过程控制整理资料

工业分类：连续型、离散型、混合型三类过程控制系统的发展：①仪表自动化阶段②计算机控制阶段(直接数字控制（DDC），计算机监控（SCC）,集散控制系统（DCS）,)③综合自动化阶段6大类参数：温度T、流量F、压力P、液位L、成分和物性过程控制的特点：①对象复杂②对象存在滞后③对象特性具有非线性④控制系统复杂过程控制系统方框图①被控对象：被控制的生产设备或装置。②传感器和变送器：实现信号的检测③控制器（调节器）：接受传感器的输入信号，以及设定值信号，按照事先所设定的控制规律产生控制输出。扰动：使得被控量发生变化的作用。内扰：控制通道内，控制阀不动作的情况下，由于通道内质量或能量变化造成的扰动。（给水压力变化）外扰：其它来自外部的影响统称（蒸汽负荷变化）设定值r，被控量测量值z，偏差e＝r－z。注意：仪表行业规定e＝z－r。把工艺所的汽包液位高度称为设定值；需要进行自动控制的参数称为被控量。如把所要求控制的液位参数称为被控变量或输出变量；影响被控变量使之偏离设定值的因素称为扰动作用，如给水量、蒸汽量的变化等，设定值和扰动作用都是系统的输入变量；用以使被控变量保持在设定值范围内的作用称为控制作用。④执行器接受控制器的控制信号，转换为一个动作，推动控制阀去控制被控对象。分为电动，气动两大类。⑤控制阀调节流体流量，改变对象的被控参数。过程控制系统的分类:按照设定值可以分为：①定值控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。②随动控制系统设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。例如空气量随燃料量变化而变化③程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。加热炉控制，按照曲线进行。衰减比（递减比）是衡量过渡过程稳定性的动态指标，它的定义是第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比 对衰减振荡而言，n恒大于1。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，n接近于1时，控制系统的过渡过程接近于等幅振荡过程；反之，n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。衰减率：Ψ=(B1-B2)/B1 反映了系统的快速性扰动发生后，被控量偏离稳定值（或设定值）的最大偏差，称为最大动态偏差（或最大过调量，过调量）最大动态偏差占设定值的百分比称为超调量。（不能过大）调整时间Tc：控制系统原处于平衡状态，受到扰动后，由于系统的控制作用，被控量过渡到被控量稳态值的2％～5％时，达到新的平衡状态所经历的时间。也称为过渡过程时间、稳定时间。上升时间Ts：过阻尼系统：从10％变到90％的时间欠阻尼系统：从0到100％所经历的时间 延迟时间Td：响应曲线第一次到达稳态值50％的时间静态偏差C：过渡过程结束，设定值与被控参数的稳态值之差。（稳态偏差，残余误差，简称残差，余差，静差）  余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零。综合控制指标①误差积分IE （不合理）②绝对误差积分IAE（公认，常用）③平方误差积分ISE （抑制大误差）④偏差绝对值与时间乘积积分（ITAE）（抑制长时间过渡过程）定值控制系统：要求被控量很快衰减，过渡过程时间短，采用绝对误差积分（IAE指标）。燃烧控制，燃料和控制比值控制：空气量跟随燃料量，不产生大幅度振荡，选择最快的非振荡过程，采用时间乘以绝对误差积分（ITAE指标）。量程调整的目的，是使变送器的输出信号上限值与测量范围的上限值相对应。量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。 零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移。 进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。     组态：将量程、工程单位变换、输出形式、阻尼、线性常数等写入EEPROM。迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点相对应。流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。差压式流量计适合于大于50mm的管道，且要求前后有一段一定长度的直管段。误差产生的原因：被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象。差压计安装或使用不正确例题：现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？控制规律控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。如PID控制器的作用对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行控制规律（PID）运算，并输出控制信号至执行器内、外给定信号给定信号由调节器内部提供，称为内给定信号（如单回路定值控制系统）；当给定信号来自调节器外部，称为外给定信号（如随动控制系统）；转换通过内外给定开关完成。正、反作用调节器控制器的输入e与输出Δy的变化方向相同，为正作用控制器；如果输入e与输出Δy变化方向相反，为反作用控制器。控制规律有断续控制和连续控制两类：一、断续控制——控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。二、连续控制——控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。比例调节器 微分方程：u=kpe传递函数：W(s)=Kp频率特性：W(jw)=Kp比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。物理含义：使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。特点：1）及时迅速，有余差；2）增大Kp可以减小余差，但使系统稳定性变差，容易振荡3）一般用在干扰小，允许有余差的系统。一般地说，若对象的滞后较小，时间常数大且放大倍数较小时，控制器比例度可以小些，以提高系统灵敏度，使反应快些；反之，选大些。比例积分控制 特点：当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。 积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。比例微分控制特点：微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。 微分作用根据偏差变化速度进行调节，即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有调节输出，故有超前调节之称。在偏差恒定不变时，微分作用为0，故不能单独使用。PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。比例系数Kp、积分时间TI、微分时间TD对控制效果的影响①Kp大，系统反应灵敏，过渡过程快，稳定性差②TD大，克服容量和测量滞后效果好，但对于突变信号反应过大，降低稳定性。③TI小，消除余差快，稳定性下降，振荡加剧仪表位号：①首位：F流量，L物位，T温度，S速度等。②后继：C控制，I指示，T变送，R记录仪表回路编号由工序号和顺序号两部分组成。例如：FIC-116中的第一个1是工序号，16是顺序号。被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。执行器的选择应从四方面来考虑：控制阀结构型式及材料的选择 控制阀口径的选择控制阀气开、气关形式的选择 控制阀流量特性的选择 控制信号为连续模拟量时，选用比例式执行机构，而控制信号为断续（开/关）形式时，应选择积分式执行机构。 当系统中要求程序控制时，可选用能接受断续信号的电动执行机构。 对于具有爆炸危险或环境条件比较恶劣的场所，可选用气动执行机构。控制阀的选择 根据被测介质特性、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性最终确定调节机构型式。阀结构形式特点及适用场合直通单座阀只有一个阀芯,阀前后压差小,适用于要求泄漏量小的场合直通双座阀有两个阀芯,阀前后压差大,适用于允许有较大泄漏量的场合角阀阀体呈直角,适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质的场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合蝶阀适用于有悬浮物的介质、大流量、压差小、允许大泄漏量的场合三通阀适用于分流或合流控制的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。控制阀的流量特性选择 控制阀的流量特性，在生产中常用的是直线、等百分比和快开三种。而快开特性主要用于两位式控制及程序控制中，因此，在考虑控制阀流量特性选择时通常是指如何合理选择直线和等百分比流量特性。根据过程特性选择根据配管情况选择根据负荷变化情况选择  根据控制系统稳定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。 调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。调节阀的流通能力用流量系数C值表示。在阀两端压差100kPa，流体为水（103Kg／m3）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3/h）。例题：某供暖系统，流过加热盘管的水流量为Q=31m3/h热水为80℃，Pm-Pr=1.7×100kPa，所装阀门取多大？解：Pm-Pr是管网入口压差，设配管S=0.5～0.7，∆P=（0.5～0.7）×1.7×100kPa≈100kPa 80℃热水的密度ρ=971Kg/m3代入得C≈31，取C=32在此档中，选取和管道直径相配的口径。被控对象：指工业生产过程中的各种装置和设备（加热炉，锅炉等）被控量：温度，压力，流量，液位，成分，转速等。控制对象的动态特性：对象在各个输入量发生扰动时，被控量随时间变化的规律。通道：被控对象输入量与输出量之间的信号联系称为“通道”。控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系称为控制通道。干扰通道：干扰作用与被控变量之间的信号联系称为干扰通道。①对象通常有物质和能量的流动。从外部流入对象内部的物质或能量称为流入量。从对象内部流出的物质或能量称为流出量。当流入量和流出量保持平衡时，对象处于平衡稳定工况。②对象的被控量变化比较缓慢不振荡，单调，有迟延和惯性。有自平衡能力的对象和无自平衡能力的对象。影响对象动态特性的主要结构特征参数 ①容量系数C：指被控量变化一个单位量时，所需对象物质或能量储存量的改变量。是反应被控对象惯性的量。②阻力R：被控量变化dy时，会引起流量（流入量或流出量）变化dQ，二者比值即为对象的阻力。（液阻，气阻，电阻，热阻等）。③传输距离和延迟被控量变化的时刻落后于扰动发生的时刻的现象，称为对象的迟延（或滞后）。物质（或能量）由于传输距离而产生的迟延，称为传输迟延或纯迟延。单容对象：只有一个集中容积对象  双容或多容对象：两个或两个以上容积对象具有容量系数，阻力，传输距离，故表现为惯性，自平衡和迟延这三个重要动态特性。描述对象动态特性的三个特征参数为：放大系数K，时间常数T，迟延时间τ具有自平衡能力的对象的动态特性 实质：对象自身具有内部负反馈 容量系数——反映对象存储能量的能力。阻力系数——反映对象对物料或能量传递的阻力。阻力系数影响时间常数和放大系数，容量系数影响时间常数凡是只有一个储存容积同时还有阻力的被控对象都属于有自平衡能力的单容对象。用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小 与放大系数K互为倒数无自平衡能力对象的动态特性被控对象的数学模型：指工业生产过程的数学模型（特别是动态模型），对象在各个输入量（包括控制量和干扰量）作用下，相应输出量（被控量）变化关系的数学表达式。非参量形式：用曲线或数据表格表示。参量形式：用数学方程表示。有微分方程，传递函数，脉冲响应函数，状态空间表达式等。由阶跃响应曲线确定一阶惯性加滞后环节模型K表明了稳态时，输出对输入的放大倍数。求法：K=y(∞)/x0K越大，表示对象的输入对输出的影响越大。对象受到阶跃输入后，输出达到新的稳态值的63.2％所需的时间，就是时间常数T。或对象受到阶跃输入后，输出若保持初始速度变化到新的稳态值所需时间就是时间常数。T反映了对象输出对输入的响应速度 T越大，响应越慢。T也反映了过渡过程时间简单控制系统：指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统被控变量的选择依据：1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。3、被控变量必须有足够大的灵敏度4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性控制变量选择 把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。  在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。控制变量的选择原则：1、控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。2、控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。3、干扰通道放大系数尽可能小，时间常数大，容量滞后大，干扰作用点远离被控量监测点，靠近执行器，干扰频率与工作频率相差3倍以上，干扰幅值设法减小。执行器的选择执行机构结构型式的选择一般要考虑下列因素：执行机构的输出动作规律执行机构的输出动作方式和行程 当采用气动仪表时，应选用气动执行机构。 执行机构的静态特性和动态特性   原则控制信号为连续模拟量时，选用比例式执行机构，而控制信号为断续（开/关）形式时，应选择积分式执行机构。当系统中要求程序控制时，可选用能接受断续信号的电动执行机构。对于具有爆炸危险或环境条件比较恶劣的场所，可选用气动执行机构。控制阀的选择  根据被测介质特性、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性最终确定调节机构型式。调节阀口径的选择 为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸，正常工况下要求控制阀开度处于15～85%之间。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。 调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。调节阀的流通能力用流量系数C值表示。调节阀流量特性的选择保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。1若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。 2若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。3配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。控制阀气开、气关形式的选择原则①首先满足生产安全考虑。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。③从降低原料、成品、动力损耗来考虑。④从介质的特点考虑。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。变送器都是正作用气开阀是正作用，气关阀是反作用被控对象有的正作用，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–测量值对象正反作用判断：当通过控制阀的物料或能量增加时，按工艺机理分析，若被控量随之增加为“正作用”，随之降低为“负作用”；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。调节规律对控制品质的影响与调节规律选择调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。  调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。1、比例控制（P）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，2、比例积分控制（PI）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。3、比例微分控制（PD）适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。调节规律优点缺点应用P灵敏、简单，只有一个整定参数；存在静差负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。PI能消除静差，又控制灵敏对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效果不好。应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流量调节系统。PD增进调节系统的稳定度，可调小比例度，而加快调节过程，减小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高频干扰。应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的对象。PID综合了各类调节作用的优点，所以有更高的调节质量。对于滞后很大，负荷变化很大的对象，PID调节也无法满足要求，应设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要求高的对象。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。1.稳定边界法（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），按经验求出调节器的整定参数。（1）置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用：临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。例如，一个用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要熄火。工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。2.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。（1）把调节器设成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度Ps及周期Ts。按表（n=4:1）或按表（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。3.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。 根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0，用表6-4的经验公式求整定参数。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。4.经验法 凭经验凑试。其关键是“看曲线，调参数”。在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、TI、TD对过渡过程的影响为指导，对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。整定方法优点缺点反应曲线法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时经验法系统闭环，不需计算需要经验简单控制系统设计实例已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。控制方案设计1.被控参数选择按工艺要求应首选奶粉含水量为被控变量，但此类在线测量仪表精度低、速度慢。试验发现，奶粉含水量与干燥器出口温度之间存在单值关系。出口温度稳定在150±2℃，则奶粉含水量符合2%~2.5%。因此选干燥器出口流体温度为被控变量。2.控制变量选择乳液流量变化f1 旁路空气流量变化f2 加热蒸汽流量变化f3若分别以这三个变量为控制变量，可以得到三个不同的控制方案。影响量作用的位置不同：乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路空气流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。调节方案：方案1：取乳液流量为控制变量（调节阀1）  控制通道最短方案2：取旁通冷风流量为控制变量（调节阀2）由于有送风管路的传递滞后存在，较方案1多一个纯滞后环节τ=3s方案3：取蒸汽流量为控制变量（调节阀3）热交换器为双容特性，因而调节通道又多了两个容量滞后，时间常数都是T=100秒。控制方案的判别：从控制效果考虑，方案1的调节通道最短，控制性能最佳；方案2次之，方案3最差。但从工艺合理性考虑，方案1并不合适。因为乳液量应按该装置的最大生产能力控制，且在浓缩乳液管道上装调节阀，容易使调节阀堵塞而影响控制效果。因此，选择方案2比较合适。即：将调节阀装在旁通冷风管道上。检测仪表、调节阀及调节器调节规律选择①温度传感器及变送器选用热电阻温度传感器。为了减少测量滞后，温度传感器应安装在干燥器出口附近。②调节阀选择气关型调节风阀。其流量特性近似线性。③调节器可选模拟式或数字式调节器。根据控制精度要求（偏差≤±2℃），采用PI或PID调节规律；根据构成控制系统负反馈的原则，采用正作用方式。串级控制系统当对象的滞后较大，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。主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副控制器 其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。主回路 由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路 由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。结构特点：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。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。串级控制系统特点及其分析①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。串级控制系统的设计与参数整定串级控制系统的方案设计1．主回路设计主回路设计与单回路控制系统一样。2．副回路的选择副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则： ①主、副变量有对应关系②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生④应注意工艺上的合理性和经济性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。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。4．主、副调节器正、反作用方式的确定对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。(1).副控制器正、反作用的选择与单回路一样（2）主控制器正、反作用的选择当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。即主控制器作用方向只由工艺决定，与执行器的作用方向和副控制器的作用方向无关。（3）当由于工艺过程的需要，执行器的作用方向需要改变（如控制阀由气开改为气关，或由气关改为气开）时，只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用5．串级系统的工业应用当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。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）非线性严重的过程串级控制系统的参数整定1．逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。2．两步整定法系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4∶1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。 （3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按下表的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。控制作用δ/%TI/minTD/min比例δs比例积分1.2δs0.5TS比例积分微分0.8δs0.3TS0.1TS（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。可适当减小副控制器比例度，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了，可同时考虑改变副变量来调整时间常数。3.一步整定法根据经验将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照下表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。副变量类型副控制器比例度δ2／％副控制器比例放大倍数KP2温度压力流量液位20～6030～7040～8020～805.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.25（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。前馈控制系统前馈控制的原理是：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。前馈控制的工作原理及其特点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。2、前馈控制的原理与特点补偿原理 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。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。前馈控制的局限性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，况且有的干扰的在线检测非常困难。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。前馈控制系统的结构前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。1．静态前馈控制系统所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差依然存在。2．动态前馈控制系统完全按照补偿控制规律制作控制器。理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。3．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。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。4．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。从前馈—串级复合控制系统的传递函数：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前馈控制器的通用模型：因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就可获得不同特性的前馈控制功能。前馈控制的应用场合（1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。（2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。（3）用串级控制，效果改善不明显。目前，比较高档的控制仪表中都配备通用前馈控制模块，供用户选用。大滞后过程控制系统在工业生产中，控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后时间τ0与时间常数T之比大于0.3（τ0/T＞0.3）的过程称之为大滞后过程。大滞后过程是公认较难控制的过程。其难于控制的主要原因是纯滞后的增加导致开环相频特性相角滞后增大，使闭环系统的稳定性下降。为了保证稳定裕度，不得不减小调节器的放大系数，造成控制质量的下降。最早的大滞后过程控制方案是采样控制。所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间τ0。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。这种“调一调，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。典型的大滞后过程的采样控制系统框图如图所示。图中，采样控制器每隔采样周期T动作一次。S1、S2表示采样器，它们同时接通或同时断开。S1、S2，接通时，采样控制器闭环工作；S1、S2断开时，采样控制器停止工作，输出为零，但是上一时刻的控制值u*(t)通过保持器持续输出。采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。比值控制系统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。1. 开环比值控制系统2.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。3. 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4．变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。比值控制系统的设计与参数整定1．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。控制方案的选择控制方案选择应根据不同的生产要求确定，同时兼顾经济性原则。①如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定，而对总流量无要求，可用单闭环比值控制方案。②如果主、副流量的扰动频繁，而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程，可用双闭环比值控制方案。③当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时，可用变比值控制方案。调节器控制规律的确定比值控制系统中，调节器的控制规律是根据控制方案和控制要求而定。在单闭环比值控制系统中，比值器K起比值计算作用，若用调节器实现，则选P调节；调节器F2C使副流量稳定，为保证控制精度可选PI调节。双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系，而且主、副流量均要实现定值控制，所以两个调节器均应选PI调节；比值器选P调节。正确选择流量计及其量程各种流量计都有一定的适用范围（一般正常流量选在满量程的70％左右），必须正确地选择和使用，可参考有关设计资料、产品手册。 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：  ∆I=CQ2  6）流量测量中的温度、压力补偿用差压流量计测量气体流量时，被测气体温度和压力的变化会使其密度发生变化，流量的测量值将产生误差。对于温度、压力变化较大、而控制质量要求较高的对象，必须进行温度、压力补偿，以保证流量测量值的准确。均匀控制系统在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作也互相关联、互相影响。为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。特点：（1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。均匀控制方案1．简单均匀控制结构与简单液位定值控制系统一样，但系统控制的目的不同。均匀控制的目的是协调控制液位和排出流量两个变量。由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例作用，而且将比例度整定得很大。当液位变化时，控制器的输出变化很小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。因此，简单均匀控制适用于干扰不大、对流量的均匀程度要求较低的场合。2．串级均匀控制为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。结构与串级控制系统相同。增加了流量控制回路，可以及时克服压力干扰，保证流量控制精度。串级均匀控制方案中，主、副变量都有控制精度要求，二者均在规定的范围内作缓慢的变化，所以控制手法上与串级控制不同。 主、副控制器一般都采用纯比例作用，而且将比例度整定得较大。 串级均匀控制方案适用于干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、维护较复杂。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。分程控制系统的类型按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同，可分为以下两种类型：①调节阀同向动作的分程控制系统 ②调节阀异向动作的分程控制系统分程控制系统的工业应用1、用于扩大调节阀的可调范围 2. 用于一个控制回路需要控制多个操纵量选择性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。选择性控制系统的类型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。1.对调节器输出信号进行选择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。选择性控制系统的设计原则选择性控制系统是多个常规控制系统的组合。与常规控制系统的设计相比，主要不同点是选择器的设计选型和调节器调节规律的确定。1．选择器的选型选择器有高值选择器HS与低值选择器LS两种。选择器类型的确定，是根据执行器的作用方向和控制回路的切换条件决定的。2．调节器调节规律的确定对于正常工况下运行的调节器，由于有较高的控制精度要求，可用PI调节或PID调节；对于取代调节器，一般只要求其迅速发挥保护作用，可用P调节。  3．调节器参数整定正常工作调节器的整定要求与常规控制系统相同，可按常规控制系统的整定方法进行整定。对于取代调节器，要求能及时产生自动保护作用，其比例度P应整定得小一些。4．选择性控制系统中调节器抗积分饱和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”。抗积分饱和措施（1）PI-P法用监测电路监测积分电容CM两端电压。（2）积分切除法 当控制器未被选中处于开环工作状态时，控制仪表内部电路自动切换到比例电路，或数字控制算法改为比例算法。（3）限幅法 通过设置限幅电路，对积分电容两端电压加以限制。解耦控制多个控制系统之间就有可能存在相互关联和相互影响，称为相互耦合。控制系统间的耦合，会妨碍各被控参数的独立控制，严重时甚至会破坏各系统的正常工作。解耦控制系统设计 1．前馈补偿解耦设计2．对角矩阵解耦设计3.单位矩阵解耦设计串级 两控制器串联两闭合回路形成内外环  解决对象滞后大，干扰作用强而频繁，负荷变化大的问题前馈＋反馈 （开环控制对特定干扰加补偿器）反馈回路和开环的补偿回路叠加而成在干扰频繁，对象有较大滞后时，对主要干扰加补偿器大滞后 采样控制；Simth预估补偿控制  调一调、等一等；利用预估器提前做出响应、提前控制比值单闭环双闭环变比值 实现几个流量参数符合一定比例关系均匀简单均匀控制串级均匀控制对实现多个操纵量协调操作两个有控制矛盾的被控参数，进行协调控制分程一个控制器对多个控制阀 实现多个操纵量协调操作选择多个控制回路对一个控制阀 实现多个被控参数选择控制解耦前馈解耦对角矩阵解耦单位矩阵解耦 解除控制回路间的耦合影响