過程控制系統(tǒng)與儀表華南理工大學自動化學院2014年

考試范圍:第1章緒論第4章執(zhí)行器及安全柵（部分）第5章被控過程的數(shù)學模型第6章簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定第7章復雜控制系統(tǒng)第8章先進過程控制技術(shù)（部分）第10章過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實例（部分）第1章緒論過程控制的特點：連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制。過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)：四個環(huán)節(jié)：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統(tǒng)的分類1.按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。2）隨動控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預定的時間程序變化。2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）3）復合控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的性能指標根據(jù)工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。典型測試：給系統(tǒng)輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。干擾階躍響應(yīng)t0y給定階躍響應(yīng)0ty

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。1）衰減比n和衰減率ψ2）最大動態(tài)偏差A和超調(diào)量σ3）余差C4）調(diào)節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω另外：還有峰值時間Tp（又稱上升時間）穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標——偏差積分①偏差積分IE②絕對偏差積分IAE③平方偏差積分ISE④時間與絕對偏差乘積積分ITAE第5章被控過程的數(shù)學模型建立被控過程數(shù)學模型的基本方法機理法：根據(jù)生產(chǎn)過程的內(nèi)部機理，列寫出有關(guān)的平衡方程，從而獲取對象的數(shù)學模型。測試法：通過實驗測試，來識別對象的數(shù)學模型?？键c：水槽機理法建模步驟：（1）弄清楚對象的輸入量、輸出量（2）根據(jù)物料平衡方程、閥門特性列寫微分方程組，增量化處理（3）畫出系統(tǒng)框圖要求（4）寫出最后的傳遞函數(shù)被控過程的自衡與非自衡特性考點注意：同樣的單容水槽如果出水用泵抽出，則成為無自衡特性。

具有純滯后的液位過程。階躍響應(yīng)曲線法建模給對象輸入一階躍信號或方波信號測其輸出響應(yīng)。1．階躍響應(yīng)曲線的直接測定1Δμ1ttΔhKT２．矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應(yīng)曲線由階躍響應(yīng)曲線確定被控過程傳遞函數(shù)大多數(shù)工業(yè)對象的特性可以用具有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)來近似描述：1xtty0tyττ00對于少數(shù)無自衡特性的對象，可用帶滯后的積分特性近似描述：

xtty0tyττ00由對象的階躍響應(yīng)曲線基本可以辨識對象的特性模型結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)?；靖拍?.簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成指由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和一個對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)2.生產(chǎn)過程對過程控制系統(tǒng)的要求可簡要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面。不要與性能指標的穩(wěn)、準、快混淆。3.被控參數(shù)與控制變量的選擇見書上

第6章簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定特別強調(diào)：控制通道時間常數(shù)T0的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器的校正作用克服擾動對被控參數(shù)影響的快慢。若T0太大，控制作用太弱，被控參數(shù)變化緩慢，控制不及時，系統(tǒng)過渡時間長，控制質(zhì)量下降。若T0太小，易引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。所以，T0應(yīng)適當小一點。執(zhí)行器的選擇概念執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)機構(gòu)就是閥門根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所使用能源的不同，執(zhí)行器可以分為氣動、電動、液動三大類。氣動執(zhí)行器接受0.2×105～1.0×105Ｐa的標準氣壓信號控制閥的流量特性：指介質(zhì)流過控制閥閥門的相對流量與相對開度之間的關(guān)系。⑴理想流量特性①直線流量特性②對數(shù)（等百分比）流量特性③拋物線流量特性④快開流量特性⑵工作流量特性實際應(yīng)用中，理想流量特性會因控制閥前后壓差遭受阻力損失而畸變成工作流量特性。

調(diào)節(jié)閥的選擇1．調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度應(yīng)在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇首先按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，再根據(jù)流量特性曲線的畸變程度以及工藝要求和工藝配管情況，確定理想流量特性。3．★調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇（必須掌握）

★調(diào)節(jié)器正反作用的選擇為了保證負反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作量被控變量干擾為了說明選擇方法，先定義作用方向：當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用被控對象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測量輸入與輸出的關(guān)系定義：正作用：測量值–給定值反作用：給定值–測量值

調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負反饋簡單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測量值反作用正作用正作用正作用＋調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關(guān)系。調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行機構(gòu)，對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點缺點應(yīng)用P靈敏、簡單，只有一個整定參數(shù)；存在靜差負荷變化不顯著，工藝指標要求不高的對象。PI能消除靜差，又控制靈敏對于滯后較大的對象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對于滯后很大，負荷變化很大的對象，PID調(diào)節(jié)也無法滿足要求，應(yīng)設(shè)計復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負荷變化較大、精度要求高的對象。（1）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（2）衰減曲線法閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。（3）響應(yīng)曲線法（開環(huán)整定方法）（4）經(jīng)驗法

憑經(jīng)驗湊試。其關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法重點：響應(yīng)曲線法屬于開環(huán)整定方法。以被控對象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過經(jīng)驗公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象被控變量根據(jù)實驗所得響應(yīng)曲線，找出廣義對象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗公式求整定參數(shù)。T0τ0此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進行，對于不允許工藝失控的生產(chǎn)過程，不能使用。表6.4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點缺點響應(yīng)曲線法方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗串級控制系統(tǒng)當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時可考慮采用串級控制系統(tǒng)。

第7章復雜控制系統(tǒng)爐膛溫度變化

T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭縏1T、T1C回路再改變?nèi)剂狭砍隽蠝囟茸兓鉀Q措施：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。

燃料壓力變化

3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T系統(tǒng)框圖（注意規(guī)范，寫出每一個環(huán)節(jié)）主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋串級系統(tǒng)特點總結(jié)：①對進入副回路的干擾有很強的克服能力；②改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；③對負荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。調(diào)節(jié)效果比較串級控制單回路控制ty重點：選擇串級系統(tǒng)的副變量，遵循下面幾個原則：

①主、副變量有對應(yīng)關(guān)系②副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾③副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生④應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定1、根據(jù)工藝安全、節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；2、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。舉例：1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)備安全。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋2、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－前饋控制原理：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。補償原理：不變性原理如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0前饋控制的特點：①前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，稱為“擾動補償”。如果補償精確，被調(diào)變量不會變化，能實現(xiàn)“不變性”控制。②前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。③前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由對象特性決定的。④前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。前饋控制的局限性①實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測非常困難。②前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，即使前饋控制器設(shè)計的非常精確，實現(xiàn)時也會存在誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。

1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)（S=0時）2．動態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。前饋—反饋復合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋—反饋復合控制系統(tǒng)。如換熱器出口溫度前饋—反饋復合控制系統(tǒng)?！芓TTCM蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFB復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。③在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)高精度的控制。而前饋——反饋控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。前饋——串級復合控制系統(tǒng)對于慢過程的控制，如果生產(chǎn)過程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級復合控制方案。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)前饋控制的應(yīng)用場合（1）某個干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，而對象的控制通道滯后大。（2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質(zhì)量差。（3）用串級控制，效果改善不明顯。大滯后過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時間τ0與時間常數(shù)T之比大于0.3（τ0/T＞0.3）的過程稱之為大滯后過程。大滯后過程的Simth預估補償控制Simth預估補償控制是按照對象特性，設(shè)計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應(yīng)，提早進行補償，使控制器提前動作，從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過程。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預估補償系統(tǒng)對補償模型的誤差十分敏感，補償效果取決于補償器模型的精度。

Gb(s)=G0(s)(1-e-τoS)比值控制系統(tǒng)定義：實現(xiàn)兩個或多個參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。例如要實現(xiàn)兩種物料的比例關(guān)系，則表示為：Q2=K

Q1

其中：K—比值系數(shù)；Q1—主流量；

Q2—副流量

。比值控制系統(tǒng)的種類

1.開環(huán)比值控制系統(tǒng)FTFCQ1Q22.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1TQ1Q2KF2TF2C3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Q1是主流量，Q2是副流量。兩個流量都可控，因此總流量穩(wěn)定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK4．變比值控制系統(tǒng)在有些生產(chǎn)過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個工藝參數(shù)的需要而變化，為滿足這種工藝的要求，就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。圖7.23變比值控制系統(tǒng)框圖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'__應(yīng)當注意，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)（如本例中溫度）往往是主要被控參數(shù)。比值控制系