江南大学过程控制期末总复习

过程控制复习第一章简单控制系统的组成被控对象：指被控制的生产设备或装置测量变送器：用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出〔常用的标准信号包括：0~10mADC信号〔DDZII型仪表〕4~20mADC信号〔DDCIII型仪表〕0.02~0.10MPa气动信号〕执行器：常用的是控制阀控制器：它将被控变量的测量值与设定值进行比拟，得出偏差信号e(t),并按一定的规律给出控制信号u(t)过程控制的术语与目标被控变量〔CV〕也称受控变量或过程变量，它是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量。设定值〔SP〕也称给定值〔SV〕是指被控变量要求到达的期望值操作变量：也称操纵变量〔MV〕通常由执行器控制的某一工艺流量，操作变量对被控变量的影响要求直接、灵敏、快速。扰动变量〔DVs〕也称干扰变量或简称扰动，是指任何导致被控变量偏离其设定值的输入变量。过程控制系统的目标：通过调节操纵变量，以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在其设定值。应用过程控制系统的主要原因：〔1〕平安性：确保生产过程中人身与设备的平安，保护或减少生产过程对环境的影响；〔2〕稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；〔3〕经济性：实现效益最大化或本钱最小化。第二章建模方法〔1〕机理建模原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等根本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。〔2〕测试建模原理：对过程的输入〔包括控制变量与扰动变量〕施加一定形式的鼓励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。阀门的选择气开阀与气关阀*气开阀：pc↑→f↑(“有气那么开”)*气关阀：pc↑→f↓(“有气那么关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开气开阀与气关阀的选择原那么*假设无气源时，希望阀全关，那么应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；假设无气源时，希望阀全开，那么应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。选择原那么：仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0.60以上〔即调节阀两端的压差根本不变〕，才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。第三章1、阶跃响应对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：考前须知：〔1〕合理选择阶跃扰动信号的幅度：一般取正常输入值的5%~15%〔2〕试验开始前确保被控对象处于某一选定的稳定工况，试验期间应设法防止发生偶然性的其他扰动2、阶跃响应测试法第四章1、对于某个被控对象，选择好测量变送器和末端执行元件后，控制效果的好坏是由所选择的反响控制器以及相应的控制器参数所决定。控制器的“正反作用”选择定义：当被控变量的测量值增大时，控制器的输出也增大，那么该控制器为“正作用”；否那么，当测量值增大时，控制器输出反而减少，那么该控制器为“反作用”。选择要点：使控制回路成为“负反响”系统。选择方法：〔1〕假设检验法。先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反响”系统。〔2〕回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。4、控制性能指标衰减比n<1发散振荡，n=1等幅振荡，n>1衰减振荡，一般取4:1~10:1超调量回复时间余差〔1〕比例控制器控制器增益Kc对系统性能的影响：增益Kc增大，系统的调节作用增强，但稳定性下降〔当系统稳定时，调节频率提高、余差下降〕。〔2〕比例积分控制器积分时间Ti对系统性能的影响：引入积分作用可以消除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。当积分作用过强时〔即Ti过小〕，可能使控制系统不稳定。比例积分微分控制器微分时间Td对系统性能的影响：微分作用的增强〔即Td增大〕，从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于一阶滞后较大的广义对象，如温度、成份等。5、PID控制器的选取与整定控制器增益Kc或比例度PB：增益增大(即Kc增大或比例度PB下降)，调节作用增强，但稳定性下降；积分时间Ti：积分作用增强〔即Ti下降〕，使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；微分时间Td：微分作用增强〔即Td增大〕，可使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对高频噪声起放大作用，主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度对象等第五章1、前馈控制定义：是测取进入过程的干扰〔包括外界干扰和设定值变化，并按其信号产生适宜的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制的局限性：〔1〕测量本钱提高，需要增加扰动检测装置〔2〕对过程特性知识要求严格，需要同时建立主要扰动与操作变量对被控变量的动态影响模型〔3〕当对象特性发生变化时，难以确定适宜的补偿幅度，事实上，与反响控制相比，前馈控制的使用本钱要高很多。前馈控制系统的主要特点有：(1)前馈控制是基于不变性原理工作的，比反响控制及时、有效；(2)前馈控制是属于“开环”控制系统；(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；(4)一种前馈作用只能克服一种干扰。应用前馈控制的前提条件：〔1〕主要干扰可测；〔2〕干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；〔3〕干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。比值控制目的：为了实现几种物料混合后符合一定的比例关系，使生产能平安正常运行。比值系数K指副流量与主流量的流量比值比值k指两流体的重量或体积流量之比流量与测量信号呈线性关系的折算I=K=Q1max、Q2max分别为主副流量变送器的最大量程〔2〕流量与测量信号呈非线性关系的折算k2=(Q1Q2)2K=I2-第六章1、串级控制系统的特点〔1〕副回路〔有时称内环〕具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响〔2〕能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响〔系统的“鲁棒性”增强〕。〔3〕改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善〔时间常数显著减少〕2、串级控制系统的设计原那么单回路控制不能满足性能要求；有反映系统主要干扰的可测副参数；调节阀与副参数之间具有因果关系；副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反响灵敏；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。3、串级系统副调节器选型副调节器常选择PI控制律原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要参加积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。主调节器常选择PI或PID控制律原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须参加较强的积分作用〔除主参数为液位的串级均匀控制系统以外〕。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可参加通常大小的微分作用4、积分饱和：如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就称为积分饱和。改良方法：〔1〕积分别离：偏差e(k)较大时，取消积分作用；偏差e(k)较小时,将积分作用投入。对于积分别离，应该根据具体对象及控制要求合理的选择阈值β：假设β值过大，达不到积分别离的目的；采用PID控制。假设β值过小，一旦被控量y(t)无法跳出各积分别离区，只进行PD控制，将会出现残差。(2)抗积分饱和：可对计算出的控制量u(k)限幅，同时，把积分作用切除掉。〔限幅法、外反响法、积分切除法〕抗积分饱和方法：当某一控制器起作用时，让另一备用控制器的输出跟踪起作用控制器的输出，从而防止备用控制器的积分累加。5、均匀控制系统的特点不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与操纵变量(MV)都有平稳的要求；为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。均匀控制之称是指控制目的而言，而不是指控制系统的结构。6、纯比例均匀控制系统的特点可实现进出物料的自动平衡；当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动与余差同时增大；为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用7、选择性控制分类超驰控制〔OverrideControl〕，也称约束控制〔ConstraintControl〕 特点：被控变量类型不同，通常有两个以上的控制器，主要用于设备软保护。被控变量选择控制〔SelectiveControl〕 特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到8、分程控制定义：假设