单回路反馈控制系统.doc

第一篇 过程控制系统 单回路反馈控制系统 ?简称：单回路控制系统、简单控制系统 ?在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。 ?在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。 ?研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。 1.1 单回路系统的结构组成 一、 系统的组成 举例 ： 如图所示的水槽，流入量 F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。 图1-1 水槽 图1-2 水槽液位控制系统 注： LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。 假定控制阀为气闭，控制器为反作用。 偏差：测量信号与给定值之差。 当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。 第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2） ?入口阀突然开大 → F1F2 → L↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ → F2 ↑→ L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡 ?入口阀突然开小→ F1F2→L ↓ → 负偏差 → 输出增大 → 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 系统达到新的平衡 第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2） ?出口阀突然开大 →F２F1→L ↓→ 负偏差 →输出增大 →控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡 ?出口阀突然关小→ F1F2 → L ↑ → 正偏差 → 输出减小 → 控制阀↑ → F2 ↑ → L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡 单回路控制系统方框图 几点说明： (1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。 (2)各环节的增益有正、负之别： 控制器：正作用时增益为“负” 反作用时增益为“正” 控制阀：气开阀增益为“正” 气闭阀增益为“负” 变送器：一般为“正” 控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化来确定 Q(S)↑→Y(S)↑ 增益为“正”，反之为“负” 上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为“负”；当控制阀装在人口处时，对象增益为“正” 整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S)至X(S)的各个环节增益的乘积必须是正值。 (3)在方框图中，各环节Gc(S)除外，其它环节合并成一个环节称为广义对象Gp(S)，它是由Gv(S)、 Go(S)、Gm(S)的乘积，所以整个系统就有控制器 Gc(S)和广义对象Gp(S)所构成。 (4)根据单回路控制系统方框图，可知闭环系统的输入与输出关系式是： 当R(S)=0时称为定值控制系统（给定值不变） 当F(S)=0时称为随动控制系统（无外界干扰） (5) 单回路系统的分类： 按被控变量的类型分： 温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统 液位控制系统 成分控制系统 按给定值的类型分：定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 二、特点 它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。 控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。 3、系统结构简单，所需自动化技术工具少（仪表少），投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求。因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。 三、如何设计好单回路控制系统 前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求 正确选择被控变量和操作变量 正确选择控制阀的开闭型式及其流量特性 正确选择控制器的类型及其正反作用 正确选择测量变送装置 深入研究其特性对系统控制质量的影响情况的重要性 被控变量的选择 1.2.1 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题 被控变量的选择直接关系到： 生产的稳定操作、产品产量和质量的提高 生产安全与劳动条件的改善 1.2.2 被控变量的选择的方法 1、对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。 2、对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值