第1章
单回路反馈控制系统
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单回路反馈控制系统
1、系统构成
单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象 (简称对象)或被控过程(简称过程)、测量变送装置、控制器和 控制阀。有时为了分析问题方便起见，往往把控制阀、对象和 测量变送装置合在一起，称之为广义对象。这样系统就归结为 控制器和广义对象两部分。
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可以看出。干扰作用与控制作用同时影响被控变量，不过 在控制系统中通过控制器正、反作用的选择使控制作用对被控 变量的影响正好与干扰作用对被控变量的影响方向相反，这样， 当干扰作用使被控变量偏离给定值发生变化时，控制作用就可 以抑制干扰的影响，把已经变化的被控变量拉回到给定值来 (当然这种控制作用是由控制器通过控制阀的开闭变化来达到 的)。因此、在一个控制系统中，干扰作用与控制作用是相互 对立而存在的，有干扰就有控制，没有干扰也就无需控制。 如何才能使控制作用有效地克服干扰对被控变量的影响呢? 关键在于选择一个可控性良好的控制变量。这就要研究对象的 特性．研究系统中存在的各种输入量以及它们对被控变量的影 响情况，以便从中总结出选择控制变量的一些原则。
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单回路控制系统能够正常工作的前提： 1）、正确选择被控变量与控制变量。 2）正确选择调节器的正反作用和调节阀的开关形式。 3）合理选择调节器的控制算法，保证一定的控制精 度，同时尽量减少系统的动态误差。 4）合理选择调节阀的流量特性，提高控制系统的线 性度。 5）正确选择测量变送器，减少信号失真与滞后，提 高控制质量。
对于定值控制系统，y(∞)就是系统的余差。由上 式可知：干扰通道的放大倍数Kf 越大，系统输出的余 差也越大，控制系统的稳态性能越差，即控制质量越 差。
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2) 时间常数Tf 的影响
为研究方便，令各环节放大倍数均为1，则系统在干扰作用下的 闭环传递函数为
由式可知，当干扰通道为一阶惯性环节时，与干扰通道为放大 环节相比，系统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上 增加了一个附加极点1/ Tf。这个附加极点的存在，除了会影响过渡 过程时间外。还会影响到过渡过程的幅值，使其缩小了Tf 倍。这样 过渡过程的最大动态偏差也将随之减小。这对提高系统的品质是有 利的。而且，随着Tf 的增大，控制过程的品质亦会提高。
y () lim sY ( s)
s 0
Kf 1 KC KO

TO1 TO 2
2 TO1TO 2 (1 K C K O )
放大倍数Ko对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行 分析。从静态方面分析，由上式似乎可以得出当Kf、Kc不变时．控 制通道放大倍数Ko越大，系统的余差越小的结论。然而这是不对的。 对一个控制系统来说，在一定的稳定程度(即一定的衰减比)情况下， 系统的开环放大倍数是一个常数(Kc Ko=常数) ，这里系统开环放大 倍数即是控制器放大倍数Kc与广义对象控制通道放大倍数Ko的乘 积。即，在系统衰减比一定的情况下(ζ一定)，当Ko减小时，Kc必 须增大，而Ko增大时，Kc必须减小，这样才能维持系统具有相同的 稳定程度。
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第二节 一、被控变量的选择
单回路控制系统的设计
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。被控制变量的选择
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3) 纯滞后τo 的影响 图中曲线C是没有控制作用时系统在 干扰作用下的反应曲线。如果xo为变 送器的灵敏度，那么，当控制通道没 有纯滞后时，控制作用从t1时刻开始 就对干扰起抑制作用，控制曲线为D。
如果控制通道存在有纯滞后时间τo ，那么，控制作用要等到t1+τo 时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此时间以前，系统由于得不 到及时的控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断地上 升(或下降)，其控制虚线为E。显然，与控制通道没有纯滞后的 情况相比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。
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第1章 单回路反馈控制系统
1.1 单回路控制系统的组成
1.2 单回路控制系统的设计
1.3 调节阀在单回路控制系统中的应用
1.4 调节器的投运和参数整定
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第一节
单回路控制系统的组成
单回路控制系统是指由一个测量变送器，一个调节 器、一个调节阀只对一个被控参数进行自动控制而组成 的负反馈闭环控制系统。 单回路控制系统也称为单回路负反馈控制系统，简 称单回路系统。由于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，因此．它又 被称之为简单控制系统。
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可以得出如下结论： 控制通道的时间常数To愈大，系统的工作频率愈低，控 制速度愈慢，控制愈不及时，过渡过程时间也愈长，系统的质 量愈低。 随着控制通道时间常数的减小，系统工作频率会提高，控 制就较为及时，过渡过程也会缩短，控制质量将获得提高。 然而也不是控制通道时间常数愈小愈好。因为时间常数太 小，系统工作频率过于频繁，系统将变得过于灵敏．反而会使 系统的稳定性下降，系统质量会变差。
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二、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。
被控变量确定之后，还需要选择一个合适的控制变量．以 便被控变量在外界干扰作用下发生变化时，能够通过对控制变 量的调整，使得被控变量迅速地返回到原先的给定值上，以保 持产品质量的不变。 控制变量一般选系统中可以调整的物料量或能量参数。而 石油、化工生产过程中遇到最多的控制变量则是物料流或能量 流，即流量参数。 然而在一个系统中，可供选择作为控制变量的参数往往不 只一个，而有数个，这时就有一个控制变量的选择问题。控制 变量的选择要考虑到对象特性、干扰位置与性质等各种问题。
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2) 时间常数To 的影响
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1 KC K o TO1TO 2
由上式可知，不认To1和To2哪一个增大，都会导致系统的工作 频率降低，而系统工作频率愈低，则控制速度则愈慢。这样就 不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的质量会愈差。
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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。
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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。
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3) 纯滞后τf 的影响
在干扰通道出现纯滞后的结果是，使干扰对被控变量的影 响的过渡过程曲线在时间轴上向右平移了一个τf 的长度，即慢 了一个τf 的长度。所以，干扰通道存在纯滞后对系统没有不同 的影响。
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（2） 控制通道特性对控制质量的影响
也从K、T、τ三个方面来进行分析。 1)放大倍数Ko 的影响
单回路控制系统是实现生产过程控制的最基本单元，在生产 中应用最为普遍；单回路系统虽然系统结构简单，但它却能解决 生产过程中的大量控制问题。它是过程控制中应用得最为广泛的 一种控制系统。 单回路系统是复杂控制系统的基础。学会了单回路系统的分 析和设计方法，会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。
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（1） 干扰通道特性对控制质量的影响 从K、T、τ三个方面来进行分析。 1)放大倍数Kf 的影响
系统方块图如图
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Kf 1 Tf s Kf 1 y () lim sY ( s ) lim s s 0 s 0 KO s 1 K 1 KC KO C (1 TO1s )(1 TO 2 s )
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由此可以得出如下结论： 系统的余差与控制通道放大倍数无关。也就是说，在一定 稳定性前提下，线性系统的控制质量与控制通道放大倍数无关。 然而,从控制角度看，Ko愈大，则表示控制变量对被控变量 的影响愈大，这表示通过对它的调节来克服干扰影响更为有效。 此外．在相同衰减比情况下，Ko与Kc的乘积为一常数，当Ko愈 大时Kc则愈小，而Kc小则δ大。δ大比较容易调整，如果反过来， δ小则不易调整。因为当δ< 3% 时，控制器则相当于—位式控制 器，已失去作为连续控制器的作用。 因此，从控制的有效性及调节器参数易调整性来考虑．则 希望控制通道放大倍数Ko愈大愈好，尤其不能比干扰通道的Kf 小。
Gc(s)
单回路控制系统的控制作用： 调节器根据被控变量产生的偏差，通过调节阀去改变 控制变量，从而使被控变量最终达到期望给定值。
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3、控制过程分析
设出口调节阀是气关式，调节器设定为 反作用方式。 偏差信号为测量值与给定值之差，当测 量值大于给定值时。偏差为正，反之则 为负。 例如：在平衡状态下，入口阀突然开大了。这样就使F1＞F2， 于是液位L将上升。随着L的上升，控制器将感受到正偏差(因为 给定值没有变)，而控制器是反作用的，于是它的输出将减小。 控制阀是气闭式的，随着控制器输出的减小，控制阀将开大。这 样，流出量F2将逐渐增大，液位L将慢慢下降并逐渐趋于给定值。 当再度达到F2＝F1时，系统将达到一个新的平衡状态。这时控制 阀将处于一个新的开度上。 同样，不论是什么因素使液位偏离给定值，在调节器正反作 用方式与调节阀开关形式设置正确的情况下，总能克服干扰，使 水位回到期望的给定值。