过程控制系统(1)

第一章过程控制系统概述

1.五大参量：温度、压力、流量、物位（液位）、成分

2.过程控制系统的组成：控制器，执行器，被控过程和测量变送等组成；除被控对象外都是变送单元。

过程控制系统由两大部分组成:过程仪表和被控对象

过程控制系统由三大部分组成:检测变送单元，控制器，被控对象。

系统中的名词术语：

1）被控过程：生产过程中被控制的工艺设备或装置（即从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备）。

2）检测变送器：检测量转换为统一标准的电信号。

3）调节器（控制器）：实时地对被控系统施加控制用。

4）执行器：将控制信号进行放大以驱动调节阀。

5）被控参数：被控过程内要求保持稳定的工艺参数。

6）控制参数：使被控参数保持期望值的物料量或能量。

7）设定值：被控参数的预定值。

8）测量值：测量变送器输出的被控参数值。

9）偏差：设定值与测量值之差。

10）扰动作用：作用于被控对象并引起被控变量变化的作用。

11）控制作用：调节器的输出（控制调节阀的开度）。

控制器，执行器和检测变送环节称为过程仪表；过程控制系统由过程仪表和被控过程组成。

3.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。

稳态误差ess：描述系统稳态特性的唯一指标（静态指标）。

衰减比n：n<1,表示过渡过程为发散振荡;

n=1,表示过渡过程为等幅振荡;

n>1,表示过渡过程为衰减振荡。

一般为4:1-10:1，4:1为理想指标，也是用来调试的。

前馈，反馈控制特点

（1）反馈控制系统：

根据系统被控参数与给定值的偏差进行工作；是按照偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的；偏差值是系统调节的依据；可以有多个反馈信号；属于闭环控制系统。

（2）前馈控制系统：

根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据；控制及时；

属于开环控制系统；

实际生产中不采用

第二章过程检测仪表

控制器输出:

1.电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（短距离）

气动仪表：20-100Kpa（100m）

直流电流4-20mA，空气压力20-100Kpa为通用标准信号。

由通讯方式划分电流二线制、四线制。区别：二线制信号线和电源线在一个回路。

2.数字滤波：测量信号噪声（干扰）的滤波，消除低频干扰。

（1）算术平均值滤波：周期性等幅振荡的干扰；

（2）程序判断滤波：滤除随机干扰；

（3）中位值法滤波：去掉方波脉冲；

（4）一阶惯性滤波：滤掉高频。

.热电偶冷端补偿：

补偿条件：只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数：E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0）

只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果，并称之为热电偶冷端温度补偿。

分析AD590测温电路

节流装置的流量方程:

压力大，流量增加，速度减小。

电磁流量计:导电的液体

3.集成式温度传感器：电压型：电压型温度系数约10mV/℃；

电流型：电流型温度系数约1μA/℃。

压阻式压力传感器将压力信号转换为电阻信号，用于电动机测试。

4.容积式流量计用于高粘度液体，并直接得到流体累积量等特点。

节流式流量计（压差式流量计），压力增大，速度减小。

伯努利方程（36.）

对于不可压缩性流体，e=1;对于可压缩性流体，e<1。

电磁式流量检测，检测有电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及有固体颗粒的液体，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。

5.物位测量：液位、界位及料位测量。多相界面测量：多对电极结构的测量。第三章过程执行器

1.执行器的定义:执行器接受控制器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

安装在生产现场，直接与介质接触，是唯一一个与介质接触的器具。

调节阀分为:电动，气动，液动。

调节阀组成：执行机构、调节机构（阀体）。

电动执行机构：角位移；

气动执行机构:直线位移；有薄模式和活塞式两种结构形式。

接收控制器输出的4-20mA 信号，输出与之成比例的20-100kpa 启动信号。

流通能力

流通能力C 反映调节口径大小的参数。

对于同一口径的调节阀，提高两端压差可使阀所能通过的最大流量增加。在最大流量已经确定的情况下，增加两端的压差可减小调节阀的口径，节省投资。

2. 调节阀流量特性：

（1）理想流量特性：调节阀的相对流量与阀芯的相对开度为线性关系； 在小开度时，流量相对变化量大；在大开度时，其流量相对变化最小。

（2）对数（等百分比）流量特性：调节阀在小开度时，控制缓和平稳;调节阀在大开度时，控制及时有效。

（3）抛物线流量特性：介于直线与对数流量特性之间，可用对数流量特性代替。

（4）快开流量特性：小开度时流量较大，随着开度增加流量达到最大，用于位式控制。

3.气开、气关形式：

气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；

气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。

ξ2

g 4D C =

第四章 被控过程

4.1

自衡过程：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。若过程具有自衡性，则称该被控过程为自衡过程。 非自衡过程：当扰动发生后，被控量不断变化，最后不再平衡下来，则该过程无自衡能力，称非自衡过程。

单容和多容过程：

容量：被控过程都具有一定储存物料或能量的能力，其储存能力的大小，称为容量。

单容过程：就是指只有一个储蓄容量的过程对象。

多容过程：被控过程往往由多个容积和阻力构成。

自衡过程下，单容和多容过程传递函数的典型形式，一阶惯性环加純滞后环节（最常用）。

反向特性：在阶跃输入信号作用下，系统输出先降后升，响应曲线在开始的一段时间内变化方向与以后的变化方向相反，故称该过程具有反向特性。

4.2

能够满足输出条件，增益越大越好，可以通过提高控制器比例系数和交钱干扰参数来改变K

满足一定条件,T 越小越好

τ0/T0≦0.3对象比较容易控制，τ0/T0>(0.5~0.6)不易控制

数学模型的放大系统K ：

放大系数愈大，表示控制作用愈灵敏。但放大系数太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。系统稳定时，增益较大好。 提高增益方法：增加控制器增益；减小干扰增益。

数学模型的时间常数T ：

如果只有一个时间T 。T 越大，则变化过慢；T 越小，则变化过于急剧。

如果有两个或者更多的时间常数，则最大的时间常数决定过程的快慢，时间常数比值T2/T1决定易控的程度。比值越小，系统越稳定。（在系统设计时，可减小U Y

K ??=

数学模型的純滞后时间：

对控制通道来说，T。T比作为平衡时滞影响的尺度进行分析更合适。

当时系统较易控制，反之则需要复杂控制系统或特殊控制规律。

4.4

计算，见作业(87)

切线法，两点法求传递函数，

第五章常规过程控制

5.1

简答：基本控制规律及其特点，见课件（98.）

5.2

积分饱和现象的原因:有积分作用，偏差，反馈。(课本108)

改进的PID算法:

（1）积分外反馈算法；

积分饱和现象：在积分控制作用范围内，输出与偏差的积分时间成正比，控制输出达到一定限值后就不再继续上升或者下降的现象。

积分饱和产生的原因：内因是有积分控制作用；外因是控制器长期存在偏差。在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值。

防止积分饱和的方法为积分外反馈，即积分信号来自外部信号。

（2）积分分离技术；

适用于系统启动时大误差导致的超调现象。

（3）削弱积分作用技术；

设定值，小于其饱和，大于其消除。

（4）微分先行技术；

在给定值变化频繁的情况下，优先选择微分先行控制方案。

（5）不完全微分技术；

微分作用仅在第一次控制中起作用，且作用过强。

串接一个惯性环节，组成实用pd算法，一阶惯性环节一般串接在输入端。

在输入端串接一个惯性环节，可以使微分作用更为持续平缓。

控制器正反作用选择：

正作用：输入增加，输出也增加；

反作用：环节输入量增加，输出减小。

测量、变送环节的作用方向一般为正方向。

LC ：液位控制器

LT ：液位计

第七章 串级控制系统

7.1

串级控制系统的名词术语：

主被控参数——起主导作用的被控参数。

副被控参数——为稳定主参数而引入的中间辅助参数。 工业过程中多数为流量参数。

主被控过程——由主被控参数作为输出的生产过程。

副被控过程——由副被控参数作为输出的生产过程。

主控制器——按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器。其输入为设定值，不可调；输出作为副控制器的给定值。

副控制器——按副被控参数的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器。其输入为主控制器输出和自身检测变送器输出叠加，不可调，可变；输出控制调节阀的动作。

主检测变送器：检测和变送主变量。

副检测变送器：检测和变送副变量。

7.2

（1）减小了被控对象的等效时间常数；

使系统具有较强的抗干扰能力。

1)(11020202'20220220220220202+=???????+=+= T K s G K K K K K K K K K K K K T T m v c v c m v c

（2）提高了系统工作频率；

减小振荡周期，缩小调节时间，提高品质因数。

（3）对负载变化具有一定的自适应能力；

克服对象非线性特性的影响。

7.3

设计：先整定副回路

主副变量选择

副变量的选择一般应使主要的和更多的干扰落入副回路，即副回路应包括尽可能多的扰动；

副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应能力；

应将对象中具有显著非线性或时变特性的部分归于副回路中；

副回路的设计质量是保证发挥串级控制优点的关键。

设计原则——主副时间常数匹配

副回路设计得太大，主、副对象时间常数比较接近，还容易引起“共振”问题。为了避免“共振”现象发生，在设计时务必将主、副回路的工作频率错开一定的距离。在选择副变量时，应考虑主、副对象时间常数的匹配关系，通常取T01=（3-10）T02

（151.）图7.5、7.6

（164.）7.1设计题

第八章复杂过程控制系统

8.1

前馈控制前提条件：

干扰量和被控量无关。

前馈控制结构：

Wff(s)：前馈控制器；

Wo(s)：过程控制通道传递函数；

Wd(s)：过程扰动通道传递函数。

由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：

因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。

动态前馈控制：

只有当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足时，且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考虑使用动态前馈方案。

8.3

解耦方法：

（1）适当选择变量配对；

（2）对角矩阵法；

（3）前馈补偿法。

相对增益：用来衡量一个选定的控制量与其配对的被控量间相互影响大小的尺度。因为它是相对于系统中其他控制量对该被控量的影响来说的，则称为相对增益。

第九章 计算过程控制系统

9.3

DCS 的体系结构：

DCS 为分布式控制系统，也称为集散式控制系统，是相对于集中式控制系统的一种新型控制系统，是在集中式控制系统的基础上发展而来的。

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简答：

1.反馈控制系统和前馈控制系统特点。（4.）

（1）反馈控制系统：

根据系统被控参数与给定值的偏差进行工作；是按照偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的；偏差值是系统调节的依据；可以有多个反馈信号；属于闭环控制系统。

（2）前馈控制系统：

根据扰动大小进行控制，扰动是控制的依据；控制及时；

属于开环控制系统；

实际生产中不采用。

2.热电偶冷端补偿原因（24.）

.热电偶冷端补偿：

补偿条件：只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数：E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0）

只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果，并称之为热电偶冷端温度补偿。

3.基本控制规律及其特点（98.）

（1）P 比例控制：适用于干扰变化幅度小，对象滞后较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合；

（2）PI 比例积分控制：工艺要求静态无余差，负荷变化幅度较大，但变化过程又较缓慢的场合；

（3）PD 比例微分控制：适用于被控对象容量较大的场合。对于滞后很小，信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用；

（4）PID 比例积分微分控制：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、纯滞后不太大且控制质量要求又较高，被控变量变化缓慢的场合。