化工儀表自動化第4章_過程控制儀表稻香書屋

1、1書名:過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)出版社: 大連理工大學出版社; 第3版 (2010年7月1日) 編著者：李亞芬；主審：邵誠, 叢書名: 高等學校理工科化學工類規(guī)劃教材 平裝: 259頁; 語種: 簡體中文 開本: 16 isbn: 9787561115015, isbn：7-5611-1501-6 條形碼: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原價:25.00元1過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表2第第4章章 過程控制儀表過程控制儀表控制儀表2基本控制規(guī)律3 1位式控制律位式控制律pid控制律控制律模擬式調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器數(shù)字

2、式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器可編程控制器可編程控制器34-1 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律o 過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量，取決于被控對象的特性和控制器的過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量，取決于被控對象的特性和控制器的特性。特性。o 控制器的特性，控制器的特性，就是指控制器的輸出信號隨著輸入信號變就是指控制器的輸出信號隨著輸入信號變化的規(guī)律，又稱作控制律?；囊?guī)律，又稱作控制律。euy r4o 在過程控制中，控制器的輸入定義為被控變量的測量值在過程控制中，控制器的輸入定義為被控變量的測量值 y與給定值與給定值 r 的偏差的偏差 e ： e = y-ro 控制器的輸出就是控制器送往執(zhí)行器的控制信號控制器的輸出就是控制器送往執(zhí)行器的

3、控制信號u，所，所以控制器中的控制規(guī)律可以用下面的數(shù)學關(guān)系表示：以控制器中的控制規(guī)律可以用下面的數(shù)學關(guān)系表示： u = f (e)e0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下u0,稱為正作用控制器；稱為正作用控制器；e0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下uq1設(shè)定設(shè)定值值閥門開度閥門開度曲線曲線2：流量為：流量為q0，閥開度變，閥開度變化對應(yīng)溫度變化化對應(yīng)溫度變化溫度溫度o點至點至b點至點至a點，有余差點，有余差233 比例度對控制過程的影響比例度對控制過程的影響比例度影響可從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面考慮：比例度影響可從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面考慮：o 比例度對系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響是：比例度對系統(tǒng)靜態(tài)特性

4、的影響是：比例度越大（即放比例度越大（即放大倍數(shù)大倍數(shù) kp越?。?，控制過程達到穩(wěn)態(tài)時的余差就越越?。刂七^程達到穩(wěn)態(tài)時的余差就越大。大。o 對動態(tài)特性的影響：對動態(tài)特性的影響：減小比例度雖然有利于減小系統(tǒng)減小比例度雖然有利于減小系統(tǒng)達到新穩(wěn)態(tài)時的余差，但卻影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性，達到新穩(wěn)態(tài)時的余差，但卻影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。24對動態(tài)特性的影對動態(tài)特性的影響：響：可由圖所示的在可由圖所示的在干擾作用下的閉環(huán)干擾作用下的閉環(huán)響應(yīng)曲線來描述：響應(yīng)曲線來描述：25三、比例積分控制三、比例積分控制 1積分控制規(guī)律及其特點積分控制規(guī)律及其特點o 積分控制

5、規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的積分成比例關(guān)系，一般用字母的積分成比例關(guān)系，一般用字母 i 表示。表示。o 積分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：積分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：式中式中 ti 積分時間常數(shù)，是一個可調(diào)的常數(shù)。積分時間常數(shù)，是一個可調(diào)的常數(shù)。26積分控制作用積分控制作用的特性可用在階的特性可用在階躍輸入作用下的躍輸入作用下的輸出響應(yīng)曲線來輸出響應(yīng)曲線來說明。說明。當控制器輸入當控制器輸入偏差偏差 e 為常數(shù)為常數(shù) a 時：時：27積分控制規(guī)律的特點：積分控制規(guī)律的特點：o 積分作用能夠消除余差，這是積分控制規(guī)律最積分作用能夠消除余差，這是積分

6、控制規(guī)律最顯著的特點，也是它的突出優(yōu)點；顯著的特點，也是它的突出優(yōu)點；o 主要缺點：不能及時克服干擾，會使控制系統(tǒng)主要缺點：不能及時克服干擾，會使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；的穩(wěn)定性下降；o 積分控制規(guī)律一般不單獨使用。積分控制規(guī)律一般不單獨使用。282比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律o 比例積分控制規(guī)律是由比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律結(jié)比例積分控制規(guī)律是由比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律結(jié)合而成，一般用字母合而成，一般用字母 pl 表示。表示。o 比例積分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：比例積分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：o pi 控制規(guī)律結(jié)合了比例控制與積分控制的優(yōu)點，控制規(guī)律結(jié)合了比例控制與積分控制的優(yōu)點，既能快

7、速克服干擾，又能消除系統(tǒng)的余差。既能快速克服干擾，又能消除系統(tǒng)的余差。29當輸入偏差是一幅值為當輸入偏差是一幅值為 a 的階躍變化時，比例積分的階躍變化時，比例積分控制器的輸出變化特性曲線如圖控制器的輸出變化特性曲線如圖 4-10 所示。所示。303積分時間對過渡過程的影響o 比例積分（比例積分（pi）控制器，比例度）控制器，比例度（或比例增益（或比例增益 kp）和積分時間）和積分時間 ti 都是可調(diào)參數(shù)。都是可調(diào)參數(shù)。o 討論：積分時間討論：積分時間 t i過大和過小對控制效果的影過大和過小對控制效果的影響。響。31 積分時間過大，積分積分時間過大，積分作用太弱，消除余差的作用太弱，消除余差

8、的過程很慢（見曲線過程很慢（見曲線 b ) ；只有當只有當 t i適當時，適當時，過渡過程能較快地衰減，過渡過程能較快地衰減，而且沒有余差（見曲線而且沒有余差（見曲線c）；）；積分時間太小，控制積分時間太小，控制器的輸出變化太快，使器的輸出變化太快，使過渡過程振蕩太劇烈，過渡過程振蕩太劇烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大下降系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大下降（見曲線（見曲線 d ) 。p型控制器型控制器32四、比例微分控制四、比例微分控制 1微分控制規(guī)律及其特點微分控制規(guī)律及其特點 微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的變化速度成比例，一般用字母差的變化速度成比例，一般用

9、字母 d 表示。表示。微分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：微分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為： 33當輸入偏差信號為幅值當輸入偏差信號為幅值 a 的階躍變化時，微分控制的階躍變化時，微分控制特性響應(yīng)曲線如圖所示。特性響應(yīng)曲線如圖所示。34實際上的工業(yè)控制器實際上的工業(yè)控制器采用的都是采用一種近采用的都是采用一種近似的微分作用，它在階似的微分作用，它在階躍輸入作用下的開環(huán)響躍輸入作用下的開環(huán)響應(yīng)特性如圖所示。應(yīng)特性如圖所示。在階躍輸入的瞬間，在階躍輸入的瞬間，輸出突然升到一個較大輸出突然升到一個較大的值，然后按指數(shù)規(guī)律的值，然后按指數(shù)規(guī)律衰減至零。衰減至零。變化特性可用下面的變化特性可用下面的數(shù)學表達式描述：數(shù)

10、學表達式描述：35微分控制規(guī)律的特點：微分控制規(guī)律的特點：o 微分作用是依據(jù)偏差的變化速度來進行控制，偏差變化微分作用是依據(jù)偏差的變化速度來進行控制，偏差變化速度越大，控制器輸出越大。對固定不變的偏差，控制速度越大，控制器輸出越大。對固定不變的偏差，控制器輸出為零。器輸出為零。o 由于微分作用總是力圖抑制被控變量的變化，所以它有由于微分作用總是力圖抑制被控變量的變化，所以它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。o 不能消除余差。不能消除余差。o 微分控制規(guī)律一般不單獨使用。微分控制規(guī)律一般不單獨使用。362比例微分控制規(guī)律比例微分控制規(guī)律o 理想的比例微分控制規(guī)律，可以用下式表

11、示：p當輸入偏差信號為幅值a 的階躍變化時，實際比例微分控制開環(huán)輸出響應(yīng)特性如圖所示。37五、比例積分微分控制五、比例積分微分控制o 比例積分微分控制規(guī)律是由比例、積分和微分三種控制作用組合而成，一般用字母 pid 表示。o 理想的比例積分微分控制規(guī)律的數(shù)學表達式為：38pid39pid控制特點：控制特點：p比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。p由于在由于在 pid 控制器中，比例度控制器中，比例度、積分時間、積分時間 ti ，和微分，和微分時間時間 td 三個參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只要這三個參數(shù)選擇三個參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只要這三

12、個參數(shù)選擇的合適，就可以獲得良好的控制質(zhì)量。的合適，就可以獲得良好的控制質(zhì)量。ppid控制選用通用的控制器，可實現(xiàn)三作用控制規(guī)律。控制選用通用的控制器，可實現(xiàn)三作用控制規(guī)律。若將微分時間調(diào)至零，就成一臺比例積分控制器；若將微分時間調(diào)至零，就成一臺比例積分控制器；若將積分時間調(diào)至最大，就成一臺比例微分控制器；若將積分時間調(diào)至最大，就成一臺比例微分控制器；若將微分時間至零，積分時間至無窮大，就是一臺比例控若將微分時間至零，積分時間至無窮大，就是一臺比例控制器制器40模擬式調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器可編程控制器可編程控制器控制儀表控制儀表ddz-型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器kmm可編程調(diào)節(jié)器可編

13、程調(diào)節(jié)器41一、主要功能p 接收信號：1-5v dc信號。p 實現(xiàn)偏差檢測：將接收信號與給定值信號進行比較，得到偏差信號。p pid計算：將偏差信號進行pid運算，產(chǎn)生相應(yīng)的4-20ma控制信號。p 具備相應(yīng)值的指示功能。4-2 ddz-型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器42二、構(gòu)成原理由兩大部分由兩大部分構(gòu)成構(gòu)成43控制單元：由自動操作和手動操作組成?？刂茊卧河勺詣硬僮骱褪謩硬僮鹘M成。44控制單元的內(nèi)外給定值功能：控制單元的內(nèi)外給定值功能：45控制器的正反作用功能：控制器的正反作用功能：4647一、構(gòu)成4-3 kmm可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器硬件部分：硬件部分： p主機部分主機部分p模擬量輸入模擬量輸入-輸出

14、通道輸出通道p數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入-輸出通道輸出通道p通信接口通信接口p正面板，側(cè)面板正面板，側(cè)面板軟件部分：軟件部分：p系統(tǒng)程序和用戶程序系統(tǒng)程序和用戶程序4849kmm正面板上控制方式選擇:o 手動方式（m）o 自動方式（a）o 串級方式（c)5051課程小結(jié)過程控制儀表：過程控制儀表： o 了解位式控制規(guī)律。了解位式控制規(guī)律。o 掌握掌握pid三種基本控制規(guī)律、特點。三種基本控制規(guī)律、特點。o 掌握理想掌握理想pid控制器的控制算式，控制器的控制算式，kp、ti、td與控制輸出的關(guān)系。與控制輸出的關(guān)系。o 掌握掌握ddz-iii調(diào)節(jié)器的特點及主要功能。調(diào)節(jié)器的特點及主要功能。 o 了解了

15、解kmm可編程調(diào)節(jié)器特點。可編程調(diào)節(jié)器特點。52電信學院自動化系先進控制技術(shù)研究所電信學院自動化系先進控制技術(shù)研究所53學習幻燈54內(nèi)容簡介過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)內(nèi)容簡介：過程控制系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計需要較多的數(shù)學知識，自動化儀表在設(shè)計制造方面也有許多技術(shù)問題值得探討。但是，對于工藝技術(shù)人員來說，主要關(guān)心的問題是控制系統(tǒng)和儀表的基本原理及其應(yīng)用特性。因此，過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)盡量避免繁雜的數(shù)學推導，力求用簡明扼要的文字和插圖使讀者對所學知識有更多的定性了解，通俗易懂，這是過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)的另一個特色。過程控制系統(tǒng)和儀表涉及的領(lǐng)域十分廣闊，研究內(nèi)容也極其豐富。本著理論聯(lián)

16、系實際、學以致用的原則，過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)在取材方面，不追求包羅萬象、面面俱到，而是力爭把最基本、最常用的內(nèi)容都包含進來。突出重點，注重實用是過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)的第三個特色。 第第3版版2010-07第第2版版出版日期：出版日期：2006-08-01 5455目錄 第1篇 過程控制基礎(chǔ)知識第1章 緒論1.1 生產(chǎn)過程自動化概述1.1.1 生產(chǎn)過程及其特點1.1.2 生產(chǎn)過程對控制的要求1.1.3 生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程1.2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類1.2.1 過程控制系統(tǒng)的組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)的分類1.3 過程控制系統(tǒng)的方塊圖與工藝控制流程圖1.3.1 過程控制

17、系統(tǒng)的方塊圖1.3.2 過程控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖1.4 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標1.4.1 過程控制系統(tǒng)的過渡過程1.4.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標習題第2章 被控對象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控對象的階躍響應(yīng)特性2.2 被控對象特性的數(shù)學描述2.2.1 一階對象的機理建模及特性分析2.2.2 二階對象的機理建模及特性分析2.2.3 純滯后對象的機理建模及特性分析2.3 被控對象的實驗測試建模2.3.1 階躍響應(yīng)曲線的獲取2.3.2 一階純滯后對象特性參數(shù)的確定2.3.3 二階對象特性參數(shù)的確定習題 第2篇 過程自動化裝置第3章 過程測量儀表 3.1 測量

18、儀表中的基本概念3.1.1 測量過程及測量儀表3.1.2 檢測系統(tǒng)的基本特性及性能指標 3.2 溫度測量3.2.1 概述3.2.2 熱電偶溫度計3.2.3 熱電阻溫度計3.2.4 溫度測量儀表的選用3.2.5 溫度交迭器3.2.6 一體化溫度變送器3.2.7 智能溫度變送器 3.3 壓力測量3.3.1 概述3.3.2 彈性式壓力表3.3.3 電容武壓力變送器3.3.4 擴散硅壓力變送器3.3.5 智能差壓變送器3.3.6 壓力表的選擇和使用 3.4 流量測量3.4.1 概述3.4.2 差壓式流量計3.4.3 容積式流量計3.4.4 浮子式流量計3.4.5 電磁流量計3.4.6 渦街流量計555

19、6 3.5 物位測量3.5.1 概述3.5.2 靜壓式液位計3.5.3 磁浮子式液位計3.5.4 電容武物位計3.5.5 其他物位測量儀表 3.6 顯示儀表3.6.1 概述3.6.2 模擬式顯示儀表3.6.3 數(shù)字式顯示儀表3.6.4 智能化、數(shù)字化記錄儀習題 第4章 過程控制儀表4.1 基本控制規(guī)律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例積分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例積分微分控制4.2 ddz一型調(diào)節(jié)器4.2.1 主要功能4.2.2 構(gòu)成原理4.3 可編程調(diào)節(jié)器4.3.1 kmm可編程調(diào)節(jié)器的構(gòu)成4.3.2 kmm可編程調(diào)節(jié)器的主要功能4.3.3 正面板和側(cè)

20、面板 4.4 可編程控制器4.4.1 可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展4.4.2 可編程控制器的應(yīng)用場合4.4.3 可編程控制器的構(gòu)成、分類及工作過程4.4.4 可編程控制器的編程語言4.4.5 可編程控制器選型基本原則4.4.6 松下fpi可編程控制器習題第5章 過程執(zhí)行儀表5.1 概述5.2 執(zhí)行機構(gòu)5.2.1 氣動執(zhí)行機構(gòu)5.2.2 電動執(zhí)行機構(gòu)5.3 調(diào)節(jié)機構(gòu)5.3.1 常用調(diào)節(jié)機構(gòu)及特點5.3.2 流量系數(shù)與可調(diào)比5.3.3 流量特性5.4 電一氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器5.4.1 電一氣轉(zhuǎn)換器5.4.2 閥門定位器的主要用途5.4.3 電一氣閥門定位器習題5657 第3篇 垃程控制系統(tǒng) 第6章

21、簡單控制系統(tǒng)6.1 概述6.2 被控變量的選擇6.3 操縱變量的選擇6.3.1 對象靜態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響6.3.2 對象動態(tài)特性對控制質(zhì)量的影響6.3.3 選擇操縱變量的原則6.4 控制系統(tǒng)中盼測量變送問題6.4.1 測量變送問題對控制質(zhì)量的影響6.4.2 克服測量變送問題的措施6.5 執(zhí)行器的選擇6.5.1 閥流量特性的選擇6.5.2 執(zhí)行器開閉形式的選擇6.6 控制器的選擇6.6.1 控制規(guī)律的選擇6.6.2 控制器正反作用的確定6.7 控制系統(tǒng)的投運及控制器參數(shù)的整定6.7.1 控制系統(tǒng)的投運6.7.2 控制器參數(shù)的整定習題第7章 復雜控制系統(tǒng)7.1 串級控制系統(tǒng)7.1.1 串級控制

22、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.1.2 串級控制系統(tǒng)的工作過程7.1.3 串級控制系統(tǒng)的特點及應(yīng)用場合7.1.4 串級控制系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題7.1.5 串級控制系統(tǒng)的整定 7.2 比值控制系統(tǒng)7.2.1 概述7.2.2 比值控制系統(tǒng)的類型7.3 前饋控制系統(tǒng)7.3.1 概述7.3.2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.3.3 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用7.4 均勻控制系統(tǒng)7.4.1 均勻控制問題的提出7.4.2 均勻控制的特點7.4.3 均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.5 分程控制系統(tǒng)7.5.1 基本概念7.5.2 分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合7.6 選擇性控制系統(tǒng)7.6.1 基本概念7.6.2 選擇性控制系統(tǒng)的實例分析7.7 多沖量控制系統(tǒng)習題第8章 先進過程控制系統(tǒng)介紹8.1 軟測量技術(shù)8.1.1 輔助變量的選擇8.1.2 數(shù)據(jù)采集與處理8.1.3 軟測量模型的建立8.1.4 模型校正8.2 時滯補償控制8.2.1 smith預估補償控制8.2.2 控制實施中的若干問題5758 8.3 解耦控制8.3.1 耦合現(xiàn)象的影響及分析