如何设计单回路控制系统？
单回路反馈控制系统是应用最为广泛的一种控制系统，它由四个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器和控制阀。

为了使系统达到预期的控制质量指标要求，就需要很好的了解具体的生产工艺机理，掌握生产过程的规律，以便确定合理的控制方案。

为了设计好单回路控制系统，需要对以下几个方面问题进行分析，这包括：
①如何正确选择被控变量和控制变量。

②如何正确选择控制阀的开、闭形式及其流量特性。

③如何正确选择控制器的控制规律及正反作用。

④如何正确选择测量变送装置。

⑤系统关联性分析。

①正确选择被控变量与控制变量。

1.被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。

它选择得正确与否，将会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。

如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的技术要求。

为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确地选择出被控变
量。

一般的过程都有较明确的要求。

如对温度、压力、流量、液位控制系统，其相应的过程参数就是被控变量。

通过分析，可以总结出如下几条选择被控变量的原则：
(1)质量指标是产品质量的直接反映。

在情况许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。

(2)当不能选择质量指标参数作被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。

(3)所选的间接指标参数必须具有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。

(4)在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。

2.控制变量的选择
控制变量也称为操纵变量，是调节阀的输出，同时也是直接影响被控对象的输入信号
通过对干扰通道和控制通道的K、T、τ对控制质量的影响分析，可以总结出以下几个原则作为控制变量选择的依据。

(1)所选的控制变量必须是可控的；
(2)所选的控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数；
(3)所选的控制变量应使扰动通道时间常数愈大愈好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小；
(4)所选的控制变量其通道纯滞后时间应愈小愈好；
(5)所选的控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；
(6)在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。

一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量。

②如何正确选择控制阀的开、闭形式及其流量特性。

控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀。

反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小．则称之为气关阀。

对于一个具体的控制系统来说，究竞选气开阀还是选气关阀，要由具体的生产工艺来决定。

一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。

1.调节阀气开、气关形式的选择原则：
(1)首先要从生产安全出发。

即当气源供气中断，或调节器出故障而无输出，或调节阀膜片破裂而漏气等而使调节阀无法正常工作，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。

(2)从保证产品质量出发。

当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。

(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。

如控制精馏塔进料的调节阀就常采用气开式．一旦调节阀失去能源调节阀即处于关闭状态．不再给塔进料，以免造成浪费。

(4)从介质的特点考虑。

精馏塔塔釜加热蒸汽调节阀一般都选气
开式，以保证在调节阀失去能源时能处于全闭状态，避免蒸汽的浪费。

但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，调节阀则应选气闭式，以防调节阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。

2.调节阀流量特性的选择
调节阀的流量特性选择目前较多采用经验法，一般可从以下几方面考虑：
（1）依据过程特性选择。

选择原则为：KV KO=常数。

KV 为调节阀的放大系数，KO为过程的放大系数。

当过程的特性为线性时，应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。

（2）依据配管情况选择。

由于系统配管情况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异。

因此，首先根据系统特点来选择工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。

（3）依据负荷变化情况选择。

在负荷变化较大的场合，宜选用等百分比调节阀。

因为等百分比调节阀放大系数是随阀芯位移的变化而变化的，其相对流量变化率是不变的，因而能适应负荷的变化情况；
当调节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。

因为直线调节阀在小开度时，相对流量变化率很大，不宜进行微调。

③如何正确选择控制器的控制规律及正反作用
工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例-积分控制器、比例-微分控制器、比例-积分-微分控制器，控制器控制规律
的选择根据具体情况而定，但有一些基本原则如下：
对于不太重要的参数可考虑采用比例控制。

对于不太重要的参数，但惯性较大，又不希望动态偏差较大，可采用比例-微分控制器。

对于控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制器。

对于比较重要的，控制精度比较高的，动态偏差较小，被控对象的时间滞后较大的参数，应当采用比例-积分-微分控制器。

为保证能构成负反馈，系统开环总放大倍数必须为负值，即构成系统的各个环节符号乘积为负，因此只要知道对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，再根据开环总放大倍数必须为负的要求，就可以确定控制器的正、反作用
④如何正确选择测量变送装置。

被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系设计提供准确的控制依据。

测量变送装置要保证其一定的精度和灵敏度，尽量减少其测量变松滞后时间。

⑤系统关联性分析。

所谓系统关联就是系统之间彼此互相有影响。

如果系统间相互关联比较紧密，相互影响比较大而又处理不当，就会使系统无法运行。

这不仅会影响控制质量，甚至会导致发生事故，必须给予足够的重视。

系统间关联的情况与程度不同，解决方法也不一样。

要解决系统间关联问题，首先要深入生产实际，进行认真的分析、研究，然后才能根据具体情况，采取具体的措施。

采用何种消除关联方法为此提供
有力的依据。

（1）如果按照某种变量配对，可采用控制器参数整定的方法将各系统的工作频率拉开，以消弱系统间的关联。

（2）如果各通道相对增益比较接近或离1比较远，表明系统间的关联比较严重，需要采用解耦办法才能消除系统间的关联。

（3）如果按照某种变量配对，结果算出各通道相对增益相差比较大，即有的离1较近有的离1较远。

这时可采用变量重新配对的办法来消弱系统间的关联，即尽量让那些相对增益离1较近的变量配对组成系统。