过程控制系统知识点总结
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一、概论
1、过程控制概念：五大参数。
过程控制的定义：工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。
2、简单控制系统框图。
控制仪表的定义：接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。
控制仪表的作用：对检测仪表的信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。
给定值控制器-变送器执行器操纵量被控对象被控量
3、能将控制流程图（工程图、工程设计图册）转化成控制系统框图。
第一个字母：参数类型 T——温度（Temperature） P——压力（Pressure） L——物位（Level） F——流量（Flow） W——重量（Weight） 第二个字母：功能符号 T——变送器（transmitter） C——控制器（Controller） I——指示器（Indicator） R——记录仪（Recorder） A——报警器（Alarm）
加热炉
温度 变送器 控制器 TT TC 原料 执行器 燃料
4、DDZ-Ⅲ型仪表的电压信号制，电流信号制。QDZ-Ⅲ型仪表的信号制。它们之间联用要采用电气转换器。
5、电信号的传输方式，各自特点。
电压传输特点：
1). 某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2). 有公共接地点；
3). 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。 电流信号的特点：
1).某台仪表出故障时，影响其他仪表；
2).无公共地点。若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。 6、变送器有四线制和二线制之分。区别。
1、四线制：电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求。2、两线制：节省电缆及安装费用，有利于防爆。活零点，两条线既是信号线又是电源线。 7、本安防爆系统的2个条件。
1、在危险场所使用本质安全型防爆仪表。2、在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，以限制流入危险场所的能量。 8、安全栅的作用、种类。 安全栅的作用：
1、安全栅作为本安仪表的关联设备，可用于传输信号。
2、控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下， 以确保系统的本安防爆性能。
安全栅的种类：齐纳式安全栅、隔离式安全栅 二、基型调节器
1、基型调节器组成：控制单元和指示单元。基型调节器控制单元构成。
基型控制器又称基型调节器，对来自变送器的1-5V直流电压信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，输出4-20mA（DC）直流控制信号。
控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；
指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路。 2、测量信号、内给定信号范围；外给定信号范围。
测量和内给定信号：1~5V(DC)； 外给定信号：4～20mA直流电流。（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压） 3、输入电路、输出电路的作用。 输入电路作用：
1). 信号综合。将（Ui-Us）后放大两倍反相以Uo1输出，即 Uo1= -2(Ui-Us)。
2). 电平转换。将以0V为基准的输入信号转换为以UB（10V）为基准的输出信号Uo1。 电平转换的目的：使运算放大器工作在允许的共模输入电压范围内。
输出电路作用：把PID输出ΔUo3 （以UB为基准）转换成4-20mA.DC输出。实现电压—电流转换。 4、放大系数和比例度。 比例度比例度的一般表达式：? ???max??min?yymax?ymin?100%?输入的相对变化输出的相对变化式中：?max??min—偏差变化范围；ymax?ymin—输出信号变化范围。
在单元组合仪表中，?max??min?ymax?ymin。此时比例度可表示为： ??1?100%KP即?与KP成反比，?愈小，KP愈大，比例作用就越强。5、基型调节器PD电路的阶跃响应曲线形状；比例分量；t=TD/KD时的微分分量；微分时间。 作用：对?Uo1进行PD运算，可设置T D 、 KP （或比例度）。T D为微分时间；KP为比例系数。
比例系数：?
KD微分时间：TD=nRDCD 调整Rp（?）和RD
可改变比例度和微分时间。
微分作用：快速的调节作用，超前作用。
6、基型调节器PI电路的阶跃响应曲线形状；比例分量： Kc=CI/CM；t=TI时的积分分量；积分时间。
7、积分饱和。
解决积分饱和办法：1)对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值；2)限制积分电容两端的充电电压；3)切除积分作用。
8、微分时间对微分作用的影响，积分时间对积分作用的影响。 微分时间越小，微分作用越强；积分时间越大，积分作用越强。 9、软手操电路和硬手操电路。
软手动操作电路是积分电路。硬手动操作电路是比例电路。
作业
2-4 某P控制器的输入信号是4mA~20mA，输出信号为1V~5V，当比例度δ=60%时，输入变化0.6mA所引起的输出变化是多少？
解：根据比例度的公式：
?xx?xmin ??max?100%
?yymax?ymin
得
?y? ?x10.61(ymax?ymin)??(5?1)?0.25V
xmax?xmin?20?4602-7 某PID控制器（正作用）输入、输出信号均为4mA~20mA，控制器的初始值Ii=Io=4mA，δ
=200%，TI=TD=2min，KD=10。在t=0时输入⊿Ii=2mA的阶跃信号，分别求取t=12s时：①PI工况下的输出值；②PD工况下的输出值。
解：①PI工况下
11?2?1mA P分量=KP?Ii??Ii??200%Ti时：P分量=I分量；则Ti时，PI分量=2mA Ti=2×60=120s
?Io21012sTiPII分量P分量t(s)
PI直线过（0，1）和（120，2）两点
2?1?1.1mA
120?0t=12s时的输出为Io=初值+?Io=4+1.1=5.1mA
则t=12s时的输出变化量为：?Io?1?12?①PD工况下 P分量=KP?Ii?P分量=
1??Ii?1?2?1mA 200%?KD?Ii?1mA 解得 ??5
TD2?60??12s KD10?Io(mA)10TD/KD=12?0.368KD?1??IiKDP分量t(s)
则t=12s时的输出变化量为：?Io?0.368KD?1??Ii?P分量 KD
t=12s时的输出为：Io=初值+?Io=4?0.36810?1?5?2?1?8.312mA 10三、变送器
1、变送器的结构。变送器的作用。
构成原理：变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部分）、放大器和反馈部分。
零点调整 z0 x 测量部分C zi + + y 放大器K 反馈部分F － zf -
变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显示、记录和控制之用。 2、变送器的输入输出关系。
y?K(zi?z0?zf)?K(Cx?z0?Fy)
3、量程调整的目的；零点调整/迁移。
使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin≠0时，称为零点迁移。零点调整使变送器的测量起始点为零。零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值。
4、差压变送器的作用；差动变压器的作用。
差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。
差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD。
5、温度变送器的品种、结构（量程单元和放大单元）；四线制温度变送器的特点。
各类变送器分为三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。 四线制温度变送器有如下特点：
（1）主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。
（2）在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。
（3）变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。 6、热电偶温度变送器以及热电阻温度变送器的量程单元。 7、气动仪表的基本元件。
由气阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等基本元件组成。 8、弹性元件、喷嘴挡板机构、电气转换器。
弹性元件作用：将压差转换成位移，在仪器的连接处产生一定的操作力。 喷嘴挡板机构作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。 电/气转换器工作原理是基于力矩平衡原理工作的。 四、运算器和执行器
1、开方器应用场合、作用。
开方器主要应用在流量测量与控制系统中，开方器对差压变送器的输出信号进行开方运算，从而得到与被测流量成比例关系的电压或电流信号。 2、执行器的结构、分类。
执行器分为两部分：执行机构和调节机构。
气动执行器 Pλ→L→Q
按能源分： 电动执行器 Ii→L→Q 直行程（直线位移）
角行程（角位移） （两者减速器不同）
液动执行器 3、角行程电动执行机构的结构。
~220V ~ 4 2mI i I 放 大 器 伺服 操作 器 阀 位 指示 伺 服 电 机 减 速 器 ? ?? 0~90f 位 置 反 馈 放大 器 位 置 发 送 器 执行 机 构 角行程电动执行机构方框图
4、标准气压信号范围(20kPa-100kPa)，气源信号(140kPa)。
5、气动执行机构的种类。
气动执行机构有薄膜式和活塞式两种，常见的气动执行机构均属薄膜式。薄膜式特点为：结构简单、动作可靠、维修方便、价格低，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。 6、调节阀的正反作用、正装阀/反装阀、气开/气关。
7、气开阀/气关阀的选择原则。
调节阀气开、气关阀选择，主要根据工艺生产的需要和安全要求来决定的；原则是当信号压力中断时，应能确保工艺设备和生产的安全。如果阀门处于全开位置安全性高，则应选用气关阀，反之，则应选用气开阀。
8、阀门定位器的作用。
阀门定位器可以增加执行器的输出功率，减小信号传递滞后，加快阀杆的位移速度，提高线性度，克服摩擦力影响，保证阀位正确到位。
9、控制阀的工作原理；流量特性；理想流量特性、工作流量特性。
控制阀体就是依据执行机构输出的推杆位移量来改变阀门的开启程度，从而改变流通阻力以达到控制流体介质流量的目的。控制阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（即推杆的相对位移）之间的函数关系。理想流量特性：阀前后差压不变时的流量特性（固有流量特性）。工作流量特性：阀装在管道中，前后差压变时的流量特性，也叫实际流量特性。 10、控制阀的流量特性类型、各自特点。
理想流量特性，通常有四种典型形式：
（1）直线特性-流量与阀芯位移成直线关系；
（2）对数特性-流量与阀芯位移成对数关系，引起的流量变化的百分比相等； （3）快开特性-开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。
（4）抛物线特性-介于直线流量特性与对数流量特性之间，从而弥补了直线流量特性小开度时控制性能差的特点。
11、控制阀的可调比（可控比）。
R=
Qmax，可调比（可控比），即阀所能控制的流量上限与流量下限之比。Qmin为流量下限，不是泄Qmin漏。
12、控制阀串联管道工作流量特性的特点。
S=1，理想流量特性。?P 阀前后压差始终不变。 全开??P系统??P全关S???P阀?，特性曲线下移，流量特性畸变。??
??直线变为快开； 对数变为直线；
S太小，流量变化范围减小，对控制不利。 S一般不小于0.3。
13、控制阀出厂时标注的为理想流量特性。 五、过程控制系统绪论 1、控制通道、干扰通道。
控制通道：被控量与输入控制作用之间的联系被称为“控制通道”。干扰通道：被控量与扰动之间的联系被称为“干扰通道”。 2、过程控制系统的组成。
扰动d设定值r-偏差e控制器u执行器操纵量被控对象被控量y测量值z测量元件、变送器
3、控制器正反作用的确定依据：（控制器±）×（对象±）=（—）。 4、过程控制系统按设定值的形式分类。
定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统 5、过程控制系统的品质指标。
递减比n（衰减比）、动态偏差B1 （最大偏差、最大过调量、超调量）、调整时间 Tc (控制时间、过渡过程时间、恢复时间）、静态偏差C（余差、残余偏差）。 六、过程建模 1、自平衡能力。
自平衡能力：凡受到干扰后，不依靠外加控制作用就能重新达到平衡状态的对象，是具有自平衡能力的对象。否则，是无自平衡能力的对象。
2、过程控制系统被控对象特性三个参数：放大系数、时间常数、滞后时间的求取。 3、阻力和容量的影响。
Q 综上所述，不同过程所具有的阻力，就是被控量y发生变化时，对流量的影响。即dy （2-15）dQ阻力R与T、K的关系： R? 以水箱为例：T?RC，K?kxR因此，阻力与放大系数及时间常数有关。 静态：影响放大倍数 动态： 影响响应速度， 见图2-6。 一般希望对象阻力小些，T较小，响应快，以获得较好的控制效果。阻力既影响动态又影响静态。h00Qi0h?QiQ??QiQ2Q1Q3t0T3T1T2th3(?)h1(?)123h2(?)t0t
容量只影响反应速度，不影响放大系数，属于动态参数。T=RC容量增大，响应过程相对增长。见图2-8。C↑→T↑。
图2-6 阻力对响应特性的影响
4、多容过程等效为单容过程。
??Q1(s)?Q2(s)?A1sH1(s)?Q2(s)?Q3(s)?A2sH2(s)??H(s)?Q2(s)?1 ?R1?QH2(s)?3(s)?R??Qk21(s)?xX(s)
X(s)H1(s)1Q2(s)1Hk2(s)x1A1sR1A2s-Q2(s)-Q3(s)1R2
???Q1??Q2?A1????Q2??Q3?A2???h??Q2?1?R1???Q?h3?2R???Q21?kx?x拉氏变换得：
11H2(s)A1sR1?kx11X(s)(1?)(1?A1sR11kxR2KA2s?? 11)(R1A1s?1)(R2A2s?1)(T1s?1)(T2s?1)A2sR2T1?R1A1T2?R2A2K?kxR2
5、时域法过程建模，单容水箱以及双容水箱的过程传递函数。
H(S)K1. 单容对象的传递函数： W（S）??X(S)Ts?1K??0s2. 有纯滞后单容对象的传递函数：W(S)?eTs?1K3. 双容对象的传递函数： W(S)?T1T2S2?(T1?T2）S?1K 或 W(S)?（T1S?1）(T2S?1）K4. 有纯滞后双容对象的传递函数： W(S)?e??0S（T1S?1）(T2S?1）K5. 多容对象的传递函数： W(S)?（T1S?1）(T2S?1）??????(TnS?1）K6. 带有纯滞后多容对象的传递函数： W(S)?e??0S（T1S?1）(T2S?1）??????(TnS?1）K7. 等容对象的传递函数： W(S)?n（TS?1）K??0S8. 带有纯滞后等容对象的传递函数： W(S)?en（TS?1）
作业
1、如图所示单容水箱，负载阀的流阻为R2。现以Q1为输入，Q2为输出，求Q2(s)/Q1(s)。
d?h??Q??Q?C2??1dt ??h?Q2???R2?
(s)?Q1(s)?Q2(s)?CsH?H(s) Q1(s)?Q2(s)?CsR?2Q2(s) Q2(s)??R2?
Q2(s)11 T?R2C ??Q1(s)CR2s?1Ts?1
2、如图所示，已知一单容水箱其底面积为C，输入为Qi，输出为h。Qo1和Qo2对应的流阻分别为R1和R2，求H(s)/Qi(s)。
?d?h??Qi??Qo1??Qo2?Cdt??h??Q? ?o1R1??h??Q?o2?R2???(s)?Qi(s)?Qo1(s)?Qo2(s)?CsHH(s)?Q(s)? ?o1R1?H(s)?Q(s)?o2?R2?
Qi(s)?H(s)H(s)??CsH(s) R1R2R1R2H(s)1KR1?R2???
11RRCsQi(s)Cs??12?1Ts?1R1R2R1?R2K?R1R2RR T?12C
R1?R2R1?R2
七、单回路控制系统
1、放大系数（干扰通道/控制通道）、干扰通道时间常数、纯滞后时间、控制通道时间常数、纯滞后时间对控制质量的影响。
极点的影响：
1）Td增大，过程变慢，过渡过程时间加长。
2）使过渡过程动态分量减小了Td倍，即超调量减小，控制质量提高。
结论：
干扰通道的时间常数大，或者惯性环节数增加时，控制质量将提高。（对干扰起滤波作用。） 2、选择操纵量的一般原则。
直接参数：能表征产品产量、质量、安全性能等方面的参数。间接参数：与直接参数具有单值关系（P、T等），并有足够灵敏度。 3、控制阀的流量特性的选择。
确定工作流量特性的原则：使广义对象具有线性特性。即：K=KvKo=常数。 4、控制阀的口径计算步骤。
1、根据现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算的最大工作流量Qmax和最小工作流量Qmin。
2、根据系统特点选择S值，然后计算控制阀全开时的压差。
3、根据控制介质类型和工况，选用合适的C值计算公式，求取最大最小流量时的流通能力Cmax、Cmin。
4、根据Cmax值，在所选用的产品形式的标准系列中，选取大于Cmax并接近的一档C值，获得口径值。见表3-6。
5、开度验算。
6、实际可控比验算。
7、上述各项合格，则所选控制阀口径合格，否则，需重定C值和口径，再验算至合格。 5、控制器的选型。PID的作用。 P控制器的选型：
特点：快，输出与偏差成比例，阀门开度与偏差有对应关系，有余差。抗负荷干扰能力强，调节时间短。
适用场合：适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统。如：压缩机储压罐的压力控制系统；储液槽的液位控制系统：串级控制系统的副回路。 PI控制器的选型：
特点：I可消除余差，但稳定性低。引入I后，Kc↓（?↑），可保持原稳定性，但过渡过程变长。 适用场合：适用于控制通道滞后小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的场合。如：流量、压力系统。
PID控制器的选型：
特点：D对克服容量滞后有明显的效果，D使稳定性提高，最大偏差减小；I消除余差；P作用快速有效。
适用场合：适用于容量滞后较大，负荷变化较大，被控量不允许有余差的场合。如：温度、ph值系统等。
对于负荷变化很大，纯滞后又较大的系统，应采用复杂的控制方案。 6、控制器参数整定方法。
经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法（4：1或10：1）、响应曲线法。 7、递减率和递减指数。P177 8、根平面中质量合格区域。
9、经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法（4：1或10：1）、响应曲线法。
经验凑试法：简单可靠，适用于各种系统。但反复凑试，花时间多。是“看曲线、调参数”的方法，整定质量因人而异。经验丰富的人用次法更合适。
临界比例度法：简单易掌握，整定质量较好。对临界比例度很小或过渡过程不允许出现等幅振荡的系统不适用。
衰减曲线法：安全、准确、可靠，整定质量较高。对于干扰频繁或由各种原因难于从曲线上判别递减比和衰减周期的系统不适用。
响应曲线法：整定质量高，但要求测响应曲线。 八、串级控制系统
1、术语：主/副变量、主/副控制器、主/副对象、主/副回路、主/副变送器。P189 2、主对象以及副对象的输入和输出信号。
3、一次干扰和二次干扰。
4、串级控制系统的特点。
5、串级控制系统中副变量的选择原则。
6、串级控制系统中主/副控制器正反作用的判断。
7、串级控制系统参数整定方法。
九、其它控制系统
1、比值控制系统的类型。
2、比值控制系统比值系数折算的目的。比值系数的折算。
3、前馈控制系统。前馈控制与反馈控制的区别。
4、前馈控制器的设计，实现完全补偿。
5、分程控制的概念，与非分程控制的区别。
6、分程控制的应用场合。
7、选择性控制系统的设计步骤。
8、选择性控制系统中产生积分饱和的条件，及防止积分饱和的办法。
9、大滞后控制系统。Smith预估补偿器的结构、特点。
10、多变量解耦控制。求相对增益矩阵，选择合适的变量配对。
11、解耦补偿器的设计：串联补偿解耦设计和前馈补偿解耦设计。