過程控制工程復(fù)習(xí)資料

1、第一章 過程控制系統(tǒng)的概況1.2過程控制系統(tǒng)的基本概念a：自動(dòng)控制是指在沒有直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為過程控制儀表或裝置）使被控對(duì)象的工作狀態(tài)或參數(shù)（壓力，物位，流量，溫度，ph值等）自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。b：過程控制概念：采用模擬或數(shù)字控制方法對(duì)生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過程控制。1. 開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點(diǎn) :結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化

2、以及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.3過程控制系統(tǒng)的類別a：定值控制系統(tǒng)b：隨動(dòng)控制系統(tǒng)c：程序控制系統(tǒng)1.4過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)被控對(duì)象的多樣性 (2)對(duì)象存在滯后（3）控制系統(tǒng)比較復(fù)雜（4）系統(tǒng)有眾多過程檢測(cè)儀表，控制儀表（5）控制方案豐富第二章 單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.單回路控制系統(tǒng)定義：指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。2、單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前提：充分了解具體的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程和控制要求。n 正確選擇被控變量；n 正確選擇控制變量；n 正確選擇測(cè)量變送裝置；n 正確選擇調(diào)節(jié)閥的開閉型式及其流

3、量特性；n 正確選擇控制器的類型及其正反作用，控制規(guī)律；3.被控變量的選擇的一般原則-y(t)a對(duì)控制目標(biāo)具有決定性作用的工藝變量作為被控參數(shù)；b要有足夠大的靈敏度；c能滿足工藝要求；d儀表能夠?qū)崿F(xiàn)4.被控變量的選擇方法1、直接指標(biāo)：對(duì)于以溫度、壓力、流量、液位為控制指標(biāo)的生產(chǎn)過程，就選擇溫度、壓力、流量、液位為被控變量。2、間接指標(biāo)：若存在儀表無法測(cè)量產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（密度、粘度等）作為被控變量時(shí)，可選擇一種間接的指標(biāo)作為被控變量。該間接指標(biāo)必須與直接指標(biāo)存在單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并具有一定的變化靈敏度。5間接指標(biāo)的選擇：能測(cè)量,并且測(cè)量滯后小；有較大靈敏度,即對(duì)直接指標(biāo)比較敏感；工藝（手段、方

4、法）合理。6.被控變量的選擇原則1在情況許可時(shí)，應(yīng)直接選擇質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)作為被控變量-直接參數(shù)。2當(dāng)不能選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)參數(shù)作為被控變量-間接參數(shù)。3所選的間接指標(biāo)參數(shù)必須有足夠大的變化靈敏度，以反映質(zhì)量指標(biāo)的變化。4被控變量必須是獨(dú)立的，相互關(guān)聯(lián)的變量有關(guān)聯(lián)關(guān)系控制。5被控變量必須是可測(cè)量的，且要有足夠的測(cè)量靈敏度，滯后要小。（?。?還需考慮工藝的合理性和國內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀及價(jià)格成本 。（工藝的合理性及經(jīng)濟(jì)性原則）7控制變量（操縱變量）的選擇a控制變量首先必須是可控的：b有的系統(tǒng)控制變量唯一，c當(dāng)有幾個(gè)控制變量可以選擇時(shí),可選擇克

5、服干擾能力最強(qiáng),動(dòng)態(tài)特性最好的作為控制變量。8如何選擇控制變量？a干擾作用通過干擾通道使被控變量偏離給定值；b控制作用通過控制通道克服干擾作用影響，對(duì)被控變量起主導(dǎo)作用，使被控變量維持在給定值。c輸入(干擾或控制變量)對(duì)被控變量的影響，由相對(duì)應(yīng)通道的特性對(duì)控制質(zhì)量的影響和輸入大小決定。9對(duì)象通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響：1、干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響。2 、控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響。*控制作用與干擾作用同時(shí)影響被控變量，其影響是相反的。*控制作用與干擾作用是相互對(duì)立而存在。10.時(shí)間常數(shù)Tf的影響：相當(dāng)于增加一個(gè)極點(diǎn)，-1/Tf，Tf越大，對(duì)控制質(zhì)量影響越大。過渡過程幅值是1/Tf 。 時(shí)間

6、常數(shù)個(gè)數(shù)越多，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置愈遠(yuǎn)離被控變量而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對(duì)被控變量的影響愈小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量則愈高。11. 干擾通道特性a.擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf盡可能小；擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大。b如果有幾個(gè)擾動(dòng)同時(shí)作用于控制系統(tǒng)，應(yīng)使主要擾動(dòng)進(jìn)入的位置靠近調(diào)節(jié)閥，遠(yuǎn)離被控變量的檢測(cè)元件，這樣更有利于克服主要擾動(dòng)的影響。12.控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）放大倍數(shù)Ko的影響；（2）時(shí)間常數(shù)To的影響；（3）控制通道純滯后0的影響?？煽囟龋煽匦裕簩?duì)過程控制實(shí)現(xiàn)的難易程度評(píng)價(jià)。提出目的:設(shè)計(jì)可控性好的過程控制系統(tǒng)。13.可控性的分析通過實(shí)驗(yàn)分析可得：控制通道時(shí)間常數(shù)T0越大；控制通

7、道階數(shù)n越高；純時(shí)延環(huán)節(jié)0的存在；都使得可控性指標(biāo)大為減小。14.控制通道特性影響a 放大倍數(shù)Ko的影響 Ko越大，則操縱變量對(duì)被控變量的影響越大，這表示它的調(diào)節(jié)更為有效。閉環(huán)系統(tǒng)放大倍數(shù)乘積KcKo一般是定值(動(dòng)態(tài)特性要求)，一般使Ko> Kf （通過根軌跡分析得到）K0取值盡可能大。至少大于干擾通道放大倍數(shù)Kfb 時(shí)間常數(shù)T0的影響T0越大，經(jīng)過的容量數(shù)越多，可控性指標(biāo)越小，控制越不及時(shí) ， 系統(tǒng)的控制質(zhì)量越低。T0減小，控制作用越及時(shí)，克服擾動(dòng)快，過渡時(shí)間短。但T0太小控制作用太強(qiáng)，易引起振蕩，穩(wěn)定性下降。所以T0要適當(dāng)小一點(diǎn)，使得控制及時(shí)又保證控制質(zhì)量。c純延遲的0影響。 0會(huì)降

8、低系統(tǒng)穩(wěn)定性(通過頻率特性分析可得到)； 純延遲使得調(diào)節(jié)器作用要滯后0，將引起超調(diào)增大，最大偏差增加，動(dòng)態(tài)指標(biāo)下降。從而嚴(yán)重降低控制質(zhì)量。 容量延遲c可以引入微分環(huán)節(jié)顯著改善,對(duì)0基本沒有作用。 0越小越好,盡量避免引入純延遲環(huán)節(jié)。小結(jié): 控制通道特性影響控制通道：a所選的控制變量的控制通道放大倍數(shù)應(yīng)較大，最好大于干擾通道的放大倍數(shù)；b所選的控制變量控制通道的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)小一些為好，但不宜過??；而使擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)愈大愈好c控制變量其控制通道純滯后時(shí)間愈小愈好；控制變量q(t)的選擇一般原則控制變量是工藝上允許的量, 是可控的; 控制變量對(duì)被控變量與干擾相比應(yīng)該更靈敏。 對(duì)應(yīng)通道K0盡可能大一

9、些（比Kf大）， T0要適當(dāng)小一點(diǎn)， 0越小越好； 0/ T0要小一些(小于1)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf盡可能??；擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大。如果有幾個(gè)擾動(dòng)同時(shí)作用于控制系統(tǒng)，應(yīng)使主要擾動(dòng)進(jìn)入的位置靠近調(diào)節(jié)閥，遠(yuǎn)離被控變量的檢測(cè)元件，這樣更有利于克服主要擾動(dòng)的影響。 廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥和測(cè)量變送器）由幾個(gè)一階環(huán)節(jié)組成，在選擇控制變量時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多，同時(shí)注意減小第二、第三個(gè)時(shí)間常數(shù) 注意工藝操作的合理性和經(jīng)濟(jì)性。第3章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)的概念：具有兩個(gè)以上的檢測(cè)元件和變送器，或調(diào)節(jié)器，或執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)

10、主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器副對(duì)象主對(duì)象ry副變送器主變送器d1d2副回路主回路閥 串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語 副主調(diào)節(jié)器按主被控參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。 調(diào)節(jié)器按副被控參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。 副 回 路由副調(diào)節(jié)器、副被控過程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路。 一 次 擾動(dòng)不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。 二 次 擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 用于克服被控過程較大的容量滯后； 用于克服被控過程的純滯后； 用于抑制變化劇烈而且幅度大的擾動(dòng)； 用于克服被控過程的非線性。 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 副回路應(yīng)包括

11、盡可能多的擾動(dòng)； 應(yīng)使主、副過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配。原則上，主副過程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10范圍內(nèi)； 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝上的合理性； 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則。 串級(jí)主和副調(diào)節(jié)器的選擇 主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制規(guī)律； 副調(diào)節(jié)器一般只要選P控制規(guī)律即可： 若采用積分規(guī)律，會(huì)延長控制過程，減弱副回路的快速作用。 若引入微分規(guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過大，對(duì)控制不利。3.2 前饋控制系統(tǒng)3.2.2 前饋與反饋控制特點(diǎn)比較反饋控制的特點(diǎn) ：基于偏差來消除偏差； “不及時(shí)”的控制 ；存在穩(wěn)定性問題；對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用；控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。前饋控制的特點(diǎn) ：基于擾動(dòng)來消除

12、擾動(dòng)對(duì)被控量的影響；動(dòng)作“及時(shí)” ；只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定；具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌?；控制?guī)律取決于被控對(duì)象的特性。 前饋控制的局限性前饋控制屬于開環(huán)控制方式 ；完全補(bǔ)償難以滿足，因?yàn)椋阂獪?zhǔn)確掌握過程擾動(dòng)通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；即使前饋模型Wm（s）能準(zhǔn)確求出，有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)；對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測(cè)量變送儀表和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。 前饋反饋控制系統(tǒng) 前饋串級(jí)控制系統(tǒng) 前饋控制的設(shè)計(jì)原則 實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的“可測(cè)及不可控性”： “可測(cè)”：指擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受

13、的信號(hào)。 “不可控”：指這些擾動(dòng)量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。 擾動(dòng)量變化頻繁且幅值較大； 通常選用靜態(tài)前饋-反饋控制方案即可得到滿意的控制效果。3.3 比值控制系統(tǒng) 定義：兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)。 雙閉環(huán)比值控制由一個(gè)定值控制的主動(dòng)量回路和一個(gè)跟隨主動(dòng)量變化的從動(dòng)量控制回路組成。 變比值控制變比值控制系統(tǒng)是一個(gè)以第三參數(shù)或稱主參數(shù)（質(zhì)量指標(biāo)）、以兩個(gè)流量比為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。 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)往往是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。第四章 過程控制儀表4.1 概 述過程控制儀表的組成：控制器、執(zhí)行器、

14、運(yùn)算器、可編程控制等。分類：信號(hào)形式分：模擬式：傳輸信號(hào)為連續(xù)變化的模擬量這類儀表線路較簡單，操作方便，價(jià)格較低使用上均有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。數(shù)字式：傳輸信號(hào)為斷續(xù)變化的數(shù)字量 以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善、性能優(yōu)越單元組合式控制儀表 電動(dòng)單元組合儀表： DDZ-型 ；DDZ-型 ；DDZ-型 電源： 220V AC ；24V DC ； 電信號(hào)：電流：010mA DC ； 420mA DC； 電壓：15V DC 氣動(dòng)單元組合儀表：氣源：140 kPa； 氣信號(hào)：20100 kPa5.集散控制系統(tǒng) 將集中一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)分派給各個(gè)微型過程控制計(jì)算機(jī)，再配上數(shù)字總線以及上一級(jí)過程控制計(jì)算機(jī)，組成各種

15、各樣的、能適應(yīng)于不同過程的積木式分級(jí)分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了“控制分散”或“危險(xiǎn)分散”，管理高度集中。6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)聯(lián)系起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。能源形式分：氣動(dòng)執(zhí)行儀表：（以壓縮空氣為能源）特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價(jià)格便宜，防火防爆。電動(dòng)執(zhí)行儀表：（以電為能源）優(yōu)點(diǎn)： 能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，便于信號(hào)處理。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推力小，不太適用于防爆場(chǎng)合 （型儀表已采用了安全防爆措施）。液動(dòng)執(zhí)行儀表：（以高壓液體為能源）優(yōu)點(diǎn)： 推力最大，動(dòng)作可靠，精度高。缺點(diǎn)：