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过程控制总复习0．绪论过程控制系统通常由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成。被控过程多属于慢过程,具有一定时间常数和时滞,控制并不需要在极短时间内完成获取过程对象特性模型的方法通常有：（白色系统、黑色系统、灰色系统的概念）1.机理建模方法：根据过程机理，由物理和化学等规律列写模型方程；2.系统建模方法：由过程输入输出数据确定模型结构和参数，3.混合建模方法：将过程机理和输入输出数据结合建模的方法，过程控制方案通常有：单回路、串级、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等。单元组合式仪表有气动组合仪表和电动单元组合仪表（QDZ和DDZ仪表）两类。气动组合仪表采用140kPa压缩空气为能源，以20～100kPa(0.02MPa~0.1MPa,即0.2~1.0kg/cm2)为标准，统一信号输出电动单元组合仪表（DDZ）采用0-10mA(DDZII型)或4-20mA(DDZIII型)标准统一信号过程控制系统按设定值形式分类有：定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统；按系统的结构特点来分类，有：反馈控制系统，前馈控制系统和复合控制系统（前馈-反馈控制系统）。串级控制属于反馈控制系统。偏差值是反馈控制的依据，扰动是前馈控制的依据。典型的复合控制系统结构方框图如图1所示。图1复合控制系统结构1．简单控制系统4.简单控制系统：指SISO,LinearsystemsZ是控制系统的基本形式Z也称单回路系统,即指一个被调量、一个调节量、一个调节器和调节阀组成的系统,只有一个调节回路,这类系统在过程控制中占大部分(约80%以上)Z复杂控制系统在简单系统的基础上发展起来的简单控制系统特点Z结构简单，容易掌握，具有广泛的适应性，经济实用,可靠性高过程控制系统的组成及术语过程控制系统的性能指标决定过程控制系统品质的环节有：控制系统结构，被控过程特性和过程检测、控制仪表过程控制系统的评价指标可概括为：Z系统必须是稳定的；（平稳）要求：闭环极点位于s左半平面评价指标：衰减比、衰减率Z系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确）要求：被调量与给定值之间的偏差小评价指标：超调量、昀大动态偏差、静差(余差、残差、稳态偏差)Z系统应能提供尽可能快的过渡过程。（迅速）要求：系统存在偏差的时间尽量短评价指标：恢复时间(调节时间)、振荡周期、振荡频率、上升时间、峰值时间衰减比的一般取值为，随动系统n=10:1时稳定性好，定值系统4:1为好，应根据实际情况灵活处理，此时对应的衰减率分别为0.9和0.75性能指标之间的关系Z有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）Z对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性Z应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求偏差积分性能指标Z是一类综合指标Z都不能保证系统具有合适的衰减比误差积分准则IE（integraloferrorcriterion）绝对误差积分IAE(Integralofabsoluteerrorcriterion)平方误差积分ISE（integralofsquarederrorcriterion）时间与绝对误差乘积的积分ITAE(integraloftimemultipliedbythevalueoferrorcriterion)单项指标用若干特征参数评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；1.负反馈准则：控制系统开环增益之积为正2.稳定运行准则：静态条件是扰动或给定变化时增益之积恒定动态条件是扰动或给定变化是总开环传函的模恒定3.简单控制系统流入量和流出量的概念Z从物质或能量角度来理解系统的流入量和流出量Z从物理角度来理解二者的平衡关系Z从系统角度看，二者均是被控对象的输入量被控对象具有大的储蓄容积，因而属于慢过程传输迟延/纯迟延：信号传输途中出现的迟延注意从物理概念及系统角度进行分析静态数学模型和动态数学模型及数学模型的表示方法Z非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系；Z参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系对象动态特性的研究方法理论分析Z根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系实验研究Z有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型1.有自衡的非振荡过程一阶惯性环节加纯迟延；二阶惯性环节加纯迟延；n阶惯性环节加纯迟延2.无自衡的非振荡过程：较为常见的过程特性非自衡过程包含积分环节，加纯迟延3.自衡的振荡过程：传递函数形式如下4.具有反向特性的过程传递函数形式如下工业过程动态特性的特点1.对象的动态特性是不振荡的；设计时要避免各种参数振荡，对象不会振荡；2.有延迟、惯性：由于物质或能量的流动、转换、传递过程中有阻力的存在,使得状态参数的变化需要一定的时间。延迟和惯性取决于设备的参数、及信号的性质。延迟包括纯滞后和容量滞后；3.有自平衡能力（稳定对象）及无自平衡能力对象（中性稳定对象）自衡特性，自衡过程，自平衡能力(用静态增益K的倒数来描述，称为自平衡率)增益、时间常数、时滞（包括对象的、控制通道的和干扰通道的）等对控制质量的影响扰动进入系统位置的影响过程数学模型及其建立方法机理建模法和测试建模法阶跃响应确定传递函数连续系统模型和离散系统模型；输入输出模型和状态空间模型系统辩识方法:由输入输出数据确定模型的结构和参数的建模方法,所建模型称为黑箱模型如何从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应(1.3PP15-16)如何确定自衡对象传递函数作图法，两点法，面积法*(确定有理分式参数的方法)由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数speTsKsGτ−+=1)(()()spesTsTKsGτ−++=11)(21()snpeTsKsGτ−+=1)(speTsKsGτ−=)(()speTssKsGτ−+=1)(speTssTKsGτξ−++=)12()(22()()sdpesTsTsTKsGτ−++−=11)1()(21()sdpeTsssTKsGτ−+−=1)1()(Κε=Τ响应速度1ρ=K自衡率-τsKG(s)=eTs+12.PID及其调节过程§2-1基本概念•基本控制算法,基本PID控制算法,PID调节的优点,调节器偏差的定义,调节器正反作用定义,正反作用的判断方法§2-2比例调节•比例调节规律(P调节),比例带,调节过程,特点,KC变化对系统性能指标的影响§2-3积分调节•积分调节规律(I),过程,特点,TI变化对性能指标的影响,与P调节比较§2-4比例积分调节•比例积分调节规律(PI),调节过程,比例积分调节的特点,对系统控制性能指标的影响,与P调节比较,积分饱和现象§2-5比例积分微分调节•微分调节(DerivativeControl),比例微分调节(PD),比例微分调节特点,比例微分控制算法使用注意事项,比例积分微分调节(PID),PID控制作用对过渡过程的影响基本控制算法，基本PID控制算法，PID调节的优点，调节器偏差的定义，调节器正反作用及判断方法；比例调节（proportionalControl）及比例带(比例度proportionalband)的概念、调节过程及特点；I调节过程、特点及TI变化对系统控制性能指标的影响；比例积分调节规律（PI）过程、特点及积分饱和现象（windup）；微分调节（DerivativeControl）特点及注意事项；比例积分微分调节（PID）及其对过渡过程的影响♠P基本作用,输出、输入无相差。Kc↑(δ↓)作用增强，余差下降，超调减小,稳定性变差♠P引入I后消除余差,但幅值增加,相位滞后,稳定裕度下降，为保持稳定裕度,Kc减少10-20%(δ增加10-20%).TI越短作用越强,TI趋向无穷大无积分作用.应防积分饱和♠P引入D后幅值增加,相位超前,使稳定裕度提高,为保持同样稳定性裕度,Kc应增加10-20%(δ减少10-20%).D能克服滞后,但对时滞无作用.Td越大作用越强,Td=0无微分3.简单控制系统的整定§3-1控制系统整定的基本要求§3-2衰减频率特性法定性分析§3-3工程整定方法§3-4参数自整定参数整定控制任务是在系统的结构确定、设备与对象等都处在正常状态的情况下,通过调整调节器的参数（δ、TI、TD)，与被控对象特性相匹配，以达到昀佳的控制效果调整调节器参数的过程称为参数整定当调节器的参数被整定到使控制系统达到昀佳控制效果时，称为昀佳整定参数参数整定的依据——性能指标1）单项性能指标：ψ、σ、e(∞)、ts☆ψ=0.75适应于大部分允许有一些超调的工业过程☆ψ=1适用于被控对象的惯性较大，且不允许有过调的控制系统2）误差积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE等调节器参数整定的方法1）理论计算整定法(根轨迹、频率特性)基于模型直接求得调节器的整定参数，过程复杂，因近似对象故求得的整定参数不可靠2）工程整定法：临界比例带法、衰减曲线法、图表整定法这类方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得调节器的近似昀佳整定参数，因而在工程中得到广泛的应用控制器参数整定的若干原则1.系统稳定的静态条件是系统总开环放大倍数K恒定，即静态时KvKCKpKm=K恒定•量程变化、阀口径变化可调整KC使K恒定•对象的非线性可调整调节阀特性来补偿或用非线性控制规律2.系统动态特性由τ和T之比确定3.昀基本的控制作用是比例作用(P作用),其整定方法有:•先调整KC，再调整TI、TD•先调整TI、TD，再调整KC4.积分作用能消除静差，但使系统稳定性下降。一般取TI=2τ0或TI=(0.5-1)TP,且KC比纯比例时减小10%5.微分作用能消除高阶对象过渡滞后(容量滞后)的影响。一般取TD=(0.25-0.5)TI,且KC比纯比例时增加10%6.微分作用应合适，对高频噪声，应采用反微分；随动系统采用微分先行，定值系统采用偏差微分7.控制品质中，稳定性是昀基本的性能，一个可调的调节器参数，只能满足一个品质指标8.不同的控制系统有不同的稳定裕度要求，即衰减比不同，对随动系统，常调整调节器参数得到10：1衰减比（红）；对定值系统，常调整调节器参数得到4：1衰减比（蓝）9.闭环系统常近似为典型的二阶振荡环节，其超调量、衰减比和阻尼系数间有下列关系10.对象的模型有多种类型具体分析衰减频率特性法定性分析相对稳定度，系统的开环衰减频率特性，推广乃氏稳定性判据—稳定度判据(奈氏判据),衰减频率特性法整定调节器参数,单参数调节器的参数整定,双参数调节器的参数整定,*三参数调节器的参数整定工程整定方法动态特性参数法,稳定边界法（临界比例带法）闭环试验法,衰减曲线法闭环试验法,经验法,*参数自整定4.调节阀♠执行器的作用及组成及分类♠气动执行器的特点、分类、组成及作用方式♠流量系数C的含义及计算方法♠调节阀的结构特性、理想流量特性、工作流量特性♠气动调节阀选型(工作方式、流量特性、调节阀口径)执行器在过程控制系统中的作用及组成作用：接受控制信号，控制物料流量，使过程稳定在工艺范围内，代替人工操作，实现过程的自动化包括：气动、电动和液动。执行器由执行机构和调节机构组成，主要是执行机构不同，调节机构基本相同执行机构：由控制信号产生推力或位移的装置调节机构：根据执行机构输出信号,直接改变能量或物料输送量的装置,通常指调节阀特点：液动推力昀大，电动执行器的执行机构和调节机构是可分开的两部分；气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体(气动调节阀)执行机构1）能源：气动、电动和液动执行器2）结构形式：薄膜、活塞(气缸)和长行程执行机构调节阀(结构特性和流量特性)1）结构：直通单座、直通双座、三通、隔膜、蝶形、球阀、偏心旋转、套筒(笼式)2）流量特性:直线、对数(等白分比)、抛物线、快开等阀门定位器,气动薄膜执行机构,气动活塞式执行机构,正装阀和反装阀,气动调节阀的气开与气关方式