单回路控制系统设计

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1、过程控制与自动化仪表主讲教师：赵跃西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系第五章简单控制系统设计一单回路控制系统设计二PID调节参数的工程整定单回路调节系统典型结构单回路控制系统设计单回路控制系统的概念单回路调节系统一般指对一个被控制对象使用一个调节器来保持一个参数恒定。调节器只接受一个测量信号，输出只控制一个执行器简单控制系统的设计控制系统的设计步骤（2）了解工艺过程，建立过程的数学模型。（1）熟悉系统的技术要求或性能指标，如：超调量，稳定误差，调节时间，上升时间，衰减比等。（3）依据过程的数学模型，确定控制方案。即确定被控参数及其测量和变送的方法；确定操作变量和相关的执

2、行器（控制方法）。（4）依据调节规律和系统的动、静态特性进行理论分析和综合（5）系统仿真与试验研究。简单控制系统的设计控制系统的设计步骤（7）工程安装。（6）工程设计。（8）控制器的参数整定。高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB1.生产工艺简介2.被控参数选择3.控制参数选择4.仪表选择与整定5.控制仪表连接图喷雾干燥过程控制系统设计被控参数选择系统被控参数选取的一般原则(a)应选取对产品的产量，质量，安全生产，经济运行，环境保护有决定性作用，又可直接进行测量的工艺参数作为被控参数（直接参数）；(b)选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控参数；(c)间接

3、参数对产品质量应有足够的灵敏性；(d)应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等；被控参数一般要与工艺工程师共同确定。被控参数选择：间接参数（温度）与直接参数水分含量一一对应。高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参数的选择扰动分析：1、乳液温度和流量波动，干扰f1(t)。2、旁路冷风流量，干扰f2(t)。3、蒸汽压力、温度变化，干扰f3(t)。过程特性对控制质量的影响一、干扰通道特性对控制质量的影响系统输出与干扰之间的传递函数为：干扰通道的影响1）Kf越大，由F(S)引起的C(S)则越大，即C(S)偏离期望值越大；所以希望Kf值越小越好。结论：2）Tf越大，惯性越强

4、，对干扰的“滤波”效果越明显，干扰对输出的动态影响越小，所以希望Tf越大越好。3）τf的存在于否，不影响系统的控制质量，所以应尽可能将纯滞后时间长的环节置于干扰通道。干扰通道的影响干扰进入位置对控制质量的影响系统输出与干扰之间的传递函数为：干扰通道的影响结论：4）当干扰进入系统的位置提前，即干扰在GP(S)之前进入系统时,与前面相比又多了一个“滤波”项。所以干扰进入系统的位置越远离被控参数越好。控制通道特性对控制质量的影响与干扰通道正好相反!过程特性对控制质量的影响二、控制通道特性对控制质量的影响系统输出与输入之间的传递函数为：控制参数的选择控制参数选择的一般原则(a)Kp越大越好，

5、Tp适当小一些；(b)τp越小越好，τp/Tp<0.3(c)尽可能将广义对象的时间常数错开，即Tmax/Tmin越大越好。(d)考虑工艺操作的合理性，经济性等因素。实际生产过程中，广义被控过程可近似看成由几个一阶惯性环节串联而成。以三阶为例相应的临界稳定增益的大小完全取决于三个时间常数的相对比值可以证明：时间常数相差越大，临界稳定的增益则越大，这对系统的稳定性是有利的。也就是说：在保持稳定性相同的情况下，时间常数错开得越多，系统开环增益就允许增大得越多，因而对系统的控制质量就越有利。控制通道的时间常数匹配高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参数的选择扰动分析：f

6、1(t)、f2(t)、f3(t)。对象特性：1、换热器为双容对象，T1=T2=100s。2、风管到干燥器的纯延迟时间τ＝3s。控制参数选择方案一以乳液流量为控制参数（操作量）时的系统框图控制参数选择方案一混合过程换热器调节器风管风管调节阀干燥器干燥器干燥器测量变送以乳液流量为控制参数时控制系统框图这个控制方案的性能是最优的！然而乳液流量是控制系统的生产负荷，由整个系统的期望产量确定。生产负荷通常不能作为控制参数！控制参数选择方案二以冷风流量为控制参数（操作量）时的系统框图控制回路增加了一个纯滞后环节调节性能下降，但是该方案避免了工艺的不合理。由于系统的纯滞后时间小，对系统性能影响不大

7、。因此方案二是可行的方法！控制参数选择方案二混合过程换热器调节器风管风管调节阀干燥器干燥器干燥器测量变送控制参数选择方案三以加热蒸汽流量为控制参数（操作量）时的系统框图高位槽干燥器鼓风机蒸汽阀1过滤器风管换热器阀2阀3AB控制参数的选择扰动分析：f1(t)、f2(t)、f3(t)。对象特性：1、换热器为双容对象，T1=T2=100s。2、风管到干燥器的纯延迟时间τ＝3s。这个控制方案的性能是最差的。根据以上分析方案二的控制参数选择最合适！控制参数选择方案三