简单过程控制系统--单回路控制系统的工程设计

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1-2 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<F2→L ↓ → 负偏差→ 输出增大→ 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 系统达到新的平衡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3单回路控制系统方框图R(S)：给定值的拉氏变换式Gc(S)：控制器传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Gm(S) 变送器传递函数U(S)：控制信号的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Gf(S)：对象扰动通道的传函Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(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。

【关键字】系统广东白云学院毕业设计（论文）题目：温度单回路控制系统的设计与实现学生姓名：王春雁学号：08班级: 07电气自动化（1）班专业：自动化所在系: 电子信息工程系指导教师：艾运阶完成日期:温度单回路控制系统的设计与实现摘要对于过程控制系统设计和运行而言，控制方案的选择和调节器参数整定是两个重要的内容。

本文以水箱为控制对象，主要介绍温度检测传感器、温度变送器、智能PID控制器以及可控硅调节器构成温度控制系统的参数选择和设计。

设计过零触发控制器，实现温度控制系统的参数整定和系统的投运。

采用实验方法对PID控制参数进行工程整定，提出该系统合理的水温自动控制系统的实现方法和控制参数整定方法。

关键词：温度控制；PID调节器；参数整定TEMPERATURE SINGLE CONTROL SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATIONABSTRACTFor process control system design and operation is concerned, control scheme selection and regulator parameters setting are two important content. This article based on the water tank for control object , mainly introduces temperature detection sensor, the temperature transmitter, intelligent PID controller and SCR regulator constitute a temperature control system parameter selection and design. Design zero trigger controller, realize temperature control system parameter setting and put the system into operation. Adopt experiment methods PID control parameters for engineering setting, puts forward the reasonable temperature system of the automatic control system realization and control parameter setting method.Keyword: Temperature control ；PID regulator ；Parameters setting目录第一章论绪1．1课题背景及目的目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

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 。

第四节单回路控制系统在热工生产过程控制中，最基本的且应用最多的单回路控制系统，其他各种复杂控制系统都是在单回路系统的基础上发展起来的，而且许多复杂控制系统的整定都利用了单回路控制系统的整定方法，可以说单回路控制系统是过程控制系统的基础。

一、单回路控制系统的组成及初步设计单回路控制系统的组成原理方框图如图3-44所示，它是仅有一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。

图1-26 单回路控制系统组成原理方框图1、被调量的选择在图1-26中，被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。

一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。

但是生产过程中，有些工艺参数目前还没有获得直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。

这种情况下往往采用间接测量手段，如采用磨煤机入口介质的温度来代表原煤的干燥程度。

以间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采取相应的补偿措施。

对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或迟延较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。

为提高测量的灵敏度，减小迟延，应采用先进的测量方法，选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。

2、控制量的选择选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。

例如：火力发电厂锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量，而只能选择燃料量作为控制量。

给定值 调节器 对象被调量 － μ 扰动 扰动 图1-28 单回路调节系统 3、控制通道和扰动通道单回路控制系统的组成如图1-27所示，图中W 01(s )为对象的传递函数，它是包括了检测元件、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；W c (s )为调节器的传递函数，D 为扰动信号，W 02(s )为被调量与扰动信号间的传递函数。

单回路控制系统实验单回路控制系统概述实验三单容水箱液位定值控制实验实验四双容水箱液位定值控制实验实验五锅炉内胆静（动）态水温定值控制实验实验三实验项目名称：单容液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。

2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。

3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。

5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。

二、实验内容和（原理）要求本实验系统结构图和方框图如图3-4所示。

被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。

将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

三、实验主要仪器设备和材料1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。

四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱作为被控对象。

实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。

具体实验内容与步骤按二种方案分别叙述。

（一）、智能仪表控制1．按照图3-5连接实验系统。

将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。

图3-4 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图图3-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。

过程控制系统教案第三章简单的过程控制系统同学们好现在我们开始上课今天我们讲过程控制系统的第三章简单的过程控制系统回顾前两章我们大约了解了过程控制系统通常是石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材，原子能等工业部门生产过程的自动化。

并且熟悉了各个仪表，变量检测及变送。

今天我们就学习过程控制系统的设计内容。

设计方法，设计过程，这章的难点就在于控制方案的确定，pid参数的整定。

简单的过程控制系统也就是单回路控制系统的工程设计。

一般是针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器检测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数的恒定，其输出椰汁控制一个执行机构，从系统的空图看，只有一个闭环回路。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能瞒住不少工业生产的控制要求。

第一节我们主要讲解4个方面：1、对过程控制系统设计的一般要求（安全性稳定性经济性）2、过程控制系统设计过程（建立被控对象的数学模型，选择控制方案，选择设备，实验和仿真）3、过程控制系统设计的主要内容（方案设计工程设计工程安装和仪表调校）4、过程控制系统设计中的若干问题（越限报警与连锁保护，其他系统安全保护对策）举一个图解释这个简单的过程控制系统。

第二节我们主要讲解3个方面：1、过程控制系统的性能指标；（运动中有两种状态。

一种是稳态。

另一种是动态。

）（一）系统阶跃响应的性能指标。

（静态偏差衰减率最大偏差A 过渡过程时间Ts）（二）偏差积分的性能指标是以目标函数形式表示的，属于综合指标。

2、被控参数的选择（直接参数法间接参数法）3、控制参数的选择（过程静态特性的分析过程动态性能的分析）1 / 1。