过程控制工程 总结教学课件

过程控制系统与仪表华南理工大学自动化学院2014年

考试范围:第1章绪论第4章执行器及安全栅（部分）第5章被控过程的数学模型第6章简单控制系统的设计与参数整定第7章复杂控制系统第8章先进过程控制技术（部分）第10章过程控制系统应用实例（部分）第1章绪论过程控制的特点：连续生产过程的自动控制。过程控制系统的主要任务：四个环节：

给定值被控变量干扰f

控制器变送器执行器被控对象+e实测值－过程控制系统的分类1.按设定值的形式分类1）定值控制系统——设定值恒定不变。2）随动控制系统——设定值随时可能变化。3）程序控制系统——设定值按预定的时间程序变化。2.按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）2）前馈控制系统（开环控制系统）3）复合控制系统过程控制系统的性能指标根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。典型测试：给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。分给定阶跃响应和干扰阶跃响应两类。干扰阶跃响应t0y给定阶跃响应0ty

系统阶跃响应的单项性能指标单项性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。1）衰减比n和衰减率ψ2）最大动态偏差A和超调量σ3）余差C4）调节时间Ts和振荡频率ω另外：还有峰值时间Tp（又称上升时间）稳定性

衰减比n=4:1~10:1最佳

准确性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

过渡时间Ts短好

振荡周期T短好系统阶跃响应的综合性能指标——偏差积分①偏差积分IE②绝对偏差积分IAE③平方偏差积分ISE④时间与绝对偏差乘积积分ITAE第5章被控过程的数学模型建立被控过程数学模型的基本方法机理法：根据生产过程的内部机理，列写出有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。测试法：通过实验测试，来识别对象的数学模型。考点：水槽机理法建模步骤：（1）弄清楚对象的输入量、输出量（2）根据物料平衡方程、阀门特性列写微分方程组，增量化处理（3）画出系统框图要求（4）写出最后的传递函数被控过程的自衡与非自衡特性考点注意：同样的单容水槽如果出水用泵抽出，则成为无自衡特性。

具有纯滞后的液位过程。阶跃响应曲线法建模给对象输入一阶跃信号或方波信号测其输出响应。1．阶跃响应曲线的直接测定1Δμ1ttΔhKT２．矩形脉冲法测定被控过程的阶跃响应曲线由阶跃响应曲线确定被控过程传递函数大多数工业对象的特性可以用具有纯滞后的一阶或二阶惯性环节来近似描述：1xtty0tyττ00对于少数无自衡特性的对象，可用带滞后的积分特性近似描述：

xtty0tyττ00由对象的阶跃响应曲线基本可以辨识对象的特性模型结构和特性参数。基本概念1.简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统2.生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。不要与性能指标的稳、准、快混淆。3.被控参数与控制变量的选择见书上

第6章简单控制系统的设计与参数整定特别强调：控制通道时间常数T0的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。若T0太大，控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。若T0太小，易引起系统振荡，使系统稳定性下降。所以，T0应适当小一点。执行器的选择概念执行器组成：执行机构和调节机构，调节机构就是阀门根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分为气动、电动、液动三大类。气动执行器接受0.2×105～1.0×105Ｐa的标准气压信号控制阀的流量特性：指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度之间的关系。⑴理想流量特性①直线流量特性②对数（等百分比）流量特性③抛物线流量特性④快开流量特性⑵工作流量特性实际应用中，理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。

调节阀的选择1．调节阀工作区间的选择正常工况下，调节阀的开度应在15%～85%区间。据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。2．调节阀的流量特性选择首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。3．★调节阀的气开、气关作用方式选择（必须掌握）

★调节器正反作用的选择为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。给定值＋－测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰为了说明选择方法，先定义作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用”。按此定义：变送器都是正作用气开阀是正作用，气关阀是反作用被控对象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值–给定值反作用：给定值–测量值

调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰－测量值反作用正作用正作用正作用＋调节规律调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。比例、积分、微分三种调节规律将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，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。在PID调节中，比例作用是基础；微分作用可以加快系统控制速度，减小超调；积分作用可以消除静差。调节规律优点缺点应用P灵敏、简单，只有一个整定参数；存在静差负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。PI能消除静差，又控制灵敏对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效果不好。应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流量调节系统。PD增进调节系统的稳定度，可调小比例度，而加快调节过程，减小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高频干扰。应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的对象。PID综合了各类调节作用的优点，所以有更高的调节质量。对于滞后很大，负荷变化很大的对象，PID调节也无法满足要求，应设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要求高的对象。（1）稳定边界法（临界比例度法）闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（2）衰减曲线法闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。（3）响应曲线法（开环整定方法）（4）经验法

凭经验凑试。其关键是“看曲线，调参数”。调节器参数的工程整定方法重点：响应曲线法属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。给定值＋－测量变送器控制器执行器对象被控变量根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0，用表6-4的经验公式求整定参数。T0τ0此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。表6.4响应曲线法整定参数的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定参数调节规律几种整定方法的比较整定方法优点缺点响应曲线法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时经验法系统闭环，不需计算需要经验串级控制系统当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时可考虑采用串级控制系统。

第7章复杂控制系统炉膛温度变化

T2T、T2C回路先改变燃料量T1T、T1C回路再改变燃料量出料温度变化解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。

燃料压力变化

3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T系统框图（注意规范，写出每一个环节）主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋串级系统特点总结：①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。调节效果比较串级控制单回路控制ty重点：选择串级系统的副变量，遵循下面几个原则：

①主、副变量有对应关系②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生④应注意工艺上的合理性和经济性主、副调节器调节规律的选择主调节器通常选用PI调节，或PID调节。副调节器一般选P调节就可以了。主、副调节器正、反作用方式的确定1、根据工艺安全、节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。举例：1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T＋2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T＋＋＋－前馈控制原理：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。补偿原理：不变性原理如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0前馈控制的特点：①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。③前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。前馈控制的局限性①实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。②前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。前馈控制系统的结构前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。

1．静态前馈控制系统（S=0时）2．动态前馈控制系统完全按照补偿控制规律制作控制器。前馈—反馈复合控制系统为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。如换热器出口温度前馈—反馈复合控制系统。∑TTTCM蒸汽换热器冷物料入口热物料出口冷凝水FTFB复合控制系统具有以下优点：①在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。②反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈——反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。前馈——串级复合控制系统对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈——串级复合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)前馈控制的应用场合（1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。（2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。（3）用串级控制，效果改善不明显。大滞后过程控制系统在工业生产中，控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后时间τ0与时间常数T之比大于0.3（τ0/T＞0.3）的过程称之为大滞后过程。大滞后过程的Simth预估补偿控制Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)得：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_Smith预估补偿系统对补偿模型的误差十分敏感，补偿效果取决于补偿器模型的精度。

Gb(s)=G0(s)(1-e-τoS)比值控制系统定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：Q2=K

Q1

其中：K—比值系数；Q1—主流量；

Q2—副流量

。比值控制系统的种类

1.开环比值控制系统FTFCQ1Q22.单闭环比值控制系统F1TQ1Q2KF2TF2C3.双闭环比值控制系统Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK4．变比值控制系统在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。图7.23变比值控制系统框图Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)X(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)÷+K'Kr'__应当注意，在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数（如本例中温度）往往是主要被控参数。比值控制系