過程控制系統(tǒng)考試知識點復習和總結----終極版

1、第五章 復雜控制系統(tǒng)（串級、比值、均勻、分程、選擇、前饋、雙重控制）串級控制系統(tǒng)定義：采用不止一個控制器，而且控制器間相串接，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值的系統(tǒng)。調節(jié)過程：當燃料氣壓力或流量波動時，加熱爐出口溫度還沒有變化，因此，主控制器輸出不變，燃料氣流量控制器因擾動的影響，使燃料氣流量測量值變化，按定值控制系統(tǒng)的調節(jié)過程，副控制器改變控制閥開度，使燃料氣流量穩(wěn)定。與此同時，燃料氣流量的變化也影響加熱爐出口溫度，使主控制器輸出，即副控制器的設定變化，副控制器的設定和測量的同時變化，進一步加速了控制系統(tǒng)克服擾動的調節(jié)過程，使主被控變量回復到設定值。當加熱爐出口溫度和燃料氣流量同時變

2、化時，主控制器通過主環(huán)及時調節(jié)副控制器的設定，使燃料氣流量變化保持爐溫恒定，而副控制器一方面接受主控制器的輸出信號，同時，根據燃料氣流量測量值的變化進行調節(jié)，使燃料氣流量跟蹤設定值變化，使燃料氣流量能根據加熱爐出口溫度及時調整，最終使加熱爐出口溫度迅速回復到設定值。特點：l 能迅速克服進入副回路擾動的影響 l 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象特性，提高了工作頻率 l 串級控制系統(tǒng)的自適應能力 設計：主、副回路副回路應盡量包含生產過程中主要的、變化劇烈、頻繁和幅度大的擾動，并力求包含盡可能多的擾動。 設計副回路應注意工藝上的合理性 ；應考慮經濟性 ；注意主、副對象時間常數的匹配 串級控制

3、系統(tǒng)中主、副控制器控制規(guī)律主控制器起定值控制作用，副控制器對主控制器輸出起隨動控制作用，而對擾動作用起定值控制作用。主被控變量要求無余差，副被控變量卻允許在一定范圍內變動。主控制器可采用比例、積分兩作用或比例、積分、微分三作用控制規(guī)律，副控制器單比例作用或比例積分作用控制規(guī)律。主、副控制器正、反作用的選擇 先依據控制閥的氣開、氣關形式，副對象的放大倍數,決定副控制器正反作用方式,即必須使的Kc2KvKp2Km2乘積為正值，其中Km2通?？偸钦?。主控制器的正、反作用主要取決于主對象的放大倍數，至于控制閥的氣開、氣關形式不影響主控制器正、反作用的選擇，因為控制閥已包含在副回路內。應使Kc1Kp1

4、Km1的乘積為正值,通常Km1總是正值,因此主控制器的正、反作用選擇應使Kc1Kp1為正值。圖5-4所示加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級控制系統(tǒng)中控制器正反作用的選擇步驟如下：控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開型控制閥，Kv0；副被控對象：燃料油流量增加，爐膛溫度升高，因此，Kp20；副控制器：為保證負反饋，應滿足：Kc2KvKp2Km20。因Km20；應選Kc20。即選用反作用控制器；主被控對象：當爐膛溫度升高時，出口溫度升高，因此，Kp10；主控制器：為保證負反饋，應滿足：Kc1Kp1Km10。因Km10；應選Kc10。即選用反作用控制器。調節(jié)過程：當擾動或負荷變化使爐膛溫度升高時，因副控制器是

5、反作用，因此，控制器輸出減小，控制閥是氣開型，因此，控制閥開度減小，燃料量減小，使爐膛溫度下降；同時，爐膛溫度升高，使出口溫度升高，通過反作用的主控制器，使副控制器的設定降低，通過副控制回路的調節(jié)，減小燃料量，減低爐膛溫度，進而降低出口溫度，以保持出口溫度恒定。圖5-5所示夾套反應釜進行放熱反應，串級控制系統(tǒng)控制器正反作用的選擇步驟如下：控制閥：從安全角度考慮，選擇氣關型控制閥，Kv0；副被控對象：冷卻水流量增加，夾套溫度下降，因此，Kp20。因Km20；應選Kc20。即選用反作用控制器；主被控對象：當夾套溫度升高時，反應釜溫度升高，因此，Kp10；主控制器：為保證負反饋，應滿足：Kc1Kp1

6、Km10。因Km10；應選Kc10。即選用反作用控制器。參數的整定：（逐步逼近法；兩步法；一步法）變型：采用常規(guī)儀表時，為減少儀表投資，采用加法器等運算單元來實現串級控制系統(tǒng)，以節(jié)省控制器的投資。 采用閥門定位器，引入串級控制系統(tǒng)，這時副控制器參數通常不調整。某大型氨廠引入馳放氣作為輔助沖量的一段轉化爐出口溫度與燃料量串級控制系統(tǒng)。 比值控制系統(tǒng)定義：凡是用來實現兩個或兩個以上的物料按一定比例關系控制以達到某種控制目的的控制系統(tǒng)。關系式：主動量F1，從動量F2，比值K=F2/F1。分類：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和變比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 變比值控制系統(tǒng)

7、 ：變比值控制系統(tǒng)的比值是變化的，比值由另一個控制器設定。 比值系數的計算：采用線性流量檢測單元情況 ：采用電動和氣動儀表時，乘法器輸入的比值電流或氣壓和相除方案中比值控制器設定電流或氣壓可按下列公式計算：輸入信號=儀表量程范圍K + 零點 采用差壓變送器（非線性檢測變送環(huán)節(jié)）：例題：合成氨一段轉化反應中，為保證甲烷的轉化率，需保持甲烷、蒸汽和空氣三者的比值為1:3:1.4。流量測量都采用節(jié)流裝置和差壓變送器，未裝開方器，其中，蒸汽最大流量為31100m3/h；天然氣最大流量為11000m3/h；空氣最大流量為14000m3/h；采用相乘和相除方案，確定各差壓變送器的量程，儀表比值系數K1和K

8、2，乘法器和除法器輸入電流I k1和I k2。 l比值控制系統(tǒng)設計和工程應用中的問題1）、主動量和從動量的選擇：主動量通常選擇可測量但不可控制的過程變量；從安全考慮，如該過程變量供應不足會不安全時，應選擇該過程變量為主動量，例如，水蒸汽和甲烷進行甲烷轉化反應，由于水蒸氣不足會造成析碳，因此，應選擇水蒸汽作為主動量；從動量通常應是既可測量又可控制，并需要保持一定比值的過程變量。2）、類型的選擇：主動量不可控時，選用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，例如，主動量來自上一工序；主動量可控可測，并且變化較大時，宜選雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)；當比值根據生產過程的需要由另一個控制器進行調節(jié)時，應選擇變比值控制系統(tǒng)；當質量偏離

9、控制指標需要改變流量的比值時，應采用變比值控制系統(tǒng)；變比值控制系統(tǒng)的第三過程變量通常選擇過程的質量指標，例如，煙道氣中的氧含量等。3）、比值函數環(huán)節(jié)（乘法器、分流器、加法器）4）、變送器量程的選擇：采用常規(guī)儀表時，如果采用線性檢測變送環(huán)節(jié)，主、從動量的儀表量程范圍相等，則工藝比值系數k與儀表比值系數K相等；如果采用非線性檢測變送環(huán)節(jié)，主、從動量的儀表量程范圍滿足：，則工藝比值系數k與儀表比值系數K相等。5）、流量的溫度壓力補償：溫度應換算到凱氏溫度，壓力應換算到絕對壓力。比值控制系統(tǒng)的參數整定和投運1、 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：非振蕩或衰減比10:1的過渡過程。2、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：主動量：衰減

10、比為4:1整定主控制器參數；動量控制系統(tǒng)：以非振蕩或衰減比為10:1整定從動量控制器參數。均勻控制系統(tǒng) 定義：均勻控制系統(tǒng)是指一種控制方案所起的作用而言，因為就控制方案的結構來看，它可能象是液位或壓力的簡單定值控制系統(tǒng)，也可能象是液位與流量或壓力與流量的串級控制系統(tǒng)。 特點：均勻控制系統(tǒng)應具有既允許表征前后供求矛盾的兩個變量都有一定范圍的變化，又要保證它們的變化不應過于劇烈的特點。 參數整定：在均勻控制系統(tǒng)中不應該選擇微分作用，有時還可能需要選擇反微分作用。在參數整定上，一般比例度要大于100%，并且積分時間要長一些，這樣液位仍會變化，但變化不會太劇烈。同時，控制器輸出很和緩，閥位變化不大，流

11、量波動也相當小。這樣就實現了均勻控制的要求。串級均勻控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中副回路流量控制的目的是為了消除控制閥前后壓力干擾及自衡作用對流量的影響。均勻控制系統(tǒng)的控制規(guī)律的選擇及參數整定(1)控制規(guī)律作用的選擇對一般的簡單均勻控制系統(tǒng)的控制器，選擇純比例控制規(guī)律。對一些輸入流量存在急劇變化的場合或液位存在“噪聲”的場合，特別是希望液位正常穩(wěn)定工況時保持在特定值附近時，則應選用比例積分控制規(guī)律。前饋控制系統(tǒng)原理：前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，根據擾動或設定值的變化按補償原理而工作。 特點：當擾動產生后，被控變量還未變化以前，根據擾動作用的大小進行控制，以補償擾動作用對被控變量的影響。 換熱器的前饋控制

12、系統(tǒng)及其方塊圖 前饋反饋控制系統(tǒng)：利用前饋控制來克服可以預見的主要擾動；而對于前饋控制補償不完全的部分及擾動依舊作用于被控變量所產生的偏離及其余擾動，由反饋控制來消除。即使在大而頻繁的擾動下，仍然可以獲得優(yōu)良的控制品質。前饋控制的主要結構形式：靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋是在擾動作用下，前饋補償作用只能最終使被控變量回到要求的設定值，而不考慮補償過程中的偏差大小。在有條件的情況下，可以通過物料平衡和能量平衡關系求得采用多大校正作用。靜態(tài)前饋控制不包含時間因子，實施簡便。前饋反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的設計及工程實施中若干問題前饋控制系統(tǒng)主要用于克服控制系統(tǒng)中對象滯后大、由擾動而造成的被控變量偏差消除時間長、

13、系統(tǒng)不易穩(wěn)定、控制品質差等弱點，因此采用前饋控制系統(tǒng)的條件是： 擾動可測但是不可控 變化頻繁且變化幅度大的擾動 擾動對被控變量影響顯著，反饋控制難以及時克服，且過程對控制精度要求又十分嚴格的情況。前饋補償裝置及偏置的選擇：采用DCS或計算機控制：前饋-反饋控制算法常規(guī)儀表實施：靜態(tài)前饋選擇性控制系統(tǒng) 選擇性控制系統(tǒng)（取代控制、超馳控制和保護控制）定義：在控制系統(tǒng)中含有選擇單元的系統(tǒng)。選擇器：低選器、高選器uo=min (ui1,ui2,- uij)uo=max (ui1,ui2,-uij) (1)選擇器位于兩個控制器與一個執(zhí)行器之間 超馳(override)控制系統(tǒng)是選擇性控制系統(tǒng)中常用的類型

14、。圖5-25為液氨蒸發(fā)器的超馳控制系統(tǒng)，液氨蒸發(fā)器是一個換熱設備，在工業(yè)生產上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化熱，因此，它可以常用來冷卻流經管內的被冷卻物料。在正常工況下，控制閥由溫度控制器TC的輸出來控制，這樣可以保證被冷卻物料的溫度為設定值。但是，蒸發(fā)器需要有足夠汽化空間，來保證良好的汽化條件以及避免出口氨氣帶液，為此又設計了液面超馳控制系統(tǒng)。在液面達到高限的工況，此時，即便被冷卻物料的溫度高于設定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代溫度控制器TC進行控制。這樣，既保證了必要的汽化空間又保證了設備安全。(2)操縱變量的選擇性控制 加熱爐燃料有低價燃料A和補充燃料B，A最大供

15、應量為AH, 燃料A超過AH時啟用補充燃料B，為此設計了圖5-26所示選擇性控制系統(tǒng)。l 正常工況時：mAH，溫度控制器TC的輸出m經低選器作為燃料A流量控制器F1C的設定值，構成溫度控制器TC與燃料A流量控制器串級控制。補充燃料B流量控制器F2C設定值AH，燃料A流量控制器F1C為定值控制，設定值為AH。溫度控制器TC的輸出m至加法器，m-n0作為補充燃料B流量控制器F2C的設定值，構成溫度控制器TC與燃料B流量控制器串級控制。 選擇性控制系統(tǒng)設計和工程應用中的問題(2)控制器的選擇超馳控制系統(tǒng)的控制要求是超過安全軟限時能夠迅速切換到取代控制器。取代控制器應選擇比例度較小的比例或比例積分控制

16、器?？刂破鞯恼醋饔每桑贺摲答仠蕜t(3)防積分飽和由于偏差為零時，兩個控制器的輸出不能及時切換的現象稱為選擇性控制系統(tǒng)的積分飽和。保持控制器切換時跟蹤的方法：積分外反饋：選擇器輸出作為積分外反饋信號，分別送兩個控制器。 選擇性控制系統(tǒng)應用實例l 一段轉化爐燃燒安全選擇性控制系統(tǒng) 分程控制系統(tǒng)定義：一個控制器的輸出同時送往兩個或多個執(zhí)行器，而各個執(zhí)行器的工作范圍不同（閥門定位器）。不同工況需要不同的控制手段：間歇式攪拌槽反應器的溫度控制，在開始時需要加熱升溫，而到反應開始并逐漸劇烈時，反應放熱，又需要冷卻降溫。熱水閥V1和冷卻水閥V2由同一個溫度控制器操縱，需要分程工作。 擴大控制閥的可調范圍

17、R=國產控制閥的R一般為30。例如，大閥A的CAmax=100，小閥B的CBmax=4，則CBmin=4/30=0.133；假設大閥泄漏量為0，則分程控制后，最小總流通能力為0.133 ，最大總流通能力為100+4；系統(tǒng)的可調范圍為(100+4)/0.133=780。雙重控制系統(tǒng) 雙重或多重控制系統(tǒng)定義：一個被控變量采用兩個或兩個以上的操縱變量進行控制的控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)采用不止一個控制器，其中，一個控制器輸出作為另一個控制器的測量信號。系統(tǒng)操縱變量的選擇需從操作優(yōu)化的要求綜合考慮。它既要考慮工藝的合理和經濟，又要考慮控制性能的快速性。而兩者又常常在一個生產過程中同時存在。雙重控制系統(tǒng)是綜

18、合這些操縱變量的各自優(yōu)點，克服各自弱點進行優(yōu)化控制的。5.7.2 雙重控制系統(tǒng)設計和工程應用中的問題 (1)主、副操縱變量的選擇主操縱變量：有較快動態(tài)響應；副操縱變量：較好靜態(tài)性能。雙重控制系統(tǒng)應用實例在食品加工、化工等工業(yè)中應用的噴霧干燥過程如圖5-39所示。漿料經閥V后從噴頭噴淋下來，與熱風接觸換熱，進料被干燥并從干燥塔底部排出，干燥的程度由間接指標溫度控制。為了獲得高精度的溫度控制及盡可能節(jié)省蒸汽的消耗量，采用圖示的雙重控制系統(tǒng)，取得良好的控制效果。 5.8差拍控制系統(tǒng)第四章 簡單控制系統(tǒng)執(zhí)行器：控制閥：氣動、電動、液動控制閥選擇的內容：結構形式及材質的選擇，口徑大小及開閉形式的選擇，流

19、量特性的選擇，以及閥門定位器的選擇等?？刂崎y：執(zhí)行機構、調節(jié)機構兩部分組成。執(zhí)行機構有三種類型：薄膜式、活塞式和長行程式控制閥氣開、氣關形式的選擇：對于一個具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選氣開閥還是氣關閥，即在閥的氣源信號發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時，閥是處于全開的位置安全，還是處于全關的位置安全, 要由具體的生產工藝來決定 ?？刂崎y氣開、氣關形式的選擇應遵循幾條原則 首先要從生產安全出發(fā),即當氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制閥膜片破裂而漏氣等而使控制閥無法正常工作以致閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)（氣開閥回復到全關，氣關閥回復到全開），應能確保生產工藝設備的安全，不致發(fā)生事故。如生產蒸汽

20、的鍋爐水位控制系統(tǒng)中的給水控制閥，為了保證發(fā)生上述情況時不致把鍋爐燒壞, 控制閥應選氣關式。 從保證產品質量出發(fā)，當發(fā)生控制閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應降低產品的質量，如精餾塔回流量控制閥常采用氣關式，一旦發(fā)生事故，控制閥全開，使生產處于全回流狀態(tài),防止不合格產品的蒸出，從而保證塔頂產品的質量。 從降低原料、成品、動力損耗來考慮。如控制精餾塔進料的控制閥就常采用氣開式,一旦控制閥失去能源即處于氣關狀態(tài)，不再給塔進料，以免造成浪費。 從介質的特點考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開式，以保證在控制閥失去能源時能處于全關狀態(tài)避免蒸汽的浪費，但是如果釜液是易凝、易結晶、易聚合的物料時

21、，控制閥則應選氣關式以防調節(jié)閥失去能源時閥門 關閉，停止蒸汽進入而導致釜內液體的結晶和凝聚。國內常用的理想流量特性有線性、等百分比和快開等幾種閥門定位器有以下三方面的功能：改善控制閥的動、靜態(tài)特性 改善控制閥的流量特性實現分程控制第三章 控制器的控制規(guī)律比例控制（1）比例控制規(guī)律（P） l 控制器輸出信號u(t)與輸入信號e(t)之間的關系為l u(t)= Kc e(t) 式中Kc是控制器的比例增益。l 控制器的輸出變化量與輸入偏差成正比例，在時間上沒有延滯。 比例控制器的傳遞函數為：l 比例增益Kc是控制器的輸出變量u(t)與輸入變量e(t)之比。l Kc越大，在相同偏差e(t)輸入下，輸出u(t)也越大。l 因此Kc是衡量比例作用強弱的因素。l 工業(yè)生產上所用的控制器，一般都用比例度來表示比例作用的強弱。l （2）比例度 定義為式中，e為控制器輸入信號的變化量，即偏差信號；u為控制器輸出信號的變化量，即控制命令；(Zmax-Zmin)為控制器輸入信號的變化范圍，即量程；(umax-umin)為控制器輸出信號的變化范圍。l 改寫為 l 單元組合儀表 l 因此比例度與比例增益Kc成反比。越小，則Kc越大，比例控制作用就越強；反之