過程控制總復(fù)習(xí)

計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院熱工研究所授課教師：孫斌

熱工過程控制系統(tǒng)第一章過程控制系統(tǒng)概述

1.1過程控制定義及認(rèn)識(shí)1.2過程控制目的1.3過程控制系統(tǒng)的組成1.4過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.5過程控制系統(tǒng)的分類1.6過程控制性能指標(biāo)1.7過程控制儀表的發(fā)展1.8過程控制的地位1.9過程控制的任務(wù)1.1過程控制定義及認(rèn)識(shí)過程控制定義所謂過程控制（ProcessControl）是指根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，采用測(cè)量儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。1.3過程控制系統(tǒng)組成

被控過程（Process），指運(yùn)行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設(shè)備；過程檢測(cè)控制儀表（Instrumentation），包括：測(cè)量變送元件（Measurement）；控制器（Controller）；執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ControlElement）;顯示記錄儀表1.5過程控制系統(tǒng)的分類

按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來分定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求主要是穩(wěn)、快、準(zhǔn)。最大超調(diào)量σ%反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性,穩(wěn)態(tài)誤差ess反映系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，調(diào)整時(shí)間ts反映系統(tǒng)的快速性。

第三章過程執(zhí)行器主要內(nèi)容執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥及其流量特性變頻器原理及應(yīng)用本節(jié)內(nèi)容在本課程中的地位執(zhí)行器用于控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的自動(dòng)控制。控制器測(cè)量變送被控過程執(zhí)行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-3.1調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被調(diào)介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的。

3.1調(diào)節(jié)閥功能：接受控制器輸出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積。閥心閥桿閥體3.1.1調(diào)節(jié)閥的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)控制器控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3.1.2調(diào)節(jié)閥分類根據(jù)使用能源不同氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥：以壓縮空氣為能源，輸入信號(hào)20～100kPa，價(jià)格便宜；多用于石油、化工等易燃易爆場合。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：以電為能源，輸入信號(hào)4～20mADC，價(jià)格貴；使用范圍廣，本質(zhì)安全（本安）型也可用于易燃易爆場合。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥：以高壓液體為能源的閥體相同、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式所謂氣開式，即當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)，閥門開大；沒氣時(shí)，閥門關(guān)閉氣關(guān)式則相反，即信號(hào)壓力增加時(shí)，閥門關(guān)小。沒氣時(shí)，閥門打開氣開、氣關(guān)形式選擇舉例受壓容器，采用改變氣體排出量以維持容器內(nèi)壓力恒定，試問調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開式還是氣關(guān)式？答：氣關(guān)式。氣開、氣關(guān)形式選擇舉例蒸汽汽包給水加熱室1）保證鍋爐不被燒干2）保證蒸汽中不能帶液LC3.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—波紋膜片；2—壓縮彈簧；3—推桿；4—調(diào)節(jié)件；5—閥桿；6—壓板；7—上閥蓋；8—閥體；9—下閥蓋；10—閥座；11—閥芯；12—填料；13—反饋連桿；14—反饋凸輪；15—?dú)鈩?dòng)放大器；16—托板；17—波紋管；18—噴嘴；19—擋板電-氣轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)從4mA改變到20mA時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從20-100kPa變化，實(shí)現(xiàn)了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣壓信號(hào)的過程。3.3調(diào)節(jié)閥的流通能力調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可變的截流元件，通過改變閥芯的行程可以改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。流過調(diào)節(jié)閥的流量：閥的開度、閥門前后的壓差。為了衡量不同調(diào)節(jié)閥在某些特定條件下單位時(shí)間內(nèi)流過流體的體積，引入流通能力的概念。3.3調(diào)節(jié)閥的流通能力調(diào)節(jié)閥流通能力定義：調(diào)節(jié)閥流通能力C，是指調(diào)節(jié)閥兩端壓力差為100kPa,流體密度為1000kg/m3，調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，每小時(shí)流過閥門的流體的體積。3.9調(diào)節(jié)閥的流量特性

指介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與相對(duì)開度之間的關(guān)系

qv/qvmax——相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度的流量與全開流量之比；l/L——相對(duì)開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度的行程與全行程之比。

理想流量特性

調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時(shí)，得到的流量特性；理想流量特性完全取決于閥芯的形狀；理想流量特性有：直線等百分比拋物線快開理想流量特性曲線1.快開

2.直線

3.拋物線

4.等百分比第四章被控過程重點(diǎn)：1、自衡過程2、傳遞函數(shù)中的物理意義

4.1.1過程控制動(dòng)態(tài)特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）定義：當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，被控變量不斷變化最后達(dá)到新的平衡。

非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）定義：當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，被控變量不會(huì)達(dá)到新的平衡。

4.3過程特性參數(shù)的物理意義過程特性參數(shù)1）放大倍數(shù)KtaQibK越大表明輸入信號(hào)對(duì)輸出的控制越強(qiáng)過程增益的注意事項(xiàng)過程增益描述輸出變量隨輸入變量變化的靈敏度。過程增益包含三部分:信號(hào),數(shù)值和單位.過程增益只和穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，因此過程增益是描述過程穩(wěn)態(tài)特性的參數(shù).2）數(shù)學(xué)模型的時(shí)間常數(shù)T當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時(shí)間。C(t)C()t63.2%T3）滯后時(shí)間滯后時(shí)間是描述系統(tǒng)滯后現(xiàn)象的特征參數(shù)，包括純滯后和容量滯后（1）純滯后又稱為傳遞滯后用表示a進(jìn)料量控制擋板液體溶解液濃度滯后時(shí)間（2）容量滯后指系統(tǒng)輸入量變化后，輸出量的變化相當(dāng)緩慢，在一段時(shí)間內(nèi)幾乎看不到，然后才逐漸顯著地開始變化。用表示。ah1qh2t0t1t2H1QiQ1A1H2Q2A2第五章常規(guī)控制策略重點(diǎn)：1、PID調(diào)節(jié)中各部分的作用及優(yōu)缺點(diǎn)？2、為何要整定PID參數(shù)，工程上有哪些常用方法？控制器的控制規(guī)律定義就是控制器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)(偏差)變化的規(guī)律。這個(gè)規(guī)律常常稱為控制器的特性。過程控制最常用控制器：PLC（*）數(shù)字調(diào)節(jié)器IPCDCS5.1雙位控制5.1雙位控制tθθ

maxθ

minθ

oTtu雙位控制品質(zhì)指標(biāo)品質(zhì)指標(biāo)：振幅、周期理想情況希望振幅減小，周期長振幅周期是相互矛盾的設(shè)計(jì)原則滿足振幅在允許的范圍內(nèi)后，盡可能使周期長5.2

PID控制規(guī)律PID控制規(guī)律的表示方法

基本PID控制規(guī)律二、PID控制器的基本控制規(guī)律1.比例控制規(guī)律(ProportionalControlMode)2.比例積分控制規(guī)律(Proportional-IntegralControlMode)3.比例微分控制規(guī)律(Proportional-DerivativeControlMode)4.比例積分微分控制規(guī)律(Three-Mode)3、比例控制規(guī)律的特點(diǎn)快—硬碰硬有余差適用于干擾較小，對(duì)象的純滯后較小而時(shí)間常數(shù)并不太小，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合(二)比例積分控制規(guī)律1、積分作用

定義：積分作用的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例關(guān)系積分作用的特點(diǎn)能消除余差積分控制器輸出的控制信號(hào)和輸入偏差之間沒有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要有偏差，輸出的控制信號(hào)就會(huì)不斷變化，執(zhí)行器就不斷動(dòng)作，直到把偏差信號(hào)消除。

慢慢來在偏差信號(hào)出現(xiàn)的瞬間，無控制作用，輸出控制信號(hào)是由零開始積分，并隨時(shí)間逐漸積累?？刂谱饔每偸锹浜笥谄钚盘?hào)的變化。具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2、比例積分控制規(guī)律——比例與積分兩種作用的輸出之和

3、積分作用的參數(shù)積分時(shí)間TI

——反映積分作用的強(qiáng)弱在階躍信號(hào)輸入中，積分作用輸出為若取積分作用的輸出等于比例作用的輸出3、積分作用的參數(shù)積分時(shí)間TI的定義：在階躍信號(hào)輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間就是積分時(shí)間TI積分作用的大小與積分時(shí)間TI成反比，即積分時(shí)間越小，積分作用越強(qiáng)。(三)比例微分控制規(guī)律1、微分控制規(guī)律：控制器微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比

理想微分控制器的階躍響應(yīng)曲線在t=t0時(shí)，控制器輸入一階躍信號(hào)，此時(shí)由于輸入偏差的變化速度為無窮大，控制器的輸出變化也為無窮大；在t〉t0時(shí)，偏差不再變化，即變化速度為零，故控制器的輸出變化量也為零。具有超前性、預(yù)見性只要偏差有變化，控制器就能根據(jù)變化速度的大小，適當(dāng)改變輸出信號(hào)，從而可以及時(shí)克服干擾影響，抑制偏差增長，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

理想的微分作用不能單獨(dú)作為控制規(guī)律使用

微分作用的特點(diǎn)3、控制器參數(shù)整定

整定是指決定控制器的比例帶δ、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD和采樣周期Ts的具體數(shù)值。整定的實(shí)質(zhì)是通過改變控制器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。

3.1整定方法整定控制器參數(shù)的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法：理論計(jì)算整定法有對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有現(xiàn)場試湊法、臨界比例度法和衰減曲線法等。

3.2工程整定法特點(diǎn)工程整定不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定，特點(diǎn)：方法簡單實(shí)用；計(jì)算簡便；易于工程應(yīng)用。1、現(xiàn)場湊試法

按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序：置控制器積分時(shí)間TI=∞，微分時(shí)間TD=0，在比例度δ按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，整定比例度δ。求得滿意的4：1過渡過程曲線。引入積分作用（此時(shí)應(yīng)將上述比例度δ加大1.2倍），將TI由大到小進(jìn)行整定。若需引入微分作用時(shí)，則將TD按經(jīng)驗(yàn)值或按TD=（1/3～1/4）TI設(shè)置，并由小到大加入。

2、臨界比例度法

在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將控制器置于純比例作用下（TI=∞，TD=0），從大到小逐漸改變控制器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時(shí)的比例度稱為臨界比例度δk，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期Tk。據(jù)此確定控制器參數(shù)。3、衰減曲線法

先把控制器參數(shù)置成純比例作用（TI=∞，TD=0），系統(tǒng)投入運(yùn)行。再把比例度δ逐漸從大調(diào)小，直到出現(xiàn)4：1衰減過程曲線。此時(shí)的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個(gè)相鄰波峰間的時(shí)間間隔，稱為4：1衰退減振蕩周期Ts。7.1串級(jí)控制系統(tǒng)的定義采用不止一個(gè)控制器，而且控制器間相串聯(lián)，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值的系統(tǒng)，稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。7.2串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語主控制器副控制器調(diào)節(jié)閥副參數(shù)測(cè)量變送副對(duì)象主對(duì)象一次擾動(dòng)二次擾動(dòng)主被控參數(shù)副被控參數(shù)＋－＋－主參數(shù)測(cè)量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym17.7串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)溫度+流量溫度+壓力FCTC進(jìn)料出料燃料油FTTC進(jìn)料出料燃料油PCPT7.7串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（續(xù)）溫度+溫度T1CT2C燃料油進(jìn)料出料T1TT2T7.8串級(jí)系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型副調(diào)節(jié)器常選擇P或PI控制律 原因：副回路為隨動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動(dòng)，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)行中，串級(jí)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。7.8串級(jí)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對(duì)于主參數(shù)為溫度的串級(jí)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強(qiáng)的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級(jí)均勻控制系統(tǒng)以外）。當(dāng)主對(duì)象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時(shí)，可加入通常大小的微分作用。作業(yè)：如圖所示的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，它通過調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器冷卻水的流量來保持反應(yīng)器溫度的穩(wěn)定。TTTCFCFT反應(yīng)器冷卻水反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)要求：（1）畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并說明它是什么類型的系統(tǒng)；（2）若反應(yīng)器的溫度不能過高，否則會(huì)發(fā)生事故，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式（3）確定主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器的正反作用；（4）若冷水壓力突然升高，試簡述該控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程（主副回路同時(shí)）。第八章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)時(shí)間滯后控制系統(tǒng)多變量解耦控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)超馳控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)閥位控制系統(tǒng)8.1前饋控制系統(tǒng)理解前饋控制原理及使用場合；掌握靜態(tài)前饋控制和常用動(dòng)態(tài)前饋控制補(bǔ)償模型；掌握前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用。8.1.2前饋控制與反饋控制的比較TC調(diào)節(jié)閥對(duì)象TTT給定值T原油流量a)反饋控制1)前饋是”開環(huán)”控制系統(tǒng);反饋是”閉環(huán)”控制系統(tǒng)b)前饋控制FFC調(diào)節(jié)閥對(duì)象TFT原油流量ΔFΔP8.1.2前饋控制與反饋控制的比較2）前饋測(cè)量干擾量；反饋測(cè)量被控變量3）前饋需要專用調(diào)節(jié)器，反饋一般只用通用調(diào)節(jié)器4）前饋只能克服所測(cè)量的干擾，反饋可克服所有干擾5）前饋理論上可無差，反饋必定有差前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的“可測(cè)及不可控性”：“可測(cè)”：指擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。

“不可控”：指這些擾動(dòng)量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。

采用前饋控制主要是針對(duì)那些“可測(cè)不可控”、變化頻繁且幅值較大的擾動(dòng)量；工程中，一般選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案即可得到較為滿意的控制效果。8.2時(shí)間滯后控制系統(tǒng)時(shí)間滯后是指純滯后過程。純滯后往往是由于物料或能量需要經(jīng)過一個(gè)傳輸過程而形成的。純滯后極大地影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，引起閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低，過渡過程時(shí)間加長。τ/T≥0.3時(shí)，就被認(rèn)為是具有較大純滯后的工藝過程，常用控制方法：預(yù)估補(bǔ)償方案；采樣控制方案。8.4比值控制系統(tǒng)

定義：兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。例如：燃燒過程中，為保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，需保持燃料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。主動(dòng)量和從動(dòng)量比值控制系統(tǒng)中，起主導(dǎo)作用的物料流量一般為主動(dòng)量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動(dòng)量變化的物料流量稱為從動(dòng)量q2。如燃燒過程中的空氣量、造紙中的水量。q2與q1保持一定的比值，即：比值控制方案根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的不同需求，有3種常用的比值控制方案：單閉環(huán)比值控制；雙閉環(huán)比值控制；變比值控制。單閉環(huán)或雙閉環(huán)比值控制中，比值系數(shù)固定不變；而變比值控制中，比值系數(shù)可變。8.5均勻控制系統(tǒng)

均勻控制可使被控量y(t)與控制量q(t)在一定