过程控制系统 复习

过程控制系统复习第一章过程控制概述1、过程控制系统的组成及分类

2、过程控制的特点ProcessControlSystemWangyuyuki1120@过程控制系统的组成过程控制系统组成：被控过程（Process）过程检测控制仪表（Instrumentation）过程检测控制仪表包括：测量变送元件（Measurement）控制器（Controller）执行机构（ControlElement）ProcessControlSystemWangyuyuki1120@过程控制系统的分类

按给定值的信号特点分：定值、随动、程序控制系统

按结构特点分：反馈、前馈、复合控制系统

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@过程控制的特点

被控过程的多样性

控制方案的多样性

有单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。

控制过程属慢过程、多半属参量控制

连续生产过程的自动控制

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第二章过程建模和过程检测控制仪表1、过程建模2、确定各环节正、反作用方式以及进行系统分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@自衡过程与非自衡过程

如液位系统，出口阀不控，入口流量变化后，液位为自衡过程；若出口加泵，为非自衡过程。

自衡过程----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

非自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不能重新恢复平衡的过程。

过程建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@过程数学模型的求取方法方法二：实验法建模（过程辨识法）,即根据过程输入、输出数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。方法一：机理分析法，即根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡关系求取过程的数学模型。方法三：上两种方法的结合，即先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的大小。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@机理建模的依据物料（或能量）平衡关系动态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被控过程内物料（或能量）存储量的变化率。

静态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@自衡过程单容、双容、多容及纯滞后对象数学模型ProcessControlSystemWangyuyuki1120@无自衡过程单容、双容、多容及纯滞后对象数学模型ProcessControlSystemWangyuyuki1120@e.g.由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数输入阶跃信号u0

，阶跃响应稳态值为。对一阶加滞后惯性对象:（1）放大系数求取：在数值上等于对象处于稳定状态时输出变化量与输入变化量之比：

试验法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@(2)

时间常数求取：切线法：在阶跃响应曲线拐点D处作一切线，交时间轴于B点，交稳态值于A点。OB即为过程的滞后时间，BA在时间轴上的投影BC即为过程的时间常数T0。试验法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@计算法：

将阶跃响应曲线标准化

y*(t)的解为：在标准化曲线上选择两点y*(t1)、y*(t2)

，读出对应t1和t2，联立求解，即可确定、，一般取y*(t1)=0.39,y*(t2)=0.63,则可得

校验：试验法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@用各环节正、反作用方式进行系统分析气动调节阀可分为气开、气关两种作用方式。气开式——信号压力p〉0.02MPa时，阀开始打开，也就是“有气”时阀开。增益为“+”气关式——信号压力增大阀反而关小。增益为“-”考虑事故状态是人身、工艺设备的安全。例如：进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式，一旦事故发生，调节阀处于全关状态，避免炉温继续升高。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。例如：精馏塔进料一般选用气开式，在事故状态下，调节阀关闭，停止进料。

考虑介质的性质。例如：对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，处于全开状态，以防止物料结晶。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@

控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”；

被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，随之减少为“-”；

控制器：正作用为“-”，反作用为“+”；正作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出增加，其静态放大系数KC取负；反作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数KC取正；变送器：一般为“＋”。各环节正、反作用的定义ProcessControlSystemWangyuyuki1120@根据控制系统方框图确定调节器的正反作用

首先根据生产工艺安全等原则①确定调节阀的气开、气关形式；然后按②被控过程特性，确定其正、反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来③确定调节器的正、反作用方式。被控过程增益(+)调节阀增益(+)调节器增益(+)测量变送装置增益(+)因此，要求调节器作用于反作用方式。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第二章作业1.

某水槽如图。其中C为槽的截面积，R1、R2和R3均为线性水阻，q1为流入量，q2和q3为流出量。要求：

(1)写出以水位h为输出量，q1为输入量的对象动态方程；(2)写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K和时间常数T的值。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@解：（1）微分方程：拉氏变换（2）画出控制框图ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（3）求传递函数：ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2、某液位过程的阶跃响应实验为：其中阶跃扰动量画出液位过程的阶跃响应曲线。

若该水位对象用一阶惯性加滞后环节近似，试确定其K0、T0和。（计算法）

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（2）曲线标准化解：（1）求K0ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（3）画出标准化曲线图ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（4）在标准化曲线图上读出h(t1)=0.39,h(t2）=0.63对应的t1、t2由图可知：则：ProcessControlSystemWangyuyuki1120@则系统模型为：（5）校验ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第三章单回路控制系统设计1、过程控制系统的性能指标2、PID控制ProcessControlSystemWangyuyuki1120@过程控制系统的性能指标1.单项性能指标ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2.误差积分性能指标它是以控制系统瞬时误差函数e(t)为泛函数的积分评价系统的综合性指标。它是用一个数（最小）衡量一个系统的优劣、是否处于最佳状态的一种方法。误差积分(IE)绝对误差积分(IAE)平方误差积分(ISE)时间与绝对误差乘积积分(ITAE)过程控制系统的性能指标ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制比例积分微分ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器参数的影响P---比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比“现在”（现在就起作用，快）；I---积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比“过去”（清除过去积怨，回到准确轨道）；D---微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，好比"未来"（放眼未来，未雨绸缪）。

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器参数的影响比例控制比例积分控制比例积分微分ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器参数的整定1.理论计算整定法2.工程整定法动态特性参数法稳定边界法（临界比例度法）阻尼振荡法（衰减曲线法）现场经验整定法（凑试法）ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第三章作业一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加：a.适当的积分作用；b.适当的微分作用。试问：(1)这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差、余差分别有何影响?(2)为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例度，并说明理由。

分析：在比例度不变的情况下，减小积分时间，将使控制系统的稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。稳定性比比例调节差。

PI调节引入积分动作带来消除系统残差好处的同时，却降低了原有系统的稳定性。

[比例积分调节的特点]有差调节。残差随着比例度的加大而加大。但是减小比例度又等于加大调节系统的开环增益，将导致系统激烈震荡甚至不稳定。

[比例调节的特点]ProcessControlSystemWangyuyuki1120@[比例微分调节的特点]由于稳态下，de/dt=0，PD调节器的微分部分为零，因此PD调节也是

有差调节；微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。适度引入微分动作可以允许稍许减小比例度，同时保持衰减率不变。(1)在比例控制的基础上分别增加：a.适当的积分作用:

稳定性：最大动态偏差：

余差：b.适当的微分作用：稳定性：最大动态偏差：

余差：(2)为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例度增加积分：增加微分：

解答：降低增加可消除提高降低不可消除增大减小ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2.在某生产过程中，冷物料通过锅炉对其进行加热。热物料温度必须满足生产工艺要求，故设计如图所示温度控制系统流程图。试画出其框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用。气开“+”反“+”正“+”正“+”ProcessControlSystemWangyuyuki1120@3.在某锅炉运行过程中，必须满足汽-水平衡关系，故汽包液位是一个十分重要的指标。当液位过低时，汽包中的水易被烧干引起生产事故（甚至会产生爆炸危险），故设计如图液位控制系统。试画出该系统的框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。气关“-”正“-”正“+”正“+”ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第四章串级控制系统设计1、串级控制系统原理图、组成、结构框图2、串级控制系统的特点3、串级控制系统各环节正、反作用方式的确定及工作过程分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@串级控制系统原理图串级控制系统串级控制方案：选取炉出口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。控制框图如下图。T1CT1T燃料冷物料热物料加热炉T2CT2TrProcessControlSystemWangyuyuki1120@串级控制系统组成及结构框图串级控制系统方块图

主控制器副控制器控制阀副对象主对象主回路副回路副变送器主变送器ProcessControlSystemWangyuyuki1120@串级控制系统的特点1、在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器；

一个调节阀。主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。2、在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象动态特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用。3、对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力4、对一次扰动有较好的克服能力

5、具有一定的自适应能力ProcessControlSystemWangyuyuki1120@正反作用方式确定原则：

先内环、再外环，原则同单回路。

具体确定及工作过程分析见例题及相关作业题串级控制系统各环节正、反作用方式的确定及工作过程分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第四章作业在现代化都市中，对于生活污水和工业污水等必须进行处理后才能排入江河湖泊中，以保护环境。为此，可采用如图所示的三个大容量的澄清池、过滤池和清水池进行处理。工艺要求（控制）清水池水位稳定在某一高度上。在污水处理过程中污水流量经常波动，是诸干扰因素中最主要的扰动。试设计一个串级过程控制系统。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第五章前馈及复合控制系统

1、前馈控制系统的原理图2、前馈控制系统的组成、类型及特点3、前馈补偿器的计算4、前馈复合控制系统ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前馈控制系统原理图换热器的前馈控制系统ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前馈控制的结构及特点前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈作用只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制与反馈控制比较干扰设定测量变送对象执行器反馈控制器被控变量干扰对象前馈控制器测量变送执行器被控变量ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前馈控制的几种结构形式ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前馈补偿器的模型前馈补偿器的模型计算:Wm(s)=-Wf(S)/Wo(s)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@在某生产过