过控课程复习总结

1、过控系统基本概念被控过程建模方法控制器的信号制、内外给定、正反作用、无扰动切换调节阀类型、气开与气关、流量特性、流通能力单回路控制系统设计要点串级与前馈比值、均匀、分程、选择与多变量控制分析控制方案特点过程控制系统过程控制系统基本要求基本要求连续生产过程（流程工业） 对象建模、 参数检测、 自动控制系统的设计， 仪表选型及工程实现、 系统参数整定。强调工程应用能力，有别于自动控制理论。过程控制系统过程控制系统总结总结 过程控制系统分类过程控制系统分类 被控参数被控参数: 主要五种，温度，液位，流量，压力，主要五种，温度，液位，流量，压力，成分成分被控量被控量: 单变量单变量SO、 多变量多变量

2、MO完成的特定工艺完成的特定工艺: 比值、均匀、分程、选择比值、均匀、分程、选择技术手段技术手段：常规仪表或计算机常规仪表或计算机结构特点结构特点: 反馈、前馈、复合控制反馈、前馈、复合控制给定值信号特点给定值信号特点: 定值、随动、顺序控制定值、随动、顺序控制定值为主，对象不易精确建模，多参数，干扰因素多，分扰动通道和控制通道分析，多复合控制。过程控制性能指标过程控制性能指标稳、快、准稳、快、准 时域指标时域指标: 衰减比和衰减率；超调量；残差；调节时间；振衰减比和衰减率；超调量；残差；调节时间；振荡频率荡频率12BnB131BBB()()100%()pyyyt%1001n)()(yre)(

3、)(ye过程控制性能指标过程控制性能指标稳、快、准稳、快、准 综合指标综合指标: IE IAE ISE ITAEmin)(0dtteIAEmin)(02dtteISEmin)(0dttetITAEmin)(02dttteITSE自动化仪表自动化仪表（图（图18）2.检测仪表的工作特性：适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性（1）理想工作特性：（线性）minminminmaxminmax)(yxxxxyyy（2）零点调整与迁移被测参数的下限值或对应仪表输出下限值的被测参数最大值；使输入下限值为零的过程称为零点调整，否则为零点迁移。零点迁移前后的输入/输出特性（正迁移；负迁移）(3) 量

4、程调整量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围量程调整是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应量程调整前后的输入/输出特性仪表选用注意：精度，量程，零点，环境要求，安装使用方法实例： 某测温仪表的量程为0500，输出信号为420mA ，现欲测量2001000应如何调整？过程控制仪表包括：调节器、执行器、操作器及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。使用能源：气动，电动结构形式：基地式，单元组合式，组装式，集散控制装置信号类型：模拟式，数字式第第3章章: 过程控制仪表过程控制仪表 q将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强

5、度配合适当，既能快速调节，又只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。4 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键测量信号：测量信号：15V.DC； 外给定信号：外给定信号：420mA.DC；内给定信号：内给定信号：15V.DC； 输出信号：输出

6、信号：420mA.DC； DDZ-型仪表的特点及外形型仪表的特点及外形调节阀有气开和气关n执行机构有正反作用当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用；n阀体部件有正装和反装n气动调节阀有气开式和气关式气开： （有信号）信号压 P0.02MPa时,阀开始打开气关气关气开气开气开气开气关气关气动执行器的选用气动执行器的选用 阀气开、气关形式选择阀气开、气关形式选择选择原则：主要出于安全考虑. 如，蒸汽加热器 气开 锅炉进水阀 气关另外，考虑节能：进料选气开阀 考虑保证质量：回流选气关阀 若物料易结晶凝固：选气关阀（防堵） 3.4.2 气动执行器的应用1. 调节阀的尺寸 通常用公称直径Dg和阀座直

7、径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力：调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 0122()VgqAppr为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 (335)VrCqp3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性调节阀的阀芯位移与流

8、量之间的关系，对控制系统的调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。调节品质有很大影响。流量特性的定义：流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max()qlfqLq/qmax 相对流量 l/L 相对开度调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关(1) 固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性将控制阀前后压差固定时得到的流量特性。它取决将控制阀前后压差固定时得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。于阀芯的形状。l/Lqv/qvmax抛物线抛物线直线直线快开对数对数(2) 调节阀的工作流量特性调

9、节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控制阀的压与控制阀的压降降Pv之和。之和。结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，

10、s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。2) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀直线阀 b)对数阀对数阀max 0 8QSQSS 并联管道：旁路阀打开， 减小，阀可调范围下降。要求 不低于 .（3）流量特性的选择 1）依据过程特性选择。要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原

11、则为 0vK K 常数调节阀的放大系数 被控过程的放大系数 过程特性为线性线性时,选择直线特性调节阀,否则选择等百分比特性的调节阀。2）依据配管情况选择。 在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表3-4进行。 配管状况配管状况S=1-0.6S=0.6-0.3工作特性工作特性直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比理想特性理想特性直线直线等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比3）依据负荷变化情况选择。在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀；当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。 电气转换与阀门电气转换与阀门定位定位加装阀门定位器，

12、引入加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开输入信号精确地确定自己的开度。度。实现准确定位；改善调节阀的动态特性；改变调节阀的流量特性；实现分程控制。4.1.2 4.1.2 被控过程的特性被控过程的特性依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单容特性与多容特性、依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单容特性与多容特性、振荡与非振荡特性等振荡与非振荡特性等 1 1有自衡特性和无自衡特性有自衡特性和无自衡特性自衡特性：当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人自衡特性：当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无

13、控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态或无控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态否则，该过程则被认为无自衡特性。否则，该过程则被认为无自衡特性。 工业生产过程一般都具有储存物料或能量的能力，其储存能力的大小工业生产过程一般都具有储存物料或能量的能力，其储存能力的大小称为容量。称为容量。所谓单容过程是指只有一个储存容积的过程。所谓单容过程是指只有一个储存容积的过程。当被控过程由多个容积组成时，则称为多容过程。当被控过程由多个容积组成时，则称为多容过程。解析法建模解析法建模 单容过程建模单容过程建模解析法建模解析法建模 单容过程建模单容过程建模响应曲线法辨识过程模型响应曲线

14、法辨识过程模型 一、一、 阶跃响应阶跃响应试验注意试验注意: 稳态时开始试验稳态时开始试验 多次重复试验，稳定后再试多次重复试验，稳定后再试 正、反响应对比正、反响应对比 信号变化幅度信号变化幅度 ： 515%正常信号正常信号 （ 10%） 简单控制系统: SISO 一个被控参数,一个调节器,一个调节阀 5.1 简单控制系统设计概述简单控制系统设计概述干扰通道特性对控制质量的影响干扰通道特性对控制质量的影响 (1)Kd的影响： Kd，扰动引起的输出越大. 偏离给定值多 Kd小为好若Kd不可变，采取办法:控制作用;扰动补偿.(2)Td的影响： 相当于滤波时间常数。 Td，扰动的动态影响 或: 相

15、当于特征方程增加极点 (3)时延影响: 不影响控制质量. 使对干扰的响应比无滞后时延时了 时间.(4)扰动作用点的影响： 作用点越远离被控变量，对系统的动态控制质量有利 (为什么？）( )1dddKGsT S( )111( )1( )dCVPSddKCV sD sG G G GsTST控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响 (1)静态增益Kp的影响：调节器增益KC一定条件下,控制通道静态增益Kp越大,则控制作用越强. 抗扰. ess；Kp. 响应迅速(反应灵敏)；Kp. 对闭环稳定性不利.综合考虑稳、快、准三方面要求,应改变KC,使KpKC保持在合适数值.(2)Tp影响： T

16、p 调节作用不够及时， tS ，控制质量下降; Tp过小, 控制作用过于灵敏,易引起系统振荡 Tp适当小. Tp无法变时在控制通道中增加微分作用)()()()()()()()()(sGsGsGsGsGsGsGsSPsCVScvpcvp1控制通道特性对控制质量的影响控制通道特性对控制质量的影响 (3)时延影响：时延,%,动态偏差,使控制质量下降,时延使相角滞后,系统稳定性降低. 设法减小时延.(4)控制通道的时间常数匹配问题：时间常数错开越多, 临界稳定增益Kk越大,对稳定性越有利.实际生产中：最大时间常数对应核心设备,往往不可变,可减小其它时间常数.如. 快速测量仪表； 减小调节阀时间常数.

17、) 1)(1)(1()(32100sTsTsTKsG3113122332212TTTTTTTTTTTTKK5.2 控制方案的确定控制方案的确定 包括:被控参数选择 (或称:被控变量,被控量)（工艺重要，易测量，灵敏） 控制参数选择 (或称:控制变量,控制量)（考虑通道特性的影响） 测量信息的获取和变送（精度，测量点，滤波，时延补偿） 调节阀的选择（阀特性，工作区间，流量特性，气开/气关） 调节规律的确定等 （正作用、反作用）工程经验(工艺要求,技术指标,环境,经济条件制约)+理论分析计算5.2.4 执行器的选择 1. 执行器的选型 气动执行器vs电动执行器考虑生产过程的特点、对执行器推力的需求

18、以及被控介质的具体情况和保证安全等因素2. 气动执行器气开、气关的选择 3. 调节阀尺寸的选择 调节阀的开度和口径一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。 4. 调节阀流量特性的选择 被控过程的非线性特性补偿；负荷变化范围 控制方案的确定控制方案的确定 阀开、关的确定原则： 安全需要、保证质量、介质性质(防结晶堵塞) 例：燃油炉进料阀：气开； 精馏塔进料阀：气开； 回流阀:气关调节器正、反作用的确定原则： 使整个单回路构成负反馈系统正作用调节器：测量值, 调节器输出, KC0 过程 若正作用,Kp0 调节器 开环各增益乘积为正 KC0，即 反作用

19、新控制系统安装就绪后新控制系统安装就绪后, ,或老系统经改造或停车检或老系统经改造或停车检修后再将其逐步投入生产的过程。修后再将其逐步投入生产的过程。 投运顺序投运顺序： 检测系统投入运行检测系统投入运行; ; 调节阀手动遥控调节阀手动遥控; ; 控制器投运控制器投运( (手动手动自动自动) ) ( (正反作用正反作用,PID,PID参数参数) ) 偏差偏差=0=0时切换时切换,PID,PID参数整定参数整定控制系统投运控制系统投运 调节器参数的工程整定调节器参数的工程整定 一.临界比例度法：临界比例度法：(稳定边界法) 1.Ti= TD=0 较大 闭环 2.稳定后,yr阶跃扰动, ,至出现等

20、幅振荡 记下k (临界比例带). Tk(等幅震荡周期) 3. 计算 Ti Td 限制限制：a. 有些过程不宜做反复振荡实验 b. 2阶以上对象调节器参数的工程整定调节器参数的工程整定 二二. .衰减曲线法衰减曲线法 1. Ti= TD=0 较大 闭环 2. 稳定后, yr阶跃扰动,得到衰减比4:1(衰减率=0.75)或10:1(衰减率=0.9)振荡过程 衰减快 反之 ，记下此时值， Ts(振荡周期),Tr或Tp. 3. 查表计算 ， Ti， Td。 限制限制：较难得到精确4:1或者10:1衰减曲线,计算不易准确,扰动频繁,过程变化较快系统不宜。 2阶以上对象调节器参数的工程整定调节器参数的工程

21、整定 三.反应曲线法：(动态特性参数法)开环整定得广义对象模型（传递函数）参数,查表计算 Ti Td 限制限制：理论性相对较强,适应性也较广,限制较少。 应用范围应用范围：容量滞后较大的过程 副回路等效时间常数减小串级控制系统串级控制系统 应用范围应用范围：纯时延较大的过程 副回路实现对主要干扰的快速响应和控制串级控制系统串级控制系统 应用范围应用范围：干扰变化激烈而且幅度大的过程 副回路对于其中的干扰有较强的克服能力串级控制系统串级控制系统 应用范围应用范围：参数互相关联的过程 主副回路分别控制主、次被控变量串级控制系统串级控制系统 应用范围应用范围：非线性过程 副回路对非线性随负荷变化具有

22、自适应能力串级控制系统串级控制系统 3 3.主、副调主、副调 正、反作用确定正、反作用确定 原则：系统负反馈 顺序： 1）从工艺安全要求调节阀开、关形式 2）副调正、反作用 3）根据主、副参数关系决定主调 正、反作用串级控制系统的设计串级控制系统的设计 前馈控制设计准则前馈控制设计准则前馈适用于下列场合前馈适用于下列场合1.1.单回路性能不理想2.变量可测可测的扰动变量必须可测的扰动变量必须3.3.代表系统受到的主要干扰4.调节阀与可测扰动变量传感器间无因果关系5.CV对DV的响应不比对MV的响应快前馈控制系统前馈控制系统 选用：选用： 1.针对干扰 2.存在滞后： 控制通道滞后时间常数大于干

23、扰通道 3.串级不宜： 干扰无法包含在副回路，或副回路滞后过大 4.经济性原则：静态前馈前馈控制系统选用原则前馈控制系统选用原则比值控制系统比值控制系统:使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。2.单闭环比值控制单闭环比值控制可确保主、副回路两个流量比值不变,而结构又较简单比值控制比值控制3.3.双闭环比值控制双闭环比值控制 主、副流量比较稳定适用：负荷变化要求比较平稳时但：仪表较多,投资较高 防共振比值控制比值控制比值设定方法：比值设定方法：乘法器乘法器除法器除法器4、 变比值控制系统。变比值控制系统。 应该注意应该注意: 在变比值控制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最在变比值控

24、制系统中，比值通常只是一种控制手段不是最终目的，而第三参数终目的，而第三参数y(s)y(s)往往往往是产品质量指标。是产品质量指标。 在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的在有些生产过程中，要求两种物料的流量比随第三个工艺参数的要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就是要求而变化，也就是比值系数不是固定的而是随工况而变化的，这就是变比值变比值控制。控制。基于除法器的变比值控制比值控制系统比值控制系统 比值控制系统中的特殊问题 1.1.比值系数的计算比值系数的计算 将流量比值K 折算成相应仪表的标准统一信号 流量与测量信号成线性关系2221 max22max

25、2 max(204)4,QQIKKQQ1maxmax2max(204)4,QQIKKQQ流量与测量信号成非线性关系 均匀控制概念：前后相连的设备在物料供求上相互均匀,协调,统筹兼顾.均匀控制系统均匀控制系统 均匀控制特点：结构上无特殊性区别在于控制目的以及相应的控制器参数整定。靠降低控制回路灵敏度获得均匀。 大（100%)， Ti大工艺参数应缓慢地变化。工艺参数应限定在允许范围内变化。 1 1、用于节能用于节能 2用于扩大调节阀的可调范围用于扩大调节阀的可调范围 由于我国目前统一设计的调节阀，其可调范围为30，因而不能满足需要调节阀可调范围大的生产过程。解决这一问题的办法之一是采用分程控制，将

26、流通能力不同、可调范围相同的两个调节阀当一个调节阀使用，扩大其可调节范围，以满足特殊工艺的要求。 由此可见，分程控制中调节阀的可调范围与单个调节阀相比，扩大了26倍，从而满足了工艺上的特殊要求。此时，调节阀的最大流通能力分别为调节阀例，某一分程控制系统的两个调节阀，其最小流通能力分别为1max2max1min109.2 0.14780RCCC分1min2min0.143.5CC和而可调范围均为1230RR的最大流通能力分别为1max2max4.2105CC和。若将两个调节阀当成一个调节阀当成一个调节阀使用，则最小流通能力为0.14，最大流通能力为109.2，由此可算出分程控制调节阀的可调范围为

27、 3用于两个不同控制介质的生产过程用于两个不同控制介质的生产过程 废液中和过程分程控制废液中和过程分程控制7PH7PH7PH酸性酸性碱性碱性中性中性一般的过程控制系统是在正常工况下，为保证生产过程的物料平衡、能量平衡和生产安全而设计的.还需要考虑到在事故状态下的安全生产问题，即当操作条件到达安全极限时，应有保护性措施。如:大型透平压缩机的防喘振，化学反应器的安全操作及锅炉燃烧系统的防脱火、防回火等。 1) 自动报警，然后由人工进行处理，或采用自动连锁、自动停机的方法进行保护，称为“硬保护”。 2) 2) “软保护”，即所谓选择性控制系统。-把由工艺生产过程限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自控

28、系统上去的一种控制方法。 至操作极限时：通过选择器，把一个用于控制不安全情况的备用控制系统取代正常工况下控制系统，待回到正常工况后又切回到正常工况下的自控系统。若选择器为低选，设1PC2PC，调节器1被选中，其输出为 111111ciPKeedt因此，调节器1仍保持调节规律。 此时，调节器2处于备用状态，其输出为222121ciPKee dt（2）积分切除法）积分切除法 调节器具有PI/P调节规律，即当调节器被选中时具有PI调节规律，一旦处于开环状态，立即切除积分功能而仅保留比例功能。这是一种特殊的调节器。若用计算机进行选择性控制，只要利用计算机的逻辑判断功能，编制出相应的程序即可。 （1）积分外反馈法）积分外反馈法- 开环调节