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《过程控制系统》 华东理工大学 孙自强 2008年2月 第4章 简单控制系统 简单控制系统指的是单输入-单输出(SISO) 的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流的今天，即使在高水平的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回路的绝大多数，一般在85％以上。力求简单、可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的基本准则。 4.1 控制系统的组成 简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。 检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。 控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。 执行器是控制系统环路中的最终元件，直接用于控制操纵变量变化。 被控对象是需要控制的设备 。 4.2 简单控制系统的设计 4.2.1控制系统设计概述 首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的工艺装置对象； 其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案； 第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意倾听自动化专业技术人员的建议； 第四，设计一定要遵守有关的标准﹑行规，按科学合理的程序进行。 说明 ： 框图中的各个信号都是增量。 各环节的增益有正、负之别。 通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象。 简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操纵变量作用到被控变量的通道。扰动通道是扰动作用到被控变量的通道。 设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统 设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控制系统。 控制系统中如果包含采样开关，则这类控制系统称为采样控制系统 控制系统设计基本内容 ① 确定控制方案 调研，论证 包括被控变量的选择与确认﹑操纵变量的选择与确认﹑检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等等。 ② 仪表及装置的选型 要考虑到供货方的信誉﹑产品的质量﹑价格﹑可靠性﹑精度﹑供货方便程度﹑技术支持﹑维护等因素。 ③ 相关工程内容的设计 包括控制室设计﹑供电和供气系统设计﹑仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。 控制系统设计基本步骤 ① 初步设计 初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。 ② 施工图设计 是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。 ③ 设计文件和责任签字 包括设计﹑校核﹑审核﹑审定﹑各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。 ④ 参与施工和试车 设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。 ⑤ 设计回访 在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。 4.2.2 被控变量与操纵变量的选择 被控变量选择应遵循下列原则： 尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量； 所选被控变量能满足生产工艺稳定﹑安全﹑高效的要求 必须考虑自动化仪表及装置的现状。 操纵变量选取应遵循下列原则： ①操纵变量必须是工艺上允许调节的变量； ②操纵变量是应该是系统中所有被控变量的输入变量中的对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数Ｋ要尽量大一些，时间常数Ｔ适当小些，滞后时间尽量小。 ③不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。 4.2.3 检测变送环节选择 ⑴ 检测变送环节的性能 检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。 选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产过程环境；能否长期稳定运行；检测元件的精确度和响应的快速性等。还应考虑检测元件和变送器的线性特性等。 仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精确度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表量程大Km小，而仪表量程小则Km大。 检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前向增益足够大时，整个闭环控制系统输入输出的增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整个控制系统开环增益非线性。 相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的时间常数是较小的。但成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动仪表要大；采用保护套管温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。此外，应考