化工自動化儀表期末復(fù)習(xí)摘要

1、化工自動化儀表期末復(fù)習(xí)摘要第一章 自動控制系統(tǒng)概述1.單元組合儀表之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號聯(lián)系：氣動儀表（QDZ系列）：20-100kPa氣壓信號；電動儀表信號：（A）DDZ系列：0-10mA直流電流信號；（B）DDZ系列：4-20mA（1-5V）直流電流信號。2.專用術(shù)語：被控過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機器。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素。被控過程：鍋爐汽包被控變量：汽包液位操縱變量：水的流量擾動：水壓力

2、、蒸汽流量實例 設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。偏差：被控變量實際值與設(shè)定值之差。負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減3.閉環(huán)控制與開環(huán)控制：閉環(huán)控制：在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。閉環(huán)控制的缺點：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。開環(huán)控制：根據(jù)擾動信號的變化來進(jìn)行控制。開環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：不需要對被控變量進(jìn)行測量，只根據(jù)輸入信號進(jìn)行控制，控制很及時

3、。環(huán)控制的缺點：由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到其他擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。4.閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成（P5）：e(t):偏差u(t):控制作用（控制器輸出）q(t):操縱變量c(t):被控變量y(t):測量值r(t):設(shè)定值控制器：比較機構(gòu)和控制裝置的組合；廣義對象：過程、執(zhí)行器、檢測變送的組合。5.自動控制系統(tǒng)的分類：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。6.自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)：定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式(階躍擾動)：發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)：（1）最大動態(tài)偏差（emax）：對

4、于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個振蕩波的峰值與設(shè)定值之差。即：圖中的A（2）衰減比n：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。即：注：n>1：衰減振蕩；n=1：等幅振蕩；n<1：發(fā)散振蕩。為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。（3）余差（e）：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。即： ；上圖中，。（4）回復(fù)時間（過渡時間）（Ts）：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡

5、時間。（5）振蕩頻率（或振蕩周期）（）：渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。實例 某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（設(shè)定值為200）。(1)最大偏差：emax=230-200=30 ()(2)余差：e=200-205=-5()(3)衰減比：n=(230-205):(210-205)=25:5=5:1(4)過渡時間：Ts=22min第二章 過程特性1.過程特性的類型：通道的概念：控制通道：操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑。擾動通道：擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途

6、徑響應(yīng)曲線有四種（P13）：有自衡的非振蕩過程、無自衡的非振蕩過程、有自衡的振蕩過程、具有反向特性的過程。2.過程的數(shù)學(xué)描述：一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：注：如果有純滯后：。其中，To、Tf、Ko、Kf分別為控制通道、擾動通道的時間常數(shù)和放大系數(shù)。3.過程特性的一般分析：描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和時滯。放大系數(shù)K：希望Ko稍大，希望Kf小一些。控制通道的放大系數(shù)Ko：；擾動通道的放大系數(shù)Kf：。時間常數(shù)T：希望To適中，希望Tf大。定義1 在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需要的時間,稱為該

7、阻容環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。定義2 在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。（如何求得T的方法，參見右圖）時滯：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時滯）現(xiàn)象。（定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后，即：=o+c）其中：純滯后o是由于信息的傳輸需要時間而引起的；容量滯后c是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的?！娟P(guān)于時間常數(shù)T和時滯的圖解，參見P19 圖2-13】4.過程特性的實驗測定方法：最常用的是階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）。其它還有：矩形脈沖擾動法、周期擾動法

8、、統(tǒng)計相關(guān)法。第三章 檢測變送1.測量誤差：相對誤差（儀表引用誤差）：；最大引用誤差又稱為允許誤差max。（一般儀表量程上限Ymax在被測變量的4/3-3/2倍）2.儀表的性能指標(biāo)：（1）精確度（精度）：儀表的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。精度等級：允許誤差去掉“±”號及“%”后，系列化圓整后的數(shù)值。目前我國生產(chǎn)的儀表的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。關(guān)于選表與校表的區(qū)別：選表往精度等級小的靠；校表往精度等級大的靠。實例 某臺測溫儀表的量程是600-1100，其最大絕對誤差為&#

9、177;4 ，試確定該儀表的精度等級。儀表的允許誤差為這臺儀表的精度等級應(yīng)定為1.0級（校表）某臺測溫儀表的量程是600-1100，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4 ，應(yīng)選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。 根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。（選表）（2） 變差（回差）：外界條件不變的情況下，使用同一臺儀表對某一變量進(jìn)行正反行程測量時對應(yīng)于同一測量值所得的儀表讀數(shù)之間的差異。（儀表的變差不能超出儀表的允許誤差）（3）靈敏度和分辨率：靈敏度：儀表的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量

10、的比值，即：靈敏度=Y/X（靈敏度反映了儀表對被測量變化的靈敏程度）分辨率（儀表靈敏限）：儀表輸出能分辨和響應(yīng)的最小輸入變化量。（4）動態(tài)誤差：由于儀表動作的慣性延遲和測量傳遞滯后，當(dāng)被測量突然變化后必須經(jīng)過一段時間才能準(zhǔn)確顯示出來，這樣造成的誤差。（5）線性度：衡量儀表實際特性偏離線性程度的指標(biāo)。線性度差就要降低儀表精度。3.溫度檢測：溫度檢測方法：接觸式和非接觸式。熱電偶：（1）測溫原理熱電效應(yīng)（2）分度號：與分度表所對應(yīng)的熱電偶的代號：B、S、K、E等。（參見右圖）（3）補償導(dǎo)線：解決參比端溫度的恒定問題。（4）熱電偶參比端溫度補償（測量的準(zhǔn)確性）：補償原理：工作端溫度，參比端0，熱電勢

11、為參比端溫度補償方法：（A）計算法（B）冰浴法（C）機械調(diào)零法（D）補償電橋法（常用）。熱電阻：（1）分類：金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻。（2）采用三線制接法：消除連接導(dǎo)線阻值變化帶來的誤差。（3）分度號：Pt50、Pt100、Cu50等。熱電偶與熱電阻的選擇：高溫?zé)犭娕?；低溫?00以下）熱電阻（1）熱電偶：（A）參比端溫度補償；（B）補償導(dǎo)線的極性不能接反；（C）分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號一致；（D）在與采用補償電橋法進(jìn)行參比端溫度補償?shù)膬x表（如電子電位差計、溫度變送器等）配套測溫時，熱電偶的參比端要與補償電阻感受相同溫度。 （2）熱電阻：（A）分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號

12、一致；（B）采用三線制接法；（C）配套使用儀器：電子自動平衡電橋。4.流量檢測：（1）三種流量表示：質(zhì)量流量(qm)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的質(zhì)量。單位：(kg/s)體積流量(qv)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。(工作狀態(tài)) 單位：(m3/s ) ；qm=qv體積流量(qvn)：折算到標(biāo)準(zhǔn)的壓力和溫度下的體積流量。（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：一個大氣壓，20）（2）流量檢測的主要方法：測體積流量：（A）容積法（不用直管段恒流）：如：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮膜式流量計等。（B）速度法：有差壓式、電磁式、漩渦式、聲學(xué)式、熱學(xué)式、渦輪式。測質(zhì)量流量：間接法（測出體積流量和密度，經(jīng)過計算得到。主要有

13、壓力溫度補償式質(zhì)量流量計）和直接法（如：科里奧利力式流量計、量熱式流量計、角動量式流量計）5.差壓式流量傳感器：（1）節(jié)流裝置（前后要有一定長度的直管段）：流量方程式(差壓與流量的關(guān)系) ：（2）靶式流量計；（3）渦輪流量計；（4）電磁流量計；（5）轉(zhuǎn)子流量計；（6）旋渦流量計；（7）超聲波流量計。6.壓力檢測：（1）壓力定義：定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。（2）壓力的三種表示：絕對壓力（P）、表壓力p（又稱相對壓力，是指絕對壓力與大氣壓力（P0）之差）、負(fù)壓/真空度（負(fù)的表壓）。7.物位檢測：常用物位檢測儀表差壓式液位計（關(guān)于遷移問題）：（1）取壓點與液位零面在同一水平面：設(shè)被測介質(zhì)

14、的密度為，容器頂部為氣相介質(zhì)，氣相壓力為pA，pB是液位零面的壓力， p1是取壓口的壓力，根據(jù)靜力學(xué)原理可得因此，差壓變送器正負(fù)壓室的壓力差為液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。（2）取壓口低于容器底部：在無遷移情況下，實際測量范圍是0（h0g +hmaxg）。原因是這種安裝方法使P多出一項 h0g。當(dāng)h=0時，P= h0g，因此P020KPa 。為了遷移掉h0g，即在h=0時仍然使P0=20KPa ，可以調(diào)整儀表的遷移彈簧張力。遷移量h0g0是正遷移。量程遷移后，測量范圍為0hmaxg，再通過零點遷移，使差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為h0g（h0g +hmaxg）。8.變送器：作用：將檢測元件

15、的輸出信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號送往顯示儀表或控制儀表進(jìn)行顯示、記錄或控制。常見的變送器有：溫度變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器等。工作原理：負(fù)反饋原理。變送器的量程、零點遷移：（y為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號；x為被測參數(shù)）（1）量程遷移（調(diào)整斜率）：目的是使變送器輸出信號的上限值與測量范圍的上限值相對應(yīng)。因為，所以改變反饋系數(shù)F的大小可以實現(xiàn)量程調(diào)整，F(xiàn)大則量程大。（2）零點遷移（平移）：目的是使變送器輸出信號的下限值與測量范圍的下限值相對應(yīng)。零點調(diào)整： xmin =0 零點遷移： xmin 0 （A）正遷移：xmin >0 （B）負(fù)遷移：xmin <0 調(diào)節(jié)次序：先量程調(diào)節(jié)，后零點調(diào)

16、節(jié)。使用溫度變送器時應(yīng)注意的問題：（1）使用前都要進(jìn)行量程遷移和零點遷移。（2）溫度變送器要與輸入信號類型相符，分度號的匹配、接線等。此外：熱電偶溫度變送器：熱電偶的參比端要與變送器上的補償電阻感受相同溫度。 熱電阻溫度變送器：金屬熱電阻采用三線制接法，半導(dǎo)體熱敏電阻不用。第四章 顯示儀表1.模擬式顯示儀表：（1）電子電位差計配熱電偶（熱電偶短路指針指向參比端溫度）功能：與溫度、流量、壓力、差壓、成分等變送器配接，可以測量和顯示能轉(zhuǎn)換成毫伏及直流電壓信號的工藝變量。原理：電壓補償原理。用已知電壓來補償未知電壓，使測量線路的電流等于零。用這種方法測量電壓比較精確，因為沒有電流通過測量線路，也就不

17、存在線路電阻影響問題。【P77】型號：用XW系列來命名，X表示顯示儀表，W表示直流電位差計。XW-類型：小型長圖顯示、大型長圖顯示、圓圖顯示等。（2）電子自動平衡電橋配熱電阻功能：對能轉(zhuǎn)換成電阻值的各種變量進(jìn)行測量、顯示、記錄。原理：電橋平衡原理。型號：根據(jù)輸出電壓：XD系列交流平衡電橋；XQ系列直流平衡電橋2.數(shù)字式顯示儀表：數(shù)顯儀表的組成框圖（右圖）：第五章 執(zhí)行器1.組成：執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是指根據(jù)控制器控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置。調(diào)節(jié)機構(gòu)：調(diào)節(jié)機構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。2.分類：液動、氣動、電動。3.執(zhí)行機構(gòu)：氣動執(zhí)

18、行器的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是統(tǒng)一的整體。氣動執(zhí)行機構(gòu)主要分為薄膜式和活塞式。4.控制閥：調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。執(zhí)行器如氣動薄膜控制閥的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組合起來可以實現(xiàn)氣開和氣關(guān)式兩種調(diào)節(jié)。5.氣動薄膜控制閥的流量特性：（1）定義：流量特性是指流過閥門的調(diào)節(jié)介質(zhì)的相對流量與閥桿的相對行程（閥門的相對開度）之間的關(guān)系。（2）理想流量特性：控制閥的前后壓差不變時得到的流量特性。特點：完全取決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)；主要有三種類型：線性、對數(shù)、快開。線性閥：是指控制閥的相對流量與相對開度成線性關(guān)系。閥桿單位行程變化所引起的相對流量變化是常數(shù)。對數(shù)閥（等百分比流量特性）：是指單位行程變化所引起

19、的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。選擇原則：S>0.6：認(rèn)為工作特性與理想特性相同。0.3<S<0.6：S<0.3 （流量特性畸變很大）：節(jié)能運行，可以進(jìn)行靜態(tài)非線性補償?？刂崎y的理想流量特性1線性2對數(shù)3快開快開閥：在開度較小時就有較大流量，隨著開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，隨后在增大開度時流量的變化很小，故稱為快開特性。（3）工作流量特性：實際上控制閥的前后壓差是變化的。配管系數(shù)S：控制閥全開時，控制閥上壓差pv 與系統(tǒng)總壓差p之比。即：。S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，工作流量特性就表現(xiàn)為理想流量特性。一般希望S值最小不低于0.3。（4）動態(tài)特性

20、：氣動薄膜控制閥膜頭是一個空間，它可以看作為一個氣容，從控制器到氣動薄膜控制閥膜頭間的引壓管線有氣容和氣阻，所以管線和膜頭是一個由氣阻和氣容組成的一階滯后環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)的大小取決于氣阻和氣容。（5）控制閥口徑的確定：依據(jù)：流通能力。6.閥門定位器（了解）：功能：接受控制器的輸出信號，然后將該信號成比例地輸出到執(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)閥桿移動以后，其位移量又通過機械裝置負(fù)反饋作用于閥門定位器，它與執(zhí)行機構(gòu)組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。采用閥門定位器，可以增加執(zhí)行機構(gòu)的輸出功率，改善控制閥的性能。目前較多使用電動控制器，控制閥較多使用氣動控制閥。閥門定位器的作用：（1）改善閥的靜態(tài)特性（2）改善閥的動態(tài)特性：改變了閥原

21、來的一階滯后特性，減小時間常數(shù)，使之成為比例特性。一般地，氣壓傳送管線超過60m時，應(yīng)采用閥門定位器。（3）改善閥的流量特性通過改善反饋凸輪的形狀（4）用于分程控制（5）用于閥門的反向動作可改變閥的氣開、氣關(guān)特性7.控制閥流量特性的選擇：選擇原則：使整個廣義對象具有線性特征。8.控制閥氣開、氣關(guān)的選擇：選擇原則：安全原則。第六章 控制器（調(diào)節(jié)器）1.概述：控制器是控制系統(tǒng)的核心。作用：控制執(zhí)行器，改變操縱變量，使被控變量符合生產(chǎn)要求。分類：按能源形式分類：氣動、電動；按信號類型分類：模擬式、數(shù)字式；按結(jié)構(gòu)形式：基地式、單元組合式、組裝式、集散控制系統(tǒng)。2.基本控制規(guī)律：定義：是指控制器的輸出信

22、號與輸入信號之間的關(guān)系。控制器的輸入信號e(t)：是測量值y(t)與被控變量的設(shè)定值之差 ，即e(t)=y(t)-r(t)；控制器的輸出信號u(t)：是送往執(zhí)行機構(gòu)的控制命令。控制規(guī)律就是控制器的輸出信號u(t)隨輸入信號e(t)變化的規(guī)律。3.PID控制算法：（1）比例度：定義：控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)，表達(dá)式為：（必記）（其中，C為儀表系數(shù)）（具體而言：使控制器的輸出變化滿刻度時，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮祝?。對于單元組合儀表，有：。比例度對系統(tǒng)過渡過程的影響：在擾動（如負(fù)荷）及設(shè)定值變化時有余差存在。 比例度愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，余差也愈大。比例

23、度愈小，過渡過程曲線振蕩愈厲害。當(dāng)比例度減小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩，此時的比例度稱為臨界比例度k。在擾動作用下，主要取決于余差，小則余差小，所以最大偏差也?。辉谠O(shè)定作用下，最大偏差取決于超調(diào)量，小則超調(diào)量大，所以最大偏差就大。（參見右圖）（2）比例控制特點（存在余差）：是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍，它能迅速克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快穩(wěn)定。適用場合：擾動幅度較小、負(fù)荷變化不大、過程時滯較小或控制要求不高的場合。（3）積分作用特點：（A）消除余差，卻降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（B）落后性：積分控制作用總是滯后于偏差的存在。積分時間TI定義：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的

24、時間，就是積分時間TI 。積分時間TI越大，直線越平坦，說明積分作用越弱。隨著TI減小，則積分作用增強，消除余差較快，但控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。積分飽和：積分飽和指的是一種積分過量現(xiàn)象。解決積分飽和問題的常用方法是采用PI-P控制規(guī)律。另外，還有積分限幅法，變速積分法等。（4）微分作用特點（超前控制）：理想微分器在階躍偏差信號作用下的開環(huán)輸出特性是一個幅度無窮大、脈寬趨于零的尖脈沖，輸出只與偏差的變化速度有關(guān)。微分時間TD越大，微分作用越強。由于微分在輸入偏差變化的瞬間就有較大的輸出響應(yīng)，因此微分控制被認(rèn)為是超前控制，適用于容量滯后。（5）實際PID控制：（必記）式中第一項為比例

25、（P）部分，第二項為積分（I）部分，第三項為微分（D）部分。Kc為比例增益，KD為微分增益；TI為積分時間；TD為微分時間，A為階躍信號。適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔茫涸谪?fù)荷變化劇烈、擾動幅度較大或過程容量滯后較大的系統(tǒng)中，適當(dāng)引入微分作用，可在一定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。如右圖所示：TD太小：對系統(tǒng)的控制指標(biāo)沒有影響或影響甚微，如曲線1；TD適當(dāng)：系統(tǒng)的控制指標(biāo)將得到全面的改善，如曲線2；TD過大：引入的微分作用太強，可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振蕩，如曲線3。 如果要求引入微分作用后仍然保持原來的衰減比n，則可適當(dāng)減小控制器的比例度。適用場合：用于時滯大的場合，特別是在溫度控制系統(tǒng)。理想微分器在階躍偏差信號

26、作用下的開環(huán)輸出特性階躍偏差下的積分控制器開環(huán)輸出特性階躍偏差作用下的實際比例微分開環(huán)輸出特性階躍偏差作用下的比例控制器的開環(huán)輸出特性（6）P、I、D開環(huán)輸出特性：實例 某臺PID控制器偏差為1mA時，輸出表達(dá)式為（t單位為分鐘）。試問：（1）這是什么控制規(guī)律？（2）求出控制器各個控制參數(shù)。（3）畫出其開環(huán)輸出特性圖。解：；又有。（1） PD控制規(guī)律。（2） 解之得：KC=2，KD=5，TD=5。（3）開環(huán)輸出特性曲線：為KCA=2，KCKDA=10曲線如右圖所示：4.模擬式控制器：（1）DDZ-型電動單元控制器：輸入信號為來自變送器或轉(zhuǎn)換器的15V直流測量信號，設(shè)定信號為15V直流信號，兩者

27、相比較得到偏差信號，然后對此信號進(jìn)行PID運算后，輸出15V或420mA直流控制信號給執(zhí)行器，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。（2）控制器的工作狀態(tài)有“自動”、“軟手動”、“硬手動”及“保持”四種：軟手動微調(diào)；硬手動粗調(diào)；保持無擾動切換（輸出值保持不變）。（3）控制器的“內(nèi)”“外”設(shè)定開關(guān)：內(nèi)定值控制；外隨動控制。（4）控制器的“正”、“反”作用開關(guān)：由u和e的方向決定，同向為正作用。當(dāng)控制器置于“正”作用時，控制器的輸出隨著正偏差的增加而增加?？刂破鳌罢薄ⅰ胺础弊饔瞄_關(guān)不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關(guān)情況來決定，保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋。 實例 如圖所示的液位控制系統(tǒng)，如果閥的氣開、氣

28、關(guān)特性發(fā)生改變，控制器的正、反作用也應(yīng)該發(fā)生改變。假設(shè)閥門選用氣關(guān)閥：假設(shè)液位上升：要使液位下降：e和u同向（箭頭同向）選正作用控制器。假設(shè)閥門選用氣開閥：假設(shè)液位上升：要使液位下降：e和u反向（箭頭反向）選反作用控制器。蒸汽加熱反應(yīng)釜實例 如圖蒸汽加熱反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，試確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。解：（1）確定控制閥的氣開、氣關(guān)特性：工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，也就是說，供氣中斷時熱源關(guān)斷應(yīng)選氣開閥。（2）確定調(diào)節(jié)器的正、反作用： 控制器應(yīng)選反作用第七章 簡單控制系統(tǒng)1.被控變量的選擇原則：（1）合理性與獨立性：盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。（2）直接指標(biāo)

29、與間接指標(biāo)：所選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全、高效的要求。（3）可測與可控：必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。2.操縱變量的選則原則：（1）操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。（2）操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控變量的輸入變量中對被控變量影響最大的一個?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)K要盡量大一些，時間常數(shù)T適當(dāng)小些，滯后時間盡量小。（3）不宜選擇代表生產(chǎn)負(fù)荷的變量作為操縱變量。（4）工藝上的合理性和方便性。3.選擇控制規(guī)律時注意：（1）微分作用對過程的容量滯后有效，而對過程控制通道存在純滯后無效。（2）積分控制可以消除余差，但會帶來積分飽和。 4.控制器的參數(shù)整定：（1）臨界比例度法：先將控制器設(shè)置為純

30、比例作用，比例度放在較大位置，將系統(tǒng)投入閉環(huán)控制，然后逐步減小比例度并施加干擾作用，直至控制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩的過渡過程。求得臨界比例度k，臨界振蕩周期Tk。根據(jù)k和Tk查表找控制器應(yīng)該采用的參數(shù)值。（注：控制系統(tǒng)工作在非線性區(qū)，不適用）（2）衰減曲線法：將控制器先設(shè)置為純比例作用，并將比例度放在較大的位置上。將系統(tǒng)投入閉環(huán)控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例度，改變設(shè)定值以加入階躍干擾，觀察過渡過程的曲線，直至衰減比n為4:1。這時的比例度為S，衰減周期為TS，最后，查表得出控制器應(yīng)該采用的參數(shù)值。（注：加干擾前，控制系統(tǒng)必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)；階躍干擾的幅值不能大；不可以過渡過程波動頻繁）（3）經(jīng)驗

31、整定法：經(jīng)驗法整定控制器參數(shù)的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”。（A）比例度：比例度越大，過渡過程越平緩，余差越大； 比例度越小，過渡過程振蕩越激烈，余差越小，過小，甚至成為發(fā)散振蕩的不穩(wěn)定系統(tǒng)。（B）積分時間TI：積分時間越大（積分作用越弱），過渡過程越平緩，消除余差越慢； 積分時間越?。ǚe分作用越強），過渡過程振蕩越激烈，消除余差快。（C）微分時間TD：微分時間越大，微分作用越強。第八章 復(fù)雜控制系統(tǒng)1.常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級、均勻、比值、分程、選擇性、前饋、多沖量等。2.串級控制系統(tǒng)（只有一個執(zhí)行器）：（1）串級控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)：思想：把時間常數(shù)較大的被控對象分解為兩個時間常數(shù)較小的

32、被控對象。例如：加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)【P171】（2）組成原理：將原被控對象分解為兩個串聯(lián)的被控對象。以分解后的兩個被控對象的中間變量作為副被控變量，構(gòu)成一個副回路（簡單控制系統(tǒng)）。將原被控變量作為主被控變量構(gòu)成主回路。主控制系統(tǒng)控制器的輸出信號作為副控制系統(tǒng)控制器的設(shè)定值，副控制系統(tǒng)的輸出信號作為主被控對象的輸入信號。（3）系統(tǒng)的工作方式：副環(huán)既是隨動又是定值控制系統(tǒng)；主環(huán)是定值控制系統(tǒng)。（4）副被控變量的選擇原則：必須保證它是操縱變量到主被控變量通道中的一個適當(dāng)中間變量；使主要擾動作用于副對象上，使副對象包含適當(dāng)多的擾動；主、副對象的時間常數(shù)不能太接近。副控制器控制規(guī)律一般選擇P控制，而

33、且比例度選的較小。（5）正、反作用選擇：副控制器正、反作用的選擇根據(jù)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來確定。主控制器正、反作用的選擇根據(jù)副被控變量對主被控變量的影響關(guān)系來確定（與氣開、氣關(guān)無關(guān)）。實例 下圖所示的加熱爐溫度-壓力串級控制系統(tǒng)，試分別確定主、副控制器的正、反作用。解：（1）閥的氣開、氣關(guān)特性：依據(jù)安全原則，當(dāng)供氣中斷時，應(yīng)使控制閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，不致燒壞加熱爐，所以應(yīng)選氣開閥。（2）副控制器的正、反作用：選擇反作用。（3）主控制器的正、反作用：主控制器應(yīng)選反作用（T與P反向）。結(jié)論：副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要依據(jù)閥門的氣開、氣關(guān)特性；主調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇與閥門的氣開、氣關(guān)形式無關(guān)。（6

34、）系統(tǒng)投運：將主控制器設(shè)定為內(nèi)設(shè)定方式，副控制器設(shè)定為外設(shè)定方式。參數(shù)整定：兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器。一步整定法：只整定主控制器，副控制器的參數(shù)按經(jīng)驗值設(shè)定。（7）串級控制系統(tǒng)適用場合：采用簡單控制質(zhì)量較差，或要求被控變量的誤差范圍很小，簡單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁的情況。復(fù)雜控制系統(tǒng)中用的最多的一種。3.均勻控制系統(tǒng)（與簡單定值系統(tǒng)外形一致）：（1）均勻控制的目的：從控制方案出發(fā)，解決前后工序供求矛盾，達(dá)到前后兼顧協(xié)調(diào)工作（如使液位和流量均勻變化）。（2）采用均勻控制的前提條件：系統(tǒng)需要控制的兩個或多個變量的要求不是很高，可以在一定范圍

35、內(nèi)波動。（3）均勻控制的特點：表征前后供求矛盾的兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動。（4）實現(xiàn)方法：通過控制器的參數(shù)整定來實現(xiàn)。（5）注意：微分作用與均勻矛盾，故不能采用微分作用。（6）與定值控制系統(tǒng)區(qū)別：區(qū)別在于控制器的控制規(guī)律選擇和參數(shù)整定。均勻控制系統(tǒng)要求：不選擇微分作用，參數(shù)整定上一般比例度大于100%，積分時間要長，才能滿足均勻控制。均勻控制系統(tǒng)所控制的變量允許有一定波動，對余差無要求。4.比值控制系統(tǒng)：（1）目的：是為了實現(xiàn)幾種物料按一定比例混合，使生產(chǎn)安全、正常地進(jìn)行。（2）定義：實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)

36、系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。（3）主動量與從動量：主動量（主流量）：在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種物料處于主導(dǎo)地位，稱此物料為主動量(FM)。從動量（從流量）：另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從動量(FS)。（4）比值控制系統(tǒng)分類：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。（5）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的區(qū)別：結(jié)構(gòu)上：沒有主對象、主控制器；本質(zhì)區(qū)別：串級中，副變量是操縱變量到主被控變量之間的一個中間變量，會影響主被控變量，在比值中，從動量不會影響主動量。（6）特點：從動量控制系統(tǒng)既是一個隨動控制系統(tǒng)又是一個定值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)

37、比值控制系統(tǒng)能克服從動量的波動，使其隨主動量的變化而變化，使它們保持比值關(guān)系。（7）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實際上是由一個定值控制系統(tǒng)和一個隨動控制系統(tǒng)組成，它不僅能保持兩個流量之間的比值，而且能保證總流量不變。適用場合：主要應(yīng)用于總流量需要調(diào)整的場合。5.分程控制系統(tǒng)（需要閥門定位器）：（1）分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性：（2）分程控制系統(tǒng)的特點：簡單控制系統(tǒng)：一個控制器的輸出信號只控制一個執(zhí)行器。分程控制系統(tǒng)：一個控制器的輸出信號同時控制幾個工作范圍不同的執(zhí)行器。（3）分程的實現(xiàn)：是通過閥門定位器或電氣閥門定位器來實現(xiàn)的，將調(diào)節(jié)器的輸出信號分為幾段，每段控制一個閥門動作。（4）分程

38、控制的應(yīng)用：提高控制閥的可調(diào)比；交替使用不同的控制方式；滿足生產(chǎn)過程不同階段的需要。（5）控制閥的可調(diào)范圍R的計算：實例 設(shè)大、小兩個調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為CAmax=100，CBmax=4，可調(diào)范圍RA=RB=30，兩個閥均為氣開閥，試求兩個閥并聯(lián)后的可調(diào)范圍。解：可得小閥的最小流通能力為當(dāng)大、小閥并聯(lián)組合在一起時，閥的最小流通能力為0.133，最大流通能力為104，所以調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為 6.前饋控制系統(tǒng)（可測不可控）：（1）概念：反饋控制（閉環(huán)控制）：控制器按照被控變量與設(shè)定值的偏差來進(jìn)行控制。存在的問題：當(dāng)被控變量偏離設(shè)定值，產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行控制，使得控制作用滯后。前饋控制（開環(huán)控制）：控制器根據(jù)擾動或設(shè)定值的變化按補償原理進(jìn)行工作。特點：擾動產(chǎn)生后，被控變量還未變化之前，根據(jù)擾動的大小施加控制，控制超前。（2）反饋與前饋的對比：前饋控制特點：(1)是開環(huán)控制系統(tǒng)(2)控制及時(3)只能克服