過(guò)程控制工程 總結(jié)教學(xué)課件

過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2014年

考試范圍:第1章緒論第4章執(zhí)行器及安全柵（部分）第5章被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)第8章先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)（部分）第10章過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例（部分）第1章緒論過(guò)程控制的特點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)：四個(gè)環(huán)節(jié)：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－過(guò)程控制系統(tǒng)的分類1.按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)——設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)——設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）程序控制系統(tǒng)——設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）2）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)）3）復(fù)合控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來(lái)制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。典型測(cè)試：給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。干擾階躍響應(yīng)t0y給定階躍響應(yīng)0ty

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評(píng)價(jià)。1）衰減比n和衰減率ψ2）最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ3）余差C4）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω另外：還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間）穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳

準(zhǔn)確性

余差C小好最大偏差A(yù)

小好快速性

過(guò)渡時(shí)間Ts短好

振蕩周期T短好系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分①偏差積分IE②絕對(duì)偏差積分IAE③平方偏差積分ISE④時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分ITAE第5章被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型建立被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基本方法機(jī)理法：根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理，列寫出有關(guān)的平衡方程，從而獲取對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。測(cè)試法：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，來(lái)識(shí)別對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。考點(diǎn)：水槽機(jī)理法建模步驟：（1）弄清楚對(duì)象的輸入量、輸出量（2）根據(jù)物料平衡方程、閥門特性列寫微分方程組，增量化處理（3）畫出系統(tǒng)框圖要求（4）寫出最后的傳遞函數(shù)被控過(guò)程的自衡與非自衡特性考點(diǎn)注意：同樣的單容水槽如果出水用泵抽出，則成為無(wú)自衡特性。

具有純滯后的液位過(guò)程。階躍響應(yīng)曲線法建模給對(duì)象輸入一階躍信號(hào)或方波信號(hào)測(cè)其輸出響應(yīng)。1．階躍響應(yīng)曲線的直接測(cè)定1Δμ1ttΔhKT２．矩形脈沖法測(cè)定被控過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線由階躍響應(yīng)曲線確定被控過(guò)程傳遞函數(shù)大多數(shù)工業(yè)對(duì)象的特性可以用具有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似描述：1xtty0tyττ00對(duì)于少數(shù)無(wú)自衡特性的對(duì)象，可用帶滯后的積分特性近似描述：

xtty0tyττ00由對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線基本可以辨識(shí)對(duì)象的特性模型結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)?；靖拍?.簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成指由一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對(duì)象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)2.生產(chǎn)過(guò)程對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的要求可簡(jiǎn)要?dú)w納為安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。不要與性能指標(biāo)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快混淆。3.被控參數(shù)與控制變量的選擇見(jiàn)書上

第6章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定特別強(qiáng)調(diào)：控制通道時(shí)間常數(shù)T0的大小反映了控制作用的強(qiáng)弱，反映了控制器的校正作用克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)影響的快慢。若T0太大，控制作用太弱，被控參數(shù)變化緩慢，控制不及時(shí)，系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，控制質(zhì)量下降。若T0太小，易引起系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。所以，T0應(yīng)適當(dāng)小一點(diǎn)。執(zhí)行器的選擇概念執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所使用能源的不同，執(zhí)行器可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類。氣動(dòng)執(zhí)行器接受0.2×105～1.0×105Ｐa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)控制閥的流量特性：指介質(zhì)流過(guò)控制閥閥門的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。⑴理想流量特性①直線流量特性②對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性③拋物線流量特性④快開(kāi)流量特性⑵工作流量特性實(shí)際應(yīng)用中，理想流量特性會(huì)因控制閥前后壓差遭受阻力損失而畸變成工作流量特性。

調(diào)節(jié)閥的選擇1．調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度應(yīng)在15%～85%區(qū)間。據(jù)此原則計(jì)算、確定控制閥的口徑尺寸。2．調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇首先按照過(guò)程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，再根據(jù)流量特性曲線的畸變程度以及工藝要求和工藝配管情況，確定理想流量特性。3．★調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)作用方式選擇（必須掌握）

★調(diào)節(jié)器正反作用的選擇為了保證負(fù)反饋，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象操作量被控變量干擾為了說(shuō)明選擇方法，先定義作用方向：當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，稱該環(huán)節(jié)為“正作用”；反之，稱為“反作用”。按此定義：變送器都是正作用氣開(kāi)閥是正作用，氣關(guān)閥是反作用被控對(duì)象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以測(cè)量輸入與輸出的關(guān)系定義：正作用：測(cè)量值–給定值反作用：給定值–測(cè)量值

調(diào)節(jié)器正反作用的確定原則：保證系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋簡(jiǎn)單的判定方法：閉合回路中有奇數(shù)個(gè)反作用環(huán)節(jié)。偏差控制器執(zhí)行器對(duì)象變送器給定值被調(diào)參數(shù)干擾－測(cè)量值反作用正作用正作用正作用＋調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量（偏差值）之間的函數(shù)關(guān)系。調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)偏差，按規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。在PID調(diào)節(jié)中，比例作用是基礎(chǔ)；微分作用可以加快系統(tǒng)控制速度，減小超調(diào)；積分作用可以消除靜差。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有一個(gè)整定參數(shù)；存在靜差負(fù)荷變化不顯著，工藝指標(biāo)要求不高的對(duì)象。PI能消除靜差，又控制靈敏對(duì)于滯后較大的對(duì)象，比例積分調(diào)節(jié)太慢，效果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大、精度要求高的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD增進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可調(diào)小比例度，而加快調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差系統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感，系統(tǒng)輸出易夾雜高頻干擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大，但調(diào)節(jié)精度要求不高的對(duì)象。PID綜合了各類調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn)，所以有更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于滯后很大，負(fù)荷變化很大的對(duì)象，PID調(diào)節(jié)也無(wú)法滿足要求，應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后較大、負(fù)荷變化較大、精度要求高的對(duì)象。（1）穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（2）衰減曲線法閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩狀態(tài)即可。（3）響應(yīng)曲線法（開(kāi)環(huán)整定方法）（4）經(jīng)驗(yàn)法

憑經(jīng)驗(yàn)湊試。其關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法重點(diǎn)：響應(yīng)曲線法屬于開(kāi)環(huán)整定方法。以被控對(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲線。給定值＋－測(cè)量變送器控制器執(zhí)行器對(duì)象被控變量根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得響應(yīng)曲線，找出廣義對(duì)象的特性參數(shù)K0、T0、τ0，用表6-4的經(jīng)驗(yàn)公式求整定參數(shù)。T0τ0此方法在不加控制作用的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于不允許工藝失控的生產(chǎn)過(guò)程，不能使用。表6.4響應(yīng)曲線法整定參數(shù)的公式0.5τ02τ0PID——3.3τ0PI————PTdTiP（%）整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律幾種整定方法的比較整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)響應(yīng)曲線法方法簡(jiǎn)單系統(tǒng)開(kāi)環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算需要經(jīng)驗(yàn)串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時(shí)可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)。

第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)爐膛溫度變化

T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭縏1T、T1C回路再改變?nèi)剂狭砍隽蠝囟茸兓鉀Q措施：在影響出口溫度的通道中，加測(cè)爐膛溫度的變化，提前控制。

燃料壓力變化

3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T系統(tǒng)框圖（注意規(guī)范，寫出每一個(gè)環(huán)節(jié)）主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：①對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力；②改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善；③對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。調(diào)節(jié)效果比較串級(jí)控制單回路控制ty重點(diǎn)：選擇串級(jí)系統(tǒng)的副變量，遵循下面幾個(gè)原則：

①主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系②副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾③副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生④應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定1、根據(jù)工藝安全、節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；2、按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。舉例：1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋2、副回路中，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，爐膛溫度升高，測(cè)量信號(hào)增大，說(shuō)明副對(duì)象和變送器都是正作用。為保證副回路為負(fù)反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T＋＋＋－前饋控制原理：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將其測(cè)量出來(lái)，通過(guò)前饋控制器，根據(jù)擾動(dòng)量的大小改變控制變量，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。補(bǔ)償原理：不變性原理如果補(bǔ)償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。Y(S)=F(S)Gf(s)+F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s)=0前饋控制的特點(diǎn)：①前饋控制器是按是按照干擾的大小進(jìn)行控制的，稱為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。如果補(bǔ)償精確，被調(diào)變量不會(huì)變化，能實(shí)現(xiàn)“不變性”控制。②前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。③前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由對(duì)象特性決定的。④前饋控制只對(duì)特定的干擾有控制作用，對(duì)其它干擾無(wú)效。前饋控制的局限性①實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的干擾很多，不可能對(duì)每個(gè)干擾設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測(cè)非常困難。②前饋控制器的補(bǔ)償控制規(guī)律很難精確計(jì)算，即使前饋控制器設(shè)計(jì)的非常精確，實(shí)現(xiàn)時(shí)也會(huì)存在誤差，而開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)誤差無(wú)法自我糾正。前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)（S=0時(shí)）2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補(bǔ)償控制規(guī)律制作控制器。前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來(lái)，組成前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。如換熱器出口溫度前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)?！芓TTCM蒸汽換熱器冷物料入口熱物料出口冷凝水FTFB復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對(duì)前饋控制器的精度要求，有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。③在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的控制。而前饋——反饋控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。前饋——串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)于慢過(guò)程的控制，如果生產(chǎn)過(guò)程中的主要干擾頻繁而又劇烈，而工藝對(duì)被控參量的控制精度要求又很高，可以考慮采用前饋——串級(jí)復(fù)合控制方案。Gv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go1(s)＋＋Y(s)Gm2(s)Gc1(s)＋＋＋－X(s)Gc2(s)Go2(s)－Gm1(s)前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合（1）某個(gè)干擾幅值大而頻繁，對(duì)被控變量影響劇烈，而對(duì)象的控制通道滯后大。（2）采用單純的反饋控制，控制速度慢、質(zhì)量差。（3）用串級(jí)控制，效果改善不明顯。大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中，控制通道往往不同程度地存在著純滯后。一般將純滯后時(shí)間τ0與時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3（τ0/T＞0.3）的過(guò)程稱之為大滯后過(guò)程。大滯后過(guò)程的Simth預(yù)估補(bǔ)償控制Simth預(yù)估補(bǔ)償控制是按照對(duì)象特性，設(shè)計(jì)一個(gè)模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計(jì)出對(duì)象在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提早進(jìn)行補(bǔ)償，使控制器提前動(dòng)作，從而降低超調(diào)量，并加速調(diào)節(jié)過(guò)程。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)得：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_Smith預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償模型的誤差十分敏感，補(bǔ)償效果取決于補(bǔ)償器模型的精度。

Gb(s)=G0(s)(1-e-τoS)比值控制系統(tǒng)定義：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。例如要實(shí)現(xiàn)兩種物料的比例關(guān)系，則表示為：Q2=K

Q1

其中：K—比值系數(shù)；Q1—主流量；

Q2—副流量

。比值控制系統(tǒng)的種類

1.開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)FTFCQ1Q22.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)F1TQ1Q2KF2TF2C3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Q1是主流量，Q2是副流量。兩個(gè)流量都可控，因此總流量穩(wěn)定。F1TQ1Q2F1CF2TF2CK4．變比值控制系統(tǒng)在有些生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個(gè)工藝參數(shù)的需要而變化，為滿足這種工藝的要求，就出現(xiàn)了變比值控制系統(tǒng)。圖7.23變比值控制系統(tǒng)框圖Gc2(s)Y(s)+Gv2(s)G02(s)G0(s)Gc1(s)X(s)Gm(s)Q1(s)Q2(s)Gm2(s)Gm1(s)÷+K'Kr'__應(yīng)當(dāng)注意，在變比值控制系統(tǒng)中，流量比值只是一種控制手段，不是最終目的，而第三參數(shù)（如本例中溫度）往往是主要被控參數(shù)。比值控制系