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过程控制系统设计 控制系统的组成 过程控制系统 一个生产设备可以有多个控制目标，每一控制目标需要一个控制系统。 一个控制系统可以有一个闭合回路组成，称为单回路控制系统。也可能包含多个闭合回路，称为多回路控制系统。有的时候，尽管控制系统只有一个回路，但控制作用是综合多个因素产生。 工程上，常将单回路控制系统称为简单控制系统，而其它形式的控制系统都称为复杂控制系统。 单回路控制系统设计是最基本的控制系统设计过程，它的分析、设计和整定方法同样适用于其它各类复杂控制系统的分析、设计和整定。 控制系统(控制方案)设计，包括选择适当的被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及其正、反作用方式的确定等。 单回路控制系统 如图所示系统,称为单回路闭环控制系统， 其中G(s) 为被控对象(参数)，GC(s) 为控制器（调节器）、 Gv(s)为执行器，Gm(s)为测量变送器。这是最简单的闭环控制系统,也是工业过程控制中用的最多的控制系统。 被控参数的选择 对于一个生产过程来说，影响正常操作的因素很多，但是，并非所有影响因素都需加以控制。应根据工艺要求，找出对产品的产量和质量、生产安全性、经济性等具有决定性作用的、必须的一个或几个参数组成控制回路 。例如，蒸汽锅炉控制系统，锅炉水位直接与锅炉安全运行有关，水位过高或过低均会造成严重事故。因此，必须对锅炉水位进行控制。 这样的参数称为被控参数（也称为被控对象，被控变量）。 对一个设备或生产流程而言，被控参数的数量并不是越多越好。 直接参数与间接参数 可直接反映生产质量、控制目标的工艺参数，称直接参数，如锅炉的水位。被控参数应尽量选择直接参数。 当被控参数无法直接测量时，应选择与其有紧密关系的其它因素作为被控参数，这类参数称为间接参数。比如精馏塔的馏出物的含量（成分）。 选择间接参数的原则是必须与直接参数有单值函数关系，并且具有足够的灵敏度。如精馏过程在保持压力稳定时，馏出物的浓度与温度具有单值函数关系，这时温度间接反映了浓度，因此是间接参数。 选取被控参数的一般原则 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数； 当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数； 被控参数必须具有足够高的灵敏度，能及时反映生产情况。 被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。 控制参数的选择 控制参数是用于操纵被控参数运行的参量，也常称为控制变量，操纵变量。 选择控制参数的过程，就是确定被控参数与控制参数之间的因果关系的过程。 原则上讲，凡能影响被控参数的因素都可以作为控制参数。有些过程，控制参数是惟一确定的。如锅炉水位控制系统，只有一个可选的控制参数，即给水量。 有的过程，可能有几个参数可供选择。当工艺上有多个参数可供选择时，应根据工艺过程，分析各可选择控制参数与被控参数之间的关系，选择其中一个。 控制参数的选择 一旦确定了控制参数后，其它的可供选择的工艺变量（参数）成为影响被控参数的扰动因素。 由于控制参数与扰动参数具有这种互换性，因此，在分析与设计控制回路时，应选择控制作用强，动态响应快的因素作为控制参数。 控制参数应该具有足够的能力，能克服其它扰动因素的影响。 测量反馈 测量变送器的基本要求是能正确地、迅速地反映被控变量的变化，并将它转换成标准信号(4~ 20mA 电流)。测量变送环节包括检测元件和变送器两部分，通常可用带时延的一阶惯性环节来描述，即： 式中，Km、Tm和τm分别为静态放大系数、时间常数和时延。 测量反馈 图6-1-2为测量变送器对应三种不同信号的输出。 测量反馈 减小测量变送器的τm和Tm对提高系统的控制质量有利。 放大系数Km是可调整参数。 检测元件的特性非常重要，特别要求检测元件特性要长期稳定。安装位置和安装方式要恰当。尽量避免或减小测量过程中带来的噪声干扰和纯时延。 许多实际情况，测量变送器的反映速度远远高于过程变量的变化，因此常将测量变送器简化为比例（放大）环节。 同样执行器也常简化为比例环节 广义对象 控制系统设计时，经常将被控对象、检测仪表和执行器三者作为一个整体考虑。合称为广义对象。 一旦获得广义对象的动态性能，就可以建立系统的数学模型。 当设计问题可用数学模型来表示时，就可利用仿真技术，对系统的各种控制方案在不同的信号和扰动作用下进行试验。 必须明白这个过程是建立在模型基础上的研究，而结果的可靠性与模型的正确性和准确性有密切的关系。 单回路控制系统 单回路控制系统 单回路控制系统 当无干扰时，控制通道传递函数为 当无输入时，干扰通道传递函数为 假定 系统中各环节传递函数为：