先进 控制系统2

第二篇先进控制系统目录第8章非线性控制系统第9章纯滞后补偿控制系统第10章解耦控制系统第11章按计算指标及推断控制系统第12章按z变换设计的控制系统第13章模型预测控制第14章其他新型控制方法第8章非线性控制系统由于复杂的工业过程控制系统大都是非线性的，因此，非线性控制理论越来越得到广泛重视和应用。在某些工程问题中，非线性特性还常被用来改善控制系统的品质。例如将死区特性环节和微分环节同时加到某个二阶系统的反馈回路中去，就可以使系统的控制既快速又平稳。非线性控制系统：状态变量和输出变量相对于输入变量的运动特性不能用线性关系描述的控制系统。非线性控制系统的形成基于两类原因：一是被控系统中包含有不能忽略的非线性因素；二是为提高控制性能或简化控制系统结构而人为地采用非线性元件。非线性控制系统分类：过程本身是非线性的，引入非线性的补偿元件或控制规律，以达到系统规定的控制指标；过程是线性的（或近似按线性处理），为了满足控制系统的某种要求或改善控制系统质量而引入非线性的控制规律。非线性系统的分析远比线性系统更为复杂。非线性控制系统在许多领域都具有广泛的应用。除了一般工程系统外，在机器人、生态系统和经济系统的控制中也具有重要意义。从广义角度来说，所有的工业过程控制对象都是具有纯滞后(时滞)的对象。第9章纯滞后补偿控制系统衡量过程具有纯滞后的大小通常采用过程纯滞后和过程惯性时间常数之比。时，称生产过程是具有一般纯滞后的过程。当时，称为具有大纯滞后的过程。一般纯滞后过程可通过常规控制系统得到较好的控制效果。而当纯滞后较大时，则用常规控制系统常常较难奏效。大滞后过程是公认较难控制的过程。其难于控制的主要原因是纯滞后的增加导致开环相频特性相角滞后增大，使闭环系统的稳定性下降。为了保证稳定裕度，不得不减小调节器的放大系数，造成控制质量的下降。目前克服大纯滞后的方法主要有史密斯预估补偿控制，自适应史密斯预估补偿控制，观测补偿器控制，采样控制，内部模型控制(IMC)，达林算法等。二、常规控制方案1.微分先行控制方案2.中间反馈控制方案3.采样控制系统方案常规PI控制系统结构图常规PI+D作用控制系统结构图1．微分先行控制方案

控制系统的闭环传递函数：在给定值作用下：在扰动作用下：

三种控制方案的响应曲线a）常规PI控制b)PI+D控制c)微分先行控制2．中间微分控制方案

设被控过程的传递函数为：W0(s)＝则加入中间微分控制后系统的闭环传递函数为：

回路PI控制系统闭环传递函数：三种控制方案的过渡过程中间微分3、采样控制方案所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间τ0。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。这种“调一调，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。炉温采样控制系统采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。1.Smith补偿原理纯时延的补偿原理图三、Smith预估补偿方案Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。2.Smith补偿方案有纯时延的单回路控制系统具有补偿器的单回路控制系统Smith补偿回路Smith补偿的等效结构图y（t）与y1（t）响应曲线SMITH预估补偿控制原理结构框图

a）原理框图b）SMITH预估补偿框图c）等效框图给定值为扰动时的闭环传递函数为：

扰动信号的传递函数为：

增益自适应预估补偿控制增益自适应预估补偿控制框图

第10章解耦控制系统有些生产过程中，在一个设备上需要设置若干个控制系统，分别对多个被控参数进行控制。在这种情况下，多个控制系统之间就有可能存在相互关联和相互影响，称为相互耦合。控制系统间的耦合，会妨碍各被控参数的独立控制，严重时甚至会破坏各系统的正常工作。通过采取措施，把相互关联的多参数控制过程转化为几个彼此独立的控制系统。把这样的系统称为解耦控制系统（或自治控制系统）。一、被控过程的耦合现象及对控制过程的影响图中，精馏塔的塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统存在耦合现象。精馏塔温度控制系统再沸器回流QL塔底产品QW精馏塔T2CT2TT1C蒸汽QS进料F塔顶产品QDu2T1T冷凝器回流罐塔顶温度控制系统和塔底温度控制系统的耦合关系，可抽象为方框图表示（将变送器、执行器环节特性简化为1）。精馏塔温度控制系统框图G11(s)T1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)T2(s)T10T20+-+++++-二、解耦控制系统设计解耦控制就是通过解耦环节，使存在耦合的多变量控制系统变为相互独立的单变量控制系统。几种常用的解耦方法：1．前馈补偿解耦设计2．对角矩阵解耦设计3．单位矩阵解耦设计1．前馈补偿解耦设计前馈补偿解耦是最早用于多变量耦合控制系统的解耦方法，是利用前馈控制原理实现解耦。前馈补偿解耦系统框图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)++++根据不变性原理可得U1(s)G21(s)+U1(s)N21(s)G22(s)=0U2(s)G12(s)+U2(s)N12(s)G11(s)=0图示为应用前馈环节实现（二变量）解耦的系统框图。前馈补偿解耦系统框图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)++++求得解耦环节的数学模型双变量解耦系统框图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)++++对角矩阵设计法是设计一个解耦器，使解耦器的传递函数阵与被控过程的传递函数阵的乘积成为对角阵，以消除多变量被控过程变量之间的相互耦合。例2．对角矩阵解耦设计对被控过程的两个输入量和输出量之间的关系,可以列出一组描述对象特性的方程：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)可简写成：

Y^(s)=G^(s)U^c(s)式中Y^(s)为输出向量，U^c(s)为输入向量，而G^(s)称为对象的传递矩阵。将此方程组写成矩阵形式，便是解耦环节N(s)接在调节器和对象G(s)之间：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)可简写成：式中U^c(s)为输出向量，U^(s)为输入向量，而N^(s)称为解耦器的传递矩阵。将此方程组写成矩阵形式，便是这时调节器输出的控制作用U(s)与被调节量Y(s)的关联可用矩阵表达：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)之积是对角阵：则有说明Y1、Y2之间解耦。据此条件可求解耦阵：中，如果实现对角解耦之后的等效系统框图：G11(s)Y1(s)U1(s)G22(s)U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)使解耦阵与对象阵的乘积成为单位阵：如果在对角解耦中3．单位矩阵解耦设计则实现单位解耦之后的等效系统框图：1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)实现单位解耦的好处是：使对象的特性等效为1，从而控制特性得到改善。但解耦阵的函数复杂化。

1Y1(s)U1(s)1U2(s)Gc2(s)Gc1(s)X1+-+-X2Y2(s)三、解耦控制的进一步讨论解耦设计的目的是为了能构成独立的单回路控制系统，获得满意的控制性能。在设计解耦器时，需要根据实际情况特别注意以下问题：1．控制变量与被控参数的配对2．部分解耦3．解耦环节的简化1．控制变量与被控参数的配对存在耦合的被控过程中，一个控制变量会影响多个被控参数。设计解耦时，首先要确定每个被控参数被哪个控制变量控制最合理，即解决耦合过程中被控参数与被控变量之间的配对问题。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++对匹配关系比较明显的多变量对象，凭经验就可确定控制变量与被控参数之间的配对关系；而对关联关系比较复杂的多变量对象，则用相对增益法评价变量之间的耦合程度。即哪个通道相对增益最大，则此通道的输入与输出为最佳控制配对，其它通道用解耦消除。2．部分解耦所谓部分解耦是指：对耦合关系复杂的对象，只对部分耦合通道采取解耦措施。从解耦器函数的求解可以看出，解耦器的实现比较复杂。为了降低成本，可以只对部分耦合通道采取解耦措施。当然，部分解耦的控制性能比完全解耦过程要差一点。部分解耦是一种有选择的解耦，使用时必须首先确定哪些过程需要解耦，选择的依据两条：①被控参数的相对重要性②被控参数的响应速度①被控参数的相对重要性控制过程中各被控参数的重要性是不同的。对那些重要的被控参数，控制要求高，最好采用解耦环节消除或减少其它输入对它的耦合。如图精馏工艺中，若对塔顶产品的纯度指标远高于对塔底产品的纯度要求，可采用前馈补偿环节只消除U2对T1的耦合。精馏塔温度控制系统再沸器回流QL塔底产品QW精馏塔T2CT2TT1C蒸汽QS进料F塔顶产品QDu2T1T冷凝器回流罐U2T1②被控参数的响应速度对象的各个被控参数对输入的响应速度是不一样的。响应快的被控参数受响应慢的参数的影响小，而响应慢的参数受来自响应快的参数的影响大。如温度、成分等参数响应较慢，压力、流量等参数响应较快。因此，在部分解耦设计时，往往对响应慢的参数受到的耦合进行解耦。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++3．解耦环节的简化从对象的传递函数求得解耦装置的数学模型，对象传递函数越复杂，解耦环节的传递函数也越复杂，实现越困难。如果对求出的解耦环节进行适当简化，可使解耦易于实现。简化可以从以下两个方面考虑：①在高阶系统中，如果存在小时间常数，它与其它时间常数的比值小于1/10左右时，可将小时间常数忽略，从而降低解耦模型阶数；如果几个时间常数值相近，也可取同一值代替。例如某被控过程的传递函数阵为：按照上面的简化原则可以简化成：②省略解耦函数的动态部分，只采用静态解耦。如只采用静态解耦，则：显然，解耦环节简化为比例环节，更容易实现。例如一个2×2的系统，求出的解耦环节传递矩阵为：试验表明，当对象各通道的动特性相等或相近时，用静态解耦能满意地解决耦合问题。由于对象特性的测试或推算都是忽略了一些因素取得的近似值，因而求得的解耦装置的数学模型往往是近似的，加之实现时的误差，很难做到理想的“全解耦”。G11(s)Y1(s)U1(s)G21(s)G12(s)G22(s)U2(s)Y2(s)++++第11章按计算指标及推断控制系统11.1按计算指标的控制系统（软测量）选择与被估计变量相关的一组可测变量，依据这些可测变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系（即软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，间接得到主导变量的估计值。系统组成1）辅助变量选择：变量选择原则：①过程适用性；②灵敏性；③特异性；④准确性；⑤鲁棒性；⑥关联性关系到软测量技术精确度。包括：变量类型、数目和测点位置的确定。变量数目：至少要等于主导变量的个数；过多辅助变量会出现过参数化问题；其最佳数目与过程的自由度、测量噪声以及模型不确定性等有关。2）数据检测与处理

检测数据的误差处理：采用各种方法提取、剔除和校正这些坏数据。方法为数字滤波技术、数据协调技术、统计假设检验、广义似然比法等。

测量数据的变换:标度、转换和权函数。3)软测量数学模型建立本质上是由辅助变量构成的可测信息集到主导变量估计y的映射。

方法:机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析、现代非线性信息处理技术。4)模型的在线校正模型结构的优化:包括短期学习和长期学习的校正方法;模型参数的修正:采用自适应法、增量法和多时标法等。11.2推断控制系统生产过程的被控变量(过程的输出)有时不能直接测得，因而就难于实现反馈控制。如果扰动可测，则尚能采用前馈控制。假若扰动也不能直接测得，则可以采用推断控制。推断控制是利用数学模型由可测信息将不可测的输出变量推算出来实现反馈控制，或将不可测扰动推算出来以实现前馈控制。对于不可测扰动的推断控制是美国学者C·B·Brosilow等于1978年提出来的。它利用过程的辅助输出，如温度、压力、流量等测量信息，来推断不可直接测量的扰动对过程主要输出（如产品质量、成分等）的影响。然后基于这些推断估计量来确定控制输入，以消除不可直接测量的扰动对过程主要输出的影响，改善控制品质。根据过程输出的性能要求，在建立被控过程数学模型的基础上，通过数学推理，导出推断控制系统应该具有的结构形式。采用辅助变量间接控制过程的主导变量。主导变量辅助变量不可测干扰估计器推断控制系统通常包括三个部分信号分离估计器E(s)推断控制器GI(s)1）对不可测干扰的信号分离

信号分离的目的是估计干扰对辅助变量的影响

当干扰对辅助输出通道的数学模型完全匹配时，即

2）对不可测干扰的估计器

估计器通过来确定不可测干扰对主导变量的影响。估计器输出为不可测干扰F(s)对过程主要输出Y(s)影响的估计值。3）推断控制器

推断控制器的输出为:

若模型完全匹配,则有推断控制系统在模型正确无误的条件下，可以实现对给定值变化的完全跟踪，以及对不可测干扰影响的完全消除。第二篇先进控制系统结束第二篇学习要求了解解耦、纯滞后补偿等较为新型的控制方法。串级两控制器串联两闭合回路形成内外环解决对象滞后大，干扰作用强而频繁，负荷变化大的问题前馈开环控制对特定干扰加补偿器反馈反馈回路和开环的补偿回路叠加而成在干扰频繁，对象有较大滞后时，对主要干扰加补偿器＋总结大滞后

采样控制；Simth预估补偿控制调一调、等一等；利用预估器提前做出响应、提前控制比值单闭环双闭环变比值实现几个流量参数符合一定比例关系均匀简单均匀控制串级均匀控制对两个有控制矛盾的被控参数，进行协调控制分程

一个控制器对多个控制阀解耦多个控制回路对一个控制阀实现多个操纵量协调操作实现多个被控参数选择控制选择前馈解耦对角矩阵解耦单位矩阵解耦解除控制回路间的耦合影响第三篇过程控制工程典型生产过程企业的结构单元操作的基本任务安全操作 联锁保护，各种软保护（超驰控制、设备压力温度控制、最小/最大流量控制等）平稳操作 液面控制（或称物料平衡控制），重要操作参数控制等质量控制

直接/间接质量控制，如成分控制/灵敏板温度控制等在讨论各典型单元操作的控制时，应对各典型单元操作的工艺机制有概要的了解，然后从控制的需要，对它的动静特性作必要的分析，最后结合过程控制系统的知识，视各单元操作的控制要求，确定整体控制方案。一、过程控制系统设计——要求

安全性

----在整个生产过程中，确保人员设备的安全。通常采用参数越限报警、事故报警、连锁保护等措施加以保证。2)

稳定性

-----系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内，能长期稳定运行的能力。

-----准确性:系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小，使系统具有足够的控制精度。

------快速性:系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短。3)

经济性

------提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。二、过程控制系统设计——步骤1.熟悉系统的技术要求或性能指标2.建立被控过程的数学模型

3.确定控制方案

4.根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合5.实验验证

6.工程设计7.工程安装

8.控制器的参数整定

三、过程控制系统设计——控制方案确定1.被控变量的选择

①尽量选用对产品的产量和质量、安全稳定生产、经济运行等具有决定性作用、并且可以直接检测的工艺参数作为被控变量（直接变量）。被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测仪表的可行性、可靠性。②当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，应选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度。③当直接变量不可测量时，往往可以采用推断控制获得实际取值。寻找与直接变量存在一定函数关系、可靠、容易测量的辅助变量。过程控制系统设计——控制方案确定2.控制变量的选择

两条通道的过程参数不一定相同，其对系统的影响也不一样。干扰通道控制通道2.控制变量的选择---干扰通道特性对控制质量的影响1)干扰通道静态增益Kf对控制质量的影响过程控制系统设计——控制方案确定Kf越小越好,以减弱扰动对被控参数的影响；2)干扰通道时间常数Tf对控制质量的影响一阶惯性环节的干扰通道传递函数为一个一阶滤波器,其时间常数Tf越大,滤波能力越强,扰动越易于克服。3)干扰通道时延时间τf对控制质量的影响干扰通道的纯滞后,不影响系统的控制质量。当干扰通道存在容量滞后时,将对系统克服扰动有益。当扰动位置离被控参数越近,扰动对它的影响越大。当扰动离被控参数越远即离调节阀越近,扰动对其影响越小。系统设计时，应使扰动作用点远离被控参数。2.控制变量的选择---干扰通道特性对控制质量的影响过程控制系统设计——控制方案确定4)干扰进入系统的位置对控制质量的影响3)广义过程选择参数时,应尽量设法把几个时间常数错开,使其中一个时间常数比其它时间常数大得多,同时注意减小第二,第三个时间常数.过程控制系统设计——控制方案确定2.控制变量的选择---控制通道特性对控制质量的影响1)选择过程控制通道的放大系数K0要适当大些;时间常数T0要适当小些;

纯滞后时间越小越好,

在有纯滞后的情况下,与T0之比小一些(小于1).2)选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小些;时间常数Tf要大;

扰动引入系统的位置要远离控制过程;

容量滞后越大越有利控制4)注意工艺操作的合理性经济性.过程控制系统设计——控制方案确定3.被控变量的检测与变送

测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等,易引入纯滞后。使测量信号不能及时反映被控参数的实际值,引起测量动态误差,降低过程控制系统的控制质量。过程控制系统设计——控制方案确定4.执行器的选择

1）执行器的选型综合考虑生产过程的特点、对执行器推力的需求、被控介质特性及安全性等因素来确定执行器类型。2）气动执行器的气开、气关形式选择①控制器输出信号为零或气源中断时使生产过程处于安全状态；②在系统安全运行的条件下，综合考虑节能、控制便捷等因素。3）调节阀尺寸的选择调节阀尺寸主要包括调节阀的开度和口径大小。在正常运行条件下，一般要求调节阀开度处于15%～85%之间。4）调节阀流量特性的选择为保证系统总的开环增益在整个工作范围内都保持线性、恒定,需要通过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性。确定调节阀的气开气关形式

——气开（+），气关（-）确定被控过程的正反作用

——正（输入增加输出，+），反（-）确定调节器的正反作用方式

——正（输入增加输出，+），反（-）保证控制系统是负反馈的控制系统。过程控制系统设计——控制方案确定5.控制器调节规律的选择----控制器正/反作用方式

1）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入D调节；工艺容许有静差时，选用PD调节；工艺要求无静差时，选用PID调节。2）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选用P调节。3）控制通道时间常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差，选用PI调节。4）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。过程控制系统设计——控制方案确定5.控制器调节规律的选择---原则

①τo/To<0.2，选用P或PI调节规律；②0.2<τo/To<1.0，选用PD或PID调节规律；③τo/To>1.0，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其他控制方式。自控工程设计需要大量的专业知识，这些基本上在相关课程的教学中已学习过了。与此同时，尚需了解和掌握工程设计的程序和方法、有关的规程和规定。这些必须通过亲自实践，才能逐步掌握。四、过程控制系统设计——工程设计工程设计的工作流程简图用图样资料和文件资料表达控制系统设计思想和实现过程，并能按图样进行施工。主要内容：①熟悉工艺流程、确定控制方案，完成工艺流程图和控制流程图绘制；②在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制；③完成控制室的设计及其相关条件的设计；④完成信号连锁系统的设计；⑤完成仪表供电、供气关系图及管线平面图的绘制；⑥完成有关的其他设备、材料的选用情况统计及安装材料表的编制；⑦完成抗干扰和安全设施的设计；⑧完成设计文件的目录编写等。过程控制系统设计——工程设计过程控制系统设计——工程设计1）立项报告设计①控制方案以及电源、气源、仪表、控制室和仪表盘布置等的确定；②确定企业自身及其协作单位的设计任务分工；③说明设计依据及其在国内外同行业中的采用情况；④提供设备清单（价格、供货商等）、经费预算、参加人员等说明；⑤预测并分析系统的经济效益等。具体步骤2）施工图设计系统实施的具体技术文件和图样资料，包括:图样目录、说明书、设备汇总表、设备装置数据表、材料表、连接关系表、测量管路和绝热伴热方式表、信号原理图、平面布置图、接线图、空视图、安装图、工艺管道和仪表流程图、接地系统图等。过程控制工程作业讲评一1.5图示为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：①影响物料出口温度的主要因素有哪些？②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选取哪些参数？为什么？③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用？作业：P54/1.5蒸汽物料出口冷凝水搅拌器物料入口流量、温度物料出口流量蒸汽流量、压力冷凝水流量搅拌器搅拌速度被控变量：出口温度操作变量：蒸汽流量（利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出）蒸汽物料出口冷凝水搅拌器①影响物料出口温度的主要因素有哪些？②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选取哪些参数？为什么？②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选取哪些参数？为什么？被控变量：出口温度操作变量：蒸汽流量（利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出）画出带控制点工艺流程图画出系统方块图蒸汽物料出口冷凝水搅拌器TTTC给定值－测量变送器控制器执行器加热器操作量被控量干扰③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用？因物料在温度过低时会凝结，故蒸汽阀“开”位置安全，应选择控制阀为气关形式。气关阀为“－”作用；蒸汽阀开大，加热器温度升高，过程为“＋”作用；为保证控制系统为负反馈，因此，应选择调节器为“＋”，即调节器应选为“正作用”。蒸汽物料出口冷凝水搅拌器TTTC2.7图示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。①当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。②当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。③对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。作业：P85/2.7出料冷却水进料①当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。出料冷却水进料主被控变量：反应釜温度副被控变量：冷却水压力操作变量：冷却水流量TTTCPTPC②当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。出料冷却水进料主被控变量：反应釜温度副被控变量：夹套温度操作变量：冷却水流量T1TT1CT2TT2C③对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。出料冷却水进料TTTCPTPC出料冷却水进料T1TT1CT2TT2C反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故。故冷却水阀“开”位置安全，应选择控制阀为气关形式。补充作业1.对于图1所示的加热器串级控制系统。要求：（1）画出该控制系统的方框图，并说明主变量、副变量分别是什么？主控制器、副控制器分别是哪个？（2）若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开气关型式；（3）确定主、副控制器的正反作用；（4）当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程；（5）当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程；（注：要求用各变量间的关系来阐述）

图1（1）该控制系统的方框图温度控制器控制阀流量对象流量测量变送主设定值扰动1出口温度操纵变量流量控制器温度对象蒸汽流量温度测量变送副设定值主测量值副测量值扰动2参考答案：（2）由于工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，所以控制阀应选用气开型式，一但气源故障断气，控制阀自动关闭，蒸汽不再进入加热器，以避免介质温度过高发生事故。（3）确定主、副控制器的正反作用： 在副回路中，由于流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增加）的（Ko2>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）的（Kv>0），故副控制器FC是“＋”特性（Kc2>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用；在主回路中，由于主对象是“＋”作用（副变量蒸汽流量增大，主变量出口温度也增大）的（Ko1>0），故主控制器TC是“＋”特性（Kc1>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用。（4）当蒸汽压力突然增加时，该控制系统的控制过程如下：蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于FC为反作用，故其输出降低，因而气开型的控制阀关小，蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，提高了控制质量。（5）当冷物料流量突然加大时，该控制系统的控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉出口物料温度降低，反作用的TC输出增加，因而使FC的给定值增加，FC为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用。过程控制工程作业讲评二作业：P114/3.93.9某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持FA:FB=4:2.5的比例，两物料的最大流量FAmax＝625m3/h，FBmax＝290m3/h。通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情况，要求：（1）设计一个比较合适的比值控制系统。（2）计算该比值系统比值系数K’。（3）该比值系统中，比值系数应设置于何处？设置值应该是多少（假定采用DDZ－Ⅲ型仪表）？（4）选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正反作用。（1）A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化，故设计一个双闭环比值控制系统主流量：FA副流量：FB参考答案一：给定－K对象主流量控制器执行器主测量、变送－对象副流量控制器执行器副测量、变送FAFB双闭环比值控制系统方块图

KF1CF2CFAFB（2）计算该比值系统比值系数K（3）该比值系统中，K>1，因此比值系数应设置于从动量的控制回路中。 K’=1/K=0.74KF1CF2CFAFB 采用DDZ－Ⅲ型仪表，设置值： （4）由于控制的是参加化学反应的两物料，所以主流量、副流量的控制阀均应选用气开型式，一但气源故障断气，控制阀自动关闭，两物料不再进入反应器，以发生事故。 确定主流量控制器、副流量控制器的正反作用： 在副流量控制回路中，由于副流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增加）的（Ko2>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）的（Kv2>0），故副流量控制器F2C是“＋”特性（Kc2>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用； 在主流量控制回路中，由于主流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增加）的（Ko1>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）的（Kv2>0），故主流量控制器F1C是“＋”特性（Kc1>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用。KF1CF2CFAFB（1）设计一个双闭环比值控制系统主流量：FB副流量：FA参考答案二：给定－K对象主流量控制器执行器主测量、变送－对象副流量控制器执行器副测量、变送FBFA双闭环比值控制系统方块图

KF1CF2CFBFA（2）计算该比值系统比值系数K（3）该比值系统中，K<1，因此比值系数应设置于从动量的设定回路中。KF1CF2CFBFA采用DDZ－Ⅲ型仪表，设置值: （4）由于控制的是参加化学反应的两物料，所以主流量、副流量的控制阀均应选用气开型式，一但气源故障断气，控制阀自动关闭，两物料不再进入反应器，以发生事故。 确定主流量控制器、副流量控制器的正反作用： 在副流量控制回路中，由于副流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增加）的（Ko2>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）的（Kv2>0），故副流量控制器F2C是“＋”特性（Kc2>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用； 在主流量控制回路中，由于主流量对象是“＋”作用（阀开大，流量增加）的（Ko1>0），控制阀也是“＋”作用（气开式）的（Kv2>0），故主流量控制器F1C是“＋”特性（Kc1>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用。过程控制工程作业讲评三5.12.有时前馈－反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似，试问任何区分它们？试分析图5.29所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。前馈－反馈控制系统也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同的。串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成；而前馈－反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。

图（b）是以加热器出口温度为主被控变量，以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成的典型串级控制系统；图（a）是一种形似串级控制但实际是一种前馈－反馈控制系统。两个控制器TC与FC串级工作，TC的输出作为FC的给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一个反馈回路，执行器的输出并不能改变原料的流量，所以不能认为是一个串级控制系统。为静态前馈-反馈控制的非标准形式。过程控制工程作业讲评四P163/6.4图所示的热交换器用以冷却经五段压缩后的裂解气，冷剂为脱甲烷塔的釜液。正常情况下，要求釜液流量维持恒定，以保证脱甲烷塔的平稳操作。但是裂解气冷却后的出口温度不得低于15℃，因为当温度低于此温度时，裂解气中所含的水分就会生成水合物而堵塞管道，需为其设计一个选择性控制系统。如果要求设计的是连续型选择性控制系统，系统中的控制阀、控制器及选择器应如何进行选择？参考答案：控制阀为气开阀。TC为“正”作用；FC为“反”作用。选择器应选低值选择器。正常工况下，温度θ高于15℃，TC输出较高，不被选中。系统实际上是一个流量的定值控制系统，维持冷剂流量稳定，有利于脱甲烷塔的平稳操作。但θ低于15℃时，TC输出降低，被LS选中，关小冷剂阀，以使温度上升，保证安全。设计一个连续型的选择性控制系统。（1）A、B两控制阀的开闭形式及每个阀的工作信号段（假定分程点为0.06MPa）。（2）确定控制器的正、反作用。（3）画出该系统的方块图，并简述该系统的工作原理。7.7.图7.23所示为某管式加热炉原油出口温度分程控制系统。两分程阀分别设置在瓦斯气和燃料油管线上。工艺要求优先使用瓦斯气供热，只有当瓦斯气量不足以提供所需热量时，才打开燃料油控制阀作为补充。根据上述要求试确定：（1）两阀均采用气开阀，当气源事故中断时，两阀均关闭，以免烧坏炉子。 工作过程如下：当温度很低时，两只阀全打开，使温度逐渐升高；当温度较高时，逐渐关小燃料油阀，直至全关；若温度还高，就逐渐关小瓦斯气阀，直到温度达到要求为止。 两阀的工作信号段：燃料油B阀为0.06～0.1MPa瓦斯气A阀为0.02～0.06MPa参考答案：（2）控制器正反作用的确定：阀为气开阀，“+”特性；燃料油或瓦斯气流量增加时，物料出口温度上升，“+”特性；为构成负反馈系统控制器应为“+”特性，为反作用。（3）工作过程如下：当温度很低时，两只阀全打开，使温度逐渐升高；当温度较高时，逐渐关小燃料油阀，直至全关；若温度还高，就逐渐关小瓦斯气阀，直到温度达到要求为止。过程控制工程作业讲评五P286/15.7图示为一压缩机吸入罐压力与压缩机入口流量选择性控制系统。为了既防止吸入罐压力过低导致罐子被吸瘪，又防止压缩机流量过低而产生喘振的双重目的，试确定系统中控制阀的开闭形式，控制器的正、反作用及选择器的类型。参考答案：控制阀为气关阀。PC为“正”作用。FC为“正”作用。选择器应选低值选择器。P318/16.3图示的热交换器中，物料与蒸汽换热，要求出口温度达到规定的要求。试分析下述情况下应采取何种控制方案为好。画出系统的结构图与方块图。（1）物料流量F比较稳定，而蒸汽压力波动较大。（2）蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。（3）物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。参考答案：（1）物料流量F比较稳定，而蒸汽压力波动较大。可设计出口温度为主变量，蒸汽压力为副变量的的串级控制系统。TTTCPTPCTTTC压力控制器PC执行器

压力对象温度T设定值扰动f1控制系统方块图温度对象温度控制器TC－+－+扰动f2测量、变送y1测量、变送y2PTTTCFTFCTTTCPTPC参考答案：（2）蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量的前馈－反馈控制系统。TTTCFTFC+给定前馈－反馈控制系统方块图温度控制器执行器热交换器对象测量、变送－＋流量控制器测量、变送干扰＋出口温度TTTCFTFC+参考答案：（3）物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力为副变量的前馈－串级控制系统。T1TT1CT2TT2C+FTFCT1TT1CT2TT2C+PTPCT1TT1CT2TT2C+PTPCP320/16.12图16.58所示为锅炉燃烧系统选择性控制方案。它可以根据用户对蒸汽量的要求，自动调整燃料量和助燃空气量。不仅能维持两者的比值不变，而且能使燃料量与空气量的调整满足下述逻辑关系：当蒸汽用量增加时，先增加空气量后增加燃料量；当蒸汽用量减少时，先减燃料量后减空气量。根据上述要求，试确定图中控制阀的开闭形式、控制器正反作用及选择器的类型。参考答案：燃料控制阀为气开阀。空气控制阀为气关阀。FC1为“反”作用。FC2为“正”作用。PC为“反”作用。上选择器应选高值选择器。下选择器应选低值选择器。LSHS空气燃料HL反反正气关气开正常情况下，是蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器PC是反作用的。当蒸汽压力下降时（如因负荷增加），压力控制器输出增加，从而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足会造成燃烧不完全。为此，设有低限选择器LS，它只允许两个信号中较小的通过，这样保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高限选择器HS来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。HSLS过程控制工程作业讲评六P320/16.12图16.58所示为锅炉燃烧系统选择性控制方案。它可以根据用户对蒸汽量的要求，自动调整燃料量和助燃空气量。不仅能维持两者的比值不变，而且能使燃料量与空气量的调整满足下述逻辑关系：当蒸汽用量增加时，先增加空气量后增加燃料量；当蒸汽用量减少时，先减燃料量后减空气量。根据上述要求，试确定图中控制阀的开闭形式、控制器正反作用及选择器的类型。参考答案：燃料控制阀为气开阀。空气控制阀为气关阀。FC1为“反”作用。FC2为“正”作用。PC为“反”作用。上选择器应选高值选择器。下选择器应选低值选择器。LSHS空气燃料HL反反正气关气开正常情况下，是蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器PC是反作用的。当蒸汽压力下降时（如因负荷增加），压力控制器输出增加，从而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足会造成燃烧不完全。为此，设有低限选择器LS，它只允许两个信号中较小的通过，这样保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高限选择器HS来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。HSLS过程控制工程主讲：吴淑欢教材过程控制工程.孙洪程，李大字，翁维勤.北京:高等教育出版社，2006.2本课程的内容《过程控制工程》是一门紧密结合生产实际的工程技术性课程，其内容广泛、有一定的深度和广度。本课程在《过程控制（装置及系统）》的基础上，进一步介绍当前在工业生产过程中应用比较成熟的各类复杂控制系统和以现代控制理论为基础的先进控制系统。（对各类控制系统，除理论分析外，还结合典型的工程实例，对系统的结构、设计和现场实施等进行深入浅出的探讨。）本课程还对各类典型的工业设备的控制方案进行分析和讨论。本课程的要求通过《过程控制（装置及系统）》的学习，要求不仅能达到解决过程控制工程中的一般问题，并具有分析和设计一般过程控制系统的能力。通过本课程《过程控制工程》的学习，要求不仅能达到分析和设计较复杂的过程控制系统的能力，并具有进一步提高分析、处理过程控制中各种工程实际问题的能力。参考书目一王再英等．过程控制系统与仪表．北京：机械工业出版社，2006.1年周泽魁．控制仪表与计算机控制装置．北京：化学工业出版社，2002.9王树青等．工业过程控制工程．北京：化学工业出版社，2002.12何衍庆等．工业生产过程控制．北京：化学工业出版社，2004年参考书目二蒋慰孙等．过程控制工程（第二版）．北京：中国石化出版社，2004年王骥程等．化工过程控制工程（第二版）．化学工业出版社，1991年翁维勤等．过程控制系统及工程（第二版）．北京：化学工业出版社，2002年金以慧．过程控制．北京：清华大学出版社，1993年学习方法及要求1.理解并掌握基本理论综合性——结合先行课程内容《自控原理》《过程控制（装置及系统）》等实践性——利用创造实践机会实际设备（模拟）系统仿真MATLAB设计：生产过程控制任务及目标结合对象确定控制方案2.灵活应用，学会设计、分析实际系统分析：具体系统抽象出控制方案基本控制方案其它领域对象控制方案并非一成不变1）传统PID控制约占90%，先进控制策略不断发展；2）系统的组成设备不断发展以现代电子技术的发展为前提（构成自动化设备的基本部件）3.运用发展的观点来学习20世纪50年代仿苏产品机械式、电子管式体积大、功耗大60年代初国产DDZ—Ⅰ电子管、晶体管分立元件、统一信号制70年代国产DDZ—Ⅲ集成电路、运放系统构成灵活、组装式仪表方便、配套性强80年代计算机控制仪表大规模集成电路安全、高产

DCS

90年代智能仪表、FCS计算机网络综合管理、CIPS优质、高效课程安排学时:54学时（其中：讲授48，实验6）考核要求：不得缺勤，作业、实验报告必须齐备。考核方式:笔试（开卷）考核成绩：平时考勤：10%；课堂表现：10%；平时作业：10%；平时测验：10%；实验成绩：10%；笔试成绩：50%。过程控制

（装置及系统）回忆、复习综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。（1）在过程处于稳定的状态下，将控制器置于手动，快速手操控制阀使通过控制阀的热水流量变化Δq＝1m3／h，测得发酵罐内温度的变化曲线如图b所示。请根据曲线判定该过程控制通道属于哪一类型的过程，并写出该过程控制通道的传递函数。（2）控制器投入自动时，在最大阶跃扰动作用下，测得发酵罐内温度的变化曲线如图c所示。请确定该控制系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入新稳定值的±2％范围内即为达到稳定来确定）和振荡周期等过渡过程性能指标。（3）请确定并简要说明控制阀的开关型式、控制器的控制规律和正反作用。（4）该温度控制系统是否能满足工艺要求？为什么？（5）若不能满足工艺要求，请提出应采取的改进措施。画出改进后的控制系统流程图，确定并简要说明控制阀的开关型式、控制器的控制规律和正反作用。综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。热水阀复习：第一章单回路反馈控制系统综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。热水阀被控变量：发酵罐温度操作变量：热水流量给定值－测量变送器控制器执行器对象操作量被控量干扰综合题 （1）在过程处于稳定的状态下，将控制器置于手动，快速手操控制阀使通过控制阀的热水流量变化Δq＝1m3／h，测得发酵罐内温度的变化曲线如图b所示。请根据曲线判定该过程控制通道属于哪一类型的过程，并写出该过程控制通道的传递函数。多数工业过程的特性可分为下列四种类型：1.自衡的非振荡过程2.无自衡的非振荡过程3.有自衡的振荡过程4.具有反向特性的过程被控过程特性（数学模型）的类型自衡的非振荡过程hQ1Q2hQ1Q2定量泵无自衡的非振荡过程自衡的振荡过程具有反向特性的过程h(t)tth(t)h(t)th(t)th(t)tyttx判断一阶过程（对象）的依据是，若响应曲线在开始阶段斜率大，而后逐渐减小，即响应曲线的斜率单调递减是一阶环节的固有属性。若响应曲线的斜率不是单调递减的，如开始递增而后递减，则这一过程（对象）必定是二阶的或二阶以上的。ty参考答案：由图知：τ＝3sT=16-3=13s所以该过程控制通道的传递函数为该过程控制通道属于自衡单容过程（一阶滞后）。Δq＝1m3／hΔT＝10℃综合题 （2）控制器投入自动时，在最大阶跃扰动作用下，测得发酵罐内温度的变化曲线如图c所示。请确定该控制系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入新稳定值的±2％范围内即为达到稳定来确定）和振荡周期等过渡过程性能指标。最大偏差A=45-40=5（℃）衰减比n=(45-41)/(42-41)=4:1

余差C=41-40=1（℃）过渡时间ts=23min振荡周期T=18-5=13（min）综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。（3）请确定并简要说明控制阀的开关型式、控制器的控制规律和正反作用。热水阀被控变量c---发酵罐温度操纵变量q---热水流量选取被控参数的一般原则优先选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。被控参数必须具有足够高的灵敏度。被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性。必须考虑过程检测控制仪表及装置的现状。

根据过程特性选择控制变量的一般原则控制通道的放大系数Ko要适当大一些；时间常数To要适当小一些；纯滞后τo愈小愈好。在有纯滞后τo的情况下，τo和To之比应小一些，且小于1，若其比值过大，则不利于控制。扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。当过程本身存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其它时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。控制器、调节阀和测量变送器的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数。系统设计中的测量变送问题被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。

测量和变送环节的描述：参数选择原则：减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。调节阀（执行器）的选择调节阀类型的选择：气动执行器和电动执行器调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：主要依据是阀的流通能力。正常工况下要求调节阀开度处于15％～85％之间。调节阀气开、气关形式的选择：主要以安全方面考虑。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。调节器控制规律的选择目的：

为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。调节器控制规律的选择调节器PID控制规律对控制质量的影响：当过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很快，引入微分和积分作用均要引起系统振荡，对控制质量的影响不利。当广义过程的时间常数较大，纯时延较小时(即τ0／To很小)，引入微分作用其效果良好。此时各类调节器控制规律对控制质量的影响为：比例积分微分(PID)作用最好，比例微分（PD）作用较好，比例（P）作用次之，比例积分（PI）作用较差。当过程控制通道时延很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统已不能满足工艺要求，需采用其他控制方案。调节器控制规律的选择原则（1）根据τ0／To比值选择控制规律（2）根据过程特性选择控制规律（1）根据τo／To比值来选择调节器的控制规律当τo／To＜0.2时，选用比例或比例积分控制规律。当0.2＜τo／To＜1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律。当τo／To＞1.0时，采用单回路控制系统往往已不能满足工艺要求，应根据具体情况采用本课程《过程控制工程》介绍的串级、前馈等控制方式。（2）根据过程特性选择控制规律根据各种控制规律适用的过程特性与工艺要求来选择位式调节器：适用于滞后较小，负荷变化不大，控制质量要求不高比例控制：是最基本的控制规律，它的输入，输出成比例，用于控制通道滞后小，负荷变化不大，控制质量要求不高的场合比例积分控制：用于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺上不允许有余差的场合比例微分控制：能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量液位：滞后不大，一般控制要求不高，用P或PI控制规律。流量：滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音，用PI或加反微分加以控制。压力：介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等，用P或PI控制规律。温度：容量滞后较大，时间常数大，常用PD或PID控制规律。各种控制过程常用的控制规律如下：PID控制作用比例作用P是基本控制作用，输出与输入无相位差。Kc越大控制作用越强，随着Kc的增加(比例度δ减小)，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。比例作用P引入积分作用I后，可以消除余差。但是幅值增加，相位滞后，使稳定性裕度下降，为保持同样稳定性裕度，Kc应减少10-20%(比例度δ应增加10-20%)。积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。应防积分饱和。PID控制作用比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应增加10-20%(比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以克服容量滞后，但对时滞（纯滞后）毫无作用。微分时间Td越大，微分作用越强，Td=0无微分作用。调节器正、反作用的确定调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与扰动作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量回到设定值。控制器参数的整定控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最佳的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度、积分时间和微分时间。调节器参数整定的方法反应曲线法临界比例度法衰减曲线法现场经验整定法过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。（3）请确定并简要说明控制阀的开关型式、控制器的控制规律和正反作用。热水阀调节阀的开关型式：由于温度过高会造成发酵菌种失效，在事故状态下调节阀（热水阀）关位置安全，所以调节阀应选择气开阀。调节器的控制规律：温度系统容量滞后较大，且控制过程中要求温度偏离给定值最大不得超过4℃，所以选择PID控制规律。调节器的正反作用：气开阀为正作用，Kv>0；热水阀开大，发酵罐温度升高，过程为正作用，K0>0；为保证负反馈，K开＝KcKvK0Km＞0，因此，应选择调节器增益Kc>0，调节器应选为“反作用”。综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。（4）该温度控制系统是否能满足工艺要求？为什么？最大偏差A=45-40=5（℃）衰减比n=(45-41)/(42-41)=4:1

余差C=41-40=1（℃）过渡时间ts=23min振荡周期T=18-5=13（min）该温度控制系统要求控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，而在最大阶跃扰动作用下该温度控制系统最大偏差A=45-40=5（℃）>4℃，不能满足工艺要求。综合题 某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过4℃，温度过高会造成发酵菌种失效。现设计如图a所示的定值控制系统。（5）若不能满足工艺要求，请提出应采取的改进措施。画出改进后的控制系统流程图，确定并简要说明控制阀的开关型式、控制器的控制规律和正反作用。改进措施：可设计串级控制系统或前馈控制系统。由于本题涉及知识面广，只要能按照以上方案设计的大体要求即可得分。复习：第二章串级控制系统串级控制系统的思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。q=F燃=T1加热炉控制过程分解原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T方案一：设计串级控制系统串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成的。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出才送往调节阀，其组成方块图如图：主控制器控制阀副对象副测量变送主设定值扰动1主被控变量操纵变量副控制器主对象副被控变量主测量变送副设定值主测量值副测量值扰动2串级控制系统的特点及应用范围(1)从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。(2)在串级控制系统中，有主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。(3)从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。

串级系统设计方案一：串级系统的设计TT1TT2TC1TC2主变量：发酵罐温度副变量：夹套热水温度操作变量：热水流量控制阀“关”位置安全，选气开阀，为“正作用”方向，Kv>0；被控对象副对象：热水阀开大，热水流量增大，副被控变量夹套热水温度升高，故副对象是“正作用”方向，Kp2>0；主对象：副