简单控制系统设计

5．系统仿真与实验研究 系统仿真与实验研究是检验系统理论分析与 综合正确与否的重要步骤。 其中Matlab语言 是进行系统仿真的有效工具。 6．工程化设计 工程化设计的主要内容包括测量方式与测量点 的确定、仪器仪表的选型与定购、控制室及仪 表盘的设计、仪表供电与供气系统的设计、信 号连锁与安全保护系统的设计、电缆的敷设以 及保证系统正常运行的有关软件的设计等。 7．工程安装 工程安装是依据施工图对控制系统的具体实施。 8．控制器的参数调整 控制器的参数调整是在控制方案设计合理、仪 器仪表工作正常、系统安装正确无误的前提下 ，使系统运行在最佳状态的重要步骤。 一个简单控制系统开发设计的全过程如右图所示
分析干扰通道特性对控制质量的影响如下: (1)干扰通道 K f 的影响：
由式2可知当 K f 越大，由干扰引起的输出也越大，被控参数偏离给定值就越多。 在系统设计时应尽可能选择静态增益 K f 小的干扰通道，以减小干扰对被控参数
K f 无法被改变时，应当增强控制作用或采用干扰补偿的方法。 的影响。当
过程控制系统开发的主要步骤叙述如下： 1．熟悉控制系统的技术要求或性能指标 控制系统的技术要求或性能指标是由用户或被控过程的设计制造单位提出的。 是控制方案设计的主要依据之一。 2．建立控制系统的数学模型 控制系统的数学模型是控制系统理论分析和设计的基础。 系统控制方案确定的合理与否在很大程度上取决于系统数学模型的精度。 3．确定控制方案 系统的控制方案包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，是控制系统 设计的关键。控制方案的确定要依据被控过程的特性、技术指标和控制任务 的要求，还要考虑方案的简单性、经济性及技术实施的可行性等，并且要进 行反复研究与比较 ，方可确定。 4．根据系统的动态和静态特性进行分析与综合 在确定了系统控制方案的基础上，根据要求的技术指标和系统的动、静态特性 进行分析与综合，以确定各组成环节的有关参数。
5.2 控制方案的确定
控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变送、 控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀（执行器）的选择和调节器正 、反作用的确定等内容。
5.2.1
被控参数的选取
被控参数的选取对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都 具有决定性的意义。这里给出被控参数选取的一般性原则： 1）对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济 运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接参数作为被控参数 。 2）当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的 所谓间接参数作为被控参数。 3）当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则 难以保证对产品质量的控制效果。 4）被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、 售后服务等因素 。 对于一个已经运行的生产过程，被控参数往往是由工艺要求事先确定的。
5.1.2
设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性 深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系 生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个生产环节和工艺设备 之间通常都存在相互制约、相互影响的关系。
3．重视对测量信号的预处理 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系统的控制质量。尽量 减少由不可避免的随即干扰而产生的系统误差
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(2) 干扰通道 T f 的影响
T f 越大，“滤波” G f (s)为惯性环节，对干扰 F ( s) 具有“滤波”作用， 由式2可知， 效果越明显，因此干扰通道的时间常数越大，干扰对被控参数的动态影响就越
小，因而越有利于系统控制质量的提高。
4．注意系统的安全保护
一个好的过程控制系统首先必须保证安全可靠地运行，尤其当系统处在高 危险环境下运行时，应设计多层次、多级别的安全保护系统。 总之，控制系统的设计是一件细致而又复杂的工作，对具体的过程控制系统 设计者而言，只有通过认真调查研究，熟悉各个生产工艺过程，具体问题具 体分析，才能获得预期的效果。
5.2.2
控制参数的选择
5.2.2.1 过程特性对控制质量的影响 1. 干扰通道特性对控制质量的影响 对于简单过程控制系统，可求得系统输出与干扰之间的传递函数为
G f ( s) C ( s) (式1) 假设 G f (s) 为一单容过程，其传递函数为 F (s) 1 Gc (s)Gv (s)G p (s) H (s)
5.1 简单控制系统设计概述
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水箱 压力变送器 液位调节器 调节阀
图1 水箱液位控制系统流程图
简单控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统。是最基 本的过程控制系统。是构成复杂过程控制系统的基础。典型结构框图如下：
5.1.1
控制系统设计的任务及其开发步骤
如上图所示，简单过程控制系统主要由被控过程、过程检测和控制仪表组成 过程控制系统设计的主要任务就在于如何确定合理的控制方案、选择正确的 参数检测方法与检测仪表以及过程控制仪表的选型和调节器的参数整定等等 其中，控制方案的确定、仪表的选型和调节器的参数整定是过程控制系统 设计的重要内容。
G f ( s)
Kf Tf s 1
Kf C ( s) 1 则： F (s) 1 G (s)G (s)G (s) H (s) T s 1 c v p f
(式2) (式3)
G f ( s) C ( s) f s e 若单容过程具有纯时延时间 f 则： F (s) 1 Gc (s)Gv (s)G p (s) H (s)
第5章 简单控制系统的设计
本章要点
1）了解简单控制系统的设计任务及开发步骤； 2）熟悉被控过程特性对控制质量的影响，掌握 被控参数、控制参数的设计原则； 3）了解调节规律对控制质量的影响，熟悉调节 规律的选择方法； 4）掌握调节器作用方式的选择 5）熟悉执行器的选择方法及注意的问题； 6）掌握调节器参数的整定方法与实验技能，重 点掌握调节器参数的整定方法。