过程控制总结

过程控制总结

过程控制系统复习资料

第1章

过程控制是指工业生产过程中连续或按照一定周期程序运行的生产和过程自动化。过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。

连续过程：稳态条件下连续完成生产任务的生产过程。被控量：被控制的过程变量

操作量：用来保持被控量等于或接近设定值的过程变量。干扰量：能够影响被控量的过程变量。

过程控制系统的基本要求：稳定性、准确性和快速性。时域控制性能指标包括：衰减比、最大动态偏差与超调量、余差、振荡频率和调节时间、偏离度。

★过程控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控过程组成。过程控制系统的分类：

按过程控制系统结构特点分类：1.反馈控制系统。2.前馈控制系统。3.前馈-反馈复合控制系统。

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按设定值信号的特点分类：1.定值控制系统。2.随动控制系统。3.顺序控制系统。锅炉汽包水位控制系统是定值控制系统。第2章

自衡：在原平衡状态出现干扰时，无需外加任何控制作用，被控过程能够自发地趋于新的平衡状态。

无自衡：在原平衡状态出现干扰时，当没有外加任何控制作用时，被控过程不能重新到达新的平衡状态。

★建立被控过程的数学模型的目的：设计过程控制系统、整定控制器参数；指导生产工艺及其设备的设计；被控过程及新型控制策略的仿真分析和研究；工业过程的故障检测与诊断系统设计。

★数学模型的基本要求：简单、能正确可靠地反映过程输入和输出之间的动态关系。过程建模的基本方法：解析法，实验辨识法，混合法解析法：根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。

实验辨识法：根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计得出数学模型。

混合法：将机理演绎法和实验辨识法相结合来建立过程的数学模型。

★解析法建模的一般步骤：1.明确过程的输入变量、输出变量和中间变量。2.根据建模对象和模型使用目的做出合理假设。3.根据过程的内在机理，建立静态和动态平衡关系方

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程。4.消去中间变量，求取过程的数学模型。5.模型简化。响应曲线法：指通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一个阶跃变化或方波变化，得到被控量随时间变化的阶跃响应曲线或脉冲响应曲线；根据输入-输出数据来辨识输入-输出之间的数学关系。

脉冲响应曲线法：在正常工作基础上，给过程施加一个矩形脉冲输入，通过测取相应的输出变化曲线来估计过程参数。第3章

★过程控制研究的四大参数：温度、压力、流量、物位。过程参数检测仪表通常由敏感元件和变送单元构成。

检测仪表的工作特性：指能满足被测参数测量和系统运行需要而应具有的仪表输入/输出

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特性，主要通过量程与零点的调整与迁移来实现。测量误差：可划分为绝对误差和相对误差。

温度检测方法：按测温元件是否与被测介质接触，可分为接触式测温和非接触式测温。流量：指单位时间内流过某一截面的流体数量。物位指物料的高度，包括液位、料位、界位。第4章

★执行器：由执行机构和调节机构组成。

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按使用能源不同，分为气动、电动、液动。按输出位移形式不同，分为转角型、直线型。按动作规律不同，分为开关型、积分型和比例型。

执行器的执行机构和调节阀组合实现气开和气关两种调节。

调节阀流量特性：介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。调节阀的理想流量特性有直线、等百分比、快开、抛物线4种形式。

选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全，给水阀应选气关式、燃气阀应选气开式。第5章

同时具备点燃源、爆炸性物质、空气时，才可能产生爆炸。引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源:电火花和热效应。本安型防爆仪表必须限制能量，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内。★安全栅：安装在安全场所，是安全场所仪表和危险场所仪表的关联设备，一方面传输信号；另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的本安防爆性能。

判断系统是否属于安全火花型防爆系统的充分必要条件：危险场所的仪表必须设计成安全火花型；安全场所的仪表与危险场所的仪表之间必须有安全栅，从而限制送往危险场所的电压、电流，保证进入危险场所的电功率在安全范围内。第6章

PID控制原理：本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。

★PID控制参数整定：根据被控过程特性和系统要求确定调节器的比例度δ、积分时间

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TI和微分时间TD，使系统的过渡过程达到满意的控制品质。

控制参数指标：系统瞬态响应ψ=0.75～0.9（衰减比n=4:1～10:1）。

★控制器参数整定的方法分为三类：理论计算整定法、工程整定法、自整定法。第7章

★串级控制系统主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。

串级控制系统：是一种常用的复杂控制系统，可以有效改善控制品质。由两个或两个以上的控制器串联组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。

串级控制系统的主要特点：1.对进入副回路的二次干扰有很强的抑制能力。2.能有效改善控制通道的动态特性，提高系统的工作频率。3.对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

串级控制系统的应用范围：1.用于容量滞后较大的过程。2.用于纯滞后较大的过程。3.用于干扰变化剧烈而且幅度大的过程。4.用于参数互相关联的过程。5.用于克服被控过程的非线性。

前馈控制系统：是按照引起被控变量变化的干扰大小进行控制的，在干扰出现时进行控制，在偏差出现前把干扰影响消除。

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大滞后过程控制系统：在被控过程的动态特性中，既包含纯滞后，又包含惯性时间常数T，若/T0.3，即为大滞后过程。

★比值控制系统分单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、开环比值控制系统。

★选择性控制系统是把工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统的一种控制方法。

分程控制系统：将控制器的输出信号分段，去控制两个或两个以上的调节阀，以使每个调节阀在控制器输出的某段信号范围内全行程动作。第9章

计算机过程控制系统：是计算机技术与工业生产过程相结合的产物，是生产过程自动化的基本内容。

计算机过程控制系统的分类：单回路或多回路控制器、可编程序逻辑控制器、工业控制计算机、集散控制系统和现场总线控制系统。

集散控制系统的通信网络：1.实时性强2.长时间的高可靠性3.高抗干扰能力4.网络结构的层次性和开放性

★现场总线：在过程自动化和制造自动化中，实现智能化现场设备与高层设备之间互连的、全数字、串行、双向传输的、多分支结构的通信系统。

现场总线的特点：1.开放性2.互操作性3.智能化4.分散化5.环境适应性。

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★计算机过程控制系统体系结构发展的三个阶段，集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统。第10章

过程控制系统设计要求：安全性（最基本）、稳定性（前提）、经济性。

★被控变量选择中的直接变量：直接反映产品质量与产量，又便于测量的参数。间接变量：与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数。

两者的关系：1.尽量选用对产品的产量、安全稳定生产、经济运行等具有决定作用，并且可以直接检测的工艺参数作为直接变量。2.当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度。

气动执行器的气开、气关形式选择：控制器输出信号为零或气源中断时使生产过程处于安全状态；在系统安全运行的条件下，综合考虑节能、控制便捷等因素。

调节规律选择的一般原则：1.当广义过程的控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入D调节；当工艺容许有静差时，选用PD调节；当工艺要求无静差时，选用PID调节。2.当广义过程的控制通道时间常数较小、负荷变化不大且工艺要求允许有静差时，选用P调节。3.当广义过程的控制通道时间常数较小、负荷变化不大，但工艺要求无静差时，选用PI调节。4.当广义过程的控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。

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扩展阅读：

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压力检测：压力测量的表示方法有绝对压力，表压，压差，负压。绝对压力是被测压力与绝对压力零线的差值。工程上的压力，一般是指被测压力与大气压力之差，又称为表压。或者是两未知压力之差，称为差压。如果被测压力低于大气压力，则其与大气压力之差值称为负压或真空度。因为工艺设备和测量仪表一般处于大气职中，所以用表压或者真空度来表示压力的大小比较方便。测量压力的仪表分为四大类：液柱式压力计，弹性是压力，电气式压力，活塞式压力。

流量检测：流量：指单位时间内流过管道某一段截面的流体数量，陈伟瞬时流量。Qm单位时间内流过的流体以质量表示时称为质量流量。Qv以体积表示称为体积流量。差压流量计：基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。(孔板)节流装置有节流件、取压装置。Qv=

Qm=转子流量计：适合用于小管径（50mm以下），小流量（几升每小时）的测量。安装方式：节流元件不是固定安装在管道中，而是一个可以移动的转子，为了使转子在锥形管中移动不碰到管壁，可以在转子侧面开几条斜形槽沟，流体流经转子时，作用在斜槽中的力使转子绕流速中心旋转，得以保证转子居中稳定。电磁流量计：原理：利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出的电动势测量流速。缺点：被测的电导率应大雨水的导电率，不能测量油类或气体的流量。优点;在管道中不设任何节流元件，可以测量高粘度的导电液体，特别适合测量含有纤维和固定颗粒的流体。涡街流量计：在管道中横向设置组流体，流体绕过阻流体时，在下游形成两排交替的漩涡列，通过测量漩涡产生的频率测

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定流量。卡曼涡街条件：当产生的漩涡排成两列，并且两列漩涡之间的宽度H与两相邻漩涡的距离L之比满足H/L=0.281时，漩涡列才是稳定的。漩涡产生的频率F和流速V满足F=St某V/d。物位检测：物位包括液位（容器中液体的储存高度），料位（固体或者颗粒状物质的高度），界位（两种密度不同，互不相容的液体介质的分界面）。物位测量：静压式，浮力式，电气式，核辐射式，声学式，光学式。

密闭容器液位检测方法：差压式液位变送器，利用压力或者差压变送器可以很方便的测量液体压力或差压，将其转换成标准信号。成分检测：氧化钴氧量计：利用氧化钴固体电解质作为敏感元件，将氧气含量转换为电信号进行显示和远传。（氧气得失电子）E=（RT/nF）某Ln（F2/F1）此关系稳定条件1温度T很定，氧化钴最高灵敏温度850℃，为保证温度恒定，氧化钴探头都装有加热控制装置。2参比气体的氧含量很定，为此氧化钴谈吐都装有气泵，保证探头内空气新鲜，氧含量等于20.8％3参比气体与被测气体压力应该相等，这样就可以用体积百分比来代替氧分压，仪表就可以输出氧浓度信号。可见光波段：0.40~0.75μm红外线：0.75~1000μm第三章控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制.。双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。比例控制存在余差。比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系。积分控制器组成控制系统可以到达无余差。积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。DDZ给定方式：内给定和外给定，由信号是否来自控制器内部区分。第四章1执行器是自动控制系统中的操作环

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节，其作用是根据控制器送来的控制信号改变所操作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上。2气动调节阀用压缩空气作为工作能源。（用于易燃易爆现场）流量特性：（流过阀门的流体的相对流量与阀门的相对开度间的关系）固有流量特性:（前后压差固定）1直线流量特性：在流量小时，流量变化相对值比较大，在流量大时，流量变化相对值比较小，也就是在阀门小开度时控制作用强，大开度时控制作用很弱。2等百分比流量特性：在小开度时控制作用和大开度控制能力相等。3快开特性：适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。工作流量特性：阀门两端压差随流量变化而变化。在实际应用中希望阀阻比S值不低于0.3.气开、气关选择原则:从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。如果控制信号中断时，阀门处于打开位置危害性小，则应选用气关式调节阀；反之，若阀处于关闭位置时危害小，则应选用气开阀。阀口径的确定：在控制系统中，为保证工艺操作的正常进行，必须根据工艺要求，准确计算阀门的流通能力，合理选择调节阀的尺寸。如果口径选的太大，将使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选的太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要。C=,根据流通能力C选择阀门的口径。电、气转换器：将电信号转换为气信号（为了使气动调节阀能够接受电动调节器的输出信号，必须使用电气转换器把调节器输出的标准电流信号转换为20~100KPA的标准气压信号）阀门定位器：使用气动阀门定位器能够保证阀门的精确定位。电气阀门定位器属于安全火花和隔爆复合型防爆结构。电动调节阀：电动调节阀接受来自调节器的电流信号，将其转换为阀门开度。电磁阀是利用电磁铁的吸合和释放，来对阀门进行通断两种状态的控制，而电动调节阀是用电动机对阀门开度作连续的调节。电动执行机构根据配用的阀门的不同要求，有直行程，角行程和多转式三种输出方式。安全栅：（防止危险电能从控制系统信号进入现场仪表的安全保护器）安全栅的作用是防止安全场所的危险能量窜入危险场所，它在正常情况下，只起信号传递作用。安全火花：电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下。安全防爆的重要措施就是限制和隔离仪表电流产生火花的

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能量。安全火花防爆系统：如果在危险现场使用的仪表是安全火花防爆仪表，并且危险现场仪表与非危险场所（如控制室）仪表的电路连接线之间设置了安全栅，这样的控制系统叫做安全火花防爆系统。安全栅有电阻式安全栅（电阻限流作用限制能量）、中继放大式（利用运放的高输入阻抗特性实现隔离）、齐纳式（利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压，电阻进行限流）、光电隔离式（利用光电耦合器进行隔离）、变压器隔离式（利用变压器进行隔离，将输入、输出、电源电路进行隔离）。常用的齐纳式和变压器隔离式。第六章：过程控制系统要求：安全、稳定和经济性。被控参数：借助控制系统保持恒定值（或按一定规律变化）的参数。直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数。间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。控制变量：在控制系统中，用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量叫做操纵变量（控制变量）。调节器的正反作用选择：是在调节阀气开、关方式确定后进行的，确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。调节阀气开、气关方式的首要原则是保证人身安全、系统与设备安全。工程整定方法：稳定边界法（应用广泛）、衰减曲线法（针对临界比例度法的不足）、响应曲线法，（也称动态特性参数法，开环整定方法）、经验法（先确定一组调节参数，然后人为调节）。第七章串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展的。加热炉串级控制系统原理：假设在稳态工况下，原料油进口温度和流量稳定，燃料的热值和流量不变，控制燃料的阀门保持在一定开度，炉膛温度保持相对稳定状态，此时原油出口温度在设定值。如果出现外部干扰，使稳态工况遭到破坏，串级控制系统立即开始控制动作。按照扰动不同分为三种情况。1燃料压力F3（t）燃料热值f4(t)发生扰动，干扰进入副回路。2原料油流量f1(t)、原料油入口温度f2(t)发生扰动，干扰进入主回路。3干扰同时作用于副回路和主回路。前馈控制的工作原理：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以抵消扰动对被控参数的影响。前馈控制局限：1在实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套独立的检测装置和前馈控制器，况且有的干

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扰的在线检测很困难。2决定前馈控制器的控制规律的是被控过程的动特性Gf(s)Go1(s)调节阀Gv(s)，而他们的精确表达式是很难得到的；即使能够得到他们的精确表达式，通过式子计算出Gb(s)，有时在物理上很难实现。前馈控制与反馈控制相比优点：前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。复合控制系统优点：1前馈和反馈的组合应用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。2由于增加了反馈控制回路，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，往往为保证稳定性而无法实现高精度。而复合控制能够在一定程度上解决稳定性与控制精度之间的矛盾。第九章：DDC（直接数字控制系统，directdigitalcontrol）：用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。DCS分布式控制系统（DistributedControlSystem），是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。FCS（现场总线控制系统）是由DCS与PLC发展而来。DCS现场控制站功能：实现对生产过程数据的采集与实时控制；与单回路控制仪表相比，除反馈控制功能、运算功能、报警功能、通信功能更加充实之外，最主要特点是顺序控制功能大大增强。DCS操作站功能：有三大功能，以系统生成、维护为主的工程功能；以监视、运行、记录为主的操作功能；

与现场控制站和上位计算机交换信息的通信功能以及运行数据文件的存储、管理功能。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时

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调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。操作员站功能：画面显示和运行操作。DCS特点：高可靠性和开放性。FCS特点：1、FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。2、FCS系统的基础是数字智能现场装置。3、FCS系统的本质是信息处理现场化。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。工业以太网是基于.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。什么叫标准节流装置？试述差压式流量计测量流量的原理；并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响？标准节流装置：包括节流件和取压装置。原理：基于液体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。影响因素流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m及取压方式密切相关；流量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性相关；流量系数的大小与流体流动状态有关。电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？原理：利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是测量流速。对被测介质的要求：导电液体，被测液体的电导率应大于水的电导率(100cm)，不能测量油类或气体的流量。DDZ-Ⅲ型控制器的软手动和硬手动有什么区别？各用在什么条件下？软手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成积分关系；硬手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成比例关系。软手动操作：系统投运硬手动操作：系统故障.。什么叫控制器的无扰动切换？在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换，在设计PID电路时采取了哪些措施？调节器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。CM、CI。。。PID调节器中，比例度P、积分时间常数TI、微分时间常数TD分别具有什么含义？在调节器动作过程中分别产生什么影响？若将

TI取∞、TD取0，分别代表调节器处于什

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么状态？比例度P含义：使控制器的输出变化满量程时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。比例作用的强弱取决于比例度的大小。积分时间常数TI含义：TI越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将TI取∞，则积分作用消失。微分时间常数TD含义：TD越大，微分作用越强；TD取0，微分作用消失。什么是调节器的正/反作用？在电路中是如何实现的？正作用：偏差=测量值-给定值。反作用：偏差=给定值-测量值。运放输入端的切换开关实现的。什么是串联管道中的阀阻比S？S值的变化为什么会使理想流量特性发生畸变？阀阻比：用阀阻比SpTmin/po表示存在管道阻力的情况下，阀门全开时，阀门前后的最小压差

pTmin占总压力po的比值。在S＜1时，由

于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达不到预期的值，也就是阀的可调范围变小。随着S值的减小，直线特性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋近于直线特性。什么叫气动调节阀的气开式与气关式？其选

择原则是什么？气开式：无压力信号时阀门

全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式。气关式：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀为气关式。选择原则：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。简单控制系统由测量变速器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？单项性能指标有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、震荡频率、上升时间和峰值时间。衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n。过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制

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系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A。超调量：第一个波峰值y1与最终稳态值y（）之比的百分数。残余偏差C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的偏差C称为残余偏差，简称残差。调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。为什么说转子流量计是定压式流量计？而差压式流量计是变压降式流量计？虽然转子流量计也是根据节流原理测量流量的，但它是利用节流元件改变流体的流通面积来保持转子上下的压差恒定。所以是定压式。是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的。所以是变压降式。

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