过程控制系统

一、比例控制作用对控制质量的影响
随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。 随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。
二、积分控制作用对控制质量的影响
积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。
TI愈小，稳定性愈差。
三、微分控制作用对控制质量的影响
引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。
微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。
四、控制器的选型
应由对象的特性和工艺要求确定
1、P控制器的选择
(1)、特点：抗干扰能力强，过渡过程时间短，但 有余差。 (2)、适用：控制通道滞后较小，负荷变化不大，
允许被控量在一定范围内变化的系统。
2、PI控制器的选择
(1)、特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳
第二章 单回路控制系统
§2-1 概述
单回路控制系统又称为简单控制系统。虽然简单，但应 用较广；过程控制的基本概念主要是在本章建立的。因此，本 章内容无疑是重点之一。
一、系统的基本结构
1、典型例子：见下图
液位变送器 液位控制器 执行器
2、系统方框图
3、特点
最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。
指标。它是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即： n=B1/B2
n=1等幅振荡
n>1衰减振荡 n无穷大为非周期过程
一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过程约取 10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
衰减率ψ: 是衡量过度过程稳定性的一个动态指标(于递减比含
义相同).一般取=0.75～0.9。用于表示控制系统的稳定性。 它是每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：
适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不
大，控制质量要求不很高的场合。
§2-2 被控参数和控制参数的选择
一、被控参数(即被控量)的选择
1.选择的意义
2. 选择方法
(1).选直接参数
即能直接发映生产过程产品产量和质量，以及安全
运行的参数。(如锅炉锅筒的水位控制。)
(2).选间接参数
当选直接参数有困难时采用。(如用反应釜的温度
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择
选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。
1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考
(二)、执行机构正、反作用方式的选择 先选气开、气关方式，再选执行机构。
§2-4 控制器的选型
信号通道在被控参数和控制参数确定之后就定下来了。 根据对象特性和控制质量要求 确定控制器的类型。 选择控制器的控制作用
• 对象的增益有正、有负 例如：加热系统的增益为正、 冷却系统的增益为负； • 气开阀的增益为正、气关阀的增益为负； • 正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正； • 检测变送器的增益一般为正。 • 通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。
§2-5 控制器的参数整定
1、概述
如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性 就已确定，系统的控制质量就取决于控制器各个参数值的设置。
2、普遍存在滞后
3、特性往往具有非线性 4、控制系统比较复杂
3、系统组成
以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理(如下图)
液位变送器 液位控制器
执行器
1-1典型单回路控制系统
2、系统方块图
3、主要组成部分
(1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 (2)、检测变送单元：
(3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。
原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为负。
1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”； 2、控制器：正作用为“＋”，反作用为“-”； 3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为 “＋”，随之减少为“-”； 4、变送器：一般为“＋”；
控制器正、反作用选择的判别式：
(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”
定性降低。 (2)、适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不 允许有余差的控制系统 。
3、PID控制器的选择
(1)、特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。 (2)、适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量
要求很高的系统。
4、复杂控制系统
负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。
五、控制器正、反作用的选择
(4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制阀。常见的
有气动和电动两种。Leabharlann Baidu
(5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式之别。
4、常用术语
1、被控对象 (简称对象或过程)： 2、被控参数：按照生产过程要求，某些变量应该维持在 稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控 参数。如温度、压力、流量、液位、成分等。
1、直线流量特性
(1)、定义：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即
Q d Q max l d K L
(2)、特性方程
由上式， Q min l 0 1 C.( ) R Ｑ l Q Q min Q max l L C K C ＝Ｋ ｄ Ｑｍ ａ ｘ L l L 1 K C.........( ) Q Q max
二、控制阀的流量特性
1、概念
l Q, L Qmax
Q l f ( ) ( 3 3) Q max L
2、类型
理想(固有)流量特性--假定阀前后差压不变。 工作(实际)流量特性.
(一)、理想流量特性
取决于阀芯曲面的形状。
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
调节器输出亦称控制作用。
5 过程控制系统的分类
一、一般分类
1、按工艺参数分类：
有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、成分 控制系统、物位控制系统等。
2、按系统的任务分类：
有比例控制、均匀控制、前馈控制等。
3、按自动化装置的不同分类：
有常规控制系统、计算机控制系统。
控制间接实现化学反应的质量控制。)
3. 选间接参数的原则
必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状。
间接参数应与直接参数有某种单值函数关系。 间接参数要有足够的灵敏度。
二、控制参数 (即控制量)的选择
当生产过程中有多个因素能影响被控参数(量)变化时，应 分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，正确 地选择可控性良好的变量作为操纵(控制)量。 一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控 量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰 动作用点位置远离被控量。
4、按控制器的动作分类：
5、按是否形成闭合回路分类：
有
P PI PID 位式
、
。
二、按设定值形式分类
1、定值控制系统
是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。 在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生 产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近 波动。
2、随动控制系统
是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制 系统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随 时跟踪给定值。

B1 B 2 B1
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ 定义为：
B1 100% C
A B1 C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：
3．余差：
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作 用下，余差（Steady-state error）为：
(三).实例讨论
例1：喷雾式乳粉干 燥设备的控制 。 1.控制要求：干燥后 的产品含水量波动要小。
2.被控参数选择：干
燥器里的温度 3.控制参数的选择 (三种方案如图所示)
分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。
§2-3 执 行 器 选 择
0、概述
1. 作用
在自动控制系统中，接受调节器的指令； 经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移； 去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或 物料。
控制器的参数整定，就是确定最佳过渡过程中控制器的比例
度δ 、积分时间TI、微分时间TD的具体数值。 所谓最佳过渡过程，就是在某种质量指标下，系统达到最佳
调整状态。
4：1递减比为最佳参数整定的常用依据。4:1 参数整定的方法:
(1)、理论整定法 ：对数频率特性法、根轨迹法等。
(2)、工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临
过程控制系统
第一章 绪论 第二章 单回路控制系统 第三章 串级控制系统
第一章
1、过程控制的概念
绪论
凡是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通称为过程控制。
2、过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按 一定规律变化。
过程控制的特点：
1、被空对象的多样性
控制系统运行的重要准则
控制系统框图的几点说明
说明几点 ：
• 简单控制系统有两个通道：控制通道和扰动通道。
• 框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的 流向，并非物流或能流的方向。
• 各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时， 其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出 减小则增益为负。
： 凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰 3、干扰:
动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。)
4、控制参数：即调节介质。如储水槽液位控制系统的给
水量。
5、测量值：被控变量经检测变送后即是测量值。
6、给定值：即被控变量的设定值。
7、偏差值：准确地说，应是被控量的给定值与实际值之
差。但能够直接得到的信号是被控量的测量值，故通常把给定 值与测量值之差称作为偏差。
Q 1 l 1 (R 1) (3 5) Q max R L
(3)、特点：适于在较大开度下使用。(注：国产阀，可 控比R=30)
2、其他流量特性
对数特性：小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作 用灵敏有效，克服了直流特性的不足。 快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。 抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特 性小开度时控制性能差的缺点。
e() r y() r C
定值控制系统中，r=0，因此有：e(∞)= -C。余差是 控制系统稳态准确性指标。
4．回复时间和振荡频率： 被控变量从过渡过程开始到进入稳态值±5%或±2%范围内 的时间作为过渡过程的回复时间Ts（Settling time）。回复 时间是控制系统的快速性指标。 振荡频率ω与振荡周期T的关系是
由两部分组成，
如右图所示。
(一)、气动薄膜执行机构 1、组成：由膜片、推杆、弹簧等组成。 2、作用方式 正作用—控制气压增加时，其开度增加。 反作用--控制气压增加时，其开度减小。 3、作用原理 PPAe=kll=AeP/k
(二)、控制阀体
1、作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。 2、调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的 变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
2 T 在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；在相同振
荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。
5．偏离度：
控制系统偏离度是被控变量统计特性的描述。
在相同干扰作用下，定值控制系统输出的最大偏差越大，系统的偏离 度越大；在相同的衰减比下，系统输出的周期越大，系统的偏离度越大。
控制系统运行的重要准则
执 行 机 构 2. 组成 调 节 机 构
3. 类型
薄 膜 机 构 － － 应 用 最 广 活 塞 机 构 气 动 执 行 器 长行程机构 滚 动 膜 片 机 构 电 动 执 行 器 液 动 执 行 器
一、气动薄膜控制 阀的工作原理
3、程序控制系统
其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业
中的退火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、
保温、 等。 逐次降温等程序变化的。家用电器中应用定 值控制系统的也很多，如电脑控制的洗衣机、电饭煲
6 控制系统的品质指标
1.衰减比n：衰减比（Subsidence ratio）是控制系统的稳定性