过程控制系统考试知识点复习和总结

1、第五章 复杂控制系统（串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制）串级控制系统定义：采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值的系统。主被羟变量加是串级控制垂僉中墓幄持平卷桎制的主要被揑专量 豹玻兰交畳问圣半丹控引習池苑转弐吨兰龙呈主控剖备旳希出书为副控腐的设宦值主控制誉在内部设垃IW况下工恺，BitA定恒控制並这悟基在外韶筑惰抚下工他Jt时是歳韵担上 主E*C回風上Si叵踣»»|Ft； *vrFT-1二弐_ 3I遅H忑匸胪*圧."壯吃越1st袞=土 .'I锂蜡:.迂2掘肄甜韻煙新工區倒册贯般± KW -

2、.1 I £=.' ；：调节过程:当燃料气压力或流量波动时,加热炉出口温度还没有变化，因此,主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量 测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度， 使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口 温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，畐蛀空制器的设定和 测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主 被控变量回复到设定值。当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时， 主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定， 而副控 制器一方面接受主控制器的输出信号

3、， 同时，根据燃料气流量测量值 的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根 据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定 值。特点：能迅速克服进入副回路扰动的影响串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率串级控制系统的自适应能力设计：主、畐U回路副回路应尽量包含生产过程中主要的、 变化剧烈、频繁和幅度大的扰 动，并力求包含尽可能多的扰动。设计副回路应注意工艺上的合理性；应考虑经济性；注意主、副对象时间常数的匹配串级控制系统中主、副控制器控制规律主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作 用，而对扰动作用起定值控制作用。主被控变

4、量要求无余差，副被控 变量却允许在一定范围内变动。主控制器可采用比例、积分两作用或 比例、积分、微分三作用控制规律，畐蛀空制器单比例作用或比例积分 作用控制规律。主、畐U控制器正、反作用的选择先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数 ，决定副控 制器正反作用方式，即必须使的Kc2KvKp2Km乘积为正值，其中Km2 通常总是正值。主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数， 至于控制 阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀 已包含在副回路内。应使KcIKpIKm的乘积为正值，通常Km总是正值, 因此主控制器的正、反作用选择应使 KcIKp伪正值。图5-4所示加热

5、炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器正反作ttii * I用的选择步骤如下:主啓热釧畸驛中甌軒竟輕制啊抹齟麵 粗楠務出悟为El飙器的竄宦豐主廿駝M竝紙下工忆昭抚护杞驼難駐專觀前况下此税觀艙控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀,Kv>0；£ 翻）髓：別刚）叵番副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，Kp2>0;副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKf2Kr2>0。因Km20;应选Kc2>0。即选用反作用控制器；主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，Kp1>0;主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km>0。因K

6、m>0；应选Kc1>0。即选用反作用控制器。调节过程：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时， 因副控制器是反作 用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减 小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温 度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控 制回路的调节，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以 保持出口温度恒定。图5-5所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反作用T -2 l90主 边帥鮭剧黯粕晦挣平眸制融主甦控坯的选择步骤如下:蛛制豪期師足情况下工忙Hittite*' 気刼雖權號蹶下工恫翊輕苓削Z S*

7、J）二汎 I.酬 ES控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，Kv<0;副被控对象：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此，Kp2<0;副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKf2Kr2>0。因Km20;应选Kc2>0。即选用反作用控制器；主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因此，Kp1>0；主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1 Kp1 Kr1>0o因Krrt>0;应选Kc1>0。即选用反作用控制器。参数的整定：（逐步逼近法；两步法；一步法）变型:米用常规仪表时，为减少仪表投资，米用加法器等运算单兀来实现 串级控制系统，以节省控制器

8、的投资。采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调 整。某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃 料量串级控制系统400三千芒凰 临:*足 串 恣.岳辰：坪.扌#平廿m电带1白廿主霍 干吉世 海：: 謝襁扌空亜妲 卒 级J受和J系址彳甫胡2EmlB ft BrJ 7*i-r ；臣丰羟棺奋柱內谆卩邃融橘若匚下工作” 固吐是*直拴* 囲婭删J耦是社常卜吉UW:定植说下工作”此时绘昶却绘腳J 至 <.SJfeHr J l°lhg I ail K经和 回J*巻比值控制系统定义：凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达 到某种控制目的的控制系

9、统。关系式：主动量F1,从动量F2,比值K=F2/F1。分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统单闭环比值控制系统双闭环比值控制系统r 云仔r心十亠一=一-三 剳竝控变量臨是喪拒制養统的芻助鮭栏变量主酬 黑的愉出作勺副控剖豪的祓龙虽主恕时51密内那喪定惜貌下工作因此竝脚則亞村罂艳匡外都就定債逗下工他此內是隨功控制主（E,目跖 蛊 曲1EiJ串枚挖制系绣世图D +.:曲片 X iEiri*neii展D43主社锻野1是申 籬削玮 中旻綜特平總控制的主聲脏控空量 副雄芒烹量W垒丰隸芝制薪统比辖駄还锂娈量主咗判畚的彫曲作皆副芭制畚的设能董主咗刚at在为廉戊宦情况下工桂刖嗟封弦是弓：

10、，蓝哎老恒疋下工传-此时是顼功乜勒主矩剽）迴陪£J tfi W变比值控制系统：变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个 控制器设定。tl 5-J珥利泊易用a主被按变量0是澤覩揑制垂统中慕保持平直拎制的主要被挖变量副隹控克毘y2是串级疸武丢统的辖助靈控烹呈主揑肌黠的输出作为副揑制肄驻设龙追主隹希一器生创邹说主愴辰弋工毎.査乂担宅宜包刮副控叡器星生外孫说芯牺况卞r作 Jt对是理劭捋制主控钊）回硏1副"松聊叵聒比值系数的计算: 采用线性流量检测单元情况F2 F 2 maxFi Fi maxF2 ( F1 maxF1F2 maxk(Fimax )采用电动和气动仪表时，乘法器输入的

11、比值电流或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算：输入信号二仪表量程范围x K+零点采用差压变送器(非线性检测变送环节)：F 2 F 2F 2K 21 maxk 21 maxF 2 F 2F 212 max2 max例题：合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、 蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节流装置和差压 变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为 31100m3/h;天然气最 大流量为11000m3/h;空气最大流量为14000m3/h;采用相乘和相除方 案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数 K1和K2,乘法器和除 法器输入电流I k

12、1和I k2。G4J-)Gm An p'Gri(»)主被按My1是半级按制系喷中龚保外平吨抿制的王鏗诫拄变呈 割匹住轉帀y2是申丈挂齐.系统射僅肋吨性土话主握制馨鸵辎出作为副迪別聲的设走®主控创器庄内芳仗定匱况下工作.因此是TT亘轻制 凱炖耐器是在如那设走苗呪下工乍.此吋是随动瘦创 主（校甬Q回路t硯疣和门回ES土皎按更里yi是虫川毁巴乘蜒屮畫保峙甲特竝此的主舉哦疫变塑 別岐羟变y2堆S1锻羟#,栄逊的犒初进理爱«宀"話十祐十订弋訓；*捋的育三主静剖黔在向部说定洁应下工作，因此是定禮控制0J注刚體品裡外制蛙走幡况下工作业时J&SH动控制主

13、（:按啊）叵路】副（按机）回鰭应选择该过程由于水蒸气定比值的过程比值控制系统设计和工程应用中的问题 1）、主动量和从动量的选择：主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时， 变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应, 不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持- 变量。2）、类型的选择:主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上一工序；主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统；当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时， 应选择变 比值控制系统；当质量偏离控制指标

14、需要改变流量的比值时， 应采用变比值控制系 统；变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。3）、比值函数环节（乘法器、分流器、加法器）4）、变送器量程的选择：采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量 程范围相等，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等；如果采用非F2 maxk 线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：fax，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等。5）、流量的温度压力补偿： 温度应换算到凯氏温度，压力应换算到 绝对压力。比值控制系统的参数整定和投运1、单闭环比值控制系统：非振荡或衰减比10：1的过渡过程。2、双闭环比值

15、控制系统：主动量：衰减比为 4:1整定主控制器参数; 动量控制系统：以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控制器参数。均匀控制系统定义：均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制 方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统， 也可 能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。特点：均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。参数整定：在均匀控制系统中不应该选择微分作用， 有时还可能需要 选择反微分作用。在参数整定上，一般比例度要大于 100%并且积分 时间要长一些，这样液位仍会变化，但变化不会太剧烈。同时，控

16、制 器输出很和缓，阀位变化不大，流量波动也相当小。这样就实现了均串级均匀控制系统系统中副回路流量控制的目的是为了消除控制阀前后压力干扰及自 衡作用对流量的影响均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定(1)控制规律作用的选择对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在“噪声”的场合， 特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时， 则应选用比例 积分控制规律。前馈控制系统原理：前馈控制系统是一种开环控制系统， 根据扰动或设定值的变化 按补偿原理而工作。申Qt控啊系统杞削S Liwr粹軒用忌桂乐就訥见禅兰拒届I" Ail*注七対別咗制i

17、s曲设w室揑喇在内K说奄幣尽下：E临此屋置1挥利匕斗吉风哉说十*左下工,览比昙垢工訐旦机特点：当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小 进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。换热器的前馈控制系统及其方块图前馈一反馈控制系统：利用前馈控制来克服可以预见的主要扰动； 而 对于前馈控制补偿不完全的部分及扰动依旧作用于被控变量所产生 的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。即使在大而频繁的扰动下， 仍然可以获得优良的控制品质。前馈控制的主要结构形式：静态前馈静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到 要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下， 可以通过

18、物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。静态前馈控制不包含时间因子，实施简便前馈反馈控制系统湘乘型)原料M$4H燃料加 热/炉(a)前馈加反馈*(b)前馈加串级反馈图5-22加热炉前馈反馈控制系统(相加型)前馈控制系统的设计及工程实施中若干问题前馈控制系统主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造 成的被控变量偏差消除时间长、系统不易稳定、控制品质差等弱点， 因此采用前馈控制系统的条件是：扰动可测但是不可控变化频 繁且变化幅度大的扰动 扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以 及时克服，且过程对控制精度要求又十分严格的情况。前馈补偿装置及偏置的选择:采用DCS或计算机控制：前馈-反馈控制算法

19、常规仪表实施：静态前馈选择性控制系统选择性控制系统(取代控制、超驰控制和保护控制)定义：在控制系统中含有选择单元的系统。选择器：低选器、高选器uo二mi n(ui1,ui2,- uij)uo二max (ui1,ui2,-uij)(1)选择器位于两个控制器与一个执行器之间超驰(override)控制系统是选择性控制系统中常用的类型。图5-25为液氨蒸发器的超驰控制系统，液氨蒸发器是一个换热设备，在 工业生产上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化热，因此， 它可以常用来冷却流经管内的被冷却物料。在正常工况下，控制阀由温度控制器TC的输出来控制，这样可以 保证被冷却物料的温度为设定值。但是，蒸发

20、器需要有足够汽化空间， 来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设计了液面超驰控制系统。在液面达到高限的工况，此时，即便被冷却物料的温度 高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代温度控制器TC进行控制。这样，既保证了必要的汽化空间又保证了设备安全。(2)操纵变量的选择性控制 加热炉燃料有低价燃料 A和补充燃料B, A最大供应量为AH,燃料A 超过AH时启用补充燃料B,为此设计了图5-26所示选择性控制系统。 正常工况时：m<AH温度控制器TC的输出m经低选器作为燃料A流 量控制器F1C的设定值，构成温度控制器 TC与燃料A流量控制 器串级控制。补充燃料B流量控制器F2

21、C设定值<0。当m>AH燃料A流量控制器F1C为定值控制，设定值为AH温度控 制器TC的输出m至加法器，m-n>0乍为补充燃料B流量控制器 F2C的设定值，构成温度控制器 TC与燃料B流量控制器串级控 制。选择性控制系统设计和工程应用中的问题(2)控制器的选择超驰控制系统的控制要求是超过安全软限时能够迅速切换到取 代控制器。取代控制器应选择比例度较小的比例或比例积分控制器。 控制器的正反作用可：负反馈准则 (3)防积分饱和由于偏差为零时，两个控制器的输出不能及时切换的现象称为选择 性控制系统的积分饱和。保持控制器切换时跟踪的方法：积分外反馈：选择器输出作为积分外反馈信号，分别

22、送两个控制器。积分外反馈积分外反馈图5-30选择性控制系统的防积分 饱和措施燃料压力变送器温度设定值温度控制器压力设定值-加法器低选器控制阀弛放气燃料流量变送器*温度变送器流量/压力 对象燃料量图5-31 段转化炉燃烧安全选择性控制系统方框图选择性控制系统应用实例一段转化炉燃烧安全选择性控制系统分程控制系统 定义：一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器， 而各个执行器 的工作范围不同（阀门定位器）。图5-34分程控制系统的分程组合不同工况需要不同的控制手段：间歇式搅拌槽反应器的温度控制，在 开始时需要加热升温，而到反应开始并逐渐剧烈时，反应放热，又需 要冷却降温。热水阀V1和冷却水阀V2由同

23、一个温度控制器操纵，需 要分程工作。图5-35间歇式搅拌槽反应器的温度分程控制扩大控制阀的可调范围控制阀最大流通能力R=控制阀最小流通能力国产控制阀的R一般为30。例如，大阀A的CAmax=100小阀B的CBmax=4则CBmin=4/30=0.133;假设大阀泄漏量为0,则分程控制后，最小总流通能力为0.133，最大总流通能力为100+4；系统的可调范围为（100+4）/0.133=780。双重控制系统双重或多重控制系统定义：一个被控变量采用两个或两个以上的操纵 变量进行控制的控制系统。这类控制系统采用不止一个控制器，其中, 一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号。系统操纵变量的选择需从操

24、作优化的要求综合考虑。它既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性。而两者又常常在一个生 产过程中同时存在。双重控制系统是综合这些操纵变量的各自优点， 克服各自弱点进行优化控制的。双重控制系统设计和工程应用中的问题(1) 主、副操纵变量的选择 主操纵变量：有较快动态响应；副操纵变量：较好静态性能双重控制系统应用实例在食品加工、化工等工业中应用的喷雾干燥过程如图5-39所示。浆料 经阀V后从喷头喷淋下来，与热风接触换热，进料被干燥并从干燥塔 底部排出，干燥的程度由间接指标温度控制。为了获得高精度的温度 控制及尽可能节省蒸汽的消耗量，采用图示的双重控制系统，取得良 好的控制效果。图5-39

25、喷雾干燥的双重控制系统尖昭=3弓严祁申忡判吊気中偉秤千广呻列的寸百肝忡壬 曉怪7鼻嗔桂初也想它丰 p岂 祐岀吟*.gr洽叶IT主證肿fl桎禺册盘总宇土冃仁 匡ML建走僮幢削B'l*=* JW荐奁年刃旧年嚼遍下工TF itfEH雅晒=1产別 至-凹常匕M cH昭5.8差拍控制系统第四章简单控制系统(b)图4-2简单控制系统的框图执行器：控制阀：气动、电动、液动控制阀选择的内容：结构形式及材质的选择，口径大小及开闭形式的 选择，流量特性的选择，以及阀门定位器的选择等。控制阀：执行机构、调节机构两部分组成。执行机构有三种类型：薄膜式、活塞式和长行程式控制阀气开、气关形式的选择：对于一个具体的

26、控制系统来说，究竟 选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节 失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要由 具体的生产工艺来决定。控制阀气开、气关形式的选择应遵循几条原则 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断，或控制器出故障而无 输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯 回复到无能源的初始状态 （气开阀回复到全关， 气关阀回复到全开） 应能确保生产工艺设备的安全， 不致发生事故。 如生产蒸汽的锅炉水 位控制系统中的给水控制阀， 为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧 坏 , 控制阀应选气关式。 从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态

27、而回复到初 始位置时， 不应降低产品的质量， 如精馏塔回流量控制阀常采用气关 式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态 , 防止不合 格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的控制 阀就常采用气开式 , 一旦控制阀失去能源即处于气关状态，不再给塔 进料，以免造成浪费。 从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开式， 以保证在控制阀失去能源时能处于全关状态避免蒸汽的浪费， 但是如 果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气关式以防 调节阀失去能源时阀门 关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶 和凝聚。国内常用的理想流

28、量特性 有线性、等百分比和快开等几种 阀门定位器有以下三方面的功能：改善控制阀的动、静态特性改善控制阀的流量特性实现分程控制第三章控制器的控制规律比例控制(1)比例控制规律(P)控制器输出信号u(t)与输入信号e(t)之间的关系为 u(t)= Kc e(t) 式中Kc是控制器的比例增益。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。比例控制器的传递函数为:Gc（s）器 Kc比例增益Kc是控制器的输出变量 u(t)与输入变量e(t)之比。Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出 u(t)也越大。因此Kc是衡量比例作用强弱的因素。工业生产上所用的控制器，一般都用比例度S来表示比例作用的强

29、弱。(2) 比例度3ZmaxZmin8定义为UmaxUmin100%式中，e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；Au为控制器输出信号的变化量，即控制命令;(Zmax-Zmi n)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(umax-umi n)为控制器输出信号的变化范围改写为单元组合仪表e Umax uminu ZmaxZmin1Kc100%100%UmaxUmin100%Kc ZmaxZmin因此比例度S与比例增益Kc成反比。S越小，则Kc越大，比例控制作用就越强；反之，S越大，则Kc越小，比例控制作 用就越弱。积分控制积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比的控制规律，亦即控

30、制器的输出变化速度与输入偏差值成正比t1 t1u Ki °e(t)dt °e(t)dtU (s) E(s)Ti传递函数为：Ti S式中Ki 控制器的积分速度；Ti%Ki控制器的积分时间(Ki )o比例积分控制U(s) Kc 11 1Ts E(S)U " Ttedt)o防止积分饱和现象有三种办法:(1)对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值;(2)限制控制器积分部分的输出，使之不超出限值。对于气动仪表, 可采用外部信号作为其积分反馈信号，使之不能形成偏差积分作用;对于电动仪表，可改进仪表内部线路;(3) 积分切除法，即在控制器的输出超过某一限值时，将控制器的 调节规律由比例积分自动切换成纯比例调节状态 比例微分控制 比例微分控制器的数学表达式Td d uKd dtu Kc(TddedtT E(s)-sD当输入