過程控制工程復(fù)習(xí)資料

第一章過程控制系統(tǒng)的概況1.2過程控制系統(tǒng)的基本概念a：自動控制是指在沒有直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱為過程控制儀表或裝置)使被控對象的工作狀態(tài)或參數(shù)(壓力，物位，流量，溫度，ph值等)自動的按照預(yù)定的規(guī)律運行。b：過程控制概念：采用模擬或數(shù)字控制方法對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制通稱為過程控制。開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當輸入信號和擾動能預(yù)先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.3過程控制系統(tǒng)的類別a：定值控制系統(tǒng)b：隨動控制系統(tǒng)c：程序控制系統(tǒng)1.4過程控制系統(tǒng)的特點(1)被控對象的多樣性 (2)對象存在滯后（3）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜（4）系統(tǒng)有眾多過程檢測儀表，控制儀表（5）控制方案豐富第二章單回路控制系統(tǒng)設(shè)計1.單回路控制系統(tǒng)定義：指由一個被控對象、一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。2、單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計前提：充分了解具體的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程和控制要求?！稣_選擇被控變量；■正確選擇控制變量；正確選擇測量變送裝置；正確選擇調(diào)節(jié)閥的開閉型式及其流量特性；正確選擇控制器的類型及其正反作用，控制規(guī)律；3?被控變量的選擇的一般原則-y（t）對控制目標具有決定性作用的工藝變量作為被控參數(shù)；要有足夠大的靈敏度；能滿足工藝要求；儀表能夠?qū)崿F(xiàn)被控變量的選擇方法1、 直接指標：對于以溫度、壓力、流量、液位為控制指標的生產(chǎn)過程，就選擇溫度、壓力、流量、液位為被控變量。2、 間接指標：若存在儀表無法測量產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（密度、粘度等）作為被控變量時，可選擇一種間接的指標作為被控變量。該間接指標必須與直接指標存在單值的對應(yīng)關(guān)系，并具有一定的變化靈敏度。5．間接指標的選擇：能測量，并且測量滯后??；有較大靈敏度，即對直接指標比較敏感；工藝（手段、方法）合理。6.被控變量的選擇原則在情況許可時，應(yīng)直接選擇質(zhì)量指標參數(shù)作為被控變量-直接參數(shù)。當不能選擇質(zhì)量指標作為被控變量時，可選擇一個與產(chǎn)品質(zhì)量指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標參數(shù)作為被控變量-間接參數(shù)。所選的間接指標參數(shù)必須有足夠大的變化靈敏度，以反映質(zhì)量指標的變化。被控變量必須是獨立的，相互關(guān)聯(lián)的變量有關(guān)聯(lián)關(guān)系控制。被控變量必須是可測量的，且要有足夠的測量靈敏度，滯后要小。（?。。。┻€需考慮工藝的合理性和國內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀及價格成本。（工藝的合理性及經(jīng)濟性原則）控制變量（操縱變量）的選擇a控制變量首先必須是可控的：b有的系統(tǒng)控制變量唯一，c當有幾個控制變量可以選擇時，可選擇克服干擾能力最強，動態(tài)特性最好的作為控制變量。如何選擇控制變量？a干擾作用通過干擾通道使被控變量偏離給定值；b控制作用通過控制通道克服干擾作用影響，對被控變量起主導(dǎo)作用，使被控變量維持在給定值。c輸入（干擾或控制變量）對被控變量的影響，由相對應(yīng)通道的特性對控制質(zhì)量的影響和輸入大小決定。對象通道特性對控制質(zhì)量的影響：1、干擾通道特性對控制質(zhì)量的影響。2、控制通道特性對控制質(zhì)量的影響。*控制作用與干擾作用同時影響被控變量，其影響是相反的。*控制作用與干擾作用是相互對立而存在。10?時間常數(shù)Tf的影響：相當于增加一個極點，-l/Tf,Tf越大，對控制質(zhì)量影響越大。過渡過程幅值是1/Tf。時間常數(shù)個數(shù)越多，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置愈遠離被控變量而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對被控變量的影響愈小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量則愈11.干擾通道特性a?擾動通道的放大系數(shù)Kf盡可能??；擾動通道的時間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大。b.如果有幾個擾動同時作用于控制系統(tǒng)，應(yīng)使主要擾動進入的位置靠近調(diào)節(jié)閥,遠離被控變量的檢測元件，這樣更有利于克服主要擾動的影響。控制通道特性對控制質(zhì)量的影響（1）放大倍數(shù)Ko的影響；（2）時間常數(shù)To的影響；（3）控制通道純滯后tO的影響。可控度（可控性）：對過程控制實現(xiàn)的難易程度評價。提出目的:設(shè)計可控性好的過程控制系統(tǒng)?？煽匦缘姆治鐾ㄟ^實驗分析可得：控制通道時間常數(shù)TO越大；控制通道階數(shù)n越高；純時延環(huán)節(jié)T0的存在；都使得可控性指標大為減小?？刂仆ǖ捞匦杂绊慳．放大倍數(shù)Ko的影響Ko越大，則操縱變量對被控變量的影響越大，這表示它的調(diào)節(jié)更為有效。閉環(huán)系統(tǒng)放大倍數(shù)乘積KcKo—般是定值（動態(tài)特性要求），一般使Ko>Kf（通過根軌跡分析得到）K0取值盡可能大。至少大于干擾通道放大倍數(shù)Kfb. 時間常數(shù)TO的影響T0越大，經(jīng)過的容量數(shù)越多，可控性指標越小，控制越不及時，系統(tǒng)的控制質(zhì)量越低。TO減小，控制作用越及時，克服擾動快，過渡時間短。但TO太小控制作用太強，易引起振蕩，穩(wěn)定性下降。所以TO要適當小一點，使得控制及時又保證控制質(zhì)量。C.純延遲的T0影響。T0會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性（通過頻率特性分析可得到）；純延遲使得調(diào)節(jié)器作用要滯后T0，將引起超調(diào)增大，最大偏差增加，動態(tài)指標下降。從而嚴重降低控制質(zhì)量。容量延遲TC可以引入微分環(huán)節(jié)顯著改善，對T0基本沒有作用。T0越小越好,盡量避免引入純延遲環(huán)節(jié)。小結(jié):控制通道特性影響控制通道：a.所選的控制變量的控制通道放大倍數(shù)應(yīng)較大，最好大于干擾通道的放大倍數(shù);b所選的控制變量控制通道的時間常數(shù)適當小一些為好，但不宜過小；而使擾動通道時間常數(shù)愈大愈好C.控制變量其控制通道純滯后時間愈小愈好；控制變量勺（t）的選擇一般原則控制變量是工藝上允許的量,是可控的;控制變量對被控變量與干擾相比應(yīng)該更靈敏。對應(yīng)通道K0盡可能大一些（比f大），TO要適當小一點，TO越小越好；T0/TO要小一些（小于1）擾動通道的放大系數(shù)Kf盡可能??；擾動通道的時間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大。如果有幾個擾動同時作用于控制系統(tǒng)，應(yīng)使主要擾動進入的位置靠近調(diào)節(jié)閥，遠離被控變量的檢測元件，這樣更有利于克服主要擾動的影響。廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥和測量變送器）由幾個一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制變量時，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開，使其中一個時間常數(shù)比其他時間常數(shù)大得多，同時注意減小第二、第三個時間常數(shù)注意工藝操作的合理性和經(jīng)濟性。第3章復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)的概念：具有兩個以上的檢測元件和變送器，或調(diào)節(jié)器，或執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。3.1串級控制系統(tǒng)3.1.2串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語?副主調(diào)節(jié)器——按主被控參數(shù)的測量值與給定值的偏差進行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。?調(diào)節(jié)器——按副被控參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出控制調(diào)節(jié)閥動作。?副回路——由副調(diào)節(jié)器、副被控過程和副測量變送器組成的閉合回路。?一次擾動——不包括在副回路內(nèi)的擾動。?二次擾動——包括在副回路內(nèi)的擾動。串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合?用于克服被控過程較大的容量滯后；?用于克服被控過程的純滯后；?用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動；?用于克服被控過程的非線性。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則?副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動；?應(yīng)使主、副過程的時間常數(shù)適當匹配。原則上，主副過程時間常數(shù)之比應(yīng)在3到10范圍內(nèi)；?副回路設(shè)計應(yīng)考慮工藝上的合理性；?副回路設(shè)計應(yīng)考慮經(jīng)濟性原則。串級主和副調(diào)節(jié)器的選擇?主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制規(guī)律；?副調(diào)節(jié)器一般只要選P控制規(guī)律即可：-若采用積分規(guī)律，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。-若引入微分規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作過大，對控制不利。3.2前饋控制系統(tǒng)3.2.2前饋與反饋控制特點比較反饋控制的特點：基于偏差來消除偏差；“不及時”的控制；存在穩(wěn)定性問題；對各種擾動均有校正作用；控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。前饋控制的特點：基于擾動來消除擾動對被控量的影響；動作“及時”；只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定；具有指定性補償?shù)木窒扌裕豢刂埔?guī)律取決于被控對象的特性。前饋控制的局限性前饋控制屬于開環(huán)控制方式；完全補償難以滿足，因為：要準確掌握過程擾動通道特性Wf(s)及控制通道特性Wo(s)是不容易的；即使前饋模型Wm(s)能準確求出，有時工程上也難以實現(xiàn)；對每一個擾動至少使用一套測量變送儀表和一個前饋控制器，這將會使控制系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。前饋反饋控制系統(tǒng)前饋串級控制系統(tǒng)前饋控制的設(shè)計原則實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：-“可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號。-“不可控”：指這些擾動量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負荷。擾動量變化頻繁且幅值較大；通常選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案即可得到滿意的控制效果。3.3比值控制系統(tǒng)定義：兩個或多個參數(shù)自動維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。3.3.2雙閉環(huán)比值控制由一個定值控制的主動量回路和一個跟隨主動量變化的從動量控制回路組成。3.3.3變比值控制變比值控制系統(tǒng)是一個以第三參數(shù)或稱主參數(shù)（質(zhì)量指標）、以兩個流量比為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標。第四章過程控制儀表4.1概述過程控制儀表的組成：控制器、執(zhí)行器、運算器、可編程控制等。分類：信號形式分：模擬式：傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量這類儀表線路較簡單，操作方便，價格較低使用上均有較成熟的經(jīng)驗。數(shù)字式：傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量以微型計算機為核心，功能完善、性能優(yōu)越單元組合式控制儀表電動單元組合儀表：DDZ-I型；DDZ-II型；DDZ-III型電源：220VAC；24VDC；電信號：電流：0?10mADC； 4?20mADC；電壓：1?5VDC氣動單元組合儀表：氣源：140kPa；氣信號：20?100kPa集散控制系統(tǒng)將集中一臺計算機完成的任務(wù)分派給各個微型過程控制計算機，再配上數(shù)字總線以及上一級過程控制計算機，組成各種各樣的、能適應(yīng)于不同過程的積木式分級分布計算機控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了“控制分散”或“危險分散”，管理高度集中?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級、管理級聯(lián)系起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。能源形式分：氣動執(zhí)行儀表：（以壓縮空氣為能源）特點：結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價格便宜，防火防爆。電動執(zhí)行儀表：（以電為能源）優(yōu)點：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳輸距離遠，便于信號處理。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推力小，不太適用于防爆場合（III型儀表已采用了安全防爆措施）。液動執(zhí)行儀表：（以高壓液體為能源）優(yōu)點：推力最大，動作可靠，精度咼。缺點：咼壓液源價格咼。4.2執(zhí)