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1、过程控制系统复习,Wangyu ,Process Control System,第一章 过程控制概述,1、过程控制系统的组成及分类,2、过程控制的特点,Wangyu ,Process Control System,过程控制系统的组成,过程控制系统组成： 被控过程（Process） 过程检测控制仪表（Instrumentation）,过程检测控制仪表包括： 测量变送元件（Measurement） 控制器（Controller） 执行机构（Control Element）,Wangyu ,Process Control System,过程控制系统的分类,按给定值的信号特点分：定值、随动、程序控制系
2、统 按结构特点分：反馈、前馈、复合控制系统,Wangyu ,Process Control System,过程控制的特点,被控过程的多样性,控制方案的多样性 有单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、 分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控 制系统等。,控制过程属慢过程、多半属参量控制,连续生产过程的自动控制,Wangyu ,Process Control System,第二章 过程建模和过程检测控制仪表,1、过程建模,2、确定各环节正、反作用方式以及进行系统分析,Wangyu ,Process Control System,自衡过程与非自衡过程,如液位系统，出口阀不控，入口流量变化后，液位为自
3、衡过程； 若出口加泵，为非自衡过程。,自衡过程-指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏 后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复 平衡的过程。,非自衡过程-指过程在扰动作用下，其平衡状态被 破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不 能重新恢复平衡的过程。,过程建模,Wangyu ,Process Control System,过程数学模型的求取方法,方法二：实验法建模（过程辨识法）,即根据过程输入、 输出数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程 的数学模型。,方法一：机理分析法，即根据过程的内在机理，通过静 态与动态物料平衡和能量平衡关系求取过程的数学模型。,方法三：上两种方
4、法的结合，即先通过机理分析确定模 型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的 大小。,Wangyu ,Process Control System,机理建模的依据,物料（或能量）平衡关系,动态物料（或能量）平衡关系： 单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去 单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被 控过程内物料（或能量）存储量的变化率。,静态物料（或能量）平衡关系： 单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于 单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）。,Wangyu ,Process Control System,自衡过程单容、双容、多容及纯滞后对象数学模型,Wangyu ,P
5、rocess Control System,无自衡过程单容、双容、多容及纯滞后对象数学模型,Wangyu ,Process Control System,e.g.由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数,（1）放大系数求取：在数值上等于对 象处于稳定状态 时输出变化量与 输入变化量之比：,试验法建模,Wangyu ,Process Control System,(2) 时间常数求取：,切线法：,在阶跃响应曲线拐点D处作 一切线，交时间轴于B点，交 稳态值于A点。OB即为过程的 滞后时间 ，BA在时间轴上 的投影BC即为过程的时间常数 T0。,试验法建模,Wangyu ,Process Con
6、trol System,计算法：,将阶跃响应曲线标准化,y*(t)的解为：,在标准化曲线上选择两点y*(t1)、y*(t2) ，读出对应t1和t2， 联立 求解，即可确定 、 ，一般取y*(t1)=0.39,y*(t2)=0.63,则可得,校验：,试验法建模,Wangyu ,Process Control System,用各环节正、反作用方式进行系统分析,气动调节阀可分为气开、气关两种作用方式。 气开式信号压力p0.02MPa时，阀开始打开，也就是“有气”时 阀开。增益为“+” 气关式信号压力增大阀反而关小。增益为“-”,考虑事故状态是人身、工艺设备的安全。 例如：进加热炉的燃料气或燃料油的调
7、节阀应采用气开式， 一旦事 故发生，调节阀处于全关状态，避免炉温继续升高。 考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。 例如：精馏塔进料一般选用气开式，在事故状态下，调节阀 关闭，停止进料。 考虑介质的性质。 例如：对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用 气关式，一旦事故发生，处于全开状态，以防止物料结晶。,Wangyu ,Process Control System,控制阀：气开式为“”，气关式为“-”； 被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“”，随之 减少为“-”； 控制器：正作用为“-”，反作用为“+”； 正作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出增加，其静态放
8、 大系数KC取负； 反作用：当系统的测量信号增加时，调节器的输出减小，其静态放 大系数KC取正； 变送器：一般为“”。,各环节正、反作用的定义,Wangyu ,Process Control System,根据控制系统方框图确定调节器的正反作用,首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式；然后按 被控过程特性，确定其正、反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递 函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、 反作用方式。,因此，要求调节器作用于反作用方式。,Wangyu ,Process Control System,第二章作业,1. 某水槽如图。其中C为槽的截面积
9、，R1、R2和R3均为线性水阻， q1为流入量，q2和q3为流出量。要求： (1) 写出以水位h为输出量，q1为输入量的对象动态方程； (2) 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K和时间常数T的值。,Wangyu ,Process Control System,解：（1）微分方程：,拉氏变换,（2）画出控制框图,Wangyu ,Process Control System,（3）求传递函数：,Wangyu ,Process Control System,2、某液位过程的阶跃响应实验为：,其中阶跃扰动量,画出液位过程的阶跃响应曲线。 若该水位对象用一阶惯性加滞后环节近似， 试确定其K0、T
10、0和 。（计算法）,Wangyu ,Process Control System,（2）曲线标准化,解：（1）求K0,Wangyu ,Process Control System,（3）画出标准化曲线图,Wangyu ,Process Control System,（4）在标准化曲线图上读出h(t1)=0.39,h(t2）=0.63对应的t1、t2,由图可知：,则：,Wangyu ,Process Control System,则系统模型为：,（5） 校验,Wangyu ,Process Control System,第三章 单回路控制系统设计,1、过程控制系统的性能指标,2、PID控制,Wa
11、ngyu ,Process Control System,过程控制系统的性能指标,1. 单项性能指标,Wangyu ,Process Control System,2. 误差积分性能指标,它是以控制系统瞬时误差函数e(t) 为泛函数的积分 评价系统的综合性指标。它是用一个数（最小）衡量 一个系统的优劣、是否处于最佳状态的一种方法。,误差积分(IE) 绝对误差积分(IAE) 平方误差积分(ISE) 时间与绝对误差乘积积分(ITAE),过程控制系统的性能指标,Wangyu ,Process Control System,PID控制,比例,积分,微分,Wangyu ,Process Control
12、System,PID 控制器参数的影响,P-比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，好比“现在”（现在就起作用，快）； I -积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比“过去”（清除过去积怨，回到准确轨道）； D-微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，好比“未来“（放眼未来，未雨绸缪）。,Wangyu ,Process Control System,PID 控制器参数的影响,比例控制,比例积分控制,比例积分微分,Wangyu ,Process Control System,PID 控制器参数的整定,1. 理论计算整定法,2. 工程整定法,动态特性参数法,稳定边界法（临界比例度法）,阻尼
13、振荡法（衰减曲线法）,现场经验整定法（凑试法）,Wangyu ,Process Control System,第三章作业,一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加：a.适当的积分作 用；b. 适当的微分作用。试问：(1)这两种情况对系统的稳定性、最 大动态偏差、余差分别有何影响? (2) 为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例度 ，并说明理由。,分析：,在比例度不变的情况下，减小积分时间 ，将使控制系统的稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。,稳定性比比例调节差。 PI调节引入积分动作带来消除系统残差好处 的同时，却降低了原有系统的稳定性。,比例积分调节的特点,有差调
14、节。残差随着比例度的加大而加大。但是减小比例度又等 于加大调节系统的开环增益，将导致系统激烈震荡甚至不稳定。,比例调节的特点,Wangyu ,Process Control System,比例微分调节的特点,由于稳态下，de/dt=0，PD调节器的微分部分为零，因此PD调节也是 有差调节；,微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的 作用。适度引入微分动作可以允许稍许减小比例度，同时保持衰减率不变。,(1) 在比例控制的基础上分别增加： a.适当的积分作用: 稳定性： 最大动态偏差 ： 余差： b. 适当的微分作用： 稳定性： 最大动态偏差 ： 余差： (2) 为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例度 增加积分： 增加微分：,解答：,降低,增加,可消除,提高,降低,不可消除,增大,减小,Wangyu ,Process Control System,2. 在某生产过程中，冷物料通过锅炉对其进行加热。热物料温度必须 满足生产工艺要求
