过程控制工程(邵裕森东南大学版)前三章要点

第一章 1 过程控制系统 是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度 压力 流量 液位 成分等一些过程变量的系统 2 控制系统均由测量元件 变送器 调节器 调节阀和被控过程等环节构成 如果把测量 元件 变送器 调节器 调节阀统称为过程检测控制仪表 则一个简单的过程控制系统是 由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成 3 过程控制系统的分类 按被控参数名称 按控制系统完成的功能 按调节器的控制规律 按被控量的多少 按采用常规仪表和计算机 按过程控制系统的结构特点来分类 1 反馈控制系统 控制系统根据系统被控量的偏差进 行工作 偏差值是控制的依据 最后达到消除或减小偏差的目的 反馈控制系统可以是单 回路 也可以是多个闭合回路的多回路控制系统 2 前馈控制系统 直接根据扰动量的大小进行工作 按系统结构特点分 1 反馈控制系统 2 前馈控制系统 3 前馈 反馈控制系统 按给定值 信号特点 1 定制控制系统 2 程序控制系统 3 随动控制系统 1 5 采用 DDZ 电动单元组合仪表 氧气流量测量信号与供氧量给定值比较得其偏差值 经调节器按某种控制规律运算后输出控制信号 控制调节阀 5 的开度 改变供氧量的大小 达到控制供氧量的目的 问 什么叫反馈 正 负反馈 反馈在控制系统中的意义 负反馈 negative feedback 凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反 对控制部分 的活动起制约或纠正作用的 称为负反馈 正反馈 positive feedback 凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同 对控制部分 的活动起增强作用的 称为正反馈 前者使输出起到与输入相反的作用 使系统输出与系统目标的误差减小 系统趋于稳定 第二章 1 被控过程 被控制的生产工艺设备 加热炉 贮罐 2 数学模型 被控过程在各输入量 控制量 扰动量 作用下 其相应输出量 被控量 变化 函数关系的数学表达式 非参数模型 曲线表示的 如阶跃响应曲线等 参数模型 用数学方程式或函数表示的 3 被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道 控制作用与被控量之间的信号 联系称为控制通道 扰动作用与被控量之间的信号联系称为扰动通道 4 被控量的变化往往是不振荡的 单调的 有滞后和惯性的 当阶跃扰动发生时 被控量 并不能立刻产生响应或不能立刻有显著的变化 这表明过程对扰动的相应有滞后 而后响 应速度加快 在达到新的平衡之前 响应速度又逐渐减慢 最后达到新的平衡 有的过程 响应也可能不断变化 最后不再平衡下来 前者具有自平衡能力 称为自衡过程 后者过 程无自平衡能力 称为无自衡过程 5 建模的目的 1 设计过程控制系统和整定调节器参数 2 指导设计生产工艺设备 3 进行仿真试验研究 4 培训运行操作人员 6 过程变量 或称过程参数 检测 主要是指连续生产过程中的温度 压力 流量 液位和成 分等参数的测量 7 在进行过程变量检测时 一般由一测量体与被测介质相接触 测量体将被测参数成比例 地转换为另一便于计量的物理量 然后再用仪表加以显示 在工程上 通常把前一过程叫 做一次测量 所用的仪表叫作一次仪表 后面的计量显示仪表叫做二次仪表 8 绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差 相对误差是指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数 引用相对误差 绝对误差与仪表的量程之比的百分数 9 A 基本误差 基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差 B 附加误差 附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差 如仪表超过规 定的工作温度时所引起的附加误差 C 允许误差 允许误差是指在国家规定标准条件下使用时 仪表的示值或性能不允许超过 某个误差范围 这是一个许可的误差界限 10 仪表精度 绝对误差的最大值 仪表量程 100 11 灵敏度 仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的参数变化量之比 12 灵敏限 灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值 变差 在外界条件不变的情况下 用同一仪表对同一个量进行正 反行程 逐渐由小到大或 由大到小 测量时 所得两示值之差 13 热电偶温度计测温原理 热电偶的测温原理是以热电效应为基础的 将两种不同材料的 导体 A B 组成一个闭合回路 只要其连接点 1 2 温度不同 在回路中就产生热电动势 这种现象称为热电效应 这两种不同导体的组合元件就称为热电偶 热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的 平衡时 在 A B 两个导体间的 电位差称为接触电动势 其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度 当两种不同材 料导体 A B 接触时 由于导体两边的自由电子密度不同 在交界面上便产生电子的互相 扩散 若导体 A 中自由电子密度大于导体 B 中自由电子密度 在开始接触的瞬间 导体 A 向导 体 B 扩散的电子数将比导体 B 向导体 A 扩散的电子数多 因而使导体 A 失去较多的电子 而带正电荷 导体 B 带负电荷 致使在导体 A B 接触处产生电场 以阻碍电子在导体 B 中的进一步积累 最后达到平衡 灵敏度 a x 变差 12max 100 xx ab 平衡时 在 A B 两个导体间的电位差称为接触电动势 其值决定于两种导体的材料种类 和接触点的温度 当接触点 1 2 的温度不同时 便产生两个不同的接触电动势 回路中的 总电动势为 14 冷端温度补偿 补偿电桥法 计算校正法 15 温度送变器 DDZ 型 将被测的各种参数 温度 压力等 变换成统一标准 信号 DC4 20mA 或 DC1 5V 的仪表 该变送器具有热电偶冷端温度补偿 零点调整 零点迁移 量程调节 线性化等重要功能 16 量程调节或称满度调整的目的是使变送器的输出信号的上限值与测量范围的上限值相对 应 17 变送器零点调整和零点迁移的目的均使其输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应 18 过程控制仪表包括调节器 含可编程调节器 执行器 操作器等各种新型控制仪表及装 置 分类 1 按照能源分类 气动仪表 电动仪表 2 按结构形式 基地式仪表 基地式调节器 单元 组合式仪表 组装式仪表 集散控制 装置 3 按信号类型 模拟式仪表 数字式仪表 19III 型调节器有自动 保持 软手动 硬手动四种工作状态 20 执行器 调节阀 在一个过程控制系统中 它接受调节器输出的控制信号 并转换成直线 位移或角位移 来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质 的流量 从而实现对过程参数的控制 21 分类 气动执行器 电动执行器 液动执行器 22 流量特性有理想流量特性和工作流量特性两个概念 理想流量特性 a 直线流量特性 b 对数 等百分比 流量特性 c 抛物线流量特性 d 快开流量特性 23 判断对应阀芯形状 24 直线流量特性 当小开度时 流量的相对变化量大 控制作用强 易引起震荡 当大 开度时 流量的相对变化量小 控制作用缓慢 对数 等百分比 流量特性 调节阀对数流量特性曲线的斜率即放大系数是随行程 开度 的增 大而递增的 在行程变化值相同的情况下 当流量小时 则流量变化亦小 当流量大时 则流量变化亦大 2 2 什么是过程通道 什么是过程的控制通道和扰动通道 他们的数学模型是否相同 为 什么 被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道 控制作用与被控量之间 00 ABAB E t tEtEt 的信号联系称为控制通道 扰动作用与被控量之间的信号联系称为扰动通道 过程通道不 同 数学模型也不一样 问 过程控制系统过渡过程的质量指标包含哪些 哪些属于动态哪些属于静态 解释指标 余差属于静态 衰减率 最大偏差 过渡过程时间属于动态 第三章 1 单回路过程控制系统 单回路调节系统 简称单回路系统 一般是指针对一个被控过程 调节对象 采用一个测量变送器监测被控过程 采用一个控制 调节 器来保持一个被控参 数恒定 或在很小范围内变化 其输出也只控制一个执行机构 调节阀 从系统的框图看 只有一个闭环回路 特点 结构简单 投资少 易于调整和投运 纯滞后 惯性小 负荷和扰动变化比较平缓 被控质量要求不高的场合 Wc s 调节器的传递函数 Wv s 调节阀的传递函数 W0 s 被控过程的传递函数 Wm s 测量变送器的传递函数 2 工业生产对过程控制的要求是多方面的 最终可归纳为三方面要求 即安全性 稳定性 和经济性 3 设置控制系统的目的就是希望在经过一段时间后 被控参数能稳定在新的给定值或其附 近 这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程 4 余差 C 是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差 它是一个重要的静态指 标 一般要求余差不超过预定值或接近零 5 衰减率 过渡过程经过一个周期后波动的幅度衰减的程度 h 4 1 B1 B2 B1 0 75 最佳衰减比 大约经过两个周期就能达到稳定 6 最大偏差 A 超调量 定值系统 被控参数第一个波的峰值与给定值的差 随动系统 阶跃给定时 被控量相对于稳态值的最大振幅与稳态值之比的百分数 表示被控参数偏离给定值的程度 7 过渡过程时间 ts 扰动后 被控量进入新的稳态值 5 的范围内所经历的时间 8 选择控制参数的一般原则 1 控制通道 放大系数 K0 要适当大一些 时间常数 T0 要适当小一些 纯滞后 0 愈小愈好 在有纯滞后 0 的情况下 0 和 T0 之比应小一些 小于 1 若其比值过大 则不利于控制 2 扰动通道 放大系数 Kf 应尽可能小 时间常数 Tf 要大 扰动引人系统的位置 指框图中的位置 要靠近调节阀 3 时间常数分配 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 这一原 则同样适用于控制 调节 器 调节阀和测量变送器时间常数的选择 控制器 调节阀和测 量变送器 三者均为系统开环传递函数中的环节 的时间常数应远小于被控过程中最大的时 间常数 9 选择检测 变送器 1 尽可能选择测量误差小的测量元件 2 尽可能选择快速响应的测量 元件与变送设备 3 正确采用微分超前补偿 4 合理选择测量点位置并正确安装 5 对测量信号 作必要的处理 10 选择合适的调节工作区间 正常工况下要求调节阀开度处于 15 85 之间 调节阀口径选得过小 当系统受到较大扰动时 调节阀可能运行在全开或接近全开的非线 性饱和工作状态 使系统暂时失控 调节阀口径选得过大 系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态 不但调节不灵敏 而且易造成流体对阀芯 阀座的严重冲蚀 在不平衡力作用下产生振荡现象 甚至引起调 节阀失灵 11 根据工作流量特性 决定阀的理想流量特性 阻力比 S S 1 0 6 理想特性近似为工作特性 S 0 3 0 6 选对数特性的阀 S 0 3 不宜用于自动控制 12 气开气关型式选择 1 考虑事故状态时人身 工艺设备的安全 如 锅炉供水调节阀一般采用气关式 加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式 2 考虑事故状态下减少经济损失 保证产品质量 例如 精馏塔是工业生产中的重要设 备之一 其进料调节阀一般选用气开式 这样 在事故状态下调节阀关闭 停止进料 以 减少原料损耗 而回流量调节阀一般选用气关式 在事故状态下使调节阀全开 保证回流 量 以防止不合格产品的蒸出 3 考虑介质的性质 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 使其处于全开状态 以防止物料结晶 凝固和堵塞给重新开工带来麻烦 甚至损坏设备 选择控制器的控制规律 1 比例控制规律 P 特点 反应快 有余差 适用 控制通道滞后较小 负荷变化不大 控 制要求不高 被控参数允许在一定范 围内有余差的场合 2 比例积分控制规律 PI 特点 消除余差 适用 控制通道滞后较小 负荷变化不大 被控参数不允许有余差的场合 3 比例微分控制规律 PD 特点 具有超前作用 对容量滞后过程可 改善系统的动态性能指标适用 对于控制 通道的时间常数或容量滞后较大的 场合 提高系统的稳定性 减小动态偏差 不适用 纯滞后较大 测量信号有噪声或周期性扰动的系统 4 比例积分微分控制规律 PID 特点 消除余差 提高系统的稳定性 适用 控制通道时间常数或容量滞后较大 控制要求较高的场合 确定控制器的正 反作用方式 1 先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开关形式 气开式 Kv 气关式 Kv 按被控过程特性 确定其正 反作用 K0 正作用 K0 当输入 通过调节阀的物料或能量 增加 或减小 时 其输出 被控参数 亦增加 或减 小 反作用 K0 当输入 通过调节阀的物料或能量 增加 或减小 时 其输出 被控参数 减小 或增 加 3 控制器 调节器 的正 反作用方式 正作用调