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第三章 简单过程控制系统 工业生产过程尤其是现代大工业生产过程如石油、化工、冶金等都是复杂的过程，由许多子过程甚至子子过程串、并联组成，生产工艺要求亦千变万化。从控制的角度，子过程可分为单输入单输出和多输人多输出两大类。 单回路反馈控制系统是实现生产过程自动化的基本单元(基本形式)，随着生产的发展，虽然复杂控制方案的应用日趋推广，但就日常而言，单回路控制系统仍然占据着主要地位，因此有必要了解单回路控制系统的一般设计原则。 1 3.1 概述 3.1 概述 3.1.1 单回路系统 单回路过程控制系统－单回路调节系统－简称单回路系统，一般是指针对一个被控过程 (调节对象)，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持一个被控参数恒定(或在很小范围内变化)，其输出也只控制一个执行机构(调节阀)。从系统的框图看，只有一个闭环回路。 2 3.1.1 单回路系统 3 单回路控制系统框图 Wc(s)—调节器的传递函数 Wv(s)—调节阀的传递函数 W0(s)—被控过程的传递函数 Wm(s)—测量变送器的传递函数 特点： 结构简单，投资少； 易于调整和投运； 纯滞后，惯性小、 负荷和扰动变化比较平缓， 被控质量要求不高的场合。 3.1.2 设计的一般要求 3.1.2 对过程控制系统设计的一般要求 工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可归纳为三方面要求，即安全性、稳定性和经济性 安全性：在整个生产过程中，确保人员设备的安全，这是最重要也是最基本的要求，通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。 稳定性：系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。 4 3.1.2 设计的一般要求 依据自动控制理论，这就要求系统除了满足绝对稳定性外，还必须具有适当的稳定裕量；其次要求系统具有良好的动态响应特性(过渡过程时间短，稳态误差小等)。 经济性：提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。 5 3.1.2 设计的一般要求 过程控制系统的品质是由组成系统的结构和各个环节的特性所决定的。因此对于过程控制系统设计者来说除了掌握自动控制理论、计算机、仪器、仪表知识外，还要十分熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态与动态特性，并能针对不同的被控过程、不同的生产工艺控制要求，设计不同的控制系统。 例如工业生产中常见的热交换过程，通常要求进行温度控制，这类过程的特性比较复杂，时延特性相当明显，不同的过程在控制方式和控制品质方面差异很大。 6 3.1.2 设计的一般要求 如液位过程特性差异很大，其时间常数有的只有几秒钟，而有的可达数小时。 锅炉水位控制系统，即使同一种设备，由于其大小、容量和控制要求不同，其设计的过程控制系统也是千差万别的。 如燃烧过程控制，由于使用的燃料(有煤、原油、天然气、工厂排出的可燃废气等)和工业设备不同，对过程控制系统的要求也不一样。 7 3.1.2 设计的一般要求 有的系统要求负压控制，有的系统要求微正压控制，有的还对燃料炉的气体(有还原性、氧化性、中性气体)有特殊的控制要求。 总之，过程控制系统设计应根据过程特性、扰动情况以及限制条件等，正确运用自动控制理论和控制技术，才能设计一个性能优良、技术上可行并且满足工艺合理要求的过程控制系统。 8 3.1.3 系统设计步骤 3.1.3 过程控制系统设计步骤 过程控制系统设计，从设计任务提出到系统投入运行，是一个从理论设计到实践，再从实践到理论设计的多次反复的过程。 1．建立被控过程的数学模型 建立被控过程的数学模型是过程控制系统设计的第一步。在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学关系式(或方程式)即所谓数学模型来描述被控过程的特性。只有掌握了过程的数学模型或深入了解了过程特性，才能深入分析过程的特性和选择正确的控制方案。 9 3.1.3 系统设计步骤 2．选择控制方案 根据设计任务和技术指标要求，经过调查研究，综合考虑安全性、稳定性、经济性和技术实施的可行性、简单性，进行反复比较，选择合理的控制方案。过程方案初步确定后，应用控制理论并借助计算机辅助分析进行系统静态、动态特性分析计算，判定系统的稳定性、过渡过程等特性是否满足系统的品质指标要求。 10 3.1.3 系统设计步骤 3．控制设备选型 　　根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的测量、变送器、控制器(控制规律)与执行器(调节阀)等。 4．实验(和仿真) 　　实验(和仿真)是检验系统设计正确与否的重要手段。有些在系统设计过程中难以考虑的因素，可以在实验中考虑，同时通过实验可以检验系统设计的正确性，以