單回路控制系統的概述
一、單回路控制系統的概述圖3.1為單回路控制系統方框圖的一般形式，它是由被控對象、執行器、調節器和測量變送器組成一個單閉環控制系統。系統的給定量是某一定值，要求系統的被控制量穩定至給定量。由于這種系統結構簡單，性能較好，調試方便等優點，故在工業生產中已被廣泛應用。
圖2.2.1 單回路控制系統方框圖
二、干擾對系統性能的影響
1．干擾通道的放大系數、時間常數及純滯后對系統的影響。
干擾通道的放大系數Kf會影響干擾加在系統中的幅值。若系統是有差系統，則干擾通道的放大系數愈大，系統的靜差也就愈大。
如果干擾通道是一慣性環節，令時間常數為Tf，則階躍擾動通過慣性環節后，其過渡過程的動態分量被濾波而幅值變小。即時間常數Tf越大，則系統的動態偏差就愈小。
通常干擾通道中還會有純滯后環節，它使被調參數的響應時間滯后一個τ值，但不會影響系統的調節質量。
2．干擾進入系統中的不同位置。
復雜的生產過程往往有多個干擾量，它們作用在系統的不同位置，如圖3-2所示。同一形式、大小相同的擾動作用在系統中不同的位置所產生的靜差是不一樣的。對擾動產生影響的僅是擾動作用點前的那些環節。
圖3.2 擾動作用于不同位置的控制系統
三、控制規律的選擇
PID控制規律及其對系統控制質量的影響已在有關課程中介紹，在此將有關結論再簡單歸納一下。
1．比例(P)調節
純比例調節器是一種最簡單的調節器，它對控制作用和擾動作用的響應都很快。由于比例調節只有一個參數，所以整定很方便。這種調節器的主要缺點是系統有靜差存在。其傳遞函數為：
GC(s)= KP =
(3-1) 式中KP為比例系數，δ為比例帶。
2．比例積分(PI)調節
PI調節器就是利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除殘差，但I調節會降低系統的穩定性，這種調節器在過程控制中是應用最多的一種調節器。其傳遞函數為：GC(s)=KP(1+
)＝
(1+) (3-2) 式中TI為積分時間。
3．比例微分(PD)調節
這種調節器由于有微分的超前作用，能增加系統的穩定度，加快系統的調節過程，減小動態和靜態誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導致電動調節閥動作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統。PD調節器的傳遞函數為： GC(s)=KP(1+TDs)＝
(1+TDs) (3-3) 式中TD為微分時間。
4．比例積分微分(PID)調節器
PID是常規調節器中性能最好的一種調節器。由于它具有各類調節器的優點，因而使系統具有更高的控制質量。它的傳遞函數為
GC(s)=KP(1+
+TDs)＝(1++TDs) (3-4) 圖3-3表示了同一對象在相同階躍擾動下，采用不同控制規律時具有相同衰減率的響應過程。
圖3.3 各種控制規律對應的響應過程
四、調節器參數的整定方法
調節器參數的整定一般有兩種方法：一種是理論計算法，即根據廣義對象的數學模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來確定調節器的相關參數；另一種方法是工程實驗法，通過對典型輸入響應曲線所得到的特征量，然后查照經驗表，求得調節器的相關參數。工程實驗整定法有以下四種：
（一）經驗法
若將控制系統按照液位、流量、溫度和壓力等參數來分類，則屬于同一類別的系統，其對象往往比較接近，所以無論是控制器形式還是所整定的參數均可相互參考。表3-1為經驗法整定參數的參考數據，在此基礎上，對調節器的參數作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數按TD=(
～
)TI計算。表3-1 經驗法整定參數
| 系 統 | 參 數 | ||
| δ(%) | TI(min) | TD(min) | |
| 溫 度 | 20～60 | 3～10 | 0.5～3 |
| 流 量 | 40～100 | 0.1～1 | |
| 壓 力 | 30～70 | 0.4～3 | |
| 液 位 | 20～80 | ||
這種整定方法是在閉環情況下進行的。設TI=∞，TD=0，使調節器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統的輸出響應呈現等幅振蕩，如圖3.4所示。根據臨界比例度δk和振蕩周期TS，按表3-2所列的經驗算式，求取調節器的參考參數值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。
表3-2 臨界比例度法整定調節器參數
|
調節器參數 調節器名稱 |
δ | TI(S) | TD(S) |
| P | 2δk | ||
| PI | 2.2δk | TS/1.2 | |
| PID | 1.6δk | 0.5TS | 0.125TS |
衰減曲線法（阻尼振蕩法）
在閉環系統中，先把調節器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應的衰減過程，直至出現圖3-5所示的4：1衰減過程為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，用δS表示之。相鄰兩波峰間的距離稱為4：1衰減周期TS。根據δS和TS，運用表3-3所示的經驗公式，就可計算出調節器預整定的參數值。
表3-3 衰減曲線法計算公式
|
調節器參數 調節器名稱 |
δ（%） | TI(min) | TD(min) |
| P | δS | ||
| PI | 1.2δS | 0.5TS | |
| PID | 0.8δS | 0.3TS | 0.1 TS |
所謂動態特性參數法，就是根據系統開環廣義過程階躍響應特性進行近似計算的方法，即根據第二章中對象特性的階躍響應曲線測試法測得系統的動態特性參數（K、T、τ等），利用表3-4所示的經驗公式，就可計算出對應于衰減率為4：1時調節器的相關參數。如果被控對象是一階慣性環節，或具有很小滯后的一階慣性環節，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時應采用動態特性參數法進行整定。
表3-4 經驗計算公式
|
調節器參數 調節器名稱 |
δ（%） | TI | TD |
| P |
 ×100% |
||
| PI |
1.1 ×100% |
3.3τ | |
| PID |
0.85 ×100% |
2τ | 0.5τ |
