單回路控制系統(tǒng)

12.1概述單回路控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)：由一個(gè)測(cè)量元件、一個(gè)變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)被控對(duì)象組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。也稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。12.1.1換熱器的溫度控制熱交換器是常見的一種傳熱設(shè)備，通過它可以將冷物料加熱(或冷卻)到預(yù)定的溫度。圖示為一個(gè)列管式換熱器，其中載流體的熱量首先傳給套管的內(nèi)壁，經(jīng)管壁傳導(dǎo)后再傳給冷流體。傳熱過程中存在幾個(gè)串聯(lián)的熱阻，故換熱器是一個(gè)多容量對(duì)象，時(shí)間常數(shù)和滯后都比較大。根據(jù)工藝要求，需要控制的參數(shù)是冷流體被加熱后的出口溫度T1O，此溫度要求保持在某一設(shè)定數(shù)值。影響出口溫度T1O的擾動(dòng)因素主要有：冷流體進(jìn)口溫度T1i和流量F1、載熱體入口溫度T2i和流量F2等。常見控制方案有下面兩種：方案一：控制載熱體流量(b)方案二：控制冷流體分流量冷流體F1,T1i載熱體

F2,T2iT1OT20TCF’1,T1F1T1OF2TC12.1.2離心泵的流量控制離心泵是液體輸送的常用設(shè)備。生產(chǎn)工藝往往對(duì)輸送的流體流量有定量的要求。此時(shí)被控量是離心泵的實(shí)際排出液體的流量，擾動(dòng)因素主要有管道阻力特性的變化和泵的供電電壓的變化等?？刂品桨赋Ｒ姷挠腥缦氯N：(a)直接節(jié)流方案(b)控制旁路流量方案(c)控制轉(zhuǎn)速方案FCFCFC換熱器的溫度控制1、請(qǐng)問系統(tǒng)（a）和（b）被控變量和操作變量分別是什么？2、請(qǐng)畫出控制系統(tǒng)（a）的方框圖。3、請(qǐng)寫出系統(tǒng)（a）輸出與輸入、輸出與擾動(dòng)的關(guān)系表達(dá)式。（a）（b）冷流體F1,T1i載熱體

F2,T2iT1OT20TCF’1,T1F1T1OF2TC單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1、被控量和操縱量的選擇2、檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)的考慮3、控制閥的選擇4、控制器控制作用的選擇

5、控制系統(tǒng)的工程整定和投運(yùn)恰當(dāng)?shù)倪x擇對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件有很大的作用。若選擇不當(dāng)，則不論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選擇多么先進(jìn)的過程檢測(cè)控制儀表，都不能達(dá)到良好的控制效果。一.選擇的意義12.2被控量和操縱量的選擇操縱量是被控對(duì)象的輸入信號(hào)，被控量是其輸出信號(hào)。12.1.1被控量的選擇二.選擇方法

(1).選直接參數(shù)

即能直接反映生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運(yùn)行的參數(shù)。(如鍋爐鍋筒的水位控制。)(2).選間接參數(shù)

當(dāng)選直接參數(shù)有困難時(shí)采用，間接指標(biāo)與直接指標(biāo)之間必須是一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。(如鋅精礦沸騰爐的爐溫控制，爐溫是反映焙砂質(zhì)量的一個(gè)間接指標(biāo)。)選擇原則

作為被控量，必須能夠獲得檢測(cè)信號(hào)并有足夠大的靈敏度，滯后要小。

必須考慮工藝生產(chǎn)的合理性和儀表的現(xiàn)狀，檢測(cè)點(diǎn)的選取必須合適。

當(dāng)生產(chǎn)過程中有多個(gè)因素能影響被控量變化時(shí)，應(yīng)分析過程擾動(dòng)通道特性與控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，正確地選擇可控性良好的變量作為操縱(控制)量。一般希望控制通道克服擾動(dòng)的能力要強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)比擾動(dòng)通道快。通過正確選擇控制參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)控制性能良好的過程控制系統(tǒng)，可有效克服擾動(dòng)的影響。12.1.2操縱量的選擇用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量。

擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的方框圖對(duì)象擾動(dòng)通道廣義對(duì)象控制器fyyfxox選擇原則：

①操縱量應(yīng)是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。②操縱量一般比其它干擾對(duì)被控變量的影響更加靈敏。檢測(cè)元件及變送器的功能是對(duì)被控量進(jìn)行正確測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換位標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，是信息獲取和傳送的重要環(huán)節(jié)。作為廣義對(duì)象的一部分，前述關(guān)于對(duì)象特性和操縱量選擇的原則同樣適用于檢測(cè)與變送環(huán)節(jié)特性的選擇。12.3檢測(cè)及變送環(huán)節(jié)①測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)（主要指測(cè)溫元件時(shí)間常數(shù)）會(huì)造成測(cè)量滯后②測(cè)量元件純滯后（主要由測(cè)量元件安裝位置引起）例a：溫度控制系統(tǒng)

例b：PH值控制系統(tǒng)圖12.4控制閥的選擇執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，接受調(diào)節(jié)器的指令，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，從而改變被控量（如被控對(duì)象的進(jìn)、出的能量或物料）。控制閥是應(yīng)用最多的執(zhí)行器，本節(jié)僅介紹控制閥的選擇問題，包括其流量特性、結(jié)構(gòu)形式、開閉形式與口徑計(jì)算。12.4.1控制閥的流量特性的選擇按配管情況選擇閥的特性控制不適宜等百分比等百分比直線等百分比等百分比等百分比直線直線實(shí)際工作特性所選流量特性S<0.3S=0.6~0.3S=1.0~0.6配管狀態(tài)控制閥種類繁多，各有特點(diǎn)，選用時(shí)需注意兩點(diǎn)：

1、被測(cè)介質(zhì)的工藝條件，如溫度、壓力、流量等。2、被測(cè)介質(zhì)的流量特性，如黏度、腐蝕性、毒性、是否含懸浮顆粒、液態(tài)還是氣態(tài)等。12.4.2控制閥結(jié)構(gòu)形式的選擇控制閥的應(yīng)用特性

直通單座閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，泄漏小，但受流體沖擊不平衡力大。適用于小口徑Dg≤25mm的場(chǎng)合。直通雙座閥受流體沖擊不平衡力影響小，但關(guān)不嚴(yán)滲漏較大，適用于大口徑管道的場(chǎng)合。角形閥角形閥的閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結(jié)污，對(duì)粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。蝶閥流阻小，適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介質(zhì)，通常流量特性與等百分比相似。隔膜閥用于強(qiáng)腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的介質(zhì)，但不耐高溫和高壓三通閥適用于介質(zhì)三個(gè)方向的流通。分三通合流閥和三通分流閥。對(duì)于三個(gè)系統(tǒng)的分合流控制非常有效。屬新型結(jié)構(gòu)閥。

氣開（有信號(hào)壓力時(shí)閥打開）還是氣關(guān)（有信號(hào)壓力時(shí)閥關(guān)閉）式的選擇主要基于以下幾點(diǎn)考慮：1、生產(chǎn)的安全；2、保證產(chǎn)品質(zhì)量考慮；3、降低原料和動(dòng)力的損耗；4、介質(zhì)特點(diǎn)；

5、控制閥作用方式的選擇要和控制器作用方式的選擇匹配以滿足控制通道作用方向的要求。12.4.3控制閥開閉方式的選擇氣開與氣關(guān)(a)(b)(c)(d)控制閥的組合方式(a)、(d)—?dú)怅P(guān)式；(b)、(c)—?dú)忾_式正正反正反反正反在新裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，通常按流通能力C值確定閥門口徑，常用方法有兩種：1、根據(jù)實(shí)際最大流量Qmax，算出響應(yīng)的流通能力Cmax，然后從產(chǎn)品系列中選取稍大于Cmax的C值及相應(yīng)的閥門口徑，選取時(shí)應(yīng)留必要的余地。最后在實(shí)際最大流量Qmax及實(shí)際最小流量Qmin時(shí)的閥門開度進(jìn)行驗(yàn)算：在Qmax時(shí)應(yīng)不大于90%,在Qmin時(shí)不小于10%。2、按常用流量算出相應(yīng)的流通能力Cvc。選用閥門C值應(yīng)使Cvc/C在0.25~0.8之間，即按常用流量乘以4~1.25倍。一般Cvc/C=0.5為相宜，當(dāng)工作特性為對(duì)數(shù)型時(shí)可更小些。12.4.4控制閥口徑的選擇控制閥口徑選擇附表

(1)特點(diǎn)：輸出信號(hào)在最大值和最小值兩者間切換。(2)適用：允許被控量有持續(xù)的小幅度波動(dòng)。(1)特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但有余差。(2)適用：控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大，允許被

控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。

12.5控制器控制作用的選擇位式控制：比例控制：控制規(guī)律的選擇(1)特點(diǎn)：對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。(2)適用：負(fù)荷變化大，容量滯后大，控制質(zhì)量要求很高的系統(tǒng)。(1)特點(diǎn)：過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)

定性降低。(2)適用：滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不

允許有余差的控制系統(tǒng)。比例積分控制：比例積分微分控制：常用的PID調(diào)節(jié)規(guī)律：PID調(diào)節(jié)規(guī)律特點(diǎn)綜述：控制器正、反作用的選擇控