过程控制系统复习摘要.doc
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1、控制系统基本组成：
被控对象、检测元件（装置）、控制器、执行器（装置）。
2、过程控制系统的主要类型：
闭环控制系统、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
3、过程控制系统的两种表示形式：
方框图、带控制点的工艺流程图。
方框图：
控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，包括方框、信号线、比较点、引出点四部分。
带有输入输出的方框比较点引出点
绘制方框图注意事项：
正反馈与负反馈
通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。
图中每一条线代表系统中的一个变量信号，线上的箭头表示信号传递的方向。
每个方块代表系统的一个部分，称为“环节”。
需要指出的是，方块图的每一个方块都代表一个具体的装置，方块与方块之间的连线只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料关系。
从简单控制系统的方块图可看出，控制系统构成一个闭合回路，称为闭环控制系统。
如果控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反馈联系的控制系统，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量的变化没有通过反馈作用去改变控制作用。
从信号上看，这时没有形成闭合回路，称为开环控制系统。
开环控制系统不能自动觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要而自动改变操纵变量。
对控制系统的方块图进行几点说明：
①方块图中各环节的增益都有正、负之分；②系统的输出变量是被控变量，被控变量经过测量变送又返回到输入端，与给定值进行比较，构成反馈；③把控制阀、被控对象和测量变送环节合在一起成为广义对象，这样系统就归结为控制器和广义对象两部分，一般情况下，往往把广义二字也给省略了。
带控制点的工艺流程图：
文字符号和图形符号。
有如下要素：
1、测量点、控制点
2、测量变量、控制变量、监测与操作变量
3、检测仪表、执行器、控制器（如调节器、数字调节器、DCS等）、其他辅助仪表
4、控制方案（单回路、复杂控制回路、监视与操作）
用文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理图：
小圆圈表示仪表、第一字母表示被测变量、后续字母表示仪表功能。
常用图形符号
热电偶
热电阻
节流元件
取压点
检测仪表：
各种变送器的通用表示方法
控制器、显示仪表、记录仪表、操作器：
就地安装
就地集中盘面、盘后安装
控制室盘面、盘后安装
气动薄膜执行机构
电磁执行机构
电动执行机构
直通阀（单座，双座）气闭式气动薄膜调节阀
三通阀气开式气动薄膜调节阀
角阀带阀门定位器的气动薄膜调节阀
蝶阀
常用字母符号：
字
母
第一位字母
后继字母
被测变量或初始变量
修饰词
功能
A
分析
报警
B
喷火焰
C
电导率
控制（调节）
D
密度或相对密度
差
E
电压或电势
检测元件
F
流量
比（分数）
G
长度
波动
H
手动
I
电流
指示
J
功率
扫描
N
O
节流孔
被控变量---液位L、温度T、流量F、压力P
功能--变送T、控制C、显示I、报警A
字
母
第一位字母
后继字母
被测变量或初始变量
修饰词
功能
P
压力（或真空）
积分计算
试验点（接头）
Q
数量或件数
积分，积算
R
放射性
记录或打印
S
速度或频率
安全
开关或联锁
T
温度
传送
U
变量
多功能
V
粘度
阀（挡板）
W
变量或力
套管
K
时间或时间程序
自动-手动操作器
L
物位（液位）
指示灯
M
水分或湿度
Z
位置
驱动,执行或未分类的执行器
X
Y
继动器或计算器
实例–绘制带控制点流程图
热交换器自动控制系统流量自动控制系统
过渡过程是从系统从一个稳态运行到另一个稳态的动态过程。
过程控制系统的性能指标及要求：
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等
A
0
t≥0
t<0
阶跃信号：
数学表达式为：
当A=1时称为单位阶跃信号。
特点：
易产生、对系统输出影响大、便于分析和计算
控制性能指标：
衰减比n=B1/B2
期望控制效果：
衰减比在4:
1到10:
1之间衰减率在0.75到0.9之间
最大动态偏差A和超调量d
稳态误差
调节时间
振荡周期
例题：
某换热器的温度控制系统（设定值是30℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。
试分别求出衰减比、最大偏差、稳态误差。
简单控制系统
过程动态特性（4种典型）
以阶跃响应分类，典型工业过程动态特性可分为那4类？
自衡非振荡过程、无自衡非振荡、过程衰减振荡过程、具有反向特性的过程
工艺对象的特性通常可用下述一阶或二阶非周期环节来近似描述（三个参数：
K、T、τ）：
一阶环节：
一阶环节：
非自衡对象：
过程动态模型：
是指表示过程的输出变量与输入变量间动态关系的数学描述。
过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用d（t）
输出是被控变量y（t）
过程动态模型的建立：
机理分析法、实验测试法：
飞升曲线法（响应曲线法）
一阶惯性纯滞后环节对象
两点法
习题：
已知某换热器被控变量是出口温度θ，操纵变量是蒸汽流量Q。
在蒸汽流量作阶跃变化时，出口温度响应曲线如图所示。
该过程通常可以近似作为一阶滞后环节来处理。
试估算该控制通道的特性参数K、T、τ，写出该控制通道的动态方程。
简单控制系统设计
被控变量（PV）的选择应遵循那些原则？
1、最好选择直接参数，能直接反映工艺上最终控制需要的参数。
2、如缺少必要的检测手段或检测仪表性/价比难以满足要求时，可选间接参数。
但要求与直接参数单值对应、灵敏度高、可测可控。
3、考虑工艺上的合理性问题。
操纵变量（MV）的选择应遵循那些原则？
需要研究工艺情况及对象静动态特性，尤其对象的动态特性。
知道对象在什么情况下最容易控制
对象特性及其控制性能的关系
习题
图a为流量控制系统，主要克服阀前压力波动来稳定流量。
图b是储槽液位控制系统，主要克服流量变化的扰动，保持液位稳定。
指出两图中的各控制系统的被控变量、操纵变量、被控过程及主要扰动。
控制系统设计
控制阀气开、气闭作用选择
采用气开作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越大，而在失气时则全关。
采用气关作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越小，而在失气时则全开。
控制器正反作用选择
根据控制阀的气开、气关形式和对象的放大倍数决定控制器正、反作用方式，即使乘积为正。
当被控对象受扰动影响输出上升（下降）时，控制器为反作用时，输出减小（增加）；控制器为正作用时，输出增加（减小）。
习题：
如右图所示为蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试问：
影响物料出口温度的主要因素有蒸汽流量和温度、物料流量和温度，如果要设计一个温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选哪个？
画出相应的系统方框图。
如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？
控制器参数整定
P作用对系统性能的影响？
（比例度变化的影响）
原比例控制系统增加积分（I）作用后，对系统质量有什么影响？
原比例控制系统增加微分（D）作用后，对系统质量有什么影响？
常用的控制器参数整定方法有哪几种？
试凑法（经验法）
临界比例法
衰减曲线法
响应曲线法
比例度对控制过程的影响
比例度的选择原则:
若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。
反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。
上图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。
由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。
相比之下，曲线２就比较理想。
微分时间对过渡过程的影响
PD控制优点：
能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。
PD控制不足之处：
一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。
其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。
PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。
PID参数对控制性能的影响
控制器增益Kp
增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
积分时间Ti
增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。
微分时间Td
增大微分时间Td有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。
习题：
某物料加热
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