《过程控制工程》复习 谢磊 浙江大学控制系

考核说明 基本原则：平时成绩 60%+期末考试40%。 平时成绩包括以下部分： 课堂提问与课堂测试， 20%（主讲教师掌握） 用以检验学生预习、复习情况， 学生讲课与研讨课表现， 25%， 以小组为单位，针对某些控制问题提出控制方案，由教师随机选择某组员进行讲解；其他同学参与讨论，并评分。 平时作业，15%（助教掌握）

概论内容 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 过程控制工程的任务与具体要求

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%；为避免用户理解，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 Summary

Heat Exchanger Temperature Control System The extended controlled process (广义对象) is anything except the controller.

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

描述过程特性的关键参数 过程增益（K） 过程一阶时间常数（T） 过程纯滞后时间（τ） 过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即 过程一阶时间常数（T） 过程纯滞后时间（τ）

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

PID 控制器 控制阀的作用选择 反馈控制器的正反作用 过程控制系统的性能指标 了解 P, PI 与 PID控制器的功能 问题讨论

分析下列两控制阀的差别 #2 控制阀 #1 控制阀

控制阀的气开气关特性 1. 气开阀与气关阀 2. 控制阀气开/气关特征的选择——安全性 * 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”, “无气则关”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”, “无气则开”) 无气源（ pc = 0）时，气开阀全关，气关阀全开。 2. 控制阀气开/气关特征的选择——安全性 * 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，如放热反应器冷却水阀。

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举例#1 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。

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 PID控制器类型的选择 控制器参数整定的一般方法 流量控制回路的PID参数整定方法 液位均匀控制系统的PID参数整定 积分饱和与防止 Summary

获取初始PID参数 (Ziegler-Nichols 方法) 控制器类型 Kc Ti Td P ∞ PI PID 注意：上述整定规则仅限于

获取初始PID参数 (Lambda 整定法) 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

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 集散控制系统（DCS）简述 小结

数字PID位置式 理论PID模拟算式 数字PID位置式：

Digital PID Incremental Algorithm Digital PID positional algorithm Digital PID incremental algorithm（增量算法）

数字PID增量式 数字PID位置式： 数字PID增量式：

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

一种炉出口温度串级控制方案 (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。 试指出主副回路所对应的“广义对象” ？

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

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 仿真举例 小结

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 ? )

换热器前馈反馈控制方案 FFC输出初值如何设置？

前馈控制与反馈控制的比较 前馈控制 反馈控制 相关干扰可测量 CV 可测量 基于干扰操作 MV 基于CV控制误差操作 MV 开环，无稳定性问题 闭环，稳定性至关重要 只有部分干扰可检测 全部干扰均通过CV可感受 控制通道与相关干扰通道的精确数学模型均需要获得 不需要对象的数学模型 不适合于非线性、时变系统 可适合于非线性、时变系统

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 小结

Ratio Control Suppose both of the flow transmitters are linear. Sometimes, they are nonlinear Steady-state condition:

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。

（被控变量）选择控制举例

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

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； 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

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？

补偿方法：非线性阀 等百分比阀或对数阀 线性阀：

纯滞后补偿：Smith预估器 预测误差滤波器：

Coupling Analysis of Multivariable Systems (多变量系统的关联分析)

n×n 被控过程 相对增益矩阵的计算 注： “●” 表示两矩阵元素相乘，并非矩阵相乘。

Decoupling Control Schemes of Multivariable Systems (多变量系统的解耦控制)

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 的串级解耦器#2 若

2×2 耦合系统 的前馈解耦设计方案

锅炉控制 Process Diagram and Control Problems of Boiler (锅炉设备的生产流程与控制问题) Characteristic Analysis & Three-element Control for Drum Level (汽包水位特性分析与三冲量控制) Cross-limiting Air/Fuel Ratio Combustion Control (双交叉空燃比燃烧控制)

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。

内 容 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 内 容 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