《过程控制工程》复习 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

概论 控制系统与过程控制系统的概念 过程控制的术语与目标 过程控制系统的方块图描述 反馈控制系统的分类

反馈控制过程 借助于传感器，获得液位测量信号，再通过变送器将测量信号放大、并转换成控制器可接受的标准信号； 控制器（有时也称“调节器”）接受该标准测量信号，并与其期望值进行比较； 基于比较结果，控制器决定如何校正测量值与其期望值之间的偏差； 基于决策结果，控制器给执行机构发出一个控制信号，让执行机构采用具体的动作。

过程控制工程中的重要术语 被控变量/受控变量 (Controlled Variable，CV或者PV) 指：工艺过程希望稳定在某一期望值的变量或工艺参数。 CV完整描述：“工艺介质”+“工艺部位”+“工艺参数” 设定值/给定值 (Setpoint，SP) 指：被控变量的期望值。SP的内外表示： SP在控制器内部实际上是控制器输入比较器的比较基准，通常为电量或%；通常将SP按测量仪器量程，转换成对应的工程量。 控制器输出信号 (OP)

过程控制重要术语（Cont.） 操纵变量/操作变量 (Manipulated Variable，MV) 指：控制系统直接可操作、并用于使被控变量保持在其设定值的其它工艺变量。具体特点： （1）MV为某一工程量，通常为某一工艺介质的流量； （2）MV为工艺操作人员对CV的主要操作手段； （3）受控制器输出直接影响. 扰动/扰动变量 (Disturbance，DV) 任意可能导致被控变量偏离其设定值的、而该控制系统本身又无法干预的各种因素。 特点：“自主性”、“可变性”、“与CV的相关性”。

控制系统方框图 假设变量之间满足以下关系： 对于上述储气罐压力控制系统，请指出其 CV、SP、MV、DVs，并给出其控制系统的设计目标。

控制系统方块图

过程特性分析 过程特性分类 过程特性机理建模法 执行机构介绍 过程特性测试建模法

控制系统“广义对象”的概念 “广义对象” 包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。

被控过程的分类 自衡过程/稳定对象 (1) 单容过程 (2) 多容过程 非自衡过程 例如：某些液位对象与某些放热反应器

广义对象的特性参数 广义对象描述： 广义对象过程增益（Kp） 过程时间常数（Tp） 过程纯滞后时间（τp） 传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值 过程时间常数（Tp） 过程纯滞后时间（τp）

过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。

基于阶跃响应的特性参数计算 方法一： 方法二：

分析下列两控制阀的差别 #2 控制阀（气开阀） #1 控制阀（气关阀）

阀门的“气开”与“气关” 1. 气开阀与气关阀 2. 气开/气关的选择原则——安全性 * 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”) * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。

PID 控制器 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 P, PI 与 PID控制器的功能

控制器正反作用的选择 问题：（1）正作用与反作用控制器的定义？ （2）如何使控制回路成为“负反馈”系统 ?

控制器正反作用选择（假设检验法） 考虑到控制系统在断电断气情况下的安全性，蒸汽阀应为气开阀，因此 u↑→ RV↑ 假设控制器TC 22为正作用。 如果 T↑, 则 结论：为使控制回路成为“负反馈”系统，TC22 须为 反作用控制器。

回路分析法 步骤 1：画控制回路方块图 步骤 2：标注除控制器外的每一方块的正反作用 步骤 3：决定控制器的正反作用以构成负反馈回路 TC 22 为反作用控制器 (+) (+) (—) 广义对象（+） (+)

PID（比例-积分-微分）控制器 理论PID 控制器 Td 为微分时间 工业 PID 控制器 Ad 被称为微分增益。

比例增益对控制性能的影响 纯比例控制器只有一个可调参数 Kc。其最大问题是总存在不同程度的余差，即CV难以完全跟踪其SP。 对于某一给定的阶跃扰动，余差的大小取决于比例增益大小。增益越大，余差越小。 当Kc超过某一临界值，大多数控制系统会变为不稳定。

积分作用对控制性能的影响 PI 控制器有两个可整定参数：控制增益（或比例带）与积分时间（或积分速率1/Ti ），其最大的优势是可消除余差。（为什么？） PI 控制器的不足之处在于：由于积分作用的引入，使控制系统的稳定性下降。具体地， 积分时间Ti 越短，积分速率1/Ti 越大，积分作用越强，闭环系统消除余差的速度越快，但控制系统的稳定性越弱。 （原因分析）

微分作用对控制性能的影响 PID 控制器有三个可整定参数：控制器增益、积分时间与微分时间。微分作用的引入可使控制器具有超前预测作用。

PID参数整定的概念 工程整定法1-经验法 工程整定法2-闭环整定法 工程整定法3-开环整定法 继电器型PID自整定器

开环整定法(Ziegler-Nichols 法) 控制器类型 Kc Ti Td P ∞ PI PID 注意：上述整定规则仅限于

开环整定法(Lambda 法) 控制器 Kc Ti Td P PI T PID τ/2 取值 注意：上述整定规则不受τ/T 取值的限制

单回路控制的抗积分饱和原理 原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。

单回路系统的防积分饱和 可以吗？

数字PID 数字控制系统的概念 数字滤波器的选择 数字PID控制算法及其改进型

数字PID —— 位置式 数字PID，位置式计算到终端执行器的输出 将三种作用汇集起来

数字PID —— 增量式 增量式计算到达终端执行器的变化量 有什么好处？

PID改进方法 微分先行 微分先行：改变设定值跳变引起的微分作用 积分分离 不灵敏区

串级控制 串级控制的引入与基本概念 串级控制系统的特性分析 串级控制的设计原理与副参数的选择 串级控制器的实现与参数整定步骤 加热炉出口温度控制仿真举例 串级控制中的积分饱和现象及其防止

炉出口温度串级控制 (1) 该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。 (1) 该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。 (2) 该方案有两个控制回路，其中一个用于控制 T，而一个用于控制 Fgas。 为何叫“串级控制”？ 注：燃料气流量只是用作中间辅助变量，以改善CV的控制性能。 试画出上述串级控制系统的方块图 ?

工艺介质炉出口温度 串级控制方块图 这里，TC 23 被称为“主控制器”，而 FC 13 被称为“副控制器”；D1 表示了各种直接进入外回路的干扰，D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例？

一般串级控制系统方块图 注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。 试指出主、副回路各自所对应的“广义对象” ？

串级控制系统的设计原则 单回路控制不能满足性能要求； 有反映系统主要干扰的可测副参数； 控制阀与副参数之间具有因果关系； 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。

串级控制中副参数的选择原则 常见的串级回路： 对于某些干扰，副参数应比主参数更快地感受到其变化，而且“越快越好” 副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越多越好” 如果可能，副回路应包含一些非线性对象。 常见的串级回路： 温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。

换热器出口温度 串级控制方案比较 方案 #2 方案 #1 方案 #3

串级PID系统的积分饱和问题 问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，在限位参数不一致的情形下，存在发生“积分饱和”的可能性。 Why? How?

串级控制系统的防积分饱和 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况 说明正常运行的情况以及发生积分饱和的情况

前馈控制 前馈控制的概念 线性前馈控制器的设计 非线性前馈控制器的设计 前馈控制器的设计举例 前馈反馈控制策略

线性前馈控制器设计 设计目标： 前馈控制器设计公式：

线性前馈控制器设计（续） 前馈控制器设计公式： 物理意义分析 ( 为什么 ? )

非线性动态前馈控制器 动态前馈控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。）

前馈控制与反馈控制的比较 前 馈 控 制 反 馈 控 制 扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测 基于扰动超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题） 按偏差控制，存在偏差才能调节（滞后调节） 开环调节，无稳定性问题 闭环调节，存在稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 系统可感受所有影响输出的扰动 对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确 对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型 对时变与非线性对象的适应性弱 对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强

比值控制 比值控制的概念 比值控制方案设计 锅炉中的空燃比双交叉比值控制

比值控制方案 #1 假设两流量变送器均为线性，其输出为0 ~ 100%，仪表量程分别为[0, QAmax]、[0, QBmax] 稳态条件： 非线性变送器输出的是差压信号 如果流量变送器是非线性的会怎样？

比值控制方案 #2 稳态条件：

比值控制方案 #3 对于以%为单位的数字仪表，乘法器输出为 稳态条件： QA, sp = QA, m 与方案#1的异同？

锅炉空燃比控制方案 带有O2调节的双交叉控制

超弛与选择控制 超驰控制（也称约束控制）问题 约束控制方案的设计 约束控制中的积分饱和及其防止 （被控变量）选择控制方案

超弛控制方案 LS: 低选器 （Low Selector） u(t) = min(u1, u2) （1）试给出该超驰控制系统的方块图

超驰控制中的抗积分饱和 讨论 正常工况下与液位过低情况下，该控制系统如何工作？ 特点分析：只有处于闭环条件下的控制器才有积分作用，而非活动控制器只是跟踪活动控制器的输出。

选择控制 特点：被控变量类型相同，通常只有一个控制器，与单回路控制相近，只是控制器输入由多个测量信号选择得到。 反应器热点温度（最高温度）可能随着催化剂的老化、变质和流动而改变位置，因此在反应器内数个不同地方同时测量温度，选择最高的温度作为热点温度进行控制。

分程控制 分程控制的概念与方法 分程控制的应用举例— 间歇反应器与储罐气封控制 阀位控制方案与应用举例

分程控制的基本设计思想 在分程控制系统中，仅有一个被控变量CV，但通常有两个操作变量MVs。 分程控制的基本设计思想是，将两个MVs （或两个控制阀）合并成一个MV，再按单回路方式进行控制； “分程”是指将控制器输出信号按范围划分成几段，其中每一段只调节一个控制阀的开度（另一控制阀的开度保持不变）。

双控制阀的分程组合

间歇放热反应器 分程控制系统设计分析 问题讨论 选择两控制阀的气开/气关形式； 温度控制器的正反作用； 两控制阀如何分程协调工作？ 画出该控制系统的方块图

对象非线性增益补偿 调节阀的非线性及其补偿 控制通道的非线性及其补偿 pH中和过程的非线性控制

换热器出口温度控制系统 对象特性分析 过程稳态模型为： 对象增益： 讨论：由于对象增益存在非线性，当RF变化较大时，TC27的PID参数整定困难（为什么？）。如何通过增益补偿，以减少对象非线性对控制回路的影响？

调节阀特性补偿 可写出热平衡方程: 控制通道静态增益: 从静态增益补偿的角度考虑：

对象非线性增益补偿方法 非线性控制阀 串级控制 变比值控制 （控制器）非线性增益的引入 （广义对象）非线性变换环节的引入 对象参数辨识 + 控制器增益调整

纯滞后补偿：Smith预估器 预测误差滤波器：

内模控制 由基本的内模控制结构图，可得：

相对增益计算 稳态方程:

传递函数矩阵计算相对增益 其中det K 是矩阵K 的行列式，Kij是矩阵K 的代数余子式。 注：上述计算公式中的 “●” 为两矩阵对应元素的相乘(点乘)！ 注： “●” 表示两矩阵元素相乘，并非矩阵相乘。 其中det K 是矩阵K 的行列式，Kij是矩阵K 的代数余子式。

混合过程的变量配对分析 稳态模型： 问题：非线性模型，如何分析回路间的关联?

串级解耦 设计解耦器以消除两回路间的交叉作用，即：

串级解耦方案#1 实现问题？

串级解耦方案#2 若

串级解耦器 问题： （1） MVs初始值如何选取？（2）控制器“手动/自动”切换时或某一MVs受限时，上述系统如何工作？

2×2 耦合系统 的前馈解耦设计方案

锅炉的控制问题 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。

三冲量控制方案 问题讨论 （1）指出其控制策略 ? （2）画出其控制方块图 （3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1 = 1。

精馏塔控制 精馏塔工艺原理与控制问题 精馏塔压力控制 (A) 物料平衡控制 分离产品纯度控制 (B) 塔顶产品纯度单端控制 (C) 塔底产品纯度单端控制 (D) 两端产品纯度控制 其它控制方案

课堂讨论：逆流操作模式#1下 精馏段质量指标控制 CVs: LD, LB +TR MVs: L , QH , F, B DVs: xF、D 控制目标：平稳操作，克服干扰对塔顶产品质量的影响；并自动适应塔顶产品需求量变化?

课堂讨论：逆流操作模式#2下 提馏段质量指标控制 CVs: LD, LB +TS MVs: L , QH, F, D DVs: xF、B 控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对塔底产品质量的影响；并自动适合塔底需求量的变化