計量測試工程學院熱工研究所授課教師：孫斌

熱工過程控制系統第一章過程控制系統概述

1.1過程控制定義及認識1.2過程控制目的1.3過程控制系統的組成1.4過程控制系統的特點1.5過程控制系統的分類1.6過程控制性能指標1.7過程控制儀表的發展1.8過程控制的地位1.9過程控制的任務1.1過程控制定義及認識過程控制定義所謂過程控制（ProcessControl）是指根據工業生產過程的特點，采用測量儀表、執行機構和計算機等自動化工具，應用控制理論，設計工業生產過程控制系統，實現工業生產過程自動化。1.3過程控制系統組成

被控過程（Process），指運行中的多種多樣的工藝生產設備；過程檢測控制儀表（Instrumentation），包括：測量變送元件（Measurement）；控制器（Controller）；執行機構（ControlElement）;顯示記錄儀表1.5過程控制系統的分類

按系統的結構特點來分反饋控制系統前饋控制系統復合控制系統（前饋-反饋控制系統）按給定值信號的特點來分定值控制系統隨動控制系統程序控制系統性能指標對自動控制系統性能指標的要求主要是穩、快、準。最大超調量σ%反映系統的相對穩定性,穩態誤差ess反映系統的準確性，調整時間ts反映系統的快速性。

第三章過程執行器主要內容執行器電動執行器氣動執行器調節閥及其流量特性變頻器原理及應用本節內容在本課程中的地位執行器用于控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現對過程參數的自動控制。控制器測量變送被控過程執行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-3.1調節閥（調節機構）結構

調節閥是一個局部阻力可以改變的節流元件。由于閥芯在閥體內移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數，被調介質的流量也就相應地改變，從而達到調節工藝參數的目的。

3.1調節閥功能：接受控制器輸出的控制信號，轉換成直線位移或角位移，來改變調節閥的流通截面積。閥心閥桿閥體3.1.1調節閥的組成執行機構：執行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置；調節機構：調節機構是根據執行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。執行機構調節機構3.1.2調節閥分類根據使用能源不同氣動調節閥：以壓縮空氣為能源，輸入信號20～100kPa，價格便宜；多用于石油、化工等易燃易爆場合。電動調節閥：以電為能源，輸入信號4～20mADC，價格貴；使用范圍廣，本質安全（本安）型也可用于易燃易爆場合。液動調節閥：以高壓液體為能源的閥體相同、執行機構不同氣動薄膜調節閥的氣開、氣關形式所謂氣開式，即當信號壓力增加時，閥門開大；沒氣時，閥門關閉氣關式則相反，即信號壓力增加時，閥門關小。沒氣時，閥門打開氣開、氣關形式選擇舉例受壓容器，采用改變氣體排出量以維持容器內壓力恒定，試問調節閥應選擇氣開式還是氣關式？答：氣關式。氣開、氣關形式選擇舉例蒸汽汽包給水加熱室1）保證鍋爐不被燒干2）保證蒸汽中不能帶液LC3.3氣動執行機構

1—波紋膜片；2—壓縮彈簧；3—推桿；4—調節件；5—閥桿；6—壓板；7—上閥蓋；8—閥體；9—下閥蓋；10—閥座；11—閥芯；12—填料；13—反饋連桿；14—反饋凸輪；15—氣動放大器；16—托板；17—波紋管；18—噴嘴；19—擋板電-氣轉換器輸入信號從4mA改變到20mA時，轉換器的輸出壓力從20-100kPa變化，實現了將電流信號轉換為氣壓信號的過程。3.3調節閥的流通能力調節閥是一個局部阻力可變的截流元件，通過改變閥芯的行程可以改變調節閥的阻力系數，達到控制流量的目的。流過調節閥的流量：閥的開度、閥門前后的壓差。為了衡量不同調節閥在某些特定條件下單位時間內流過流體的體積，引入流通能力的概念。3.3調節閥的流通能力調節閥流通能力定義：調節閥流通能力C，是指調節閥兩端壓力差為100kPa,流體密度為1000kg/m3，調節閥全開時，每小時流過閥門的流體的體積。3.9調節閥的流量特性

指介質流過閥門的相對流量與相對開度之間的關系

qv/qvmax——相對流量，即調節閥某一開度的流量與全開流量之比；l/L——相對開度，即調節閥某一開度的行程與全行程之比。

理想流量特性

調節閥前后壓差不變時，得到的流量特性；理想流量特性完全取決于閥芯的形狀；理想流量特性有：直線等百分比拋物線快開理想流量特性曲線1.快開

2.直線

3.拋物線

4.等百分比第四章被控過程重點：1、自衡過程2、傳遞函數中的物理意義

4.1.1過程控制動態特性分類自衡過程（Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發生后，被控變量不斷變化最后達到新的平衡。

非自衡過程（Non-Self-RegulatingProcesses）定義：當擾動發生后，被控變量不會達到新的平衡。

4.3過程特性參數的物理意義過程特性參數1）放大倍數KtaQibK越大表明輸入信號對輸出的控制越強過程增益的注意事項過程增益描述輸出變量隨輸入變量變化的靈敏度。過程增益包含三部分:信號,數值和單位.過程增益只和穩態值有關，因此過程增益是描述過程穩態特性的參數.2）數學模型的時間常數T當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達到新穩態值的63.2%所需時間。C(t)C()t63.2%T3）滯后時間滯后時間是描述系統滯后現象的特征參數，包括純滯后和容量滯后（1）純滯后又稱為傳遞滯后用表示a進料量控制擋板液體溶解液濃度滯后時間（2）容量滯后指系統輸入量變化后，輸出量的變化相當緩慢，在一段時間內幾乎看不到，然后才逐漸顯著地開始變化。用表示。ah1qh2t0t1t2H1QiQ1A1H2Q2A2第五章常規控制策略重點：1、PID調節中各部分的作用及優缺點？2、為何要整定PID參數，工程上有哪些常用方法？控制器的控制規律定義就是控制器的輸出信號隨輸入信號(偏差)變化的規律。這個規律常常稱為控制器的特性。過程控制最常用控制器：PLC（*）數字調節器IPCDCS5.1雙位控制5.1雙位控制tθθ

maxθ

minθ

oTtu雙位控制品質指標品質指標：振幅、周期理想情況希望振幅減小，周期長振幅周期是相互矛盾的設計原則滿足振幅在允許的范圍內后，盡可能使周期長5.2

PID控制規律PID控制規律的表示方法

基本PID控制規律二、PID控制器的基本控制規律1.比例控制規律(ProportionalControlMode)2.比例積分控制規律(Proportional-IntegralControlMode)3.比例微分控制規律(Proportional-DerivativeControlMode)4.比例積分微分控制規律(Three-Mode)3、比例控制規律的特點快—硬碰硬有余差適用于干擾較小，對象的純滯后較小而時間常數并不太小，控制質量要求不高，允許有余差的場合(二)比例積分控制規律1、積分作用

定義：積分作用的輸出與偏差對時間的積分成比例關系積分作用的特點能消除余差積分控制器輸出的控制信號和輸入偏差之間沒有一一對應關系。只要有偏差，輸出的控制信號就會不斷變化，執行器就不斷動作，直到把偏差信號消除。

慢慢來在偏差信號出現的瞬間，無控制作用，輸出控制信號是由零開始積分，并隨時間逐漸積累?？刂谱饔每偸锹浜笥谄钚盘柕淖兓＞哂休^強的抗干擾能力。2、比例積分控制規律——比例與積分兩種作用的輸出之和

3、積分作用的參數積分時間TI

——反映積分作用的強弱在階躍信號輸入中，積分作用輸出為若取積分作用的輸出等于比例作用的輸出3、積分作用的參數積分時間TI的定義：在階躍信號輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經歷的時間就是積分時間TI積分作用的大小與積分時間TI成反比，即積分時間越小，積分作用越強。(三)比例微分控制規律1、微分控制規律：控制器微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比

理想微分控制器的階躍響應曲線在t=t0時，控制器輸入一階躍信號，此時由于輸入偏差的變化速度為無窮大，控制器的輸出變化也為無窮大；在t〉t0時，偏差不再變化，即變化速度為零，故控制器的輸出變化量也為零。具有超前性、預見性只要偏差有變化，控制器就能根據變化速度的大小，適當改變輸出信號，從而可以及時克服干擾影響，抑制偏差增長，提高系統穩定性。

理想的微分作用不能單獨作為控制規律使用

微分作用的特點3、控制器參數整定

整定是指決定控制器的比例帶δ、積分時間TI、微分時間TD和采樣周期Ts的具體數值。整定的實質是通過改變控制器的參數，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統的動態和靜態指標，取得最佳的控制效果。

3.1整定方法整定控制器參數的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法：理論計算整定法有對數頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有現場試湊法、臨界比例度法和衰減曲線法等。

3.2工程整定法特點工程整定不需要事先知道過程的數學模型，直接在過程控制系統中進行現場整定，特點：方法簡單實用；計算簡便；易于工程應用。1、現場湊試法

按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序：置控制器積分時間TI=∞，微分時間TD=0，在比例度δ按經驗設置的初值條件下，將系統投入運行，整定比例度δ。求得滿意的4：1過渡過程曲線。引入積分作用（此時應將上述比例度δ加大1.2倍），將TI由大到小進行整定。若需引入微分作用時，則將TD按經驗值或按TD=（1/3～1/4）TI設置，并由小到大加入。

2、臨界比例度法

在閉環控制系統里，將控制器置于純比例作用下（TI=∞，TD=0），從大到小逐漸改變控制器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例度稱為臨界比例度δk，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tk。據此確定控制器參數。3、衰減曲線法

先把控制器參數置成純比例作用（TI=∞，TD=0），系統投入運行。再把比例度δ逐漸從大調小，直到出現4：1衰減過程曲線。此時的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為4：1衰退減振蕩周期Ts。7.1串級控制系統的定義采用不止一個控制器，而且控制器間相串聯，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值的系統，稱為串級控制系統。7.2串級控制系統常用術語主控制器副控制器調節閥副參數測量變送副對象主對象一次擾動二次擾動主被控參數副被控參數＋－＋－主參數測量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym17.7串級控制系統方案設計溫度+流量溫度+壓力FCTC進料出料燃料油FTTC進料出料燃料油PCPT7.7串級控制系統方案設計（續）溫度+溫度T1CT2C燃料油進料出料T1TT2T7.8串級系統副調節器選型副調節器常選擇P或PI控制律 原因：副回路為隨動系統，其設定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內環中的各種擾動，為加大副回路的調節能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。7.8串級系統主調節器選型主調節器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務是滿足主參數的定值控制要求。因而對于主參數為溫度的串級系統，主調節器必須加入較強的積分作用（除主參數為液位的串級均勻控制系統以外）。當主對象的調節滯后較大，而主參數變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。作業：如圖所示的反應器溫度控制系統，它通過調節進入反應器冷卻水的流量來保持反應器溫度的穩定。TTTCFCFT反應器冷卻水反應器溫度控制系統要求：（1）畫出該系統的方塊圖，并說明它是什么類型的系統；（2）若反應器的溫度不能過高，否則會發生事故，試確定調節閥的氣開、氣關型式（3）確定主調節器、副調節器的正反作用；（4）若冷水壓力突然升高，試簡述該控制系統的調節過程（主副回路同時）。第八章復雜過程控制系統前饋控制系統時間滯后控制系統多變量解耦控制系統比值控制系統均勻控制系統超馳控制系統分程控制系統閥位控制系統8.1前饋控制系統理解前饋控制原理及使用場合；掌握靜態前饋控制和常用動態前饋控制補償模型；掌握前饋-反饋復合控制系統的特點及工業應用。8.1.2前饋控制與反饋控制的比較TC調節閥對象TTT給定值T原油流量a)反饋控制1)前饋是”開環”控制系統;反饋是”閉環”控制系統b)前饋控制FFC調節閥對象TFT原油流量ΔFΔP8.1.2前饋控制與反饋控制的比較2）前饋測量干擾量；反饋測量被控變量3）前饋需要專用調節器，反饋一般只用通用調節器4）前饋只能克服所測量的干擾，反饋可克服所有干擾5）前饋理論上可無差，反饋必定有差前饋反饋控制系統的設計原則

實現前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：“可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉換為前饋補償器所能接受的信號。

“不可控”：指這些擾動量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產中的負荷。

采用前饋控制主要是針對那些“可測不可控”、變化頻繁且幅值較大的擾動量；工程中，一般選用靜態前饋-反饋控制方案即可得到較為滿意的控制效果。8.2時間滯后控制系統時間滯后是指純滯后過程。純滯后往往是由于物料或能量需要經過一個傳輸過程而形成的。純滯后極大地影響系統動態性能，引起閉環控制系統穩定性明顯降低，過渡過程時間加長。τ/T≥0.3時，就被認為是具有較大純滯后的工藝過程，常用控制方法：預估補償方案；采樣控制方案。8.4比值控制系統

定義：兩個或多個參數自動維持一定比值關系的過程控制系統。例如：燃燒過程中，為保證燃燒經濟性，需保持燃料量和空氣量按一定比例混合后送入爐膛；造紙過程中，為保證紙漿濃度，必須控制紙漿量和水量按一定的比例混合。主動量和從動量比值控制系統中，起主導作用的物料流量一般為主動量q1。如燃燒過程中的燃料量、造紙中的紙漿量；隨主動量變化的物料流量稱為從動量q2。如燃燒過程中的空氣量、造紙中的水量。q2與q1保持一定的比值，即：比值控制方案根據工業生產過程的不同需求，有3種常用的比值控制方案：單閉環比值控制；雙閉環比值控制；變比值控制。單閉環或雙閉環比值控制中，比值系數固定不變；而變比值控制中，比值系數可變。8.5均勻控制系統

均勻控制可使被控量y(t)與控制量q(t)在一定