过程控制理论部分复习 - 2008-6-6

第一部分《过程控制课程》概念复习笔记

第三章 比值控制系统

3．1概述 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

把生产中主要物料定为主物料；以不可控物料定为主物料，用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。

比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量F1成一定比值关系，满足如下关系式：

K= F2 / F1 式中 K为副流量与主流量的流量比值。

3．2比值控制系统的类型

单闭环比值控制系统是为了克服开环比值方案的不足。

双闭环比值控制系统由于主流量控制回路的存在，实现了对主流量的定值控制，大大地克服了主流量干扰的影响，使主流量变得比较平稳，通过比值控制副流量也将比较平稳。这样不仅实现了比较精准的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变，这是它的主要特点。

双闭环比值控制的另一个优点是提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。这种方案常适用于主流量干扰频繁及工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。

3．3比值系数的计算 工艺上规定的比值K是指两物料的流量比（体积和重量），因此必须把工艺规定的流量比K换算成仪表信号之间的比值系数K’，才能进行比值设定。

当流量由零变至最大值（Fmax）时，变送器对应输出信号为0～10mA DC，变送器的转换关系即流量的任一中间值F所对应的输出信号电流为：I= 比值系数K’为仪表信号之比，即：K’=

F × 10mA

FmaxI2I1 式中 I2为副流量测量信号值

I1为主流量测量信号值

当流量由零变至最大值（Fmax）时，变送器对应输出信号为20～100KPa，变送器的转换关F×80+20 Fmax比值系数K’为：K’=P2?20 式中 p2为副流量测量信号值；p1为主流量测量信号值。

P1?20系为： p =

流量与差压的非线性关系为：F=k?p 式中K为节流装置的比例系数。

△ 流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响，

线性关系时 k’线=K（F1max / F2max）， 非线性关系（平方根关系）时k’非=k (F1max / F2max)2.

△线性测量与非线性测量(平方根关系)情况下 K’间的关系为K’非=(K’线)2.

3.4比值控制方案的实施

相乘方案：要实现两流量之间的比值关系，即F2=KF1，可以对F1的测量值乘上某一系数，作为F2流量控制器的给定值，称为相乘方案。I0=K’×16+4

2

相除方案：如果要实现两流量之比值为K=F2 / F1,也可以将F2与F1的测量值相除，作为比值

控制器的测量值，称为相除方案。

3．6比值控制系统的其他问题 气体体积流量和节流装置压差之间的关系式可表示为：Q=k式中：k为节流装置的比例系数；ρ为气体介质的密度。 设计条件下表达式为：Qn=k

??n?n??

?

式中Qn,、△pn、 ρn为设计条件下的流量、压差和密度. 实际条件下表达式为：Q1=k

??1?1

式中Q1, △p1, ρ1分别为实际工作条件下的流量、压差和密度. 3.6.5 主动流量与从动流量的选择 主动量与从动量的选择

工艺参数的地位：主要物料 / 不可控 F1 其它物料 / 可控 F2 供应不足问题：F1 安全问题

第四章 均匀控制系统

4.1均匀控制问题的提出及特点 均匀控制系统的特点：

(1) 结构上无特殊性。能否实现均匀控制的目的，主要在于系统控制器的参数整定如何，均

匀控制是通过降低控制回路灵敏度来获得的，而不是靠结构变化得到的。 (2) 参数应变化，而且应是缓慢地变化。 (3) 参数应限定在允许范围内变化. 4.2均匀控制方案

(1)简单均匀控制：采用单回路控制系统的结构形式。简单均匀控制系统的最大优点是结构简单，投运方便，成本低廉。

整定原则：(1)保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。

(2)修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。

(3)根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。

均匀控制系统的特点：①用一个控制器使两个被控变量都得到控制。②均匀控制是通过控制器参数合理整定实现的。③均匀控制的控制指标是：，流量平稳或缓慢变化；在最大扰动下，液位仍在工艺操作允许的范围内波动。④均匀控制器的整定原则：比例度较大些，积分时间较长些。。 第五章 前馈控制系统

5．1前馈控制系统的特点

前馈控制：按干扰进行控制的开环控制方式称为前馈控制，简称FFC。

前馈控制的特点：（1）前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，

一般会比反馈控制要及时。

（2）前馈控制属于“开环”控制系统

（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器” （4）一种前馈控制作用只能克服一种干扰。

5.2前馈控制系统的几种主要结构形式 单纯的前馈控制系统根据对干扰补偿的特点，分为（1）动态前馈控制（2）静态前馈控制

△ 静态前馈控制，1.只要在稳定工作条件下，实现对干扰量补偿。

2.GP0（S），GPC（S）动态响应接近。

前馈-反馈控制系统的优点：

（1） 由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有的前馈控制系统，只需对主要的干扰进

行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。

（2） 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用

型模型创造了条件。

（3） 负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的

自适应能力。

5.4前馈控制系统的应用

（1） 对象的滞后或纯滞后较大（控制通道），反馈控制难以满足工艺要求时，可以采用前

馈控制，把主要干扰引入前馈控制，构成前馈-反馈控制系统。

（2） 系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰，所

谓可测，是指干扰量可以采用检测变送装置在线转化为标准的电或气的信号。所谓不可控，有两层含义。其一，指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的；其次。在某些场合，虽然设置里专门的控制系统来稳定干扰，但由于操作上的需要，往往要改变其给定值，也属于不可控的干扰。

（3） 当工艺上要求变量间的某种特殊关系，需要通过建立数学模型来实现控制时，这实

质上是把干扰量代入已建立的数学模型中去，从模型中求解控制变量，从而消除干扰对被控变量的影响。

△静态前馈与动态前馈选择问题：当静态前馈能满足要求时，不必选用动态前馈。对象的干扰通道和控制通道时间常数相当时，用静态前馈即可获得满意的控制品质。

第六章 选择性控制系统

6．1概述 选择性控制又叫取代控制，也称超驰控制。 6．2选择性控制系统的类型及应用

开关型选择性控制系统：在这一类选择性控制系统中，一般有A，B两个可供选择的变量。其中一个变量A是工艺操作的主要技术指标，它直接关系到产品的质量。另一个变量B，工艺上对它只有一个限值要求。（生产操作在B限值内，生产是安全的）

△锅炉燃烧系统既考虑“脱火”又考虑“回火”的保护问题，就可以设计一个混合型选择

性控制系统来进行解决。 连续型选择性控制系统

当取代作用发生后，不是使控制阀全开或全关，而是继续实施连续控制方式： 两个连续控制器，一个正常情况下工作 一个非正常情况下工作

→一个选择器（HS、LS）→ 控制阀

6.3选择性控制系统的设计

首先根据生产安全要求，选择控制阀的开、闭形式；其次根据对象的特性和控制的要求，选择控制器的控制规律及正、反作用；最后根据控制器的正、反作用和选择性控制系统设置的目的，确定选择器的类型。

控制器开、闭与控制正反作用，与单回路系统中所介绍的确定方法完全相同。

第七章 分程及阀位控制系统

7.1分程控制系统

定义：分程控制系统中，一台控制器的输出可控制两台或两台以上的控制阀。 分程控制系统中控制器输出信号的分段，是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。 分程控制的应用场合：(1)扩大控制阀可调范围，改善控制品质。

(2)用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求。 (3)用做生产安全的防护措施。

第十章 流体输送设备的控制

10．1概述 流体：输送的物料流和能量流统称为流体。流体有液体和气体之分。 对流体输送设备的控制，主要是为了实现物料平衡的流量、压力控制。 10．2泵和压缩机的控制 离心泵的控制方案

离心泵主要由叶轮和机壳组成，叶轮在原动机带动下做高速旋转运动。离心泵的出口压头由旋转叶轮作用于液体而产生离心力，转速越高，离心力越大，压头也越高；因离心泵的叶轮与机壳之间存在空隙，所以当泵的出口阀完全关闭时，液体将在泵体内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所做的功半日转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出口阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭的运转状态。随着出口阀的逐步开启，排出量也随之增大，而出口压力将慢慢下降；泵的压头H、排量Q和转速n之间的函数关系，称为泵的特性。

离心泵的特性经验公式 H=R1n2－R2Q2。 式中R1，R2是比例常数。

管路特性表达式：HL=hp+hL+hv+hf hp是管路两端的静压差引起的压头；hL是管路两端的静液柱高度；hf是管路中的摩擦损失压头。Hv是控制阀两端节流损失压头。

直接节流法：改变直接节流阀的开度，即改变了管路特性，从而改变了平衡工作点C

的位置，达到控制的目的。但当流量低于正常排量30%时，不宜用直接节流法控制方案。

改变泵的转速n：该控制方案，以改变泵的特性曲线，移动工作点，来达到控制流量的目的。 改变泵的转速的方法有两类：一类是调节原动机的转速，若以电动机作原动机时，采用变

频调速等装置进行调速。

另一类是在原动机与泵之间的联轴调速机构上改变转速比来

控制转速。

△ 改变泵的转速，减少了管路阻力的损耗，泵的机械效率高，但调速设备费用较高。

所以对大功率的离心泵以及重要的泵装置，这种方案得到应用。

△ 改变旁路回流量的控制方案，会有一部分能量损耗在旁路管路和阀上，所以，机械

效率也是较低的。但它具有可采用小口径控制阀的优点。 △ 一台大型离心式压缩机需要设立以下自控系统：

（1）

气量控制系统：控制方式与离心泵控制类似，如直接节流法，改变转速和改变旁路回流量等。

（2）

防喘振控制系统：喘振现象是由离心式压缩机结构特性所引起的，而且对压缩机的正常运行危害极大。

（3） （4）

压缩机的油路控制系统

压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与联锁保护系统。

10．3离心式压缩机的防喘振控制

喘振现象：当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽近忽出，发生强烈振荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。

压缩机的出口绝压P2与入口绝压P1之比（称压缩比）和入口体积流量Q的关系曲线。 工作点建立在极值点右侧是稳定的，而在极值点左侧为不稳定的。P183页图要分析

第11章 传热设备的控制

11．3锅炉设备的控制

锅炉设备有如下主要的控制系统： （1）锅炉汽包水位控制（2）锅炉燃烧系统的控制（3）过热蒸汽系统的控制（4）锅炉水处理过程的控制

△ 虚假水位：当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在开始，水位不仅

不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位”。

△ 为了克服虚假水位现象，引入蒸汽流量，“双冲量”。可以纠正虚假水位引起的误 动作，而且也能提前发现负荷的变化，大大改善了控制品质

△ 锅炉汽包液位控制系统中，三冲量控制系统分别引入汽包液位、蒸汽流量和给水流

量三个信号，经过一定运算后，共同控制一只调节阀（给水阀）。引入蒸汽流量的目的是为了克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并及时克服“虚假液位”现象而引起的控制系统的误动作

设备：换热器 加热炉 反应器 水箱（液位）

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