2014过程控制系统复习摘要

1、控制系统基本组成：被控对象、检测元件（装置）、控制器、执行器（装置）。

2、过程控制系统的主要类型：闭环控制系统、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

3、过程控制系统的两种表示形式：方框图、带控制点的工艺流程图。

方框图：控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，包括方框、信号线、比较点、引出点四部分。

带有输入输出的方框比较点引出点
绘制方框图注意事项：正反馈与负反馈
通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。

图中每一条线代表系统中的一个变量信号，线上的箭头表示信号传递的方向。

每个方块代表系统的一个部分，称为“环节”。

需要指出的是，方块图的每一个方块都代表一个具体的装置，方块与方块之间的连线只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料关系。

从简单控制系统的方块图可看出，控制系统构成一个闭合回路，称为闭环控制系统。

如果控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反馈联系的控制系统，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量的变化没有通过反馈作用去改变控制作用。

从信号上看，这时没有形成闭合回路，称为开环控制系统。

开环控制系统不能自动觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要而自动改变操纵变量。

对控制系统的方块图进行几点说明：①方块图中各环节的增益都有正、负之分；②系统的输出变量是被控变量，被控变量经过测量变送又返回到输入端，与给定值进行比较，构成反馈；③把控制阀、被控对象和测量变送环节合在一起成为广义对象，这样系统就归结为控制器和广义对象两部分，一般情况下，往往把广义二字也给省略了。

带控制点的工艺流程图：文字符号和图形符号。

有如下要素：
1、测量点、控制点
2、测量变量、控制变量、监测与操作变量
3、检测仪表、执行器、控制器（如调节器、数字调节器、DCS等）、其他辅助仪表
4、控制方案（单回路、复杂控制回路、监视与操作）
用文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图：小圆圈表示仪表、第一字母表示被测变量、后续字母表示仪表功能。

常用图形符号
热电偶
热电阻
节流元件
取压点
检测仪表：各种变送器的通用表示方法
控制器、显示仪表、记录仪表、操作器：就地安装
就地集中盘面、盘后安装
控制室盘面、盘后安装气动薄膜执行机构
电磁执行机构
电动执行机构
直通阀（单座，双座）气闭式气动薄膜调节阀
三通阀气开式气动薄膜调节阀
角阀带阀门定位器的气动薄膜调节阀蝶阀
常用字母符号：
字母第一位字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功能
A 分析报警
B 喷火焰
C 电导率控制（调节）
D 密度或相对密度差
E 电压或电势检测元件
F 流量比（分
G 长度波动
H 手动
I 电流指示
J 功率扫描
N
O 节流孔
被控变量---液位L 、温度T 、流量F 、压力P
功能--变送T 、控制C 、显示I 、报警A
字 母 第一位字母 后继字母 被测变量或初始变量 修饰词 功能
P 压力（或真空） 积分计算 试验点（接头） Q 数量或件数 积分，积算 R 放射性 记录或打印 S 速度或频率 安全 开关或联锁 T 温度 传送 U 变量 多功能 V 粘度 阀（挡板） W 变量或力 套管
K 时间或时间程序 自动-手动操作器 L 物位（液位） 指示灯 M
水分或湿度
Z 位置 驱动,执行或未分类的执行器 X
Y 继动器或计算器
实例 – 绘制带控制点流程图
热交换器自动控制系统 流量自动控制系统
过渡过程是从系统从一个稳态运行到另一个稳态的动态过程。

过程控制系统的性能指标及要求：
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等 阶跃信号：数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。

FC
FT F S
)(t r A 0
t≥0 t<0 蒸汽
物料TC
TT T
S
特点：易产生、对系统输出影响大、便于分析和计算
控制性能指标：
衰减比n = B1/B2
期望控制效果：
衰减比在4:1 到10:1之间衰减率在0.75到0.9之间
最大动态偏差A和超调量
稳态误差
调节时间
振荡周期
例题：某换热器的温度控制系统（设定值是30 ℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。

试分别求出衰减比、最大偏差、稳态误差。

简单控制系统
过程动态特性（4种典型）
以阶跃响应分类，典型工业过程动态特性可分为那4类？
自衡非振荡过程、无自衡非振荡、过程衰减振荡过程、具有反向特性的过程
工艺对象的特性通常可用下述一阶或二阶非周期环节来近似描述（三个参数：K 、T 、τ）：
一阶环节：
一阶环节：
非自衡对象：
过程动态模型：是指表示过程的输出变量与输入变量间动态关系的数学描述。

过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用d（t）
输出是被控变量y（t）
过程动态模型的建立：机理分析法、实验测试法：飞升曲线法（响应曲线法）
一阶惯性纯滞后环节对象
两点法
习题：已知某换热器被控变量是出口温度θ，操纵变量是蒸汽流量Q 。

在蒸汽流量作阶跃变化时，出口温度响应曲线如图所示。

该过程通常可以近似作为一阶滞后环节来处理。

试估算该控制通道的特性参数K 、T 、τ，写出该控制通道的动态方程。

简单控制系统设计
被控变量(PV)的选择应遵循那些原则？
1、最好选择直接参数，能直接反映工艺上最终控制需要的参数。

2、如缺少必要的
检测手段或检测仪表性/价比难以满足要求时，可选间接参数。

但要求与直接参数单值对应、灵敏度高、可测可控。

3、考虑工艺上的合理性问题。

操纵变量(MV)的选择应遵循那些原则？
需要研究工艺情况及对象静动态特性，尤其对象的动态特性。

知道对象在什么情况下最容易控制
对象特性及其控制性能的关系
习题
图a为流量控制系统，主要克服阀前压力波动来稳定流量。

图b是储槽液位控制系统，主要克服流量变化的扰动，保持液位稳定。

指出两图中的各控制系统的被控变量、操纵变量、被控过程及主要扰动。

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控制系统设计
控制阀气开、气闭作用选择
采用气开作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越大，而在失气时则全关。

采用气关作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越小，而在失气时则全开。

控制器正反作用选择
根据控制阀的气开、气关形式和对象的放大倍数决定控制器正、反作用方式，即使乘积为正。

当被控对象受扰动影响输出上升（下降）时，控制器为反作用时，输出减小（增加）；控制器为正作用时，输出增加（减小）。

习题：
如右图所示为蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试问：影响物料出口温度的主要因素有蒸汽流量和温度、物料流量和温度，如果要设计一个温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选哪个？画出相应的系统方框图。

如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？
控制器参数整定
P作用对系统性能的影响？（比例度变化的影响）
原比例控制系统增加积分(I)作用后，对系统质量有什么影响？
原比例控制系统增加微分(D)作用后，对系统质量有什么影响？
常用的控制器参数整定方法有哪几种？
试凑法（经验法）
临界比例法
衰减曲线法
响应曲线法
比例度对控制过程的影响
比例度的选择原则:
若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。

反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。

上图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。

由图中曲线３可以看出，TI 过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI 较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。

相比之下，曲线２就比较理想。

()c K δδ↑↓：控制作用增强，上升速度快但过小，容易引起振荡，甚至导致闭环不稳定。

()c K δ↓随着的增大，余差将减小，但不会完全消失。

属于有差调节。

I T 消除余差降低
了系统的稳定性积分控制作用有利于，但，特别是当比较小时，稳定性下降更为严重。

微分时间对过渡过程的影响
PD 控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。

PD 控制不足之处：
一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。

其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。

PD 控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。

PID 参数对控制性能的影响 控制器增益 Kp
增大比例系数Kp 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

积分时间Ti
增大积分时间Ti 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

微分时间Td
增大微分时间Td 有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

习题：
某物料加热后与添加料混合，工艺要求混合时物料温度θo 稳定，工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs 来稳定罐内温度θo 。

影响θo 的因素有：阀前蒸汽压力Ps ，冷物料流量Qi 和温度θi ，环境温度θc 等。

1） 画出温度控制系统的方块图；
2） 指出该控制系统的被控变量、操作变量、被控过程及扰动；
3） 若蒸汽阀前压力Ps 突然变大时，简述该系统的控制过程。

据此说明简单的温度控制系统控制是否及时有效，如果不及时应采用何种措施。

4）如果冷物料的流量突然增大，简述该系统的控制过程。

提高系统的稳定性，抑制振荡、抑制超微分能够，且偏差变化越快，微分校正调作用越强。

习题：
已知某夹套反应器温度控制系统如右所示，反应大量放热。

要求控制温度为50℃，在供气中断时保证冷却。

1）选择控制阀调节阀的气开、气关特性。

2）确定控制阀正、反作用。

3）画出控制系统方框图。

4）确定控制器的正反作用。

5）如果由于扰动，冷却水流量突然增大，分析温度控制系统如何克服扰动。

复杂控制系统：
串级控制系统
前馈控制系统
特殊控制系统：
比值控制系统
均匀控制系统
选择性控制系统
分程控制系统
串级控制系统
串级控制系统基本组成
串级控制的特点（与简单控制系统相比）
副变量的选择（结合典型设备）
串级控制系统主、副控制器的控制规律选择
串级控制系统主、副控制器正、反作用
动态特性分析：串级控制系统如何消除扰动
过热蒸汽温度控制
管式加热炉温度控制
主要扰动：原料油的流量和入口温度的变化f1；
燃料油压力和喷油用的过热蒸汽的波动f2；
燃烧供风和大气温度的变化f3等。

串级调节系统方块图：
概念：主环、副环、主调节器、副调节器、中间变量。

核心：主调节器输出作为副调节器给定值，副调节器用于调节阀。

串级控制系统的特点？（与简单控制器相比）
如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律？
副参数选择的原则是什么？
如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？它们与控制阀的开闭形式有什么关系？
Q1. 串级控制系统都有哪些优点？如何才能发挥串级控制的作用？
串级控制系统特点：
(1) 能迅速克服进入副回路扰动的影响
(2) 改善过程的动态特性，提高系统的工作频率
(3) 对负荷变化的适应性较强
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键，归结于副参数的选择。

Q2. 如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律？
主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。

保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID。

副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用也不需要，采用比例作用(P)。

Q3．副参数选择的原则是什么？
(1) 主副变量间应有一定的内在联系
(2) 系统的主要干扰应包围在副回路中
(3) 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰
(4) 副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。

即主副时间常数不能太接近
(5)当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含
纯滞后或不包含纯滞后。

Q4．如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？它们与控制阀的开闭形式有什么关系？
(1) 首先根据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定副控制器正、反作用方式，即使乘积为正。

(2) 将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，使乘积为正。

副控制器的正、反作用与控制阀的开闭形式有关系(Kv)。

因为控制阀已包含在副回路中，副控制器的正反作用确定后，副回路视为一正环节，因此它们不影响主控制器的正、反作用。

习题：如下图所示加热器串级控制系统：
画出该控制系统的方框图，并说明主被控变量、副被控变量分别是什么？
试确定控制阀的气开、气关形式？
确定主、副控制器的正、反作用？
习题：
为保证精馏塔提馏段重组分产品质量，拟采用以再沸器热蒸汽流量为副变量、提馏段灵敏板温度为主变量的串级控制方案，工艺要求在供气中断时切断热源，试：
1）确定控制阀气开、气关特性。

2）确定控制阀的正反作用。

3）画出控制系统方块图。

4）简单说明流量副回路的主要作用。

5）确定主控制器的正反作用。

6）确定副控制器的正反作用。

7）由于扰动的影响，使蒸汽流量突然增大，简述串级控制系统如何克服该扰动。

8）由于扰动的影响，使提馏段的温度突然升高，简述串级控制系统如何克服该扰动。

习题：
下图为加热炉温度与流量串级控制系统，、分别为流量和温度控制器。

要求：
画出其方框图；
确定调节阀的气开、气关形式；
分析干扰来自燃料油量变化时系统的工作过程。

前馈控制系统
前馈控制系统特点（与反馈控制系统相比）
动态特性分析：串级控制系统如何消除扰动
前馈控制与反馈控制比较
前馈控制反馈控制
扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测
按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）超前调节，可实现系统输出的不变性（但
存在可实现问题）
开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题
系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动
对于干扰与控制通道的动态模型，要求
对通道模型要求弱，大多数情况无需各道模型已知而且准确
对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强
前馈控制的特点
1、是一种开环控制；
2、控制的根据是扰动；
3、前馈调节器的控制律由过程特性决定；
4、多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响；
5、控制及时，理论上可实现对干扰的完全控制；
6、实现的经济性差。

一个前馈调节器只能对一个扰动进行补偿。

前馈控制系统原理 前馈控制（描述）：在被控量还未受到影响之前，控制器就产生了控制作用，在理论上可以彻底消除误差，实现对扰动的完全补偿。

前馈控制系统的方框图：
被控量对于扰动的输出：
前馈控制 & 反馈控制
习题：
如下图所示的加热炉出口温度简单控制系统：(1) 在进料流量或燃料成分扰动下，设计合理的控制系统，画出方框图，并确定控制器正、反作用；(2) 在燃料油压力干扰下，设计合理的控制系统。

)
()()()
()
(0S W S W S W S F S Y FF f
+=
习题：
下图为某加热炉控制系统，原料油出口温度为被控变量。

1）这是什么控制系统？它对什么扰动的克服能力最强？为什么？
2）当燃料流量突然增大时，简述控制系统的控制过程。

3）若要进一步提高控制质量，可对系统如何改进？画出控制流程图并简述理由。

特殊控制系统：
什么是比值控制系统？
什么是均匀控制系统？
均匀控制与一般液位控制在实施上有什么差异？
什么是选择性控制系统？
什么是分程控制系统？
比值控制系统：根据生产工艺要求，控制两个或多个工艺参数变量按照一定的比例变化。

均匀调节系统：前后设备在物料供求上互相均匀协调
选择性控制系统：凡是在控制回路中引入了选择器的控制系统
分程控制系统：一个调节器的输出控制两个或两个以上分程动作的调节阀，每个调节阀只在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，这种过程控制系统称为分程控制系统。

溶液配制问题
问题：当NaoH用量QB变化时，调整稀释水量QA 以使稀释液NaoH的浓度为6~8%左右。

解决方案：
（1）出口浓度控制；
（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。

一般的比值控制问题
要求：QA / QB = KAB（比值系数）而QB 为主动流量，QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以实现上述比值控制目标。

均匀控制系统：
调节器I用来反映液位的变化，其输出作为给定值送进调节器II。

由流量测量、变送器、调节器II、调节阀和管道组成的闭环系统，其功能是使流量Q2既要跟随给定值变化，又要克服扰动的作用。

选择性控制系统
分程控制系统 分程控制系统：一个调节器的输出控制两个或两个以上分程动作的调节阀，每个调节阀只在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，这种过程控制系统称为分程控制系统。

A 、
B 两阀的阀门定位器分别将0.02～0.06 MPa 和0.06 ～0.1 MPa 的控制信号转换成0.02～0.1 MPa 的控制信号。

控制要求：反应开始前，需要用蒸汽加热以达到反应所需的温度；当反应开始后，因放出大
液烯 C
︒15气丙烯 裂解气 ）（C ︒88T 液丙烯 C
︒15气丙烯
裂解气
）
（C ︒88T
液丙烯
C
︒15气丙烯
裂解气 ）
（C ︒88（b ）
V LT
TT
量反应热，需要用冷水进行冷却。

要求全过程自动控制反应器的温度？
分程控制系统的应用问题：
（1）选择两调节阀的气开气关属性；
（2）温度控制器的正反作用；
（3）协调两调节阀的动作；
（4）如何克服广义对象的非线性。

分程控制系统的应用
(1) 选择两调节阀的气开气关属性：从安全性角度出发，蒸汽阀气开，冷水阀气关。

(2) 温度控制器正反作用：温度控制器为反作用
(3) 决定分程区间：
根据节能要求，当温度偏高时，先关小蒸汽再开大冷水。

由于温度控制器为反作用，温度增高，控制器输出信号下降。

即信号下降时先关小蒸汽、再开大冷水。

蒸汽阀的分程区间在高信号区(如0.06-0.1MPa)
冷水阀的分程区间在低信号区(如0.02-0.06MPa)
分程控制系统的应用：
工作过程：
（1）当温度偏低时，调节阀气动信号增大。

若冷水阀还未全关，则逐步关冷水阀；否则，开大蒸汽阀；
（2）当温度偏高时，调节阀气动信号减少。

若蒸汽阀还未全关，则逐步关蒸汽阀；否则，开大冷水阀；
典型设备控制系统设计：
工艺特性分析
被控对象、被控变量
影响被控变量的因素、控制变量（操纵变量）、扰动因素
简单控制系统设计和分析
控制阀气开、气闭形式
控制器正、反作用
控制器控制规律选择
扰动情况下，动态过程分析
复杂控制系统设计
分析简单控制系统可能不足
串级控制：副变量的选择、特点、动态过程分析
前馈控制：主要扰动选择、特点、动态过程分析
水罐
汽包。