过程控制系统考试知识点复习和总结终极版(DOC)_测试考试知识点总结

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第五章 复杂控制系统（串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制）

串级控制系统

定义：采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统。

调节过程：

当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回复到设定值。

当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变化，使燃料气流量能根据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。特点：

能迅速克服进入副回路扰动的影响

串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，提高了工作频率 串级控制系统的自适应能力

设计： ⑴主、副回路

副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。设计副回路应注意工艺上的合理性 ；应考虑经济性 ；注意主、副对象时间常数的匹配 ⑵串级控制系统中主、副控制器控制规律

主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或比例积分作用控制规律。

⑶主、副控制器正、反作用的选择 先依据控制阀的气开、气关形式，副对象的放大倍数,决定副控制器正反作用方式,即必须使的Kc2KvKp2Km2乘积为正值，其中Km2通常总是正值。

主控制器的正、反作用主要取决于主对象的放大倍数，至于控制阀的气开、气关形式不影响主控制器正、反作用的选择，因为控制阀已包含在副回路内。应使Kc1Kp1Km1的乘积为正值,通常Km1总是正值,因此主控制器的正、反作用选择应使Kc1Kp1为正值。

图5-4所示加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统中控制器正反作用的选择步骤如下：

控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv>0； 副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此，Kp2>0； 副控制器：为保证负反馈，应满足：Kc2KvKp2Km2>0。因Km2>0；应选Kc2>0。即选用反作用控制器；

主被控对象：当炉膛温度升高时，出口温度升高，因此，Kp1>0； 主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km1>0。因Km1>0；应选Kc1>0。即选用反作用控制器。调节过程：当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小，控制阀是气开型，因此，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料量，减低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。

图5-5所示夹套反应釜进行放热反应，串级控制系统控制器正反作用的选择步骤如下：

控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀，Kv0。因Km2>0；应选Kc2>0。即选用反作用控制器；

主被控对象：当夹套温度升高时，反应釜温度升高，因此，Kp1>0； 主控制器：为保证负反馈，应满足：Kc1Kp1Km1>0。因Km1>0；应选Kc1>0。即选用反作用控制器。

参数的整定：（逐步逼近法；两步法；一步法）变型：

采用常规仪表时，为减少仪表投资，采用加法器等运算单元来实现串级控制系统，以节省控制器的投资。

采用阀门定位器，引入串级控制系统，这时副控制器参数通常不调整。

某大型氨厂引入驰放气作为辅助冲量的一段转化炉出口温度与燃料量串级控制系统。

比值控制系统

定义：凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系控制以达到某种控制目的的控制系统。

关系式：主动量F1，从动量F2，比值K=F2/F1。

分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统和变比值控制系统 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统

变比值控制系统 ：变比值控制系统的比值是变化的，比值由另一个控制器设定。

比值系数的计算： 采用线性

流

量

检

测

单

元

情

况

：FF2F2max1maxFmax2FK()k(1)FF1F1max1F2maxF2max

采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算：输入信号=仪表量程范围×K + 零点

采用差压变送器（非线性检测变送环节）：222FFF1max21maxK2k222FF1F2max2max

例题：合成氨一段转化反应中，为保证甲烷的转化率，需保持甲烷、蒸汽和空气三者的比值为1:3:1.4。流量测量都采用节流装置和差压变送器，未装开方器，其中，蒸汽最大流量为31100m3/h；天然气最大流量为11000m3/h；空气最大流量为14000m3/h；采用相乘和相除方案，确定各差压变送器的量程，仪表比值系数K1和K2，乘法器和除法器输入电流I k1和I k2。

比值控制系统设计和工程应用中的问题 1）、主动量和从动量的选择：

主动量通常选择可测量但不可控制的过程变量；

从安全考虑，如该过程变量供应不足会不安全时，应选择该过程变量为主动量，例如，水蒸汽和甲烷进行甲烷转化反应，由于水蒸气不足会造成析碳，因此，应选择水蒸汽作为主动量；

从动量通常应是既可测量又可控制，并需要保持一定比值的过程变量。

2）、类型的选择： 主动量不可控时，选用单闭环比值控制系统，例如，主动量来自上一工序；

主动量可控可测，并且变化较大时，宜选双闭环比值控制系统； 当比值根据生产过程的需要由另一个控制器进行调节时，应选择变比值控制系统；

当质量偏离控制指标需要改变流量的比值时，应采用变比值控制系统；

变比值控制系统的第三过程变量通常选择过程的质量指标，例如，烟道气中的氧含量等。

3）、比值函数环节（乘法器、分流器、加法器）4）、变送器量程的选择：

采用常规仪表时，如果采用线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围相等，则工艺比值系数k与仪表比值系数K相等；如果采用非线性检测变送环节，主、从动量的仪表量程范围满足：艺比值系数k与仪表比值系数K相等。

5）、流量的温度压力补偿：温度应换算到凯氏温度，压力应换算到绝对压力。

比值控制系统的参数整定和投运

1、单闭环比值控制系统：非振荡或衰减比10:1的过渡过程。

kF22maxF12max，则工

2、双闭环比值控制系统：主动量：衰减比为4:1整定主控制器参数；动量控制系统：以非振荡或衰减比为10:1整定从动量控制器参数。

均匀控制系统

定义：均匀控制系统是指一种控制方案所起的作用而言，因为就控制方案的结构来看，它可能象是液位或压力的简单定值控制系统，也可能象是液位与流量或压力与流量的串级控制系统。

特点：均匀控制系统应具有既允许表征前后供求矛盾的两个变量都有一定范围的变化，又要保证它们的变化不应过于剧烈的特点。参数整定：在均匀控制系统中不应该选择微分作用，有时还可能需要选择反微分作用。在参数整定上，一般比例度要大于100%，并且积分时间要长一些，这样液位仍会变化，但变化不会太剧烈。同时，控制器输出很和缓，阀位变化不大，流量波动也相当小。这样就实现了均 LC 匀控制的要求。串级均匀控制系统

图5-17 简单均匀控制系统

系统中副回路流量控制的目的是为了消除控制阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。LC FC 5-18串级均匀控制系统

均匀控制系统的控制规律的选择及参数整定(1)控制规律作用的选择

对一般的简单均匀控制系统的控制器，选择纯比例控制规律。对一些输入流量存在急剧变化的场合或液位存在“噪声”的场合，特别是希望液位正常稳定工况时保持在特定值附近时，则应选用比例积分控制规律。

前馈控制系统

原理：前馈控制系统是一种开环控制系统，根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作。

特点：当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。

换热器的前馈控制系统及其方块图 前馈—反馈控制系统：利用前馈控制来克服可以预见的主要扰动；而对于前馈控制补偿不完全的部分及扰动依旧作用于被控变量所产生的偏离及其余扰动，由反馈控制来消除。即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。前馈控制的主要结构形式：静态前馈

静态前馈是在扰动作用下，前馈补偿作用只能最终使被控变量回到要求的设定值，而不考虑补偿过程中的偏差大小。在有条件的情况下，可以通过物料平衡和能量平衡关系求得采用多大校正作用。静态前馈控制不包含时间因子，实施简便。前馈反馈控制系统

FFFC FT 加热炉 原料 原料 TC ∑ FFFC TY FFFC FT 加热炉 F × FT FC TY TC FT TC ∑ 燃料 FC TY 燃料(a)前馈加反馈(b)前馈加串级反馈 图5-21 精馏塔前馈反馈控制系统(相乘型)图5-22加热炉前馈反馈控制系统(相加型)

前馈控制系统的设计及工程实施中若干问题

前馈控制系统主要用于克服控制系统中对象滞后大、由扰动而造成的被控变量偏差消除时间长、系统不易稳定、控制品质差等弱点，因此采用前馈控制系统的条件是：① 扰动可测但是不可控② 变化频繁且变化幅度大的扰动③ 扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对控制精度要求又十分严格的情况。前馈补偿装置及偏置的选择： 采用DCS或计算机控制：前馈-反馈控制算法 常规仪表实施：静态前馈

选择性控制系统

选择性控制系统（取代控制、超驰控制和保护控制）定义：在控制系统中含有选择单元的系统。选择器：低选器、高选器uo=min(ui1,ui2,---uij)uo=max(ui1,ui2,---uij)(1)选择器位于两个控制器与一个执行器之间

超驰(override)控制系统是选择性控制系统中常用的类型。图5-25为液氨蒸发器的超驰控制系统，液氨蒸发器是一个换热设备，在工业生产上用得很多。液氨的汽化，需要吸收大量的汽化热，因此，它可以常用来冷却流经管内的被冷却物料。

在正常工况下，控制阀由温度控制器TC的输出来控制，这样可以保证被冷却物料的温度为设定值。但是，蒸发器需要有足够汽化空间，来保证良好的汽化条件以及避免出口氨气带液，为此又设计了液面超驰控制系统。在液面达到高限的工况，此时，即便被冷却物料的温度高于设定值，也不再增加氨液量，而由液位控制器LC取代温度控制器TC进行控制。这样，既保证了必要的汽化空间又保证了设备安全。

气氨 Gm1 Gc1 TC GY Gc2 LC Gm2 LC 图5-25液氨蒸发器超驰控制系统及框图 Gv Gp2 L Gp1 T LT 液氨

加热炉燃料有低价燃料A和补充燃料B，A最大供应量为AH, 燃料A超过AH时启用补充燃料B，为此设计了图5-26所示选择性控制系统。正常工况时：mAH，燃料A流量控制器F1C为定值控制，设定值为AH。温度控制器TC的输出m至加法器，m-n>0作为补充燃料B流量控制器F2C的设定值，构成温度控制器TC与燃料B流量控制器串级控制。

加 热 炉 原料 TT 燃料B F2C 燃料A F1C F1T n TC m LS F2T FY － FY ∑ ＋ AH 图5-26燃料燃烧的选择性控制系统 选择性控制系统设计和工程应用中的问题(2)控制器的选择

超驰控制系统的控制要求是超过安全软限时能够迅速切换到取代控制器。取代控制器应选择比例度较小的比例或比例积分控制器。控制器的正反作用可：负反馈准则(3)防积分饱和 由于偏差为零时，两个控制器的输出不能及时切换的现象称为选择性控制系统的积分饱和。

保持控制器切换时跟踪的方法：积分外反馈：选择器输出作为积分外反馈信号，分别送两个控制器。

u1 TC LY LS u2 LC 积分外反馈 积分外反馈 uo 图5-30选择性控制系统的防积分饱和措施 压力 设定值 温度 控制器 加法器 压力 控制器 流量 控制器 燃料压力变送器 温度 设定值 低选器控制阀 流量/压力 对象 弛放气燃料流量变送器 温度变送器 燃料量温度 对象 一段炉 出口温度 选择性控制系统应用实例 一段转化炉燃烧安全选择性控制系统

分程控制系统 图5-31一段转化炉燃烧安全选择性控制系统方框图 定义：一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器，而各个执行器的工作范围不同（阀门定位器）。1 气开 气开 1 气关 1 气开 气关 1 气关 气开 0 0 0.06 0.1 0 气关 0 0 0.06 0.1 0 0 0.06 0.1 0 0.06 0.1(a)同向分程(b)异向分程 图5-34分程控制系统的分程组合

不同工况需要不同的控制手段：间歇式搅拌槽反应器的温度控制，在开始时需要加热升温，而到反应开始并逐渐剧烈时，反应放热，又需要冷却降温。热水阀V1和冷却水阀V2由同一个温度控制器操纵，需要分程工作。

TC V1 V2 图5-35间歇式搅拌槽反应器的温度分程控制 扩大控制阀的可调范围

控制阀最大流通能力R=控制阀最小流通能力

国产控制阀的R一般为30。例如，大阀A的CAmax=100，小阀B的CBmax=4，则CBmin=4/30=0.133；假设大阀泄漏量为0，则分程控制后，最小总流通能力为0.133，最大总流通能力为100+4；系统的可调范围为(100+4)/0.133=780。

双重控制系统 双重或多重控制系统定义：一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制的控制系统。这类控制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号。

系统操纵变量的选择需从操作优化的要求综合考虑。它既要考虑工艺的合理和经济，又要考虑控制性能的快速性。而两者又常常在一个生产过程中同时存在。双重控制系统是综合这些操纵变量的各自优点，克服各自弱点进行优化控制的。

5.7.2 双重控制系统设计和工程应用中的问题(1)主、副操纵变量的选择

主操纵变量：有较快动态响应；副操纵变量：较好静态性能。双重控制系统应用实例

在食品加工、化工等工业中应用的喷雾干燥过程如图5-39所示。浆料经阀V后从喷头喷淋下来，与热风接触换热，进料被干燥并从干燥塔底部排出，干燥的程度由间接指标温度控制。为了获得高精度的温度控制及尽可能节省蒸汽的消耗量，采用图示的双重控制系统，取得良好的控制效果。

进料 V TC 10% 蒸汽 空气 干燥塔 VPC V2 V1 图5-39 喷雾干燥的双重控制系统 5.8差拍控制系统

第四章 简单控制系统

设定值 偏差 操纵变量 控制器 执行器 检测变送(a)F(s)被控对象 扰动 扰动通道 被控变量 Gf(s)R(s)E(s)Gc(s)Ym(s)U(s)Gv(s)Gm(s)(b)Q(s)Gp(s)Go(s)Y(s)图4-2 简单控制系统的框图

执行器：

控制阀：气动、电动、液动

控制阀选择的内容：结构形式及材质的选择，口径大小及开闭形式的选择，流量特性的选择，以及阀门定位器的选择等。控制阀：执行机构、调节机构两部分组成。执行机构有三种类型：薄膜式、活塞式和长行程式

控制阀气开、气关形式的选择：对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全, 要由具体的生产工艺来决定。

控制阀气开、气关形式的选择应遵循几条原则

① 首先要从生产安全出发,即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏, 控制阀应选气关式。

② 从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。

③ 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式,一旦控制阀失去能源即处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。

④ 从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全关状态避免蒸汽的浪费，但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气关式以防调节阀失去能源时阀门 关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。

国内常用的理想流量特性有线性、等百分比和快开等几种 阀门定位器有以下三方面的功能：

改善控制阀的动、静态特性 改善控制阀的流量特性 实现分程控制

第三章 控制器的控制规律

比例控制

（1）比例控制规律（P）

控制器输出信号u(t)与输入信号e(t)之间的关系为

Δu(t)= Kc e(t)式中Kc是控制器的比例增益。

控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。

e(t)AOtΔu(t)KcAOt比例控制器的传递函数为：U(s)Gs)Kc(cE(s)

比例增益Kc是控制器的输出变量Δu(t)与输入变量e(t)之比。

Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出Δu(t)也越大。

因此Kc是衡量比例作用强弱的因素。

工业生产上所用的控制器，一般都用比例度δ来表示比例作用的强弱。

（2）比例度δ

eZZminmax100%uumaxuminδ定义为式中，e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；Δu为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(Zmax-Zmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(umax-umin)为控制器输出信号的变化范围。

uuuue1maxminmaxmin100%100%uZZKcZZmaxminmaxmin

改写为 

1100%Kc单元组合仪表

因此比例度δ与比例增益Kc成反比。δ越小，则Kc越大，比例控制作用就越强；反之，δ越大，则Kc越小，比例控制作用就越弱。

积分控制 积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。

1tuKe(t)dte(t)dtI00Ti传递函数为： t1U(s)E(s)TiS

式中Ki—控制器的积分速度； Ki—控制器的积分时间（Ti1KI）。

比例积分控制

1t1U(s)K1E(s)uKeedt)cc(0TisTi

防止积分饱和现象有三种办法：

（1）对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值；（2）限制控制器积分部分的输出，使之不超出限值。对于气动仪表，可采用外部信号作为其积分反馈信号，使之不能形成偏差积分作用；对于电动仪表，可改进仪表内部线路；

（3）积分切除法，即在控制器的输出超过某一限值时，将控制器的调节规律由比例积分自动切换成纯比例调节状态。比例微分控制

比例微分控制器的数学表达式

1TdsTudeU(s)KcTE(s)dduK(Te)cd1dsKdtKDDdt

当输入偏差为阶跃信号时，比例微分（PD）控制器的输出为 uKEKE(K1)eccDKDtTd

比例积分微分控制

1tdeuK(eedtT)cd0Tdti理想PID

1U(s)K(1Ts)E(s)cdTis

实际PID：

t1tTduK(eedte(K1)e)cD0TI

KD1Ts1E(s)dU(s)Kc1TsTdi1sKD

当输入偏差为阶跃变化时，实际PID控制器的输出为：

tKATcdyKAtKA(K1)eccDTi

KD

液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；

流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用PI或加反微分控制规律；

压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；

温度：容量滞后较大，用PID控制规律。离散PID控制算法 ① 位置式PID控制算法

kKe(k)e(k1)cu(k)Ke(k)e(i)tKTccdTti0i

Ke(k)Ke(i)Ke(k)e(k1)cIDi0k

② 增量式PID控制算法

u(k)u(k)u(k1)

Ke(k)Ke(k)K[(e(k)e(k1))(e(k1)e(k)cID K[e(k)e(k1)]Ke(k)K[e(k)2e(k1)e(k2)cID

③ 速度式PID控制算法

v(k)u(k)t

KTe(k)KccdKe(k)e(k)2e(k1)e(k2)c2tT(t)i

离散PID控制离算法的特点

PID三种控制作用是相互独立，没有控制器参数之间的关联。离散PID控制器的参数可以在更大范围设置。

散PID控制器是采样控制，相当于引入时滞为Ts/2的环节，所以控制品质差于连续PID控制。

用控制度表示连续控制与离散控制控制品质的差异程度。

minedtminedt控制度=22DDCmin(ISE)DDCISE)ANAANAmin（控制度总是大于1，采样周期Ts越小，控制度也越小。

离散PID控制算法的改进

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