东北大学过程控制系统简答

自己复习用

过程控制与数学、计算机或拉普拉斯变换关系不大。过程控制就是理解以下内容：
①仪表如何工作；
②如何在现场测量温度、压力、液位、湿度和成分等变量；
③控制如何与过程设备相互作用；
④机组操作员如何与控制器互动；
⑤仪表陷入“正反馈回路”的趋势；
⑥从化学工程的角度看过程设备本身是如何工作的

一、定义 分类 特点 指标

过程控制系统——可以把温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制系统。

• 包括自动化装置和被控对象

自动化装置

• 测量变送装置：自动检测被控变量的变化，并将其转换成统一的标准信号后传送给控制器。
• 控制器：根据偏差大小、方向以及变化情况，按照某种预定的控制规律计算后发出控制信号。
• 执行器：将控制信号转换成位移驱动控制阀的动作，改变被控对象的操纵量，使被控量受到控制。

被控量——传感器或变送器获得的信息
控制量——控制器输出信号推动执行器

按系统结构的特点分 （框图画一下）

• △△△feedback control system：（不及时、基于偏差、闭环需判稳、各种扰动都能校正）减少或消除偏差
• △△△feed-forward control system：（及时、基于扰动、开环各环节稳定系统就稳定）消除扰动对被控量影响，但开环无法检查控制效果
• 复合控制系统：很好！硬要说就是提高控制质量

△△△按设定值信号的特点分

• 定值控制系统（应用最多）Fixed value system
  • 给定值固定不变，输入只是扰动信号
  • （加热炉温度控制系统）
• 随动控制系统 Servo control system
  • 给定值随时间任意变化
  • （燃料燃烧控制系统、空气流量控制系统）
• 顺序控制系统 sequence control system
  • 给定值按预定的时间程序来变化
  • 退火炉的温度控制系统：给定值按升温、保温、逐次降温等程序变化

特点

• 被控过程的多样性
• 对象存在滞后、非线性
• 系统复杂

指标△

• 余差（静态偏差） C：系统过渡过程达到稳态时，给定量与被控参数稳态值之差。
• 衰减率Ψ（递减比 n）：动态指标。率类似超调。比表示曲线变化一个周期后的衰减快慢。第一第二波峰。
• 最大偏差（超调量）：略
• 过渡过程时间（Ts）：懂的都懂 略

二、仪表 使用 参数 检测原理

• 接触式测温仪表： 简单可靠精度高，滞后有界，可能破坏被测介质的温度场
• 非接触式测温仪表：快速无界误差小，受操作和热辐射率环境因素影响，不破坏温度场
• 热电偶温度计（热电效应）：简单稳定易转换，必须要参考端，温度要恒定，高温长期会腐蚀。
• 热电阻温度计（金属正比半导体反比）：稳定精确范围宽

三、

四、常规控制系统

单回路控制系统

定义

针对一个过程参数采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其他参数没有或者极少关联的反馈控制系统。

静态特性

• 过程静态特性对控制质量：Kf 小、Ko 大
  • 扰动通道静态放大系数 Kf 越大，系统余差越大。

动态特性

• 扰动通道动态特性 ：Tf 大
  • 时间常数 Tf 越大，滤波能力越强，扰动影响越小。
  • 纯滞后时间同上
  • 扰动作用点位置远离被控参数
• 控制通道
  • 时间常数：最大的时间常数不能动，减小第二第三大的可。
  • 系统增益 K 和振荡频率 w：可控性指标即 截止频率 wc×Kmax 最大增益
  • 选择控制通道时，几个时间常数错开，减小中间的，可提高工作频率，减小过渡过程时间、余差和最大偏差，提高可控性指标，改善控制质量。

调节阀（执行器）

• 气开阀（箭头方向和三角号方向相反）：有气就开 不浪费气（精馏塔釜加热蒸气）
• 气关阀：没气全开 发生故障时保护设备（锅炉供水控制阀）、保证产品质量，坏了的回流（精馏塔回流量控制系统）

△△△

串级控制系统

由两台控制器串联在一起控制一个控制阀的控制系统。

• 单回路控制的不足：总滞后大，控制作用不及时，系统克服扰动能力较差，不能满足生产工艺需求。
• 串级优点4 点：改善动态特性、提高系统工作频率、较强的抗干扰能力（副回路增大放大系数）、一定的适应能力（主回路为定值控制，副回路为随动控制）

主回路选择：能直接或间接反映生产过程质量或者安全性能的参数都可选为主变量。
副回路选择：具有动作快抗干扰强的特点，所以尽可能把各种干扰纳入副回路。
主副过程时间常数匹配：副回路时间参数小于主回路时副回路灵敏，副回路大时迟钝但能克服扰动。接近时会产生共振。3-10 可。

前馈控制系统

前馈与反馈：

• 控制作用依据不同：检测的干扰一个是干扰一个是被控量
• 控制效果不同：前馈及时不用等被控量出现偏差才产生控制作用
• 实现的经济性和可能性不同：前馈只能对一个干扰作用，反馈可以克服多个
• 前馈是开环，不存在稳定性问题，反馈是闭环需考虑稳定性
• 前馈规律取决于被控对象特性，反馈就那几个典型规律