单回路反馈控制系统

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1、第一篇过程控制系统第一章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。F1F2图1-1水槽F1“反作用”spLTLCF2图1-2水槽液位控制系统注

2、：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→F1>F2→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→F1F1→L↓→负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→L↑→F1=F2→

3、系统达到新的平衡出口阀突然关小→F1>F2→L↑→正偏差→输出减小→控制阀↑→F2↑→L↓→F1=F2→系统达到新的平衡3干扰给定偏差液位+控制器控制阀控制对象-测量变送器单回路控制系统方框图F(S)Gf(s)R(S)+E(S)U(S)Q(S)+Y(S)Gc(s)Gv(s)Go(s)+-X(S)Gm(s)Gc(S)：控制器传递函数R(S)：给定值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gm(S)变送器传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函U(S)：控制信号的拉氏变换式Gf(S

4、)：对象扰动通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(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

5、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：G(S)G(S)G(S)G(S)Y(S)CVOR(S)FF(S)1G(S)G(S)G(S)G(S)1G(S)G(S)G(S)G(S)CVOmCVOmG(S

6、)G(S)G(S)G(S)G(S)G(S)X(S)CVOmR(S)FmF(S)1G(S)G(S)G(S)G(S)1G(S)G(S)G(S)G(S)CVOmCVOm4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1、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。3、控制器是根据被控变量与给定值

7、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1.2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

8、、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