过程控制

（1）过程控制（Process control ）是指连续生产过程的自动控制。

石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于过程控制系统。

（2）过程控制系统具有以下特点：
1．控制对象复杂、控制要求多样 2．控制方案丰富 3．控制对象大多属于慢过程 4．大多数工艺要求定值控制
5．大多使用标准化的检测、控制仪表及装置
（3）过程控制系统的分类
1. 按设定值的形式分类 a.定值控制系统—— 设定值恒定不变。

b.随动控制系统——设定值随时可能变化。

c.程序控制系统——设定值按预定的时间程序变化。

2. 按系统的结构特点分类 a.反馈控制系统（闭环控制系统）：将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统系
b.前馈控制系统（开环控制系统）：控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。

c.复合控制系统 ：前馈与反馈相结合，优势互补。

（4）控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。

过渡过程的品质指标
控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为稳定性、准确性和快速性。

1）衰减比n 和衰减率ψ
衰减比 n 和衰减率ψ 是表示系统稳定程度的指标。

n 大于1，则系统是稳定的。

随着n 的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。

试验证明：衰减比在 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。

衰减比n 与衰减率ψ之间有简单的对应关系：
n = 4:1~10:1 就相当于ψ = 75 %～90%
2）最大动态偏差A 和超调量σ
①最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。

即: A = ymax - r 最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。

②超调量σ来表示被控参数偏离设定值的程度， σ的定义是第一个波振幅与最终稳态值y(∞)之比。

即
3）余差C
过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。

是衡量控制系统稳态准确性的指标。

C= y(∞) - r
4）调节时间Ts 和振荡频率ω
Ts 是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。

当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5% （或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。

调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。

过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为振荡频率 f = 1/ T
峰值时间Tp （又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

也是衡量控制系统快速性的指标。

控制系统的单项品质指标小结
稳定性 衰减比n = 4:1~10:1最佳
准确性 余差C 小好, 最大偏差 A 小好
快速性 过渡时间 Ts 短好, 振荡周期 T 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。

例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。

因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。

（5）过程控制系统各个部分组成作用：
控制器或调节器的作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。

执行器是自动控制系统中的重要组成部分，作用是将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

检测变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换
器。

（1）常见物理检测方法
A.温度检测
B.压力检测
C.流量检测
D.物位检测
E.成分检测
（2）温度传感器测温原理（热电偶、热电阻）
热电偶：利用物体的热电性质测温。

将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。

此电势称为热电势。

热电阻：利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。

集成温度传感器：将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。

（3）热电偶的冷端补偿
热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。

在 冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的测量不准确称为热电偶的冷端补偿。

冷端补偿原因
热电偶测温电势可用如下关系式表示: EAB(T,0) =EAB(T,T0)+EAB(T0,0)
热电偶输出热电势EAB(T,T0)反映的是相对于冷端温度的热端温度,而我们测量温度的目的是要知道以0℃为基准的热端温度T,即要通过EAB(T,0)或EAB(T,T0)和T0来求出T,这样,就必须知道EAB(T0, 0)或冷端温度T0,这种通过获取EAB(T0, 0)或T0进而得到热端温度T 的过程即为热电偶的冷端温度补偿。

由此可知热电偶冷端温度补偿之原因所在及其重要性。

（4）检测仪表的基本技术指标
1. 绝对误差
检测仪表的指示值X 与被测量真值X t 之间存在的差值称为绝对误差Δ。

表示为： Δ= X －X t
2．基本误差：基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。

定义为：
max 100%δ∆=⨯最大绝对误差基本误差仪表量程
3．精确度（精度）
为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。

如0.5级，1.0级，1.5级等。

仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。

4、灵敏度和分辨率
灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示： S=ΔY/ΔX （S －仪表灵敏度；ΔY －仪表指针位移的距离（或转角）；ΔX －引起ΔY 的被测参数变化量。

）
分辨率表示仪表显示值的精细程度。

分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。

5、变差：在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。

变差=量程正反行程最大差值
×100%造成变差的原因:传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的弹性滞后等。

将规定的输入信号平稳地按增大或减小方向输入执行机构气室(或定位器)，测量各点所对应的行程值，计算出实际"信号－行程"关系同理论关系之间关系
6、响应时间
当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。

这段时间称为响应时间。

（1）PID 参数特点、优点、控制规律：
Ⅰ 比例控制的特点: 控制及时、适当。

只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。

控制结果存在静差。

因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零 y = KP e 即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。

Ⅱ 积分控制的特点:当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。

积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差. 积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。

若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差 。

Ⅳ微分控制 微分作用能超前控制。

在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。

微分对静态偏差毫无控制能力。

当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。

必须和P 或PI 结合，组成PD 控制或PID 控制。

DDZ-Ⅱ与DDZ －Ⅲ特点：模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。

其发展经历了Ⅰ型（用电子管）、Ⅱ型（用晶体管）和Ⅲ型（用集成电路）
区别：DDZ-Ⅱ型是分立元件放大器，主输出0～5V ，辅助输出0～10mA ，这样故障输出0和零点输出0就分辨不出来；Ⅲ型是集成电路放大器，主输出4～20mA ，辅助输出1～5V ，可以分辨出故障输出0和零位输出0（实际输出是1V 或者4mA ）。

而且超量程可以输出3.8mA 和20.8mA 。

这样仪表检修工容易判断是否故障。

DDZ-Ⅲ型仪表的特点： 1）采用统一信号标准：4~20mA DC 和1～5V DC 。

这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。

同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。

2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。

（3）控制器
模拟式控制器和数字式PID 控制器
1、调节阀流量特性：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。

①气开、气关式选择依据：按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。

②工作区间的选择：正常工况下，调节阀的开度应在15%～85%区间。

据此原则计算、确定控制阀的口径尺寸。

③调节阀的流量特性选择：按补偿对象特性的原则选取。

调节阀正反作用的选择是在调节阀气开气关确定后其确定原则是：使整个回路构成负反馈系统。

2、积分饱和现象如何消除：
1、采用积分分离的方法，将PID 调解分开执行；
2、对积分调节器设置输出高低限幅，达到限幅时暂时切除积分作用（使其跟踪），待偏差减小后再投入
3、单回路控制系统参数整定步骤方法：
控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。

具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P 、积分时间TI ，和微分时间TD 。

Ⅰ、稳定边界法（临界比例度法）：属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm 和振荡周期Tm ），按经验公式求出调节器的整定参数。

（1） 置调节器Ti →∞， Td=0，比例度P →较大值，将系统投入运行。

（2） 逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。

记录此时的临界值Pm 和Tm 。

根据Pm 和Tm ，按经验公式计算出控制器的参数整定值。

稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：
临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。

例如，一个用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要熄火。

工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。

Ⅱ、衰减曲线法
也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。

（1）把调节器设成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。

（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。

（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。

记下此时的比例度Ps及周期Ts。

n=10:1时，记P’s及Ts
4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。

Ⅳ响应曲线法
属于开环整定方法。

以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。

方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。

根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0，用表6-4的经验公式求整定参数。

此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。

Ⅴ经验法
凭经验凑试。

其关键是“看曲线，调参数”。

在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、 TI 、 TD对过渡过程的影响为指导，对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。

经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。

在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。

4、串级控制原理
串级控制是在简单控制系统基础上的改进.
结构特点：
系统有两个闭合回路，形成内外环。

主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。

主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。

1．燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动——干扰进入副回路
进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。

2．原油流量f1(t)、原油入口温度f2(t)发生扰动——干扰进入主回路
对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。

3．干扰同时作用于副回路和主回路，主副回路干扰的综合影响有两种情况：
5、建立串级控制数学模型;
1．主回路设计
主回路设计与单回路控制系统一样
2．副回路的选择
副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。

副参数的选择一般应遵循下面几个原则：
①主、副变量有对应关系
②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰
③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生
④应注意工艺上的合理性和经济性
3．主、副调节器调节规律的选择
在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。

这是选择调节规律的基本出发点。

主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。

所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。

控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。

因此，副调节器一般选P调节就可以了。

4．主、副调节器正、反作用方式的确定
对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。

选择时的顺序是：
1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；
2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；
3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。

以管式加热炉为例说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。

1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。

一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。

2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。

为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。

3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。

为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。

6、定值、随动、前馈、程序控制系统（特点、概念）
⑴定值：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。

⑵随动：设定值随时可能变化。

⑶前馈控制的原理：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。

前馈控制的特点：
①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。

如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。

②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。

③前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。

④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。

⑷程序：设定值按预定的时间程序变化。

7、现场总线（概念）
定义：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信线路。