过程控制工程复习资料

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1、第一章 过程控制系统的概况1.2 过程控制系统的基本概念a：自动控制是指在没有直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称为过程控制仪表或装置)使被控对象的工作状态或参数(压力，物位，流量，温度，ph值等)自动的按照预定的规律运行。b：过程控制概念：采用模拟或数字控制方法对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。1. 开环控制与反馈控制的比较开环优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制 效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动 对控制精度影响较大。闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参

2、数变化以及外界 扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.3 过程控制系统的类别a：定值控制系统b：随动控制系统c：程序控制系统1.4过程控制系统的特点(1)被控对象的多样性(2)对象存在滞后（3）控制系统比较复杂（4）系统有众多过 程检测仪表，控制仪表（5）控制方案丰富第二章 单回路控制系统设计1.单回路控制系统定义：指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器组成的单闭环负反馈控制系统。2、单回路控制系统的设计 前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求。正确选择被控变量；正确选择控制变量； 正确选择测量变送装置； 正确选择调节阀的开闭型式及其流

3、量特性； 正确选择控制器的类型及其正反作用，控制规律；3被控变量的选择的一般原则-y（t）a. 对控制目标具有决定性作用的工艺变量作为被控参数；b. 要有足够大的灵敏度；c. 能满足工艺要求；d. 仪表能够实现4. 被控变量的选择方法1、直接指标：对于以温度、压力、流量、液位为控制指标的生产过程，就选 择温度、压力、流量、液位为被控变量。2、间接指标：若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）作为被控变量时，可选择一种间接的指标作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。5间接指标的选择： 能测量，并且测量滞后小； 有较大灵敏度，即对直接指标比较

4、敏感； 工艺（手段、方法）合理。6.被控变量的选择原则1 在情况许可时，应直接选择质量指标参数作为被控变量-直接参数。2 当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应 关系的间接指标参数作为被控变量-间接参数。3 所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度，以反映质量指标的变化。4 被控变量必须是独立的，相互关联的变量有关联关 系控制。5 被控变量必须是可测量的，且要有足够的测量灵敏度，滞后要小。（！）6 还需考虑工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状 及价格成本 。（工艺的合理性及经济性原则）7 控制变量（操纵变量）的选择a 控制变量首先必须是可控的：b 有的系统控制变

5、量唯一，c 当有几个控制变量可以选择时，可选择克服干扰能力最强，动态特性最好的作为 控制变量。8 如何选择控制变量？a 干扰作用通过干扰通道使被控变量偏离给定值；b 控制作用通过控制通道克服干扰作用影响，对被控变量起主导作用，使被控变 量维持在给定值。c 输入（干扰或控制变量 ）对被控变量的影响，由相对应通道的特性对控制质量的 影响和输入大小决定。9 对象通道特性对控制质量的影响：1、干扰通道特性对控制质量的影响。2 、控制通道特性对控制质量的影响。 *控制作用与干扰作用同时影响被控变量，其影响是相反的。 *控制作用与干扰作用是相互对立而存在。10时间常数Tf的影响：相当于增加一个极点，-l/

6、Tf, Tf越大，对控制质量影响越大。过渡过程幅 值是 1/Tf 。时间常数个数越多，或者说干扰进入系统的位置愈远离被控变量而靠近调节阀，干扰对被控变量的影响愈小，系统的控制质量则愈11. 干扰通道特性a扰动通道的放大系数Kf尽可能小；扰动通道的时间常数Tf应尽可能大。b.如果有几个扰动同时作用于控制系统，应使主要扰动进入的位置靠近调节阀, 远离被控变量的检测元件，这样更有利于克服主要扰动的影响。12. 控制通道特性对控制质量的影响（1）放大倍数Ko的影响；（ 2 ）时间常数 To 的影响；（3）控制通道纯滞后tO的影响。可控度（可控性）：对过程控制实现的难易程度评价。提出目的:设计可控性好的

7、 过程控制系统。13. 可控性的分析通过实验分析可得：控制通道时间常数TO越大；控制通道阶数n越高；纯时延 环节T 0的存在；都使得可控性指标大为减小。14. 控制通道特性影响a 放大倍数 Ko 的影响Ko 越大，则操纵变量对被控变量的影响越大，这表示它的调节更为有效。闭环系统放大倍数乘积KcKo 般是定值（动态特性要求），一般使Ko Kf （通过根轨迹分析得到）K0 取值尽可能大。至少大于干扰通道放大倍数 Kfb.时间常数TO的影响T0 越大，经过的容量数越多，可控性指标越小，控制越不及时 ， 系统的控制质量越低。TO减小，控制作用越及时，克服扰动快，过渡时间短。但TO太小控制作用太强，易引

8、起振荡，稳定性下降。所以TO要适当小一点，使得控制及时又保证控制质量。C.纯延迟的T0影响。T 0会降低系统稳定性（通过频率特性分析可得到）；纯延迟使得调节器作用要滞后T0，将引起超调增大，最大偏差增加，动态指标下降。从而严重降低控制质量。容量延迟T C可以引入微分环节显著改善，对T 0基本没有作用。T 0越小越好,尽量避免引入纯延迟环节。小结: 控制通道特性影响控制通道：a.所选的控制变量的控制通道放大倍数应较大，最好大于干扰通道的放大倍数;b所选的控制变量控制通道的时间常数适当小一些为好，但不宜过小；而使扰 动通道时间常数愈大愈好C.控制变量其控制通道纯滞后时间愈小愈好；控制变量勺（t）的

9、选择一般原则 控制变量是工艺上允许的量, 是可控的; 控制变量对被控变量与干扰相比应该更灵敏。对应通道K0尽可能大一些（比f大），TO要适当小一点，TO越小越好；T0/ TO要小一些（小于1） 扰动通道的放大系数Kf尽可能小；扰动通道的时间常数Tf应尽可能大。 如果有几个扰动同时作用于控制系统，应使主要扰动进入的位置靠近调节阀， 远离被控变量的检测元件，这样更有利于克服主要扰动的影响。 广义过程（包括调节阀和测量变送器）由几个一阶环节组成，在选择控制变 量时，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 注意工艺操作的合理性和经济性。

10、第3章 复杂控制系统复杂控制系统的概念：具有两个以上的检测元件和变送器，或调节器，或执行器 的控制系统。3.1串级控制系统3.1.2串级控制系统的名词术语 副主调节器按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节 器，其输出作为副调节器的给定值。 调节器按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调 节器，其输出控制调节阀动作。 副 回 路由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回 路。 一次 扰动不包括在副回路内的扰动。 二次 扰动包括在副回路内的扰动。3.1.4 串级控制系统的应用场合 用于克服被控过程较大的容量滞后； 用于克服被控过程的纯滞后； 用于抑制变化剧烈而且幅度大的

11、扰动； 用于克服被控过程的非线性。3.1.5 串级控制系统的设计原则 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。原则上，主副过程时间常数之比应 在3 到10 范围内； 副回路设计应考虑工艺上的合理性； 副回路设计应考虑经济性原则。3.1.6 串级主和副调节器的选择 主调节器一般选 PI 或 PID 控制规律； 副调节器一般只要选 P 控制规律即可：-若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。-若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。3.2 前馈控制系统3.2.2前馈与反馈控制特点比较 反馈控制的特点 ：基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ；存在稳定性

12、问 题；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。 前馈控制的特点 ：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；动作“及时” ；只要 系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；具有指定性补偿的局限性；控制 规律取决于被控对象的特性。3.2.7 前馈控制的局限性前馈控制属于开环控制方式 ；完全补偿难以满足，因为：要准确掌握过程扰动通道特性Wf (s)及控制通道特 性Wo (s)是不容易的；即使前馈模型Wm (s)能准确求出，有时工程上也难以 实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控 制系统庞大而复杂。3.2.8 前馈反馈控制系统3.2.9 前馈

13、串级控制系统3.2.10 前馈控制的设计原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：-“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补 偿器所能接受的信号。- “不可控”：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。 扰动量变化频繁且幅值较大； 通常选用静态前馈-反馈控制方案即可得到满意的控制效果。3.3 比值控制系统 定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。3.3.2 双闭环比值控制由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组 成。3.3.3 变比值控制变比值控制系统是一个以第三参数或称主参数（质量指标）、

14、以两个流量比为 副参数的串级控制系统。在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三 参数往往是产品质量指标。第四章 过程控制仪表4.1 概 述过程控制仪表的组成：控制器、执行器、运算器、可编程控制等。分类：信号形式分：模拟式：传输信号为连续变化的模拟量 这类仪表线路较简单，操作方便，价格较低使用上均有较成熟的经验。数字式：传输信号为断续变化的数字量以微型计算机为核心，功能完善、性能优越单元组合式控制仪表电动单元组合仪表：DDZ-I型；DDZ-II型；DDZ-III型电源： 220V AC ； 24V DC ；电信号：电流：010mA DC ；420mA DC；电压：15V

15、 DC气动单元组合仪表：气源： 140 kPa；气信号： 20100 kPa5. 集散控制系统将集中一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线 以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的、能适应于不同过程的积木式分级 分布计算机控制系统。实现了“控制分散”或“危险分散”，管理高度集中。6. 现场总线控制系统。是计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果。 它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统，并同上一层监控级、管理 级联系起来成为全分布式的新型控制网络。能源形式分：气动执行仪表：（以压缩空气为能源）特点：结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆。电动执行仪表：（以电为能源）优点：能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远，便于信号处理。缺点： 结构复杂，推力小，不太适用于防爆场合（III型仪