南昌大学工业过程控制知识点精编

1、绪论：1. 工业生产过程是指将原料转变成产品的具有一定生产规模的过程。2. 工业生产过程是指工业生产过程的自动化。3. 工业生产过程控制的特点： a：过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成。 b：工业生产过程控制的被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定等特点。 c：工业生产过程控制的被控过程多属于慢过程。d：工业生产过程控制方案的多样性。 e：工业生产过程控制系统分为随动控制和定值控制，长用定值控制系统。 f：工业生产过程控制实施手段的多样性。1.11.1.11、简单控制系统包含：控制器、检测变送环节、执行器、被控对象等，或者可表示为由控制器和广 义对象组成，其中，广义对象：执

2、行器、被控对象、检测变送环节的合并对应的作用： 检测变送：检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出 控制器：比较检测变送环节的输出与设定值，按一定规律对偏差信号进行运算并把结果传给执行器 执行器：接收控制器的输出信号，改变执行器的节流件流通面积或转速等，使操纵变量改变 被控对象：需要控制的设备或生产过程分类： 定值控制系统扰动变量影响被控变量，控制系统通过控制通道改变操纵变量，克服扰动对被控 变量的影响。随动控制系统（伺服控制系统）设定值改变时，控制系统通过控制通道改变操纵变量以使被控 变量随设定值的变化而变化。2、过控常用术语： 被控变量：被控对象中需要控制的过程变量，分为直接被控变

3、量和间接被控变量 操纵变量：执行器控制的某一工艺流量设定值：工艺希望被控变量达到的期望值 扰动变量：使被控变量偏离设定值的其他变量 控制通道：操纵变量到被控变量之间的通道 扰动通道：扰动变量到被控变量之间的通道 反馈：输出的全部或者部分返回到输入端开环：没有反馈通路的控制系统 闭环：检测变送信号被反馈到控制器时组成的闭环系统3、简述控制系统的控制过程并绘制简单控制系统图系统受到干扰时，检测信号与设定值之间产生偏差，控制器将检测变送的信号与设定值比较， 按一定控制规律对其偏差运算后输出信号以驱动执行器改变操纵变量，使被控变量回复到设定值。图见 P9-图 1-24、环节增益及其正负规定依据：环节稳

4、态条件下输出增量与输入增量之比确定正负， K=5、采样控制系统：包含采样开关的控制系统1.1.21、控制系统的性能指标评价在过渡过程中被控变量随时间变化的性能稳定性：首要指标，通过闭环极点分布判断稳定 准确性：重要指标，被控变量与设定值（参比变量）之间的偏差，即静态偏差越小越好 快速性：扰动时作出相应的时间越短越好 偏离度：表示控制系统运行过程中被控变量偏离设定值的离散程度以及积分指标2、过渡过程：外部扰动下或设定值变化时，控制系统从一个稳态进入另一稳态的历程3、时域控制性能指标：扰动信号为阶跃输入作用下，控制系统输出响应曲线的控制系统性能指标1）衰减比 n：控制系统稳定性指标，等于相邻同方向

5、两个波峰的幅值比，即，n=1:1 时，输出为等幅振荡，系统临界稳定n<1:1 时，输出发散，系统不稳定n>1:1 时，输出收敛，系统稳定，且 n 越大越稳定注：通常，希望随动系统 n=10:1、定值系统 n=4:1衰减率 ，百分数；衰减度 m ，与衰减比 n 的关系2）超调量随动系统：，C 为输出最终稳态值，为输出超过最终稳态值的最大瞬态偏差定值系统：用最大动态偏差 A 表示超调程度， 注：超调量和最大动态偏差表征过渡过程中被控变量偏离设定值的超调程度，反映控制系统稳定性3）余差：控制系统最终稳态偏差,阶跃输入下，定值系统中 r=0,余差反映控制系统稳态准确性4）回复时间（调节时间

6、） ： 被控变量从过渡过程开始到进入稳态值 或 范围内并保持不 超出的时间，反映控制系统快速性振荡频率 与振荡周期 T 的关系，也是系统快速性的指标注：相同衰减比 n 下，振荡频率越高，回复时间越短； 相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。5）偏离度：通常，用 2 倍标准差（）与均值之比表示，是被控变量统计特性的描述注：相同干扰下，定值系统输出的最大偏差越大，系统偏离度越大；相同的衰减比下，系统的输出周期越大，系统的偏离度越大4、偏差积分性能指标（综合性能指标） ：常用于综合分析系统的动态响应性能，参见 P125、控制系统正常运行的重要准则1）反馈准则：成为负反馈的条件是该系统各开环增益之

7、积为正。2）稳定运行准则：扰动或设定值变化时，系统静态稳定运行条件是系统各环节增益之积基本不变； 系统动态稳定运行的条件是系统总开环传递函数的模基本不变。3）安全运行准则：选用功能安全的仪表组成控制系统；事故发生时，系统应处于安全状态；故障的 状态能被传递到下游模块或设备，以保证系统的安全运行。1.21.2.11、工业生产过程的数学模型分类 静态数学模型：过程的输入、输出不随时间变化时的数学关系 动态数学模型： ······随时间变化的· ·····注：过程控制中常采用动态数

8、学模型，也称动态特性 模型要求：简单实用、满足控制精确度要求条件下能可靠反映过程输入输出之间的动态关系。2、动态数学模型的分类方法 按时间特性：连续型和离散型 按模型描述：传递函数、状态空间、微分方程、差分方程等 按过程类型：集中参数、分布参数、多级过程模型等 按建模输入信号：非周期函数、周期函数、非周期性随机函数、周期性随机函数等3、工业生产过程中常采用阶跃输入信号作用下过程的响应特性表示过程的动态特性 注：依据典型工过动态特性进行系统识别：见P13 表自衡非振荡：过程能自发地趋于新稳态值。过渡过程无振荡。 无自衡非振荡：输出响应曲线从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态。过渡过程无震荡

9、。 自衡振荡：过程能自发地趋于新稳态值。过渡过程从一个稳态一衰减振荡形式趋于另一个稳态。反相特性：开始与终止时出现反向的变化。4、控制通道和扰动通道参数变化对系统性能的影响：见P14 表控制通道扰动通道增益：过程增益 Ko 增加，余差减小，最大偏 差减小，控制作用增强，但稳定性变 差。其他因素相同的条件下，过程增益 Ko 越大，控制作用越大，克服扰动的能 力也越强。在其他因素相同的条件下， KfF 越大， 余差越大，最大偏差也越大。时间常数o/To 固定，则相位条件 Tow 不变，对 稳定性没有影响。o/To 固定，时间常数 To 小，则振荡频率 率增加，回复时间变短，动态响应变 快，即时间常

10、数越大，过度过程越慢， 系统越易稳定。o/Tf>1 ，扰动对系统输出有微分作用， 使控制品质变差。o/Tf<1 ，扰动对系统输出有滤波作用， 减小了扰动对输出的影响。时滞时滞 o 使控制系统的频率特性发生变 化。 被控变量变化不能及时送到控制器， 控制器输出不能及时引起操纵变量变 化，控制作用不能及时使被控变量变 化。使控制不及时，控制品质变差。时滞 f 不影响系统闭环极点的分布， 不影响系统稳定性。它近表示扰动进入系统的时间先后，因 此，不影响控制系统控制品质。5、时间常数匹配对系统性能的影响：广义对象的多个时间常数的匹配问题，即检测变送、执行器、被控对象三环节的时间常数对控制系

11、统品质的影响采用可控性指标衡量，注：可控性指标 ，其中 为系统临界增益， 为临界振荡频率，二者之积大表示可控性好。 且，减小广义对象中次大时间常数或者增大最大和次大时间常数之比均有利于提高可控性指标6、被控变量的选择： a：深入了解工艺过程，选择能够反映工艺过程的被控变量。 b：选用被控变量和操纵变量，使被控过程传递函数具有简单、线性、良好的静态和动态特性。 c：尽量选用易于测量且关系简单的直接质量指标作为被控变量。d：控制通道的 Ko 尽量大。即选择能超越设备能力和操作约束的过程输出变量作为被控变量。 e：过程的 o/To 应尽量小；过程的 To/Tf 应尽量小；在运行过程中参数的变化应尽量

12、小。 f：扰动进入系统的位置应尽量远离被控变量。操纵变量的选择： a：选择对被控变量影响较大的操纵变量，即Ko 尽量大。b：选择对被控变量有较快影响的操纵变量，即过程的o/To 应尽量小。c：选择对被控变量有直接影响的操纵变量，而不采用间接影响的操纵变量。 d：过程的 To/Tf 应尽量小，过程的 KfF 尽量小。 e：工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合。控制方案的选择： a：在满足工艺控制要求的前提下，控制方案应尽量简单实用。 b：应考虑扰动的变化频度和变化的幅度。c：应考虑过程的动态特性，易控程度等，对反向特性或o/To 较大的过程应采用特殊的控制规律或较复杂的控制结构。1.31.3

13、.1 检测变送环节的性能1、检测变送环节的组成、作用、基本要求 组成：检测元件、变送器（类型较多，但都可以用一阶环节近似，其传函为 ） 作用：将工业生产过程的参数经检测、变送单元转换为标准信号。注：现场总线仪表中的标准信号为数字信号基本要求： 准确、迅速、 可靠，即 “准确反映被控或被测变量、 迅速反映变化、可靠长期稳定运行”2、检测变送环节的选择原则：a：环境适应性； b：检测元件的精确度和响应的快速性； c：选用线性特性； d：时间常数匹配问题：应根据检测变送、控制对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最大 时间常数与次大时间常数之间的比值。减小时间常数的方法：检测点位置的合理选择；选用小

14、惯性检测元件；缩短气动管线长度；减小 管径；正确使用微分单元；选用继动器和放大元件。e：时滞影响：产生时滞的原因：检测点与检测变送仪表之间有传输距离，而传输速度有制约。 减小方法：合适的检测点位置；减小传输距离；选用增压泵或抽气泵等提高传输速度。 5、检测变送信号的处理内容包括：信号补偿、线性化、信号滤波、数学运算、数字变换、信号报警 处理、功能安全1.41.4.11 、执行器的分类 最常见的是控制阀（或称调节阀） ，由执行机构、调节机构组成 执行机构分类：按使用的能源分：气动、电动、液动 按输入信号增加时，控制阀杆移动方向分正作用（输入增大杆外移）和反作用（输入增大杆内移） 按杆移动可分为直

15、行程和角行程按气动执行机构部件类型分薄膜执行机构、活塞· ··、齿轮···、手动···等等 调节机构分类：按阀杆移动与流量之间的关系分正体阀（下移时流量小） 、反体阀（下移时流量大） 注意： 1、正作用和反作用执行机构、正体阀和反体阀结合在一起（即执行机构与调节机构结合）组 成气开和气关两类控制阀，其中， “同号为关，异号为开” 。2、气开、气关中的“气”指输入到执行机构的信号3、故障时，气开型全关，气关型全开1.4.2 流量特性 1：理想流量特性：控制阀两端压降恒定时的流量特性。 2：工作流量特性：在工

16、作状态下（压降变化）控制阀的流量特性。3：随 S 的减小， 控制阀的流量特性发生畸变， 特性曲线上凸， 线性理想流量特性畸变为快开特性， 等百分比理想流量特性趋向于线性特性。1.4.3 控制阀流量特性的选择， 1：选择控制阀工作流量特性的目的是通过控制阀调解机构的特性变化来补偿因对象特性变化而造 成的开环总特性变化的影响。2：从静态考虑选择控制阀的工作特性：依据是使Kv2与 Kp 之积保持不变。3：从动态考虑选择控制阀的工作特性：应使控制系统在工作频率下的总开环幅频特性和相频特性 保持基本不变，尤其是幅值比保持基本不变。4：控制阀气开、气关形式的选择：安全运行准则，原则是不使物料进入或流出设备

17、或装置。 a：进入设备或者装置的原料或热源应切断，因此，选择进料阀为气开阀。 b：设备或装置的出料应切断，因此选择出料阀为气开阀。 c：特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因此，选择保卫阀。 d：精馏塔的回流控制阀应在故障时打开，保证全回流，因此选择气关阀。 e：串级控制系统中，当气开和气关形式都选用是，为使串级和主控两种模式能方便地切换，选择 控制阀的增益与主被控对象增益有相同符号。1.51.5.11：模拟 PID 控制算法有比例控制算法、比例积分控制算法、比例微分控制算法。2：对 PI 控制作用的分析a： PI控制作用是 P控制作用和 I 控制作用之和。当偏差一出现，就立即有 P控制输

18、出 Up，用于克 服扰动；然后 I控制作用 U1逐渐增加，用于消除余差。 因此 P控制起粗调作用， I控制起细调作用， 直到余差消除，偏差为零时积分输出才停止。b：PI控制作用是比例增益随偏差的时间进程而不断调整的P 作用。比例增益越大，余差越小。随时间的进程， PI 控制的余差越来越小，直到余差为零。但由于比例增益越来越大，系统的稳定性也变 差。c： PI 控制作用就是初始稳态值不断移动的P 作用。 PI控制作用具有积分饱和现象。d： PI控制作用是及时的 P作用和之后的 I 作用的组合。频率越高， PI的相位滞后越小，频率越低， 相位滞后越大。P 作用与偏差同步变化，能及时克服扰动影响，

19、I 作用在相位上与偏差信号相差 90 度， I 作用总 是滞后偏差变化。3：积分饱和及其防止与 P 控制作用相同， I 控制作用也有一定的应用范围，在该范围内，积分控制输出与偏差的时间 积分成正比，当控制输出达到一定限值后就不再继续上升或下降，就是I 控制的饱和特性。当控制系统偏差长期存在，控制器有积分控制作用，则控制器输出会不断增加或减小，直到输出 超过仪表范围最大或最小值。如果偏差反向，控制器输出就不能及时反向，要在一定延时后，控制 器输出才能从最大或最小极限值回复到仪表范围最大或最小值。在这段时间内，控制器不能发挥调节作用，造成调节不及时。这种由于积分过量造成控制不及时的现象称为积分饱和

20、。 积分外反馈：积分信号来自外部信号。模拟控制器采用相类似的方式防止积分饱和， 基本原理是切除积分， 采用自行切换的 PI-P 控制方 式。4：PID控制作用中， P作用是基本控制作用， I 作用能消除余差，但使系统稳定性变差，闭环响应变 慢，增大 Kc使系统振荡加剧； D 作用使整个开环频率特性的幅值比增大，改善系统稳定性。1.5.21：数字 PID 控制算法包括位置算法，增量算法，速度算法。2：数字 PID 算法的特点a： PID三种控制作用独立，没有控制器参数之间的关联。 b：由于不受硬件制约，数字控制器参数可以在更大范围内设置。 c：数字控制器采用采样控制， 引入采样周期 Ts，即引入

21、纯时滞为 Ts/2的之后环节， 使控制品质变差。 d：采样周期的大小影响数字控制系统的控制品质。3：数字控制算法的改进 :积分分离 （偏差分离 开关和 PID 分离 相位分离）、削弱积分 （梯形积分 遇 限削弱）、微分先行、不完全微分、输入滤波。 P434：应用数字控制系统时的其他注意事项：P44a：后自动的无扰动切换。b：故障时的安全脱落功能。c：初始化d：采样周期和信号滤波1.61.6.11、控制器参数整定原则 P511）根据控制系统稳定运行原则，系统开环总增益，系统稳定运行后，二者变化应使乘积不变2）广义对象动态参数 越大，系统越不易稳定， 应减小 ，且 和 应合适，常取 、3）P 作用

22、为最基本的控制作用，按纯比例闭环调节选择、 、4）尽量发挥积分作用消除余差的利，减小其不利于稳定性的弊5）引入微分作用解决高阶对象的过渡滞后对控制品质的不利影响6）含有高频噪声的过程不宜引入微分7）通常取衰减比作为系统稳定性指标8）衰减比的选择：随动系统 n=10:1，定值系统 n=4:19）具体过程应具体分析10）计算机控制装置的控制算法中， Kc，Ti，T 参数没有互相干扰，可分别设置。2.12.1.11、串级控制系统的原理、结构和性能分析 原理：见 P58 合成氨控制 概念：由两个或两个以上的控制器串联，一个的输出作为另一个的设定值 结构特点： 1）两个或两个以上的控制器串联连接，一个的

23、输入作为另一个的设定值2）由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器、一个执行器组成3）主控制回路是定值控制系统，副控制回路相对主控制回路而言是随动控制系统、相对 进入副回路的扰动而言是定值控制系统 性能分析：串级控制系统增加副控制回路，使系统性能在以下方面得到改善1）迅速克服进入副回路扰动的影响2）改善主控制器的广义对象特性，提高工作频率3）自适应能力增强4）能更精确控制操纵变量的流量5）可实现更灵活的操纵方式2、串级控制系统设计准则：1）应使主要扰动进入副环，且尽可能多的扰动进入副环2）合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为1:1 比例环节3）合理选择副对象，调整主、副被控

24、对象时间常数比，使控制器参数整定合适以防止共振现象3、串级控制系统主、副被控变量的选择原则：1）据工艺过程的控制要求选择主被控变量，主被控变量应反映工艺指标2）副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的扰动3）主、副回路时间常数和时滞应错开，即工作频率错开以防止共振现象4）主、副被控变量之间有一一对应关系5）主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够的灵敏度6）应考虑经济性和合理性4、串级控制系统主、副控制器控制规律的选择 a：选择主控制器规律，根据主控制系统是定值控制系统的特点，为消除余差，应采用I 控制规律；通常串级控制系统用于慢对象，为此，可采用D 控制规律，据此，主控制器的控制规律

25、通常为 PID。b：副控制回路既是随动系统又是定值控制系统，因此，从控制要求看，通常可无消除余差的要求，即可不用 I；但当副被控变量是流量，并有精确控制该流量的要求时，可选用I；当副对象时间常数小，为削弱控制作用，需要选用大比例度的 P 控制作用，又是也可加入 积分或反微分；当副回路容量滞后较大时，宜加入微分；当副环包含积分环节时，由 于积分环节提供 90 度的相位差，使副环相位滞后减小，有利于提高系统控制品质。 通常副控制器的控制规律选 PI。正反作用的选择： 串级控制系统主副控制器正反作用的选择应满足负反馈准则，因此，对主环和副环都必须满足总开 环增益为正，假设主副检测变送环节的增益都为正：a：根据安全运行准则，选择控制阀的气开气关形式。b：很据工艺条件确定副被控对象的特性。c：根据负反馈准则，确定副控制器正反作用。d：根据工艺条件确定主被控对象的特性。 。e：根据负反馈准则， 确定主控制器正反作用。 确定主控制器正反作用时， 只需要满足 Kc1Kp1Km1>0. f：根据负反馈准则确定在主控方式