单回路控制系统设计

第三章 单回路控制系统过程控制与工程 黄 勋

本节主要内容单回路控制系统的概念及其构成； 被控变量与操纵变量的选择； 控制系统各个环节的影响； 调节器调节规律 系统参数的整定 控制器作用方向

简单控制系统的定义与组成

由一个测量仪表(测量元件、变送器)、一个控制器 和一个执行机构所组成的控制一个对象参数的(单闭 环)控制系统特点：简单、易于分析设计、投资少、便于施工 简单控制系统是构成复杂控制系统的基本单元

简单控制系统设计步骤 了解被控对象特性 工艺过程、设备确定控制方案

1.合理选择被控变量；2.选择操纵变量； 3.检测变送元件，检测位臵； 4.执行器； 5.调节器；控制规律； 6.参数整定

被控变量的选择

生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定 规律变化)的变量称为被控变量。 合理选择被控变量的重要性： 对产品的产量、质量及安全具有决定性的作用。 直接指标控制 间接指标控制

被控变量的选择基本原则1)被控变量能代表一定的工艺操作指标或能反映工 艺操作状态。生产过程中希望保持在定值地过程参 数；但在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响 而变化。 2)被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏 度；必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状； 3)尽量采用直接指标作为被控变量。 4)被控变量应是独立可控的。

精馏过程被控变量的选择

假定该精馆塔的操作是要求塔顶(或塔底)馏出物达到 规定纯度，那么塔顶(或塔底)馏出物的组分应作为被 控变量，因为它就是工艺上的质量指标。 如果检测塔顶馏出物的组分有困难，或滞后太大。 在与馏出物的组分有关的参数中找出合适参量作为 被控变量，进行间接指标控制

精馏过程被控变量的选择当温度TD 恒定时, 组分ZD和压力p之间也存在着单值 对应关系。

精馏过程被控变量的选择当压力恒定时, 组分ZD和温度TD之间存在有单值对 应的关系 。

在温度和压力中，应选哪一个参数为被控变量呢？常常选择温度作为被控变量。 1.在精馏塔操作中，压力需要固定。 塔压波动使塔处于不良工况。 随着压力的变化，还会引起与之相关的其他物料量 的变化。

2.在塔压固定的情况下，精馆塔各层塔板上的压力基 本上是不变的：各层塔板温度与组分之间就有一定的 单值对应关系

被控变量的独立性

塔顶温度控制系统与塔底温度控制系统 塔顶的温度与塔底的温度之间存在关联问题。两个 系统都不能正常工作。 采用简单控制系统时，通常只能保证塔顶或塔底一 端的产品质量。

从上面举

例中可以看出，要正确地选择被控变量，必 须了解工艺过程和工艺特点对控制要求，仔细分析各 变量之间的相互关系，才能正确的选择被控变量。

操纵变量的选择操纵变量： 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影 响，调节被控变量的参数，实现控制作用的变量称为 操作变量。 最常见的操纵变量： 介质的流量、转速、电压 液位控制系统，其操纵变量是出口流体的流量； 温度控制系统，其操纵变量是载热体的流量。

操纵变量的选择原则

1.操纵变量应是可控的，必须是工艺上允许调 节的变量。 2.符合工艺的合理性和生产的经济性；禁止采 用负荷作为被控变量，因为生产负荷直接关系 产品的产量。 3.操纵变量应具有较高的调节灵敏度。 4.为使其它干扰对被控变量的影响减小。

对象静态特性的影响(控制通道和干扰通道的放大系数)

选择操纵变量时，希望控制通道的放大系数要大 些，表征了操纵变量对被控变量的影响程度。

k越大，表示控制作用对被控变量越显著，使控制作用更为有效。 另一方面，对象干扰通道的放大系数。 Kf越小越好。 kf小，表示干扰对被控变量的影响不大。

对象动态特性的影响(控制通道时间常数)

精馏塔提馏段温度控制中，由于回流量对提馏段的 通道长，时间常数大，而加热蒸汽量对提馏段温度 影响的通道短，时间常数小。 控制通道的时间常数不能过大，否则会使操纵变量 的校正作用迟缓，超调量增大、过渡时间长。

对象动态特性的影响(控制通道纯滞后τ0)

控制通道的物料输送或能量传 递都需要一定的容器，造成的 纯滞后几对控制质量是有影响 的。 可见纯滞后使超调量增大；振 荡加剧 ，以致时间变长， 稳 定性变差。

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