第一篇 过程控制系统
第一章 单回路反馈控制系统
简称：单回路控制系统、简单控制系统
在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。
研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。
1.1 单回路系统的结构组成一、
系统的组成举例 ： 如图所示的水槽，流入量 F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-1 水槽
图1-2 水槽液位控制系统
注： LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。 偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2）
入口阀突然开大 → F1>F2 → L↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ → F2 ↑→
L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡入口阀突然开小→ F1
第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2）出口阀突然开大 →F２>F1→L ↓→ 负偏差 →输出增大 →控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡
出口阀突然关小→ F1>F2 → L ↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ → F2 ↑ →
L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡
FFLT LC
FFsp “反作用”
单回路控制系统方框图
几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。
(2)各环节的增益有正、负之别：
控制器：正作用时增益为“负” 反作用时增益为“正”
控制阀：气开阀增益为“正” 气闭阀增益为“负”
变送器：一般为“正”
中北大学课程设计说明书
1 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉控制的目的是供给合格的蒸汽，使锅炉产气量适应符合的需要，同时保证燃烧的经济性、安全性。液位控制技术作为锅炉系统控制中较为重要的一项技术，也成为了锅炉制造企业技术含量的衡量点。锅炉液位是通过操纵流进量或流出量来控制的，因此其液位被认为是比较容易控制的回路。但是，在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安全状况。
1、锅炉汽包液位控制必要性
在实际生产运行中，锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、 减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛 负压、过剩空气（烟气含氧量）等如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化； 而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。
由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。众所周知，水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成炉管大面积爆破。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故的情况时有发生，严重影响火电厂运行的安全性。锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。7 S8 r* x+
根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求： 1．准确性好：众所周知，锅炉汽包水位相对主蒸汽压力、温度这类参数而言，并不是需要精确控制的参数，一般情况下，二个汽包水位测量示值偏差在30mm以内是可以接受的。而在正常条件下保持这样的精确度不是十分困难的。但是，由于汽包水位测量对象十分复杂，而汽包水位测量采用的联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比条件变化时会造成远远超出上述要求的非常大的误差。所以长期以来，保证汽包水位测量准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。 2．可靠性高：汽包水位测量系统应从取样开始，到信号转换控制和保护回路，以及供电回路均应十分可靠。此外，除了提高装置本中北大学课程设计说明书
目录
1 设计目的与要求.................................................... 1
1.1 设计目的 .................................................... 1
2 自来水生产工艺 ..................................................3
2.1 生产工艺 .................................................... 2
2.2 生产工艺流程图 .............................................. 3
3 系统结构设计...................................................... 4
3.1 控制方案 .................................................... 4
3.2 系统结构 .................................................... 4
4被控变量与控制变量选择 ............................................ 4
4.1被控变量选择原则............................................. 4
4.2控制变量选择原则............................................. 5
4.3本系统被控变量与控制变量的选择............................... 6
5检测环节设计 ...................................................... 6
5.1检测环节设计原则............................................. 6
过程控制系统
课程设计报告
姓名：
班级：
专业：
指导教师：
2011年 6月 29日 2 目录
一、 题目要求……………………………………………………………
二、 系统器件选择…………………………………………………………
三、 总体设计方案…………………………………………………………
四、 硬件设计…………………………………………………………
五、 控制算法选择…………………………………………………………
六、 控制参数整定………………………………………………………
七、 心得体会………………………………………………………
3
一、题目要求：
题 目：单回路压力控制系统
设计要求：1）过程控制系统各部分的原理，分为检测变送器、控制器、执行器、对象四部分说明；
2）画出单回路控制系统框图；
3）调试过程中遇到的问题及解决办法；
4）总结本控制系统的优点和不足，以及改进的方案；
二、总体设计方案
如图1：管道压力定值控制系统的控制流程图
如图2：为控制系统框图 压力给定值
控制器
电动调节阀
压力实时值 传感器
管道压力
控 制 器 执行器 被控对象 管道压力
测量变送环节
（传感器、变送器） +
- 4
三、系统器件选择（包括器件参数）
1、执行器 ：采用电动调节阀（气关式）
执行器正作用：执行器（调节阀）是气关式， < 0
执行器反作用：执行器（调节阀）是气开式， > 0
2、控制器 ：采用PID
控制器正作用：控制器测量值增加（或减少），其输出量亦增加（或减少）
控制器反作用：控制器测量值增加（或减少），其输出量亦减少（或增加）
3、变送器 ：采用液注式压力检测仪表
