过程控制工程——复习课

第一章概述1、过程控制系统的组成；四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。

2、过程控制系统基本结构图;3、控制系统系统的性能指标（工程意义是什么，给出阶跃响应，会计算相应的指标值）第二章被控过程的数学模型1、被控过程的特点；5点2、被控对象的数学模型表达形式3、了解机理法建模中三种水箱的模型的数学表示；4、了解两种测试法建模的方法（作图法、两点法）；要求：掌握机理法的建模步骤，会用机理法对简单对象进行建模。

要求：记住自衡单容对象、双容对象、无自衡单容对象的数学模型及其单位阶跃响应曲线。

时域法测定对象动态特性的数据处理：作图法、两点法（主要针对一阶对象的K、T、τ）第三章执行器1.气动调节阀的结构组成;2.调节阀的正装、反装，气开、气关是如何规定的？3.根据工艺条件，选择调节阀的气开、气关形式；4.调节阀的结构特性（四种）P58、流量特性（理想、工作—串联、并联）P615.习题。

P83---3-4、3-5、3-6。

第四章PID控制原理1. PID的特点2. 比例带的定义。

P86（会计算）3. PID调节规律、参数对调节过程的影响。

4. 数字PID的位置型、增量型算式5. 三种改进的数字PID算法的思路（出发点）、基本原理；6.习题：4-1 ~ 4-10。

7、参考题（7-1）有一台PI调节器，δ=100%，Ti=1分，若将P改为200%时：（1）调节系统稳定程度提高还是降低？为什么？（2）动差增大还是减小？为什么？（3）静差能不能消除？为什么？（4）调节时间加长还是缩短？为什么？答案：∵ΔU=Kp*e+Kp/Ti∫edt其中：ΔU—输出变化量，e—输入变化量，Kp—比例常数，Kp=1/δ;当δ从100%变为200%、Ti不变时，偏差e不变，输出信号ΔU变小。

所以：（1）稳定程度提高（因为δ增大后，ΔU变小，不易振荡）。

（2）动差增大（由于ΔU变小后，调节幅度小即调节作用弱，造成动差增大）。

过程控制工程复习指南《过程控制工程》一、填空题1.过程控制系统是由控制器、执行器、被控对象和检测器组成。

2.过程控制系统按设定的不同可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

3.评价工业过程控制系统的主要指标有：稳定性、准确性和__快速性___。

4.调节阀的选择主要从结构形式、开关形式、流量特性和流通能力四个方面考虑。

5.比值控制系统的类型有开环比值、单闭环比值、双闭环比值和变比值。

6.调节器参数的工程整定法有响应曲线法、临界比例法、衰减曲线法和经验整定法。

7.串级控制系统的主副过程的时间常数之比一般控制在3·10 的范围。

8.比值控制系统中副流量应整定在震荡与非震荡的边界。

9.DDZ-Ш 仪表输出信号为 4~20 mA DC 或 1~5 V DC。

10.在 PID 控制器中，调节器的K c越大，表示调节作用越强，T i 值越大，表示积分作用减弱， T d值越大表示微分作用越强11.串级控制系统能迅速克服进入副回路改善主控制器的广义对象特性，容许一定的自适应能力内各环节的特性在一定的范围内变动而不影响整个系统的控制品质。

12.加热炉的燃料油系统应选用气开调节阀；锅炉液位控制的冷水阀应采用气关调节阀。

13.控制系统引入积分作用是为了消除余差,但积分的引入会使系统产生震荡现象,引入微分作用是为了克服容量滞后。

14.执行器按其能源型式可分为电动，气动，液压三大类。

15.控制器的作用方式有执行机构和调节机构。

16.比例控制规律的优点是控制及时响应快、积分控制规律的优点是减小稳态误差，快速反应、微分控制规律的特点是超前性。

17.自动控制系统中LT表示液体变送器，PC表示压力控制器。

18.气动调节阀开关形式有执行机构和调节机构。

19.气动执行器由气动执行机构和调节机构两个部分组成。

20.串级调节系统，一般情况下主回路选择PID或PI调节规律调节器，副回路选用P调节规律调节器；如果副回路采用差压法测流量，应采用什么装置开方器补偿。

第一章过程控制系统的概况1.2过程控制系统的基本概念a：自动控制是指在没有直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置）使被控对象的工作状态或参数（压力，物位，流量，温度，ph值等）自动的按照预定的规律运行。

b：过程控制概念：采用模拟或数字控制方法对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。

1.开环控制与反馈控制的比较开环优点:结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。

缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。

闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。

缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。

1.3过程控制系统的类别a：定值控制系统b：随动控制系统c：程序控制系统1.4过程控制系统的特点(1)被控对象的多样性(2)对象存在滞后（3）控制系统比较复杂（4）系统有众多过程检测仪表，控制仪表（5）控制方案丰富第二章单回路控制系统设计1.单回路控制系统定义：指由一个被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一个执行器组成的单闭环负反馈控制系统。

2、单回路控制系统的设计前提：充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求。

⏹正确选择被控变量；⏹正确选择控制变量；⏹正确选择测量变送装置；⏹正确选择调节阀的开闭型式及其流量特性；⏹正确选择控制器的类型及其正反作用，控制规律；3.被控变量的选择的一般原则-y(t)a．对控制目标具有决定性作用的工艺变量作为被控参数；b．要有足够大的灵敏度；c．能满足工艺要求；d．仪表能够实现4.被控变量的选择方法1、直接指标：对于以温度、压力、流量、液位为控制指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。

2、间接指标：若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）作为被控变量时，可选择一种间接的指标作为被控变量。

第一章1.过程控制系统的组成调节器、调节阀、被控过程、检测变送2.过程控制系统的分类1）按系统的结构特点分类反馈控制系统、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类定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统3.过程控制系统的质量指标系统是衰减震荡的过程、衰减比和衰减率、余差、调节时间，峰值时间第二章1.数学模型的建立方法解析法：根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡关系，建立数学模型的方法自衡过程和无自衡过程。

2.实验法a.阶跃响应法，试验时需要注意的问题1)试验测定前，被控过程应处于相对稳定的工作状态2)输入阶跃信号的幅值不能过大，也不能过小3)分别输入正负阶跃信号，并测取其响应曲线作对比4)在相同的条件下重复测试几次b.矩形响应法3.混合法第三章1.变送器的类型和特点差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器温度变送器的分类是直流毫伏变送器、热电隅温度变送器（热电效应）、热电阻温度变送器温度变送器的特点：（1）采用低漂移，高增益的运算放大器作为主要放大器，具有线路简单和良好的可靠性，稳定性及各项技术性能。

（2）在配热电隅和热电阻的变送器中采用线性化电路，使其输出电流I与被测温度呈线性关系，测量精度高（3）线路中采用了安全火花防暴技术措施，可用于易燃易爆场合（4）采用DC24V集中供电，实现了二线制接线方式液位变送器迁移的原因：差压变送器安装位置与容器液相取压点不在同一个平面上。

2.仪表的选择1)量程的选择2）仪表等级的选择3.仪表的应用1）零点的调整：将变压器的测量起始点由零点迁移到某一点正值或负值2)量程的调整的目的：使变压器输出的信号的上限值Ymax与输入测量信号上限值Ymax相对应。

意义：工程应用中变送器进行零点迁移与量程调整可以提高其灵敏度。

第四章1.理解调节器在控制系统的工作原理2.调节器的分类1）按使用的能源：气动调节器和电动调节器2）按结构形式来分：基地式调节器、单元组合调节器、组装式调节器3）按信号类型：模拟调节器和数字式调节器3.调节器作用方式的选择4.调节规律对控制系统的影响PID调节器参数对系统的影响1）比例度是反映比例控制作用强弱的一个参数。

过控复习重点第一章1.过控的定义：过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。

2.过程控制的特点：①连续生产过程的自动化②过程控制系统由过程检测、控制仪表组成③被控过程是多种多样的、非电量的④过程控制的控制工程多属慢过程、而且多半为参量控制⑤过程控制方案十分丰富⑥定值控制是过程控制的一种常用形式3.过程控制系统的组成：测量元件、变送器、调节器、调节阀（过程检测控制仪表）和被控对象4.过程控制的分类：按过程控制系统的结构特点分①反馈控制系统②前馈控制系统③前馈—反馈控制系统 按给定值信号的特点分①定值控制系统②程序控制系统③随动控制系统5.过程控制的任务在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制理论、现代控制技术，分析、设计、整定过程控制系统。

第二章1.过程的数学建模:是设计过程控制系统，确定方控制案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。

2.建模的目的：①设计过程控制系统和整定调节器参数②指导设计生产工艺设备③进行仿真实验研究④培训运行操作人员3.被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道4.控制作用与被控量之间的信号联系称为控制通道5.建模的方法：①机理分析法建模②实验法建模③最小二乘法建模6.自衡建模（1）单容过程：单容过程是指只有一个贮蓄容量的又具有自平衡能力的过程。

传递函数：1)(000+=s T K s W（2）多容过程：在工业生产过程中，被控过程往往由多个容积和阻力构成的过程称为多容过程传递函数：)1)(1()(2100++=s T s T K s W 7.非自衡过程建模（1）单容过程：传递函数：s T s W a 1)(0=(2) 多容过程：传递函数：)1(1)(0+=Ts S T S W a8.最小二乘法的基本原理：出发点是在获得过程或系统的输入、输出数据后，希望求得最佳的参数值，以使系统方程在最小方差意义上与输入、输出数据相拟合，采用实际观察值替代模型的输出从上式所示的一类模型中找出过程参数向量的估计值，能使模型误差尽可能小的模型。

过程控制工程知识点复习过程控制工程知识点复习一.过程控制系统及其分类1.过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。

2.过程控制有三种图表示分别是系统框图控制流程图工艺流程图我们应当学会识别。

控制流程图系统框图工艺流程图3.过程控制系统的分类按结构特点分为反馈控制系统（闭环）前馈控制系统（开环）前馈-反馈控制系统（复合控制系统）复合控制系统按信号特点分定值控制系统（给出给定值）程序控制系统（按一定规律变化如空调温度随时间变化定值变化11：00给25°c 12：00给28°c）随动控制系统（如比值控制）二.过程建模被控过程是指正在运行的多种被控制的生产工艺设备，如锅炉，精馏塔，化学反应器等等，被控过程的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（控制量与扰动）作用下相应输出量变化函数关系的数学表达式。

过程的数学模型有两种1.非参数模型，如阶跃响应曲线脉冲响应曲线频率特性曲线是用曲线表示的2.参数模型，如微分方程传递函数脉冲响应函数状态方程差分方程是用数学方程式表示的。

机理法建模机理法建模又称为数学分析法建模或理论建模。

自平衡能力：即过程在输入量的作用下其平衡状态被破坏后无需人或仪器的干预，依靠过程自身能力逐渐恢复达到另一新的平衡状态试验法建模试验法建模是在实际的生产过程中，根据过程输入，输出实验数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。

特点是不需要深入了解过程机理但必须设计合理实验。

三.过程测量及变送测量误差测量误差是指测量结果与被测量的真值之差，测量误差反应了测量结果的可靠度。

绝对误差：绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差，在工程上，通常把高一等级精度的标准仪器测得的值作为真值（实际值）此时的绝对误差是指用标准仪表（高精度）与测量仪表（低精度）同时测量同一值是，所得两个结果之差。

相对误差：相对误差是指绝对误差与被测量的真值之比的百分数，它比绝对误差更具有说明测量结果的精度。

过程控制工程》期末考试复习题及参考答案答案：C二、___答题1、什么是过程控制工程？过程控制工程是指对生产过程中的物理量进行测量、控制和调节，以达到生产过程稳定、优化和自动化的技术和方法。

2、什么是反馈控制系统？其优点是什么？反馈控制系统是指通过对被控对象输出值与设定值之间的差异进行测量，并将这个差异信号反馈到控制器中，以调节控制器输出信号的系统。

其优点是能够自动调节系统的输出，使系统稳定在设定值附近，具有良好的鲁棒性和适应性。

3、什么是前馈控制系统？其优点是什么？前馈控制系统是指在控制系统中加入一个预测模型，根据预测模型预测被控对象的输出值，并将预测值作为控制器的输入信号，以提高控制系统的响应速度和控制精度。

其优点是能够减小被控对象输出值与设定值之间的误差，提高控制系统的响应速度和控制精度。

4、什么是控制系统的稳态误差？如何消除？控制系统的稳态误差是指被控对象输出值与设定值之间的差异在长时间运行后趋于稳定的误差。

消除稳态误差的方法包括增加控制器增益、调整控制器的积分时间常数、增加前馈控制等。

5、什么是控制系统的过渡过程？如何评价过渡过程的质量？控制系统的过渡过程是指被控对象输出值从设定值开始到稳定在设定值附近的过程。

过渡过程的质量可以通过评价过渡过程时间、超调量、振荡幅值等指标来进行评价。

过渡过程时间越短、超调量越小、振荡幅值越小，说明过渡过程的质量越好。

34、在单回路控制中，选择合适的控制阀结构形式非常重要。

在分流或合流控制时，应该选择三通控制阀。

35、在单回路控制中，选择合适的控制阀结构形式非常重要。

对于大口径、大流量、低差压，而泄漏量要求不高的情况，应该选择蝶阀。

36、为了确保过程控制系统正常工作，必须满足各个环节的静态放大系数相乘小于1.37、在控制阀的正作用下，如果控制阀是气开式，那么Kv应该大于1.38、在控制阀的负作用下，如果控制阀是气关式，那么Kv应该小于1.39、在控制器正作用时，其放大系数Kc应该大于0.40、在控制器负作用时，其放大系数Kc应该小于0.41、在控制器上对整定参数进行设置的顺序应该是P、I、D。

1.控制系统基本组成：被控对象、测量变送器、执行器、控制器2.PID整定方法：经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法3.动态建模方法：机理法建模、测试法建模、半测试法建模4.前馈控制基本原理：测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。

5.定比值控制方案与种类：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统6.传热设备热传递式：1.积分饱和概念及防止概：对于一个有积分功能的控制器只要被控变量与设定值之间存在偏差，控制器的积分作用就会对偏差进行积累来改变控制器的输出。

如果这时阀门已达到饱和（已全开或全关），或者是泵出现故障等原因，而无法继续进行调节，那么偏差将无法消除。

然而控制器还是要试图校正这个偏差，如果给予足够时间，积分作用将使控制器的输出达到某个限值并停留在该值，这种情况成为积分饱和。

防：当发现控制器输出饱和时，就停止控制器的积分作用，当控制器输出不再饱和时再恢复积分作用。

主要有限幅法和积分切除法2．串级控制特点及设计原则特点：○1副回路具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响○2改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。

在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大○3能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性”增强）设计原则：○1单回路控制不能满足性能要求的情况下可以考虑采用串级控制○2具有能够检测的副变量，且主要干扰应该包括在副回路中○3副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能○4将对象中具有显著非线性或时变特性的部分归于副回路对象中3.前馈控制特点及与反馈控制比较○1前馈控制是基于不变性原理工作的，对于干扰的克服要比反馈控制及时。

○2前馈控制属于开环控制。

○3前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器。

○4一种前馈控制只能控制一种干扰。

比较反馈控制前馈控制1）控制的依据被控变量的偏差干扰量的大小2）检测的信号被控变量干扰量3）控制作用发生的时间偏差出现后偏差出现前4）系统结构闭环控制开环控制5）控制质量有差控制无差控制6）控制器通用PID 专用控制器7）经济性和可靠性一种系统可克服多种干扰对每一种都要有一个控制系统4.均匀控制目的与特点目的:使液位保持在一个允许的变化范围内，而流量保持平稳。

过程控制工程复习的主要内容
1、常规的基于机理的系统建模，由原理方程绘制过程的方框图，根据方框图求控制通道、干扰通道、传递函数。

2、单回路控制系统：方框图的绘制，调节阀的形式选择（气开、气关），控制器正反作用的选择，基于响应曲线法的控制器参数整定。

3、串级控制系统：方框图的绘制，调节阀的形式选择（气开、气关），控制器正反作用的选择，根据给定的工艺条件设计串级控制系统。

4、前馈控制系统：方框图的绘制，前馈控制器的计算，根据给定的工艺条件设计基于前馈的控制系统（前馈+反馈，前馈+串级）。

5、比值控制系统：方框图的绘制，比值器比值系数与流量比之间关系的计算，根据给定的工艺条件设计比值控制系统，正常工作条件下变送器的输出信号的计算。

流量信号与变送器输出信号之间的关系试卷中不提供，比值器的输入输出关系试卷中也不提供。

6、选择控制：方框图的绘制，根据给定的工艺条件设计选择控制系统，选择器的确定，控制器正反作用的确定。

7、分程控制：方框图的绘制，调节阀的形式选择（气开、气关），根据给定的工艺条件设计分程控制系统，控制器正反作用的确定。

8、
9、大纯滞后过程的控制的基本思想，Smith控制器的设计思路。

锅炉水位的双冲量控制，累加器中系数的确定方法。

10、作业，期中考试中涉及到的内容必须掌握。

11、反应釜温度控制实验的基本内容必须掌握。

12、监控软件的设计思想必须掌握，WinCC的基本特性需要掌握。

13、均匀控制，多回路控制系统的分析与设计，内模控制本次考试不涉及。

过程控制题型：选择，判断，填空，简答，计算（以下为复习课提及考点）1.控制系统的性能指标：工业过程对控制的要求，可以概括为准确性、稳定性和快速性2.求调节时间ts，余差，稳定值即y（∞）ts:（反映快速性）被控变量进入新稳态值的±5%（也有的规定为±2%）；余差：（反映准确性）稳态值(实际)与设定值（目标）之差；衰减比：n=B1/B2.衰减率：nBBBBB/11121121-=-=-=ψ；动态偏差：为被控量偏离设定值的最大偏差值（图中A）超调为A/y(∞)*100%.【例】某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。

考虑安全因素，控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。

现设计的温度控制系统在最大阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图所示。

则该系统的过渡过程的最大偏差、衰减比、余差和过渡时间各为多少？并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？最大偏差A = 950-900 = 50℃衰减比n = (950-908)：(918-908) = 4.2：1余差C = 908-900 =8℃过渡时间t = 47min题中要求该系统控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃，而实际该系统过渡过程中偏离设定值的最大幅值仅为50℃，因此能够满足题中所给的工艺要求。

3. 判断自衡与非自衡1）自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏 ，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为平衡能力；2）非自衡的定义：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏 ，被调量以固定的速度一直变化下去而不会自动地平衡在新的平衡点，称为无平衡能力。

*注：积分1/s 具有积累存储功能(越来越大、发散)，能分解出1/s 因子的为非自衡；如：1/（s^2+s+5）为自衡，1/(s^2+s)=1/s(s+1)为非自衡。

4. 切线法进行对象拟合题型1求参数题型2画图s e TS K S G τ-+=1)(，u y y K ∆-∞=)0()(（u 为阶跃输入幅值，一般为单位阶跃u=1），τ为纯延迟。