自动化仪表与过程控制期末考试资料.docx
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自动化仪表与过程控制期末考试资料
自动化仪表与过程控制系统期末考试资料
一、绪论
1、生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：
安全性、稳定性和经济性。
2、过程控制系统的分类：
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按设定值的形式分类，定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
3、定值控制系统——给定值不变或者变化很小的控制系统，例：
空调控制系统。
4、随动控制系统——给定值变化的控制系统，例：
空调设定室内温度比室外温度低5℃。
5、程序控制系统——给定值是随着事先设定好的程序变化，例：
电饭锅
6、按系统的结构特点分类：
1）反馈控制系统（闭环控制系统），将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。
2）前馈控制系统，也称为开环控制系统；根据扰动量的大小进行工作；扰动是控制的依据；在实际生产中不能单独采用。
3）复合控制系统，前馈与反馈相结合，优势互补。
7、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态），静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
8、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
9、过程控制系统：
一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
例1、某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。
现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：
该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。
设定值不等于稳态值（有差控制）
参考答案：
最大动态偏差A=230-200=30℃
被控参数偏离设定值的最大值；
余差C=205-200=5℃
稳态值与设定值之间的偏差；
衰减比n=y1:
y3=25:
5=5:
1两个相邻的同向波峰值之比；振荡周期T=20–5=15（min）
设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205×（±2％）＝±4.1℃，在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。
超调量：
第一波峰与稳态值之比的百分比，25/205=12.2%
调节时间：
Ts=22min工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺要求。
峰值时间：
5min
二、被控过程数学模型和控制器参数整定
传递函数=输出的拉斯（L）变换/输入的拉斯变换（零初始条件下）
1、机理法建模：
单位时间内物质/能量流入量—单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。
1.1
单容水箱建模：
L变换
RS——阀门2阻力系数、液阻；
Kμ——阀门1比例系数；
μ1——阀门1的开度；
LbiaLLLLLllll
传递函数：
1.2多容水箱建模：
传递函数：
式中
2、响应曲线法建模加控制器参数整定
设计一个比例、积分（PI）调节器，控制一个温度调节系统。
控制器的调节范围为：
0-3000℃，控制器的输出为4-20mA。
当给定被控对象一个如图（a）所示的阶跃输入时，测定的被控对象响应曲线如图（b）所示（响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表）。
要求：
计算出控制器的控制参数，画出控制系统方框图。
响应曲线法控制器参数整定经验公式表
调节规律
调节参数
比例度δ%
积分时间TI
微分时间TD
P
（K0τ0/T0）╳100%
PI
1.1（K0τ0/T0）╳100%
3.3τ0
PID
0.85（K0τ0/T0）╳100%
2τ0
0.5τ0
参考解答：
由已知条件得：
控制器的调节范围上下限为：
℃和
℃，控制器的输入上下限为
mA和
mA，由测试数据得，当输入信号从4mA变化到18mA时，被控对象输出信号从0℃变化到2500℃。
由此得广义被控对象的放大系数
，
在测得的曲线上找拐点A，作切线交于B、C点，如下图。
图中的读数约为：
，
。
所以，
，
。
由表中查得PI控制器的比例度计算公式为
积分常数为：
控制系统方框图见下图：
切线在时间轴上截出的时间段τ0为容量滞后；由信号或能量的传输时间造成的滞后现象，是纯滞后。
比例控制PI控制PID控制
比例为基础，积分消静差，微分预测，提高系统控制速度
2.1P、I、D各参数对系统控制品质的影响：
P越小，控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性下降，控制余差越小。
P越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。
出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin，振荡频率称为临界振荡频率ωM
P越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。
TI越大，积分作用越弱，TI=∞，积分作用为零。
TI减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。
因此，加积分后，比例带要适当加大。
如果T1适当，系统能很快消除余差。
2.2控制器参数整定：
边界法（临界比例度法）
属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。
就以表中PI调节器整定数值为例，可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。
2.3衰减曲线法
也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。
衰减比为4:
1时，整定参数计算表
衰减比为10:
1时，整定参数计算表
2.4响应曲线法：
属于开环整定方法。
以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。
方法：
不加控制作用，作控制通道特性曲线。
此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。
2.5正反作用选择：
阀门气开气关式的选择原则：
当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
调节器正反作用的选择：
负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。
为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。
当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用”。
按此定义：
变送器都是正作用；气开阀是正作用，气关阀是反作用；有的正作用，有的反作用；控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：
正作用：
测量值–给定值反作用：
给定值–测量值
调节器正反作用的确定原则：
保证系统构成负反馈，简单的判定方法：
闭合回路中有奇数个反作用环节。
2.6控制系统原理方框图（单闭环控制系统）
2.7控制系统工艺流程图
2.7.1、换热器出口温度控制系统2.7.2、储槽液位控制系统：
K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。
故应选放大系数大的变量作为控制变量。
干扰通道的惯性因子（Tfs+1）使干扰作用的影响缓慢。
Tf越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。
干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf越大，控制时最大偏差越小。
干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。
部分填空题：
1.用气动仪表组成的控制系统，其统一的标准信号是0.02～0.1MPa（20～100kPa）。
标准电流信号：
4～20mA
2.集散控制系统的主要特性是_集中管理分散控制
3.在单回路过程控制系统中，调节器是根据_偏差值_的大小和方向，输出控制信号。
4.在反馈控制系统中，如果给定值是按照预先确定的某一规律进行变化，则称为_程序控制_系统。
5.简单控制系统是由_控制器_、_执行器_、_对象_和_测量变送器_四个环节构成的，又叫_单闭环控制系统_。
6.__控制器__是控制系统设计的核心.
7.从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。
8、积分作用的优点是可消除静差，但引入积分作用会使系统稳定性下降。
9、随着控制通道的增益K0的增加，控制作用增强，系统的余差减小，最大偏差变大。
10、在PI调节器组成的单回路过程控制系统中，若受到扰动后，被控参数无波动地向给定值靠近，需很长时间才能稳定下来，则如何调整调节器的比例度？
增大比例度
三、复杂控制系统
1、控制系统可分为两大类：
提高响应曲线性能指标为目的的控制系统，包括：
①串级控制系统②前馈控制系统按某些特定要求而开发的控制系统，包括：
①比值控制系统②均匀控制系统③分程控制系统和阀位控制系统
④选择性控制（取代控制）系统
2、串级控制系统：
对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。
管式加热炉的串级控制框图：
串级控制控制标准框图：
主变量—串级控制系统中起主导作用的被控变量，是过程中主要控制的工艺指标。
副变量—串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量。
主对象—由主变量表征其主要特征的工艺设备或过程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象—由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。
主控制器—按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。
控制器—按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制执行器的动作。
2.1、串级控制系统特点：
系统有两个闭合回路，形成内外环。
主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。
每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器；。
主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作；主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。
由上可见：
副回路：
先调、粗调、快调，主回路：
后调、细调、慢调
主副回路相互配合、相互补充，提高控制品质。
与单回路控制相比，串级控制增加了副控制回路，使控制系统性能得到改善。
2.2、串级系统特点总结：
对进入副回路的干扰有很强的克服能力；副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能；副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。
2.3、主、副调节器调节规律的选择：
在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。
这是选择调节规律的基本出发点。
主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。
所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节（滞后较大时）。
控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。
因此，副调节器一般选P调节就可以了。
而且比例度较小，使得控制作用较强，余差不大。
如果引入积分控制作用，会使控制作用滞后，甚至带来积分饱和。
2.4、串级系统的工业应用：
1）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程
2.5、例子冷物料加热系统的串级控制
1）调节阀为气开式（安全因素）2）副调节器：
反作用；主调节器：
反作用。
3）当蒸汽压力突然增加时，该控制系统的控制过程如下：
蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于FC为反作用，故其输出降低，因而气开型的控制阀关小，蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，提高了控制质量。
4）当冷物料流量突然加大时，该控制系统的控制过程如下：
冷物料流量加大，加热炉出口物料温度降低，反作用的TC输出增加，因而使FC的给定值增加，FC为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用
2.6、液位串级控制系统：
3、前馈控制系统
在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作用的。
为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏差出现。
控制系统在干扰还没有影响到被控变量之前就产生控制作用，该系统称为前馈控制。
前馈控制的原理是：
当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。
3.1反馈控制的特点：
不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。
但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。
为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：
根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。
针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统
3.2换热器前馈控制原理：
当进料流量变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1对温度θ2的影响。
只要干扰通道和调节通道的特性相匹配，则前馈控制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度稳定。
可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。
补偿原理：
如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度
作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。
Y（S）=F（S）Gf（s）+F（S）Gm（s）Gb（s）Gv（s）Go（s）=0
3.3前馈控制的特点：
①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。
如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。
②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。
③前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。
④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。
3.4前馈控制的局限：
①实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰在线检测非常困难。
②前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确，实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。
因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。
前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。
3.5前馈控制器的通用模型
4、前馈—反馈复合控制系统：
为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。
如换热器出口温度前馈—反馈复合控制系统：
蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。
可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量的前馈－反馈控制系统。
复合控制系统具有以下优点：
①在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。
既提高了控制速度，又保证了控制精度。
②反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。
③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。
往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。
而前馈——反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。
5、前馈—串级复合控制系统：
对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈——串级复合控制方案。
前馈—串级复合控制系统特点：
1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样
2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定
当物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力（蒸汽流量）波动都较大。
可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力（流量）为副变量的前馈－串级控制系统。
前馈—串级控制系统过程框图：
6、比值控制系统
生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。
例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。
定义：
实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。
例如要实现两种物料的比例关系，则表示为：
Q2=KQ1
其中：
K—比值系数；Q1—主流量；Q2—副流量。
6.1根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。
比值控制系统分为：
1.开环比值控制系统；2.单闭环比值控制系统；
3.双闭环比值控制系统；4.变比值控制系统等。
6.2.开环比值控制系统：
控制目标：
Q2＝KQ1此控制方案的优点是结构简单、成本低。
缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。
如图Q1是主流量，Q2是副流量。
流量变送器FT检测主物料流量Q1；由控制器FC及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q2
开环比值控制系统框图：
6.3.单闭环比值控制系统：
为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。
特点：
对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。
控制目标：
Q2=KQ1
对Q1只测量、不控制。
Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。
单闭环比值控制系统框图：
6.4双闭环比值控制系统
为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加了主流量控制回路。
特点：
有两个闭环控制回路，用比值器联系。
控制目标：
Q2=KQ1
Q1是主流量，Q2是副流量。
两个流量都可控，因此总流量稳定。
双闭环比值控制系统框图：
6.5．变比值控制系统
以上介绍的都是定比值控制系统。
在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。
6.6．比值控制系统设计
1）主流量、副流量的确定原则：
①生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。
②工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。
③成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。
④当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。
2）比值系数的计算
工艺规定的流量（或质量）比值K不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。
变送器的转换特性不同，比值系数K’的计算公式不同。
（l）流量与测量信号之间成线性关系
如果Q1的流量计测量范围为0～Q1max、Q2的流量计测量范围为
0～Q2max，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：
（2）流量与测量信号之间成非线性关系
利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：
∆p=CQ2
6.7比值控制系统应用举例
6.71一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。
其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器实现。
已知
，
。
求：
A）画出控制系统的结构图。
b）当
时，比值控制系统的比值
及比值系数
分别为多少。
c）待比值系统稳定时，测得
，试计算此时的
为多大。
图流量双闭环比值控制系统原理图
解：
1）由于
得
所以
2）由仪表的比例系数定义，
得：
即：
6.7.2要求参与反应的物料Q1和Q2保持恒定比例，正常操作时，流量Q1=7m3/h，Q2=1.75m3/h；流量范围分别为0-10m3/h和0-2m3/h。
根据要求设计Q2/Q1恒定的比值控制系统。
在采用DDZ-3型仪表组成控制系统情况下，分别计算流量和测量信号呈线性关系（配开方器）和非线性关系（无开方器）时的比值系数K’。
7、分程控制系统
在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。
例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A和B，A和B的输入信号各占一半行程。
分程控制系统的方块图：
7.1分程控制系统工作原理
如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。
一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。
因此，必须降温。
为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。
工作原理如下：
当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。
调节器TC输出气压大于0.06MPa，A（冷水）阀关闭，B（热水）阀开启，反应器夹套中进的热水使反应物料温度上升。
反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。
控制器：
反作用
阀门A：
气关；
阀门B：
气开
对象1：
反作用；
对象2：
正作用
控制系统在任一阀门工作时都是负反馈。
7.2分程控制系统本质上属于单回路控制系统。
二者的主要区别是：
单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。
因此，系统设计上有所不同。
7.3分程控制系统的工业应用
1、用于扩大调节阀的可调范围，；蒸汽压力减压系统；
2、用于一个控制回路需要控制多个操纵量，工业废液中和处理。
7.4选择控制系统
选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。
系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。
选择性控制系统通过选择器实现选择功能。
选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。
7.4.1对调节器输出信号进行选择
锅炉蒸汽压力的控制
为防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护控制回路。
为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护控制回路
本系统的选择器在控制器之后，是三选一系统。
当系统处于燃气压力保护控制期间，蒸汽出口压力能保证符合工艺要求。
7.4.2对变送器输出信号进行选择
这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。
用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。
那么积分作用将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”
当积分电路处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，此时若切回控制器，要让其重新发挥作用，必须等它退出饱和区，使输出慢慢返回到执行器的有效输入范围。
四、先进过程控制系
现代工业生产过程的大型化、复杂化，对产品质量、产率、安全及对环境影响的要求越来越严格。
许多复杂、多变量、时变的关键变量的控制，常规PID已不能胜任，因此，先进控制受到了广泛关注。
4.1先进过程控制（APC，AdvancedProcessControl）技术，是指不同于常规PID，具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称。
4.2先进控制的任务，用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。
4.3自适应性控制:
为了解决被控对象的结构和参数存在不确定时（或系统数学模型参数未知），系统仍能自动地工作于最优或接近最优的状态
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