过程控制知识点总结

绪论气动控制：仪表信号的传输标准：0.02-0.1Mpa 电动控制：DDZ-2信号的传输标准：0-10mADC DDZ-3信号的传输标准：4-20mADC 计算机控制:DCS、PLC（模拟量4-20mA、1-5V） FCS（标准协议）稳定性指标：衰减比（衰减率）准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量快速性指标：调节时间（振荡频率） 第一章1、被控对象：即被控制的生产设备或装置被控变量被控对象需控制的变量2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。执行器接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。常用的是控制阀。 3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算，将结果输出至执行器。 4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。稳态：系统不受外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况动态：系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系统处于未平衡状态。过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。过渡过程的形式：非周期过程（单调发散和单调衰减）；振荡过程（发散、等幅振荡、衰减振荡）评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快速性稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表征的。多数工业过程的特性可分为下列四种类型：自衡的非振荡过程； 无自衡的非振荡过程；有自衡的振荡过程 具有反向特性的过程放大系数K对系统的影响：控制通道（放大系数越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小）。扰动通道（当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；）滞后时间对系统的影响：控制通道（滞后时间越大，控制质量越差）扰动通道（扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的）工业过程动态特性的特点（1）对象的动态特性是不振荡的（2）对象动态特性有迟延。迟延包括容积迟延、传输迟延。（3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的（4）被控对象往往具有非线性特性第二章控制规律：控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律。正作用控制器：y，u，故Kc为负；反作用控制器：y，u，故Kc为正气开阀的增益为正，气关阀的增益为负比例调节（P调节）动作规律：反应及时，超调量小，有差调节比例度的物理意义：如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那么就代表使调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需的被调量的变化范围越大：过渡过程越平稳，残差大，稳定性，调节时间。减小：振荡加剧，稳定性，残差小。减到某一数值时，出现等幅振荡，此时称为临界比例度积分调节（I调节）的特点：滞后性、无差调节、稳定性差。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程Ti愈小，积分部分所占比重愈大。比例积分调节的动作规律：利用P调节快速抵消干扰，同时利用I调节消除残差积分饱和现象：如果调节器能够随着输出的变化而变化，那么偏差e也就会逐渐变化，最后为0,但是如果由于某种原因(如阀门关闭，泵故障)被调量偏差无法消除，而调节器还是试图要校正这个偏差，因此积分项不停增大(绝对值增大)，经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和现象微分调节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微减小比例带，同时保持衰减率不变微分调节具有超前作用。使用微分作用时，要注意以下几点：（1）微分作用的强弱要适当：TD太小，调节作用不明显，控制质量必改善不大。TD太大，调节作用过强，引起被调量大幅度振荡，稳定性下降。（2）微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。 （3）PD调节器的抗干扰能力很差，这只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。 越小（KC越大），比例作用越强；TI越小，积分作用越强；TD越大，微分作用越强；TD0，则为PI控制；TI，则为PD控制；/T0.2：选择比例或比例积分动作。0.21.0：采用简单控制系统不能满足控制要求，应选用复杂控制系统，如串级，前馈控制等第三章控制系统的控制质量的决定因素:被控对象的动态特性整定的实质: 通过选择控制器参数，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，实现最佳的控制效果整定的前提条件：设计方案合理，仪表选择得当，安装正确IE（误差积分）简单，也称为线性积分准则，但是不能抑制响应等幅波动IAE（绝对误差积分）：抑制响应等幅波动ISE（平方误差积分）抑制响应等幅波动和大误差，但是不能反映微小误差对系统的影响ITAE（时间与绝对误差乘积积分）：着重惩罚过度时间过长常用的工程整定法有以下几种：动态特性参数法；稳定边界法；衰减曲线法；经验法动态特性参数法（响应曲线法）整定步骤：（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录下测量变送环节Gm（s）的输出响应曲线y（t）。（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数； （3）根据控制器类型与对象模型，根据经验公式选择PID参数并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整稳定边界法（临界比例度法）整定步骤：1) 使调节器仅为比例控制，比例带设为较大值，TI=,TD=0,让系统投入闭环运行.2) 待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程此时的比例带为cr，振荡周期为Tcr3) 利用cr和Tcr值，按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各整定参数,TI, TD衰减曲线法整定步骤：1) 使调节器仅为比例控制,比例带设为较大值,TI=,TD=0,让系统投入运行. 2) 待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应若系统响应衰减太快，则减小比例带；反之，若系统响应衰减过慢，应增大比例带. 如此反复, 直到系统出现4:1衰减振荡过程或者如图b所示的衰减比为10：1的振荡过程时 .记录下此时的值（设为s ），以及Ts值（如图a中所示），或者Tr值（如图b中所示）。 经验法：简单可靠，能够应用于各种控制系统，特别适合扰动频繁、记录曲线不太规则的控制系统；缺点是需反复凑试，花费时间长。临界比例度法：简便而易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统；但对于临界比例度很小衰减曲线法：优点是较为准确可靠，而且安全，整定质量较高第四章1、启动调节阀的执行机构的正反作用形式是如何定义的？在结构上有何不同？正作用:信号压力增加时，推杆向下移动 (ZMA)；反作用:信号压力增大时，推杆向上移动 (ZMB)。正作用的执行机构：控制器输出增加，阀杆下移。反作用执行机构：控制器输出增加，阀杆上移。2、调节阀的流量系数C是什么含义？如何根据C选择调节阀的口径？流量系数C:在给定行程下, 阀两端压差为0.1Mpa, 水密度为1g/cm3时, 流经调节阀的水的流量, 以m3/h表示(体积流量)。流量系数是表示调节阀通流能力的参数。它根据流量、阀两端的差压和流体的密度等确定。是选择阀门口径的参数。调节阀口径选定的具体步骤：确定主要计算数据：正常流量Qn，正常阀压降pn，正常阀阻比Sn，运行中可能出现的最大稳定流量Qmax3、什么事调节阀的结构特性、理想流量特性和工作流量特性？如何选择调节阀的流量特性？调节阀的结构特性：阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系。理想流量特性：在调节阀前后压差固定(p=常数)情况下得到的流量特性。工作流量特性：调节阀在实际使用条件下，其流量q与开度l之间的关系此时阀压降不是常数.选择调节阀的流量特性是：1. 从改善控制系统控制质量考虑。2. 从配管状况(S100)考虑。调节阀的作用:接受调节器送来的控制信号,调节管道中介质的流量(即改变调节量),从而实现生产过程的自动化调节阀的分类：气动, 电动和 液动三类气动执行机构有薄膜式和活塞式两种常见的气动执行机构均为薄膜式阀(或称阀体组件)它由阀体、上阀盖组件、下阀盖组件和阀内件组成气开阀：信号压力增加，流量增加；气关阀：信号压力增加，流量减小阀门定位器的功能：定位功能；改善阀的动态特性；改变阀的流量特性；改变气压作用范围，满足分程控制要求；用于阀门的反向动作阀芯形状有快开（灵敏度最差，很少使用），直线，抛物线（特性与等百分比接近）和等百分比四种。主要使用直线和等百分比两种。直线结构特性的特点：斜率在全行程范围内是常数。阀芯位移变化量相同时,节流面积变化量也相同。直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下：当流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。等百分比结构特点：曲线的放大系数是随开度的增大而递增的.。在同样的开度变化值下：流量小时（小开度时）流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和.。流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效。无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等的，流量变化的百分比是相同的.流过调节阀的流量的决定因素有: 阀的开度。 阀前后的压差。 所在的整个管路系统的工作情况。调节阀在选型时应该注意以下几点：(1) 选择调节阀的结构形式和材质。(2) 选择流量特性。(3) 选择阀门口径第五章1、试分析串级控制系统的特点，及其应用场合。（1）副回路（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）由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。串级控制系统：就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。 通用串级控制系统的方框图：见教材P107图5.11串级控制系统具有较好的控制性的原因：1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统. 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制。2) 副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响。3) 副回路的引入, 提高了整个系统的响应速度,使其快速性得到了提高。4) 串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力副回路的设计主要是如何选择副参数其设计原则为：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，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。主回路的主要任务是：满足主参数的定值控制要求。副回路的主要任务是：要快速动作以迅速抵消落在副环内的二次干扰。共振现象：如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率，则副回路将呈现出很高的增益和较大的相位滞后，这时反过来将严重影响主回路的稳定性，从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象。为避免共振现象，一般：Wd23Wd1；Td13Td2;一般选取：Wd2=（310）Wd1；Td1=（310）Td2串级控制系统常采用的整定方法：逐步逼近法和两部整定法。常见的比值系统：单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统比值控制系统：用来实现两个或以上物料之间保持一定比值关系的过程控制系统 教材P120公式（5-27）和（5-30）第六章1、前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈控制-反馈复合系统能较大地改善系统的控制品质？反馈控制的特点 ：基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。前馈控制的特点：(1) 前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控制及时。(2) 前馈控制属于开环控制系统。(3) 前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器。(4) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰前馈反馈控制的优点：1) 增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。2) 反馈回路的存在,降低了前馈控制模型的精度要求。3) 负荷或工况变化时,对象特性也要变化,可由反馈控制加以补偿,具有一定的自适应能力反馈控制系统的不足:在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果(稳定性,准确性,快速性)前馈控制系统的不足之处:1)静态准确性难保证 要达到高度的静态准确性, 需要有准确的数学模型, 精确的测量 仪表和计算装置, 而且, 模型中的系数也可能随运行条件而变化2) 前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的,一种前馈控制作用只能克服一种干扰.3) 属于开环控制，对被调量无检验反馈控制的优点(PID控制)：原理简单, 使用方便,不需知道对象的确切模型。适应性强。鲁棒