简单控制系统方框图

闭环控制系统方框图10例
1、空调温度控制系统
2、家用电冰箱温度控制系统
3、加执炉温度控制示意
4
+
给
定量
控
制器
加
热器
加
热炉
炉内
温度
比较
器
检测装置（反
馈）
-
干
扰
控执被控
被控量
（输出
给定量
（输入
检测装置控
比
控制器
执
行器
被控
对象
被控量
（篮球位
给定量
（篮圈位
检测装置
（眼睛）控制量（投掷
比控制器
（电子
执行器
（压缩
被控
对象
被控
量
（冷
藏室温度）
给定量
（设定的温
检测装置
（温度传感
控制量
比
5、供水水箱的水位自动控制系统
6、抽水马桶的自动控制系统
7、花房温度控制系统
8、宾馆使用多台热水器串联电辅助加热自动控制系统
9、粮库温、湿度自动控制系统
被控量 （水箱水
给定量 （设定的水
被控量 （水箱水
给定量
给定量 （设被控量 （花房
控制
被控量 （
水
给定量 （设定控制量 被控
（粮（的温、控制量
10、自动电热水壶控制系统
控制量
（水。

手动 手动控制
电动 手动控制
电动 自动控制
二、控制的分类
按执行部件分
机械控制 气动控制 液压控制 电子控制
机械控制 气动控制 液压控制 电子控制
公交车门气动控制示意图
1.气缸 2.贮气罐 3.活塞 4.三通阀门 6与9刚结, 8、9为车门
汽车液压制动示意图
二、控制的分类
按系统功能分
温度控制 压力控制 速度控制 位置控制
……
一、控制系统
自动路灯系统
外界光线 的强弱
电路、灯泡
灯泡的 亮与熄
控制系统
输入
控制系统
输出
输出与输入之间有一定的对应关系
控制的实现要通过若干个环节共同 实现，这些环节所涉及的装置构成的系 统称为控制系统。
游泳池的注水控制系统
设定注 水时间 (输入)
音乐的 强弱 (输入)
声电转 化装置
按开关 (输入)
控制器
水泵
水压 喷泉
活塞的运动
电磁阀
车门
喷泉的 高度 (输出)
车门 开闭 (输出)
2.列举你所了解的开环控制系统的例子，说明其 控制工作过程，并画出方框图。
用遥控器选择电视频道
接收不同频率的信号
按键 (输入)
控制器
执行器
电视机屏幕
宾馆自动叫醒服务系统
定时器
水流量
进水阀门
游泳池
游泳池 的水位 (输出)
开环控制系统：
指输出量不对系统的控制产生任何影 响的控制系统。
自动门的控制系统
人体热 辐射 (输入)
控制电路
转动
电机
自动门
门的 开闭 (输出)
简单开环控制系统的方框图：

目录目录 (1)1、概述 (2)1.1设备的分类 (2)1.2换热设备的换热目的 (2)1.3 换热器的组成 (3)1.4 换热器的工作原理 (3)2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定 (4)3、被控对象特性研究 (6)3.1 被控变量的选择 (6)3.2 操纵变量的选择 (6)3.3 被控对象特性 (6)4、过程检测控制仪表的选用 (8)4.1 测温元件及变送器 (8)4.2 执行器 (9)4.3 调节器 (12)4.4、仪表型号清单列表 (13)5、系统方块图 (13)6、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (14)6.1调节控制参数 (14)6.2 PID参数整定及系统仿真 (14)6.3 系统性能分析 (18)7、课程设计结论 (18)8、参考文献 (19)1、概述换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象（换热器）、一个检测元件及变送器（温度传感器）、一个调节器（PID）和一个执行器（阀门）所构成的闭合系统，方框图如下：F干扰作用参比信号（设定点）控制信号操纵变量 (干扰变量）Ys 偏差e u m 被控变量Y -Ym图1、单回路控制系统方框图其中，被控变量：温度；操纵变量：流量[1]。

1.1设备的分类根据不同的使用目的，换热器可以分为四类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器。

按照传热原理和实现热交换的形式不同可以分为间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热（冷热流体直接接触）、有液态载热体的间接式换热器四种。

在石油、化工生产中间壁式换热器应用的最为广泛。

按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类：一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一种是在相变的情况下的加热或冷却。

按传热设备的结构形式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等[1]。

D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)

1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；

化工仪表及自动化一、填空题1. 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的，并不代表方框之间的物料联系。

2. 自动控制系统是具有被控变量反馈的环系统。

1. 机理建模的优点是具有明确的，所得的模型具有很大的适应性，便于对进行调整。

2. 对象数学模型包括一阶对象，。

3. 描述对象特性的参数包括：。

4. 时间常数T的物理意义：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持速度变化，达到新的所需要的时间。

5. 从加入输入作用后，经过时间，被控变量已经变化了全部变化范围的，这时可以近似地认为动态过程基本结束。

6. 滞后时间按照滞后性质分可以分为：和。

7. 某台测温仪表的测温范围为200—700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为℃，则该表的相对百分误差是，该仪表的精确度等级是。

（精确度等级有：,，，,,）8. 某台测温仪表的测量范围为0—1000℃，根据工艺要求温度只是指的误差不允许超过±6℃，则该仪表的允许误差为，应选择的仪表等级是。

（精确度等级有：,，，,,）9. 是表征线性刻度仪表的输出与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。

10. 工业仪表按照仪表使用的能源分类可以分为：，，。

11. 表压等于绝对压力大气压力。

12. 真空度等于大气压力绝对压力。

13. 普通压力计的弹簧管多采用价格相对便宜的，但氨气用压力计弹簧管的材料却都要采用材料，这是因为氨气对的腐蚀性极强。

14. 氧气压力计与普通压力计在结构和材质上完全相同，只是氧用压力计要。

15. 测量稳压时，仪表上限约为工作压力最大值的倍。

16. 测量脉动压力时，仪表上限约为工作压力最大值的倍。

17. 测量高压压力时，仪表上限约为工作压力最大值的倍。

18. 测量液体压力时，取压点应在管道的，测量气体压力时取压点应在管道的。

19. 标准节流装置主要包括：，和。

20. 标准孔板主要采用的取压方法有和。

21. 标准孔板的优点是结构简单，安装方便；缺点是。

闭环控制系统方框图10例
1、空调温度控制系统
2、家用电冰箱温度控制系统
3、加执炉温度控制示意
4
给定量被控量
给定量 被控量 冷藏室
给定量
5、供水水箱的水位自动控制系统
6、抽水马桶的自动控制系统
7、花房温度控制系统
8、宾馆使用多台热水器串联电辅助加热自动控制系统
9、粮库温、湿度自动控制系统
被控量
给定量
被控量
给定量
给定量
被控量
控制量
被控量
给定量 控制量
被控量 粮库内
给定量（设定控制量
10、自动电热水壶控制系统
给定量（电流）
控制量。

R1C2s
(R1C1s 1)(R2C2s 1) R1C2s
(R1C1s 1)(R2C2s 1)
解法二：
ui (s)
-
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
-
1
1 uo (s)
R2 I2(s) C2s
ui (s) 1
R1
ui (s) 1
R1
-
1
-
C1s
1 R1
-
1
-
C1s
1 R1
1
自动控制原理第二章方框图自动控制方框图闭环控制系统方框图串级控制系统方框图前馈控制系统方框图控制系统方框图单回路控制系统方框图过程控制系统的方框图自动调节系统方框图控制方框图
传递函数的表达形式
有理分式形式：G(s)
b0 s m a0 s n
b1s m1 a1s n1
bm1s an1s
bm an
H3
相加点移动 G3 G1
G3 G1
向同无类用移功动
G2
错！
G2
H1
G(s) G1G2 G2G3 1 G1G2 H1
G2
G1 H1
总的结构图如下：
ui (s)
-
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
-
1
1 uo (s)
R2 I2(s) C2s
ui (s)
-
C2s
1 I1(s) - 1 u(s)
X 2 (s)
X (s) G(s) Y (s)
X 2 (s)
X1(s)
相加点和分支点在一般情况下，不能互换。
X 3 (s)
X (s)

p TD TH 冷却水
XD%
TD /℃
进料
回流F
塔顶产品
P/ MPa
苯－二甲苯的T-x图
Q入，X入，T
入
QZ 蒸汽 塔底产品
XD%
精馏过程示意图
苯－二甲苯的P-x图
塔顶易挥发组分纯度XD、塔顶温度TD、塔顶压力P三者之
间的关系为： XD= f (TD，P)，两个独立变量。
12
12.2.2 被控变量的选择 2、被控变量选择的一般原则
答：拿一个对被控变量影响较显著的变量来控制。
K大一些，T小一些，τ最好为0。 测量仪表的选用和安装 执行器的选用和安装
4
第三个问题：以什么方式控制？ 答：没有标准答案（选择合适的调节规律） 最常用的调节规律： 位式控制、P、PI、PD、PID
（需要充分理解各种调节规律的特点和适用场合）
后续问题：如何整定PID参数？ 答：临界比例度法＋经验 衰减曲线法＋经验 经验凑试法 最好的方法就是“经验”
干扰作用与控制作用之间的关系
控制质量：系统的过渡过程形式——超调量、衰减比、
余差、过渡时间、振荡周期
对象特性：（1）系统的输入输出关系
（2）分为对象静态性质和对象动态性质
（3）考察对象特性对控制质量的影响，用以选择操纵变量
16
12.2.3 操纵变量的选择
3、对象稳态性质对控制质量的影响
Y 绝对放大系数 X
器，与图 2 相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用
灵敏度次之。
方案Ⅲ ：蒸汽流量要经过换热器的热量交换去改变空
气温度，滞后最大，对干燥温度校正作用灵敏度最差。 综合考虑应选择方案II，以旁路空气量为操纵变量。
25
12.2.4 控制器控制规律的选择

非单位反馈化为单位反馈
G1 G 1 G1G2
(G1G2 ) 1 (G1G2 ) 1
G1G2 1 1 (G1G2 ) 1 G2
五、等效移动规则
1、引出点的移动
1）前移 X1
G(S)
X2
X2
X1
G(S) G(S)
X2
X2
在移动支路中串入所越过的传递函数方框 2）后移 X1
G(S)
例11 通过方框图变换求取如下图所示系统的传递函数 G 4( s )
R(s )
+
G1(s )
G 2( s ) G 3( s )
C ( s) G(s) 1 G( s) H ( s)
(b)
结论：称反馈连接等效的传递函数 闭环传递函数 为闭环传递函数。今后，在闭环系 G( s) 统的讨论中，无论结构图多么复杂， ( s) 最终都要等效成上图 (b) 所示的标 1 G(s) H (s) 准 形 式 来 讨 论 。
基于方块图的运算规则

G

Y s
H
2
H1/G R s


G/(1+GH2)

Y s
Y ( s) G H1 G H1 (1 ) R( s) 1 GH 2 G 1 GH 2
例7：试简化系统结构图，并求系统传递函数。
方法2: 引出点前移
H1

Rs


G
Y s
H2
今后在闭环系统的讨论中无论结构图多么复杂最终都要等效成上图b所示的标消去中间变量esbs基于方块图的运算规则非单位反馈化为单位反馈五等效移动规则1引出点的移动2后移在移动支路中串入所越过的传递函数的倒数方框在移动支路中串入所越过的传递函数方框2比较点的移动在移动支路中串入所越过的传递函数的倒数方框在移动支路中串入所越过的传递函数方框相邻综合点之间可以随意调换位置3相邻比较点移动注意

7
【例2.3.1】画出下列RLC电路的方块图。 R L 解：利用基尔霍夫电压定律 ui (t ) 及元件特性可得
di (t ) + uo (t ) ui (t ) = Ri (t ) + L dt
1 u o (t ) = ∫ i ( t ) dt C
i (t )
C
uo (t )
拉氏变换得
⎧U i ( s ) = I ( s ) ⋅ R + Ls ⋅ I ( s ) + U o ( s ) ⎨ Uo ( s ) = I ( s ) / Cs ⎩
9
⎧U i ( s ) = I ( s ) ⋅ R + Ls ⋅ I ( s ) + U o ( s ) ⎨ Uo ( s ) = I ( s ) / Cs ⎩
U i ( s) − U o ( s) ⎧ ⎪I (s) = R + Ls ⎨ I ( s) ⎪U o ( s ) = Cs ⎩
10
U i (s) − U o ( s) I ( s) = R + Ls
（b）第2级运放（RC比例微分放大电路）
du1 u2 = K 2 ⋅ (τ + u1 ), K 2 = R2 / R1 , τ = R1C dt U 2 (s) = τ s + K2 G2 ( s ) = U1 ( s )
20
（c）功率放大器
ua = K 3 ⋅ u2
U a (s) G2 ( s ) = = K3 U 2 (s)
G3
R(s)
a
G1
b
G2 H1
c
C(s)
41
b点后移到c点之后
G3
R(s)
G2
b

⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机

比较熟悉，容易结合实例理解概念。

在第二个小节中涉及到比较多的概念，诸如通道、闭环、传感器、控制器、执行器等，也应结合实际案例进行讲解，避免枯燥的概念学习，使学生能够将抽象的概念与实际相联系，对控制系统框图的绘制有很大帮助作用。

学情分析学生通过前几次课的学习已对控制系统的基本概念与工作过程有了一定的了解，在分析的过程中绘制过框图，同时通过流程章节的学习对流程图有一定的掌握，具有信息传递的基本知识和体验，也具有观察和使用简单控制系统的生活体验，所有这些知识和经验储备，为教学中师生共同进行案例分析归纳画图，提供了学习行为的保障。

由于很多学生之前没有学过电子课，对传感器、控制器、执行器的具体实例没有太多的认识，因此在学习的过程中可能会产生一些困难，因此在教学中可以结合一些关于传感器、执行器的电子知识使学生更好的理解。

板书设计第三节控制系统框图一、水箱水位控制系统二、控制系统框图的绘制方法1．绘制框图方法①按下面的顺序确定系统各个环节a:被控对象b:执行器c:控制器d:反馈环节②确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反馈量和偏差量③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向④加上比较环节三、控制系统框图中通道与环节的作用1．通道及其作用（结合框图说明）2．环节及其作用（1）传感器（2）控制器（3）执行器（4）比较环节教学环节教师活动学生活动设计意图导入环节复习：空调控制系统是开环系统还是闭环系统？回答问题复习开环和闭环的概念，引入框图新课实践一、水箱水位控制系统分析控制系统的工作过程，根据学生描述画出框图在框图中标出各个组成部分及各量的对应名称：传感器，控制器，执行器，输入，输出，偏差，输出量，控制量，反馈量二、控制系统框图的绘制方法1．绘制框图方法①按下面的顺序确定系统各个环节a:被控对象（关键，是具体的事物）b:执行器c:控制器（一般是控制电路）d:反馈环节(仅闭环系统)②确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反馈量和偏差量③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向④加上比较环节2．绘制的技巧我们看图时，一般习惯自左向右看。

一、单回路控制系统1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？2什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。

答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。

简单控制系统的典型方块图如下图所示。

题2 方块图3在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。

下图是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。

被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±）℃。

如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。

题3 图丙烯冷却器（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统的组成方块图。

答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。

（３）该系统的方块图：题3 方块图4反应温度控制系统示意图。

Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。

图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。

试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？题4图反应器温度控制系统答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。

反应器的温度控制系统的方块图：题4方块图5 乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。

为了降低电石消耗量，提高乙炔的收率，确保生产安全，设计了如图所示温度控制系统。

工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。

试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。

题5图乙炔发生器答：乙炔发生器温度控制系统方块图如下图所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。

控制变量

冷物料
热交换器
热物料
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统


被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统


被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
广西大学电气工程学院
简单控制系统示例
广西大学电气工程学院

一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
广西大学电气工程学院
设计中需要注意的有关问题

1．认真熟悉过程特性

深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。

2．明确各生产环节之间的约束关系

生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
广西大学电气工程学院
六、控制系统正常运行的重要准则


控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则

控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
广西大学电气工程学院
广西大学电气工程学院
二、对过程控制系统设计的一般要求

要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。