文档介绍：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。
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F1
F2
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
LT
LC
F2
F1
sp
“反作用”
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)
Ø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
Ø入口阀突然开小→ F1<F2→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)
Ø出口阀突然开大→F2>F1→L ↓→负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡
Ø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
变送器
控制器
控制阀
控制对象
+
-
给定
测量
干扰
偏差
液位
单回路控制系统方框图
Gc(s)
Gm(s)
Gv(s)
Go(s)
Gf(s)
+
-
+
+
R(S)
E(S)
U(S)
Q(S)
Y(S)
F(S)
X(S)
Gc(S):控制器传递函数
Gv(S):控制阀传递函数
Gm(S) 变送器传递函数
Go(S):对象控制通道的传函
Gf(S):对象扰动通道的传函
R(S):给定值的拉氏变换式
X(S):测量值的拉氏变换式
E(S):偏差的拉氏变换式
U(S):控制信号的拉氏变换式
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
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