过程控制3.docx
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过程控制3
过程控制3
1.自动化仪表：
第一位字母表示被控变量的类别，常见的字母包括T（temperature温度）、P（pressure压力）、dP（differentialpressure差压）、F（flow流量）、L（liquid液位或料位）、A（Analysis分析量）、W（weight重量或藏量）、D（density密度）等；后继字母表示仪表功能，值
控制规律KcTiTdP
0.5Kcma_
PI0.45Kcma_0.83Pu
PID0.6Kcma_0.5Pu0.12Pu常见的字母包括T（Transmitters传感变送器）、C（controller控制器）、I（indicator指示仪表）等。
2.
hsp：
设定值（Setpointsp）也称给定值（SetpointValuesv），h（被控变量ControlledVariableCV）,LT21（液位变送）,LC21（液位控制）,Q0（MainpulatedVariableMV操作变量）,Qi（DisturbanceVariableDV扰动变量）
3.被控变量：
ControlledVariable（CV）过程变量：
ProcessVariable（PV）测量值：
Measurement设定值：
Setpoint（SP）给定值：
SetpointValue（SV）操作变量：
ManipulatedVariable（MV）扰动变量：
DisturbanceVariables（DVs）安全性：
Safety质量：
Quality收益：
Profit直接数字控制：
DirectDigitalControl（DDC）分布式控制系统：
DistributedControlSystem（DCS）局域网：
LocalAreaNetwork（LAN）试差：
trialanderror定值调节控制：
RegulatoryControl伺服控制：
ServoControl常规控制：
ConventionalControl先进控制：
AdvancedProcessControl（APC）PID比例积分微分:
ProportionalIntegralDerivative多输入多输出：
MultiInputMultiOutput（MIMO）前馈控制：
feedforward
11100000000000bcontrol比例控制：
Ym?
50转为十进制2?
0ratiocontrol偏差积分15050?
IE（Integralof12211?
2048Yerror）11m?
502平方偏差积分（2?
1）?
?
011150?
50?
?
0（212?
1）?
0?
Ym?
2212?
1?
（150?
50）?
ISE50?
100（Integralofsquarederror）绝对11?
Y偏差积分2IAE（Integralm?
212?
1?
（150?
50）?
50?
100ofabsolutevalueoferror）时间与偏差绝对值乘积的积分ITAE（Integraloftimemultipliedbytheabsolutevalueoferror）
4.归一化：
是一种无量纲处理手段，使物理系统数值的绝对值变成某种相对值关系，即将有量纲的表达式经变转化为无量纲表达式，成为纯量。
5.PID控制器
下面是Ziegler-Nichols公式
根据临界增益可以分别计算出P、PI、PID控制下的参数
6气动调节阀----依靠压缩空气作为动力，输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号。
特点----结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率。
气动执行器又称气动调节阀，它是由气动执行机构和调节机构两个部分组成。
气动执行机构类型：
薄膜式，活塞式。
气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式：
当输入压力增加时，推杆向下移动的称为正作用；反之，当输入压力增加时，推杆向上移动的称为反作用。
7.对数特性调节阀流量变化计算
8.前馈控制系统的特点：
1.前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时。
2.前馈控制属于开环控制系统。
3.前馈控制采用的是由对象特征确定的“专用”控制器。
9.串级控制系统的设计原则？
1在单回路控制不能满足要求的情况下可以考虑采用串级控制。
2具有能够检测的副变量，且主要干扰应该包括在副回路中3副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能4将对象中具有显著非线性或时变特性的部分归于副对象中。
10.位置式和增量式的比较？
（1）位置式需由外部引入初始阀位值，增量式不需要;
（2）位置式需防积分饱和，增量式不会产生积分饱和;（3）只有存在偏差时，增量式才会有输出;（4）增量式容易实现从手动到自动的切换.
11.温度变送器的量程为50～150℃，输出为4～20mA。
假设采用12位的A/D，当采样值为100000000000b时，实际的测量值是多少？
12.为何采用数字控制？
（1）可实现高级控制算法；
（2）可对过程进行监视（3）可实现过程优化（4）可实现诊断
13、电动执行机构的技术指标主要包括输出力矩或推力、行程、输出速度及精度等。
14、调节阀流量特性的选择仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于0.60以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。
15.阀门定位器的作用
1.将输入标准电信号线性地转换为气压信号（20-100kPa）4-1.PID控制器的时域算式中有一偏置U0，而在复频域（即在传递函数形式）算式中却没有这一项，这是为什么？
U0的物理含义是什么？
U0的具体取值是怎么取得的？
答：
理想的PID控制器是
为积分时间常数；Td为微分时间常数。
U0为常数，而常数经过拉氏变换后为0，故在复频域算式中没有这一项，U0为控制器的稳态输出。
U0的具体取值根据系统稳态时需要保持的控制阀阀门开度确定。
式中，e（t）为系统偏差，e（t）=r（t）-c（t）;Kp为比例系数；Ti
2.改善阀的定位精度（静态特性）3.改善阀的动态特性4.用于分程控制：
用一个调节器控制两个以上的调节阀。
使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。
5.用于阀门的反向动作：
采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。
16.比例控制器
控制器增益Kc对系统性能的影响：
增益Kc增大，系统的调节作用增强，但稳定性下降（当系统稳定时，调节频率提高、余差下降）。
比例调节特点：
有差调节。
积分作用对控制性能的影响:
积分时间Ti对系统性能的影响,引入积分作用可以消除稳态余差，但控制系统的稳定性下降。
当积分作用过强时（即Ti过小），可能使控制系统不稳定。
积分调节的特点：
无差调节,滞后作用。
微分调节的特点：
1也是有差调节2超前作用3抑制偏差变化，使被控变量平缓。
17.微分对压力调节的影响：
加上微分后控制效果反而出现振荡，为什么？
答：
微分作Ud=Td_de/dt,微分作用在高频下有较大的振幅比。
如果测量值含有很大的噪声，由于微分作用对高频噪声起到放大作用，因此存在高频噪声的地方不宜用微分;压力对象的波动和测量噪声比较多，所以压力控制
u（t）不宜用微分?
K.
ce（t）?
u0.
?
?
1K_100á8.对象惯性越小越容易振荡，惯性越大越不易振荡。
对象惯性越小振荡幅值越大，惯性越大振荡幅越小。
对象惯性越小振荡周期越小，惯性越大振荡周期越长。
2-3什么是线性化，为什么在过程控制中经常采用近似线性化模型？
答：
对于非线性系统的过程控制的模型，需要进行线性化处理。
在系统输入和输出的工作范围内，把非线性关系近似为线性关系。
应用于过程控制的数学模型，往往采用增量的形式进行表达，增量形式不仅便于把非线性系统线性化，而且通过坐标变换把稳态工作点定为原点，可使输入输出关系更加简单，便于运算。
线性化处理的常用工具是泰勒级数展开。
4-2.单回路系统中的其他参数不变，仅加速PI控制器的积分作用，回答
（1）在相同的外界干扰作阶跃变化情况下，最大偏差是否增大？
振荡是否加剧？
（2）为了获得和以前相同的系统稳定性，Kc是调大还是调小？
Kc调整后环路静态增益是否改变，变大或变小？
答：
1加速PI控制器的积分作用，最大偏差变小，但是振荡加剧2.为了获得相同的系统，Kc应调小，Kc调整后环路静态增益Kc，Kp也变小。
4-3.什么是积分饱和？
产生积分饱和的条件是什么？
有何危害？
对单回路系统，如何防积分饱和？
答：
积分饱和：
对于一个有积分功能的偏差，控制器的积分作用就会对偏差进行累积来改变控制器的输出，如果这时阀门已达到饱和，已全开或全关，而无法继续进行调节，那么偏差将无法消除，然而由于积分作用，控制器的输出仍在增加直到它达到某个极限值并停留在那里，这种情况被称为积分饱和。
产生积分饱和的条件是控制器具有积分功能，控制器的饱和输出极限值要比执行机构的信号范围大。
积分饱和可能使产品质量不好，并对操作人员的安全构成威胁。
目前，常用的一种防积分饱和的方法是当发现控制器输出饱和时，就停止控制器的积分作用；当控制器输出不再饱和时，再恢复积分作用。
6-1.在一个串级控制系统中，原来选用口径为20mm的气开阀，后来改为口径为32mm的气关阀
（1）主，副控制器正反作用是否改变？
为什么？
（2）副控制器的比例度和积分时间是否改变？
是变大还是变小，为什么？
（3）主控制器的比例度和积分时间要否改变？
是变大还是变小，为什么？
（1）副控制器的正反作用需要改变，因为调节阀的气开阀改为气闭阀，则Gv（s）极性由+改为-，为了保证副回路构成负反馈，必须将副控制器的正反作用改变。
主调节器的正反作用无需改变，因为副回路正反作用设置后对主回路只相当于一个+极性环节，主调节器的正反作用取决于主对象的放大倍数的符号，而与其他环节无关.
（2）调节阀开度增加了60%，即Kv增加了，要想维持副回路的稳态，须将副调节器的增益Kc2减小，即比例度要增大，虽然调节阀的流量特性没有改变，但由于管路串
并联管阻的存在会引起流量特性的畸变，调节阀开度的增加使副回路广义对象的敏感性增强，为了副回路的稳定，应减小副调节器的控制强度，弱化积分作用，即增大积分时间（3）主控制器的比例度无须改变，但由于副回路减弱了积分作用，所以主回路的积分作用应适当增强，即减小积分时间。
6-2.考虑题图中的4个串联储罐，水的出口温度θ4为被控变量，加热量Q是操纵变量，F1和θ12为干扰。
（1）在设计串级控制时，最合适的副变量应选择在何处？
试与选择向前和向后一个罐的情况相比较
（2）在工艺图上表示该串级系统并画出相应的方块图（3）确定控制器的正反作用。
解：
（1）最合适的副变量选择θ2，它离第四个储罐较远，可以防止副变量与主变量发生共振，而且它包含更多的干扰。
（2）
（3）副控制器的选择与主回路无关，而测量变送器，副对象均为正作用，调节阀为正作用，故副控制器为反作用，主控制器与主对象正反作用相反，而主对象为正作用，故主控制器为反作用。
6-3.题图表示了二个动态过程的方框图。
为了改善闭环品质（d1干扰时），哪一个过程应该采用串级控制，为什么？
对应该采用串级控制的系统，试画出相应的方框图（假设Gv（s）=Gm（s）=1）.
解：
上图如果采用串级控制，副对象为二阶系统1/（10s+1）（20s+1），且时间常数较大，主对象为1/（0.1s+1），且时间常数较小，这样副回路难以发挥快速抑制扰动的作用，故不宜采用串级控制。
下图如果采用串级控制，副对象为一阶系统且带有小的滞后，而主回路为两个大惯性的串联，这样副回路可以
发
挥快速调节的作用，抑制d1扰动的影响。
6-5有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似，试问如何来区分它们？
试分析判断如题图所示的两个系统各属于什么系统？
说明其理由。
答：
前馈-反馈系统对主变量的扰动提前检测并进行补偿控制而串级控制没有对主变量扰动提前进行检测和补偿。
图a为前馈-反馈控制系统，因为原油流量扰动且直接影响主变量的扰动，将其检测后由燃料油的流量补修实现前馈控制，所以是前馈-反馈控制系统。
图b为串级控制系统。
8-3,试写出数字PID控制算式，并说明增量PID控制算式的优点？
答：
（1）位置算式
（2）增量算式
式中
和
分别表示积分和微分系数。
此
式的特点是比例、积分和微分作用互相独立。
增量式比位置式有下述特点1.增量式具有防积分饱和的优点，因为在计算积分作用时，不用对偏差进行累积。
2.增量式的输出是执行机构位置的改变量，只有偏差出现时，才产生输出增量值。
3.增量式算式很容易从手动位置切换到自动位置，无需进行控制器输出的初始化。
实验
1，ADAM-4017/4017+是16位A/D8通道的模拟量输入模块，ADAM-4017如果测量电流信号，需在该通道的输入端口并联一125Ω的精密电阻。
2，ADAM-4017+为8通道模拟量输入模块，ADAM-4021是1路模拟量输出通道，分辨率为12位，输出范围为0-20mA,,4-20mA,0-10v。
ADAM-4024是4路模拟量输出通道分辨率为
12
位，输出范围为
0-20mA,,4-20mA,+/-10v。
ADAM-4055是带LED显示的16路隔离数字量输入/输出模块，提供8通道数字输入和8通道隔离数字输出，输入接受10-50V电压，且输出提供5-40VDC开放式采集。
ADAM-4520隔离转换器可以将RS-232信号转换为隔离RS-422或RS-485信号，传感器调节阀若用电压输入，则需要用250Ω电阻进行变换3，孝悌忠信礼仪廉耻缇萦闵损
4，恒压供水：
设定30KP-50KP（单回路PID调节）‘孝’（AI808）’悌’（AI818）,执行器：
变频器（0-20MA）输入+磁力驱动泵调节’孝’M5Pt’悌’PID,Ctrl设置为2
5，水箱液位单回路PID控制：
’孝’AI808，M5Pt反作用内给定输入0-600，输出0-100，’悌’ADAM,PID反作用外给定
6，管道单回路PID控制：
’孝’AI808，M5Pt反作用内给
定
，
dIL=0
，
dIH=1200
’
悌
’
ADAM4017+,ADAM-4024,ADAM-4520,力控PID输入0-1200，输出0-100，反作用外给定,
7，锅炉温度单回路PID控制：
’孝’铜电阻测温（CU50）范围（-50°-150°C）传感器外形：
直径8mm,长度30cm,A/D转换分辨率：
12bit
1、简单控制系统由（控制器）、（执行机构）、（被控对象）和（检测变送仪表）四个环节组成。
2、对象数学模型是指对象的（输入输出）特性，是对象在各输入量（控制量和检测变送量）作用下，其相应输
出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。
3、获取对象数学模型的方法参方法有：
（机理法）和（测试法）。
4、气动执行器由（调节）机构和（执行）机构两部分组成，常用的辅助装置有（阀门）定位器和手轮机构。
5、流通能力Ｃ的定义是：
调节阀全开，阀前后压差为（0.1Mp），流体重度为（1g/m3），每（小时）所通过的流体（系）数。
6、被调介质流过阀门的（相对）流量与阀门（相对）行程之间的关系称为调节阀的流量特性；若阀前后压差保持不变时，上述关系称为（理想流量）特性，实际使用中，阀门前后的压差总是变化的，此时上述关系为（工作流量）特性。
7、动态前馈控制的设计思想是通过选择适当的（前馈）控制器，使干扰信号经过（前馈）控制器致被控量通道的动态特性完全复制对象（干扰）通道的动态特性，并使它们符号（相反）（正、反），从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。
8、自动调节系统常用参数整定方法（动态特性参数法），（稳定边界法），（衰减曲线法），（经验法）。
9、调节系统中调节器正、反作用的确定依据是：
（保证控制系统成为负反馈）。
4、模糊控制器的设计（不依赖）被控对象的精确数学模型
1．随着控制通道的增益K0的增加，控制作用（增强），克服干扰的能力（最大），系统的余差（减小），最大偏差（减小）。
2．从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。
3．建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计。
4．控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。
5.控制阀的选择包括结构材质的选择、口径的选择、流量特性的选择和正反作用的选择。
6．防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。
K7．如果对象扰动通道增益
f增加，扰动作用（增强），
系统余差（增大），最大偏差增大。
8．在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。
1．控制通道的时间常数T0的大小，反映了控制作用对系统动态过程的影响的快慢，T0越小，控制作用越及时，过渡过程越快，有利于提高系统的稳定性。
2.被控变量是指工艺要求以一定的精度保持恒定或随某一参数的变化而变化的参数。
4．反映对象特性的参数有放大倍数、时间常数和
纯滞后时间。
5．检测变送环节对控制系统的影响主要集中在检测元件的滞后和信号传递的滞后问题上。
7．常见的比值控制系统有开环比值、单闭环比值、双闭环比值、串级比值。
8.简单控制系统的工程整定法有经验方法，简单、方便，工程实际中广泛采用的特点。
一般有经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。
9、离心泵的控制方案有直接节流法、改变泵的转速、改变旁路回流量。
1、调节系统的稳定性是对调节系统最基本的要求，稳定调节过程的衰减率ζ应是（C.02、线性调节系统的稳定性取决于（Ｃ．干扰作用的形式、强弱和系统本身的结构、参数。
）
3、单纯的前馈调节是一种能对（C．干扰量的变化）进行补偿的调节系统。
4、均匀控制系统的任务是（A．使前后设备在物料供求上相互均匀、协调。
）
5、定值调节系统是环调节，前馈系统是环调节。
（B．闭，开）
6、在选择性调节系统中防积分饱和一般采用（B．外反馈法）方法。
7、设置分程调节系统的目的是（C．为了满足工艺的特殊要求，扩大可调比）
8、若控制系统在纯比例作用下已整定好参数，加入积分作用后，为保证原稳定度，应将比例度（Ａ．增大）9、成分、温度调节系统的调节规律，通常选用（Ｄ．PID）。
10、流量、压力调节系统的调节规律，通常选用（Ｂ．PＩ）。
11、要消除系统的稳态误差，调节系统的调节规律，通常选用（Ｂ．PＩ）。
12、通常可以用时间常数T和放大系数K来表示一阶对象的特性。
现有甲乙两个液体贮罐对象，已知甲的截面积大于乙的截面积，假定流入和流出侧的阀门、管道尺寸及配管均相同，那么时间常数T（A．甲大于乙）。
15、定值系统的传递函数反映了以给定量为输入，以被控量为输出的动态关系，它（Ａ．与系统本身的结构参数、扰动量的形式及大小均有关。
）
1、由于微分调节规律有超前作用，因此调节器加入微分作用主要是用来（C．克服调节对象的惯性滞后（时间常数T））
13、调节系统中调节器正、反作用的确定是根据（B．实现闭环回路的负反馈）
14、均匀调节系统调节器参数应为（B．比例度在100%～200％之间）。
15、定值系统的传递函数反映了以给定量为输入，以被控量为输出的动态关系，它（Ａ．与系统本身的结构参
数、扰动量的形式及大小均有关。
）1、被控参数的选择原则有哪些？
答：
如可能，应尽量选择质量指标参数作为被控参数，当不能选择质量指标作为被控参数时，应选择一个与产品质量指标有单位对应关系的间接参数作为被控变量。
控制⑤用于阀门的反向动作2.简述串级控制系统的设计原则。
答：
（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；
（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注2、分程控制有哪些用途？
如何解决两个分程信号衔接处流量我的折点现象？
答：
用于满足工艺的特殊要求，扩大可调比；解决：
1.如果选择直线阀，则应使两个调节阀的流通能力相近。
2.部分分程信号重叠的方法。
3.采用两个对数法并联分程。
3、与单回路控制相比，串级控制系统具有哪些特点？
答：
1.减小了被控对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时。
2.提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性提高了。
3.对于二次干扰有很强的客服能力，对克服一次干扰也有一定的提高。
4.对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。
简述串级控制系统的特点。
答：
（1）串级控制系统由于副回路的存在,能够迅速克服进入副回路的扰动的影响;
（2）串级控制系统由于副回路的存在,改善了对象的特性,提高了系统的工作频率;（3）串级控制系统由于副回路的存在,使对象非线性特性线性化,提高了系统的自适应能力;（4）能够更精确控制操纵变量的流量.（5）可以实现灵活的操作方式选择4.前馈控制的特点
（1）前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时
（2）属于开环控制（3）采用的是由对象特性确定的“专用”控制器
1、构成一个自动调节对象应具备哪三个条件？
答：
：
⑴调节对象中的被调节参数是可以连续测量的；⑵在调节对象中存在影响被调节参数使之偏离给定的干扰因素；⑶在调节对象中至少可以找出一个量是可以进行调节的（即所谓可控的），通过对这个量调节，将外界干扰对调节参数的影响，使被调节参数维持不变，这个量即所谓的调节参数
2、什么是分程控制系统？
适用于哪些场合？
答：
一台控制器的输出信号去操纵两个或者两个以上的控制阀工作，而且每个控制阀上的操作信号只是控制器输出信号的某一段。
场合：
用于扩大控制阀的可调比；满目工艺操作上的特殊要求。
3、什么是串级控制系统?
试画出其典型方框图。
答：
两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量有更好的控制效果。
典型方框图：
P106
1、电气阀门定位器有哪些作用答：
①改善阀的静态特性②改善阀的动态特性③改变阀的流量特性④用于分程
意生产上的经济性。
3.简单控制系统由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
答：
简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。
控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。
执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。
4.前馈控制和反馈控制各有什么特点？
为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？
答:
前馈控制的特点是:
根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:
精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补,所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.简述被控量与操纵量的选择原则。
答：
（1）被控量的选择原则:
①必须尽可能选择表征生产过程的质量指标作为被控变量;
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