過(guò)程控制系統(tǒng) 復(fù)習(xí)

過(guò)程控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)第一章過(guò)程控制概述1、過(guò)程控制系統(tǒng)的組成及分類

2、過(guò)程控制的特點(diǎn)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)組成：被控過(guò)程（Process）過(guò)程檢測(cè)控制儀表（Instrumentation）過(guò)程檢測(cè)控制儀表包括：測(cè)量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ControlElement）ProcessControlSystemWangyuyuki1120@過(guò)程控制系統(tǒng)的分類

按給定值的信號(hào)特點(diǎn)分：定值、隨動(dòng)、程序控制系統(tǒng)

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：反饋、前饋、復(fù)合控制系統(tǒng)

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@過(guò)程控制的特點(diǎn)

被控過(guò)程的多樣性

控制方案的多樣性

有單回路、串級(jí)、前饋-反饋、比值、均勻、分程、選擇性、時(shí)滯、數(shù)字和計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)等。

控制過(guò)程屬慢過(guò)程、多半屬參量控制

連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第二章過(guò)程建模和過(guò)程檢測(cè)控制儀表1、過(guò)程建模2、確定各環(huán)節(jié)正、反作用方式以及進(jìn)行系統(tǒng)分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@自衡過(guò)程與非自衡過(guò)程

如液位系統(tǒng)，出口閥不控，入口流量變化后，液位為自衡過(guò)程；若出口加泵，為非自衡過(guò)程。

自衡過(guò)程----指過(guò)程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。

非自衡過(guò)程-----指過(guò)程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠其自身不能重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。

過(guò)程建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@過(guò)程數(shù)學(xué)模型的求取方法方法二：實(shí)驗(yàn)法建模（過(guò)程辨識(shí)法）,即根據(jù)過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)程辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)的方法建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。方法一：機(jī)理分析法，即根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，通過(guò)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)物料平衡和能量平衡關(guān)系求取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。方法三：上兩種方法的結(jié)合，即先通過(guò)機(jī)理分析確定模型的結(jié)構(gòu)形式，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定模型中各系數(shù)的大小。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@機(jī)理建模的依據(jù)物料（或能量）平衡關(guān)系動(dòng)態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料（或能量）減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料（或能量）等于被控過(guò)程內(nèi)物料（或能量）存儲(chǔ)量的變化率。

靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料（或能量）等于單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料（或能量）。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@自衡過(guò)程單容、雙容、多容及純滯后對(duì)象數(shù)學(xué)模型ProcessControlSystemWangyuyuki1120@無(wú)自衡過(guò)程單容、雙容、多容及純滯后對(duì)象數(shù)學(xué)模型ProcessControlSystemWangyuyuki1120@e.g.由階躍響應(yīng)曲線確定一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)輸入階躍信號(hào)u0

，階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值為。對(duì)一階加滯后慣性對(duì)象:（1）放大系數(shù)求?。涸跀?shù)值上等于對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出變化量與輸入變化量之比：

試驗(yàn)法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@(2)

時(shí)間常數(shù)求?。呵芯€法：在階躍響應(yīng)曲線拐點(diǎn)D處作一切線，交時(shí)間軸于B點(diǎn)，交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn)。OB即為過(guò)程的滯后時(shí)間，BA在時(shí)間軸上的投影BC即為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T0。試驗(yàn)法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@計(jì)算法：

將階躍響應(yīng)曲線標(biāo)準(zhǔn)化

y*(t)的解為：在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上選擇兩點(diǎn)y*(t1)、y*(t2)

，讀出對(duì)應(yīng)t1和t2，聯(lián)立求解，即可確定、，一般取y*(t1)=0.39,y*(t2)=0.63,則可得

校驗(yàn)：試驗(yàn)法建模ProcessControlSystemWangyuyuki1120@用各環(huán)節(jié)正、反作用方式進(jìn)行系統(tǒng)分析氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥可分為氣開(kāi)、氣關(guān)兩種作用方式。氣開(kāi)式——信號(hào)壓力p〉0.02MPa時(shí)，閥開(kāi)始打開(kāi)，也就是“有氣”時(shí)閥開(kāi)。增益為“+”氣關(guān)式——信號(hào)壓力增大閥反而關(guān)小。增益為“-”考慮事故狀態(tài)是人身、工藝設(shè)備的安全。例如：進(jìn)加熱爐的燃料氣或燃料油的調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用氣開(kāi)式，一旦事故發(fā)生，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，避免爐溫繼續(xù)升高?？紤]事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。例如：精餾塔進(jìn)料一般選用氣開(kāi)式，在事故狀態(tài)下，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止進(jìn)料。

考慮介質(zhì)的性質(zhì)。例如：對(duì)裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥需選用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，處于全開(kāi)狀態(tài)，以防止物料結(jié)晶。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@

控制閥：氣開(kāi)式為“＋”，氣關(guān)式為“-”；

被控對(duì)象：物料或能量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加為“＋”，隨之減少為“-”；

控制器：正作用為“-”，反作用為“+”；正作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出增加，其靜態(tài)放大系數(shù)KC取負(fù)；反作用：當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出減小，其靜態(tài)放大系數(shù)KC取正；變送器：一般為“＋”。各環(huán)節(jié)正、反作用的定義ProcessControlSystemWangyuyuki1120@根據(jù)控制系統(tǒng)方框圖確定調(diào)節(jié)器的正反作用

首先根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則①確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式；然后按②被控過(guò)程特性，確定其正、反作用；最后根據(jù)上述組成該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則來(lái)③確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。被控過(guò)程增益(+)調(diào)節(jié)閥增益(+)調(diào)節(jié)器增益(+)測(cè)量變送裝置增益(+)因此，要求調(diào)節(jié)器作用于反作用方式。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第二章作業(yè)1.

某水槽如圖。其中C為槽的截面積，R1、R2和R3均為線性水阻，q1為流入量，q2和q3為流出量。要求：

(1)寫出以水位h為輸出量，q1為輸入量的對(duì)象動(dòng)態(tài)方程；(2)寫出對(duì)象的傳遞函數(shù)G(s)，并指出其增益K和時(shí)間常數(shù)T的值。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@解：（1）微分方程：拉氏變換（2）畫出控制框圖ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（3）求傳遞函數(shù)：ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2、某液位過(guò)程的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)為：其中階躍擾動(dòng)量畫出液位過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線。

若該水位對(duì)象用一階慣性加滯后環(huán)節(jié)近似，試確定其K0、T0和。（計(jì)算法）

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（2）曲線標(biāo)準(zhǔn)化解：（1）求K0ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（3）畫出標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖ProcessControlSystemWangyuyuki1120@（4）在標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖上讀出h(t1)=0.39,h(t2）=0.63對(duì)應(yīng)的t1、t2由圖可知：則：ProcessControlSystemWangyuyuki1120@則系統(tǒng)模型為：（5）校驗(yàn)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第三章單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2、PID控制ProcessControlSystemWangyuyuki1120@過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.單項(xiàng)性能指標(biāo)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2.誤差積分性能指標(biāo)它是以控制系統(tǒng)瞬時(shí)誤差函數(shù)e(t)為泛函數(shù)的積分評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合性指標(biāo)。它是用一個(gè)數(shù)（最?。┖饬恳粋€(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣、是否處于最佳狀態(tài)的一種方法。誤差積分(IE)絕對(duì)誤差積分(IAE)平方誤差積分(ISE)時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分(ITAE)過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制比例積分微分ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器參數(shù)的影響P---比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出，好比“現(xiàn)在”（現(xiàn)在就起作用，快）；I---積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過(guò)去的累積誤差，好比“過(guò)去”（清除過(guò)去積怨，回到準(zhǔn)確軌道）；D---微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比"未來(lái)"（放眼未來(lái)，未雨綢繆）。

ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器參數(shù)的影響比例控制比例積分控制比例積分微分ProcessControlSystemWangyuyuki1120@PID控制器參數(shù)的整定1.理論計(jì)算整定法2.工程整定法動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）阻尼振蕩法（衰減曲線法）現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法（湊試法）ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第三章作業(yè)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在比例控制的基礎(chǔ)上分別增加：a.適當(dāng)?shù)姆e分作用；b.適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?。試?wèn)：(1)這兩種情況對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、最大動(dòng)態(tài)偏差、余差分別有何影響?(2)為了得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)如何調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例度，并說(shuō)明理由。

分析：在比例度不變的情況下，減小積分時(shí)間，將使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過(guò)程加快、振蕩頻率升高。穩(wěn)定性比比例調(diào)節(jié)差。

PI調(diào)節(jié)引入積分動(dòng)作帶來(lái)消除系統(tǒng)殘差好處的同時(shí)，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[比例積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)]有差調(diào)節(jié)。殘差隨著比例度的加大而加大。但是減小比例度又等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，將導(dǎo)致系統(tǒng)激烈震蕩甚至不穩(wěn)定。

[比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)]ProcessControlSystemWangyuyuki1120@[比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)]由于穩(wěn)態(tài)下，de/dt=0，PD調(diào)節(jié)器的微分部分為零，因此PD調(diào)節(jié)也是

有差調(diào)節(jié)；微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。適度引入微分動(dòng)作可以允許稍許減小比例度，同時(shí)保持衰減率不變。(1)在比例控制的基礎(chǔ)上分別增加：a.適當(dāng)?shù)姆e分作用:

穩(wěn)定性：最大動(dòng)態(tài)偏差：

余差：b.適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔茫悍€(wěn)定性：最大動(dòng)態(tài)偏差：

余差：(2)為了得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)如何調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例度增加積分：增加微分：

解答：降低增加可消除提高降低不可消除增大減小ProcessControlSystemWangyuyuki1120@2.在某生產(chǎn)過(guò)程中，冷物料通過(guò)鍋爐對(duì)其進(jìn)行加熱。熱物料溫度必須滿足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計(jì)如圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖。試畫出其框圖，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用。氣開(kāi)“+”反“+”正“+”正“+”ProcessControlSystemWangyuyuki1120@3.在某鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，必須滿足汽-水平衡關(guān)系，故汽包液位是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，汽包中的水易被燒干引起生產(chǎn)事故（甚至?xí)a(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)），故設(shè)計(jì)如圖液位控制系統(tǒng)。試畫出該系統(tǒng)的框圖，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。氣關(guān)“-”正“-”正“+”正“+”ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第四章串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖、組成、結(jié)構(gòu)框圖2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3、串級(jí)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、反作用方式的確定及工作過(guò)程分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制方案：選取爐出口溫度為主被控參數(shù)，選取爐膛溫度為副被控參數(shù)，把爐出口溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器的給定值。控制框圖如下圖。T1CT1T燃料冷物料熱物料加熱爐T2CT2TrProcessControlSystemWangyuyuki1120@串級(jí)控制系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)框圖串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖

主控制器副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象主回路副回路副變送器主變送器ProcessControlSystemWangyuyuki1120@串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1、在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：主回路和副回路；有兩個(gè)控制器：主控制器和副控制器；有兩個(gè)測(cè)量變送器；

一個(gè)調(diào)節(jié)閥。主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。2、在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引入，改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，使控制過(guò)程加快，具有超前控制的作用。3、對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力4、對(duì)一次擾動(dòng)有較好的克服能力

5、具有一定的自適應(yīng)能力ProcessControlSystemWangyuyuki1120@正反作用方式確定原則：

先內(nèi)環(huán)、再外環(huán)，原則同單回路。

具體確定及工作過(guò)程分析見(jiàn)例題及相關(guān)作業(yè)題串級(jí)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、反作用方式的確定及工作過(guò)程分析ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第四章作業(yè)在現(xiàn)代化都市中，對(duì)于生活污水和工業(yè)污水等必須進(jìn)行處理后才能排入江河湖泊中，以保護(hù)環(huán)境。為此，可采用如圖所示的三個(gè)大容量的澄清池、過(guò)濾池和清水池進(jìn)行處理。工藝要求（控制）清水池水位穩(wěn)定在某一高度上。在污水處理過(guò)程中污水流量經(jīng)常波動(dòng)，是諸干擾因素中最主要的擾動(dòng)。試設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)。ProcessControlSystemWangyuyuki1120@第五章前饋及復(fù)合控制系統(tǒng)

1、前饋控制系統(tǒng)的原理圖2、前饋控制系統(tǒng)的組成、類型及特點(diǎn)3、前饋補(bǔ)償器的計(jì)算4、前饋復(fù)合控制系統(tǒng)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前饋控制系統(tǒng)原理圖換熱器的前饋控制系統(tǒng)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前饋控制的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)前饋控制比反饋控制及時(shí)有效前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制使用的實(shí)施對(duì)象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用PID控制器一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾，反饋控制只用一個(gè)控制器就可克服多個(gè)干擾前饋控制與反饋控制比較干擾設(shè)定測(cè)量變送對(duì)象執(zhí)行器反饋控制器被控變量干擾對(duì)象前饋控制器測(cè)量變送執(zhí)行器被控變量ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式ProcessControlSystemWangyuyuki1120@前饋補(bǔ)償器的模型前饋補(bǔ)償器的模型計(jì)算:Wm(s)=-Wf(S)/Wo(s)ProcessControlSystemWangyuyuki1120@在某生產(chǎn)過(guò)