道该怎么调节。

想象一下，如果空调开得太冷，你可能就得裹着毛毯看电视了，真是太折磨人了。

再说说控制环路，单回路控制系统的“主角”。

控制环路里有三个重要角色：传感器、控制器和执行器。

传感器就像你家里的眼睛，负责监测环境。

控制器是大脑，分析数据并做出决策。

执行器则是肌肉，负责实际操作。

三者协同合作，像是一场默契的舞蹈，缺一不可。

要是哪个环节出了问题，整个系统就会陷入混乱，真是让人无奈。

举个例子，想象一下你在夏天的炎热中，开着空调，舒舒服服地看着电视。

突然空调出问题，室内温度一下子飙升。

那种感觉就像是被烈日暴晒，简直要人命。

这个时候，如果控制系统能够及时反馈，让空调赶紧调整，那就完美了。

可一旦反馈失灵，你就得忍受那种汗流浃背的折磨，真是心烦意乱。

说到这里，咱们还得提一下这个系统的稳定性。

单回路控制系统就像是一道题，解出来才能得到最终答案。

假如反馈不准确，系统就可能过度反应，导致温度忽冷忽热，就像过山车一样刺激。

这样的结果可不是你想要的，毕竟生活需要一些“稳定感”，对吧？有了稳定的控制系统，大家才能安心享受生活。

一、单回路控制系统1. 画出图示系统的方框图：2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？3. 试确定习题1中控制器的正反作用。

若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。

5. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。

7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。

8. 对图示控制系统采用线性控制阀。

当负荷G 增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 减少时，系统响应震9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。

（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。

（2）主要扰动为G 1时，量特性。

（3特性。

11.作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。

13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为)1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。

DCS单回路控制系统设计资料讲解DCS，即分散控制系统，是一种基于微处理器的工业控制系统，广泛应用于化工、电力、石油等领域。

单回路控制系统是DCS系统中的一种常用架构，主要用于单个设备或过程的控制。

单回路控制系统的设计资料包括以下几个方面：1.系统结构：在单回路控制系统设计资料中，首先需要明确系统的总体架构和组成部分。

一般来说，单回路控制系统由传感器、执行器、控制器和人机界面组成。

传感器用于采集过程变量，执行器用于控制过程变量，控制器负责执行控制算法，人机界面则用于实现操作和监视。

2.控制策略：在单回路控制系统设计资料中，需要明确应用的控制策略。

常用的控制策略包括比例控制、积分控制、微分控制和模糊控制等。

根据具体的应用需求和控制对象的特性，选择合适的控制策略以实现稳定、准确的控制。

3.控制算法：在单回路控制系统设计资料中，需要详细描述控制器的工作原理和控制算法。

控制算法是控制器的核心部分，它根据输入的传感器信号和输出的执行器信号，通过运算和判断来实现过程变量的控制。

常见的控制算法有PID算法、模糊控制算法等。

4.通信协议：在单回路控制系统设计资料中，需要考虑通信协议的选择。

DCS系统是分布式控制系统，需要通过网络将各个部分连接起来，实现相互之间的数据交换和协同控制。

常用的通信协议有MODBUS、OPC等。

5.安全性与可靠性：在单回路控制系统设计资料中，需要考虑系统的安全性和可靠性。

安全性包括防止非法操作和保护系统免受外部攻击，可靠性包括系统硬件和软件的稳定性和可用性。

设计资料中需要详细说明安全和可靠性措施，例如设备的备份和冗余、数据的备份和恢复策略等。

6.软件架构：在单回路控制系统设计资料中，需要描述控制系统的软件架构。

软件架构包括了操作系统、控制算法、通信协议的实现等部分。

设计资料中需要详细描述软件的结构和模块之间的关系。

7.硬件配置：在单回路控制系统设计资料中，需要描述控制系统的硬件配置。

硬件配置包括了各个模块的型号和数量、布线方式、电源要求等。

单回路控制系统实验报告实验名称：单回路控制系统实验实验目的：掌握单回路控制系统的基本原理和调节方法，熟悉控制系统的建模、分析和设计过程。

实验设备：计算机、控制系统实验仪器、数据采集卡、传感器、执行器等。

实验原理：单回路控制系统是由闭环反馈控制器、过程装置和传感器组成的反馈控制系统。

其基本原理是根据反馈信号来调节输出信号，使得系统输出达到期望值或稳定在某个给定值上。

单回路控制系统可用于控制温度、压力、速度等各种物理量。

实验步骤：1. 搭建单回路控制系统：将闭环反馈控制器、过程装置和传感器按照实验要求连接起来，确保各个设备之间的信号传输正常。

2. 设定控制目标：根据实验需求，设定控制系统的目标值，如温度控制系统中的目标温度。

3. 进行系统建模：将控制系统中的各个元件抽象为数学模型，如控制器的传递函数、过程装置的传递函数等。

4. 参数调整：选择合适的控制器参数，如比例增益、积分时间和微分时间，并通过试控实验进行参数调整。

5. 进行闭环控制实验：将控制系统闭合，即将输出信号作为反馈信号输入到控制器中，通过控制器输出调节过程装置的输入信号，控制系统达到期望值或稳定在给定值上。

6. 实验数据采集与分析：利用数据采集卡采集实验过程中的各个信号数据，并进行数据分析，如误差分析、系统响应时间等。

7. 评价控制效果：根据实验数据分析结果，评价控制系统的性能，并对控制系统进行改进或优化。

实验结果：根据实验数据采集与分析结果，可以得到控制系统的性能指标，如超调量、调节时间等。

根据实验结果，评价控制系统的性能，并对控制器参数进行调整和优化，以达到更好的控制效果。

实验总结：通过本实验，掌握了单回路控制系统的基本原理和调节方法，了解了控制系统的建模、分析和设计过程。

实验中还发现了控制系统中可能存在的问题，并进行相应的改进措施。

在今后的工作中，将进一步研究和应用控制系统技术，提高控制系统的性能和稳定性。

DCS单回路控制系统设计资料讲解DCS（Distributed Control System）单回路控制系统是指由多个控制器组成的系统，每个控制器负责一个回路的控制。

本文将对DCS单回路控制系统的设计资料进行讲解，包括系统结构、硬件配置、软件设计等。

一、系统结构DCS单回路控制系统的基本结构包括控制器、输入/输出（I/O）模块、通信网络和上位机。

控制器是系统的核心部分，负责接收传感器输入信号、控制执行器输出信号，并根据设定值和反馈信号进行控制。

每个回路对应一个控制器，回路之间相互独立。

I/O模块用于与外部设备进行数据交换，包括接收传感器信号、控制执行器、报警、人机界面等功能。

通信网络用于连接各个控制器和上位机，实现数据的共享和交互。

上位机用于监控、配置和管理整个系统。

二、硬件配置DCS单回路控制系统的硬件配置包括控制器、I/O模块和传感器/执行器。

控制器通常由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口等组成，其性能和规模决定了系统的处理能力和扩展性。

I/O模块负责将外部设备的数据转换为数字信号，并通过通信网络传输给控制器。

传感器用于采集控制对象的状态信息，执行器用于对控制对象施加控制信号。

三、软件设计DCS单回路控制系统的软件设计包括控制算法、通信协议和用户界面。

控制算法按照系统的要求，如PID控制算法、模糊控制算法等，对控制器进行程序设计。

通信协议用于控制器之间和上位机之间的数据交换。

用户界面提供操作界面和显示功能，以便用户能够实时监控和操作系统。

在软件设计中，需要考虑到系统的稳定性、可靠性和实时性。

稳定性是指系统在受到扰动时能够恢复到稳态的能力；可靠性是指系统能够按照要求工作，不出现故障；实时性是指系统能够对输入信号进行及时响应，使控制效果更好。

四、设计资料要求DCS单回路控制系统的设计资料需要包括系统的拓扑结构图、硬件配置表、控制算法程序、通信协议、用户界面设计以及相关参数的设置。

拓扑结构图描述了系统各组成部分之间的连接关系；硬件配置表包括了控制器、I/O模块、传感器/执行器的型号、数量和安装位置；控制算法程序描述了对控制器的编程要求；通信协议用于实现不同组成部分之间的数据交互；用户界面设计根据实际需求进行设计，以方便用户使用和操作；相关参数的设置是指对系统各项参数进行设定，如控制周期、采样周期等。

单回路控制系统参数整定首先，为了实现良好的控制系统性能，我们需要确定四个关键参数：比例增益（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）和控制器增益（Kc）。

整定这些参数需要考虑系统的稳态和动态性能。

下面将依次介绍这些参数。

比例增益（Kp）是最基本的一个参数，通过增加或减少输出与输入之间的比例关系来调节系统的响应速度。

当Kp过大时，系统容易产生震荡或不稳定的行为；而Kp过小则会导致系统的响应速度较慢。

Kp的大小一般由试验和经验确定。

积分时间常数（Ti）是对系统的稳态性能进行调节的参数。

增大Ti可以减小系统的稳态误差，但可能会带来较长的调节时间。

根据所需的稳态误差来选择合适的Ti，一般建议取值较大，以避免过度调节。

微分时间常数（Td）用于调节系统的动态响应速度。

增大Td可以减小系统的超调量，但过大的Td可能会导致系统对噪声敏感。

一般来说，选择适当的Td可以使系统具有较好的响应速度和较小的超调量。

控制器增益（Kc）是控制器输出和输入差值的倍数关系。

通过增大或减小Kc来调节控制器的输出量级，从而使控制系统达到预期的性能指标。

一般情况下，Kc的选择需要考虑系统的稳定性和灵敏度。

除了试探法，还有一些优化算法可用于系统参数整定，如：遗传算法、模糊控制和神经网络。

这些算法通过优化目标函数来确定最优的参数值，可以有效减少参数整定的时间和工作量。

然而，这些算法需要较高的计算资源和较长的计算时间，因此在实际应用中需要权衡其效果和成本。

总结起来，单回路控制系统参数整定是实现控制系统性能的关键步骤。

参数整定需要综合考虑系统的稳态和动态性能，并采用适当的方法和技术来确定最优的参数值。

合理的参数整定可以使控制系统达到预期的性能指标，提高系统的稳定性和控制效果。