D C S单回路控制系统
设计
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。
●工程设计：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。
●工程安装和仪表调校
●调节器参数工程整定：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。
●被控参数必须具有足够大的灵敏度。
●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。
2.控制参数的选择
➢需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。
➢当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。
✧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
控参数偏离给定性
✧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，以使被控参数尽力维持在给定值。
➢在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。
➢可由过程静态特性的分析（扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o）、过程扰动通道动态特性的分析（时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置）、过程控制通道动态特性的分析（时间常数T o、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）确定各参数选择原则。
➢根据过程特性选择控制参数的一般原则：
●控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数K o要适当大
一些，时间常数T o要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好，在有纯
时延τ0的情况下，τ0与T o之比应小—些（小于1），若其比值
过大，则不利于控制。
●扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数K f应尽可能
小。时间常数T f要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程
（即靠近调节阀）。容量时延τc愈大则有利于控制。
●时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶
环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错
开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小
第二、第三个时间常数。
●注意工艺操作的合理性、经济性。
3.系统设计中的测量变送问题
➢ 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系
统设计提供准确的控制依据。
➢ 测量和变送环节的描述：
s m m m m e s T K s W τ-+=1
)( ➢ 参数选择原则：减小T m 和τm 均对提高系统的控制质量有利。若T m
较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大K m 。 ➢ 系统设计测量和变送中涉及的问题：
● 信号滤波
● 信号处理
● 纯时延问题
● 测量时延问题
● 信号传送时延问题：
信号传递时延将降低控制质量。对比可采取以下改善措施：
i. 若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气
压信号的传送距离．
ii. 若调节器输出为气压信号，可在50～60 m 距离间，装一继动
器，提高气压信号的传输功率，以减小传递时间。
iii. 若调节器输出为电信号，应将转换器安装在调节阀附近，或采用
电气阀门定位器。
4. 调节阀（执行器）的选择
