先進 控制系統(tǒng)2

第二篇先進控制系統(tǒng)目錄第8章非線性控制系統(tǒng)第9章純滯后補償控制系統(tǒng)第10章解耦控制系統(tǒng)第11章按計算指標及推斷控制系統(tǒng)第12章按z變換設計的控制系統(tǒng)第13章模型預測控制第14章其他新型控制方法第8章非線性控制系統(tǒng)由于復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)大都是非線性的，因此，非線性控制理論越來越得到廣泛重視和應用。在某些工程問題中，非線性特性還常被用來改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)。例如將死區(qū)特性環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)同時加到某個二階系統(tǒng)的反饋回路中去，就可以使系統(tǒng)的控制既快速又平穩(wěn)。非線性控制系統(tǒng)：狀態(tài)變量和輸出變量相對于輸入變量的運動特性不能用線性關系描述的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)的形成基于兩類原因：一是被控系統(tǒng)中包含有不能忽略的非線性因素；二是為提高控制性能或簡化控制系統(tǒng)結(jié)構而人為地采用非線性元件。非線性控制系統(tǒng)分類：過程本身是非線性的，引入非線性的補償元件或控制規(guī)律，以達到系統(tǒng)規(guī)定的控制指標；過程是線性的（或近似按線性處理），為了滿足控制系統(tǒng)的某種要求或改善控制系統(tǒng)質(zhì)量而引入非線性的控制規(guī)律。非線性系統(tǒng)的分析遠比線性系統(tǒng)更為復雜。非線性控制系統(tǒng)在許多領域都具有廣泛的應用。除了一般工程系統(tǒng)外，在機器人、生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的控制中也具有重要意義。從廣義角度來說，所有的工業(yè)過程控制對象都是具有純滯后(時滯)的對象。第9章純滯后補償控制系統(tǒng)衡量過程具有純滯后的大小通常采用過程純滯后和過程慣性時間常數(shù)之比。時，稱生產(chǎn)過程是具有一般純滯后的過程。當時，稱為具有大純滯后的過程。一般純滯后過程可通過常規(guī)控制系統(tǒng)得到較好的控制效果。而當純滯后較大時，則用常規(guī)控制系統(tǒng)常常較難奏效。大滯后過程是公認較難控制的過程。其難于控制的主要原因是純滯后的增加導致開環(huán)相頻特性相角滯后增大，使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了保證穩(wěn)定裕度，不得不減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，造成控制質(zhì)量的下降。目前克服大純滯后的方法主要有史密斯預估補償控制，自適應史密斯預估補償控制，觀測補償器控制，采樣控制，內(nèi)部模型控制(IMC)，達林算法等。二、常規(guī)控制方案1.微分先行控制方案2.中間反饋控制方案3.采樣控制系統(tǒng)方案常規(guī)PI控制系統(tǒng)結(jié)構圖常規(guī)PI+D作用控制系統(tǒng)結(jié)構圖1．微分先行控制方案

控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：在給定值作用下：在擾動作用下：

三種控制方案的響應曲線a）常規(guī)PI控制b)PI+D控制c)微分先行控制2．中間微分控制方案

設被控過程的傳遞函數(shù)為：W0(s)＝則加入中間微分控制后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

回路PI控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：三種控制方案的過渡過程中間微分3、采樣控制方案所謂采樣控制，是一種定周期的斷續(xù)PID控制方式，即控制器按周期T進行采樣控制。在兩次采樣之間，保持該控制信號不變，直到下一個采樣控制信號信號到來。保持的時間T與必須大于純滯后時間τ0。這樣重復動作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，直至系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種“調(diào)一調(diào)，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，減少控制器的過度調(diào)節(jié)。爐溫采樣控制系統(tǒng)采樣控制是以犧牲速度來獲取穩(wěn)定的控制效果，如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應。1.Smith補償原理純時延的補償原理圖三、Smith預估補償方案Simth預估補償控制是按照對象特性，設計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前動作，從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過程。2.Smith補償方案有純時延的單回路控制系統(tǒng)具有補償器的單回路控制系統(tǒng)Smith補償回路Smith補償?shù)牡刃ЫY(jié)構圖y（t）與y1（t）響應曲線SMITH預估補償控制原理結(jié)構框圖

a）原理框圖b）SMITH預估補償框圖c）等效框圖給定值為擾動時的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

擾動信號的傳遞函數(shù)為：

增益自適應預估補償控制增益自適應預估補償控制框圖

第10章解耦控制系統(tǒng)有些生產(chǎn)過程中，在一個設備上需要設置若干個控制系統(tǒng)，分別對多個被控參數(shù)進行控制。在這種情況下，多個控制系統(tǒng)之間就有可能存在相互關聯(lián)和相互影響，稱為相互耦合?？刂葡到y(tǒng)間的耦合，會妨礙各被控參數(shù)的獨立控制，嚴重時甚至會破壞各系統(tǒng)的正常工作。通過采取措施，把相互關聯(lián)的多參數(shù)控制過程轉(zhuǎn)化為幾個彼此獨立的控制系統(tǒng)。把這樣的系統(tǒng)稱為解耦控制系統(tǒng)（或自治控制系統(tǒng)）。一、被控過程的耦合現(xiàn)象及對控制過程的影響圖中，精餾塔的塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)存在耦合現(xiàn)象。精餾塔溫度控制系統(tǒng)再沸器回流QL塔底產(chǎn)品QW精餾塔T2CT2TT1C蒸汽QS進料F塔頂產(chǎn)品QDu2T1T冷凝器回流罐塔頂溫度控制系統(tǒng)和塔底溫度控制系統(tǒng)的耦合關系，可抽象為方框圖表示（將變送器、執(zhí)行器環(huán)節(jié)特性簡化為1）。精餾塔溫度控制系統(tǒng)框圖G11(s)T1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)T2(s)T10T20+-+++++-二、解耦控制系統(tǒng)設計解耦控制就是通過解耦環(huán)節(jié)，使存在耦合的多變量控制系統(tǒng)變?yōu)橄嗷オ毩⒌膯巫兞靠刂葡到y(tǒng)。幾種常用的解耦方法：1．前饋補償解耦設計2．對角矩陣解耦設計3．單位矩陣解耦設計1．前饋補償解耦設計前饋補償解耦是最早用于多變量耦合控制系統(tǒng)的解耦方法，是利用前饋控制原理實現(xiàn)解耦。前饋補償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N21(s)N12(s)++++根據(jù)不變性原理可得U1(s)G21(s)+U1(s)N21(s)G22(s)=0U2(s)G12(s)+U2(s)N12(s)G11(s)=0圖示為應用前饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)（二變量）解耦的系統(tǒng)框圖。前饋補償解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N21(s)N12(s)++++求得解耦環(huán)節(jié)的數(shù)學模型雙變量解耦系統(tǒng)框圖G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++對角矩陣設計法是設計一個解耦器，使解耦器的傳遞函數(shù)陣與被控過程的傳遞函數(shù)陣的乘積成為對角陣，以消除多變量被控過程變量之間的相互耦合。例2．對角矩陣解耦設計對被控過程的兩個輸入量和輸出量之間的關系,可以列出一組描述對象特性的方程：Y1(s)=G11(s)Uc1(s)+G12(s)Uc2(s)Y2(s)=G21(s)Uc1(s)+G22(s)Uc2(s)G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)可簡寫成：

Y^(s)=G^(s)U^c(s)式中Y^(s)為輸出向量，U^c(s)為輸入向量，而G^(s)稱為對象的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是解耦環(huán)節(jié)N(s)接在調(diào)節(jié)器和對象G(s)之間：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)Uc1(s)=N11(s)U1(s)+N12(s)U2(s)Uc2(s)=N21(s)U1(s)+N22(s)U2(s)可簡寫成：式中U^c(s)為輸出向量，U^(s)為輸入向量，而N^(s)稱為解耦器的傳遞矩陣。將此方程組寫成矩陣形式，便是這時調(diào)節(jié)器輸出的控制作用U(s)與被調(diào)節(jié)量Y(s)的關聯(lián)可用矩陣表達：G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)Y2(s)X1X2+-+++++-N11(s)N21(s)N12(s)N22(s)++++Uc1(s)Uc2(s)之積是對角陣：則有說明Y1、Y2之間解耦。據(jù)此條件可求解耦陣：中，如果實現(xiàn)對角解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：G11(s)Y1(s)U1(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)使解耦陣與對象陣的乘積成為單位陣：如果在對角解耦中3．單位矩陣解耦設計則實現(xiàn)單位解耦之后的等效系統(tǒng)框圖：1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)實現(xiàn)單位解耦的好處是：使對象的特性等效為1，從而控制特性得到改善。但解耦陣的函數(shù)復雜化。

1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)三、解耦控制的進一步討論解耦設計的目的是為了能構成獨立的單回路控制系統(tǒng)，獲得滿意的控制性能。在設計解耦器時，需要根據(jù)實際情況特別注意以下問題：1．控制變量與被控參數(shù)的配對2．部分解耦3．解耦環(huán)節(jié)的簡化1．控制變量與被控參數(shù)的配對存在耦合的被控過程中，一個控制變量會影響多個被控參數(shù)。設計解耦時，首先要確定每個被控參數(shù)被哪個控制變量控制最合理，即解決耦合過程中被控參數(shù)與被控變量之間的配對問題。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++對匹配關系比較明顯的多變量對象，憑經(jīng)驗就可確定控制變量與被控參數(shù)之間的配對關系；而對關聯(lián)關系比較復雜的多變量對象，則用相對增益法評價變量之間的耦合程度。即哪個通道相對增益最大，則此通道的輸入與輸出為最佳控制配對，其它通道用解耦消除。2．部分解耦所謂部分解耦是指：對耦合關系復雜的對象，只對部分耦合通道采取解耦措施。從解耦器函數(shù)的求解可以看出，解耦器的實現(xiàn)比較復雜。為了降低成本，可以只對部分耦合通道采取解耦措施。當然，部分解耦的控制性能比完全解耦過程要差一點。部分解耦是一種有選擇的解耦，使用時必須首先確定哪些過程需要解耦，選擇的依據(jù)兩條：①被控參數(shù)的相對重要性②被控參數(shù)的響應速度①被控參數(shù)的相對重要性控制過程中各被控參數(shù)的重要性是不同的。對那些重要的被控參數(shù)，控制要求高，最好采用解耦環(huán)節(jié)消除或減少其它輸入對它的耦合。如圖精餾工藝中，若對塔頂產(chǎn)品的純度指標遠高于對塔底產(chǎn)品的純度要求，可采用前饋補償環(huán)節(jié)只消除U2對T1的耦合。精餾塔溫度控制系統(tǒng)再沸器回流QL塔底產(chǎn)品QW精餾塔T2CT2TT1C蒸汽QS進料F塔頂產(chǎn)品QDu2T1T冷凝器回流罐U2T1②被控參數(shù)的響應速度對象的各個被控參數(shù)對輸入的響應速度是不一樣的。響應快的被控參數(shù)受響應慢的參數(shù)的影響小，而響應慢的參數(shù)受來自響應快的參數(shù)的影響大。如溫度、成分等參數(shù)響應較慢，壓力、流量等參數(shù)響應較快。因此，在部分解耦設計時，往往對響應慢的參數(shù)受到的耦合進行解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++3．解耦環(huán)節(jié)的簡化從對象的傳遞函數(shù)求得解耦裝置的數(shù)學模型，對象傳遞函數(shù)越復雜，解耦環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)也越復雜，實現(xiàn)越困難。如果對求出的解耦環(huán)節(jié)進行適當簡化，可使解耦易于實現(xiàn)。簡化可以從以下兩個方面考慮：①在高階系統(tǒng)中，如果存在小時間常數(shù)，它與其它時間常數(shù)的比值小于1/10左右時，可將小時間常數(shù)忽略，從而降低解耦模型階數(shù)；如果幾個時間常數(shù)值相近，也可取同一值代替。例如某被控過程的傳遞函數(shù)陣為：按照上面的簡化原則可以簡化成：②省略解耦函數(shù)的動態(tài)部分，只采用靜態(tài)解耦。如只采用靜態(tài)解耦，則：顯然，解耦環(huán)節(jié)簡化為比例環(huán)節(jié)，更容易實現(xiàn)。例如一個2×2的系統(tǒng)，求出的解耦環(huán)節(jié)傳遞矩陣為：試驗表明，當對象各通道的動特性相等或相近時，用靜態(tài)解耦能滿意地解決耦合問題。由于對象特性的測試或推算都是忽略了一些因素取得的近似值，因而求得的解耦裝置的數(shù)學模型往往是近似的，加之實現(xiàn)時的誤差，很難做到理想的“全解耦”。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++第11章按計算指標及推斷控制系統(tǒng)11.1按計算指標的控制系統(tǒng)（軟測量）選擇與被估計變量相關的一組可測變量，依據(jù)這些可測變量與難以直接測量的待測過程變量之間的數(shù)學關系（即軟測量模型），通過各種數(shù)學計算和估計方法，間接得到主導變量的估計值。系統(tǒng)組成1）輔助變量選擇：變量選擇原則：①過程適用性；②靈敏性；③特異性；④準確性；⑤魯棒性；⑥關聯(lián)性關系到軟測量技術精確度。包括：變量類型、數(shù)目和測點位置的確定。變量數(shù)目：至少要等于主導變量的個數(shù)；過多輔助變量會出現(xiàn)過參數(shù)化問題；其最佳數(shù)目與過程的自由度、測量噪聲以及模型不確定性等有關。2）數(shù)據(jù)檢測與處理

檢測數(shù)據(jù)的誤差處理：采用各種方法提取、剔除和校正這些壞數(shù)據(jù)。方法為數(shù)字濾波技術、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)技術、統(tǒng)計假設檢驗、廣義似然比法等。

測量數(shù)據(jù)的變換:標度、轉(zhuǎn)換和權函數(shù)。3)軟測量數(shù)學模型建立本質(zhì)上是由輔助變量構成的可測信息集到主導變量估計y的映射。

方法:機理建模、回歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學、過程層析成像、相關分析、現(xiàn)代非線性信息處理技術。4)模型的在線校正模型結(jié)構的優(yōu)化:包括短期學習和長期學習的校正方法;模型參數(shù)的修正:采用自適應法、增量法和多時標法等。11.2推斷控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程的被控變量(過程的輸出)有時不能直接測得，因而就難于實現(xiàn)反饋控制。如果擾動可測，則尚能采用前饋控制。假若擾動也不能直接測得，則可以采用推斷控制。推斷控制是利用數(shù)學模型由可測信息將不可測的輸出變量推算出來實現(xiàn)反饋控制，或?qū)⒉豢蓽y擾動推算出來以實現(xiàn)前饋控制。對于不可測擾動的推斷控制是美國學者C·B·Brosilow等于1978年提出來的。它利用過程的輔助輸出，如溫度、壓力、流量等測量信息，來推斷不可直接測量的擾動對過程主要輸出（如產(chǎn)品質(zhì)量、成分等）的影響。然后基于這些推斷估計量來確定控制輸入，以消除不可直接測量的擾動對過程主要輸出的影響，改善控制品質(zhì)。根據(jù)過程輸出的性能要求，在建立被控過程數(shù)學模型的基礎上，通過數(shù)學推理，導出推斷控制系統(tǒng)應該具有的結(jié)構形式。采用輔助變量間接控制過程的主導變量。主導變量輔助變量不可測干擾估計器推斷控制系統(tǒng)通常包括三個部分信號分離估計器E(s)推斷控制器GI(s)1）對不可測干擾的信號分離

信號分離的目的是估計干擾對輔助變量的影響

當干擾對輔助輸出通道的數(shù)學模型完全匹配時，即

2）對不可測干擾的估計器

估計器通過來確定不可測干擾對主導變量的影響。估計器輸出為不可測干擾F(s)對過程主要輸出Y(s)影響的估計值。3）推斷控制器

推斷控制器的輸出為:

若模型完全匹配,則有推斷控制系統(tǒng)在模型正確無誤的條件下，可以實現(xiàn)對給定值變化的完全跟蹤，以及對不可測干擾影響的完全消除。第二篇先進控制系統(tǒng)結(jié)束第二篇學習要求了解解耦、純滯后補償?shù)容^為新型的控制方法。串級兩控制器串聯(lián)兩閉合回路形成內(nèi)外環(huán)解決對象滯后大，干擾作用強而頻繁，負荷變化大的問題前饋開環(huán)控制對特定干擾加補償器反饋反饋回路和開環(huán)的補償回路疊加而成在干擾頻繁，對象有較大滯后時，對主要干擾加補償器＋總結(jié)大滯后

采樣控制；Simth預估補償控制調(diào)一調(diào)、等一等；利用預估器提前做出響應、提前控制比值單閉環(huán)雙閉環(huán)變比值實現(xiàn)幾個流量參數(shù)符合一定比例關系均勻簡單均勻控制串級均勻控制對兩個有控制矛盾的被控參數(shù)，進行協(xié)調(diào)控制分程

一個控制器對多個控制閥解耦多個控制回路對一個控制閥實現(xiàn)多個操縱量協(xié)調(diào)操作實現(xiàn)多個被控參數(shù)選擇控制選擇前饋解耦對角矩陣解耦單位矩陣解耦解除控制回路間的耦合影響第三篇過程控制工程典型生產(chǎn)過程企業(yè)的結(jié)構單元操作的基本任務安全操作 聯(lián)鎖保護，各種軟保護（超馳控制、設備壓力溫度控制、最小/最大流量控制等）平穩(wěn)操作 液面控制（或稱物料平衡控制），重要操作參數(shù)控制等質(zhì)量控制

直接/間接質(zhì)量控制，如成分控制/靈敏板溫度控制等在討論各典型單元操作的控制時，應對各典型單元操作的工藝機制有概要的了解，然后從控制的需要，對它的動靜特性作必要的分析，最后結(jié)合過程控制系統(tǒng)的知識，視各單元操作的控制要求，確定整體控制方案。一、過程控制系統(tǒng)設計——要求

安全性

----在整個生產(chǎn)過程中，確保人員設備的安全。通常采用參數(shù)越限報警、事故報警、連鎖保護等措施加以保證。2)

穩(wěn)定性

-----系統(tǒng)在一定的外界擾動下，在系統(tǒng)參數(shù)、工藝條件一定的變化范圍內(nèi)，能長期穩(wěn)定運行的能力。

-----準確性:系統(tǒng)被控量的實際運行狀況與希望狀況之間的偏差要小，使系統(tǒng)具有足夠的控制精度。

------快速性:系統(tǒng)從一種工作狀態(tài)向另一種工作狀態(tài)過渡的時間要短。3)

經(jīng)濟性

------提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的同時，降耗節(jié)能，提高經(jīng)濟效益與社會效益。二、過程控制系統(tǒng)設計——步驟1.熟悉系統(tǒng)的技術要求或性能指標2.建立被控過程的數(shù)學模型

3.確定控制方案

4.根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性進行理論分析與綜合5.實驗驗證

6.工程設計7.工程安裝

8.控制器的參數(shù)整定

三、過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定1.被控變量的選擇

①盡量選用對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全穩(wěn)定生產(chǎn)、經(jīng)濟運行等具有決定性作用、并且可以直接檢測的工藝參數(shù)作為被控變量（直接變量）。被控變量要兼顧工藝上的合理性和檢測儀表的可行性、可靠性。②當直接變量難以獲得，或檢測滯后較大時，應選取與直接變量具有單值函數(shù)關系的間接變量作為被控變量。間接變量對直接變量應具有較高的控制靈敏度。③當直接變量不可測量時，往往可以采用推斷控制獲得實際取值。尋找與直接變量存在一定函數(shù)關系、可靠、容易測量的輔助變量。過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定2.控制變量的選擇

兩條通道的過程參數(shù)不一定相同，其對系統(tǒng)的影響也不一樣。干擾通道控制通道2.控制變量的選擇---干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響1)干擾通道靜態(tài)增益Kf對控制質(zhì)量的影響過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定Kf越小越好,以減弱擾動對被控參數(shù)的影響；2)干擾通道時間常數(shù)Tf對控制質(zhì)量的影響一階慣性環(huán)節(jié)的干擾通道傳遞函數(shù)為一個一階濾波器,其時間常數(shù)Tf越大,濾波能力越強,擾動越易于克服。3)干擾通道時延時間τf對控制質(zhì)量的影響干擾通道的純滯后,不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。當干擾通道存在容量滯后時,將對系統(tǒng)克服擾動有益。當擾動位置離被控參數(shù)越近,擾動對它的影響越大。當擾動離被控參數(shù)越遠即離調(diào)節(jié)閥越近,擾動對其影響越小。系統(tǒng)設計時，應使擾動作用點遠離被控參數(shù)。2.控制變量的選擇---干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定4)干擾進入系統(tǒng)的位置對控制質(zhì)量的影響3)廣義過程選擇參數(shù)時,應盡量設法把幾個時間常數(shù)錯開,使其中一個時間常數(shù)比其它時間常數(shù)大得多,同時注意減小第二,第三個時間常數(shù).過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定2.控制變量的選擇---控制通道特性對控制質(zhì)量的影響1)選擇過程控制通道的放大系數(shù)K0要適當大些;時間常數(shù)T0要適當小些;

純滯后時間越小越好,

在有純滯后的情況下,與T0之比小一些(小于1).2)選擇過程擾動通道的放大系數(shù)Kf應盡可能小些;時間常數(shù)Tf要大;

擾動引入系統(tǒng)的位置要遠離控制過程;

容量滯后越大越有利控制4)注意工藝操作的合理性經(jīng)濟性.過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定3.被控變量的檢測與變送

測量元件安裝位置不當及測量儀表本身特性等,易引入純滯后。使測量信號不能及時反映被控參數(shù)的實際值,引起測量動態(tài)誤差,降低過程控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定4.執(zhí)行器的選擇

1）執(zhí)行器的選型綜合考慮生產(chǎn)過程的特點、對執(zhí)行器推力的需求、被控介質(zhì)特性及安全性等因素來確定執(zhí)行器類型。2）氣動執(zhí)行器的氣開、氣關形式選擇①控制器輸出信號為零或氣源中斷時使生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)；②在系統(tǒng)安全運行的條件下，綜合考慮節(jié)能、控制便捷等因素。3）調(diào)節(jié)閥尺寸的選擇調(diào)節(jié)閥尺寸主要包括調(diào)節(jié)閥的開度和口徑大小。在正常運行條件下，一般要求調(diào)節(jié)閥開度處于15%～85%之間。4）調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇為保證系統(tǒng)總的開環(huán)增益在整個工作范圍內(nèi)都保持線性、恒定,需要通過選擇調(diào)節(jié)閥的非線性流量特性來補償被控過程的非線性特性。確定調(diào)節(jié)閥的氣開氣關形式

——氣開（+），氣關（-）確定被控過程的正反作用

——正（輸入增加輸出，+），反（-）確定調(diào)節(jié)器的正反作用方式

——正（輸入增加輸出，+），反（-）保證控制系統(tǒng)是負反饋的控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定5.控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇----控制器正/反作用方式

1）廣義過程控制通道時間常數(shù)較大或容量滯后較大，引入D調(diào)節(jié)；工藝容許有靜差時，選用PD調(diào)節(jié)；工藝要求無靜差時，選用PID調(diào)節(jié)。2）控制通道時間常數(shù)小、負荷變化不大且要求允許有靜差，選用P調(diào)節(jié)。3）控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化不大，工藝要求無靜差，選用PI調(diào)節(jié)。4）控制通道時間常數(shù)很大且純滯后時間較大、負荷變化劇烈，簡單控制系統(tǒng)難以滿足工藝要求，應采用復雜控制系統(tǒng)或其他控制方案。過程控制系統(tǒng)設計——控制方案確定5.控制器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇---原則

①τo/To<0.2，選用P或PI調(diào)節(jié)規(guī)律；②0.2<τo/To<1.0，選用PD或PID調(diào)節(jié)規(guī)律；③τo/To>1.0，簡單控制系統(tǒng)一般難以滿足要求，需要采用其他控制方式。自控工程設計需要大量的專業(yè)知識，這些基本上在相關課程的教學中已學習過了。與此同時，尚需了解和掌握工程設計的程序和方法、有關的規(guī)程和規(guī)定。這些必須通過親自實踐，才能逐步掌握。四、過程控制系統(tǒng)設計——工程設計工程設計的工作流程簡圖用圖樣資料和文件資料表達控制系統(tǒng)設計思想和實現(xiàn)過程，并能按圖樣進行施工。主要內(nèi)容：①熟悉工藝流程、確定控制方案，完成工藝流程圖和控制流程圖繪制；②在儀表選型的基礎上完成有關儀表信息的文件編制；③完成控制室的設計及其相關條件的設計；④完成信號連鎖系統(tǒng)的設計；⑤完成儀表供電、供氣關系圖及管線平面圖的繪制；⑥完成有關的其他設備、材料的選用情況統(tǒng)計及安裝材料表的編制；⑦完成抗干擾和安全設施的設計；⑧完成設計文件的目錄編寫等。過程控制系統(tǒng)設計——工程設計過程控制系統(tǒng)設計——工程設計1）立項報告設計①控制方案以及電源、氣源、儀表、控制室和儀表盤布置等的確定；②確定企業(yè)自身及其協(xié)作單位的設計任務分工；③說明設計依據(jù)及其在國內(nèi)外同行業(yè)中的采用情況；④提供設備清單（價格、供貨商等）、經(jīng)費預算、參加人員等說明；⑤預測并分析系統(tǒng)的經(jīng)濟效益等。具體步驟2）施工圖設計系統(tǒng)實施的具體技術文件和圖樣資料，包括:圖樣目錄、說明書、設備匯總表、設備裝置數(shù)據(jù)表、材料表、連接關系表、測量管路和絕熱伴熱方式表、信號原理圖、平面布置圖、接線圖、空視圖、安裝圖、工藝管道和儀表流程圖、接地系統(tǒng)圖等。過程控制工程作業(yè)講評一1.5圖示為一蒸汽加熱設備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問：①影響物料出口溫度的主要因素有哪些？②如果要設計一溫度控制系統(tǒng)，你認為被控變量與控制變量應選取哪些參數(shù)？為什么？③如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應如何選擇控制閥的開、閉形式及控制器的正、反作用？作業(yè)：P54/1.5蒸汽物料出口冷凝水攪拌器物料入口流量、溫度物料出口流量蒸汽流量、壓力冷凝水流量攪拌器攪拌速度被控變量：出口溫度操作變量：蒸汽流量（利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出）蒸汽物料出口冷凝水攪拌器①影響物料出口溫度的主要因素有哪些？②如果要設計一溫度控制系統(tǒng)，你認為被控變量與控制變量應選取哪些參數(shù)？為什么？②如果要設計一溫度控制系統(tǒng)，你認為被控變量與控制變量應選取哪些參數(shù)？為什么？被控變量：出口溫度操作變量：蒸汽流量（利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出）畫出帶控制點工藝流程圖畫出系統(tǒng)方塊圖蒸汽物料出口冷凝水攪拌器TTTC給定值－測量變送器控制器執(zhí)行器加熱器操作量被控量干擾③如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應如何選擇控制閥的開、閉形式及控制器的正、反作用？因物料在溫度過低時會凝結(jié)，故蒸汽閥“開”位置安全，應選擇控制閥為氣關形式。氣關閥為“－”作用；蒸汽閥開大，加熱器溫度升高，過程為“＋”作用；為保證控制系統(tǒng)為負反饋，因此，應選擇調(diào)節(jié)器為“＋”，即調(diào)節(jié)器應選為“正作用”。蒸汽物料出口冷凝水攪拌器TTTC2.7圖示的反應釜內(nèi)進行的是放熱化學反應，而釜內(nèi)溫度過高會發(fā)生事故，因此采用夾套通冷卻水來進行冷卻，以帶走反應過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對該反應過程溫度控制精度要求很高，單回路控制滿足不了要求，需用串級控制。①當冷卻水壓力波動是主要干擾時，應怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構圖。②當冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構圖。③對上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開、閉形式及主、副控制器正、反作用。作業(yè)：P85/2.7出料冷卻水進料①當冷卻水壓力波動是主要干擾時，應怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構圖。出料冷卻水進料主被控變量：反應釜溫度副被控變量：冷卻水壓力操作變量：冷卻水流量TTTCPTPC②當冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構圖。出料冷卻水進料主被控變量：反應釜溫度副被控變量：夾套溫度操作變量：冷卻水流量T1TT1CT2TT2C③對上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開、閉形式及主、副控制器正、反作用。出料冷卻水進料TTTCPTPC出料冷卻水進料T1TT1CT2TT2C反應釜內(nèi)進行的是放熱化學反應，而釜內(nèi)溫度過高會發(fā)生事故。故冷卻水閥“開”位置安全，應選擇控制閥為氣關形式。補充作業(yè)1.對于圖1所示的加熱器串級控制系統(tǒng)。要求：（1）畫出該控制系統(tǒng)的方框圖，并說明主變量、副變量分別是什么？主控制器、副控制器分別是哪個？（2）若工藝要求加熱器溫度不能過高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開氣關型式；（3）確定主、副控制器的正反作用；（4）當蒸汽壓力突然增加時，簡述該控制系統(tǒng)的控制過程；（5）當冷物料流量突然加大時，簡述該控制系統(tǒng)的控制過程；（注：要求用各變量間的關系來闡述）

圖1（1）該控制系統(tǒng)的方框圖溫度控制器控制閥流量對象流量測量變送主設定值擾動1出口溫度操縱變量流量控制器溫度對象蒸汽流量溫度測量變送副設定值主測量值副測量值擾動2參考答案：（2）由于工藝要求加熱器溫度不能過高，否則易發(fā)生事故，所以控制閥應選用氣開型式，一但氣源故障斷氣，控制閥自動關閉，蒸汽不再進入加熱器，以避免介質(zhì)溫度過高發(fā)生事故。（3）確定主、副控制器的正反作用： 在副回路中，由于流量對象是“＋”作用（閥開大，流量增加）的（Ko2>0），控制閥也是“＋”作用（氣開式）的（Kv>0），故副控制器FC是“＋”特性（Kc2>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用；在主回路中，由于主對象是“＋”作用（副變量蒸汽流量增大，主變量出口溫度也增大）的（Ko1>0），故主控制器TC是“＋”特性（Kc1>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用。（4）當蒸汽壓力突然增加時，該控制系統(tǒng)的控制過程如下：蒸汽壓力增加，則蒸汽流量增加，由于FC為反作用，故其輸出降低，因而氣開型的控制閥關小，蒸汽流量減少以及時克服蒸汽壓力變化對蒸汽流量的影響，因而減少以致消除蒸汽壓力波動對加熱爐出口物料溫度的影響，提高了控制質(zhì)量。（5）當冷物料流量突然加大時，該控制系統(tǒng)的控制過程如下：冷物料流量加大，加熱爐出口物料溫度降低，反作用的TC輸出增加，因而使FC的給定值增加，F(xiàn)C為反作用，故其輸出也增加，于是氣開型的控制閥開大，蒸汽流量增加以使加熱爐出口物料溫度增加，起到負反饋的控制作用。過程控制工程作業(yè)講評二作業(yè)：P114/3.93.9某化學反應過程要求參與反應的A、B兩物料保持FA:FB=4:2.5的比例，兩物料的最大流量FAmax＝625m3/h，F(xiàn)Bmax＝290m3/h。通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求：（1）設計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)。（2）計算該比值系統(tǒng)比值系數(shù)K’。（3）該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應設置于何處？設置值應該是多少（假定采用DDZ－Ⅲ型儀表）？（4）選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正反作用。（1）A、B兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化，故設計一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量：FA副流量：FB參考答案一：給定－K對象主流量控制器執(zhí)行器主測量、變送－對象副流量控制器執(zhí)行器副測量、變送FAFB雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖

KF1CF2CFAFB（2）計算該比值系統(tǒng)比值系數(shù)K（3）該比值系統(tǒng)中，K>1，因此比值系數(shù)應設置于從動量的控制回路中。 K’=1/K=0.74KF1CF2CFAFB 采用DDZ－Ⅲ型儀表，設置值： （4）由于控制的是參加化學反應的兩物料，所以主流量、副流量的控制閥均應選用氣開型式，一但氣源故障斷氣，控制閥自動關閉，兩物料不再進入反應器，以發(fā)生事故。 確定主流量控制器、副流量控制器的正反作用： 在副流量控制回路中，由于副流量對象是“＋”作用（閥開大，流量增加）的（Ko2>0），控制閥也是“＋”作用（氣開式）的（Kv2>0），故副流量控制器F2C是“＋”特性（Kc2>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用； 在主流量控制回路中，由于主流量對象是“＋”作用（閥開大，流量增加）的（Ko1>0），控制閥也是“＋”作用（氣開式）的（Kv2>0），故主流量控制器F1C是“＋”特性（Kc1>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用。KF1CF2CFAFB（1）設計一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量：FB副流量：FA參考答案二：給定－K對象主流量控制器執(zhí)行器主測量、變送－對象副流量控制器執(zhí)行器副測量、變送FBFA雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方塊圖

KF1CF2CFBFA（2）計算該比值系統(tǒng)比值系數(shù)K（3）該比值系統(tǒng)中，K<1，因此比值系數(shù)應設置于從動量的設定回路中。KF1CF2CFBFA采用DDZ－Ⅲ型儀表，設置值: （4）由于控制的是參加化學反應的兩物料，所以主流量、副流量的控制閥均應選用氣開型式，一但氣源故障斷氣，控制閥自動關閉，兩物料不再進入反應器，以發(fā)生事故。 確定主流量控制器、副流量控制器的正反作用： 在副流量控制回路中，由于副流量對象是“＋”作用（閥開大，流量增加）的（Ko2>0），控制閥也是“＋”作用（氣開式）的（Kv2>0），故副流量控制器F2C是“＋”特性（Kc2>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用； 在主流量控制回路中，由于主流量對象是“＋”作用（閥開大，流量增加）的（Ko1>0），控制閥也是“＋”作用（氣開式）的（Kv2>0），故主流量控制器F1C是“＋”特性（Kc1>0），選反作用，這樣才起到負反饋的控制作用。過程控制工程作業(yè)講評三5.12.有時前饋－反饋控制系統(tǒng)從其系統(tǒng)結(jié)構上看與串級控制系統(tǒng)十分相似，試問任何區(qū)分它們？試分析圖5.29所示的兩個系統(tǒng)各屬于什么系統(tǒng)？說明其理由。前饋－反饋控制系統(tǒng)也有兩個控制器，但在結(jié)構上與串級控制系統(tǒng)是完全不同的。串級控制系統(tǒng)是由內(nèi)、外兩個控制回路所組成；而前饋－反饋控制系統(tǒng)是由一個反饋回路和另一個開環(huán)的補償回路疊加而成。

圖（b）是以加熱器出口溫度為主被控變量，以燃料油流量為副被控變量和操縱變量構成的典型串級控制系統(tǒng)；圖（a）是一種形似串級控制但實際是一種前饋－反饋控制系統(tǒng)。兩個控制器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個反饋回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變原料的流量，所以不能認為是一個串級控制系統(tǒng)。為靜態(tài)前饋-反饋控制的非標準形式。過程控制工程作業(yè)講評四P163/6.4圖所示的熱交換器用以冷卻經(jīng)五段壓縮后的裂解氣，冷劑為脫甲烷塔的釜液。正常情況下，要求釜液流量維持恒定，以保證脫甲烷塔的平穩(wěn)操作。但是裂解氣冷卻后的出口溫度不得低于15℃，因為當溫度低于此溫度時，裂解氣中所含的水分就會生成水合物而堵塞管道，需為其設計一個選擇性控制系統(tǒng)。如果要求設計的是連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的控制閥、控制器及選擇器應如何進行選擇？參考答案：控制閥為氣開閥。TC為“正”作用；FC為“反”作用。選擇器應選低值選擇器。正常工況下，溫度θ高于15℃，TC輸出較高，不被選中。系統(tǒng)實際上是一個流量的定值控制系統(tǒng)，維持冷劑流量穩(wěn)定，有利于脫甲烷塔的平穩(wěn)操作。但θ低于15℃時，TC輸出降低，被LS選中，關小冷劑閥，以使溫度上升，保證安全。設計一個連續(xù)型的選擇性控制系統(tǒng)。（1）A、B兩控制閥的開閉形式及每個閥的工作信號段（假定分程點為0.06MPa）。（2）確定控制器的正、反作用。（3）畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并簡述該系統(tǒng)的工作原理。7.7.圖7.23所示為某管式加熱爐原油出口溫度分程控制系統(tǒng)。兩分程閥分別設置在瓦斯氣和燃料油管線上。工藝要求優(yōu)先使用瓦斯氣供熱，只有當瓦斯氣量不足以提供所需熱量時，才打開燃料油控制閥作為補充。根據(jù)上述要求試確定：（1）兩閥均采用氣開閥，當氣源事故中斷時，兩閥均關閉，以免燒壞爐子。 工作過程如下：當溫度很低時，兩只閥全打開，使溫度逐漸升高；當溫度較高時，逐漸關小燃料油閥，直至全關；若溫度還高，就逐漸關小瓦斯氣閥，直到溫度達到要求為止。 兩閥的工作信號段：燃料油B閥為0.06～0.1MPa瓦斯氣A閥為0.02～0.06MPa參考答案：（2）控制器正反作用的確定：閥為氣開閥，“+”特性；燃料油或瓦斯氣流量增加時，物料出口溫度上升，“+”特性；為構成負反饋系統(tǒng)控制器應為“+”特性，為反作用。（3）工作過程如下：當溫度很低時，兩只閥全打開，使溫度逐漸升高；當溫度較高時，逐漸關小燃料油閥，直至全關；若溫度還高，就逐漸關小瓦斯氣閥，直到溫度達到要求為止。過程控制工程作業(yè)講評五P286/15.7圖示為一壓縮機吸入罐壓力與壓縮機入口流量選擇性控制系統(tǒng)。為了既防止吸入罐壓力過低導致罐子被吸癟，又防止壓縮機流量過低而產(chǎn)生喘振的雙重目的，試確定系統(tǒng)中控制閥的開閉形式，控制器的正、反作用及選擇器的類型。參考答案：控制閥為氣關閥。PC為“正”作用。FC為“正”作用。選擇器應選低值選擇器。P318/16.3圖示的熱交換器中，物料與蒸汽換熱，要求出口溫度達到規(guī)定的要求。試分析下述情況下應采取何種控制方案為好。畫出系統(tǒng)的結(jié)構圖與方塊圖。（1）物料流量F比較穩(wěn)定，而蒸汽壓力波動較大。（2）蒸汽壓力比較穩(wěn)定，而物料流量F波動較大。（3）物料流量F比較穩(wěn)定，而物料入口溫度及蒸汽壓力波動都較大。參考答案：（1）物料流量F比較穩(wěn)定，而蒸汽壓力波動較大?？稍O計出口溫度為主變量，蒸汽壓力為副變量的的串級控制系統(tǒng)。TTTCPTPCTTTC壓力控制器PC執(zhí)行器

壓力對象溫度T設定值擾動f1控制系統(tǒng)方塊圖溫度對象溫度控制器TC－+－+擾動f2測量、變送y1測量、變送y2PTTTCFTFCTTTCPTPC參考答案：（2）蒸汽壓力比較穩(wěn)定，而物料流量F波動較大?？稍O計出口溫度為被控變量，物料流量為前饋量的前饋－反饋控制系統(tǒng)。TTTCFTFC+給定前饋－反饋控制系統(tǒng)方塊圖溫度控制器執(zhí)行器熱交換器對象測量、變送－＋流量控制器測量、變送干擾＋出口溫度TTTCFTFC+參考答案：（3）物料流量F比較穩(wěn)定，而物料入口溫度及蒸汽壓力波動都較大?？稍O計物料入口溫度為前饋量、出口溫度為主變量，蒸汽壓力為副變量的前饋－串級控制系統(tǒng)。T1TT1CT2TT2C+FTFCT1TT1CT2TT2C+PTPCT1TT1CT2TT2C+PTPCP320/16.12圖16.58所示為鍋爐燃燒系統(tǒng)選擇性控制方案。它可以根據(jù)用戶對蒸汽量的要求，自動調(diào)整燃料量和助燃空氣量。不僅能維持兩者的比值不變，而且能使燃料量與空氣量的調(diào)整滿足下述邏輯關系：當蒸汽用量增加時，先增加空氣量后增加燃料量；當蒸汽用量減少時，先減燃料量后減空氣量。根據(jù)上述要求，試確定圖中控制閥的開閉形式、控制器正反作用及選擇器的類型。參考答案：燃料控制閥為氣開閥?？諝饪刂崎y為氣關閥。FC1為“反”作用。FC2為“正”作用。PC為“反”作用。上選擇器應選高值選擇器。下選擇器應選低值選擇器。LSHS空氣燃料HL反反正氣關氣開正常情況下，是蒸汽壓力對燃料流量的串級控制系統(tǒng)和燃料流量對空氣流量的比值控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制器PC是反作用的。當蒸汽壓力下降時（如因負荷增加），壓力控制器輸出增加，從而提高了燃料流量控制器的設定值。但如果空氣量不足會造成燃燒不完全。為此，設有低限選擇器LS，它只允許兩個信號中較小的通過，這樣保證燃料量只在空氣量足夠的情況下才能加大。壓力控制器的輸出信號將先通過高限選擇器HS來加大空氣流量，保證在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃燒完全。當蒸汽壓力上升時，壓力控制器輸出減小，降低了燃料量控制器的設定值，在減燃料量的同時，通過比值控制系統(tǒng)，自動減少空氣流量。HSLS過程控制工程作業(yè)講評六P320/16.12圖16.58所示為鍋爐燃燒系統(tǒng)選擇性控制方案。它可以根據(jù)用戶對蒸汽量的要求，自動調(diào)整燃料量和助燃空氣量。不僅能維持兩者的比值不變，而且能使燃料量與空氣量的調(diào)整滿足下述邏輯關系：當蒸汽用量增加時，先增加空氣量后增加燃料量；當蒸汽用量減少時，先減燃料量后減空氣量。根據(jù)上述要求，試確定圖中控制閥的開閉形式、控制器正反作用及選擇器的類型。參考答案：燃料控制閥為氣開閥?？諝饪刂崎y為氣關閥。FC1為“反”作用。FC2為“正”作用。PC為“反”作用。上選擇器應選高值選擇器。下選擇器應選低值選擇器。LSHS空氣燃料HL反反正氣關氣開正常情況下，是蒸汽壓力對燃料流量的串級控制系統(tǒng)和燃料流量對空氣流量的比值控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制器PC是反作用的。當蒸汽壓力下降時（如因負荷增加），壓力控制器輸出增加，從而提高了燃料流量控制器的設定值。但如果空氣量不足會造成燃燒不完全。為此，設有低限選擇器LS，它只允許兩個信號中較小的通過，這樣保證燃料量只在空氣量足夠的情況下才能加大。壓力控制器的輸出信號將先通過高限選擇器HS來加大空氣流量，保證在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃燒完全。當蒸汽壓力上升時，壓力控制器輸出減小，降低了燃料量控制器的設定值，在減燃料量的同時，通過比值控制系統(tǒng)，自動減少空氣流量。HSLS過程控制工程主講：吳淑歡教材過程控制工程.孫洪程，李大字，翁維勤.北京:高等教育出版社，2006.2本課程的內(nèi)容《過程控制工程》是一門緊密結(jié)合生產(chǎn)實際的工程技術性課程，其內(nèi)容廣泛、有一定的深度和廣度。本課程在《過程控制（裝置及系統(tǒng)）》的基礎上，進一步介紹當前在工業(yè)生產(chǎn)過程中應用比較成熟的各類復雜控制系統(tǒng)和以現(xiàn)代控制理論為基礎的先進控制系統(tǒng)。（對各類控制系統(tǒng)，除理論分析外，還結(jié)合典型的工程實例，對系統(tǒng)的結(jié)構、設計和現(xiàn)場實施等進行深入淺出的探討。）本課程還對各類典型的工業(yè)設備的控制方案進行分析和討論。本課程的要求通過《過程控制（裝置及系統(tǒng)）》的學習，要求不僅能達到解決過程控制工程中的一般問題，并具有分析和設計一般過程控制系統(tǒng)的能力。通過本課程《過程控制工程》的學習，要求不僅能達到分析和設計較復雜的過程控制系統(tǒng)的能力，并具有進一步提高分析、處理過程控制中各種工程實際問題的能力。參考書目一王再英等．過程控制系統(tǒng)與儀表．北京：機械工業(yè)出版社，2006.1年周澤魁．控制儀表與計算機控制裝置．北京：化學工業(yè)出版社，2002.9王樹青等．工業(yè)過程控制工程．北京：化學工業(yè)出版社，2002.12何衍慶等．工業(yè)生產(chǎn)過程控制．北京：化學工業(yè)出版社，2004年參考書目二蔣慰孫等．過程控制工程（第二版）．北京：中國石化出版社，2004年王驥程等．化工過程控制工程（第二版）．化學工業(yè)出版社，1991年翁維勤等．過程控制系統(tǒng)及工程（第二版）．北京：化學工業(yè)出版社，2002年金以慧．過程控制．北京：清華大學出版社，1993年學習方法及要求1.理解并掌握基本理論綜合性——結(jié)合先行課程內(nèi)容《自控原理》《過程控制（裝置及系統(tǒng)）》等實踐性——利用創(chuàng)造實踐機會實際設備（模擬）系統(tǒng)仿真MATLAB設計：生產(chǎn)過程控制任務及目標結(jié)合對象確定控制方案2.靈活應用，學會設計、分析實際系統(tǒng)分析：具體系統(tǒng)抽象出控制方案基本控制方案其它領域?qū)ο罂刂品桨覆⒎且怀刹蛔?）傳統(tǒng)PID控制約占90%，先進控制策略不斷發(fā)展；2）系統(tǒng)的組成設備不斷發(fā)展以現(xiàn)代電子技術的發(fā)展為前提（構成自動化設備的基本部件）3.運用發(fā)展的觀點來學習20世紀50年代仿蘇產(chǎn)品機械式、電子管式體積大、功耗大60年代初國產(chǎn)DDZ—Ⅰ電子管、晶體管分立元件、統(tǒng)一信號制70年代國產(chǎn)DDZ—Ⅲ集成電路、運放系統(tǒng)構成靈活、組裝式儀表方便、配套性強80年代計算機控制儀表大規(guī)模集成電路安全、高產(chǎn)

DCS

90年代智能儀表、FCS計算機網(wǎng)絡綜合管理、CIPS優(yōu)質(zhì)、高效課程安排學時:54學時（其中：講授48，實驗6）考核要求：不得缺勤，作業(yè)、實驗報告必須齊備?？己朔绞?筆試（開卷）考核成績：平時考勤：10%；課堂表現(xiàn)：10%；平時作業(yè)：10%；平時測驗：10%；實驗成績：10%；筆試成績：50%。過程控制

（裝置及系統(tǒng)）回憶、復習綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。（1）在過程處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，將控制器置于手動，快速手操控制閥使通過控制閥的熱水流量變化Δq＝1m3／h，測得發(fā)酵罐內(nèi)溫度的變化曲線如圖b所示。請根據(jù)曲線判定該過程控制通道屬于哪一類型的過程，并寫出該過程控制通道的傳遞函數(shù)。（2）控制器投入自動時，在最大階躍擾動作用下，測得發(fā)酵罐內(nèi)溫度的變化曲線如圖c所示。請確定該控制系統(tǒng)的最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（按被控變量進入新穩(wěn)定值的±2％范圍內(nèi)即為達到穩(wěn)定來確定）和振蕩周期等過渡過程性能指標。（3）請確定并簡要說明控制閥的開關型式、控制器的控制規(guī)律和正反作用。（4）該溫度控制系統(tǒng)是否能滿足工藝要求？為什么？（5）若不能滿足工藝要求，請?zhí)岢鰬扇〉母倪M措施。畫出改進后的控制系統(tǒng)流程圖，確定并簡要說明控制閥的開關型式、控制器的控制規(guī)律和正反作用。綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。熱水閥復習：第一章單回路反饋控制系統(tǒng)綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。熱水閥被控變量：發(fā)酵罐溫度操作變量：熱水流量給定值－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作量被控量干擾綜合題 （1）在過程處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，將控制器置于手動，快速手操控制閥使通過控制閥的熱水流量變化Δq＝1m3／h，測得發(fā)酵罐內(nèi)溫度的變化曲線如圖b所示。請根據(jù)曲線判定該過程控制通道屬于哪一類型的過程，并寫出該過程控制通道的傳遞函數(shù)。多數(shù)工業(yè)過程的特性可分為下列四種類型：1.自衡的非振蕩過程2.無自衡的非振蕩過程3.有自衡的振蕩過程4.具有反向特性的過程被控過程特性（數(shù)學模型）的類型自衡的非振蕩過程hQ1Q2hQ1Q2定量泵無自衡的非振蕩過程自衡的振蕩過程具有反向特性的過程h(t)tth(t)h(t)th(t)th(t)tyttx判斷一階過程（對象）的依據(jù)是，若響應曲線在開始階段斜率大，而后逐漸減小，即響應曲線的斜率單調(diào)遞減是一階環(huán)節(jié)的固有屬性。若響應曲線的斜率不是單調(diào)遞減的，如開始遞增而后遞減，則這一過程（對象）必定是二階的或二階以上的。ty參考答案：由圖知：τ＝3sT=16-3=13s所以該過程控制通道的傳遞函數(shù)為該過程控制通道屬于自衡單容過程（一階滯后）。Δq＝1m3／hΔT＝10℃綜合題 （2）控制器投入自動時，在最大階躍擾動作用下，測得發(fā)酵罐內(nèi)溫度的變化曲線如圖c所示。請確定該控制系統(tǒng)的最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（按被控變量進入新穩(wěn)定值的±2％范圍內(nèi)即為達到穩(wěn)定來確定）和振蕩周期等過渡過程性能指標。最大偏差A=45-40=5（℃）衰減比n=(45-41)/(42-41)=4:1

余差C=41-40=1（℃）過渡時間ts=23min振蕩周期T=18-5=13（min）綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。（3）請確定并簡要說明控制閥的開關型式、控制器的控制規(guī)律和正反作用。熱水閥被控變量c---發(fā)酵罐溫度操縱變量q---熱水流量選取被控參數(shù)的一般原則優(yōu)先選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控參數(shù)。當不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接參數(shù)作為被控參數(shù)。被控參數(shù)必須具有足夠高的靈敏度。被控參數(shù)的選取，必須考慮工藝過程的合理性。必須考慮過程檢測控制儀表及裝置的現(xiàn)狀。

根據(jù)過程特性選擇控制變量的一般原則控制通道的放大系數(shù)Ko要適當大一些；時間常數(shù)To要適當小一些；純滯后τo愈小愈好。在有純滯后τo的情況下，τo和To之比應小一些，且小于1，若其比值過大，則不利于控制。擾動通道的放大系數(shù)Kf應盡可能??；時間常數(shù)Tf要大；擾動引入系統(tǒng)的位置（指框圖中的位置）要靠近調(diào)節(jié)閥。當過程本身存在多個時間常數(shù)，在選擇控制參數(shù)時，應盡量設法把幾個時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其它時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)?？刂破鳌⒄{(diào)節(jié)閥和測量變送器的時間常數(shù)應遠小于被控過程中最大的時間常數(shù)。系統(tǒng)設計中的測量變送問題被控參數(shù)的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統(tǒng)設計提供準確的控制依據(jù)。

測量和變送環(huán)節(jié)的描述：參數(shù)選擇原則：減小Tm和τm均對提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量有利。若Tm較大，則會使記錄曲線與實際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。從減小測量變送環(huán)節(jié)誤差角度考慮，應減少儀表的量程，即增大Km。調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）的選擇調(diào)節(jié)閥類型的選擇：氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥口徑（Dg、dg）大小的選擇：主要依據(jù)是閥的流通能力。正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于15％～85％之間。調(diào)節(jié)閥氣開、氣關形式的選擇：主要以安全方面考慮。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數(shù)盡可能保持不變，通常被控過程的特性是非線性的(一階以上特性)，而變送器、調(diào)節(jié)器(若比例作用時)和執(zhí)行機構的放大系數(shù)是常數(shù)。因此往往通過選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來補償被控過程特性的非線性，從而達到系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇目的：

為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對控制質(zhì)量指標的要求。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響：當過程控制通道時間常數(shù)較小，而負荷變化很快，引入微分和積分作用均要引起系統(tǒng)振蕩，對控制質(zhì)量的影響不利。當廣義過程的時間常數(shù)較大，純時延較小時(即τ0／To很小)，引入微分作用其效果良好。此時各類調(diào)節(jié)器控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響為：比例積分微分(PID)作用最好，比例微分（PD）作用較好，比例（P）作用次之，比例積分（PI）作用較差。當過程控制通道時延很大，負荷變化也很大時，單回路控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求，需采用其他控制方案。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇原則（1）根據(jù)τ0／To比值選擇控制規(guī)律（2）根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律（1）根據(jù)τo／To比值來選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律當τo／To＜0.2時，選用比例或比例積分控制規(guī)律。當0.2＜τo／To＜1.0時，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律。當τo／To＞1.0時，采用單回路控制系統(tǒng)往往已不能滿足工藝要求，應根據(jù)具體情況采用本課程《過程控制工程》介紹的串級、前饋等控制方式。（2）根據(jù)過程特性選擇控制規(guī)律根據(jù)各種控制規(guī)律適用的過程特性與工藝要求來選擇位式調(diào)節(jié)器：適用于滯后較小，負荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高比例控制：是最基本的控制規(guī)律，它的輸入，輸出成比例，用于控制通道滯后小，負荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高的場合比例積分控制：用于控制通道滯后小，負荷變化不大，工藝上不允許有余差的場合比例微分控制：能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質(zhì)量液位：滯后不大，一般控制要求不高，用P或PI控制規(guī)律。流量：滯后很小，時間常數(shù)小，測量信號中雜有噪音，用PI或加反微分加以控制。壓力：介質(zhì)為液體的滯后較小，介質(zhì)為氣體時的滯后中等，用P或PI控制規(guī)律。溫度：容量滯后較大，時間常數(shù)大，常用PD或PID控制規(guī)律。各種控制過程常用的控制規(guī)律如下：PID控制作用比例作用P是基本控制作用，輸出與輸入無相位差。Kc越大控制作用越強，隨著Kc的增加(比例度δ減小)，余差下降，最大偏差減小，但穩(wěn)定性變差。比例作用P引入積分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滯后，使穩(wěn)定性裕度下降，為保持同樣穩(wěn)定性裕度，Kc應減少10-20%(比例度δ應增加10-20%)。積分時間Ti越短，積分作用越強，Ti趨向無窮大時無積分作用。應防積分飽和。PID控制作用比例作用P引入適當微分作用D后，幅值增加，相位超前，使穩(wěn)定性裕度提高，為保持同樣穩(wěn)定性裕度，Kc應增加10-20%(比例度δ應減少10-20%)。微分作用D可以克服容量滯后，但對時滯（純滯后）毫無作用。微分時間Td越大，微分作用越強，Td=0無微分作用。調(diào)節(jié)器正、反作用的確定調(diào)節(jié)器作用方向確定的原則：應根據(jù)被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式來正確選擇，以使自動控制系統(tǒng)成為一個負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，即如果被控變量偏高，則控制作用應使之降低；相反，如果被控變量偏低，則控制作用應使之升高。控制作用對被控變量的影響應與擾動作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量回到設定值?？刂破鲄?shù)的整定控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最佳的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度、積分時間和微分時間。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法反應曲線法臨界比例度法衰減曲線法現(xiàn)場經(jīng)驗整定法過程控制系統(tǒng)設計和應用的兩個重要內(nèi)容：控制方案的設計、調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值的確定。綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效。現(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。（3）請確定并簡要說明控制閥的開關型式、控制器的控制規(guī)律和正反作用。熱水閥調(diào)節(jié)閥的開關型式：由于溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效，在事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥（熱水閥）關位置安全，所以調(diào)節(jié)閥應選擇氣開閥。調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律：溫度系統(tǒng)容量滯后較大，且控制過程中要求溫度偏離給定值最大不得超過4℃，所以選擇PID控制規(guī)律。調(diào)節(jié)器的正反作用：氣開閥為正作用，Kv>0；熱水閥開大，發(fā)酵罐溫度升高，過程為正作用，K0>0；為保證負反饋，K開＝KcKvK0Km＞0，因此，應選擇調(diào)節(jié)器增益Kc>0，調(diào)節(jié)器應選為“反作用”。綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃?？紤]到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。（4）該溫度控制系統(tǒng)是否能滿足工藝要求？為什么？最大偏差A=45-40=5（℃）衰減比n=(45-41)/(42-41)=4:1

余差C=41-40=1（℃）過渡時間ts=23min振蕩周期T=18-5=13（min）該溫度控制系統(tǒng)要求控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，而在最大階躍擾動作用下該溫度控制系統(tǒng)最大偏差A=45-40=5（℃）>4℃，不能滿足工藝要求。綜合題 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為（40±2）℃。考慮到發(fā)酵效果，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過4℃，溫度過高會造成發(fā)酵菌種失效?，F(xiàn)設計如圖a所示的定值控制系統(tǒng)。（5）若不能滿足工藝要求，請?zhí)岢鰬扇〉母倪M措施。畫出改進后的控制系統(tǒng)流程圖，確定并簡要說明控制閥的開關型式、控制器的控制規(guī)律和正反作用。改進措施：可設計串級控制系統(tǒng)或前饋控制系統(tǒng)。由于本題涉及知識面廣，只要能按照以上方案設計的大體要求即可得分。復習：第二章串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的思想：把時間常數(shù)較大的被控對象分解為兩個時間常數(shù)較小的被控對象。q=F燃=T1加熱爐控制過程分解原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T方案一：設計串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)是由兩個檢測變送器、兩個調(diào)節(jié)器、一個調(diào)節(jié)閥組成的。兩個調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，其中主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設定值，副調(diào)節(jié)器的輸出才送往調(diào)節(jié)閥，其組成方塊圖如圖：主控制器控制閥副對象副測量變送主設定值擾動1主被控變量操縱變量副控制器主對象副被控變量主測量變送副設定值主測量值副測量值擾動2串級控制系統(tǒng)的特點及應用范圍(1)從系統(tǒng)結(jié)構來看，串級控制系統(tǒng)有主、副兩個閉合回路；有主、副兩個控制器；有分別測量主變量和副變量的兩個測量變送器。在串級控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動控制系統(tǒng)。(2)在串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個變量。主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝變量?？刂频哪康脑谟谑惯@一變量等于工藝規(guī)定的給定值。(3)從系統(tǒng)特性來看，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。適用范圍：當對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強而且頻繁、負荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時，可采用串級控制系統(tǒng)。

串級系統(tǒng)設計方案一：串級系統(tǒng)的設計TT1TT2TC1TC2主變量：發(fā)酵罐溫度副變量：夾套熱水溫度操作變量：熱水流量控制閥“關”位置安全，選氣開閥，為“正作用”方向，Kv>0；被控對象副對象：熱水閥開大，熱水流量增大，副被控變量夾套熱水溫度升高，故副對象是“正作用”方向，Kp2>0；主對象：副