过程控制总复习

计量测试工程学院热工研究所授课教师：孙斌热工过程控制系统第一章过程控制系统概述

1.1过程控制定义及认识1.2过程控制目的1.3过程控制系统的组成1.4过程控制系统的特点1.5过程控制系统的分类1.6过程控制性能指标1.7过程控制仪表的发展1.8过程控制的地位1.9过程控制的任务1.1过程控制定义及认识过程控制定义所谓过程控制（ProcessControl）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。1.3过程控制系统组成

被控过程（Process），指运行中的多种多样的工艺生产设备；过程检测控制仪表（Instrumentation），包括：测量变送元件（Measurement）；控制器（Controller）；执行机构（ControlElement）;显示记录仪表1.5过程控制系统的分类

按系统的结构特点来分反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统随动控制系统程序控制系统性能指标对自动控制系统性能指标的要求主要是稳、快、准。最大超调量σ%反映系统的相对稳定性,稳态误差ess反映系统的准确性，调整时间ts反映系统的快速性。

第三章过程执行器主要内容执行器电动执行器气动执行器调节阀及其流量特性变频器原理及应用本节内容在本课程中的地位执行器用于控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。控制器测量变送被控过程执行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-3.1调节阀（调节机构）结构

调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。

3.1调节阀功能：接受控制器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。阀心阀杆阀体3.1.1调节阀的组成执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置；调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。执行机构调节机构3.1.2调节阀分类根据使用能源不同气动调节阀：以压缩空气为能源，输入信号20～100kPa，价格便宜；多用于石油、化工等易燃易爆场合。电动调节阀：以电为能源，输入信号4～20mADC，价格贵；使用范围广，本质安全（本安）型也可用于易燃易爆场合。液动调节阀：以高压液体为能源的阀体相同、执行机构不同气动薄膜调节阀的气开、气关形式所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；没气时，阀门关闭气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。没气时，阀门打开气开、气关形式选择举例受压容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定，试问调节阀应选择气开式还是气关式？答：气关式。气开、气关形式选择举例蒸汽汽包给水加热室1）保证锅炉不被烧干2）保证蒸汽中不能带液LC3.3气动执行机构

1—波纹膜片；2—压缩弹簧；3—推杆；4—调节件；5—阀杆；6—压板；7—上阀盖；8—阀体；9—下阀盖；10—阀座；11—阀芯；12—填料；13—反馈连杆；14—反馈凸轮；15—气动放大器；16—托板；17—波纹管；18—喷嘴；19—挡板电-气转换器输入信号从4mA改变到20mA时，转换器的输出压力从20-100kPa变化，实现了将电流信号转换为气压信号的过程。3.3调节阀的流通能力调节阀是一个局部阻力可变的截流元件，通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。流过调节阀的流量：阀的开度、阀门前后的压差。为了衡量不同调节阀在某些特定条件下单位时间内流过流体的体积，引入流通能力的概念。3.3调节阀的流通能力根据流体力学知识：不可压缩流体流过截流元件时的局部阻力损失为：其中，为节流元件的阻力系数。由上面三个公式整理的3.3调节阀的流通能力在工业上，通常采用如下单位：A为cm2,ρ为kg/m3,p1-p2为kPa,qv为m3/h，原公式变为：调节阀就是通过改变阀芯行程来改变阻力系数达到调节流量的目的。3.3调节阀的流通能力调节阀流通能力定义：调节阀流通能力C，是指调节阀两端压力差为100kPa,流体密度为1000kg/m3，调节阀全开时，每小时流过阀门的流体的体积。3.6调节阀的流通能力例3.1：某台调节阀的流通能力C=200。当阀前后压差为1.2MPa，流体密度为0.81g/cm3时，所能通过的最大流量是多少？如果压差变为0.2MPa，所能通过的最大流量是多少（314.3m3/h）？解：由公式当压差变为0.2MPa时3.9调节阀的流量特性

指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系

qv

/qvmax——相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；l/L——相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。

理想流量特性

调节阀前后压差不变时，得到的流量特性；理想流量特性完全取决于阀芯的形状；理想流量特性有：直线等百分比抛物线快开理想流量特性曲线

1.快开

2.直线

3.抛物线

4.等百分比例题3.3已知某调节阀的最大流量，可调范围R=30。分别计算直线流量特性和等百分比流量特性在理想情况下阀的相对行程l/L=0.1、0.2、0.8、0.9时的流量值qv，并比较这两种不同理想流量特性的调节阀在小开度与大开度时的流量变化情况。第四章被控过程重点：1、自衡过程2、传递函数中的物理意义

4.1.1过程控制动态特性分类自衡过程（Self-RegulatingProcesses）定义：当扰动发生后，被控变量不断变化最后达到新的平衡。

非自衡过程（Non-Self-RegulatingProcesses）定义：当扰动发生后，被控变量不会达到新的平衡。

4.3过程特性参数的物理意义过程特性参数1）放大倍数KtaQibK越大表明输入信号对输出的控制越强过程增益的注意事项过程增益描述输出变量随输入变量变化的灵敏度。过程增益包含三部分:信号,数值和单位.过程增益只和稳态值有关，因此过程增益是描述过程稳态特性的参数.2）数学模型的时间常数T当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2%所需时间。C(t)C()t63.2%T3）滞后时间滞后时间是描述系统滞后现象的特征参数，包括纯滞后和容量滞后（1）纯滞后又称为传递滞后用表示a进料量控制挡板液体溶解液浓度滞后时间（2）容量滞后指系统输入量变化后，输出量的变化相当缓慢，在一段时间内几乎看不到，然后才逐渐显著地开始变化。用表示。ah1qh2t0t1t2H1QiQ1A1H2Q2A2第五章常规控制策略重点：1、PID调节中各部分的作用及优缺点？2、为何要整定PID参数，工程上有哪些常用方法？控制器的控制规律定义就是控制器的输出信号随输入信号(偏差)变化的规律。这个规律常常称为控制器的特性。过程控制最常用控制器：PLC（*）数字调节器IPCDCS5.1双位控制5.1双位控制tθθ

maxθ

minθ

oTtu双位控制品质指标品质指标：振幅、周期理想情况希望振幅减小，周期长振幅周期是相互矛盾的设计原则满足振幅在允许的范围内后，尽可能使周期长5.2

PID控制规律PID控制规律的表示方法

基本PID控制规律二、PID控制器的基本控制规律1.比例控制规律(ProportionalControlMode)2.比例积分控制规律(Proportional-IntegralControlMode)3.比例微分控制规律(Proportional-DerivativeControlMode)4.比例积分微分控制规律(Three-Mode)3、比例控制规律的特点快—硬碰硬有余差适用于干扰较小，对象的纯滞后较小而时间常数并不太小，控制质量要求不高，允许有余差的场合(二)比例积分控制规律1、积分作用

定义：积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例关系积分作用的特点能消除余差积分控制器输出的控制信号和输入偏差之间没有一一对应关系。只要有偏差，输出的控制信号就会不断变化，执行器就不断动作，直到把偏差信号消除。

慢慢来在偏差信号出现的瞬间，无控制作用，输出控制信号是由零开始积分，并随时间逐渐积累。控制作用总是落后于偏差信号的变化。具有较强的抗干扰能力。2、比例积分控制规律——比例与积分两种作用的输出之和

3、积分作用的参数积分时间TI

——反映积分作用的强弱在阶跃信号输入中，积分作用输出为若取积分作用的输出等于比例作用的输出3、积分作用的参数积分时间TI的定义：在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间TI积分作用的大小与积分时间TI成反比，即积分时间越小，积分作用越强。(三)比例微分控制规律1、微分控制规律：控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比

理想微分控制器的阶跃响应曲线在t=t0时，控制器输入一阶跃信号，此时由于输入偏差的变化速度为无穷大，控制器的输出变化也为无穷大；在t〉t0时，偏差不再变化，即变化速度为零，故控制器的输出变化量也为零。具有超前性、预见性只要偏差有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变输出信号，从而可以及时克服干扰影响，抑制偏差增长，提高系统稳定性。

理想的微分作用不能单独作为控制规律使用

微分作用的特点2、数字式PID运算式

离散化处理

对于积分项用右式近似

对于微分项用右式近似

结果：

1)基本数字式PID运算式

位置型算式

输出与实际控制阀的阀位相对应优点：便于计算机运算的实现缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大

2.输出的是实际使用阀位值

增量型算式

输出为两个采样周期PID输出值之差

优点：1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单;2.每次只是输出增量;3.易于系统手动和自动间的无扰动切换速度型算式

输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间Ts之比

本质上与增量型算式是相同的

增量型算式

输出为两个采样周期PID输出值之差

优点：1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单;2.每次只是输出增量;3.易于系统手动和自动间的无扰动切换3、控制器参数整定

整定是指决定控制器的比例带δ、积分时间TI、微分时间TD和采样周期Ts的具体数值。整定的实质是通过改变控制器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。

3.1整定方法整定控制器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法：理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法等；工程整定法有现场试凑法、临界比例度法和衰减曲线法等。

3.2工程整定法特点工程整定不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定，特点：方法简单实用；计算简便；易于工程应用。1、现场凑试法

按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序：

置控制器积分时间TI=∞，微分时间TD=0，在比例度δ按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，整定比例度δ。求得满意的4：1过渡过程曲线。

引入积分作用（此时应将上述比例度δ加大1.2倍），将TI由大到小进行整定。

若需引入微分作用时，则将TD按经验值或按TD=（1/3～1/4）TI设置，并由小到大加入。

2、临界比例度法

在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（TI=∞，TD=0），从大到小逐渐改变控制器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度δk，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tk。

据此确定控制器参数。3、衰减曲线法

先把控制器参数置成纯比例作用（TI=∞，TD=0），系统投入运行。再把比例度δ逐渐从大调小，直到出现4：1衰减过程曲线。此时的比例度为4：1衰减比例度δc，两个相邻波峰间的时间间隔，称为4：1衰退减振荡周期Ts。

4采样周期的选择采样周期的选择要受到多方面因素的影响，不同系统的采样周期应根据具体情况选择。通常按照过程特性与干扰大小适当选取采样周期：对于响应快、（如流量、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后较大时，则可选取较长的采样周期。7.1串级控制系统的定义采用不止一个控制器，而且控制器间相串联，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。7.2串级控制系统常用术语主控制器副控制器调节阀副参数测量变送副对象主对象一次扰动二次扰动主被控参数副被控参数＋－＋－主参数测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym17.7串级控制系统方案设计温度+流量温度+压力FCTC进料出料燃料油FTTC进料出料燃料油PCPT7.7串级控制系统方案设计（续）温度+温度T1CT2C燃料油进料出料T1TT2T7.8串级系统副调节器选型副调节器常选择P或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，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。7.8串级系统主调节器选型主调节器常选择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，主调节器必须加入较强的积分作用（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，可加入通常大小的微分作用。例1加热炉出料温度控制系统加热炉干扰：燃料压力变化、燃料热值波动、原料流量的波动、原料入口温度的波动等等主要问题：传热过程时间常数大，达到15分钟左右如何解决？被控变量偏差由干扰引起TCTT燃料气被加热原料T2CT2T被加热原料燃料气出口温度T1CT1T加热炉温度-温度串级控制系统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加热炉温度-温度串级控制系统T1E1T1CT2C调节阀炉膛加热炉T1

测量变送T2

测量变送炉膛温度T2出口温度T1F1F2F3E2加热炉温度-温度串级控制系统调节过程主对象：输入信号为炉膛温度，输出信号为原料出口温度，正作用单元副对象：输入信号为燃料流量，输出信号为炉膛温度，是正作用单元调节阀的选择：气开阀，正作用副调节器：控制规律方块选正作用，调节器则是反作用主调节器：控制规律方块选正作用，调节器则是反作用作业：如图所示的反应器温度控制系统，它通过调节进入反应器冷却水的流量来保持反应器温度的稳定。TTTCFCFT反应器冷却水反应器温度控制系统要求：（1）画出该系统的方块图，并说明它是什么类型的系统；（2）若反应器的温度不能过高，否则会发生事故，试确定调节阀的气开、气关型式（3）确定主调节器、副调节器的正反作用；（4）若冷水压力突然升高，试简述该控制系统的调节过程（主副回路同时）。第八章复杂过程控制系统前馈控制系统时间滞后控制系统多变量解耦控制系统比值控制系统均匀控制系统超驰控制系统分程控制系统阀位控制系统8.1前馈控制系统理解前馈控制原理及使用场合；掌握静态前馈控制和常用动态前馈控制补偿模型；掌握前馈-反馈复合控制系统的特点及工业应用。8.1.2前馈控制与反馈控制的比较TC调节阀对象TTT给定值T原油流量a)反馈控制1)前馈是”开环”控制系统;反馈是”闭环”控制系统b)前馈控制FFC调节阀对象TFT原油流量ΔFΔP8.1.2前馈控制与反馈控制的比较2）前馈测量干扰量；反馈测量被控变量3）前馈需要专用调节器，反馈一般只用通用调节器4）前馈只能克服所测量的干扰，反馈可克服所有干扰5）前馈理论上可无差，反馈必定有差前馈反馈控制系统的设计原则

实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。

“不可控”：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。

采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控”、变化频繁且幅值较大的扰动量；工程中，一般选用静态前馈-反馈控制方案即可得到较为满意的控制效果。8.2时间滞后控制系统时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。τ/T≥0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：预估补偿方案；采样控制方案。预估补偿方案

经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。拉氏变换的位移定理说明,仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间，控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性完全一致可见，Smith预估器可以完全消除时滞的影响，从而成为一种对线性、时不变、单输入单输出时滞系统的理想控制方案。Smith预估器在实际应用中的限制Smith预估器在实际应用中很不尽如人意，主要原因在于Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型，而且它只能用于线性定常系统。也有一些改进型Smith预估器，但由于没有脱离对被控对象模型依赖的本质，在实际中极少使用。2、采样控制方案

“调一下，等一等”（WaitandSee)的办法；当调节器输出达一定时间后，就不再使增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间τ0稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向。采样控制方案的特点核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后的不利影响。需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。

8.4比值控制系统

定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。例如：燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料量和空气量按一定比例混合后送入炉膛；造纸过程中，为保证纸浆浓度，必须控制纸浆量和水量按一定的比例混合。主动量和从动量比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般为主动量q1。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；随主动量变化的物料流量称为从动量q2。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。q2与q1保持一定的比值，即：比值控制方案根据工业生产过程的不同需求，有3种常用的比值控制方案