过程控制复习课件.ppt

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1、控制系统的 4 个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器,（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量）受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。（4）干扰（扰动）除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常

2、把设定值与测量值之差定义为偏差。,控制系统的方块图：,过程控制组成,锅炉过热蒸汽温度控制框图 控制参数：y(t)为被控参数；q(t)控制参数；z(t)测量信号；e(t)偏差信号；e(t)=x(t)-z(t).x(t)给定的信号；u(t)控制信号；控制过程：从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数变化的作用称为扰动。控制参数的作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用企图使被控参数偏离给定值，称为外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动对被控参数的影响，保证其尽快回到给定值。,控制系统的分类,（1）按被控变量对操作变量的影响分

3、 闭环控制系统如：反馈控制 开环控制系统如：前馈控制,（2）按补偿干扰的方法分,反馈,干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰,前馈,干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰,前馈+反馈,（3）按设定值的特点区分,定值控制系统设定值是由工艺要求给出的不变常数 通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。随动控制系统设定值随时间不断发生变化 通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。教材中的程序控制事实上可以理解为随动控制,（4）按控制系统的复杂程度区分,简单控制系统 复杂控制系统,（5）按控制变量的名称区分,温度控制系统 压力控制系统,（6）按调节规律区分,P、PI、PD、PID、预估控制,1.4

4、 过渡过程和品质指标,（1）静态（稳态）和动态,静态被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中更多的称之为“稳态”。,动态被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。,（2）过渡过

5、程,过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大,几种典型的过渡过程：,？,X,X,一般是不允许的除开关量控制回路,（3）过渡过程的品质指标,通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（超调量）、衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差

6、积分指标 时间乘平方误差积分指标 绝对误差积分指标 时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。,阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）定值系统,最大偏差emax：,衰 减 比n：,余差 e()：,过渡时间tp：,振荡周期：,例子,某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。,解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一个波峰值B23020525 第二个波峰值B2102055 衰减比n25：55：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故

7、周期T20515(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200(2)4，这时，可在新稳态值(205)两侧以宽度为4画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,数学模型的表示方法：,参量模型：通过数学方程式表示,常用的描述形式：微分方程(组)*、传递函数*、频率特性等,参量模型的微分方程的一般表达式：,y(t)表示输出量，x(t)表示输入量，通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(nm),非参量模型：采用曲线、表

8、格等形式表示。特点：形象、清晰，缺乏数学方程的解析性质（必要时须进行数学处理获得参量模型）。,数学模型：指过程各输入量（控制量、扰动量）作用下，其输出量（被控制量）变化函数关系表达式。Y(t)=FX1(t),X2(t),X3(t)Xn(t)模型分类：非参量形式（曲线、表格）参量形式（数学方程）方程=微分、差分、传递函数、脉冲函数、状态方程、观察方程等对象类型：对象类型：线性过程对象非线性过程对象-核心研究线性过程、或者线性化的过程。典型对象惯性对象w(s)=f(k,T0)积分对象w(s)=f(T)延迟对象w(s)=f(t),建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模解析法：又称为机理演绎法，根据

9、过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料（能量）平衡关系，用数学推理的方法建立过程的数学模型。实验辨识法：又称为系统辨识与参数估计法。该法是根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计建立过程的数学模型。混合法：即用上述两种方法的结合建立过程的数学模型。首先通过机理分析确定过程模型的结构形式，然后利用实验测试数据来确定模型中各参数的大小。,建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模,机理建模根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程，从理论上来推导建立数学模型。,由于工业对象往往都非常复杂，物理、化学过程的机理一般不能被完全了解，而且线性的并不多，再加上分布元件参数（即参数是时

10、间与位置的函数）较多，一般很难完全掌握系统内部的精确关系式。另外，在机理建模过程中，往往还需要引入恰当的简化、假设、近似、非线性的线性化处理等，而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。,实验建模在所要研究的对象上，人为的施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。,这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为系统辨识。其主要特点是把被研究的对象视为一个黑箱子，不管其内部机理如何，完全从外部特性上来测试和描述对象的动态特性。有时，为进一步分析对象特性，可对这些数据或曲线进行处理，使其转化为描

11、述对象特性的解析表达式。,混合建模将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模。,混合建模是一种比较实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形式，把被研究的对象视为一个灰箱子，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实验的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法，称为参数估计。,对象机理数学模型的建立,问题：处于平衡状态的对象加入干扰以后，不经控制系统能否自行达到新的平衡状态？,左图：假设初始为平衡状态qi=qo，水箱水位保持不变。,当发生变化时(qiqo)，此时水箱的水位开始升高,根据流体力学原理，水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的：,

12、因此，qi H qo，直至qi=qo可见该系统受到干扰以后，即使不加控制，最终自身是会回到新的平衡状态，这种特性称为“自衡特性”。,右图：如果水箱出口由泵打出，其不同之处在于：qi当发生变化时，qo不发生变化。如果qiqo，水位H将不断上升，直至溢出，可见该系统是无自衡能力。,绝大多数对象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系统比无自衡能力的系统容易控制。,一阶线性对象,问题：求右图所示的对象模型（输入输出模型）。,解：,该对象的输入量为qi 被控变量为液位h,根据物料平衡方程：,单位时间内水槽体积的改变输入流量 输出流量,由于出口流量可以近似地表示为：,对上式作拉氏变换：,对象的传递函数：,该

13、对象的阶跃响应：,如果qi为幅值为A的阶跃输入，则,这是最典型的一阶对象的传递函数,一阶线性对象（总结）,典型的微分方程,典型的传递函数,典型的阶跃响应函数,典型的阶跃响应曲线,从微分方程的解析解来看,K放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，也称静态增益。K越大，表示输入量对输出量的影响越大。T时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变化量的63.2所需要的时间，时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称阻容滞后（容量滞后）。T大，反应慢，难以控制；T小，反应块。,对象特性的实验建模,在被控对象上人为加入输入量，记

14、录表征对象特性的输出量随时间的变化规律。,加测试信号前，要求系统尽可能保持稳定状态，否则会影响测试结果；输入量/输出量的起始时间是相同的，起始时间是输入量的加入时间，输出量的响应曲线可能滞后于输入量的响应，其原因是纯滞后或容量滞后；在测试过程中尽可能排除其它干扰的影响，以提高测量精度；在相同条件下重复测试多次，以抽取其共性；在测试和记录的过程中，应持续到输出量达到新的稳态值；许多工业对象不是真正的线性对象，由于非线性关系，对象的放大倍数是可变的，所以作为测试对象的工作点应该选择正常的工作状态（一般要求运行在额定负荷、正常干扰等条件下）。,由阶跃响应曲线确定过的数学模型,通过实验测定过程的阶跃响

15、应曲线后，再根据阶跃响应曲线确定过程的数学模型。为此，应首先选定过程数学模型的结构，然后再确定具体参数。,一阶无时延过程,二阶无时延过程,一阶有时延过程,二阶有时延过程,在工业生产中，大多数过程的数学模型常常可用下列模型结构来描述：,由此可见，只要由阶跃响应曲线求得过程的放大系数，时间常数和时延时间，便能求得过程的数学模型。,一阶过程直角坐标图解法 对象参数K0和T0解：Ko:T0:过原点作曲线的切线，该切线与 线交于A点，则OA在时间轴上的投影即为时间常数,注意：阶跃响应曲线是以原来的稳态工作点为坐标原点的增量变化曲线。,对象特性对过渡过程的影响,对象模型由三个基本参数决定：K、T、,K 对

16、过渡过程的影响,阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，称为静态增益（输出静态变化量与输入静态变化量之比）。,控制通道放大系数,干扰通道放大系数,KO 越大 控制变量u对被控变量y的影响越灵敏 控制能力强Kf 越大 干扰f对被控变量y的影响越灵敏。在设计控制系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。,T 对过渡过程的影响,时间常数：在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态变化量的63.2所需要的时间。,一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。,时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称阻容滞后（容量滞后），T

17、大反应慢，难以控制；T小反应块。,控制通道TO大 响应慢、控制不及时、过渡时间tp长、超调量大控制通道TO小 响应快、控制及时、过渡时间tp短、超调量小控制通道TO太小 响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。干扰通道的时间常数对被控变量输出的影响也是相类似的。,对过渡过程的影响,产生纯滞后的原因：物料输送等中间过程产生 大时间常数对象所表现出来的等效纯滞后。物料输送产生的纯滞后比较容易理解，实际对象由于多容的存在也会使响应速度变慢，尤其是初始响应被大大延迟，在动态特性上也可近似作为纯滞后看待。事实上，广义等效的等效纯滞后就包括了以上二个部分之和。控制通道纯滞后对控制肯定不利，纯滞后增大控制质

18、量恶化、超调量大 干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，因为干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。在工艺设计时，应尽量减少或避免纯滞后时间。如：简化工艺、减少不必要的环节，以利于减少控制通道的滞后时间，在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取靠近控制对象的有利位置。,测量误差,测量误差仪表测得的测量值 与被测真值 之差,由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。即：,x0标准表读数,测量误差的几种表示形式：,绝对误差,实际相对误差,标称相对误差,相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表

19、的精确度,一台测量范围01000kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台测量范围0400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差5kPa，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,检测仪表的主要性能指

20、标,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉“”号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：,1.5,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一

21、般大于等于0.5。,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,例1：某压力变送器测量范围为0400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为5kPa，请确定该仪表的精度等级。,解：先求最大相对百分误差,去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级,例2：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择1.0级的流量计,结论：工艺要求得允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,例3：某被测温度信号在7080范围内变化，工

22、艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|max|7010.7 测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5 测量范围为0200的仪表的最大允许绝对误差为：|max|22000.51.0 根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0100的温度测量仪表才满足本题的测量要求。,三种压力表示方法,绝对压力 pa表压力 p负压或真空度 ph,3.2.1 压力的表示方法,

23、绝对压力是指物体所受的实际压力。,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,压力检测仪表的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量

24、进行测量的范围关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4 测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜。（

25、经验要求而已）,仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa这就要求所

26、选仪表的相对百分误差为：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,3.4 流量检测,流量检测的主要方法和分类 节流式流量计 转子流量计,3.4.2 节流式流量计,节流式流量计也称为差压式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。,(a)标准孔板,(

27、b)喷嘴,(c)文丘里管,把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定。特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。,相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，以下只介绍标准孔板，,节流原理,流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一

28、定条件下是可以相互转化的。,3.4.3 转子流量计,在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。,孔板流量计：,节流面积不变,流量变化,压差发生变化,转子流量计：,压差不变,流量变化,节流面积发生变化,转子流量计主要由两个部分组成：一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）二是放在锥形管内可自由运动的转子。被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好

29、等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。,转子流量计的特点,转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计的基本误差约为仪表量程的土2，量程比可达10：1 流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。,3.

30、5 物位检测,概述 差压式物位仪表,3.5.1 概述,几个概念,在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计在物位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关,物位检测的作用,控制、计量、报警等。,检测方法分类,直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式物位仪表：使物位的变化转换为

31、一些电量的变化，如电容核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作,3.5.2 差压式液位计,基本工作原理,P=gH,零点迁移,P=1gH,P=1gH-2g（h2-h1）,P=1gH+1gh1,零点迁移的目的：使H0时，变送器输出为Iomin（如4mA）,无迁移,负迁移,迁移量：,-2g（h2-h1）,正迁移,迁移量：,1gh1,例,已知1=1200kg/m3，2=950kg

32、/m3，h1=1m，h2=5m，液位变化范围02.5米，求：变送器的量程和迁移量。,解,Hmax1g=2.5*1200*9.8=29400Pa变送器量程可选为：40kPa当H=0时，-2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24 kPa变送器需要进行负迁移，迁移量为37.24 kPa,结论：差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液位高度H成线性关系因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线容易出现被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰

33、式差压变送器（压力信号的远传装置），分单法兰式及双法兰式两种。,第4章 调节单元,概述 模拟调节器数字控制器,概述,控制器的作用是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。模拟调节器（控制算法由电路实现）数字控制器（含CPU，控制算法由程序实现）,一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：,偏差指示,指示偏差信号,模拟调节器指针式表头,全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在0100范围指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号30,数字控制器通过LED或者液晶屏显示

34、,输出显示,显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。,内、外给定的选择,给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供,内给定的调整,若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值,正、反作用的选择,何谓正作用？何谓反作用？,为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。,手/自动双向切换,何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？,手动操作,可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出,无扰动切换,手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出

35、信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）,Kp/Ti/Td的设置,改变控制器的特性,DDZ型电动调节器简介,DDZ型调节器的基本性能,参见教材,DDZ型调节器的基本组成,关键点：,49,气开、气关阀（芯）结构及其特点 流量系数 Kv可调比R流量特性（重点2种）阀门定位器（了解）执行器的简单计算安装,执行器,执行器在自控系统中的作用,50,执行器是指：阀门调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴)电机连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用),执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触(强)腐蚀性、(高)粘度、

36、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压,执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。,执行器通常专指阀门,51,执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成,辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构,执行机构,调节机构,PO,IO,F l,M,流通截面积,操纵变量的流量,执行机构根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达)。它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 控制机构根据推力产生位移或转角，改变开度。它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，

37、控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 手操机构手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。,52,执行器的作用方式,反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀,正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀,从安全生产的角度来确定正反作用,如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？,53,6.2.执行机构,根据控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移

38、M(直线位移l或角位移)输出力F用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；位移(l或)用于带动调节机构阀芯动作,气动执行机构,电动执行机构,54,调节阀的流量特性,调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系,调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性,最大流量,最大位移,实际位移,实际流量,55,理想流量特性(P 一定),调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。,1-快开特性,2-直线特性,3-抛物线特性,4-等百分比（对数）特性,56,(1)直线流量特性,特点：a.放大系数是常数,调节

39、阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数,b.Q 流量相对变化值,57,(2)等百分比流量特性（对数流量特性）,特点：a.Q 放大系数,单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,b.流量相对变化值是常数,58,(3)抛物线流量特性,单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系,为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。,59,(4)快开流量特性,在开度较小时就有较大的流量，

40、随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小,有效位移一般为阀座直径的1/4,适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统,上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。,60,工作流量特性(P 变化),(1)串联管道时,*流量特性发生畸变 直线特性快开特性 等百分比特性直线特性,*可调比减小,61,(2)并联管道时的工作流量特性,通常一般X 值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。,可调比将大大下降,供参考,62,确定整个调节阀的作用方式,气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开 无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭 无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原

41、则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。,简单控制系统的设计,被控变量的选择操纵变量的选择测量元件特性的影响控制器控制规律的选择,一、被控变量的选择,什么是被控变量？生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。如何选择被控变量？关键变量；灵敏度；独立性,直接指标控制和间接指标控制,根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制形式：直接指标控制和间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制。如果缺乏各种合适的获取质量信号的监

42、测手段，或检测到的信号微弱或滞后很大，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。,选择被控变量的原则：,被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中的关键变量。被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。尽量采用直接指标作为被控变量。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。被控变量是独立可控的。,二、操纵变量的选择,什么是操纵变量？在自动控制系统中，用于克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量，称

43、为操纵变量。如何选择操纵变量？对被控变量影响显著且可控性良好的输入作为操纵变量。,操纵变量的选择原则：,操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。,控制器控制规律的选择,1、控制规律的选择P,PI,PD,PID 2、控制器正、反作用的选择,P控制规律：,最基本的控制规律，抗干扰能力强，控制及时，过渡时间短，但有余差。适合控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量运行在一定范围内允许有余差的场合。典型应用：储槽液位控制、精馏塔塔釜液位控制、压缩机储气罐压力

44、控制等。,PI控制规律：,在工程上应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，但会导致稳定性降低。增大比例度可保证稳定性，但超调量和振荡周期会相应增大；适用于控制通道较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的场合。,PD控制规律：,微分具有超前控制作用，对具有容量滞后的过程控制通道，引入微分控制规律对改善系统的动态性能指标，有显著的效果。适用于控制通道的时间常数大或者容量滞后较大的场合，如温度和成分控制等。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性干扰的系统，则不宜采用微分作用。,PID控制规律：,是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，

45、再加入微分作用，能提高系统的稳定性。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合。如温度控制、成分控制。,2、控制器正、反作用的确定,什么是控制器的“正”、“反”作用？当某个环节输入增加时，输出也增加，该环节称为“正作用”方向；反之，称为“反作用”。如何确定控制器的“正”、“反”作用？与执行器、对象、测量变送作用方向组合，使得控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。,测量变送器：作用方向一般是“正”的；被控对象：操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”；执行器：作用方向取决于是气开阀还是气关阀；气开阀是“正”方向；气关阀是“反”方向

46、。执行器的气开或气关形式主要从工艺安全角度来确定。,分析,热电偶及变送器,加热炉,气开阀,TC,参数整定的方法,理论计算法：通过理论计算，寻找最佳参数；工程整定法：通过实际试验或经验规律确定控制参数。（临界比例度法，衰减曲线法，经验凑试法）,例：某换热器的稳定控制系统方块图如下所示。系统的被控变量为出口物料温度，要求保持在（2002）oC。操纵变量为加热蒸汽的流量。采用的控制仪表为DDZ-型电动单元组合式仪表。,(1)说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。(2)说明Z、I、P的信号范围(3)选用合适的测温元件(4)气动执行器的输入、输出各是什么物理量？(5)若记录仪表的记录曲线上，最

47、高值为202oC、最低值为198oC，问该系统是否达到了控制要求？,(1)R为给定值，E为偏差，Q为操纵变量，C为被控变量，F为干扰变量。(2)Z的信号范围420mA，I的信号范围为420mA，P的信号范围为20100kPa。(3)铂电阻（Pt100）(4)输入信号为20100kPa的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。(5)达到控制要求。,分析：,利用所学的化工仪表及自动化知识，设计一个简单控制系统，简述整个设计过程，要求：描述系统功能和对象特性；进行被控变量、操纵变量、干扰、控制规律、执行器、测量元件的分析和确定；画出系统方框图和各环节的正反作用方向；分析具体的变量范围和系统的控制过程及各信号的变化情况。,温度控制流程,热电偶温度变送器,发酵罐,气开阀,TC(PID),TT,TC,