6-2单回路过程控制系统及控制方案设计

单回路过程控制系统设计

过程控制工程

第六章

单回路控制系统6.2

单回路控制系统 及控制方案设计

单回路过程控制系统设计

单回路过程控制系统的概念

单回路过程控制系统亦称简单过程控制系统， 简称单回路系统。 单回路过程控制系统是指针对一个被控过程 (调节对象),采用一个测量变送器监测被控 过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒 定或在很小范围内变化，其输出也只控制一个 执行机构(调节阀)。

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单回路过程控制系统的概念

从系统的框图看，系统只有一个闭环回路。

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单回路过程控制系统的概念

单回路过程控制系统示例 ──换热器温度控制系统

被控参数 物料出口温度 控制参数 加热剂流量

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单回路过程控制系统的概念

单回路过程控制系统示例 ──水泵压力控制系统

被控参数 水泵出口压力 控制参数 回流量

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单回路过程控制系统的概念

单回路过程控制系统示例 ──贮罐液位控制系统

被控参数 贮罐液位 控制参数 出口流量

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单回路过程控制系统的概念

单回路系统的特点 结构简单，投资少，易于调整和投运，能满 足大多数工业生产过程的控制要求。 单回路系统应用十分广泛，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，或者对被控质量要求不高的场合，约占目 前工业控制系统的80%以上。 单回路系统的分析、设计方法是其它各种复杂 过程控制系统分析、设计的基础。

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单回路系统的控制方案设计

对于过程控制系统的工程设计与应用来说，控 制方案的设计是核心。 单回路系统的系统结构已确定，控制方案设计 所包含的内容是：

依据生产工艺要求合理选择系统性能指标，合理选 择被控参数和控制参数 合理选择控制装置及控制规律 测量变送装置、执行器(调节阀)的选择

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被控参数的选择

被控参数，又称被控变量、被控量。 选择被控参数是控制方案设计中的重要一环， 对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节能、 改善劳动条件、保护环境卫生等具有决定性意 义。 若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控 制系统，选用多么先进的过程检测控制装置， 均不能达到预期的控制效果。

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选择被控参数的意义

根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产 品的产量和质量、安全生产、经济运行、环境 保护等具有决定性作用，能较好反映工艺生产 状态变化的参数，这些参数又是人工控制难以 满足要求，或操作十分紧张、劳动强度很大， 客观上要求进行自动控制的参数作为被控参数。

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被控参数的选择方法

被控参数的选择一般有两种方法，一是直接参 数法，二是间接参数法。 直接参数法

选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于 测量的参数作为被控参数。 选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数 有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数。 当选择直接参数有困难时，如直接参数检测很困难 或根本无法进行检测，可采用间接参数法。

间接参数法

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被控参数的选择方法

例：精馏塔 精馏塔是利用混 合物各成分挥发 度不同，将混合 物分离成较纯组 分产品或中间产 品的设备。

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被控参数的选择方法

精馏过程要求产品达到规定的纯度，并希望在 额定生产负荷下，尽可能地节省能源。 塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应选作被控 参数，因为它最直接地反映了产品的质量。 但目前对成分的测量尚有一定的困难。 一般采用塔顶(或塔底)温度代替浓度作为被 控参数。

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选取被控参数的一般原则

优先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高的灵敏度。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性。 必须考虑过程检测控制仪表及装置的现状。

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控制参数的选择

在正确选择被控参数后，就要确定构成一个怎 样的控制回路。 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。 控制参数又称控制变量、控制量、操纵变量。

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选择控制参数的意义

扰动量对被控参数的作用通道称为扰动通道； 控制参数对被控参数作用的通道称为控制通道。 扰动量通过扰动通道对被控参数产生影响，使 被控参数偏离给定值。 控制作用通过控制通道对被控参数起主导影响， 抵消扰动影响，以使被控参数回复到给定值。 确定一个控制回路，实质上就是选择控制参数 的问题。

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选择控制参数的意义

在有的生产过程中，控制参数的选择是很明显 的，是唯一确定的。 但是在有的生产过程中，可能有几个控制参数 可供选择，这就要通过分析比较不同的控制通 道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出 合理的选择。 正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的 问题。

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过程静态特性的分析

单回路控制系统的框图如图所示

Wc(s)为控制器与执行机构的传递函数 Wo(s)为控制通道的传递函数 Wf(s)为扰动通道的传递函数 并设 K T0

s 1 Wc s K c Kf W f s T f s 1 0

Wo s

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过程静态特性的分析

被控量Y(s)对扰动F(s)的闭环传递函数为

To s 1 K f Y s F s To s 1 T f s 1 K o K c T f s 1

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过程静态特性的分析

由于系统是稳定的，所以在阶跃扰动作用下， 系统稳态值可应用终值定理求得Y lim Y t lim st s 0

s To s 1 T f s 1 K 0 K c T f s 1

K f To s 1

Kf 1 Ko Kc

过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响， 是选择控制参数的一个重要依据。

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扰动通道静态放大系数Kf 对控制质量的影响

扰动通道静态放大系数Kf愈大，则系统的稳 态误差也愈大，这表示在相同的阶跃扰动作 用下，将使被控参数偏离给定值愈大，显著 地降低控制质量。 扰动通道静态放大系数Kf对控制质量影响的 仿真

仿真条件：To=10s,τo=2s,Ko=1 Tf=5s,τf=1s

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dmo1.html