06 第三章 简单过程控制系统 3-1 单回路系统.pptx

第1页：第三章导言与单回路系统的地位

工业生产过程尤其是现代大工业生产过程如石油、化工、冶金等都是复杂的过程，由许多子过程甚至子子过程串、并联组成，生产工艺要求亦千变万化。从控制的角度，子过程可分为单输入单输出和多输人多输出两大类。

• 单回路反馈控制系统是实现生产过程自动化的基本单元(基本形式)，随着生产的发展，虽然复杂控制方案的应用日趋推广，但就日常而言，单回路控制系统仍然占据着主要地位，因此有必要了解单回路控制系统的一般设计原则。

第2页：单回路系统的定义

概述1.单回路系统单回路过程控制系统－单回路调节系统－简称单回路系统，一般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(调节)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)。从系统的框图看，只有一个闭环回路。

第3页：单回路控制系统框图与特点

单回路控制系统框图与特点

单回路控制系统框图，标出调节器、调节阀、被控过程与测量变送器传递函数并列出应用特点。

本页主体为图示（封面、公式推导、框图或曲线），源文件未提取到成段文字，上述标注与要点请以原课件图片为准。

第4页：过程控制系统设计的一般要求

1.2对过程控制系统设计的一般要求工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可归纳为三方面要求，即安全性、稳定性和经济性

• 安全性：在整个生产过程中，确保人员设备的安全这是最重要也是最基本的要求，通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。
• 稳定性：系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。

第5页：稳定性与动态响应要求

依据自动控制理论，这就要求系统除了满足绝对稳定性外，还必须具有适当的稳定裕量；其次要求系统具有良好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳态误差小等)。

• 经济性：提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。

第6页：设计者应具备的知识

过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的特性所决定的。因此对于过程控制系统设计者来说除了掌握自动控制理论、计算机、仪器、仪表知识外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态与动态特性，并能针对不同的被控过程、不同的生产工艺控制要求，设计不同的控制系统。

• 例如工业生产中常见的热交换过程，通常要求进行温度控制，这类过程的特性比较复杂，时延特性相当明显，不同的过程在控制方式和控制品质方面差异很大。

第7页：过程特性差异举例

如液位过程特性差异很大，其时间常数有的只有几秒钟，而有的可达数小时。

• 锅炉水位控制系统，即使同一种设备，由于其大小、容量和控制要求不同，其设计的过程控制系统也是千差万别的。
• 如燃烧过程控制，由于使用的燃料(有煤、原油、天然气、工厂排出的可燃废气等)和工业设备不同，对过程控制系统的要求也不一样。

第8页：设计应因地制宜

有的系统要求负压控制，有的系统要求微正压控制，有的还对燃料炉的气体(有还原性、氧化性、中性气体)有特殊的控制要求。

• 总之，过程控制系统设计应根据过程特性、扰动情况以及限制条件等，正确运用自动控制理论和控制技术，才能设计一个性能优良、技术上可行并且满足工艺合理要求的过程控制系统。

第9页：建立被控过程的数学模型

1.3过程控制系统设计步骤过程控制系统设计，从设计任务提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过程。1．建立被控过程的数学模型建立被控过程的数学模型是过程控制系统设计的第一步。在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学关系式(或方程式)即所谓数学模型来描述被控过程的特性。只有掌握了过程的数学模型或深入了解了过程特性，才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。

第10页：选择控制方案

．选择控制方案根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。过程方案初步确定后，应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、动态特性分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。

第11页：控制设备选型与实验仿真

控制设备选型根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器(控制规律)与执行器(调节阀)等。4.实验(和仿真)实验(和仿真)是检验系统设计正确与否的重要手段。有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以及系统的性能。若系统性能指标不能令人满意，则必须进行再设计，直到获得满意的结果为止。

第12页：系统方案设计的核心内容

过程控制系统设计包括系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容

1. 系统方案设计控制方案设计是系统设计的核心
2. 主要内容：确定系统结构，确定被控量和控制量，被控信息的获得及变送，执行器的选择，调节器的选择

第13页：方案设计的注意事项

（2）方案设计中需要注意的若干问题a熟悉被控对象的特性b明确生产过程中多个环节中的关系c系统的安全保护d监测信号的处理

第14页：系统的工程设计

系统的工程设计工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的主要内容：

• 仪表的选用：控制盘及仪表控制盘的设计；仪表供电，供电系统设计；
• 仪表防护设计；
• 按照设计规范绘出工程图纸。

第15页：工程施工与调节器参数整定

工程施工过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提按照规范给出施工要求；单台仪表的调校；4.系统的校定和调节器的参数的工程确定在控制方案设计正确的前提下，调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证，是过程控制系统设计的重要环节之一

• 系统的校定：使控制系统投入使用的重要过程
• 参数整定：调节器参数（比例度，积分时间，微分时间）

第16页：系统的稳态与动态

1.5过程控制系统的性能指标

• 过程控制系统在运行中有两种状态。
• 一种是稳态，此时系统没有受到任何外来干扰或外来干扰恒定，同时给定值亦保持不变，因而被控参数也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。
• 另一种是动态，当系统受到变化的外来干扰的影响或者在改变了给定值后，来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，被控参数也将偏离原稳态值而随时间变化。

第17页：过渡过程的定义

设置控制系统的目的就是希望在经过一段时间后，被控参数能稳定在新的给定值或其附近。

• 这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。由于被控过程总是不时受到各种外来干扰的影响，即系统经常处于动态过渡过程，因而评价一个过程控制系统的性能、质量，主要看它在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，能否迅速地、准确地且平稳地(而不是剧烈振荡地)回复(或趋近)到原(或新)给定值上。

第18页：性能指标的两类形式

这种控制性能的评价和比较(亦是控制方案设计的依据)，通常采用如下两种时域形式的性能指标:1系统阶跃响应性能指标2偏差积分性能指标

• 根据过程的要求制定，这些要求可概括为稳定性，准确性，快速性。这三方面的要求在时域上体现为若干性能指标。

第19页：余差与静态偏差

系统阶跃响应性能指标（适用于衰减震荡过程）（1）余差(静态偏差)、残差(残余偏差)C——准确度定值系统阶跃扰动的响应曲线4余差C是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。它是一个重要的静态指标，一般要求余差不超过预定值或接近零。

第20页：随动系统阶跃给定响应曲线

随动系统阶跃给定响应曲线

随动系统响应曲线页，给出阶跃给定下被控量的过渡过程与各项偏差标注。

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第21页：衰减比

（2）衰减率、衰减比——稳定性h=B1/B26衰减比：过渡过程前一个周期的震荡幅度与后一个周期的同向振动幅度之比h大——震荡剧烈h小——稳定性高

第22页：衰减率与最佳衰减比

衰减率与最佳衰减比

衰减率页，给出ψ=(B1-B2)/B1的计算并指出4:1衰减比约两个周期即可稳定。

如：h=4：1,ψ=0.75反映了动态过程中震荡的衰减程度

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第23页：最大偏差与超调量

（3）最大偏差A(超调量σ)定值系统：被控参数第一个波的峰值与给定值的差；随动系统：阶跃给定时，被控量相对于稳态值的最大振幅与稳态值之比的百分数表示被控参数偏离给定值的程度

第24页：过渡过程时间与指标间的矛盾

过渡过程时间ts——衡量快速性超调量注：性能指标之间的矛盾精度高，不稳定；稳定性好，快速性差；分清主次，对主要控制指标优先保证扰动后，被控量进入新的稳态值±5%的范围内所经历的时间

第25页：偏差积分性能指标

偏差积分性能指标以上列举的都是单项性能指标，过程控制系统还可用误差积分指标来衡量系统的优劣。偏差积分：过渡过程中，被控量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。可见，无论是误差幅度大，还是时间长，都会使积分增大，所以它是一类综合指标。

第26页：IAE、ITAE与ISE指标

IAE、ITAE与ISE指标

偏差积分公式页，给出偏差绝对值积分、时间乘偏差绝对值积分与偏差平方值积分三类。

偏差绝对值积分(IAE)（2）偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE)（3）偏差平方值积分(ISE)J0|e(t)|dtminJ0t|e(t)|dtmin2110Je|e(t)|dtmin运算方便简单抑制过渡过程时间

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第27页：ITSE与积分指标对比

ITSE与积分指标对比

积分指标对比页，说明ISE抑制大误差而ITAE与ITSE惩罚过渡过程拖长。

时间乘偏差平方积分(ITSE)不同的积分指标对动态的过渡过程的要求侧重点不同

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