南昌大学过程控制工程复习

第二章过程动态特性建模与分析控制系统的组成单回路控制系统的描述简单被控过程的机理建模方法广义对象的概念及其动态测试本章基本要求•了解典型工业过程的动态特性类型；•掌握简单被控过程的机理建模方法；•掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值基本组成：1.输入输出端。一般情况下表示为工艺介质和被控变量。2.测量变送器。用于测量被控变量受扰动后的信号值。3.控制器。用于控制操纵变量使被控变量回到初始设定值，从而使得系统回到稳定状态。4.过程。可以理解为在被控对象中的化学反应，及反应中各物料被控制的情况。一般的单回路控制系统控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象被控变量：温度(T)、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。被控对象动态建模方法机理建模，测试建模，半测试建模要求分别了解几种建模的原理，特点（优缺点）及建模步骤。1.要求掌握对象机理建模的推导方法，尤其是对非线性化的处理。（取泰勒级数的展开前2项）。一阶过程通常的描述方式为：这2个式子的关联。()1KGsTs()()1iHsRQsRAs2.阶跃响应建模需了解阶跃响应建模的原理以及阶跃响应测试法注意事项阶跃响应传递函数的计算，包括了其3个参数的取值。方法：（1）画图法（2）两点法广义对象的描述控制器GC(s)控制通道GP1(s)偏差e+_扰动D干扰通道GD1(s)++广义对象ysp(t)ym(t)u(t)1spppKeGTs可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：第三章单回路控制系统•掌握调节阀的流量特性及开关选择原则•掌握单回路控制器“正反作用”的选择原则；•掌握单回路控制系统的常用性能指标；•掌握PID控制律的意义及与控制性能的关系。1.控制阀的选取根据保证安全生产以及系统控制要求相结合的方法，确定其气开气关形式。2.了解控制阀工作的流量特性。3.了解气关气开形式对流量控制的特点。气开阀：pc↑→f↑(“有气则开”)气关阀：pc↑→f↓(“有气则关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。控制器的“正反作用”选择问题问题：如何构成一个负反馈控制系统？控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象方法：1.假设检验法先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统。（即当被控变量测量值变大时，如何使得该值下降回到设定值）2.回路判别法。先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。（1）反馈回路中负增益环节数为奇数；（2）对控制器而言，“正作用”是指Tm↑→u↑。控制性能指标nBB21%100)()()(yytypst衰减比超调量回复时间余差偏差平方值积分02min)(dtteISE偏差绝对值积分0min)(dtteIAE偏差绝对值与时间乘积的积分0()minITAEtetdt)()(yxe控制性能指标nBB21%100)()()(yytypst衰减比超调量回复时间余差偏差平方值积分02min)(dtteISE偏差绝对值积分0min)(dtteIAE偏差绝对值与时间乘积的积分0()minITAEtetdt)()(yxe最大偏差，调节时间和振荡频率三种常规的反馈控制模式1.比例控制器，比例积分控制器，比例积分微分控制器分别了解三种控制模式的特点以及适用范围。从P47开始2.PID控制器的选取和整定方法。参数整定方法（1）经验法（2）临界比例度法（3）衰减振荡法（4）响应曲线法。3.积分饱和的概念已经防积分饱和的方法。第四章串级控制系统•了解串级控制系统的概念与特点；•掌握串级控制系统的方框图表示法；•结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；•了解串级控制系统的设计原则；•掌握串级控制系统的参数整定方法与仿真实现；•了解串级控制系统的防积分饱和措施。加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统•通过对单回路反馈控制系统的分析理解来进一步解释串级控制系统的工作原理。对单回路来说，系统控制与扰动的分析包括了干扰变量的影响和控制变量的影响。需要具体分析出各个环节参数的变化，从而达到对整个系统分析的目的。根据最后的分析结果来选取一个副变量与主要控制的目标变量（最终被控变量，也就是对生产最后需要控制的变量）构成串级控制系统。串级控制系统的特点。见课件主、副控制器正反作用的选择•主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主•（1）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）主控制器的正、反作用根据主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相反。串级系统PID参数的整定方法•逐次逼近法•Step1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。•Step2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。•Step3:采用单回路调节参数的工程整定法（如动态响应法），确定主回路的PID参数。了解串级控制系统的设计原则。了解选取副变量的方法和分析手段。了解串级控制系统的防积分饱和问题。第五章前馈控制一.前馈控制的基本原理补偿原理，不变性原理前馈控制系统的特点以及与反馈控制的比较。二.FFC的几种主要结构形式纯前馈，前馈-反馈，前馈-串级了解各自的特点应用范围以及局限性。前馈控制的计算。()()()PDffPCGSGSGS第六章比值控制了解比值控制的由来对于定比值控制系统的几种方案：开环，单闭环，双闭环这几种方案的特点工作方式，并互相比较。主动量与从动量的选择选择原则：1、生产中主要物料为主动量，其他物料为从动量。2、如果两种物料中，一种是可控的，另一种是不可控的，则应先不可控的为主动量，而可控的为从动量。3、如果两种物料中一种供应不成问题，而另一种物料可能供应不足，此时可选用不足的物料为主动量。变比值控制系统•定义：按照一定的工艺指标自行修正比值系数的变比值控制系统，也称串级比值控制系统。•注意：第三参数必须可连续的测量变送，否则系统将无法实施。变比值控制系统比值系统的计算注意区分流量比值k，与仪表比值系数（也可说是系统比值系数）K.所有计算式以及公式请参照课件以及教材。注意定比值与变比值计算的不同处。1.比值器在主流量通道。2.乘法器设定Is为比值器设定值相乘与相除方案的区别。对DDZIII型仪表,比值器的输入输出关系为0(4)4BIKImA对DDZIII型仪表,乘法器的输入输出关系为04(4)416sBIIImA综合一.均匀控制系统均匀控制系统的目的：使液位保持在一个允许的变化范围内，而流量保持平稳。均匀控制系统的要求。均匀控制系统的特点：（1）结构上无特殊性。（2）表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化是缓慢的。（3）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在允许的范围内二.选择性控制系统1.概念•一个常规被控变量，需要进行定值控制；•一个区间约束变量，正常工况下无需控制，但一旦超出允许范围就需要及时加以调节，以防止事故的发生。2.选择性控制系统的类型。（1）开关型选择性控制系统（2）连续型选择性控制系统（3）混合型选择性控制系统了解三种类型的工作原理。3.选择性控制系统的设计步骤(1)根椐生产安全要求选择控制阀的开、闭形式(2)根椐对象的特性和控制要求，选择控制器的控制规律及正、反作用。(3)最后根椐控制器的正、反作用和选择性控制系统设置的目的，确定选择器的类型。选择器的类型可以根据生产处于不正常情况下、非正常情况控制器的输出信号控制器的输出信号高、低来确定；如果在非正常情况下它的输出信号为高信号，应选高选器；如果在这种情况下它的输出信号为低信号，应选抵选器。三.分程与阀位控制系统1.分程控制的目的两控制阀的开闭形式形成的类型，同向及异向。了解分程控制可调范围R的一些计算。教材P107了解间歇式化学反应器工作原理（1）扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质。（2）为了满足工艺操作的特殊需要。2.阀位控制系统操纵变量选择原则的核心问题：所选的操纵变量既要考虑到它的经济性和合理性，又要考虑到它的快速性和有效性。存在问题：在有些情况下所选择的操纵变量很难做到两者兼顾。解决办法：阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的快速性、有效性和经济性、合理性基础上发展起来的一种控制系统。常规过程控制系统小结•用于改善控制系统性能的常规过程控制系统（1）串级控制系统；（2）前馈控制系统；（3）变增益/变比值控制系统。•用于满足工艺特定需要的常规过程控制系统（1）均匀控制系统；（2）比值控制系统；（3）分程控制系统；（4）阀位控制系统；（5）选择性控制系统。传热设备的控制传热设备的类型1、从热量的传递方式来分：热传导、对流和热辐射2、从进行热交换的两种流体的接触关系来分：直接接触式、间接式和蓄热式精馏塔1.精馏塔工作原理精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。简而言之，精馏原理(PrincipleofRectify)蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏。2.精馏过程的主要设备及内部构造精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液），另一部分被送入塔内作为回流液。回流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也叫残液），一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸气气流。