1、過程控制工程 第六章 單回路控制系統 6.2 單回路控制系統 及控制方案設計 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 單回路過程控制系統亦稱簡單過程控制系統， 簡稱單回路系統。 單回路過程控制系統是指針對一個被控過程 （調節對象），采用一個測量變送器監測被控 過程，采用一個控制器來保持一個被控參數恒 定或在很小范圍內變化，其輸出也只控制一個 執行機構（調節閥）。 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 從系統的框圖看，系統只有一個閉環回路。 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 單回路過程控制系統示例 換熱器溫度控制系統 被控參數 物料出口溫度 控制參數 加熱劑

2、流量 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 單回路過程控制系統示例 水泵壓力控制系統 被控參數 水泵出口壓力 控制參數 回流量 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 單回路過程控制系統示例 貯罐液位控制系統 被控參數 貯罐液位 控制參數 出口流量 單回路過程控制系統的概念單回路過程控制系統的概念 單回路系統的特點 結構簡單，投資少，易于調整和投運，能滿 足大多數工業生產過程的控制要求。 單回路系統應用十分廣泛，尤其適用于被控過 程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平 緩，或者對被控質量要求不高的場合，約占目 前工業控制系統的80以上。 單回路系統的分析、設計方法是其它

3、各種復雜 過程控制系統分析、設計的基礎。 單回路系統的控制方案設計單回路系統的控制方案設計 對于過程控制系統的工程設計與應用來說，控 制方案的設計是核心。 單回路系統的系統結構已確定，控制方案設計 所包含的內容是： 依據生產工藝要求合理選擇系統性能指標，合理選 擇被控參數和控制參數 合理選擇控制裝置及控制規律 測量變送裝置、執行器（調節閥）的選擇 被控參數的選擇被控參數的選擇 被控參數，又稱被控變量、被控量。 選擇被控參數是控制方案設計中的重要一環， 對于穩定生產、提高產品的產量和質量、節能、 改善勞動條件、保護環境衛生等具有決定性意 義。 若被控參數選擇不當，則無論組成什么樣的控 制系統，選

4、用多么先進的過程檢測控制裝置， 均不能達到預期的控制效果。 選擇被控參數的意義選擇被控參數的意義 根據工藝要求，深入分析工藝過程，找出對產 品的產量和質量、安全生產、經濟運行、環境 保護等具有決定性作用，能較好反映工藝生產 狀態變化的參數，這些參數又是人工控制難以 滿足要求，或操作十分緊張、勞動強度很大， 客觀上要求進行自動控制的參數作為被控參數。 被控參數的選擇方法被控參數的選擇方法 被控參數的選擇一般有兩種方法，一是直接參 數法，二是間接參數法。 直接參數法 選擇能直接反映生產過程中產品產量和質量又易于 測量的參數作為被控參數。 間接參數法 選擇那些能間接反映產品產量和質量又與直接參數 有

5、單值對應關系、易于測量的參數作為被控參數。 當選擇直接參數有困難時，如直接參數檢測很困難 或根本無法進行檢測，可采用間接參數法。 被控參數的選擇方法被控參數的選擇方法 例：精餾塔 精餾塔是利用混 合物各成分揮發 度不同，將混合 物分離成較純組 分產品或中間產 品的設備。 被控參數的選擇方法被控參數的選擇方法 精餾過程要求產品達到規定的純度，并希望在 額定生產負荷下，盡可能地節省能源。 塔頂餾出物（或塔底殘液）的濃度應選作被控 參數，因為它最直接地反映了產品的質量。 但目前對成分的測量尚有一定的困難。 一般采用塔頂（或塔底）溫度代替濃度作為被 控參數。 選取被控參數的一般原則選取被控參數的一般原

6、則 優先選擇對產品的產量和質量、安全生產、經 濟運行和環境保護具有決定性作用的、可直接 測量的工藝參數為被控參數。 當不能用直接參數作為被控參數時，應該選擇 一個與直接參數有單值函數關系的間接參數作 為被控參數。 被控參數必須具有足夠高的靈敏度。 被控參數的選取，必須考慮工藝過程的合理性。 必須考慮過程檢測控制儀表及裝置的現狀。 控制參數的選擇控制參數的選擇 在正確選擇被控參數后，就要確定構成一個怎 樣的控制回路。 確定一個控制回路，實質上就是選擇控制參數 的問題。 控制參數又稱控制變量、控制量、操縱變量。 選擇控制參數的意義選擇控制參數的意義 擾動量對被控參數的作用通道稱為擾動通道； 控制參

7、數對被控參數作用的通道稱為控制通道。 擾動量通過擾動通道對被控參數產生影響，使 被控參數偏離給定值。 控制作用通過控制通道對被控參數起主導影響， 抵消擾動影響，以使被控參數回復到給定值。 確定一個控制回路，實質上就是選擇控制參數 的問題。 選擇控制參數的意義選擇控制參數的意義 在有的生產過程中，控制參數的選擇是很明顯 的，是唯一確定的。 但是在有的生產過程中，可能有幾個控制參數 可供選擇，這就要通過分析比較不同的控制通 道和不同的擾動通道對控制質量的影響而做出 合理的選擇。 正確選擇控制參數，就是正確選擇控制通道的 問題。 過程靜態特性的分析過程靜態特性的分析 單回路控制系統的框圖如圖所示 W

8、c（s）為控制器與執行機構的傳遞函數 Wo（s）為控制通道的傳遞函數 Wf（s）為擾動通道的傳遞函數 并設 1sT K sW KsW 1sT K sW f f f cc 0 0 o 過程靜態特性的分析過程靜態特性的分析 被控量Y（s）對擾動F（s）的閉環傳遞函數為 1sTKK1sT1sT K1sT sF sY fcofo fo 過程靜態特性的分析過程靜態特性的分析 由于系統是穩定的，所以在階躍擾動作用下， 系統穩態值可應用終值定理求得 過程靜態特性對控制質量好壞有很大的影響， 是選擇控制參數的一個重要依據。 co f fc0fo of 0st KK1 K 1sTKK1sT1sTs 1sTK s

9、limtYlimY 擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響 擾動通道靜態放大系數Kf愈大，則系統的穩 態誤差也愈大，這表示在相同的階躍擾動作 用下，將使被控參數偏離給定值愈大，顯著 地降低控制質量。 擾動通道靜態放大系數Kf對控制質量影響的 仿真 仿真條件：To10s，o2s，Ko1 Tf5s，f1s 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 Kf0.5仿真結果 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 Kf0.7仿真結果 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 Kf1.0仿

10、真結果 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 Kf1.2仿真結果 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 Kf1.5仿真結果 擾動通道靜態放大系數擾動通道靜態放大系數Kf 對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果： Kf從0.51.5，曲線從藍色到黑色 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 控制通道的靜態放大系數Ko愈大，表示控制作 用愈靈敏，克服擾動的能力愈強，控制效果愈 顯著。 控制通道靜態放大系數Ko對控制質量影響的仿 真 仿真條件：To10s，o2s T

11、f1s，f1s， Kf1 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 Ko0.5仿真結果 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 Ko0.7仿真結果 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 Ko1.0仿真結果 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 Ko1.2仿真結果 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 Ko1.5仿真結果 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放

12、大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果： Ko從1.50.5，曲線從黑色到藍色 控制通道靜態放大系數控制通道靜態放大系數K Ko o 對控制質量的影響對控制質量的影響 在確定控制參數時，使控制通道的放大系數Ko 大于擾動通道的放大系數Kf是合理的。 當這一要求不能滿足時，可通過調節Kc的值來 補償，使KoKc值遠大于Kf。 過程動態特性的分析過程動態特性的分析 過程動態特性分析包括過程動態特性分析包括 擾動通道時間常數Tf對控制質量的影響 擾動通道純時間滯后f對控制質量的影響 擾動作用點位置對控制質量的影響 控制通道時間常數To對控制質量的影響 控制通道的時間滯后對控制

13、質量的影響 時間常數分配對控制質量的影響 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 圖示的單回路控制系統，系統對擾動的閉環傳 遞函數為 sWsW1 sW sF sY oc f 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 設擾動通道是一個單容過程，其傳遞函數Wf （s）為 系統對擾動的閉環傳遞函數為 1sT K sW f f f sWsW1 T 1 s 1 T K sF sY oc f f f 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 擾動通道為一個一階慣性環節， 使系統特征方程式中增加了一

14、個 極點（1Tf），如圖的根平 面所示。 隨著時間常數Tf的增大，極點a將 向j軸靠近，從而過渡過程時間 加長，但由于過渡過程將乘上一 個1Tf的數值，使整個過渡過 程的幅值減小Tf倍，從而使其超 調量隨著Tf的增大而減小。 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 因為Wf（s）為一個一階慣性環節，它對擾動F （s）起著濾波作用，抑制擾動對被控參數的影 響。 擾動通道的時間常數Tf愈大，容積愈多，則擾 動對被控參數的影響也愈小，控制質量也愈好。 擾動通道時間常數Tf對控制質量的影響仿真 仿真條件：To10，o2，Ko1 f1， Kf1 擾動通道時間常數擾動

15、通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 Tf2s仿真結果 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 Tf5s仿真結果 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 Tf7s仿真結果 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 Tf10s仿真結果 擾動通道時間常數擾動通道時間常數T Tf f對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果： Tf從2s10s，曲線從藍色到黑色 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 當擾動通道有純時間滯后時，系統

16、對擾動的閉 環傳遞函數為 sWsW1 esW sF sY oc s f f 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 系統有無純時間滯后時在單位階躍干擾作用下，被控 量的時間響應y（t）與y（t）間的關系為 干擾通道存在純時間滯后時，理論上不影響控制質量， 僅使被控參數對干擾的響應在時間上比無滯后存在時 推遲了f值。 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f對控制質量影響的仿真對控制質量影響的仿真 仿真條件：To10s，o2s，Ko1 Tf5s， Kf1 f tyty 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 f0.5s仿真

17、結果 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 f1s仿真結果 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 f2s仿真結果 擾動通道純時間滯后擾動通道純時間滯后f f 對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果： f從2s10s，曲線從藍色到紅色 擾動作用點位置對控制質量的影響擾動作用點位置對控制質量的影響 擾動引入系統的位置擾動引入系統的位置 不同，對被控參數的不同，對被控參數的 影響也不同。影響也不同。 如圖所示串聯工作的如圖所示串聯工作的 3個水箱，為了實現個水箱，為了實現 3#水箱水位不變，設水箱水位不變，設 計圖示

18、的控制系統。計圖示的控制系統。 其中擾動其中擾動f1、f2、f3由由 三處分別引入系統。三處分別引入系統。 擾動作用點位置對控制質量的影響擾動作用點位置對控制質量的影響 設三只水箱均為一階慣性環節，它們對擾動f起 著濾波作用。 當擾動引入系統的位置離被控參數愈近時，則 對其影響愈大；相反，當擾動離被控參數愈遠 時，則對其影響愈小。 控制通道動態特性對控制系統的影響控制通道動態特性對控制系統的影響 控制系統處于穩定邊界下的放大系數，稱為臨 界放大系數，用Kmax表示。相應的振蕩頻率， 稱為臨界振蕩頻率，用c表示。 控制系統的臨界放大系數Kmax，臨界振蕩頻率 c，以及它們的乘積Kmaxc可在一定

19、程度上代 表了被控過程的控制性能，并為研究控制通道 動態特性（即時間常數和時延）對系統控制質 量的影響提供了方便。 Kmaxc稱為可控性指標。 控制通道動態特性對控制系統的影響控制通道動態特性對控制系統的影響 不同被控過程的Kmax、c與Kmaxc Kmax7.9423.1987.9422.512 c1.720.730.350.9 Kmaxc13.662.3342.782.26 3 1s 1 5 1s 1 3 1s5 1 3 s 1s e 控制通道動態特性對控制系統的影響控制通道動態特性對控制系統的影響 Kmax越大，可選放大系數K越大，從而系統穩 態誤差越小；c越大，可選系統工作頻率越 大，

20、過渡過程越快。 控制通道中時間常數大、階數高、有純滯后環 節都將使過程的Kmax與c值變小，從而使控制 性能變差。 應選擇時間常數較小，純滯后小的通道作為控 制通道。 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 控制通道時間常數To的大小反映了控制作用的 強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被 控參數影響的快慢。 若控制通道時間常數To太大，則控制作用太弱， 被控參數變化緩慢，控制不能及時，系統過渡 過程時間長，控制質量下降。 若控制通道時間常數To太小，雖控制作用強， 控制及時，克服擾動影響快，過渡過程時間短， 但易引起系統振蕩，使系統穩定性下降，亦不

21、能保證控制質量。 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 在系統設計時，要求控制通道時間常數To適當 小一點，使其校正及時，又能獲得較好的控制 質量。 控制通道時間常數To對控制質量影響的仿真 仿真條件：o2s，Ko1 Tf5s，f1s，Kf1 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 To5s仿真結果 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 To7s仿真結果 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 To10s仿真結果 控制通道時間常數控

22、制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 To12s仿真結果 控制通道時間常數控制通道時間常數T To o 對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果： To從5s12s，曲線從藍色到黑色 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 控制通道的時間滯后包括純滯后o和容量滯后c 兩種。它們對控制質量的影響不利，尤其是o 影響最不利。 在圖示系統中，設被控過程純滯后o0，即 1sT K sW o o o cc KsW cc KsW 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 系統開環傳遞函數為 根據奈氏判據，無論 系統開環放大系數

23、 KcKo為多大，閉環系 統總是穩定的，其頻 率特性如圖所示。 1sT KK sWsWsW o oc ock 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 若上述系統中，純滯后o0，即 則系統開環傳遞函數為 由于存在o，將使相角滯后增加o弧度。 s o o o o e 1sT K sW cc KsW s o oc ock o e 1sT KK sWsWsW 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 當o0時，隨著KcKo的增大，Wk（j）有可能 包圍（1，j0）點。當o值愈大時，則這種可 能將愈大。可見，純滯后o的存在將降低系統 的穩定性。 當控

24、制通道存在純滯后時，控制器的校正作用 將要滯后一個時間o，從而使超調量增加，使 被控參數的最大偏差增大，引起系統動態指標 下降。 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 控制通道的容量滯后c同樣會造成控制作用不 及時，使控制質量下降。但是c的影響比純滯 后o對系統的影響緩和。 若引入微分作用，對于克服c對控制質量的影 響有顯著的效果。 控制通道的純滯后o對控制質量影響的仿真 仿真條件：To10s，Ko1 Tf5s，f1s，Kf1 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 o0.5s仿真結果 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響

25、對控制質量的影響 o1s仿真結果 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 o2s仿真結果 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 o4s仿真結果 控制通道時間滯后控制通道時間滯后 對控制質量的影響對控制質量的影響 仿真結果：o從0.5s4s，曲線從藍色到黑色 時間常數分配對控制質量的影響時間常數分配對控制質量的影響 控制系統的開環傳遞函數（包括控制器、調 節閥、被控過程以及測量變送器）大多可表 示為多個一階環節的串聯。 設某系統的開環傳遞函數為 其中T110s，T25s，T32s。 若每次改變其中一個或兩個時間常數，可求 得一組Kmax、c、Kmaxc值。 1sT1sT1sT 1 sWsWsWsW 321 vmoc 時間常數分配對控制質量的影響時間常數分配對控制質量的影響 T1T2T3KmaxcKmaxc 原始數據105212.60.415.2 減小T1