过程控制及自动化仪表课件 综述

调节器的功能（1）偏差显示（2）输出显示（3）内、外给定的选择（4）正、反作用的选择工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。DDZ-Ⅲ型基型调节器1、DDZ-Ⅲ型仪表的特点及外形测量信号：1～5V.DC外给定信号：4～20mA.DC内给定信号：1～5V.DC测量与给定信号的指示精度：±1％输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％输出保持特性：－0.1％（每小时）输出信号：4～20mA.DC调节精度：±0.5％负载电阻：250～750Ω全刻度指示调节器的构成框图2、全刻度指示调节器的构成原理

全刻度指示调节器的线路实例

调节器的整机传递函数

执行器电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。气动调节阀：结构简单,可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。

执行器的气开、气关形式选择

执行器的气开、气关形式选择的原则：主要是从生产安全的角度来考虑。即：当生产断电或其他故障引起信号中断时，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。

调节阀的流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。q/qmax—相对流量

l/L—相对开度

固有（理想）流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性（b）直线特性（c）等百分比特性

流量特性的选择

1）依据过程特性选择。一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则:

调节阀的放大系数

被控过程的放大系数

2）依据配管情况选择

3）依据负荷变化情况选择

在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。

过程建模的基本概念

被控过程的数学模型及其作用

被控过程的数学模型是指过程的输入变量与输出变量之间定量关系的描述

自平衡特性其传递函数的典型形式有：一阶惯性环节

二阶惯性环节

二阶惯性+纯滞后环节

一阶惯性+纯滞后环节

过程建模方法1．机理演绎法

根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。2．试验辨识法3.混合法

机理演绎法与试验辩识法的相互交替使用的一种方法。

先给被控过程人为地施加一个输入作用，然后记录过程的输出变化量，得到一系列实验数据或曲线，最后再根据实验数据确定数学模型的结构及其参数。方波响应曲线法

响应曲线法：阶跃响应曲线法

比例控制的特点1、控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。2、控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零

u=KCe即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。

所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。

其中：e为输入偏差

u为控制器输出的变化量（emax-emin）为输入的最大变化量,即输入量程（umax

–umin）为输出的最大变化量,即控制器的输出量程

如果控制器输入、输出量程相等，则:一台DDZⅢ型温度比例控制器，测温范围为200～1200℃。当温度给定值由800℃变到850℃时，其输出从12mA变化到16mA。求该控制器的比例度。该控制器是属于正作用还是反作用，为什么?解：

当给定信号增加时，控制器的偏差信号是减小的，而这时输出信号反而增加，故该控制器属于反作用控制器。

积分控制的特点1、当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。2、积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。3、积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。一台DDZⅢ型液位调节器，δ=80%，TI=1min,稳态时输出为6mA,瞬间输入突然增加了0.3mA,问经过了3min后，其输出为多少？（调节器为正作用）解：一台具有比例积分控制规律的DDZⅡ型调节器，其δ=200%，稳态时输出为5mA,瞬间输入突然增加了0.5mA,经过了30s后，输出由5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多少？

解：

微分控制的特点1、微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。2、微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。

将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。4、比例积分微分控制（PID）

控制参数的确定

1.选择结果应使控制通道的静态增益尽可能大，选择适当。

时间常数2.控制通道的纯时延时间

应尽可能小,3.干扰通道的静态增益应尽可能小；时间常数

应尽可能大，其个数位置应尽可能远离被控参数而靠近调节阀。尽可能多；扰动进入系统的4.当广义被控过程由几个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大，以便尽可能提高系统的可控性。5.考虑工艺操作的合理性、可行性与经济性

执行器的选择1.执行器的选型

在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器。应根据生产过程的特点、对执行器推力的需求以及被控介质的具体情况和保证安全等因素加以选择并且确定。2.气动执行器气开、气关的选择

气动执行器分气开、气关两种形式，它的选择首先应根据调节器输出信号为零时使生产处于安全状态的原则确定；其次，在保证安全的前提下，还应根据是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。

3.调节阀流量特性的选择

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，以达到系统总的放大倍数近似线性的目的

调节器正/反作用方式的选择调节器正反作用选择原则：

执行器：气开式“+”气关式“-”

调节器：正作用“+”反作用“-”

被控过程：正作用“+”当被控过程的输入量增加时，被控参数也随之增加，则称之为正作用被控过程。被控过程：反作用“-”当被控过程的输入量增加时，被控参数也随之减小，则称之为反作用被控过程。（调节器“

”）（执行器“

”）（过程“

”）=“-”

调节器参数的整定1．临界比例度法

2．衰减曲线法3．反应曲线法

原油TCFC燃料油串级控制系统2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。串级控制系统的主要特点有：1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；

主、副调节器调节规律的选择主调：定值控制；副调：随动控制。

主被控制器PI,PID副被控制器P主、副调节器正、反作用方式的选择副调节器：（调节器“±”）（执行器“±”）（过程“±”）=“-”主调节器：（调节器“±”）（主过程“±”）（副过程“±”）=“-”

前馈控制系统前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。

3.前馈－反馈复合控制

前馈反馈复合控制系统的特征方程为系统的稳定性与前馈控制器无关。干扰对输出的影响却只有开环前馈控制的

１．前馈控制的特点（1）前馈控制是一种开环控制。（2）前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制。它是将干扰的大小，通过前馈控制器和控制通道的作用及时有效的抑制干扰对被控参数的影响，而不是像反馈控制那样，要待被控参数产生偏差后再进行控制。（3）前馈控制器的调节规律与常规PID调节规律不同，即由过程特性决定的。所以，它是一个专用控制器。不同的过程特性，其调节规律是不同的。（4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。如果干扰是不可测的，那就不能进行前馈控制；如果干扰是可测且可控的，则只要设计一个定值控制系统就行了，而无需采用前馈控制。6.2.2前馈控制的特点及局限性

2、前馈控制的局限性（1）在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是很多的，不可能根据每一个干扰设计和应用一套独立的前馈控制器。（2）对不可测的干扰无法实现前馈控制。（3）决定前馈控制器的调节规律的是过程的动态性GF(s)和G0(s)，而GF(s)和G0(s)的精确值是很难得到的，即使能够得到，有时也很难实现。为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。这样，一方面利用前馈控制有效的减少干扰对被控参数的动态影响；另一方面，则利用反馈控制使被控参数稳定在给定值上，从而保证了系统较高的控制质量。

前馈与反馈的比较当总进料量是主要扰动时，控制方案如下图所示。该方案为前馈－反馈控制系统方案。如果负荷是主要扰动，我们将总进料量测出，将流量信号送到前馈补偿装置，其输出与温度控制器的输出相迭加，作为总的控制作用。这时，当进料量发生变化后，不需要等到出现偏差，燃料量就会及时作相应的调整，结果使控制过程中的温度偏差大为减小。当燃料压力是主扰动时，控制方案如右图所示。该方案为被加热物料出口温度对燃料气流量的串级控制系统方案。当燃料气压力发生变化是，利用副环的作用，可以迅速地对扰动作出反应，调整燃料阀的开度，调整较为及时。但是这只是一个粗略的调整，扰动对温度的影响还需通过主环作进一步的细调，使被控的主变量――被加热物料出口温度保持在期望值。如图所示的氨冷器，用液氨冷却铜液，要求出口铜液温度恒定。为保证氨冷器内有一定的汽化空间，避免液氨带入冰机造成事故，采用温度――液位串级控制。1)此串级控制系统的主副被控变量各是什么？2)试设计一温度—－液位串级控制系统完成该控制方案（即将图示的氨冷器控制系统示意图补充完整）；3)试画出温度――液位串级控制系统的方块图；4)确定气动调节阀的气开气关形式，并说明原因；5)确定主副调节器的正反作用。当气源中断时，为了确保氨冷器内有一定的汽化空间，应该选择气开调节阀；液位控制器作用方向的确定：当液位升高时，应该关小调节阀，调节阀为气开阀，故液位控制器为反作用；

温度控制器作用方向的确定：温度对象为“－”作用方向，依据使系统称为负反馈的原则，温度控制器应该为正作用。

1、开环比值控制系统2、单闭环比值控制系统

比值控制系统

比值控制系统即是：使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。其中处于主导地位的物料为主物料或主流量，用q1表示；其他物料称为从物料或副流量，用q2表示。q2/q1=k

丁烯洗涤塔的任务是除去丁烯馏分中所夹带的乙腈，为了保证洗涤质量，要求根据进料流量配以一定比例的洗涤水量。FTKFCFT带乙腈的丁烯馏分丁烯带乙腈的洗涤水洗涤水丁烯洗涤塔进料量与洗涤水量的比值控制系统洗涤塔

3、双闭环比值控制系统

双闭环比值控制系统大大克服了主流量的干扰，使主流量变得比较平稳。另一个优点是升降负荷比较方便，只要改变主流量的设定值即可。双闭环比值控制系统常用在主流量干扰频繁或工艺上经常需要升降负荷的场合。

图示烷基化装置中的双闭环比值控制系统。进入反应器的异丁烷-丁烯馏分要求按比例配以催化剂硫酸，同时又要求各自的流量比较稳定。反应器FCFCK异丁烷-丁烯出料硫酸异丁烷-丁烯馏分与硫酸的双闭环比值控制系统

比值控制系统的设计

比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当使用单元组合仪表时，因输入－输出参数均为统一标准信号，所以，比值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号。()（1）流量与检测信号呈非线性关系

比值器参数的计算

当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。（2）流量与检测信号呈线性关系

当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。例：已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量，其最大量程分别为：工艺要求试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数K’不加开方器时:

解:加开方器后:比值控制系统的实现

二、把一个流量的测量值乘以比值系数，其乘积作为副调节器的设定值，称为相乘控制方案。

在工程上，具体实现比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等单元仪表可供选用，相当方便。一、把两个流量的测量值相除，其商作为调节器的反馈值，称为相除控制方案。

均匀控制的特点

1、结构上无特殊性

同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，既可以是单回路定值控制系统，也可以是均匀控制系统。因此均匀控制是靠降低控制回路的灵敏度而不是靠结构变化获得的。

2、参数有变化，而且是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征两个物料的参数都不应是某一固定值。那种试图把两个参数都稳定不变的想法绝非均匀控制的目的。无需将两个参数平均分配，而是视前后设备的特性及重要件等因素来确定其主次。

3、参数应在限定范围内变化在均匀控制系统中，被控变量是非单一、非定值的，允许它们在一定的范围内变化，但前塔的液位变化有一个规定的上、下限。同样，后塔的进料流量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量，否则不能保证反应塔的正常工作。4、主要采用比例或者积分调节规律。

分程控制系统

间歇式化学反应器分程控制系统

在一般的控制系统中，调节器的输出只控制一个调节阀，但在某些工业生产中，根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。这种控制系统通常称为：分程控制系统。分程控制系统的信号分段

蒸汽阀为气开，冷水阀为气关1、调节阀同向动作分程控制系统有两种类型:

2、调节阀异向动作

a)阀A气开、阀B气关b)阀A气关、阀B气开

图示为一燃料气混合罐（FA-703)压力分程控制系统。正常时调节甲烷流量调节阀A，当罐内压力降低到阀A全关仍不能使压力回升时，则开大来自燃料气发生罐（FA-704)的出口管线调节B阀。试确定：1）该系统中各调节阀的气开、气关形式2）每个阀的工作信号段（分程点在0.06MPa处）3）调节器的正、反作用，并画出系统框图PCPTFA-703FA-704

解：1、B阀为气开，A阀为气关2、3、压力调节器：反作用

调节器调节阀A调节阀B过程变送器

自动选择性控制系统

另一种措施称为“软保护”，即所谓选择性控制系统。选择性系统是指将工业生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。

自动选择性控制系统的设计

在自动选择性控制系统中，若采用两个调节器，其中必有一个为正常调节器，另一个为取代调节器。对于正常调节器，由于有较高的控制精度而应选用PI或PID调节规律；对于取代调节器，由于在正常生产中开环备用，仅在生产将要出现事故时，才迅速动作，以防事故发生，故一般选用P调节规律即可。1．调节规律的确定及其参数整定2．选择器的选型

在确定选择器的选型时，先要根据调节阀的选用原则，确定调节阀的气开、气关形式，进而确定调节器的正、反作用方式，最后确定选择器的选型。确定的原则是：如果取代调节器的输出信号为高值时，则选择高值选择器；反之，则选择低值选择器。

锅炉燃烧过程压力自动选择控制

在控制过程中，当天然气压力过高时会发生脱火，而压力过低时会发生回火，P1C为正常时使用的调节器，P2C为压力过高时使用的调节器，PC为带下限节点的压力调节器，它与三通电磁阀构成自动联锁硬保护装置。积分饱和及其克服措施

积分饱和产生的必要条件：⑴调节器具有积分作用，⑵调节器输入偏差长期存在。（1）外反馈法（2）积分切除法

（3）限幅法

耦合过程及其要解决的问题1、相对增益与相对增益矩阵

（1）开环增益

在相互耦合的维被控过程中选择第个通道，使所有其他控制量（）都保持不变时将控制量改变一个Δ所得到的的变化量Δ与Δ之比，定义为到通道的开环增益，表示为（2）闭环增益

（3）相对增益与相对增益矩阵

还是选择第个通道，将其他所有通道进行闭环并采用积分调节使其他被控量（）都保持不变，只改变被控量所得到的变化量与的变化量之比，定义为到通道的闭环增益，表示为2．