(优选)第三节单回路控制系统
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单回路控制系统详解
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 。
热工控制系统课堂ppt_第四章单回路控制系统
1 m
根据上述关系式就可计算出具有相对稳定度为m时调节器比例
带 值。如系统希望有 ＝0.75的衰减率，即m＝0.221时，调节
器整定计算如下：
由式4-6知：
tg
1
1
m
tg
1
0.
1 221
1.
35
代入4-6中:
1
1 m2 e m
1.35 1 0.2212
e 0.2211.35
1
即：
2、采用比例积分调节器
临界比例带又称边界稳定法，要点:将调节器先设置成纯 比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变， 直到系统产生等幅振荡为止，记下此状态下的比例带值，
即临界比例带K，以及振荡周期TK ，然后根据经验公式计
算出调节器的各个参数。
可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，可直 接在闭环系统中进行参数整定。
如：磨煤机入口原煤干燥程度测量----用磨煤机入口介质温度 来代表原煤的干燥程度。
用间接参数作为系统被调量，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，否则采取相应补偿措施。
有些参数虽然能直接测量，但信号微弱或迟延较大，则不如选 用间接参数作为系统的被调量。
(2)为提高测量的灵敏度、减小迟延，应采用先进测量方法， 选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。
临界比例带法的具体步骤是： （1）将调节器的积分时间置于最大，即Ti ；置微分时间
２、控制通道
控制通道的时间常数T 如果↑，系统工作频率↓，反映速度↓ ， 过渡过程的时间将↑ 。
时间常数T过小,系统反映则过于灵敏,又使系统稳定下降。 即:在保证控制系统有一定稳定程度下，应尽量减小控制通道时 间常数。
单回路控制系统方案
第五章单回路控制系统设计⏹本章提要1.过程控制系统设计概述2.单回路控制系统方案设计3.单回路控制系统整定4.单回路控制系统投运5.单回路控制系统设计原则应用举例⏹授课内容第一节过程控制系统设计概述单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。
➢单回路反馈控制系统组成方框图：简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
➢过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。
➢过程控制系统设计的一般要求：●过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。
●系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。
➢过程控制系统设计的基本方法：设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。
➢过程控制系统统设计步骤：●建立被控过程的数学模型●选择控制方案●建立系统方框图●进行系统静态、动态特性分析计算●实验和仿真➢过程控制系统设计的主要内容：控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
●项目设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
●项目安装和仪表调校●调节器参数项目整定：保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计1.被控参数的选择➢选取被控参数的一般原则为：选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。
●当不能用直接参数作为被控参数时，应该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。
§3单回路控制系统
§3单回路控制系统基本要求1了解简单控制系统的结构、组成及作用2掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则 3了解各种基本控制规律的特点及应用场合 4掌握控制器正、反作用确定的方法 5掌握控制器参数工程整定的方法6掌握调节阀气开、气关型式的选择原则（方法）§3.1概述基本结构框图：P139环节：被控过程、测量变送器、调节器、调节阀 单回路控制系统占控制回路的85%以上应用十分广泛。
一．过程控制系统设计的一般要求 安全、稳定、经济二．过程控制系统设计步骤 1．建立被控过程数学模型 2．选择控制方案 3．控制设备选型4．实验和仿真三．过程控制系统设计的主要内容 方案设计---核心工程设计：仪表、计算机选型，操作台、供电供气系统设计，信号及连锁保护 工程安装和仪表调校： 调节器参数整定：最佳状态 四．系统设计中的若干问题一．系统的基本结构 基本结构框图：P139环节：被控过程、测量变送器、调节器、调节阀 信号：输入输出关系：)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(000s 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 v f m v v +++=单回路控制系统占控制回路的85%以上应用十分广泛。
二．系统设计的主要内容系统设计的主要内容：包括系统方案设计、工程设计、工程安装与仪表调较以及调节器参数整定等主要内容。
控制系统方案设计和调节器参数整定是系统设计中的两个核心内容。
（本章将详细介绍这两个问题。
）控制系统方案设计包括：（1）合理选择被控参数和控制参数，（2）被控参数的获取与变送，（3）调节器正、反作用方式的确定及其控制规律的选择，（4）调节阀的选择等。
§3.2控制方案设计一．被控参数的选择选择基本原则：根据工艺要求，分析工艺过程，找出对产品的产量和质量、安全生产、经济运行、节能和环保等具有决定性作用、并且可以测量的工艺参数作为被控参数（直接参数）。
第三章单回路控制系统-2012
(4)根据单回路控制系统方框图，可知闭环系统的输
入与输出关系式是：
R(S)+ E(S) -
Gc(s)
U(S)
Gv(s)
F(S)
Gf(s) Q(S) Go(s)
+ + Y(S)
X(S)
Gm(s)
Y(S)=1+GCG(SC()SG)VG(SV()SG)oG(So()SG)M(S)
R(S)+
GF(S)
F(S)
➢ 所选的间接指标参数必须有足够大的变化 灵敏度，以便反映产品质量的变化。
➢ 在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理 性和国内、外仪表生产的现状 。
第三节 操纵变量（控制参数）的选择
3.3.1 控制参数选择的意义
扰动作用：
由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。
控制作用：
由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，使被控参数尽力维 持在给定值。
s
e f s
对上式进行拉氏反变换，系统在单位阶跃干扰作用下，被控量的时间响应
y t y'(t d0)
扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平 移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统 的控制质量。
Kf
Tf
n
扰动作用点位置对控制质量的影响
f1
1#
LC
f2
2# f3
3#
LT
因此，选择控制参数时，应力求使干扰信号远离被控量的检测点。
几点说明：
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。
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” 控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量 Y(S)的变化来确定 Q(S) Y(S) 增益为“正”,反之为“负”
第3章单回路控制系统-2
Z(s) Km Z(s) TD =Tm (TDs +1) → = =Km Y(s) Tms +1 Y(s)
信号传送滞后的影响
信号传送滞后指：信号在管道中传送所引起的滞后。 可分为测量信号传送滞后和控制信号传送滞后。
** 减小气动信号传送距离。 ** 尽可能采用电信号进行传输。
测量信号的处理
u(t) = KC ⋅ e(t) + KC ⋅TD ⋅
u (t ) = K C {e(t ) + TD
de(t) 有差，控制作用提前 dt
无差
比例积分微分控制
de(t ) 1 + ∫ e(t ) dt} dt TI
（2）控制器参数对系统动态特性的影响
F(s) X(s) E(s) Y(s) WC(s) WO(s)
1 b.当 WC (s) = KC (1+ ) 时， e(∞) =0 TI s
c.当WC(s)=KC(1+TDs)时，e(∞)∝1/KP 当存在积分环节时，e(∞)=0,即是无差的。 当存在积分环节时， 思考：为什么P和PD控制都是有差的？
各种控制规律的比较
控制规律 传递函数 控制器输出 特点
比例控制
1）测量信号的校正 测量值要考虑是否受到其他参数的影响，否则要考 虑测量条件，进行校正。 如：蒸汽流量受温度、压力影响大，需对测量信号 进行温度、压力校正。 2）对测量信号噪声进行滤波（低通） 有些测量元件会有噪声迭加于信号中，需要进行滤 波去除。 3）非线性信号进行线性化处理 如：热电阻测温度是非线性关系，一般用查表法获 得温度。如果配用DDZ-III型温度变送器，输出已经 线性化了。
WC (s) = KC
WC ( s ) = K C ⋅ 1 K = I TI s s
信号传送滞后的影响
信号传送滞后指：信号在管道中传送所引起的滞后。 可分为测量信号传送滞后和控制信号传送滞后。
** 减小气动信号传送距离。 ** 尽可能采用电信号进行传输。
测量信号的处理
u(t) = KC ⋅ e(t) + KC ⋅TD ⋅
u (t ) = K C {e(t ) + TD
de(t) 有差，控制作用提前 dt
无差
比例积分微分控制
de(t ) 1 + ∫ e(t ) dt} dt TI
（2）控制器参数对系统动态特性的影响
F(s) X(s) E(s) Y(s) WC(s) WO(s)
1 b.当 WC (s) = KC (1+ ) 时， e(∞) =0 TI s
c.当WC(s)=KC(1+TDs)时，e(∞)∝1/KP 当存在积分环节时，e(∞)=0,即是无差的。 当存在积分环节时， 思考：为什么P和PD控制都是有差的？
各种控制规律的比较
控制规律 传递函数 控制器输出 特点
比例控制
1）测量信号的校正 测量值要考虑是否受到其他参数的影响，否则要考 虑测量条件，进行校正。 如：蒸汽流量受温度、压力影响大，需对测量信号 进行温度、压力校正。 2）对测量信号噪声进行滤波（低通） 有些测量元件会有噪声迭加于信号中，需要进行滤 波去除。 3）非线性信号进行线性化处理 如：热电阻测温度是非线性关系，一般用查表法获 得温度。如果配用DDZ-III型温度变送器，输出已经 线性化了。
WC (s) = KC
WC ( s ) = K C ⋅ 1 K = I TI s s
3单回路控制系统PPT教学课件
KP变化，且随Q增大
反而减少，则应选对数
y 负荷线 R
负荷改变
(或抛物线/或蝶阀)流量 特性；
KP变化，且随Q增大
反而增大，则应选快开 流 量 特 性第2；5页/共72页
Q 直线
l
Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
25
数学分析法选控制阀流量特性注意事项
不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可 能是不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移 动的主要干扰来选取控制阀流量特性；
采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性， 考虑到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而 不适合于连续自动调节，此时可用线性阀代替；
生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还 需考虑配管条件等对流量特性的影响。
26
第26页/共72页
经验法：按控制对象选择流量特性
27
第27页/共72页
3.3.1.3 控制阀流量特性选择注意事项
应根据主要干扰的变化来选择阀门特性；
当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性 可用解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增 量化前的方程】；
要求高时，应从动态角度考虑与分析；
控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性
恒定，为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满
足此要求。如节流装置测流量，配开方器，用线性控制
3.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求
• 任务: 对被控量进行正确测量，并将其转换为标 准信号。
• 要求: 能正确、及时地反映被控量的状况，提供 操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依 据。
11
第11页/共72页
3.3.2 检测变送环节特性
反而减少，则应选对数
y 负荷线 R
负荷改变
(或抛物线/或蝶阀)流量 特性；
KP变化，且随Q增大
反而增大，则应选快开 流 量 特 性第2；5页/共72页
Q 直线
l
Q
对数/抛物 线/蝶阀
l
Q 快开
l
25
数学分析法选控制阀流量特性注意事项
不同扰动引起的对象变化，要求补偿用的流量特性可 能是不一样，甚至是相反的，所以应根据引起工作点移 动的主要干扰来选取控制阀流量特性；
采用分析推理方法得到的流量特性有时为快开特性， 考虑到快开特性特点，一般用于双位控制或程序控制而 不适合于连续自动调节，此时可用线性阀代替；
生产实践中，通常阀前后压差是变化的，故选择时还 需考虑配管条件等对流量特性的影响。
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经验法：按控制对象选择流量特性
27
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3.3.1.3 控制阀流量特性选择注意事项
应根据主要干扰的变化来选择阀门特性；
当对象特性可用图形表示时，用图解法选；而当特性 可用解析式表示时用解析法选【注意对象特性必须是增 量化前的方程】；
要求高时，应从动态角度考虑与分析；
控制阀流量特性的选择是使系统总的幅频与相频特性
恒定，为此亦可通过选择控制器或检测变送环节特性满
足此要求。如节流装置测流量，配开方器，用线性控制
3.3.1 检测及变送环节任务、作用及要求
• 任务: 对被控量进行正确测量，并将其转换为标 准信号。
• 要求: 能正确、及时地反映被控量的状况，提供 操作人员判断生产工况和系统进行控制作用的依 据。
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3.3.2 检测变送环节特性
单回路控制系统课件
对工艺流程进行分析，了解工艺 参数之间的关系以及工艺参数的
变化范围。
控制要求分析
对控制要求进行分析，明确控制目 标和控制参数，以及控制参数的允 许变化范围。
控制方案制定
根据工艺流程和控制要求分析结果 ，制定合适的控制方案，包括控制 策略和控制算法等。
03 单回路控制系统的实现
控制算法的实现
开环控制算法
05 单回路控制系统的优化与改进
控制策略的优化
总结词
控制策略的优化是提高单回路控制系统性能的关键步骤。
详细描述
通过调整控制器的参数、改变控制算法或采用先进控制策略 ，如模糊控制、神经网络控制等，可以改善系统的动态性能 和稳态精度，提高系统的抗干扰能力和鲁棒性。
硬件设备的升级与改进
总结词
硬件设备的升级与改进是提高单回路控 制系统性能的重要手段。
干扰。
02 单回路控制系统的设计
控制器设计
01
02
03
控制器类型选择
根据控制要求和工艺特性 ，选择合适的控制器类型 ，如比例控制器、积分控 制器、微分控制器等。
控制算法设计
根据控制要求，设计合适 的控制算法，如PID控制 算法、模糊控制算法等。
控制器参数整定
根据系统特性和控制要求 ，对控制器参数进行整定 ，以获得最佳的控制效果 。
该算法基于设定值与实际输出值 的偏差进行控制，通过调节控制 阀或电机等执行机构来减小偏差 。
闭环控制算法
闭环控制算法通过负反馈机制， 将系统输出值与设定值进行比较 ，并据此调整控制阀或电机等执 行机构，以减小偏差。
控制程序的编写与调试
编程语言选择
根据控制系统的需求和开发环境 ，选择合适的编程语言，如C、C
变化范围。
控制要求分析
对控制要求进行分析，明确控制目 标和控制参数，以及控制参数的允 许变化范围。
控制方案制定
根据工艺流程和控制要求分析结果 ，制定合适的控制方案，包括控制 策略和控制算法等。
03 单回路控制系统的实现
控制算法的实现
开环控制算法
05 单回路控制系统的优化与改进
控制策略的优化
总结词
控制策略的优化是提高单回路控制系统性能的关键步骤。
详细描述
通过调整控制器的参数、改变控制算法或采用先进控制策略 ，如模糊控制、神经网络控制等，可以改善系统的动态性能 和稳态精度，提高系统的抗干扰能力和鲁棒性。
硬件设备的升级与改进
总结词
硬件设备的升级与改进是提高单回路控 制系统性能的重要手段。
干扰。
02 单回路控制系统的设计
控制器设计
01
02
03
控制器类型选择
根据控制要求和工艺特性 ，选择合适的控制器类型 ，如比例控制器、积分控 制器、微分控制器等。
控制算法设计
根据控制要求，设计合适 的控制算法，如PID控制 算法、模糊控制算法等。
控制器参数整定
根据系统特性和控制要求 ，对控制器参数进行整定 ，以获得最佳的控制效果 。
该算法基于设定值与实际输出值 的偏差进行控制，通过调节控制 阀或电机等执行机构来减小偏差 。
闭环控制算法
闭环控制算法通过负反馈机制， 将系统输出值与设定值进行比较 ，并据此调整控制阀或电机等执 行机构，以减小偏差。
控制程序的编写与调试
编程语言选择
根据控制系统的需求和开发环境 ，选择合适的编程语言，如C、C
单回路控制系统
J ITAE et dt
0
对存在余差的系统，采用
作为误差项代入。
采用不同积分指标，所获得的过渡过程的性能要求也不同。
例如，ISE最小的系统着重于抑制过渡过程中的大误差，但衰减比很大；
ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间过长，但过渡过程振荡激烈。
误差积分指标不能都保证控制系统具有合适的衰减比。
3.1 单回路控制系统的结构与组成 控制系统的有关术语
控制通道：操纵变量到被控变量的通道。 扰动通道：扰动变量到被控变量的通道。
扰动影响被控变量或设定值变化时，通过控制通道调节。 改变操纵变量，克服扰动对被控变量的影响或跟随设定变化。
定值控制系统：设定值固定的控制系统。 随动控制系统：被控变量跟随设定值变化的控制系统。 采样控制系统：包含采样开关的控制系统。如，计算机控制
（2）绝对误差积分准则IAE（ Integral of Absolute Value of Error Criterion ）：
（3）时间乘绝对误差积分准则ITAE（ Integral of Time Multiplied by The Value
of Error Criterion ）：
f e, t e t;
控制器（Controller）：根据设定值与测量值间的偏差， 按控制规律输出信号的设备；
执行器（Control Valve）：接受控制器输出信号，控制操 纵变量的设备。
3.1 单回路控制系统的结构与组成 控制系统的有关术语
框图中的各个信号是增量。箭头表示信号流向，不是物流和能量流。 各环节增益的正负根据稳态条件下输出增量与输入增量之比确定。该环 节输入增加时，输出增加，增益为正；输出减少，增益为负。 常用执行器、被控对象和检测变送环节组成广义对象，用G0(s)表示。 该环节增益除以该物理量基准值表示为无量纲描述。控制器输入和输出 采用标准信号时，广义对象增益是无量纲的。
第3章 单回路控制系统
当温度TD 恒定时， 组分XD和压力P之间也存 在单值对应关系，如图 3-5 所示。
在温度 TD 和压力P两者之间，只要固定其中一个 参数，另一个就可作为间接参数来反映组分XD的变化。 大量经验证明，塔压力的稳定有利于保证产品的纯 度，提高塔的效率和降低操作费用。因此，固定塔压， 选择温度作为被控变量对精馏塔的出料组分进行间接指 标控制是可行的，也是合理的。
二、控制器正、反作用的确定 工业控制器一般都具有正作用和反作用两种工作方 式。 控制器的输出信号随着被控变量的增大而增加时， 控制器工作于正作用方式； 控制器输出信号随着被控变量的增大而减小时，控 制器工作于反作用方式。 控制器设置正、反作用的目的是为了适应对不同被 控对象实现闭环负反馈控制的需要。 控制器正、反作用的选择并不是一项困难的工作。 下面介绍的判别准则具有普遍的指导作用。
阀流量特性选择，见表3-1。
二、执行器开、闭形式的选择 气动执行器有气开和气关两种工作方式。 在控制系统中，选用气开式还是气关式，主要由具 体的生产工艺来决定。 提供几条原则作为选择的依据。 1、首先要考虑生产的安全。 2、有利于保证产品的质量。 3、有利于降低原料成本和节能。 选择时需注意两点： 1.按照上述原则选择开闭形式可能会得出相互矛盾的结 果。在这种情况下，首先考虑生产的安全性。 2.由于工艺要求不同，同一个执行器可以有两种不同的 选择结果。
在整个系统中各信号的传递关系可以用图3-2 所示的方块图表示。
单回路控制系统是按负反馈的原理根据偏差进行 工作的，组成自动化装置各环节的设备数量均为一个， 它们与被控对象有机地构成一个闭环系统。 单回路控制系统具有结构简单、工作可靠、所需 自动化工具少、投资成本低、便于操作和维护等优点， 是目前研究最多也是最为成熟的过程控制系统，适用 于对象的纯滞后和惯性较小、负荷和干扰的变化都不 太频繁和剧烈、控制品质要求不是很高的应用场合。
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D2 (S )
W02(S) W03(S)
D3 (S )
W03(S)
WV (S) W01(S) W02(S) W03(S)
H(S)
Y (S )
（2）过程控制通道的动态特性对控制质量的影响
可控性指标：
影响系统控制性能指标 的参数可归结为 K（K K0 Kc）和， K越大，则余差越小； 越大，则过渡过程越快 。
结论：
扰动引入系统的位置离 被控参数越近，对其影 响越大。
干扰从不同的位置进入控制系统
X (S)
D1(S)
D2 (S )
Wc (S) (S ) W012(S)
Y (S ) W03(S)
等效于：
X (S)
Wc (S)
H(S)
D1(S)
W01(S) W02(S) W03(S)
• 当不能用直接参数作为被控量时，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。 • 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪
表的性能。
二、控制参数（操纵量）的选择
以控制质量为依据，通过对过程静态特性、动态特性 的分析，讨论控制参数选择的一般原则。
2、选择的方法 (1) 选直接参数
即能直接发映生产过程产品质量和产量，以及安全运行 的参数。(如锅炉的水位、蒸汽的温度等。)
(2) 选间接参数 当选直接参数有困难时采用。 例：在化工生产中常用精馏塔将混合物分离为较纯组成的 产品或中间产品 控制目标（直接参数）： 纯度 或 浓度
xD f (TD，P)
W0(S) Y(S)
WC (S)—调节器的传递函数 WV (S)—调节阀的传递函数 W0 (S)—被控过程的传递函数 Wm (S)—测量变送器的传递函数
二、正作用、反作用
根据控制论可知：对于反馈控制系统，要使系统能够稳 定地工作，必须要构成负反馈。
即：系统的开环放大倍数必须为负。
正作用：输出信号随输入信号的增大而增大；（放大倍数为正） 反作用：输出信号随输入信号的增大而减小；（放大倍数为负）
调节器的正作用：输出信号u随着被控量y的增大而增大；
调节器的反作用：输出信号u随着被控量y的增大而减小；
前例中： 执行器 气开式 + 气关式 -
液位过程 q1 h +
+
检测变送
+
+
则 调节器
-
+
对上例进行改动
其结构图如下：
f (t)
设定值
e 液 位 控 制 器 u 执 行 阀 q2 液 位 过 程 实 际 液 位
（1）过程扰动通道的动态特性的对控 制质量影响
时间常数 T f 的影响： 当X（S） 0时，
Y (s)
Wf (s)
F (s) 1 Wc (s)W0 (s)
结论：
Kf
1
Tf
(S
1 Tf
)1 Wc (s)W0 (s)
Wf (S)为一阶惯性环节，它对扰动F（S）有滤波作用，
能够抑制扰动对被控参数的影响；而且扰动通道的时间常
K f (T0s 1)
s0 s[(T0s 1)(Tf s 1) KcK0 (Tf s 1)]
Kf 1 KcK0
结论：
K f 越小，扰动对被控参数 的影响越小；
控制通道的静态放大系数K
K C
K0越大，控制作
用越灵敏，克服扰动的能力越强；
K0的变化可以通过调节KC进行补偿，但其乘积要保持 不变。
2、过程动态特性的分析
3、根据过程特性选择控制参数的一般原则 （P164）
数Tf 越大，容积越多，控制质量越好。
延迟时间 f 的影响： 当扰动通道的传递函数为Wf (S)e f S时，
Y (s) W f (s)e f S F (s) 1 Wc (s)W0 (s) 结论： 扰动通道的延迟时间不影响系统的控制质量，
仅使系统的响应曲线推迟 f。
扰动作用点的位置： 见下页图
检测变送器
上例中： 执行器
液位过程 检测变送 则 调节器
气开式 + q2 h -
+ +
气关式 + -
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§5.2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数（被控量）的选择
1、选择的意义（P157）
• 是控制系统设计的一个重要内容。 • 恰当的选择对于稳定生产、提高产品产量和质量、节能、 改善劳动条件保护环境卫生等具有决定性意义。 • 若选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选择多么先 进的过程检测控制仪表，都不能达到预期的控制效果。
（优选）第三节单回路控制 系统
从结构图我们可以看出：单回路控制系统是最简单、最 基本、最成熟的一种控制方式。
单回路控制系统根据被控量的类型可分为：温度单回路 控制系统、压力单回路控制系统、流量单回路控制系统等。
单回路控制系统方框图的一般形式如下：
F(S)
X (S) Z(S)
WC (S)
WV (S) Wm (S )
衡量被控过程控制难易程度的指标，称为可控性指标。
Kmax （K
K0
K
）
c
c
控制通道的影响：
控制通道的时间常数太大，控制不及时；时间常数太小，
容易导致系统振荡，甚至系统不稳定。
控制通道的延迟环节对控制效果不利。
过程的时间常数匹配： 在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常数
数值错开，减小中间的时间常数，可以提高可控性指标。
则被控量对扰动的闭环传递函数为：
Y (s)
Wf (s)
F (s) 1 Wc (s)W0 (s)
.........
K f (T0 s 1)
(T0s 1)(Tf s 1) Kc K0 (Tf s 1)
由于系统是稳定的，则在单位阶跃扰动下系统的稳态值为：
y() lim y(t)
t
lim s
浓度
温度 压力
由于压力P不仅与分离纯度有关，而且影响塔的工作 效率以及经济性，因而选择温度为间接参数。
间接参数的选择原则（P158）
• 必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。 • 间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 • 间接参数要有足够的灵敏度。
3、选择被控参数的一般原则（P158）
• 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护具有决定作用的、可直接测量的工艺参数为被控量。
控制通道克服扰动的能力强，动态响应比扰动通道快。
1、过程静态特性的分析 设单回路控制系统的框图如下图所示：
X (S)
F(S) Wc (S)
Wr (S) W0 (S )
Y (S )
设传递函数分别为：
调节器： Wc (s) Kc
扰动通道：W
f
(s)
K Tf s
f
1
被控过程：
Wo
(s)
Ko Tos 1