过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4
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《过程控制》课程教学大纲课程中文名称:过程控制课程英文名称:Process Control课程编号:C1050 应开课学期:6学时数:32 学分数:2适用专业:自动化课程类型:专业拓展课/必修先修课程:电子技术基础、自动控制理论、计算机控制技术、传感器与检测技术一、课程性质过程控制主要研究以工业过程模型为被控对象、模拟控制和数字控制为控制手段的工业过程计算机控制系统,主要内容包含过程控制系统的组成、建模、基本控制规律以及整个过程控制系统的设计等,它是自动化专业的一门专业拓展课程。
二、课程目标通过本课程的学习,使学生熟练掌握过程对象的建模方法、过程参数的检测与变送以及常规过程控制系统的基本控制方法、复杂过程控制系统的控制方法等。
通过本课程的理论教学,使学生能够根据生产过程任务要求,采用适宜的技术手段对生产过程加以控制。
三、支撑的毕业要求课程对毕业要求的支撑课程教学目标、达成途径和评价依据等毕业要求3.掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识,具有系统的工程实践学习经历;了解本专业的前沿发展现状和趋势;教学目标:理解和掌握过程控制学科的发展概况与发展趋势,学习过程控制的基础理论。
达成途径:通过课堂讲解,仿真验证,课外作业。
评价依据:学习态度;课堂提问;考试成绩。
评价方式:平时成绩;考试成绩。
毕业要求5,掌握基本的创新方法,具有追求创新的态度和意识; 具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力,设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素;教学目标:使学生能够创造性地运用过程控制的基本理论和基本方法进行过程控制系统的设计。
达成途径:学习各章基础理论,在此基础上培养学生过程控制系统的设计能力,提高学生的创新意识。
评价依据:学习态度;课堂提问;考试成绩。
评价方式:平时成绩;考试成绩。
四、教学内容、学时安排和基本要求第一章绪论(2学时)重点难点:控制系统的组成、控制系统的性能要求(1)了解典型的过程控制问题、过程控制系统的发展概况。
第二章思考题及习题2.1 与单回路系统相比,串级控制系统有些什么特点?答:串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。
(1) 串级控制系统具有更高的工作频率;(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力;(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号,而与其他环节无关?答:主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。
主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。
控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。
这样,只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。
即Sign{G 01(s )}Sign{G 02’(s )}Sign{G m1(s )}Sign{G c1(s )}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。
实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的,再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节,因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。
当主对象放大倍数符号为“正”时,主控制器应选“负”作用;反之,当主对象放大倍数符号为“负”时,主控制器应选正作用。
2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?答:一步整定法的依据是:在串级控制系统中一般来说,主变量是工艺的主要操作指标,直接关系到产品的质量,因此对它要求比较严格。
而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量,对副变量本身没有很高的要求,允许它在一定范围内变化,因此在整定时不必将过多的精力放在副环上,只要主变量达到规定的质量指标要求即可。
此外对于一个具体的串级控制系统来说,在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的,只要主、副控制器的放大倍数K c1与K c1的乘积等于K s (K s 为主变量呈4:1衰减振荡时的控制器比例放大倍数),系统就能产生4:1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。
第五章复杂控制系统钱厚亮南京工程学院工业中心2013/01一、串级控制系统二、均匀控制系统三、比值控制系统四、前馈控制系统复杂控制系统定义:通常复杂控制系统是多变量的,具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统,所以又称为多回路控制系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
4.1 串级控制系统一、串级控制系统概述目的:①可延长炉子寿命,防止炉管烧坏;②可保证后面精馏分离的质量。
为了控制炉出口温度,可以设置一个简单控制系统。
PID反作用气开由于炉子的控制通道容量滞后很大,反应缓慢,控制精度低,但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为±(1~2)℃。
上图的单变量单回路控制系统是难以满足的。
串级控制系统简单控制系统1.串级控制系统的组成串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的双闭环定值系统.2.串级控制系统中常用的名词主被控变量(Yl):是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系,在串级控制系统中起主导作用的被控变量。
副被控变量(Y2):大多为影响主被控变量的重要参数。
主控制器:在系统中起主导作用,按主被控变量和其设定值之差进行控制运算,并将其输出作为副控制器给定值。
副控制器:在系统中起辅助作用,按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算,其输出直接作用于控制阀的控制器,简称为“副控”。
主变送器:测量并转换主被控变量的变送器。
副变送器:测量并转换副被控变量的变送器。
主对象:大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其主要特性的生产设备或过程。
副对象:大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。
副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。
主回路:由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路,又称为“主环”或“外环”。
过程控制工程考点解析第一章1.什么是过程控制系统?其基本分类方法有哪些?过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度、和PH等这样的一些过程变量的系统。
基本分类方法(1)按过程控制系统的结构特点分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统(2)按给定值信号的特点分为定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。
2.试说明书中图1-2b供氧量控制系统框图中被控“过程”包含哪些管道设备以及图中各符号的含义。
过程:节流装置到氧气流量调节阀之间的管道设备。
x(t)代表设定值;e(t)表示偏差信号;u(t)表示控制器控制作用信号;q(t)表示调节阀的流量信号;f(t)过程受到的干扰信号;y(t)过程的输出信号;z(t)测量信号3. 在过程控制中,为什么要由系统控制流程图画出其框图。
为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系,这样也便宜其他人员的理解第二章2-2.什么是过程通道?什么是过程的控制通道和扰动通道?它的数学模型是否相同?问题一:被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道。
问题二:过程的控制通道:控制作用与被控量之间的信号联系。
过程的扰动通道:扰动作用与被控量之间的信号联系。
问题三:他们的数学模型不一样,因为过程通道、控制通道和扰动通道所表示的环节不是同一个。
2-6. 如图所示液位过程的输入量为Q1,流出量为Q2,Q3,液位h为被控参数,C为容量系数,并设R1、R2、R3均为线性液阻,要求:(1)列出过程的微分方程组;(2)画出过程的方框图。
(3)求过程的传递函数W0(S)=H(S)/Q1(S);答:(1)(2)(3)2-8.略。
2-11.为什么大多数过程控制的数学模型可用一阶、二阶、一阶加滞后和二阶加滞后环节之一来近似描述?有何理论依据?2-24.采用分度号K的热电偶测量炉温为800℃,其冷端温度为0℃求其热电势E( t,t0) ?2-43.数据采集系统的基本组成部分有哪些?它们分别实现哪些功能?数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。
复杂过程控制系统复杂过程控制系统是在工业生产中广泛应用的一种自动化控制系统。
它通常由多个子系统和分布式控制单元组成,用于监测和控制物理过程中的各种参数和变量。
这些系统通常用于化工、石油、电力、冶金和制药等行业,帮助提高生产效率、降低生产成本,并确保产品质量的稳定性。
1.传感器和执行器:传感器用于监测和测量物理过程中的各种参数,如温度、压力、流量和浓度等。
执行器用于控制各种执行设备,如阀门、开关和电机等。
2.控制器:控制器是系统的核心组件,负责处理传感器采集到的数据,并根据预定的控制算法进行计算和决策。
常见的控制算法包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制等。
3.通信网络:复杂过程控制系统通常是分布式的,需要通过通信网络将各个子系统和分布式控制单元连接起来,实现数据的传输和共享。
通信网络可以采用以太网、现场总线和无线通讯等多种技术。
4.数据存储和处理:复杂过程控制系统通常需要处理大量的实时数据,这些数据需要进行存储和处理,以便后续分析和优化。
常见的数据存储和处理技术包括数据库、数据仓库和大数据分析等。
5.人机界面:复杂过程控制系统通常需要人机界面来展示和操作控制系统的状态和参数。
人机界面可以采用计算机监视器、触摸屏和报警器等多种设备,以便操作员及时了解系统的运行状况并进行调整。
在复杂过程控制系统中,通常还需要考虑以下几个方面的问题:1.安全性:复杂过程控制系统通常处于高风险的工业环境中,因此安全性是一个重要考虑因素。
系统需要采取措施来防止任何非法、损坏或恶意的访问,并确保系统的稳定性和可靠性。
2.可靠性:复杂过程控制系统通常需要长时间的运行,因此可靠性是一个重要指标。
系统需要设计合理的备份机制和冗余系统,以防止单点故障导致系统的停机或数据丢失。
3.故障诊断和维护:系统需要具备故障诊断和维护功能,以便快速发现和解决系统中的故障。
这可以通过自动化的故障诊断系统和远程监控系统来实现。
4.系统集成:复杂过程控制系统通常由多个子系统和分布式控制单元组成,系统集成是一个重要的工作。
思考与练习题参考答案第4章执行器(1)执行器在过程控制中起什么作用?常用的电动执行器与气动执行器有何特点?答:执行器是过程控制系统中一个重要的组成部分,它的作用是接受来自控制器输出的控制信号,并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积,以改变被控参数的流量,控制流入或流出被控过程的物料或能量,从而实现对过程参数的自动控制,使生产过程满足预定的要求。
电动执行器能源取用方便,动作灵敏,信号传输速度快,适合于远距离的信号传送,便于和电子计算机配合使用。
但电动执行器一般来说不适用于防火防爆的场合,而且结构复杂,价格贵。
气动执行器是以压缩空气作为动力能源的执行器,具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出力大、成本较低、安装维修方便和防火防爆等优点,在过程控制中获得最广泛的应用。
但气动执行器有滞后大、不适于远传的缺点,为了克服此缺点,可采用电/气转换器或阀门定位器,使传送信号为电信号,现场操作为气动,这是电/气结合的一种形式,也是今后发展的方向。
(2)执行器由哪几部分组成?各部分的作用是什么?答:执行器由执行机构和调节机构(又称为调节阀)两个部分组成执行机构是执行器的推动装置,它根据控制信号的大小,产生相应的推力,推动调节机构动作。
调节机构是执行器的调节部分,在执行机构推力的作用下,调节机构产生一定的位移或转角,直接调节流体的流量。
(3)简述电动执行器的构成原理,伺服电机的转向和位置与输入信号有什么关系?答:电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。
伺服放大器是由前置磁放大器、触发器,可控硅主回路及电源等部分组成。
执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。
伺服放大器综合输入信号和反馈信号,并将该结果信号加以放大,使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。
根据综合后结果信号的极性,放大器应输出相应极性的信号,以控制电动机的正、反运转前置级磁放大器是一个增益很高的放大器,来自控制器的输入信号和位置反馈信号在磁放大器中进行比较,当两者不相等时,放大器把偏差信号进行放大,根据输入信号与反馈相减后偏差的正负,放大器输出电压,控制两个晶体管触发电路中一个工作,一个截止。