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临沂大学过程控制系统第二版 -

时间：2019-01-29 18:16:16 下载该word文档

(一) 概述

1. 过程控制概念：采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

2. 学科定位：过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表知识相结合而构成的一门应用学科。

3. 过程控制的目标：安全性，稳定性，经济性。

4. 过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。

5. 过程控制系统基本框图：

6. 过程控制系统的特点 :

1) 被控过程的多样性

2) 控制方案的多样性,包括系统硬件组成和控制算法以及软件设计的多样性。

3) 被控过程属慢过程且多属参数控制

4) 定值控制是过程控制的主要形式

5) 过程控制有多种分类方法。

过程控制系统阶跃应曲线：

7. 衰减比：衡量振荡过程衰减程度的指标，等于两个相邻同向波峰值之比。即：

8. 衰减率：指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即：

衰减比常用表示。

9. 最大动态偏差：被控参数偏离其最终稳态值的最大值。衡量过程控制系统动态准确性的指标

10. 超调量：最大动态偏差占稳态值的百分比。

11. 余差：衡量控制系统稳态准确性的性能指标。

12. 调节时间：从过渡过程开始到结束的时间。当被控量进入其稳态值的范围内，过渡过程结束。

调节时间是过程控制系统快速性的指标。

13. 振荡频率：振荡周期P的倒数，即：

word/media/image9_1.pngword/media/image10_1.pngword/media/image11_1.pngword/media/image11_1.pngword/media/image10_1.pngword/media/image9_1.png当　相同，越大则越短；当　相同时，则越高，越短。因此，振荡频率也可衡量过程控制系统快速性。

被控对象的数学模型（动态特性）：过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。

14. 被控对象的动态特性的特点：1单调不振荡。2具有延迟性和大的时间常数。3具有纯时间滞后。4具有自平衡和非平衡特性。5非线性。

(二) 过程控制系统建模方法

机理法建模：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关方程式，从而得到所需的数学模型。

测试法建模：根据工业过程的输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。

测定动态特性的时域方法，测定动态特性的频域方法，测定动态特性的统计相关法。这三种方测试的动态特性表现形式是以时间或频率的为自变量的实验曲线。称为非参数模型。建立数学模型的的方法称为非参数模型辨识方法或经典辨识法。还有一种参数模型辨识方法或称为现代辨识方法。

频率特性测试基本原理：激励输入信号经波形变换可得到幅值恒定的正余弦参考信号。

最小二乘的提出：未知量的最可能的值，是这样一个数值，它使各次实际观测值和计算值之间的差值的平方乘以度量其精确度的数值以后的和为最小

(三) 过程控制系统设计

1. 过程控制系统设计的具体步骤：

1) 根据工艺要求和控制目标确定系统变量

2) 建立数学模型

3) 确定控制方案

4) 选择硬件设备

5) 选择控制算法，设计控制器

6) 软件设计

7) 设备安装、调试、整定、投运

2. 密度：在工作温度和压力下，节流装置前流体的密度。

3. 流量：流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面的数量。

4. 雷诺数：

word/media/image12_1.png管道内流量较小时，压差与流量成正比，流体的流动状态为层流；流量变大后，压差大致与流量的平方成正比，流体的流动状态为紊流。从层流到紊流的分界线不仅与流量有关，而且与流体的密度、粘度和管道内径有关。

5. 节流元件：在直线管道中设置的使流束产生局部收缩以测量管道中流体的流量的装置。

标准节流装置的取压方式：径距取压，法兰取压，角接取压。

调节阀的工作原理

通过阀的体积流量与阀的有效流通截面积和通过阀前后的压差的平方根成正比，与流体的密度的平方根和阀的阻力系数的平方根成反比，即：

6. 可调比

1) 阀所能调节的最大流量和最小流量的比值。

2) 理想可调比：当调节阀两端压差不变。

3) 实际可调比

7. 调节阀的流量特性

word/media/image17_1.png指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的函数关系。

a) 直线流量特性

调节阀的单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化是常数。

b) 对数流量特性

调节阀单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量成正比。

c) 抛物线流量特性

阀的相对流量与相对开度的平方根成正比

d) 快开流量特性

在阀开度很小时，将流量放大，随开度的增加，流量很快达到最大值。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

8. 阀上压差的确定方法

◆按管路系统的压差比来确定阀上的压差

◆按管路系统中阀前后定压点的压差确定

(四) PID调解节原理

PID控制器根据系统误差。利用误差的比例积分微分三个环节的不同组合计算出控制量。

1. 工业调节器有正、反作用方式。

♀正作用：调节器的输出信号随着被调量的增大而增大，增益为“十”。

♀反作用：调节器的输出信号随着被调量的增大而减小，增益为“一”。

2. PID控制的优点：

1) 原理简单，

2) 适应性强。

3) 鲁棒性强

4) 对模型依赖少

3. PID参数整定指的是在控制系统中对比例带，积分时间常数T1，微分时间常数这三个参数的调整。

4. 调节器参数的整定是在系统设计合理、仪表选择得当和安装正确的条件下进行的。

5. 误差积分性能指标。误差积分（IE）绝对误差积分（IAE）平方误差积分（ISE）时间与绝对误差积分（ITAE）

word/media/image25_1.pngword/media/image26_1.pngword/media/image27_1.pngword/media/image28_1.png

6. 工程整定法是在理论基础上通过实践总结出来的，因而在工程实践中得到广泛应用。

1) 动态特性参数法：

以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，求取调节器最佳参数的开环整定方法。

广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似。

2) 稳定边界法：

word/media/image29_1.pngword/media/image30_1.png基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带　和临界振荡周期，利用经验公式，求取调节器最佳参数的闭环整定方法

稳定边界法整定步骤

a) 置调节器积分时间为最大值，微分时间为零，比例带置较大值，使控制系统投入运行。

b) word/media/image29_1.pngword/media/image30_1.png系统稳定后，逐渐减小比例带，直至系统出现等幅振荡，记录和

c) 利用临界比例带和临界振荡周期值，并按表中的公式，求各整定参数

3) 衰减曲线法

采用某衰减比(4:1或10:1)时设定值扰动的衰减振荡实验数据，利用经验公式，求取调节器的整定参数。

衰减曲线法整定步骤(4:1)：

1. 置调节器积分时间为最大值，微分时间为零，比例带置较大值，使系统投入运行。

2. word/media/image31_1.png系统运行稳定后，作设定值阶跃扰动。调整比例带，直到出现4:1衰减振荡过程。记下此时的比例带和

word/media/image32_1.png 振荡周期数值。

3. word/media/image32_1.pngword/media/image31_1.png利用和值，按表求各整定参数

7. 继电器自整定法的设计思想：在系统中设置测试和控制两种模式，在测试模式下利用继电器的滞环使系统处于等幅振荡，测取系统的振荡周期和振幅，然后利用稳定边界法的经验公式计算PID控制参数。在控制模式下，控制器使用整定后的参数对系统的动态过程进行调节

8. 继电器型PID参数自整定控制结构

(五) 串级控制系统

1. 串级控制系统定义：

　两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，副控制器的输出操纵控制阀，从而对主被控变量有更好的控制效果。

2. 串级控制系统标准原理方框图

3. 串级控制系统的特点:

1) 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道．使控制作用更加及时。

2) 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强。

3) 对二次干扰具有很强的克服能力，克服一次干扰的能力也有一定的提高。

4) 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力

4. 主变量的选择原则：

◆在条件许可的情况下，尽量选择直接反映控制目的的参数为主变量，不行时可选择与控制目的有某种单值对应关系的间接参数作为主变量，所选的主变量必须有足够的变化灵敏度，还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。

5. 副变量的选择原则

1) 应将主要的和更多的干扰纳入副回路

2) 应使主、副对象的时间常数匹配

3) 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性

6. 控制器正、反作用方式的选择 1 逻辑推理法 2判别式法。

7. 串级控制系统整定方法

1) 逐步逼近法：依次整定副回路、主回路，然后循环进行，逐步逼近主、副控制回路的最佳整定参数。

2) 两步整定法：主、副对象的时间常数相差较大，主、副回路的动态联系不密切。采用两步整定法。

3) 一步整定法：根据经验先确定副控制器的比例度，然后按单回路控制系统的整定方法整定主控制器的参数。

8. 选择控制方式的原则：凡用单回路控制系统满足控制要求时，就不必采用串级控制系统。

(六) 比值控制

1. 比值控制概念：用以实现两种或两种以上物料保持一定比例关系的控制系统。

2. 比值控制系统的结构类型

a) 开环比值控制:主从动量回路均处于开环状态

b) 开环比值控制系统的工作过程：

1) 在稳定状态时，两物料的流量关系为

2) 当主动量发生变化时，比值器根据对设定值的偏差情况，按比例改变控制阀的开度，使从动量与变化后的主动量仍保持原有的比例关系。

c) 优缺点：当从动量受到干扰发生波动时，Q1 与 Q2 的比值关系将遭到破坏，但系统对此不能调节

d) 单闭环比值控制：主动量处于开环状态，而从动量处于闭环控制

e) 单闭环比值控制系统的工作过程

1) 在稳定状态下，两物料保持 Q2=kQ1 的关系

2) 当主动量不变时，比值器的输出不变，从动量回路是定值控制。若从动量受到干扰，经从动量回路，把 Q2 调回稳态值，使两者比值不变。

3) 当主动量受到干扰时，比值器的输出发生变化,从动量回路是随动控制，从动量随主动量成比例变化，使 Q1 与Q2的比值不变。

4) 当主从动量同时受到干扰时，从动量回路的控制过程是两种情况的叠加。

f) 单闭环比值控制的优缺点：

1) 单闭环比值控制能使从动量随主动量成比例变化，且能克服从动量本身干扰对比值的影响

2) 当主动量变化时，从动量在控制过程中相对于其控制器的设定值会出现较大偏差，即主从动量的比值会偏离要求的流量比，Q1　与 Q2 的动态比值很难保证。

3) 主动量是可变的，故从动量也是可变的，总的物料量不固定。

g) 双闭环比值控制：主、从动量均处于闭合控制状态

h) 双闭环比值控制系统的工作过程：

1) ♀当主动量受到干扰时，主动量回路对其进行定值控制，使主动量稳定在设定值附近。

2) ♀从动量回路是随动控制，主动量发生变化时，比值器的输出使从动量回路控制器的设定值改变，使从动量随主动量成比例地变化。

3) ♀当从动量受到干扰时，经从动量回路的调节，使从动量稳定在比值器的输出值上。

i) 双闭环比值控制系统的优点：

1) 主动量是定值控制，克服了干扰对主动量的影响，使主动量比较平稳，从动量也比较平稳，系统总的物料流量是稳定的

2) 主动量回路是定值控制，从动量回路是随动控制。当主动量回路的设定值改变时，主动量发生变化，从动量随主动量成比例地变化。

3) 当要升降负荷时，只需改变主动量回路控制器的设定值，就可使主从动量同步升降

j) 双闭环比值控制系统的缺点：

1) 要防止从动量回路产生共振。若主动量的工作频率接近从动量回路的工作频率，可能引起从动量回路的共振，使控制品质变坏

2) 比值控制的被控对象一般是流量对象，滞后时间比较小，主从动量控制器不宜采用微分作用

变比值控制系统：以两物料的比值作为副变量所构成的串级控制系统

k) 变比值控制系统的工作过程：

1. 在稳定状态下，主从动量经检测、变送、开方后送入除法器，除法器的输出即比值。

2. 若主被控变量稳定，主控制器的输出不变，且和比值信号相等，从动量阀门开度稳定

3. 当主动量受到干扰时，除法器输出改变，比值控制器的输出改变阀门开度，使从动量也发生变化，保证与的比值不变。

4. 当主被控变量变化时，主控制器的输出变化，即比值控制器的设定值变化，从而对主、从动量的比值加以修正，使主被控变量重新稳定

5. word/media/image39_1.png比值系数的换算

●流量与测量信号成线性关系

● word/media/image40_1.png流量与测量信号成非线性关系

3. 比值控制实施方案的选择

1) 应用比值器方案

2) 应用乘法器方案

3) 应用除法器方案

单、双闭环比值控制系统中的从动量回路和变比值控制系统中的变比值回路的整定要求：从动量能准确、快速地跟随主动量变化，

6. 从动量回路控制器整定步骤

1) 根据工艺要求的流量比值K，换算出仪表信号比值　，按照进行投运。

2) 将积分时间置最大值，由大到小逐步改变比例度，直到在阶跃干扰下过渡过程处于振荡与不振荡的临界过程为止。

3) 若有积分作用，则适当放宽比例度(可为20％)，逐步减小积分时间，直到出现振荡与不振荡的临界过程或稍有一点过调为止

均匀控制系统：使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调的系统。

7. 均匀控制系统的特点：

1) 两被控变量都应该是变化的。

2) 两个被控变量的调节过程应该是缓慢的，这与定值控制希望控制过程要短的要求是不同的。

3) 两个被控变量的变化应在工艺允许的范围内。

8. 简单均匀控制系统分析

◆调节规律以比例作用为主。在系统出现连续的同向干扰时，采用PI控制。

word/media/image41_1.png◆在参数整定时，比例、积分作用不能整定得太强，即比例度要宽，积分时间要长。一般比例度　　　　　　　，积分时间为几-十几分钟

◆当甲塔的液位对象具有自平衡或乙塔压力波动时，阀开度不变，但流出量变化。故只适用于干扰较小、对流量的均匀程度要求较低的场合

串级均匀控制系统

工作过程分析

1) 若甲塔的液位上升，正作用的液位控制器的输出增大，使反作用的流量控制器输出增大，使阀开度增大，液位缓慢上升，即乙塔的进料量增加。当液位上升到某一高度时，甲塔的出料量等于进料量的增加量，液位不再上升。

2) 若乙塔内压力变化，其进料量的变化由流量控制器进行控制。当甲塔的液位受到影响时，液位控制器改变流量控制器的设定值，使流量控制器作进一步的控制。

双冲量均匀控制系统：将两个变量的测量信号，经加法器后作为被控变量的系统

word/media/image44_1.png加法器的运算规律为：

1) word/media/image45_1.pngword/media/image46_1.pngword/media/image47_1.pngword/media/image45_1.png当流量正常时，若增大，增大，正作用的流量控制器输出增大，阀开度增大，使出料量加大，增大。当　与之差减小到稳态值时，加法器的输出恢复到控制器的设定值，阀停在新的开度上，液位、流量都增加。

2) word/media/image45_1.pngword/media/image45_1.pngword/media/image47_1.pngword/media/image45_1.pngword/media/image45_1.png当液位正常，当增大，加法器的输出减小，流量控制器输出减小，阀门关小，使减小，同时引起液位上升，增大，当与之差恢复到稳态值时，系统又达到新的平衡。