第8章 复杂过程控制系统
过程控制 第8章特殊控制系统
（1）相乘方案 比值控制系统相乘方案 的实现，除以上介绍的利用 比值器外，还可利用乘法器 等进行实现。图8-8即为应 用乘法器实现的单闭环比值 控制系统。图中的虚线框表 示对流量检测信号是否进行 线性化处理。以 DDZ-III型 电动仪表为例，在此设计的 主要任务就是按照工艺要求 的流量比值系数K，正确设 置乘法器的设定值Is。
2
由于系统在稳态下应保持它的测量信号I2与设定值 Io相等，则根据式（8-6）可得 Q2 Q1 max 2 （8-7） ( )
假设工艺要求主流量与副流量之比为
Q2 Q1(8-8)代入式(8-7)得 2 Q1 max 2 K ( ) （8-9） Q2 max 以上式（8-9）中的就是电动DDZ-III型比值器 FY 所需的仪表比值系数。
（2）分析两种物料的供应情况，将有可能供应不足 的物料作为主物料，供应充足的物料作为从物料。 （3）将对生产负荷起关键作用的物料作为主物料。 （4）一般选择流量较小的物料作为从物料，这样在 控制过程中调节阀的开度较小，系统控制灵敏。 （5）从安全角度出发，如某种物料供养不足会导致 不安全时，应选择该物料为主物料。
经测定，影响氧化炉反应温度的主要因素是氨 气和空气的比值，当混合器中氨气含量增加1％时， 氧化炉温度将会上升64.9C。因此可以设计一个比值 控制系统，使进入氧化炉的氨气和空气的比值恒定， 从而达到稳定氧化炉温度的目的。 然而，对氧化炉温度构成影响的还有其他很多 因素，如进入氧化炉的氨气、空气的初始温度、负荷 的变化、进入混合器前氨气、空气的压力变化、铂触 媒的活性变化以及大气环境温度的变化等等都会对氧 化炉温度造成影响，也就是说单靠比值控制系统使氨 气和空气的流量比值恒定，还不能最终保证氧化炉温 度的恒定。因此，必须根据氧化炉温度的变化，适当 改变氨气和空气的流量比，以维持氧化炉温度不变。 变比值控制系统的原理方框图如图8-5所示。
第1章过程控制系统概述习题与思考题
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
《过程控制系统》课程介绍与教学大纲
《过程控制系统》课程简介课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 （课内实验：4 上机：课外实践：）适用专业：自动化专业建议修读学期：7开课单位：测控技术与仪器系先修课程：《自动控制原理》《自动检测技术》等考核方式与成绩评定标准：考试，成绩=期末成绩（70%） +平时成绩（30%）教材与主要参考书目：《过程控制系统》（第二版）方康玲主编武汉理工大学出版社2007.2《过程控制工程》，蒋慰孙、俞金寿编著，中国石化出版社，1999《过程控制系统及工程》，翁维勤、周庆海编，化学工业出版社，1996《过程控制工程》，孙洪程等编，高等教育出版社，2006《工业生产过程控制》，何衍庆等编，化学工业出版社，2004内容概述：中文：过程控制和运动控制是自动控制技术的两个重要分支。
本课程主要介绍了过程控制的基本概念、组成以及简单过程控制、复杂过程控制系统的基本原理、系统设计技术以及应用技术等。
在介绍每一种控制策略的同时，都给出了其在不同实际场合下的具体应用实例。
英文：Process control and motion control are the two important branch of automation control technology. This course mainly introduce the basic concept of process control, constitution and the basic principle, system design technology, and application technology of process control. At the same time, concrete examples are given to introduce the different control strategy applied in practice.《过程控制系统》教学大纲课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 (课内实验：4 上机：课外实践： )适用专业：自动化专业建议修读学期：7一、课程性质、目的与任务本课程是自动化专业必修课。
第八章 复合控制系统
例： 管式加热炉的控制
s.p
出口温度 T1C 炉温
Θ1
Θ2
• 主要干扰为 燃料油的组 分（或热值）
T2C
燃料量 原料
炉出口温度-温度串级控制系统
3.副变量的选择应考虑主、副对象时间常
数的匹配，防止共振的发生
副对象的T应小于主对象的T 4. 副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 应将对象的纯滞后部分放到主对象中
主回路：（外回路，主环，外环）
副回路：（内回路，副环，外环）
给 定 值
F2 主控 - 制器 副控 制器 执行 器 副测量 变送 主测量 变送 副对 象
F1 主变量 主对 象 副 变 量
串级控制系统方块图
二.串级控制系统的工作过程 1.干扰进入副回路 2.干扰作用于主对象 3.干扰同时作用于副回路和主对象
F C
及时克服压力 变化引起的流量 变化
控制目的：协 调液位和流量间 的关系
串级均匀控制
串级均匀控制
通过两个参数的控制，制约调和两个参
数的矛盾。
主、副回路都采用低精度快反应的纯比
例控制，通过参数整定实现均匀控制 （δ一般较大），要求高精度时可适当 加入积分作用。
适用的场合
系统压力波动较大的场合
1.单纯的前馈控制 按干扰的大小进行控制—干扰补偿控制
有效控制T或τ较大、干扰大而频繁的对象
静态前馈控制： 目的：使被控参数的静态偏差接近于零
前馈控制的控制算法为比例控制，用比值
器或比例控制器均可。
动态前馈控制： 动态前馈与静态前馈的控制系统结构是一
样的，只是前馈控制器的控制规律不同。 动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰
（3）可克服反馈环内多个干扰的影响。
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。
过程控制系统教学大纲精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。
第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。
第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。
第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。
第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。
第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。
各种差压变送器结构、原理、特点。
第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。
第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。
第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。
第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。
第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。
第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。
第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。
第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。
第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。
第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。
复杂过程控制系统
2、副变量的选择
过程控制
副变量的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短， 反映灵敏
Gm1(s) 串级控制系统的等效方框图
R1 +
Gc(s)
－
Ym
Y2 Gp2(s)
Y1 Gp1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统的方框图
过程控制
串级系统的特征方程为： 1 G c 1 (s ) G p 2 (s ) G m 1 (s ) 0
设：
G p1(s)Tp K 1sp 11,G c1(s)K c1,G m 1(s)K m 1
R1 +
Gc(s)
－
Ym1
F2
Gf2(s)
Gv(s) Gp2(s)
过程控制
F1 Gf1(s)
Gp1(s) + Y1
Gm(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G f2(s)G p1(s)
F 2(s) 1G c(s)G v(s)G p2(s)G p1(s)G m (s)
过程控制
Y 1 ( s )
Y 1(s)
G f2(s)G p1(s)
F 2(s) 1G c(s)G v(s)G p2(s)G p1(s)G m (s)
因此可以说，串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一 通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时，很快就被副 调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰 的影响往往可以减小10100倍。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影 响比单回路系统时小。
一次扰动和二次扰动同时存在
如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减 小，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关 小或开度阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定 值上。
复杂过程控制系统
第五章 复杂过程控制系统
5.1 串级控制
过程控制
一、串级控制系统的结构和工作过程
1、串级控制系统的结构
串级控制系统(Cascade Control Ststem)是一种常用的复杂控制 系统，它根据系统结构命名。
由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作 为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
0.75
余差
0
系统工作频率
0.087
二次扰动下的最大偏差
0.27
一次扰动下的最大偏差
0.34
过程控制
串级控制系统
Kc1=8.4， Kc2=10， Ti=12.8s
0.75 0
0.23 0.013 0.13
三、串级控制系统的设计
1、主变量的选择
过程控制
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的 选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则 进行。
s2T p1T p 2s1K c1K p2K p1K m 10
T p1 T p 2
T p 1 T p 2
写成标准形式： s22 00 20
从控制理论可知，当0<<1时，系统出现振荡，振荡频率即 为系统的工作频率，即：
c0
12
12 2
Tp1Tp2 Tp1Tp2
串级控制系统对进入主环的扰动也有克服能力。扰动从主环进 入时，因串级控制系统的工作频率提高，被调量受影响比单回 路往往可以减小25倍。
过程控制
4、对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力
定性分析： 由于副回路是一个随动控制系统，它的设定值随主控制器的输 出而变化。这样主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情 况，相应地调整副控制器的设定值，从而保证在操作条件和负 荷发生变化的情况下，控制系统仍然具有良好的控制质量。