2022年南昌大学工业过程控制知识点精编.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 绪论：1. 工业生产过程是指将原料转变成产品的具有肯定生产规模的过程；2. 工业生产过程是指工业生产过程的自动化；3. 工业生产过程掌握的特点：a：过程掌握系统由过程检测、变送和掌握外表、执行装置等组成；b：工业生产过程掌握的被控过程具有非线性、时变、时滞及不确定等特点；c：工业生产过程掌握的被控过程多属于慢过程；d：工业生产过程掌握方案的多样性；e：工业生产过程掌握系统分为随动掌握和定值掌握,长用定值掌握系统；f：工业生产过程掌握实施手段的多样性；1.1 1.1.1 1、简洁掌握系统包含：掌握器、检测变送环节、执行器、被控对象等,或者可表示为由掌握器和广 义对象组成,其中,广义对象：执行器、被控对象、检测变送环节的合并 对应的作用：检测变送：检测被控变量,并将检测到的信号转换为标准信号输出 掌握器：比较检测变送环节的输出与设定值,按肯定规律对偏差信号进行运算并把结果传给执行器 执行器：接收掌握器的输出信号,转变执行器的节流件流通面积或转速等,使操纵变量转变 被控对象：需要掌握的设备或生产过程 分类：定值掌握系统扰动变量影响被控变量,掌握系统通过掌握通道转变操纵变量,克服扰动对被控 变量的影响；随动掌握系统（伺服掌握系统）设定值转变时,掌握系统通过掌握通道转变操纵变量以使被控 变量随设定值的变化而变化；2、过控常用术语：被控变量：被控对象中需要掌握的过程变量,分为直接被控变量和间接被控变量 操纵变量：执行器掌握的某一工艺流量 设定值：工艺期望被控变量达到的期望值 扰动变量：使被控变量偏离设定值的其他变量 掌握通道：操纵变量到被控变量之间的通道 扰动通道：扰动变量到被控变量之间的通道 反馈：输出的全部或者部分返回到输入端 开环：没有反馈通路的掌握系统 闭环：检测变送信号被反馈到掌握器时组成的闭环系统3、简述掌握系统的掌握过程并绘制简洁掌握系统图 系统受到干扰时,检测信号与设定值之间产生偏差,掌握器将检测变送的信号与设定值比较,按肯定掌握规律对其偏差运算后输出信号以驱动执行器转变操纵变量,使被控变量回复到设定值；图见 P9-图 1-2 4、环节增益及其正负规定依据：环节稳态条件下输出增量与输入增量之比确定正负,K=5、采样掌握系统：包含采样开关的掌握系统 1.1.2 1、掌握系统的性能指标评判在过渡过程中被控变量随时间变化的性能名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 稳固性：首要指标,通过闭环极点分布判定稳固 精确性：重要指标,被控变量与设定值（参比变量）之间的偏差,即静态偏差越小越好 快速性：扰动时作出相应的时间越短越好 偏离度：表示掌握系统运行过程中被控变量偏离设定值的离散程度 以及积分指标2、过渡过程：外部扰动下或设定值变化时,掌握系统从一个稳态进入另一稳态的历程 3、时域掌握性能指标：扰动信号为阶跃输入作用下,掌握系统输出响应曲线的掌握系统性能指标1）衰减比 n：掌握系统稳固性指标,等于相邻同方向两个波峰的幅值比,即,n=1:1 时,输出为等幅振荡,系统临界稳固 n<1:1 时,输动身散,系统不稳固 n>1:1 时,输出收敛,系统稳固,且 n 越大越稳固 注：通常,期望随动系统 n=10:1、定值系统 n=4:1 衰减率 ,百分数；衰减度 m,与衰减比 n 的关系2）超调量随动系统：,C为输出最终稳态值,为输出超过最终稳态值的最大瞬态偏差定值系统：用最大动态偏差A 表示超调程度,注：超调量和最大动态偏差表征过渡过程中被控变量偏离设定值的超调程度,反映掌握系统稳固性3）余差：掌握系统最终稳态偏差,阶跃输入下,范畴内并保持不定值系统中r=0,余差反映掌握系统稳态精确性或4）回复时间（调剂时间）：被控变量从过渡过程开头到进入稳态值超出的时间,反映掌握系统快速性振荡频率 与振荡周期 T 的关系,也是系统快速性的指标注：相同衰减比 n 下,振荡频率越高,回复时间越短；相同振荡频率下,衰减比越大,回复时间越短；5）偏离度：通常,用2 倍标准差（）与均值之比表示,是被控变量统计特性的描述注：相同干扰下,定值系统输出的最大偏差越大,系统偏离度越大；相同的衰减比下,系统的输出周期越大,系统的偏离度越大4、偏差积分性能指标（综合性能指标）：常用于综合分析系统的动态响应性能,参见P12 5、掌握系统正常运行的重要准就 1）反馈准就：成为负反馈的条件是该系统各开环增益之积为正；2）稳固运行准就：扰动或设定值变化时,系统静态稳固运行条件是系统各环节增益之积基本不变；系统动态稳固运行的条件是系统总开环传递函数的模基本不变；3）安全运行准就：选用功能安全的外表组成掌握系统；事故发生时,系统应处于安全状态；故障的 状态能被传递到下游模块或设备,以保证系统的安全运行；1.2 1.2.1 1、工业生产过程的数学模型 分类 静态数学模型：过程的输入、输出不随时间变化时的数学关系名师归纳总结 动态数学模型： · · · · · · 随时间变化的·· · · · ·第 2 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 注：过程掌握中常采纳动态数学模型,也称动态特性 模型要求：简洁有用、满意掌握精确度要求条件下能牢靠反映过程输入输出之间的动态关系；2、动态数学模型的分类方法 按时间特性：连续型和离散型 按模型描述：传递函数、状态空间、微分方程、差分方程等 按过程类型：集中参数、分布参数、多级过程模型等 按建模输入信号：非周期函数、周期函数、非周期性随机函数、周期性随机函数等3、工业生产过程中常采纳阶跃输入信号作用下过程的响应特性表示过程的动态特性 注：依据典型工过动态特性进行系统识别：见 P13 表自衡非振荡：过程能自发地趋于新稳态值；过渡过程无振荡；无自衡非振荡：输出响应曲线从一个稳态始终上升或下降,不能达到新的稳态；过渡过程无震荡；自衡振荡：过程能自发地趋于新稳态值；过渡过程从一个稳态一衰减振荡形式趋于另一个稳态；反相特性：开头与终止时显现反向的变化；4、掌握通道和扰动通道参数变化对系统性能的影响：见P14 表KfF越大,掌握通道扰动通道过程增益 Ko 增加,余差减小,最大偏在其他因素相同的条件下,差减小,掌握作用增强,但稳固性变余差越大,最大偏差也越大；增益：差；Ko 其他因素相同的条件下,过程增益越大,掌握作用越大,克服扰动的能 力也越强；时间常数o/To 固定,就相位条件Tow 不变,对o/Tf>1 ,扰动对系统输出有微分作用,稳固性没有影响；使掌握品质变差；o/To 固定,时间常数To小,就振荡频率o/Tf<1 ,扰动对系统输出有滤波作用,率增加,回复时间变短,动态响应变减小了扰动对输出的影响；快,即时间常数越大,过度过程越慢,系统越易稳固；时滞 o 使掌握系统的频率特性发生变时滞 f 不影响系统闭环极点的分布,时滞化；不影响系统稳固性；被控变量变化不能准时送到掌握器,它近表示扰动进入系统的时间先后,因掌握器输出不能准时引起操纵变量变此,不影响掌握系统掌握品质；化,掌握作用不能准时使被控变量变 化；使掌握不准时,掌握品质变差；5、时间常数匹配对系统性能的影响：广义对象的多个时间常数的匹配问题,即检测变送、执行器、被控对象三环节的时间常数对掌握系统品质的影响采纳可控性指标衡量,注：可控性指标,其中为系统临界增益,为临界振荡频率,二者之积大表示可控性好；且,减小广义对象中次大时间常数或者增大最大和次大时间常数之比均有利于提高可控性指标6、被控变量的挑选：a：深化明白工艺过程,挑选能够反映工艺过程的被控变量；b：选用被控变量和操纵变量,使被控过程传递函数具有简洁、线性、良好的静态和动态特性；c：尽量选用易于测量且关系简洁的直接质量指标作为被控变量；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - d：掌握通道的 Ko 尽量大；即挑选能超越设备才能和操作约束的过程输出变量作为被控变量；e：过程的 o/To 应尽量小；过程的To/Tf 应尽量小；在运行过程中参数的变化应尽量小；f：扰动进入系统的位置应尽量远离被控变量；操纵变量的挑选：a：挑选对被控变量影响较大的操纵变量,即 Ko 尽量大；b：挑选对被控变量有较快影响的操纵变量,即过程的 o/To 应尽量小；c：挑选对被控变量有直接影响的操纵变量,而不采纳间接影响的操纵变量；d：过程的 To/Tf 应尽量小,过程的 KfF 尽量小；e：工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合；掌握方案的挑选：a：在满意工艺掌握要求的前提下,掌握方案应尽量简洁有用；b：应考虑扰动的变化频度和变化的幅度；c：应考虑过程的动态特性,易控程度等,对反向特性或 或较复杂的掌握结构；1.3 1.3.1 检测变送环节的性能1、检测变送环节的组成、作用、基本要求o/To 较大的过程应采纳特别的掌握规律组成：检测元件、变送器（类型较多,但都可以用一阶环节近似,其传函为）作用：将工业生产过程的参数经检测、变送单元转换为标准信号；注：现场总线外表中的标准信号为数字信号基本要求： 精确、快速、 牢靠,即 “ 精确反映被控或被测变量、2、检测变送环节的挑选原就：a：环境适应性；b：检测元件的精确度和响应的快速性；c：选用线性特性；快速反映变化、牢靠长期稳固运行”d：时间常数匹配问题：应依据检测变送、掌握对象和执行器三者时间常数的匹配,即增大最大 时间常数与次大时间常数之间的比值；减小时间常数的方法：检测点位置的合理挑选；选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度；减小 管径；正确使用微分单元；选用继动器和放大元件；e：时滞影响：产生时滞的缘由：检测点与检测变送外表之间有传输距离,而传输速度有制约；减小方法：合适的检测点位置；减小传输距离；选用增压泵或抽气泵等提高传输速度；5、检测变送信号的处理内容包括：信号补偿、线性化、信号滤波、数学运算、数字变换、信号报警 处理、功能安全1.4 1.4.1 1、执行器的分类最常见的是掌握阀（或称调剂阀）执行机构分类：,由执行机构、调剂机构组成按使用的能源分：气动、电动、液动 按输入信号增加时,掌握阀杆移动方向分正作用（输入增大杆外移）和反作用（输入增大杆内移）按杆移动可分为直行程和角行程按气动执行机构部件类型分薄膜执行机构、活塞·调剂机构分类：· · 、齿轮· · · 、手动· · · 等等名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 按阀杆移动与流量之间的关系分正体阀（下移时流量小）、反体阀（下移时流量大）留意： 1、正作用和反作用执行机构、正体阀和反体阀结合在一起（即执行机构与调剂机构结合）组成气开和气关两类掌握阀,其中,“ 同号为关,异号为开”；2、气开、气关中的“ 气” 指输入到执行机构的信号 3、故障时,气开型全关,气关型全开 1.4.2 流量特性 1：抱负流量特性：掌握阀两端压降恒定时的流量特性；2：工作流量特性：在工作状态下（压降变化）掌握阀的流量特性；3：随 S的减小, 掌握阀的流量特性发生畸变,等百分比抱负流量特性趋向于线性特性；1.4.3 掌握阀流量特性的挑选,特性曲线上凸, 线性抱负流量特性畸变为快开特性,1：挑选掌握阀工作流量特性的目的是通过掌握阀调解机构的特性变化来补偿因对象特性变化而造 成的开环总特性变化的影响；2：从静态考虑挑选掌握阀的工作特性：依据是使Kv2 与 Kp 之积保持不变；3：从动态考虑挑选掌握阀的工作特性：应使掌握系统在工作频率下的总开环幅频特性和相频特性 保持基本不变,特别是幅值比保持基本不变；4：掌握阀气开、气关形式的挑选：安全运行准就,原就是不使物料进入或流出设备或装置；a：进入设备或者装置的原料或热源应切断,因此,挑选进料阀为气开阀；b：设备或装置的出料应切断,因此挑选出料阀为气开阀；c：特别场合,不应使高温高压物流切断或放空,因此,挑选保卫阀；d：精馏塔的回流掌握阀应在故障时打开,保证全回流,因此挑选气关阀；e：串级掌握系统中,当气开和气关形式都选用是,为使串级和主控两种模式能便利地切换,挑选 掌握阀的增益与主被控对象增益有相同符号；1.5 1.5.1 1：模拟 PID 掌握算法有比例掌握算法、比例积分掌握算法、比例微分掌握算法；2：对 PI 掌握作用的分析a：PI 掌握作用是P 掌握作用和I 掌握作用之和；当偏差一显现,就立刻有P 掌握输出Up,用于克服扰动； 然后 I 掌握作用 U1 逐步增加, 用于排除余差； 因此 P 掌握起粗调作用, I 掌握起细调作用,直到余差排除,偏差为零时积分输出才停止；b：PI 掌握作用是比例增益随偏差的时间进程而不断调整的P 作用；比例增益越大,余差越小；随时间的进程, PI 掌握的余差越来越小,直到余差为零；但由于比例增益越来越大,系统的稳固性也变 差；c： PI 掌握作用就是初始稳态值不断移动的P 作用； PI掌握作用具有积分饱和现象；d：PI 掌握作用是准时的P 作用和之后的I 作用的组合；频率越高,PI 的相位滞后越小,频率越低,相位滞后越大；P 作用与偏差同步变化,能准时克服扰动影响,I 作用在相位上与偏差信号相差90 度, I 作用总是滞后偏差变化；3：积分饱和及其防止与 P 掌握作用相同,I 掌握作用也有肯定的应用范畴,在该范畴内,积分掌握输出与偏差的时间积分成正比,当掌握输出达到肯定限值后就不再连续上升或下降,就是I 掌握的饱和特性；当掌握系统偏差长期存在,掌握器有积分掌握作用,就掌握器输出会不断增加或减小,直到输出 超过外表范畴最大或最小值；假如偏差反向,掌握器输出就不能准时反向,要在肯定延时后,掌握器输出才能从最大或最小极限值回复到外表范畴最大或最小值；在这段时间内,掌握器不能发挥调名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 节作用,造成调剂不准时；这种由于积分过量造成掌握不准时的现象称为积分饱和；积格外反馈：积分信号来自外部信号；模拟掌握器采纳相类似的方式防止积分饱和,基本原理是切除积分,采纳自行切换的PI-P掌握方式；4：PID 掌握作用中, P 作用是基本掌握作用,I 作用能排除余差,但使系统稳固性变差,闭环响应变慢,增大 Kc使系统振荡加剧；D 作用使整个开环频率特性的幅值比增大,改善系统稳固性；1.5.2 1：数字 PID 掌握算法包括位置算法,增量算法,速度算法；2：数字 PID 算法的特点 a：PID 三种掌握作用独立,没有掌握器参数之间的关联；b：由于不受硬件制约,数字掌握器参数可以在更大范畴内设置；c：数字掌握器采纳采样掌握,引入采样周期Ts,即引入纯时滞为Ts/2 的之后环节, 使掌握品质变差；d：采样周期的大小影响数字掌握系统的掌握品质；3：数字掌握算法的改进 :积分分别 （偏差分别 开关和 PID分别 相位分别）、减弱积分 （梯形积分 遇 限减弱）、微分先行、不完全微分、输入滤波；P43 4：应用数字掌握系统时的其他留意事项：P44 a：后自动的无扰动切换；b：故障时的安全脱落功能；c：初始化 d：采样周期和信号滤波 1.6 1.6.1 1、掌握器参数整定原就 P51 1）依据掌握系统稳固运行原就,系统开环总增益,系统稳固运行后,二者变化应使乘积不变2）广义对象动态参数越大,系统越不易稳固, 应减小,且和应合适,常取、3）P作用为最基本的掌握作用,按纯比例闭环调剂挑选、4）尽量发挥积分作用排除余差的利,减小其不利于稳固性的弊 5）引入微分作用解决高阶对象的过渡滞后对掌握品质的不利影响 6）含有高频噪声的过程不宜引入微分 7）通常取衰减比作为系统稳固性指标8）衰减比的挑选：随动系统n=10:1,定值系统n=4:1 9）详细过程应详细分析10运算机掌握装置的掌握算法中,2.1 2.1.1 Kc,Ti,T 参数没有相互干扰,可分别设置；1、串级掌握系统的原理、结构和性能分析 原理：见 P58 合成氨掌握 概念：由两个或两个以上的掌握器串联,一个的输出作为另一个的设定值 结构特点： 1）两个或两个以上的掌握器串联连接,一个的输入作为另一个的设定值2）由两个或两个以上的掌握器、相应数量的检测变送器、一个执行器组成 3）主掌握回路是定值掌握系统,副掌握回路相对主掌握回路而言是随动掌握系统、相对 进入副回路的扰动而言是定值掌握系统性能分析：串级掌握系统增加副掌握回路,使系统性能在以下方面得到改善名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1）快速克服进入副回路扰动的影响 2）改善主掌握器的广义对象特性,提高工作频率 3）自适应才能增强 4）能更精确掌握操纵变量的流量 5）可实现更敏捷的操纵方式 2、串级掌握系统设计准就：1）应使主要扰动进入副环,且尽可能多的扰动进入副环 2）合理挑选副对象和检测变送环节的特性,使副环可近似为 1:1 比例环节 3）合理挑选副对象,调整主、副被控对象时间常数比,使掌握器参数整定合适以防止共振现象 3、串级掌握系统主、副被控变量的挑选原就：1）据工艺过程的掌握要求挑选主被控变量,主被控变量应反映工艺指标 2）副被控变量应包含主要扰动,并应包含尽可能多的扰动 3）主、副回路时间常数和时滞应错开,即工作频率错开以防止共振现象 4）主、副被控变量之间有一一对应关系 5）主被控变量的挑选应使主对象有较大的增益和足够的灵敏度 6）应考虑经济性和合理性 4、串级掌握系统主、副掌握器掌握规律的挑选 a：挑选主掌握器规律,依据主掌握系统是定值掌握系统的特点,为排除余差,应采纳 I 掌握规律；通常串级掌握系统用于慢对象,为此,可采纳 律通常为 PID；D 掌握规律,据此,主掌握器的掌握规b：副掌握回路既是随动系统又是定值掌握系统,因此,从掌握要求看,通常可无排除余差的要求,即可不用 I；但当副被控变量是流量,并有精确掌握该流量的要求时,可选用 I；当副对象时间常数小,为减弱掌握作用,需要选用大比例度的P 掌握作用,又是也可加入积分或反微分；当副回路容量滞后较大时,宜加入微分；当副环包含积分环节时,由于积分环节供应90 度的相位差,使副环相位滞后减小,有利于提高系统掌握品质；通常副掌握器的掌握规律选 PI；正反作用的挑选：串级掌握系统主副掌握器正反作用的挑选应满意负反馈准就,因此,对主环和副环都必需满意总开 环增益为正,假设主副检测变送环节的增益都为正：a：依据安全运行准就,挑选掌握阀的气开气关形式；b：很据工艺条件确定副被控对象的特性；c：依据负反馈准就,确定副掌握器正反作用；d：依据工艺条件确定主被控对象的特性；确定主掌握器正反作用时,只需要满意Kc1Kp1Km1>0. e：依据负反馈准就,确定主掌握器正反作用；f：依据负反馈准就确定在主控方式时,主掌握器正反作用是否要更换；2.2 2.2.1 1、匀称掌握系统 基本原理：指对两个被控变量的兼顾,例如通过匀称掌握既使液位在答应范畴内波动,又使流量能 较平稳地变化 命名：依据其系统功能命名 结构：与单回路或串级掌握系统相同 实施方案和特性比较：见 P67 注：两个变量相互关联,不能用两个掌握器分别掌握,由于这样掌握器之间会产生耦合,使系统产名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 生共振,对系统不利,所以应采纳一个掌握器进行掌握3、匀称掌握系统的特点：1）一个掌握器掌握两个被控变量 2）匀称掌握是通过掌握器参数合理整定实现,整定原就：比例度较大些,积分时间较长些 3）匀称掌握的掌握指标：流量平稳或缓慢变化,在最大扰动下液位仍在工艺操作答应范畴内波动 2.3 前馈掌握系统 1：不变性原理：在扰动作用下,通过前馈掌握的补偿,使被控变量保持不变；2：反馈掌握和前馈掌握性能比较 P69 3：单纯前馈掌握的缺点：a：Go（s）和 Gf（s）不能精确获得,或具有时变性,使Gff 不能精的确现,使扰动影响不能完全补偿,或者 Go（ s）和 Gf（s）可精确获得,但 Gff 不能物理实现；b：实际工业生产过程掌握中的扰动不止一个,有些扰动不行测量或难以测量 c：前馈掌握对被控变量的掌握成效没有检验依据 4：改进措施：通常前馈掌握与反馈掌握结合组成前馈-反馈掌握系统 5：扰动变量的挑选：前馈掌握器的输入变量是扰动变量 a：扰动变量可测但工艺不答应对其掌握；b：扰动变量应是主要扰动,扰动变化频繁,幅度变化较大；c:扰动变量对被控变量影响大,用常规反馈掌握较难实现所需掌握要求；2.5 分程掌握系统 2.5.1 1：一个掌握器的输出同时送往两个或两个以上的执行器,各执行器的工作范畴不同；2：设置分程掌握系统的目的：不同工况需要不同掌握手段、扩大掌握阀的可调范畴 3：遇到问题即解决方法：分程点广义对象特性的突变,依据稳固运行准就,应使分程点邻近的增益不突变,解决方法包括挑选两个掌握阀特性都是百分比流量特性；合理设置分程点；采纳掌握阀信号交叠和死区,名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页