臨沂大學(xué)過程控制系統(tǒng)第二版

1、（一）概述1. 過程控制概念：采用數(shù)字或模擬控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制。2. 學(xué)科定位：過程控制是控制理論、工藝知識、計算機(jī)技術(shù)和儀器儀表知識相結(jié)合而構(gòu)成的一門應(yīng)用學(xué)科。3. 過程控制的目標(biāo)：安全性，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性。4. 過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的過程控制。5. 過程控制系統(tǒng)基本框圖：6. 過程控制系統(tǒng)的特點：1）被控過程的多樣性2）控制方案的多樣性，包括系統(tǒng)硬件組成和控制算法以及軟件設(shè)計的多樣性。3）被控過程屬慢過程且多屬參數(shù)控制4）定值控制是過程控制的主要形式5）過程控制有多種分類方法。過程控制系統(tǒng)階躍應(yīng)曲線：ya8. 衰減率 ：指每經(jīng)過一個周期以后，波動幅度

2、衰減的百分?jǐn)?shù)，即：yi y3yi衰減比常用：1表示。9. 最大動態(tài)偏差：被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大值。衡量過程控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)10. 超調(diào)量：最大動態(tài)偏差占穩(wěn)態(tài)值的百分比。11. 余差：衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的性能指標(biāo)。y（ ） r12. 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到結(jié)束的時間。當(dāng)被控量進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的5% 范圍內(nèi)，過渡過程結(jié)束。調(diào)節(jié)時間是過程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。13. 振蕩頻率：振蕩周期P的倒數(shù)，即：P當(dāng) 相同， 越大則ts越短；當(dāng) 相同時，則 越高，越短。因此，振蕩頻率也可衡量過程控制系統(tǒng)快速性。被控對象的數(shù)學(xué)模型（動態(tài)特性）：過程在各輸入量（包括控制量與擾動量）作用下，其相應(yīng)輸

3、出量（被控量）變化函數(shù)關(guān) 系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。14. 被控對象的動態(tài)特性的特點 ：1單調(diào)不振蕩。2具有延遲性和大的時間常數(shù)。3具有純時間滯后。4具有自平衡和非平衡特性。5非線性。（二 ）過程控制系統(tǒng)建模方法機(jī)理法建模：根據(jù)生產(chǎn)過程中實際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)方程式，從而得到所需的數(shù)學(xué)模型。 測試法建模：根據(jù)工業(yè)過程的輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。測定動態(tài)特性的時域方法，測定動態(tài)特性的頻域方法，測定動態(tài)特性的統(tǒng)計相關(guān)法。這三種方測試的動態(tài)特性表現(xiàn)形 式是以時間或頻率的為自變量的實驗曲線。稱為非參數(shù)模型。建立數(shù)學(xué)模型的的方法稱為非參數(shù)模型辨識方法或經(jīng)典 辨識法。還有一種參數(shù)模

4、型辨識方法或稱為現(xiàn)代辨識方法。頻率特性測試基本原理：激勵輸入信號經(jīng)波形變換可得到幅值恒定的正余弦參考信號。最小二乘的提出：未知量的最可能的值，是這樣一個數(shù)值，它使各次實際觀測值和計算值之間的差值的平方乘以度量 其精確度的數(shù)值以后的和為最?。ㄈ┻^程控制系統(tǒng)設(shè)計1. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟：1)2)3)4)5)6)7)根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量建立數(shù)學(xué)模型確定控制方案選擇硬件設(shè)備選擇控制算法，設(shè)計控制器軟件設(shè)計密度：在工作溫度和壓力下，節(jié)流裝置前流體的密度。 流量：流體在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某處橫斷面的數(shù)量。 雷諾數(shù)：設(shè)備安裝、調(diào)試、整定、投運2.3.4.vD 4Qm 4Qv R

5、eD D管道內(nèi)流量較小時，壓差與流量成正比，流體的流動狀態(tài)為層流；流量變大后，壓差大致與流量的平方成正比，流體 的流動狀態(tài)為紊流。從層流到紊流的分界線不僅與流量有關(guān)，而且與流體的密度、粘度和管道內(nèi)徑有關(guān)。2. 節(jié)流元件：在直線管道中設(shè)置的使流束產(chǎn)生局部收縮以測量管道中流體的流量的裝置。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的取壓方式：徑距取壓，法蘭取壓，角接取壓。調(diào)節(jié)閥的工作原理通過閥的體積流量與閥的有效流通截面積和通過閥前后的壓差的平方根成正比，與流體的密度的平方根和閥的阻力系數(shù)的平方根成反比，即:Qv3. 可調(diào)比1)閥所能調(diào)節(jié)的最大流量和最小流量的比值。rQmaxQmin2)理想可調(diào)比：當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變。rQm

6、axCmax 'P;CmaxQminCmin J PCmin3)總管道最大流量實際可調(diào)比Rp閥體部件最小流量+旁路流量QT maxQ2Q1mina)7.調(diào)節(jié)閥的流量特性指流體流過閥門的相對流量和相對開度之間的函數(shù)關(guān)系。直線流量特性Qrf(L調(diào)節(jié)閥的單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化是常數(shù)。dQrdLrb)對數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化和此點的相對流量成正比。dQrdLr KQrC）拋物線流量特性閥的相對流量與相對開度的平方根成正比dQr K qdLr7 r快開流量特性在閥開度很小時，將流量放大，隨開度的增加，流量很快達(dá)到最大值。適用于迅速啟閉的切斷閥或

7、雙位控制系統(tǒng)。dQrdLrd)f (Lr)K(1 Lr)8.閥上壓差的確定方法按管路系統(tǒng)的壓差比來確定閥上的壓差按管路系統(tǒng)中閥前后定壓點的壓差確定（四）PID調(diào)解節(jié)原理PID控制器根據(jù)系統(tǒng)誤差。利用誤差的比例積分微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出控制量。1. 工業(yè)調(diào)節(jié)器有正、反作用方式。早正作用：調(diào)節(jié)器的輸出信號隨著被調(diào)量的增大而增大，增益為十”。早反作用：調(diào)節(jié)器的輸出信號隨著被調(diào)量的增大而減小，增益為一”。2. PID控制的優(yōu)點：1）原理簡單，2）適應(yīng)性強(qiáng)。3）魯棒性強(qiáng)4）對模型依賴少3. PID參數(shù)整定指的是在控制系統(tǒng)中對比例帶，積分時間常數(shù) T1，微分時間常數(shù) Td這三個參數(shù)的調(diào)整。4. 調(diào)節(jié)

8、器參數(shù)的整定是在系統(tǒng)設(shè)計合理、儀表選擇得當(dāng)和安裝正確的條件下進(jìn)行的。5. 誤差積分性能指標(biāo)。誤差積分（IE）絕對誤差積分（IAE ）平方誤差積分（ISE）時間與絕對誤差積分（ITAE ）IE 0 e（t）dtISE ° e（t）2dtIAE 0 e（t） dtITAE 01 e（t） dt6. 工程整定法是在理論基礎(chǔ)上通過實踐總結(jié)出來的，因而在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。1）動態(tài)特性參數(shù)法：以被控對象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)的開環(huán)整定方法。廣義被控對象的階躍響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似。2）穩(wěn)定邊界法：基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶pr和臨

9、界振蕩周期Tpr ，利用經(jīng)驗公式，求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)的閉環(huán)整定方法穩(wěn)定邊界法整定步驟a）置調(diào)節(jié)器積分時間為最大值，微分時間為零，比例帶置較大值，使控制系統(tǒng)投入運行。b）系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記錄p和Tprc）利用臨界比例帶和臨界振蕩周期值，并按表中的公式，求各整定參數(shù)3）衰減曲線法采用某衰減比（4:1或10:1）時設(shè)定值擾動的衰減振蕩實驗數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗公式，求取調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 衰減曲線法整定步驟（4:1）:1. 置調(diào)節(jié)器積分時間為最大值，微分時間為零，比例帶置較大值，使系統(tǒng)投入運行。2. 系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動。調(diào)整比例帶，直到出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程。

10、記下此時的比例帶s和振蕩周期Ts數(shù)值。3. 利用s和T值，按表求各整定參數(shù)7. 繼電器自整定法的設(shè)計思想：在系統(tǒng)中設(shè)置測試和控制兩種模式，在測試模式下利用繼電器的滯環(huán)使系統(tǒng)處于等幅振蕩，測取系統(tǒng)的振蕩周期和振幅，然后利用穩(wěn)定邊界法的經(jīng)驗公式計算PID控制參數(shù)。在控制模式下，控制器使用整定后的參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)8. 繼電器型PID參數(shù)自整定控制結(jié)構(gòu)r 對-產(chǎn) 1電利制 I（五）串級控制系統(tǒng)1. 串級控制系統(tǒng)定義：兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，副控制器的輸出操縱控制閥，從而對主被控變量有更好的控制效果。2. 串級控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)原理方框圖二斟平Itft Tttw7*

11、皆pH嚴(yán)圭住崛.上節(jié)亠| 11鼻.卜-|1麗 I 解”星4 厘隹程an it ?!總毫 | 門麗M3. 串級控制系統(tǒng)的特點：1）由于副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道使控制作用更加及時。2）提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)。3）對二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力，克服一次干擾的能力也有一定的提高。4）對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力4. 主變量的選擇原則：在條件許可的情況下，盡量選擇直接反映控制目的的參數(shù)為主變量，不行時可選擇與控制目的有某種單值對應(yīng)關(guān)系 的間接參數(shù)作為主變量，所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度，還應(yīng)考慮工藝上的合理性和實現(xiàn)

12、的可能性。5. 副變量的選擇原則1）應(yīng)將主要的和更多的干擾納入副回路2）應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)匹配3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性6. 控制器正、反作用方式的選擇1邏輯推理法2判別式法。7. 串級控制系統(tǒng)整定方法1）逐步逼近法：依次整定副回路、主回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步逼近主、副控制回路的最佳整定參數(shù)。2）兩步整定法：主、副對象的時間常數(shù)相差較大，主、副回路的動態(tài)聯(lián)系不密切。采用兩步整定法。3）一步整定法：根據(jù)經(jīng)驗先確定副控制器的比例度，然后按單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器的參數(shù)。8. 選擇控制方式的原則：凡用單回路控制系統(tǒng)滿足控制要求時，就不必采用串級控制系統(tǒng)。（六）比值控制

13、1. 比值控制概念：用以實現(xiàn)兩種或兩種以上物料保持一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)。2. 比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型a）開環(huán)比值控制：主從動量回路均處于開環(huán)狀態(tài)b）開環(huán)比值控制系統(tǒng)的工作過程：1）在穩(wěn)定狀態(tài)時，兩物料的流量關(guān)系為2）當(dāng)主動量發(fā)生變化時，比值器根據(jù)對設(shè)定值的偏差情況，按比例改變控制閥的開度，使從動量與變化后的主動量仍保持原有的比例關(guān)系。c）優(yōu)缺點：當(dāng)從動量受到干擾發(fā)生波動時，Q1與 Q2的比值關(guān)系將遭到破壞，但系統(tǒng)對此不能調(diào)節(jié)d）單閉環(huán)比值控制：主動量處于開環(huán)狀態(tài)，而從動量處于閉環(huán)控制e）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的工作過程1）在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩物料保持Q2=kQ1的關(guān)系2）當(dāng)主動量不變時，比值器的輸出

14、不變，從動量回路是 定值控制。若從動量受到干擾， 經(jīng)從動量回路，把Q2 調(diào)回穩(wěn)態(tài)值，使兩者比值不變。3）當(dāng)主動量受到干擾時，比值器的輸出發(fā)生變化，從動量回路是隨動控制，從動量隨主動量成比例變化，使Q1與 Q2的比值不變。4）當(dāng)主從動量同時受到干擾時，從動量回路的控制過程是兩種情況的疊加。f）單閉環(huán)比值控制的優(yōu)缺點：1）單閉環(huán)比值控制能使從動量隨主動量成比例變化，且能克服從動量本身干擾對比值的影響2）當(dāng)主動量變化時，從動量在控制過程中相對于其控制器的設(shè)定值會出現(xiàn)較大偏差，即主從動量的比值會偏離 要求的流量比，Q1與 Q2的動態(tài)比值很難保證。3）主動量是可變的，故從動量也是可變的，總的物料量不固定

15、。g）雙閉環(huán)比值控制：主、從動量均處于閉合控制狀態(tài)h）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的工作過程：1）早當(dāng)主動量受到干擾時，主動量回路對其進(jìn)行定值控制，使主 動量穩(wěn)定在設(shè)定值附近。2）早從動量回路是隨動控制，主動量發(fā)生變化時，比值器的輸出 使從動量回路控制器的設(shè)定值改變，使從動量隨主動量成比例 地變化。3）早當(dāng)從動量受到干擾時，經(jīng)從動量回路的調(diào)節(jié)，使從動量穩(wěn)定在比值器的輸出值上。i）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點：1）主動量是定值控制，克服了干擾對主動量的影響，使主動量比較平穩(wěn)，從動量也比較平穩(wěn)，系統(tǒng)總的物料流 量是穩(wěn)定的2）主動量回路是定值控制，從動量回路是隨動控制。當(dāng)主動量回路的設(shè)定值改變時，主動量發(fā)生變化，

16、從動量 隨主動量成比例地變化。3）當(dāng)要升降負(fù)荷時，只需改變主動量回路控制器的設(shè)定值，就可使主從動量同步升降j）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的缺點：1）要防止從動量回路產(chǎn)生共振。若主動量的工作頻率接近從動量回路的工作頻率，可能引起從動量回路的共振, 使控制品質(zhì)變壞2）比值控制的被控對象一般是流量對象，滯后時間比較小，主從動量控制器不宜采用微分作用 變比值控制系統(tǒng)：以兩物料的比值作為副變量所構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)k）變比值控制系統(tǒng)的工作過程：1. 在穩(wěn)定狀態(tài)下，主從動量經(jīng)檢測、變送、開方 后送入除法器，除法器的輸出即比值。2. 若主被控變量穩(wěn)定，主控制器的輸出不變，且 和比值信號相等，從動量閥門開度穩(wěn)定3. 當(dāng)

17、主動量受到干擾時，除法器輸出改變，比值 控制器的輸出改變閥門開度，使從動量也發(fā)生 變化，保證 與 的比值不變。4. 當(dāng)主被控變量變化時，主控制器的輸出變化，即比值控制器的設(shè)定值變化，從而對主、從動量的比值加以修 正，使主被控變量重新穩(wěn)定5. 比值系數(shù)的換算Q流量與測量信號成線性關(guān)系I16 4（mA）Qmax流量與測量信號成非線性關(guān)系 Q Cp3. 比值控制實施方案的選擇1）應(yīng)用比值器方案2）應(yīng)用乘法器方案3）應(yīng)用除法器方案單、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中的從動量回路和變比值控制系統(tǒng)中的變比值回路的整定要求：從動量能準(zhǔn)確、快速地 跟隨主動量變化，6. 從動量回路控制器整定步驟1）根據(jù)工藝要求的流量比值

18、K，換算出儀表信號比值，按照進(jìn)行投運。2）將積分時間置最大值，由大到小逐步改變比例度，直到在階躍干擾下過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界過程 為止。3）若有積分作用，則適當(dāng)放寬比例度（可為20%），逐步減小積分時間，直到出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過程或稍有一點過調(diào)為止均勻控制系統(tǒng)：使兩個有關(guān)聯(lián)的被控變量在規(guī)定范圍內(nèi)緩慢地、均勻地變化，使前后設(shè)備在物料的供求上相互兼顧、 均勻協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。7. 均勻控制系統(tǒng)的特點：1）兩被控變量都應(yīng)該是變化的。2）兩個被控變量的調(diào)節(jié)過程應(yīng)該是緩慢的，這與定值控制希望控制過程要短的要求是不同的。3）兩個被控變量的變化應(yīng)在工藝允許的范圍內(nèi)。8. 簡單均勻控制系統(tǒng)分析調(diào)節(jié)規(guī)律以

19、比例作用為主。在系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)的同向干擾時，采用PI控制。在參數(shù)整定時，比例、積分作用不能整定得太強(qiáng)，即比例度要寬，積分時間要長。一般比例度100% 200%，積分時間為幾-十幾分鐘當(dāng)甲塔的液位對象具有自平衡或乙塔壓力波動時，閥開度不變，但流出量變化。故只適用于干擾較小、對流量的均 勻程度要求較低的場合串級均勻控制系統(tǒng)工作過程分析1）若甲塔的液位上升，正作用的液位控制器的輸出增大，使反作用的流量控制器輸出增大，使閥開度增大，液 位緩慢上升，即乙塔的進(jìn)料量增加。當(dāng)液位上升到某一高度時，甲塔的出料量等于進(jìn)料量的增加量，液位不 再上升。2）若乙塔內(nèi)壓力變化，其進(jìn)料量的變化由流量控制器進(jìn)行控制。當(dāng)甲塔的

20、液位受到影響時，液位控制器改變流 量控制器的設(shè)定值，使流量控制器作進(jìn)一步的控制。雙沖量均勻控制系統(tǒng)：將兩個變量的測量信號，經(jīng)加法器后作為被控變量的系統(tǒng)o*LS加法器的運算規(guī)律為：P。 pH Pq ps C1）當(dāng)流量正常時，若 增大，po曽大，正作用的流量控制器輸出增大，閥開度增大，使出料量加大，Pq增大。當(dāng)pH與Pq之差減小到穩(wěn)態(tài)值時，加法器的輸出恢復(fù)到控制器的設(shè)定值，閥停在新的開度上，液位、流量都增加。2）當(dāng)液位正常，當(dāng)pq 增大，加法器的輸出減小，流量控制器輸出減小，閥門關(guān)小，使pq減小，同時引起液位上升，增大，當(dāng)pH與Pq之差恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值時，系統(tǒng)又達(dá)到新的平衡。9. 串級均勻控制系統(tǒng)的參

21、數(shù)整定方法：停留時間法停留時間：操縱量在被控對象的可控范圍內(nèi)通過所需要的時間。t T 2分程控制概念由一臺控制器的輸出信號操縱兩個或兩個以上的控制閥，且每個控制閥上的操縱信號，只是控制器整個輸出信號的某一段。實現(xiàn)方法：分程控制由設(shè)在每個閥上的閥門定位器實現(xiàn)。閥門定位器可將控制器的輸出信號的某一段轉(zhuǎn)換成使相應(yīng)控制閥作全行程動作的信號。10.兩閥并聯(lián)分程后的可調(diào)比R R 30并聯(lián)的兩個閥中，小閥有CAmax 4 ，大閥有CBmax 100 。兩閥的可調(diào)比相同，即 RA30小閥的最小流通能力為：C.Amin40.13330兩閥并聯(lián)在一起的可調(diào)比為：RrabCAmaxCBmax41007c。CAmin0.13311. 大、小閥流量特性的放大系數(shù)不同，使兩閥在銜接處有突變現(xiàn)象 軟保護(hù)的作用：既能自動起保護(hù)作用而又不停車12. 選擇性控制系統(tǒng)：凡在控制回路中引入了選擇器的控制系統(tǒng)i. 對被控變量的選擇性控制系統(tǒng)的工作過程1）正常工況下，液位處于安全范圍。液位控制器的反作用使其輸出高于溫 度控制器的輸出，從而低值選擇器選中溫度控制器。2）當(dāng)液位達(dá)到高限值時。液位升高而使液位控制器的輸出減小，而冷物料 出口溫度的升高使溫度控制器輸出增大，低值選擇器選中液位控制器。 在液位控制器的作用下，液位恢復(fù)到正常高度，溫