過程控制總復習

計量測試工程學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過程控制定義及認識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1.5過程控制系統(tǒng)的分類1.6過程控制性能指標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1.1過程控制定義及認識過程控制定義所謂過程控制（ProcessControl）是指根據工業(yè)生產過程的特點，采用測量儀表、執(zhí)行機構和計算機等自動化工具，應用控制理論，設計工業(yè)生產過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)生產過程自動化。1.3過程控制系統(tǒng)組成

被控過程（Process），指運行中的多種多樣的工藝生產設備；過程檢測控制儀表（Instrumentation），包括：測量變送元件（Measurement）；控制器（Controller）；執(zhí)行機構（ControlElement）;顯示記錄儀表1.5過程控制系統(tǒng)的分類

按系統(tǒng)的結構特點來分反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）按給定值信號的特點來分定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)性能指標對自動控制系統(tǒng)性能指標的要求主要是穩(wěn)、快、準。最大超調量σ%反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,穩(wěn)態(tài)誤差ess反映系統(tǒng)的準確性，調整時間ts反映系統(tǒng)的快速性。

第三章過程執(zhí)行器主要內容執(zhí)行器電動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器調節(jié)閥及其流量特性變頻器原理及應用本節(jié)內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，從而實現(xiàn)對過程參數的自動控制?？刂破鳒y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調節(jié)閥（調節(jié)機構）結構

調節(jié)閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內移動，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，被調介質的流量也就相應地改變，從而達到調節(jié)工藝參數的目的。

3.1調節(jié)閥功能：接受控制器輸出的控制信號，轉換成直線位移或角位移，來改變調節(jié)閥的流通截面積。閥心閥桿閥體3.1.1調節(jié)閥的組成執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置；調節(jié)機構：調節(jié)機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。執(zhí)行機構調節(jié)機構3.1.2調節(jié)閥分類根據使用能源不同氣動調節(jié)閥：以壓縮空氣為能源，輸入信號20～100kPa，價格便宜；多用于石油、化工等易燃易爆場合。電動調節(jié)閥：以電為能源，輸入信號4～20mADC，價格貴；使用范圍廣，本質安全（本安）型也可用于易燃易爆場合。液動調節(jié)閥：以高壓液體為能源的閥體相同、執(zhí)行機構不同氣動薄膜調節(jié)閥的氣開、氣關形式所謂氣開式，即當信號壓力增加時，閥門開大；沒氣時，閥門關閉氣關式則相反，即信號壓力增加時，閥門關小。沒氣時，閥門打開氣開、氣關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壓力恒定，試問調節(jié)閥應選擇氣開式還是氣關式？答：氣關式。氣開、氣關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氣動執(zhí)行機構

1—波紋膜片；2—壓縮彈簧；3—推桿；4—調節(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—氣動放大器；16—托板；17—波紋管；18—噴嘴；19—擋板電-氣轉換器輸入信號從4mA改變到20mA時，轉換器的輸出壓力從20-100kPa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉換為氣壓信號的過程。3.3調節(jié)閥的流通能力調節(jié)閥是一個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節(jié)閥的阻力系數，達到控制流量的目的。流過調節(jié)閥的流量：閥的開度、閥門前后的壓差。為了衡量不同調節(jié)閥在某些特定條件下單位時間內流過流體的體積，引入流通能力的概念。3.3調節(jié)閥的流通能力根據流體力學知識：不可壓縮流體流過截流元件時的局部阻力損失為：其中，為節(jié)流元件的阻力系數。由上面三個公式整理的3.3調節(jié)閥的流通能力在工業(yè)上，通常采用如下單位：A為cm2,ρ為kg/m3,p1-p2為kPa,qv為m3/h，原公式變?yōu)椋赫{節(jié)閥就是通過改變閥芯行程來改變阻力系數達到調節(jié)流量的目的。3.3調節(jié)閥的流通能力調節(jié)閥流通能力定義：調節(jié)閥流通能力C，是指調節(jié)閥兩端壓力差為100kPa,流體密度為1000kg/m3，調節(jié)閥全開時，每小時流過閥門的流體的體積。3.6調節(jié)閥的流通能力例3.1：某臺調節(jié)閥的流通能力C=200。當閥前后壓差為1.2MPa，流體密度為0.81g/cm3時，所能通過的最大流量是多少？如果壓差變?yōu)?.2MPa，所能通過的最大流量是多少（314.3m3/h）？解：由公式當壓差變?yōu)?.2MPa時3.9調節(jié)閥的流量特性

指介質流過閥門的相對流量與相對開度之間的關系

qv

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

理想流量特性

調節(jié)閥前后壓差不變時，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.等百分比例題3.3已知某調節(jié)閥的最大流量，可調范圍R=30。分別計算直線流量特性和等百分比流量特性在理想情況下閥的相對行程l/L=0.1、0.2、0.8、0.9時的流量值qv，并比較這兩種不同理想流量特性的調節(jié)閥在小開度與大開度時的流量變化情況。第四章被控過程重點：1、自衡過程2、傳遞函數中的物理意義

4.1.1過程控制動態(tài)特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發(fā)生后，被控變量不斷變化最后達到新的平衡。

非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發(fā)生后，被控變量不會達到新的平衡。

4.3過程特性參數的物理意義過程特性參數1）放大倍數KtaQibK越大表明輸入信號對輸出的控制越強過程增益的注意事項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,數值和單位.過程增益只和穩(wěn)態(tài)值有關，因此過程增益是描述過程穩(wěn)態(tài)特性的參數.2）數學模型的時間常數T當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。C(t)C()t63.2%T3）滯后時間滯后時間是描述系統(tǒng)滯后現(xiàn)象的特征參數，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進料量控制擋板液體溶解液濃度滯后時間（2）容量滯后指系統(tǒng)輸入量變化后，輸出量的變化相當緩慢，在一段時間內幾乎看不到，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：1、PID調節(jié)中各部分的作用及優(yōu)缺點？2、為何要整定PID參數，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隨輸入信號(偏差)變化的規(guī)律。這個規(guī)律常常稱為控制器的特性。過程控制最常用控制器：PLC（*）數字調節(jié)器IPCDCS5.1雙位控制5.1雙位控制tθθ

maxθ

minθ

oTtu雙位控制品質指標品質指標：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計原則滿足振幅在允許的范圍內后，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)律的特點快—硬碰硬有余差適用于干擾較小，對象的純滯后較小而時間常數并不太小，控制質量要求不高，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時間的積分成比例關系積分作用的特點能消除余差積分控制器輸出的控制信號和輸入偏差之間沒有一一對應關系。只要有偏差，輸出的控制信號就會不斷變化，執(zhí)行器就不斷動作，直到把偏差信號消除。

慢慢來在偏差信號出現(xiàn)的瞬間，無控制作用，輸出控制信號是由零開始積分，并隨時間逐漸積累?？刂谱饔每偸锹浜笥谄钚盘柕淖兓＞哂休^強的抗干擾能力。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、積分作用的參數積分時間TI

——反映積分作用的強弱在階躍信號輸入中，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、積分作用的參數積分時間TI的定義：在階躍信號輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經歷的時間就是積分時間TI積分作用的大小與積分時間TI成反比，即積分時間越小，積分作用越強。(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曲線在t=t0時，控制器輸入一階躍信號，此時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，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、預見性只要偏差有變化，控制器就能根據變化速度的大小，適當改變輸出信號，從而可以及時克服干擾影響，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作為控制規(guī)律使用

微分作用的特點2、數字式PID運算式

離散化處理

對于積分項用右式近似

對于微分項用右式近似

結果：

1)基本數字式PID運算式

位置型算式

輸出與實際控制閥的閥位相對應優(yōu)點：便于計算機運算的實現(xiàn)缺點：1.計算繁瑣、占用的計算機內存很大

2.輸出的是實際使用閥位值

增量型算式

輸出為兩個采樣周期PID輸出值之差

優(yōu)點：1.計算機運算所需的內存較小、計算也相對簡單;2.每次只是輸出增量;3.易于系統(tǒng)手動和自動間的無擾動切換速度型算式

輸出是增量型算式的輸出值與采樣間隔時間Ts之比

本質上與增量型算式是相同的

增量型算式

輸出為兩個采樣周期PID輸出值之差

優(yōu)點：1.計算機運算所需的內存較小、計算也相對簡單;2.每次只是輸出增量;3.易于系統(tǒng)手動和自動間的無擾動切換3、控制器參數整定

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

3.1整定方法整定控制器參數的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法：理論計算整定法有對數頻率特性法、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工程整定法特點工程整定不需要事先知道過程的數學模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，特點：方法簡單實用；計算簡便；易于工程應用。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：

置控制器積分時間TI=∞，微分時間TD=0，在比例度δ按經驗設置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運行，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（此時應將上述比例度δ加大1.2倍），將TI由大到小進行整定。

若需引入微分作用時，則將TD按經驗值或按TD=（1/3～1/4）TI設置，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。此時的比例度稱為臨界比例度δk，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tk。

據此確定控制器參數。3、衰減曲線法

先把控制器參數置成純比例作用（TI=∞，TD=0），系統(tǒng)投入運行。再把比例度δ逐漸從大調小，直到出現(xiàn)4：1衰減過程曲線。此時的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為4：1衰退減振蕩周期Ts。

4采樣周期的選擇采樣周期的選擇要受到多方面因素的影響，不同系統(tǒng)的采樣周期應根據具體情況選擇。通常按照過程特性與干擾大小適當選取采樣周期：對于響應快、（如流量、壓力）波動大、易受干擾的過程，應選取較短的采樣周期；反之，當過程響應慢（如溫度、成份）、滯后較大時，則可選取較長的采樣周期。7.1串級控制系統(tǒng)的定義采用不止一個控制器，而且控制器間相串聯(lián)，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值的系統(tǒng)，稱為串級控制系統(tǒng)。7.2串級控制系統(tǒng)常用術語主控制器副控制器調節(jié)閥副參數測量變送副對象主對象一次擾動二次擾動主被控參數副被控參數＋－＋－主參數測量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym17.7串級控制系統(tǒng)方案設計溫度+流量溫度+壓力FCTC進料出料燃料油FTTC進料出料燃料油PCPT7.7串級控制系統(tǒng)方案設計（續(xù)）溫度+溫度T1CT2C燃料油進料出料T1TT2T7.8串級系統(tǒng)副調節(jié)器選型副調節(jié)器常選擇P或PI控制律 原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設定值變化頻繁，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環(huán)中的各種擾動，為加大副回路的調節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，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的抗干擾能力。7.8串級系統(tǒng)主調節(jié)器選型主調節(jié)器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務是滿足主參數的定值控制要求。因而對于主參數為溫度的串級系統(tǒng)，主調節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當主對象的調節(jié)滯后較大，而主參數變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。例1加熱爐出料溫度控制系統(tǒng)加熱爐干擾：燃料壓力變化、燃料熱值波動、原料流量的波動、原料入口溫度的波動等等主要問題：傳熱過程時間常數大，達到15分鐘左右如何解決？被控變量偏差由干擾引起TCTT燃料氣被加熱原料T2CT2T被加熱原料燃料氣出口溫度T1CT1T加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)把時間常數較大的被控對象分解為兩個時間常數較小的被控對象加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)T1E1T1CT2C調節(jié)閥爐膛加熱爐T1

測量變送T2

測量變送爐膛溫度T2出口溫度T1F1F2F3E2加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)調節(jié)過程主對象：輸入信號為爐膛溫度，輸出信號為原料出口溫度，正作用單元副對象：輸入信號為燃料流量，輸出信號為爐膛溫度，是正作用單元調節(jié)閥的選擇：氣開閥，正作用副調節(jié)器：控制規(guī)律方塊選正作用，調節(jié)器則是反作用主調節(jié)器：控制規(guī)律方塊選正作用，調節(jié)器則是反作用作業(yè)：如圖所示的反應器溫度控制系統(tǒng)，它通過調節(jié)進入反應器冷卻水的流量來保持反應器溫度的穩(wěn)定。TTTCFCFT反應器冷卻水反應器溫度控制系統(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）若反應器的溫度不能過高，否則會發(fā)生事故，試確定調節(jié)閥的氣開、氣關型式（3）確定主調節(jié)器、副調節(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)的調節(jié)過程（主副回路同時）。第八章復雜過程控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)時間滯后控制系統(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)前饋控制和常用動態(tài)前饋控制補償模型；掌握前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的特點及工業(yè)應用。8.1.2前饋控制與反饋控制的比較TC調節(jié)閥對象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調節(jié)閥對象TFT原油流量ΔFΔP8.1.2前饋控制與反饋控制的比較2）前饋測量干擾量；反饋測量被控變量3）前饋需要專用調節(jié)器，反饋一般只用通用調節(jié)器4）前饋只能克服所測量的干擾，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，如生產中的負荷。

采用前饋控制主要是針對那些“可測不可控”、變化頻繁且幅值較大的擾動量；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時間滯后控制系統(tǒng)時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過一個傳輸過程而形成的。純滯后極大地影響系統(tǒng)動態(tài)性能，引起閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低，過渡過程時間加長。τ/T≥0.3時，就被認為是具有較大純滯后的工藝過程，常用控制方法：預估補償方案；采樣控制方案。預估補償方案

經補償后，消除了純滯后部分對控制系統(tǒng)的影響，因為式中的在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。拉氏變換的位移定理說明,僅將控制作用在時間坐標上推移了一個時間，控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標都與對象特性完全一致可見，Smith預估器可以完全消除時滯的影響，從而成為一種對線性、時不變、單輸入單輸出時滯系統(tǒng)的理想控制方案。Smith預估器在實際應用中的限制Smith預估器在實際應用中很不盡如人意，主要原因在于Smith預估器需要確知被控對象的精確數學模型，而且它只能用于線性定常系統(tǒng)。也有一些改進型Smith預估器，但由于沒有脫離對被控對象模型依賴的本質，在實際中極少使用。2、采樣控制方案

“調一下，等一等”（WaitandSee)的辦法；當調節(jié)器輸出達一定時間后，就不再使增加（或減?。┝?，而是保持此值（保持的時間比純滯后時間τ0稍長些），直到控制作用的效果在被控量變化中反映出來為止；接著，根據偏差的大小再決定下一步控制作用的大小和方向。采樣控制方案的特點核心思想就是避免控制器不必要的誤操作，而寧愿讓控制作用弱一些。無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控過程中純滯后的不利影響。需注意采樣周期的選取應略大于過程的純滯后時間。

8.4比值控制系統(tǒng)

定義：兩個或多個參數自動維持一定比值關系的過程控制系統(tǒng)。例如：燃燒過程中，為保證燃燒經濟性，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。主動量和從動量比值控制系統(tǒng)中，起主導作用的物料流量一般為主動量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動量變化的物料流量稱為從動量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：比值控制方案根據工業(yè)生產過程的不同需求，有3種常用的比值控制方案