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1.1.1单回路控制系统设计
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。
5－１
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Kf、控制通道静态放大倍数
Ko）、过程扰动通道动态特性的分析（时间常数Tf、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To、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Ko要适当大一些，时间
常数To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To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Kf应尽可能小。时间常
数Tf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：
5－２
Wm(s)?Kme??ms
Tms?1? 参数选择原则：减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm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Km。 ? 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
? 调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器
? 调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要
求调节阀开度处于15％～85％之间。
? 调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。
? 调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的
特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。
5. 调节器控制规律的选择
? 目的：为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能
满足生产工艺对控制质量指标的要求。 ? 调节器PID控制规律对控制质量的影响：
? 当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／To很小)，引入微分作
用其效果良好。此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（PI）作用较差。
? 当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均
要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。
? 当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满
足工艺要求，需采用其他控制方案。
? 调节器控制规律的选择原则：
5－３
根据
?0比值选择控制规律： T0?
?0?0.2时，选用比例或比例积分控制规律； T00.2??
?0T0?1时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；
?
?0T0?1时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，
采用其他控制方式。
根据过程特性选择控制规律：
? 比例控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较
小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。
? 比例积分控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，
负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。 ? 比例微分控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性
增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。
? 比例积分微分控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量
滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。
6. 调节器正、反作用的确定
? 正作用-----指调节器的输出随着正偏差(指测量值大于设定值)的增加而
增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。
? 反作用-----指调节器的输出随着正偏差的增加而减小，即调节器的输出
随着测量值增大而减少。
? 调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形
式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。 ? 控制系统各环节的极性的规定：
? 正作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态
放大系数Kc取负；
? 反作用调节器：即当系统的测量值增加时，调节器的输出减小，其静态放
大系数Kc取正；
? 气开式调节阀：其静态放大系数Kv取正； ? 气关式调节阀：其静态放大系数Kv取负；
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