过程控制系统笔记

第一章 单回路反馈控制系统

单回路系统结构组成

举例–水槽液位控制系统

单回路控制系统方框图

各环节增益注意点:

1. 控制器: 正作用: 增益为－; 负作用: 增益为＋
2. 控制阀: 气开阀: 增益为＋; 气闭阀: 增益为－
3. 变送器: 一般为＋
4. 控制对象: 根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化确定. Q(s)↑👉Y(s)↑增益为＋

符号: 由于是负反馈系统, 因此闭环系统各环节的增益乘积必须为＋

单回路反馈控制系统特点

• 由一个测量变送装置, 一个控制器, 一个控制阀, 相应的被控对象组成
• 系统中控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差进行控制( error = 测量值 – 给定值)

被控变量选择

选择方法

• 对于以温度, 压力, 流量, 液位为操作指标的生产过程, 直接选;
• 若选择质量指标作为被控变量, 若不方便测量, 可选间接指标作为被控变量. (要求: 1间接指标与直接指标之间存在单值对应关系; 2具有一定变化灵敏度)

原则

• 首选质量指标
• 用间接指标反映质量指标(单值对应)
• 间接指标参数有足够大的变化灵敏度
• 考虑工艺合理性

对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择

对象特性(干扰通道和控制通道)对控制质量的影响

操作变量选择

• 所选的操纵变量必须是可控的；
• 所选的操纵变量的通道放大倍数应较大，最好大于干扰通道的放大倍数；
• 所选的操纵变量应使扰动时间常数愈大愈好，而控制通道的时间常数适当小一些为好，但不宜过小；
• 操纵变量其通道纯滞后时间愈小愈好；
• 操纵变量应使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；
• 选择操纵变量时还应考虑到工艺的合理性。

控制阀的选择

开闭形式选择原则

1. 首先从安全生产出发
2. 考虑介质特性
3. 考虑减少经济损失
4. 保证产品质量

举例

• 生产安全

  

从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。

• 介质特点

  

被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚, 在温度过低时会发生凝结

• 降低经济损失, 保证产品质量

  

控制阀结构形式的选择

• 直通单座: 阀前后压降低, 适用于泄漏量小的场合
• 直通双座: 阀前后压降大, 适用于泄漏量大的场合

阀门定位器的作用

• 消除控制阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高控制阀的精度和可靠性，实现准确定位。
• 增大执行机构的输出功率，减少系统的传递滞后。
• 改变控制阀的流量特性。
• 利用阀门定位器可将控制器输出信号分段，以实现分程控制。

控制器参数对控制质量的影响及控制规律的选择

控制器参数对系统动态误差的影响

控制规律的选择

P: 适用于干扰变化幅度小，自衡能力强，对象滞后(τ∕T )较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合。

PI: 工艺要求静态无余差，控制对象容量滞后很小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较缓慢的场合。

PD: 适用于控制对象T0较大的场合。对于滞后很小，信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用。

PID: 适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、时滞不太大且控制质量要求又较高，被控变量变化缓慢的场合。

第二章 串级控制系统

概念

定义

串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。

常用名词

• 主被控变量(主参数, 主变量)

• 附被控变量(副参数, 副变量)

• 主控制器

• 副控制器

• 主回路(主环)

• 副回路(副环)

  

举例——串级控制系统方案(温度-流量)

串级控制系统的实施

考虑以下几个问题

• 所选用的仪表信号必须匹配

• 所选用的副控制器必须具有外给定输入接口

• 在选择实施方案时, 应是否增加一只切换开关, 作”串级”与”主控”的切换作用

• 实施方案应力求实用, 少花钱多办事

• 实施方案应便于操作

主, 副控制器控制规律的选择

1. 主回路 (定值系统)

   主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID

2. 副回路 (随动系统)

   副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，采用P或者PD(副对象的容量滞后T较大)

注意: 当主, 副控制器采用积分作用时:

• 只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。
• 当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。

主, 副控制器正反作用的选择

​ 注: 先副后主

1. 副控制器

   副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用

2. 主控制器

   主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一样

控制对象正负特性

1. 压力对象

   检测环节在控制阀后面: “＋”

   检测环节在控制阀前面: “－”

2. 温度对象

   根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量Y(S)的变化确定. Q(s)↑👉Y(s)↑增益为＋

例题

例1: 确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、 副控制器的正反作用

• 绘制结构图

  

• 副环: 控制阀应选气开（正特性）→副对象放大倍数为正特性→副变送器放大倍数为正特性→副控制器应为正特性（选反作用）

• 主环: 主对象放大倍数为正特性→主控制器应选反作用(主控制器放大倍数应取主对象放大倍数的特性符号)

例2: 氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、 副控制器的正反作用(氨气流量变化1%，氧化炉温度改变64℃ )

• G_O1(S): +, G_O2(S): +, G_V(S): +, G_C2(S): +, G_C1(S): +

• TC: 反作用, FC: 反作用

• 注意:

  • 结构图(带控制点的工艺流程图)≠方框图

串级控制系统的投运和整定

投运

1. 投运顺序: 先副环, 后主环

2. 无扰动切换: 预置给定等于测量

   注意: 投运过程中应切除微分作用

整定

串级控制系统的特点

• 由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高;
• 串级控制回路具有较强的抗干扰能力;
• 串级控制系统具有一定的自适应能力.

串级系统副回路设计

原则

1. 使系统主要干扰包含在副环内;

2. 在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰;

3. 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中;

4. 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后;

5. 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振;

6. 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性

举例: 加热炉出口温度控制

主要干扰:

• 燃料气压力

• 燃料气热值

• 燃料效果

• 环境温度

• 原油流量

• 原油温度

第三章 比值控制系统

考核点

1. 比值控制系统的类型
2. 比值, 比值系数两者关系
3. 设计方案, 方框图, 控制阀, 控制器的正反作用
4. 方案实施{相乘, 相除}, 比值系数的设定
5. 逻辑比值控制系统(工作过程分析)

概述

比值控制系统: 实现两个或两个以上参数符合一定的比例关系的控制系统

主动量: 需要保持比值关系的两种物料中，处于主导地位物料，称之为主动量

从动量: 按主物量进行配比变化的物料，在控制过程中随主物料而变化，称之为从动量

比值控制系统就是要实现副流量F₂ 和主流量F₁ 成比值关系 $$ K=\frac{F_2}{F_1} $$ ,K为副流量与主流量的流量比值

比值控制系统的类型

开环比值控制系统

• 特点: 最简单的比值控制系统，同时也是开环控制系统。随着F1的变化，F2将跟着变化
• 缺点: 由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服，比值精度低

单闭环比值控制系统

• 特点: 既实现副流量跟随主流量变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比值的影响
• 缺点: 1. 由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，不适合负荷变化幅度大的场合; 2. 无法保证动态比值

单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别: 单闭环比值控制系统的主流量相当于串级控制系统的主参数，而主流量没有构成闭环系统，F₂的变化并不影响F₁

双闭环比值控制系统

• 特点: 克服主流量干扰影响
• 缺点: 需要防止共振

其他类型的比值控制

1. 变比值控制系统
2. 串级和比值控制组合系统

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