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Chapter one有差控制过程（有差调节）例1、某化学反应器，工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。设定值不等于稳态值（有差控制）参考答案：最大动态偏差 A= 230-200= 30被控参数偏离设定值的最大值；余差 C= 205-200 = 5稳态值与设定值之间的偏差；衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 衰减率：1 1/n=4/5 两个相邻的同向波峰值之比 n1 衰减震荡； 振荡周期 T = 205 = 15（min）振荡频率f = 1/ T 超调量：第一波峰与稳态值之比的百分比， 25/205=12.2%调节时间：Ts = 22min 设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 （ 2） 4.1，在新稳态值（205）两侧以宽度为4.1画一区域（阴影线）。工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15，而该调节系统A=30，不满足工艺要求峰值时间：5min 例2过渡过程的品质指标有哪些？请结合下图解释各种品质指标的含义。Chapter two2.1用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？ 解：显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即 同样，查表可得：由23.076mV查表可得：t=557。即实际温度为557。当热端为557，冷端为20时，由于E（20，0）=0.798mV,故有：由此电势，查表可得显示仪表指示值应为538.4。2.2、利用镍洛镍硅热电偶测温，工作时冷端温度to=30,测得的热电势E(t, to)=40.096mv ，求被测介质的实际温度。（已知E(30,0)=1.203mv，E(1000,0)=41.269mv，E(900,0)=38.893mv，）E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=41.299mv 查表E(1000,0)= 41.269mv， 被测温度为10002.3简述热电偶测温原理，类型，为什么需要用补偿导线？答 1）热电偶的测温原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。2）类型：镍铬镍硅（K），线性度最好；镍铬康铜（E），灵敏度最高；铜康铜（T），价格最便宜。3）热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。2.4热电阻测温特点，以及为什么用三线接法？1）特点：对于500以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。热电阻有金属热电阻（正温度系数）和半导体热敏电阻（负温度系数）两类。2）电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。2.5：有一台DDZ-III型温度变送器，精度1级，出厂时量程调为：01300用这台变送器测量一加热炉的温度（温度范围800900），问：产生的最大绝对误差是多少？变送器的灵敏度为多少？将变送器的零点迁至700，量程调为7001000，问：这时变送器的最大绝对误差是多少？灵敏度为多少？Chapter three3.1 例子 某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信号范围是420mA。当指示指针从600变到700时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。温度的偏差在输入量程的50区间内（即200）时，e和y是2倍的关系。 Y=1/p e = 2e1）比例度（P）越大，放大倍数K越小系统稳态误差（余差）就大。比例度越小，放大倍数越大，系统动态性能的稳定性越低。2）输出信号的变化与输入偏差的大小和积分时间TI成反比，TI越小，积分速度越快，积分作用越强。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。TI趋于无穷，无积分作用；TI过大，积分作用很弱，消除静差慢，TI过小，积分作用过强，控制器的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降。3）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。由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有提高控制系统动态稳定性的作用。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。【适合于】对象滞后大，负荷变化不大，被控量变化不频繁且允许余差存在场合。4）PID控制器 若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制器.3.2 DDZ-基型调节器的主要功能电路有？以及各模块功能输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路。 n 无扰动切换：电路切换前一瞬间的输出值与电路切换后一瞬间的输出值相同，电路状态切换是无扰的。（控制器输出不突变）1）输入电路：偏差差动电平移动电路，偏差检测与放大，消除传输线压降，对偏差信号实现电平移动。温度补偿+零点调整2）给定电路：设定调节器的给定值。3）PID运算电路：对偏差进行PID运算。 反馈电路：量程调整+非线性校正4）输出电路：将PID运算电路的结果（电压值）转换为420mA的直流电流输出。5）切换电路：实现手动和自动操作状态间的平滑无扰动切换。 6）显示电路：供用户查询各变量。3.3 实用PID数字算法，以及改进的PID算法1）实用PID算法yn=1Pen-en-1+TTIen+TDT+TDKDen-en-1+TDKDT+TDKDyn-1 注：P比例度 TI积分时间常数 Td 微分时间常数 Kd 微分增益2）微分先行算法PI-D算法 微分作用只对测量值（反馈值）Vp进行3）比例微分先行算法 比例和微分作用都只对测量值进行Chapter four4.1什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性？常用的调节阀理想流量特性有哪些？解答：1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。工作流量特性：在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性会发生畸变，称为工作流量特性。2）常用理想流量特性：快开特性、直线流量特性、抛物线特性、等百分比（对数）流量特性直线（放大系数相同，控制力不同）；对数（放大系数不同，控制力相同）3）等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。4.2什么是阀阻比S？以及其为什么会使理想流量特性发生畸变？1）阀阻比S=PTmin/Po 表示存在管道阻力的情况下，调节阀全开时，阀前后最小压差PTmin与总压力Po之比。其值越大表示管道压降越小，其值越小，表示管道压降越大。2）S=1时，说明管道压降为零，阀门前后的压差始终等于总压力，故工作流量特性即为固有流量特性，当S=0.34.3调节阀气开气关式选择 题1 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4.3.2 如图所示的压力容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定： 1)调节阀应选择气开式还是气关式？请说明原因。 2)压力控制器(PC)应为正作用还是反作用？请说明原因。答：1)应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故。2) 调节阀选择气关式，则压力控制器(PC)应为反作用。当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器内压力稳定。 或：当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。（执行器 反作用；变送器正作用；对象反作用（阀开大，压力下降）；所以控制器反作用）4.3.3 冷物料加热系统，为保证加热器不被烧坏，蒸汽管道上调节阀应选择气开式（调节阀输入为零时，应保证为关闭状态，所以当调节阀有输入时，阀门慢慢打开，所以为气开阀）4.4电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所？安全火花是什么意思？解答：1）必须是采取安全防爆措施的仪表，就是限制和隔离仪表电路产生火花的能量。使其不会给现场带来危险。2）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。4.5气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。4.6安全栅 的作用1）信号的传输 2）能量的传输 3）限流、限压Chapter five机理法建模：单位时间内物质/能量流入量 单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。 响应曲线法建模：阶跃响应曲线确定一阶惯性加滞后模型WS=e-0sK1+T0s阶跃输入时 K= y()/1 （单位阶跃） / y()/a输入为模拟量时：K=y输出量程x输入量程Chapter six6.1简单控制系统由几个环节组成？解答：测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。6.2 过程控制系统设计包括哪些步骤？1）熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标2）建立被控过程的数学模型 3）控制方案的确定 4）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证6.3 选择被控参数应遵循哪些基本原则？什么是直接参数？什么是间接参数？两者有何关系？解答：1）原则：必须根据工艺要求，深入分析、生产过程，找出对产品的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。 2）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 3）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。 4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。6.4选择控制变量时，为什么要分析被控过程的特性？为什么希望控制通道放大系数 要大、时间常数 小、纯滞后时间 越小越好？而干扰通道的放大系数 尽可能小、时间常数 尽可能大？解答：1）控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相关。 2）控制通道的静态放大系数K0越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。时间常数T0小，被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制品质。纯滞后 0的存在会使系统的稳定性降低。 0值越大，对系统的影响越大。 3）扰动通道的静态放大系数Kf越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数Tf越大，外部干扰f（t）对被控参数y（t）的影响越小，系统的控制品质越好。干扰点位置对系统的影响：干扰作用点向远离测量点（输出）方向移动，干扰通道的容量滞后增加，系统的动态偏差减小，控制品质变好；相反扰动进入系统的位置离测量点越近，干扰对被控参数的影响越大，控制品质越差。干扰通道的纯滞后并不影响系统的控制品质，仅仅使被控参数对干扰的响应在时间上推迟了。6.5当被控过程存在多个时间常数时，为什么应尽量使时间常数错开？答：由自控理论知识可知，开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。6.6 P、I、D各参数对控制系统品质的影响：P越小（K越大），控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性下降，控制余差越小。P越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin ，振荡频率称为临界振荡频率MP越大（K越小），控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。TI越大，积分作用越弱， TI = ，积分作用为零。TI减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。因此，加积分后，比例带要适当加大。如果T1适当，系统能很快消除余差。Td较小 控制速度稍有加快（调节时间稍微减少）；Td合适控制速度明显加快（调节时间明显减少）；Td过大系统稳定性降低，出现等幅振荡。6.7 控制器参数整定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），按经验公式求出调节器的整定参数。 就以表中PI调节器整定数值为例，可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。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。衰减比为4:1时，整定参数计算表衰减比为10:1时，整定参数计算表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。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。例子1 某控制系统用稳定边界法分别整定控制器参数，已知临界比例度，试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。稳定边界法计算表如下。解：对于PI 控制器查表得：对于PI D控制器查表得： 例子2 某控制系统用4：1衰减曲线法分别整定控制器参数。将积分时间调至最大，微分时间调至最小，对系统施加阶跃信号，经过调节后系统的衰减比为4：1，此时记录下来的比例度和时间参数。试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。4：1衰减曲线整定经验参数表如下。解：对于PI 控制器查表得： 对于PI D控制器查表得： 例子3 在某一蒸汽加热器的控制系统中，用响应曲线法进行参数调整。当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100，并测出纯滞后时间t0=1.2min, 时间常数T0=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数（响应曲线法控制器参数整定经验公式见附表）。解：输入增量为：mA 输出增量为：输入量程差为：mA 输出量程差为：所以，由查表得：在选用PI控制器时， min在选择PID控制器时， min minChapter seven7.1 串级 例子 冷物料加热系统的串级控制温度控制器控制阀流量/压力对象流量/压力测量变送主设定值扰动1出口温度操纵变量流量/压力控制器温度对象蒸汽流量温度测量变送副设定值主测量值副测量值扰动21）调节阀为气开式（安全因素） 2）副调节器：反作用；主调节器：反作用。3）当蒸汽压力突然增加时，该控制系统的控制过程如下：蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于FC为反作用，故其输出降低，因而气开型的控制阀关小，蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，提高了控制质量。4）当冷物料流量突然加大时，该控制系统的控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉出口物料温度降低，反作用的TC输出增加，因而使FC的给定值增加， FC为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用7.2前馈 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。为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统 Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 07.3、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。如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统：蒸汽压力比较稳定，而物料流量F波动较大。可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量的前馈反馈控制系统。复合控制系统具有以下优点：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。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。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。 7.4、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。前馈串级复合控制系统特点：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当物料流量F比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力（蒸汽流量）波动都较大。可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力（流量）为副变量的前馈串级控制系统。前馈串级控制系统过程框图：7.5单回路水位控制系统，如果蒸汽用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制回路。7.6某前馈-串级控制系统如图所示。已知：要求：（1）绘出该系统方框图。（2）计算前馈控制器的数学模型。3）假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正/反作用。(2) =0求的，Gff（s）=（3）主为正作用，副为反作用。7.7画出串级控制系统的框图，并在图中标明主变量、副变量、控制变量和被控变量。分别说明主副对象的输入和输出是什么？串级控制系统有哪些主要特点？在串级控制系统整定方法中，何谓两步整定法和逐步逼近法？串级系统特点总结：对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 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；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。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。7.8如图所示的压力容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定：1）调节阀应选择气开式还是气关式？请说明原因。2）压力控制器(PC)应为正作用还是反作用？请说明原因3）如果气体流入量波动很大，需如何改进控制系统，在图中画出控制方案图，并画出改进后的方框图。答：1）应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故。2）调节阀应选择气关式，则压力控制器(PC)应为反作用。当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器内压力稳定。或：当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。3）前馈-反馈控制系统7.9比值控制 要求参与反应的物料Q1和Q2保持恒定比例，正常操作时，流量Q1=7m3/h，Q2=1.75m3/h；流量范围分别为0-10m3/h和0-2m3/h。根据要求设计Q2/Q1恒定的比值控制系统。在采用DDZ-3型仪表组成控制系统情况下，分别计算流量和测量信号呈线性关系（配开方器）和非线性关系（无开方器）时的比值系数K。1）引入开方器时，比值系数为： 2）不引入开方器时：7.93分程控制在某化学反应器内进行气相反应，调节阀A、B分别控制进料流量和出料流量，为了控制反应器内压力，设计分程控制系统。A气开阀、B气关阀 调节器反作用7.95选择控制Chapter eight8.1 自适应 自校正控制系统 模型参考 8.2模糊控制被控过程数学模型随生产的进行不断变化时需要用模糊控制器组成：模糊化接口、规则库、推理算法、去模糊化接口
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