过程控制系统知识点

1. 过程控制系统分类：

按结构特点

反馈控制系统：根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据；

前馈控制系统：根据扰动量的大小进行工作，扰动时控制的依据；

前馈——反馈控制系统：开环前馈能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参数的影响；其余次要扰动，则利用反馈控制予以克服；

按信号给定值分类

定制控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变，或小范围附近不变；

程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序变化工作；

随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化的控制系统；

2. 建模方法：机理分析法和试验法

4. 执行器（调节阀）由执行机构和调节机构两部分构成。执行器可分为气动执行器、电动执行器、液动执行器三类；气动执行器输入信号为0.02—0.1MPa；电动执行器输入信号为DC 4~20mA；

5. 什么叫气开式调节阀，什么叫气关式调节阀？怎样利用执行机构和调节机构来组成气开、气关式调节阀？

执行器有气开、气关两种型式。所谓气开式，即当气动执行器输入压力p》0.02MPa时，阀门开始打开，也就是说有信号压力时阀开，无信号压力时阀关。对于气关式则反之，既有信号压力时阀关，无信号压力时阀开。

正作用执行机构与正装调节机构组成气关式调节阀；正作用执行机构与反装调节机构组成气开式调节阀；反作用执行机构与正装调节机构组成气开式调节阀；反作用执行机构与反装调节机构组成气关式调节阀；

6. 何为调节阀的流量特性？何为理想流量特性和工作流量特性？在工程上是怎样来选择调节阀流量特性的？

执行器的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即

q/qmax=f(l/L)；q/qmax--相对流量，即执行器某一开度流量与全流量之比；l/L--相对开度，即执行器某一开度行程与全开行程之比；流过执行器的流量不仅与阀的开度有关，同时还与阀前后的压差大小有关。

理想流量特性就是在阀前后压差为一定的情况下得到的流量特性；

工作流量特性即在实际工程使用中，调节阀两端的压力差不为常数时，调节阀的相对开度和相对流量的关系；

流量特性的选择原则：一个过程控制系统，在负荷变动情况下，为了使系统能保持预定的品质指标，则要求系统总放大系数在整个操作范围内保持不变，可以通过适当选择调节阀的特性来补偿被控过程的非线性，从而使系统总的放大系数保持不变。所以当过程特性为非线性时，应选用对数流量特性调节阀，否则就使用直线特性的调节阀。

7. 系统阶跃响应性能指标：

余差C：系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。

衰减率：衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。（φ=(B1-B2)/B1）（B1为超调量，B2为到第二个峰值时的超调量）；

最大偏差A：被控参数第一个波的峰值与给定值的差；σ= (y(tp)-y(∞))/ y(∞)*100%；

过渡过程时间ts：系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳定值5%的范围内所经历的时间，是衡量控制快速性的指标。

8. 串级控制：（框图分析）

串级控制系统由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对变量的定值控制；

特点：串级控制系统为双闭环控制系统；系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制能力；由于副回路的存在，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次干扰有很强的克服能力；系统对负荷变动有一定的适应能力；

设计原则：副回路应包括尽可能多的扰动；应使主、副过程的时间常数适当匹配；

调节器控制规律选择：主调节器应选PI或PID控制规律；副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，一般选P控制规律；

调节器正反作用确定：使整个控制系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值；

调节器参数整定：两步整定法、逐步逼近法等；

前馈控制：前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰，并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。

原理：（框图）Wm（s）为前馈控制器，传递函数Wf（s）为过程扰动通道传递函数；Wo（s）为过程控制通道传递函数；F（s）为系统可测不可控扰动；Y（s）为被控参数；

Y（s）= Wf（s）F（s）+ Wm（s）Wo（s）F（s）；

Y（s）/ F（s）= Wf（s）+ Wm（s）Wo（s）；要使Y（s）/ F（s）=0，可得：前馈控制器模型为Wm（s）= - Wf（s）/ Wo（s）；

特点：前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故又称“扰动补偿”；扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效；前馈控制属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；只适合用来克服可测而不可控的扰动，具有指定性补偿的局限性；前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性；

12. 前馈-反馈：（框图p192）Y（s）/ F（s）= (Wf（s）+ Wm（s）Wo（s））/1+Wc(s)Wo(s); Wm（s）= - Wf（s）/ Wo（s）；

13. 大滞后补偿控制：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应

14. 比值控制：凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统统称为比值控制系统；

输出与被测量成线性关系：K=k（q1max/q2max)；

输出与被测量成平方关系时：K = k（q1max*q1max/q2max*q2max)；

15. 分程控制：由一个调节器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上调节阀动作的系统称为分程控制系统；

分类：调节阀同向动作的分程控制；调节阀异向动作的分程控制；

选择：尽量选用对数调节阀，除非调节阀范围扩展不大时，可选用线性阀；采用分程信号重叠法；

16. 四种流量特性及特点：

直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数，其数学表达式是

d(q/qmax)/d(l/L) = k, k是执行器的放大系数；直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用太强，易产生振荡；大开度时，控制作用太弱，调节缓慢，不够及时。

对数（百分比）流量特性是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量关系成正比关系。数学表达式为d(q/qmax)/d(l/L) = k q/qmax ；

可见调节阀对数流量特性曲线的斜率即放大系数是随行程的增大而递增的。在行程变化值相

同的情况下，当流量小时，则流量变化亦小；当流量大时，则流量变化亦大。

调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。

抛物线流量特性是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。数学表达式为

d(q/qmax)/d(l/L) = k （q/qmax）（开方）；介于直线流量特性和对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。

快开流量特性：这种流量特性在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达到最大，故称快开特性。

17. 被控参数选择原则：

选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数；

当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作被控参数；

被控参数必须具有足够高的灵敏度；

被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能；

18. 控制参数的选择：

控制通道的放大系数K0要适当大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后t0愈小愈好，在有纯滞后t0的情况下，t0和T0之比应小一些，若其比值过大，则不利于控制；

扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要靠近调节阀；当过程本身存在多个时间参数，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。