过程控制 章4

第4章 单回路控制系统第4章 单回路控制系统学习目标：✹ 掌握单回路控制系统的基本原理✹ 掌握单回路控制系统的适用范围✹ 掌握单回路控制系统方案的设计方法✹ 掌握单回路控制系统调节器的参数整定方法4.1 概述单回路控制系统是指针对一个过程参数，采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其它参数没有或极少关联，是生产过程中应用十分广泛的基本控制系统。

一般说来，只有在单回路控制系统不能满足生产过程控制要求时，才有必要采用其他复杂的控制系统。

4.1.1 单回路控制系统的基本结构单回路控制系统是一种具有闭合回路的反馈控制系统。

一个典型例子如图4-1所示，液体储槽是化工生产上常用的中间容器，由前一工序送来的半成品不断流入槽中，而槽中的液体又不断送至下一个工序继续加工。

流入量(或流出量)的变化会引起槽内液位H 的波动，严重时会出现溢出或抽干。

于是，槽内液位就成为被控量，它经液位检测元件和变送器1之后，变成统一标准信号，再送到液位控制器2与工艺要求的液位高度即设定值进行比较，按预定的运算规律算出结果，并将此结果送至执行器3，执行器按此信号自动地开大或关小阀门，以保持槽内液位H 在设定要求上，整个贮槽即为被控对象。

图4-1 典型单回路控制系统1－检测元件和变送器 ２－液位控制器 ３－执行器单回路控制系统的基本结构方框图如图4-2所示（图中箭头表示各方框之间的信号传递方向，而不是指物料或能量的流向）。

它由被控过程)(s W o 、测量变送器)(s W m 、调节器)(s W 和调节阀)(s W v 等环节组成。

图中)(s X 为设定值的拉氏变换式；)(s E 为偏差的拉氏变换式；)(s U 为调节器输出的控制信号的拉氏变换式；)(s Q 为控制变量的拉氏变换式；)(s F 为扰动的拉氏变换式；)(s Y 为被控变量的拉氏变换式；)(s Z 为测量值的拉氏变换式。

系统由于扰动)(s F 作用使被控量)(s Y 偏离了给定值)(s X ，即产生偏差)(s E ，调节器根据偏差)(s E 大第4章 单回路控制系统小并按某种控制算法发出控制信号)(s U 送往调节阀，以改变阀门开度，即改变控制变量)(s Q ，从而克服扰动)(s F 对被控量)(s Y 的影响，使测量值)(s Z 接近设定值)(s X 。

由控制理论可知，闭环系统的输出与输人的关系式为：)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(s F s W s W s W s W s W s X s W s W s W s W s W s W s W s Y m o v f m o v o v +++= （4-1） 式中，)(s W为扰动通道的传递函数。

图4-2 单回路控制系统结构框图 单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、应用最广泛且最为成熟的控制系统。

由于其结构简单、投资少、易于调整、又能满足一般生产过程的工艺要求，所以，通常占实际应用的控制回路85％以上，尤其适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。

4.1.2 系统设计的基本内容对于一个实际生产过程，要设计一个理想的过程控制系统，首先应该对过程进行全面了解，同时对工艺过程设备等做比较深入的分析，然后应用自动控制理论和控制技术，拟定合理正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降低消耗、实现安全运行、节能、改善劳动条件、保护环境卫生和提高管理水平等目的。

过程控制系统的设计主要包括四部分内容：自动控制系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表的单校及系统的联校、控制器的参数整定等。

而控制方案设计和调节器参数值的确定则是系统设计中的两个核心内容。

如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定，则不可能获得好的控制质量；反之，若控制方案设计正确，但是调节器参数整定不合适，也不能发挥控制系统的作用，不能使其运行在最佳状态。

控制方案设计需要考虑合理选择被控参数和控制参数，被控参数的获取与变送、调节器正、反作用方式的确定及其控制规律的选取，调节阀的选择等问题。

由于单回路控制系统的设计原则是其它复杂过程控制系统的设计基础，因此掌握了单回路控制系统的设计方法，了解控制系统各环节对控制质量的影响，又掌握了系统设计的一般原则，就能设计其它更为复杂的过程控制系统。

本章将介绍单回路控制系统方案设计和调节器参数整定两个问题。

第4章 单回路控制系统4.2 被控参数与控制参数的选择原则4.2.1 被控参数的选择被控量的选择是控制系统方案设计中的核心问题，它能否正确选择对稳定生产、提高产品的产量和质量、改善劳动条件等都具有重要意义。

在一个生产过程中影响正常运行的因素很多，但并非一一加以控制，所以就要求设计者必须深入生产实际，调查研究，熟悉和掌握工艺操作的要求，找出那些对产品的产量和质量以及安全生产都具有决定意义，且能最好地反映工艺生产状态变化的参数，同时这些参数往往又是无法采用人工能够控制或人工控制操作十分紧张而频繁的。

一般说来，选择被控量的方法有两种：一种是选择直接参数，另一种是选择间接参数。

直接参数即能直接反映生产过程产品产量和质量以及安全运行的参数。

例如，蒸汽锅炉锅筒水位控制系统，水位就是直接参数，因它直接表征了锅炉运行安全与否。

显然，用直接参数作为被控量最好。

当选择直接参数有困难(如缺少获取质量信息的仪表，或者测量滞后过大)、无法满足控制质量的要求时，可以选用间接参数作为被控参数。

但它必须与直接参数有单值一一对应关系。

例如，在化工生产中的精馏塔成份控制，成份是压力和温度的函数，如果保持压力一定，则成份与温度就成单值函数关系，所以选温度为被控参数。

此外，所选择的被控参数对控制作用的反应必须具有足够的灵敏度。

同时还应考虑到工艺生产的合理性等。

4.2.2 控制参数的选择被控参数确定后，还要正确选择控制参数、控制规律与调节阀等，以便正确设计一个控制回路(方案)。

如果在生产过程中有多个因素能影响被控参数变化，则应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，以被控对象特性参数对控制质量的影响为依据，正确地选择可控性良好的变量作为控制参数。

通常我们希望控制通道的抗扰动能力要强，动态响应比扰动通道快。

所以，在设计控制回路时，深入研究过程的控制通道和扰动通道是必要的。

下面通过分析过程特性对控制质量的影响，讨论一下选择控制参数的一般原则。

1．过程静态特性对控制质量的影响过程的静态放大系数对控制质量的影响即为过程静态特性对控制质量的影响。

以图4-3所示的单回路控制系统为例。

图中)(s W 为调节器传递函数，)(s W o 为过程控制通道传递函数，)(s W f 为过程扰动通道传递函数。

设：1)(1)()(+=+==s T K s W s T K s W K s W f f f o o o c （4-2） 由此可得出系统的闭环传递函数为：图4-3 单回路控制系统结构框图第4章 单回路控制系统)()(1)()()(s W s W s W s F s Y o f += （4-3） 控制系统的偏差为（此时)()(s Y s Z =）：)()(1)()()()()()(s W s W s F s W s X s Y s X s E o f +-=-= （4-4） 由于系统是定值控制系统，在单位阶跃扰动作用下，系统余差可应用终值定理求得：oc f o f s t K K K s W s W s s W s t y y C +-=+-=-=∞-=→∞→1)]()(1[)(lim )(lim )(0 （4-5) 由式(4-5)可见，过程静态特性对控制质量有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。

扰动通道的静态放大系数f K 愈大，系统的余差也愈大。

为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使f K 愈小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。

控制通道的放大系数o K 愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效果愈好。

但是，由于最佳的控制过程中o K 与c K 应为一常数，而调节器的c K 是可调节的，o K 的大小可通过改变c K 来补偿，以满足o K 与c K 乘积为一常数的要求。

所以，在系统设计时，选择控制通道的o K 适当大一些以加强控制作用，但必须以满足工艺生产的合理性为前提条件。

2．过程动态特性对控制质量的影响过程的动态特性包括过程扰动通道和控制通道两个部分的动态特性。

（1） 扰动通道动态特性的影响①时间常数f T 的影响在图4-3的单回路控制系统中，设各环节的放大系数均为1，干扰通道为一阶惯性环节，则系统的闭环传递函数为：)]()(1)[1(1)()(1)()()(s W s W T s T K s W s W s W s F s Y o ff f o f ++⨯=+= （4-6） 可见，系统特征方程式中增加了一个极点)1(f T -。

而一阶惯性环节的扰动通道传递函数为一个一阶滤波器，其时间常数f T 愈大，则滤波能力愈强，扰动)(s F 对被控参数)(s Y 的影响愈小，这种扰动的影响就比较容易克服。

扰动通道的容积愈多、愈大滤波的效果愈好，则扰动对被控参数的影响愈小，控制质量愈好。

②滞后时间f τ的影响如图4-3所示，在给定作用下，系统闭环传递函数为：)()(1)()()()(s W s W s W s W s X s Y o o += （4-7） 闭环系统特征方程式为： 0)()(1=+s W s W o当扰动通道有纯滞后时，在扰动作用下的闭环传递函数为：第4章 单回路控制系统)()(1)()()(s W s W e s W s F s Y o sf f +=-τ （4-8） 可见，其闭环传递函数的分母与式(4-8)相同。

因此，从理论上讲扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质量，仅使整个过渡过程)(t y 推迟了一个纯滞后时间f τ。

当扰动通道存在容量滞后时间时，它将使干扰信号变得平缓一些，对系统克服扰动有利。

它对控制质量的影响与时间常数f T 对控制质量的影响是相同的。

③扰动作用点位置的影响通常被控过程存在多个扰动而各扰动进入系统的位置不同，则它们对被控参数的影响也不同。

考虑图4-4a 所示的三只水箱串联工作过程中实现#3水箱水位不变而设计的控制系统。

现有三个扰动1f 、2f 、3f 由三个不同位置分别引入系统。

为能更清楚地分析扰动作用点位置不同对系统控制质量的影响，根据控制流程图，画出其方框图4-4b 设三只水箱均分别为一阶惯性环节。

由前所述，它对扰动能起滤波作用。

所以，当引入系统的扰动的位置离被控参数)(s Y 愈近时，则扰动对)(s Y 影响愈大；反之，当扰动离被控参数愈远(即离调节阀愈近)时，则扰动对其影响愈小。