过程控制总复习

1、计量测试工程学院热工研究所计量测试工程学院热工研究所授课教师：孙授课教师：孙 斌斌 热工过程控制系统热工过程控制系统计量测试工程学院计量测试工程学院2热工过程控制系统热工过程控制系统第一章第一章 过程控制系统概述过程控制系统概述 1.11.1过程控制定义及认识过程控制定义及认识1.21.2过程控制目的过程控制目的1.31.3过程控制系统的组成过程控制系统的组成1.41.4过程控制系统的特点过程控制系统的特点1.51.5过程控制系统的分类过程控制系统的分类1.61.6过程控制性能指标过程控制性能指标1.7 1.7 过程控制仪表的发展过程控制仪表的发展1.8 1.8 过程控制的地位过程控制的地位1

2、.9 1.9 过程控制的任务过程控制的任务计量测试工程学院计量测试工程学院3热工过程控制系统热工过程控制系统1.11.1过程控制定义及认识过程控制定义及认识 过程控制定义过程控制定义 所谓过程控制（所谓过程控制（Process Control）是指根据工业）是指根据工业生产过程生产过程的特点，采用的特点，采用测量仪表测量仪表、执行机构执行机构和和计计算机算机等自动化工具，应用等自动化工具，应用控制理论控制理论，设计工业生，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。计量测试工程学院计量测试工程学院4热工过程控制系统热工过程控制系统1.3 1.3 过

3、程控制系统组成过程控制系统组成 被控过程（被控过程（ProcessProcess），），指运行中的多种多样的工指运行中的多种多样的工艺生产设备；艺生产设备； 过程检测控制仪表过程检测控制仪表（InstrumentationInstrumentation），），包括：包括：测量变送元件测量变送元件（MeasurementMeasurement）；）；控制器（控制器（ControllerController）；）；执行机构（执行机构（Control Control ElementElement）; ;显示记录仪表显示记录仪表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

4、)z(t)-要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器计量测试工程学院计量测试工程学院5热工过程控制系统热工过程控制系统1.5 1.5 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 按系统的结构特点来分按系统的结构特点来分 反馈控制系统反馈控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 复合控制系统（前馈复合控制系统（前馈- -反馈控制系统）反馈控制系统） 按给定值信号的特点来分按给定值信号的特点来分 定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统计量测试工程学院计量测试工程学院6热工过程控制系统热工过程控制系统性能指标性能指标 对自动控制系统性能指标的

5、要求主要是稳、对自动控制系统性能指标的要求主要是稳、快、准。快、准。 最大超调量最大超调量%反映系统的相对反映系统的相对稳定性稳定性, ,稳稳态误差态误差e essss反映系统的反映系统的准确性准确性，调整时间，调整时间t ts s反映系统的反映系统的快速性快速性。 计量测试工程学院计量测试工程学院7热工过程控制系统热工过程控制系统第三章第三章 过程执行器过程执行器 主要内容主要内容 执行器执行器电动执行器电动执行器气动执行器气动执行器 调节阀及其流量特性调节阀及其流量特性 变频器原理及应用变频器原理及应用计量测试工程学院计量测试工程学院8热工过程控制系统热工过程控制系统本节内容在本课程中的地

6、位本节内容在本课程中的地位 执行器用于执行器用于控制控制流入流入或或流出流出被控过程的物料或能被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。量，从而实现对过程参数的自动控制。控制器控制器测量变送测量变送被控过程被控过程执行器执行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-计量测试工程学院计量测试工程学院9热工过程控制系统热工过程控制系统3.1 3.1 调节阀调节阀（调节机构）结构（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。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

7、改变了阀的阻力系数，被调介质的流通面积，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流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。的目的。 计量测试工程学院计量测试工程学院10热工过程控制系统热工过程控制系统3.1 3.1 调节阀调节阀 功能：接受控制器输出的功能：接受控制器输出的控制信号控制信号，转换，转换成成直线位移直线位移或或角位移角位移，来改变调节阀的，来改变调节阀的流流通截面积通截面积。阀心阀心阀杆阀杆阀体阀体计量测试工程学院计量测试工程学院11热工过程控制系统热工过程控制系统3.1.1 3.1.1 调节阀的组成调节阀的组成 执行机构：执行机构是指执行

8、机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生根据控制器控制信号产生推力或位移的装置；推力或位移的装置； 调节机构：调节机构是根调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。置，通常指控制阀。执行机构执行机构调节机构调节机构计量测试工程学院计量测试工程学院12热工过程控制系统热工过程控制系统3.1.2 3.1.2 调节阀分类调节阀分类 根据使用能源不同根据使用能源不同 气动调节阀：以压缩空气为能源，输入信号气动调节阀：以压缩空气为能源，输入信号2020100kPa100kPa，价格便宜；多用于石油、化工等易燃易，价格便

9、宜；多用于石油、化工等易燃易爆场合。爆场合。 电动调节阀：以电为能源，输入信号电动调节阀：以电为能源，输入信号4 420mA DC20mA DC，价格贵；使用范围广，本质安全（本安）型也可价格贵；使用范围广，本质安全（本安）型也可用于易燃易爆场合。用于易燃易爆场合。 液动调节阀：以高压液体为能源的液动调节阀：以高压液体为能源的 阀体相同、执行机构不同阀体相同、执行机构不同计量测试工程学院计量测试工程学院13热工过程控制系统热工过程控制系统气动薄膜调节阀的气开、气关形式气动薄膜调节阀的气开、气关形式 所谓所谓气开式，气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；即当信号压力增加时，阀门开大；没气时，阀门

10、关闭没气时，阀门关闭 气关式气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。则相反，即信号压力增加时，阀门关小。没气时，阀门打开没气时，阀门打开 p(kp) 100 20 20 100 开 度 开 度 全 开 全 开 p(kp) 气 关 阀 气 开 阀 全 关 全 关 计量测试工程学院计量测试工程学院14热工过程控制系统热工过程控制系统气开、气关形式选择举例气开、气关形式选择举例 受压容器，采用改变受压容器，采用改变气体排出量以维持容气体排出量以维持容器内压力恒定，试问器内压力恒定，试问调节阀应选择气开式调节阀应选择气开式还是气关式？还是气关式？ 答：气关式。答：气关式。计量测试工程学院计量测试工程

11、学院15热工过程控制系统热工过程控制系统气开、气关形式选择举例气开、气关形式选择举例蒸汽蒸汽汽包汽包给水给水加热室加热室1 1）保证锅炉不被烧）保证锅炉不被烧干干2 2）保证蒸汽中不能带液）保证蒸汽中不能带液LC计量测试工程学院计量测试工程学院16热工过程控制系统热工过程控制系统3.3 3.3 气动执行机构气动执行机构 1 1波纹膜片；波纹膜片；2 2压缩弹簧；压缩弹簧；3 3推杆推杆；4 4调节件；调节件；5 5阀杆；阀杆；6 6压板；压板；7 7上阀盖；上阀盖；8 8阀体；阀体；9 9下阀盖；下阀盖；1010阀座；阀座；1111阀芯；阀芯；1212填料；填料；1313反馈连杆；反馈连杆；1

12、414反馈凸轮；反馈凸轮；1515气动放大器；气动放大器；1616托板；托板；1717波纹管；波纹管；1818喷嘴；喷嘴；1919挡板挡板计量测试工程学院计量测试工程学院17热工过程控制系统热工过程控制系统电电- -气转换器气转换器 输入信号从输入信号从4mA改变到改变到20mA时，转换器的时，转换器的输出压力从输出压力从20-100kPa变化，实现了将电变化，实现了将电流信号转换为气压信号的过程。流信号转换为气压信号的过程。计量测试工程学院计量测试工程学院18热工过程控制系统热工过程控制系统3.3 调节阀的流通能力调节阀的流通能力 调节阀是一个调节阀是一个局部阻力局部阻力可变的截流元件，可变

13、的截流元件，通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻阻力系数力系数，达到控制流量的目的。，达到控制流量的目的。 流过调节阀的流量：阀的开度、阀门前后流过调节阀的流量：阀的开度、阀门前后的压差。的压差。 为了衡量不同调节阀在某些特定条件下单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，引入流通能力位时间内流过流体的体积，引入流通能力的概念。的概念。计量测试工程学院计量测试工程学院19热工过程控制系统热工过程控制系统3.3 调节阀的流通能力调节阀的流通能力 调节阀流通能力定义：调节阀流通能力定义： 调节阀流通能力调节阀流通能力C，是指调节阀两端，是指调节

14、阀两端压力差压力差为为100kPa,流体密度流体密度为为1000kg/m3，调节阀，调节阀全全开开时，每小时流过阀门的流体的体积时，每小时流过阀门的流体的体积。5.09AC10105.09vAppqC计量测试工程学院计量测试工程学院20热工过程控制系统热工过程控制系统3.93.9调节阀的流量特性调节阀的流量特性 指介质流过阀门的相对流量与相对开度之指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系间的关系 qv /qvmax相对流量，即调节阀某一开度的流相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；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相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行

15、程之比。全行程之比。 Llfqqvvmax计量测试工程学院计量测试工程学院21热工过程控制系统热工过程控制系统理想流量特性理想流量特性 调节阀调节阀前后压差不变前后压差不变时，得到的流量特性；时，得到的流量特性； 理想流量特性完全取决于理想流量特性完全取决于阀芯阀芯的形状；的形状； 理想流量特性有：理想流量特性有：直线直线等百分比等百分比抛物线抛物线快开快开计量测试工程学院计量测试工程学院22热工过程控制系统热工过程控制系统理想流量特性曲线理想流量特性曲线 1. 1. 快开快开 2. 2. 直线直线 3. 3. 抛物线抛物线 4. 4. 等百分比等百分比计量测试工程学院计量测试工程学院23热工

16、过程控制系统热工过程控制系统第四章第四章 被控过程被控过程 重点：重点： 1 1、自衡过程、自衡过程 2 2、传递函数中、传递函数中 的物理意义的物理意义 ,TK计量测试工程学院计量测试工程学院24热工过程控制系统热工过程控制系统4.1.1 过程控制动态特性分类过程控制动态特性分类 自衡过程自衡过程（Self-Regulating Processes） 定义：当扰动发生后，被控变量不断变化最后达到新定义：当扰动发生后，被控变量不断变化最后达到新的平衡。的平衡。 非自衡过程非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes） 定义：当扰动发生后，被控变量不会达到新的平衡。定义

17、：当扰动发生后，被控变量不会达到新的平衡。计量测试工程学院计量测试工程学院25热工过程控制系统热工过程控制系统4.34.3过程特性参数的物理意义过程特性参数的物理意义 过程特性参数过程特性参数,KT1 1）放大倍数）放大倍数K KtaQibibhKaQK越大表明输入信号对输出的控制越强越大表明输入信号对输出的控制越强计量测试工程学院计量测试工程学院26热工过程控制系统热工过程控制系统过程增益的注意事项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过程增益描述输出变量随输入变量变化的灵敏度。灵敏度。 过程增益包含三部分过程增益包含三部分: :信号信号, ,数值和单位数值和单位. 过程增

18、益只和稳态值有关，因此过程增益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是描述过程稳态特性的参数.计量测试工程学院计量测试工程学院27热工过程控制系统热工过程控制系统2 2）数学模型的时间常数数学模型的时间常数T 当对象受到阶跃输入当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达作用后，被控变量达到新稳态值的到新稳态值的63.2%63.2%所需时间。所需时间。C(t)C()t63.2%T计量测试工程学院计量测试工程学院28热工过程控制系统热工过程控制系统3 3）滞后时间）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

19、量滞后（1 1）纯滞后又称为传递滞后用）纯滞后又称为传递滞后用 表示表示00a进料量控制挡板进料量控制挡板液体液体溶解液浓度溶解液浓度vL0计量测试工程学院计量测试工程学院29热工过程控制系统热工过程控制系统滞后时间滞后时间 （2 2）容量滞后）容量滞后 指系统输入量变化后，输出量的变化相当缓慢，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在一段时间内几乎看不到，然后才逐渐显著地开始变化。用始变化。用 表示。表示。cah1qh2t0t1t201ttcH1QiQ1A1H2Q2A2计量测试工程学院计量测试工程学院30热工过程控制系统热工过程控制系统第五章第五

20、章 常规控制策略常规控制策略 重点：重点： 1 1、PID调节中各部分的作用及优缺点？调节中各部分的作用及优缺点？ 2 2、为何要整定、为何要整定PID参数，工程上有哪些常参数，工程上有哪些常用方法？用方法？计量测试工程学院计量测试工程学院31热工过程控制系统热工过程控制系统控制器的控制规律定义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就是控制器的输出信号随输入信号( (偏差偏差) )变化的规律。变化的规律。这个规律常常称为控制器的特性这个规律常常称为控制器的特性。 过程控制最常用控制器：过程控制最常用控制器： PLC（* *）数字调节器数字调节器 IPC DCS计量测试工程学院计量测

21、试工程学院32热工过程控制系统热工过程控制系统5.1 5.1 双位控制双位控制maxmin0 (e 0) , ( )0 (e 0) , ( )eu tueu tu或时;或时.计量测试工程学院计量测试工程学院33热工过程控制系统热工过程控制系统5.1 5.1 双位控制双位控制t max min oTtu计量测试工程学院计量测试工程学院34热工过程控制系统热工过程控制系统双位控制品质指标双位控制品质指标品质指标：振幅、周期品质指标：振幅、周期理想情况希望振幅减小，周期长理想情况希望振幅减小，周期长振幅周期是相互矛盾的振幅周期是相互矛盾的设计原则设计原则满足振幅在允许的范围内后，尽可能使周期长满足振

22、幅在允许的范围内后，尽可能使周期长计量测试工程学院计量测试工程学院35热工过程控制系统热工过程控制系统5.2 PID控制规律控制规律 PID控制规律的表示方法控制规律的表示方法 基本基本PID控制规律控制规律计量测试工程学院计量测试工程学院36热工过程控制系统热工过程控制系统二、二、PIDPID控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律1.1.比例控制规律比例控制规律(Proportional Control Mode)2.2.比例积分控制规律比例积分控制规律(Proportional-Integral Control Mode)3.3.比例微分控制规律比例微分控制规律(Proportional

23、-Derivative Control Mode)4.4.比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律(Three- Mode)计量测试工程学院计量测试工程学院37热工过程控制系统热工过程控制系统3 3、比例控制规律的特点、比例控制规律的特点快快硬碰硬硬碰硬有余差有余差适用于干扰较小，对象的适用于干扰较小，对象的纯滞后较小而时间常数并纯滞后较小而时间常数并不太小，控制质量要求不不太小，控制质量要求不高，允许有余差的场合高，允许有余差的场合计量测试工程学院计量测试工程学院38热工过程控制系统热工过程控制系统(二二) )比例积分控制规律比例积分控制规律1 1、积分作用、积分作用 定义：定义：积分作用的

24、输积分作用的输出与偏差对时间的积出与偏差对时间的积分成比例关系分成比例关系XdtTYI1计量测试工程学院计量测试工程学院39热工过程控制系统热工过程控制系统积分作用的特点积分作用的特点能消除能消除余差余差 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。偏差信号消除。 慢慢来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，在偏差信号出现的瞬间，无控制作用，输出控制信号是由

25、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。的抗干扰能力。计量测试工程学院计量测试工程学院40热工过程控制系统热工过程控制系统2 2、比例积分控制规律、比例积分控制规律比例与积分两种作用的输出之和比例与积分两种作用的输出之和 IPIPYYXdtTXKY)1(XKYPPXdtTKYIPI计量测试工程学院计量测试工程学院41热工过程控制系统热工过程控制系统3 3、积分作用的参数、积分作用的参数积分时间积分时间T TI I 反映积分作用的强弱反映积分作用的强弱在阶跃信号输入中，积分作用输出为在阶跃信

26、号输入中，积分作用输出为tATKttATKAdtTKYIPttIPIPI)(1212若取积分作用的输出等于比例作用若取积分作用的输出等于比例作用的输出的输出AKtATKPP1tT1计量测试工程学院计量测试工程学院42热工过程控制系统热工过程控制系统3 3、积分作用的参数、积分作用的参数 积分时间积分时间T TI I的定义：在阶跃信号输入下，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输出所经历的时间就是积分时间T TI I 积分作用的大小与积分时间积分作用的大小与积分时间T TI I成反比，成反比，即积分时间越小，积

27、分作用越强。即积分时间越小，积分作用越强。计量测试工程学院计量测试工程学院43热工过程控制系统热工过程控制系统( (三三) )比例微分控制规律比例微分控制规律1 1、微分控制规律：、微分控制规律：控制器微分作用的控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比输出与偏差变化的速度成正比 dtdXTYD理想微分控制器的阶跃响应曲线理想微分控制器的阶跃响应曲线在在t=tt=t0 0时，控制器输入一阶跃信号，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，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；在控制器的输出变化也为无穷大；在t tt t0 0时，偏差不再变化，即变化

28、速度为零，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。故控制器的输出变化量也为零。计量测试工程学院计量测试工程学院44热工过程控制系统热工过程控制系统具有超前性、预见性具有超前性、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，提高系统稳克服干扰影响，抑制偏差增长，提高系统稳定性。定性。 理想的微分作用不能单独作为控制规律使用理想的微分作用不能单独作为控制规律使用 微分作用的特点微分作用的特点计量测试工程学院计量测试工程学院45热工过程控制

29、系统热工过程控制系统3 3、控制器参数整定、控制器参数整定 整定是指决定控制器的比例带整定是指决定控制器的比例带、积分时间、积分时间T TI I、微分时间微分时间T TD D和采样周期和采样周期T Ts s的具体数值。的具体数值。 整定的实质是通过改变控制器的参数，使其特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。态指标，取得最佳的控制效果。 10()nsDnPninniIsTTYKXXXXTT计量测试工程学院计量测试工程学院46热工过程控制系统热工过程控制系统3.1 3.1 整定方法整定方

30、法 整定控制器参数的方法很多，归纳起来可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分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法：定法：理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法等；等；工程整定法有现场试凑法、临界比例度法和衰工程整定法有现场试凑法、临界比例度法和衰减曲线法等。减曲线法等。 计量测试工程学院计量测试工程学院47热工过程控制系统热工过程控制系统3.23.2工程整定法特点工程整定法特点 工程整定不需要事先知道过程的数学模型，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，特直接在过程控制系统中进行

31、现场整定，特点：点：方法简单实用；方法简单实用；计算简便；计算简便；易于工程应用。易于工程应用。计量测试工程学院计量测试工程学院48热工过程控制系统热工过程控制系统1 1、现场凑试法、现场凑试法 按照先比例（按照先比例（P P）、再积分（）、再积分（I I）、最后微分（）、最后微分（D D）的顺序：的顺序： 置控制器积分时间置控制器积分时间T TI I=，微分时间，微分时间T TD D=0=0，在比例度，在比例度按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，整定比按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，整定比例度例度。求得满意的。求得满意的4 4：1 1过渡过程曲线。过渡过程曲线。 引入积分作用（此

32、时应将上述比例度引入积分作用（此时应将上述比例度加大加大1.21.2倍），倍），将将T TI I由大到小进行整定。由大到小进行整定。 若需引入微分作用时，则将若需引入微分作用时，则将T TD D按经验值或按按经验值或按T TD D= =（1/31/31/41/4）T TI I设置，并由小到大加入。设置，并由小到大加入。 计量测试工程学院计量测试工程学院49热工过程控制系统热工过程控制系统2 2、临界比例度法、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在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（T TI I= = ，T TD D=0=0），从大到小逐渐改变控制器的比例度，），从大到

33、小逐渐改变控制器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。得到等幅振荡的过渡过程。 此时的比例度称为临界比例度此时的比例度称为临界比例度k k，相邻两个波峰间的时，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期间间隔，称为临界振荡周期T Tk k。 据此确定控制器参数。据此确定控制器参数。计量测试工程学院计量测试工程学院50热工过程控制系统热工过程控制系统3 3、衰减曲线法、衰减曲线法 先把控制器参数置成纯先把控制器参数置成纯比例作用比例作用（TI=，TD=0），），系统投入运行。系统投入运行。再把比例度再把比例度逐渐从大逐渐从大调小，直到出现调小，直到出现4 4：1 1衰衰减过程曲线。减过程曲线。 此时

34、的比例度为此时的比例度为4：1衰衰减比例度减比例度c，两个相邻，两个相邻波峰间的时间间隔，称波峰间的时间间隔，称为为4 4：1 1衰退减振荡周期衰退减振荡周期Ts。 计量测试工程学院计量测试工程学院51热工过程控制系统热工过程控制系统7.17.1串级控制系统的定义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，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。值的系统，称为串级控制系统。计量测试工程学院计量测试工程学院52热工过程控制系统热工过程控制系统7.2 串级控制系统常用术语串级控制系

35、统常用术语主控主控制器制器副控副控制器制器调节阀调节阀副参数副参数测量变送测量变送副对象副对象主对象主对象一次扰动一次扰动二次扰动二次扰动主被控参数主被控参数副被控参数副被控参数主参数主参数测量变送测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym1计量测试工程学院计量测试工程学院53热工过程控制系统热工过程控制系统7.7 串级控制系统方案设计串级控制系统方案设计温度温度+ +流量流量温度温度+ +压力压力FCTC进料进料出料出料燃料油燃料油FTTC进料进料出料出料燃料油燃料油PCPT计量测试工程学院计量测试工程学院54热工过程控制系统热工过程控制系统7.7 串级控制系统方案设计（续）串级控制系统

36、方案设计（续）温度温度+ +温度温度T1CT2C燃料油燃料油进料进料出料出料T1TT T2 2T T计量测试工程学院计量测试工程学院55热工过程控制系统热工过程控制系统7.8 串级系统副调节器选型串级系统副调节器选型 副调节器常选择副调节器常选择P或或PI控制律控制律原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般原因：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，串级系统有时想上不用加

37、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。分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。计量测试工程学院计量测试工程学院56热工过程控制系统热工过程控制系统7.8 串级系统主调节器选型串级系统主调节器选型 主调节器常选择主调节器常选择PI或或PID控制律控制律原因：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

38、主参数为液位的串级均匀控制系统以外积分作用（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。入通常大小的微分作用。计量测试工程学院计量测试工程学院57热工过程控制系统热工过程控制系统作业：作业： 如图所示的反应器温度控制系统，它通过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调节进入反应器冷却水的流量来保持反应器温度的稳定器温度的稳定。TTTCFCFT反反应应器器冷却水冷却水计量测试工程学院计量测试工程学院58热工过程控制系统热工过程控制系统反应器温

39、度控制系统反应器温度控制系统要求：要求：（1 1）画出该系统的方块图，并说明它是什么类型的）画出该系统的方块图，并说明它是什么类型的系统；系统；（2 2）若反应器的温度不能过高，否则会发生事故，）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、气关型式试确定调节阀的气开、气关型式（3 3）确定主调节器、副调节器的正反作用；）确定主调节器、副调节器的正反作用；（4 4）若冷水压力突然升高，试简述该控制系统的调）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）。节过程（主副回路同时）。计量测试工程学院计量测试工程学院59热工过程控制系统热工过程控制系统第八章第八章 复杂过

40、程控制系统复杂过程控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 时间滞后控制系统时间滞后控制系统 多变量解耦控制系统多变量解耦控制系统 比值控制系统比值控制系统 均匀控制系统均匀控制系统 超驰控制系统超驰控制系统 分程控制系统分程控制系统 阀位控制系统阀位控制系统计量测试工程学院计量测试工程学院60热工过程控制系统热工过程控制系统8.1 8.1 前馈控制系统前馈控制系统 理解前馈控制原理及使用场合；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掌握静态前馈控制和常用动态前馈控制补偿模型；偿模型； 掌握前馈掌握前馈- -反馈复合控制系统的特点及工业反馈复合控制系统的特点及工业应用。应用

41、。计量测试工程学院计量测试工程学院61热工过程控制系统热工过程控制系统8.1.2 8.1.2 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较TC调节阀调节阀对象对象TTT T给定值给定值T原油流量原油流量a)a)反馈控制反馈控制1) 前馈是前馈是”开环开环”控制系统控制系统; ;反馈是反馈是”闭环闭环”控制系统控制系统b)前馈控制前馈控制FFC调节阀调节阀对象对象TFT原油流量原油流量FFPP计量测试工程学院计量测试工程学院62热工过程控制系统热工过程控制系统8.1.2 8.1.2 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 2 2）前馈测量干扰量；反馈测量被控变量）前馈测量干扰量；反

42、馈测量被控变量 3 3）前馈需要专用调节器，反馈一般只用通）前馈需要专用调节器，反馈一般只用通用调节器用调节器 4 4）前馈只能克服所测量的干扰，反馈可克）前馈只能克服所测量的干扰，反馈可克服所有干扰服所有干扰 5 5）前馈理论上可无差，反馈必定有差）前馈理论上可无差，反馈必定有差计量测试工程学院计量测试工程学院63热工过程控制系统热工过程控制系统前馈反馈控制系统的设计原则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实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可测及不可控性可控性”： “可测可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为

43、前馈补偿器所能接受的信号。其转换为前馈补偿器所能接受的信号。 “不可控不可控”：指这些扰动量难以或不允许通过专门的：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。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采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控可测不可控”、变化频繁且幅值较大的扰动量；变化频繁且幅值较大的扰动量； 工程中，一般选用静态前馈工程中，一般选用静态前馈- -反馈控制方案即可得反馈控制方案即可得到较为满意的控制效果。到较为满意的控制效果。计量测试工程学院计量测试工程学院64热工过程控制系统热工过程控制系统8.2 8.2 时间滞后控制系统时间滞后控

44、制系统 时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物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。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。系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。 /T0.3/T0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：过程，常用控制方法：预估补偿方案；预估补偿方案；采样控制方案。采样控制方案。计量测试工程学院计量测试工程学院65热工过程控制系统热工过程控制系统8.4 比值控制

45、系统比值控制系统 定义：两个或多个参数自动维持一定比值定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。关系的过程控制系统。 例如：例如：燃烧过程中，为保证燃烧经济性，需保持燃料燃烧过程中，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；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。量和水量按一定的比例混合。计量测试工程学院计量测试工程学院66热工过程控制系统热工过程控制系统主动量和从动量主动量和从动量 比值控制系统中，起主导作用的物料流量比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般为主动量一般为主动量q q1 1。如燃烧过程中的燃料量、。如燃烧过程中的燃料量、造纸中的纸浆量；造纸中的纸浆量； 随主动量变化的物料流量称为从动量随主动量变化的物料流量称为从动量q q2 2。如。如燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。燃烧过程中的空气量、造纸中的水量。q q2 2与与q q1 1保持一定的比值保持一定的比值 ，即：，即：1212kqqqqk或计量测试工程学院计量测试工程学院67热工过程控制系统热工过程控制系统比值控制方案比值控制方案 根据工业生产过程的不同需求，有根据工业生产过程的不同需求，有3 3种常用种常用的比值控制方案：的比值控制方案：单闭环比值控制；单闭环比