生物反應(yīng)工程 工業(yè)過(guò)程控制

第二篇

工業(yè)過(guò)程控制工業(yè)過(guò)程控制是為達(dá)到規(guī)定目的，用自動(dòng)化裝置對(duì)影響生產(chǎn)過(guò)程的變量進(jìn)行自動(dòng)控制和信息處理，使生產(chǎn)自動(dòng)地、最佳地進(jìn)行。內(nèi)容：基本知識(shí)、被控對(duì)象的特性、變送器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)規(guī)律、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、典型控制系統(tǒng)第一章

自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

第一節(jié)概

述一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

被控過(guò)程(又稱控制對(duì)象)：指控制系統(tǒng)中接受控制的生產(chǎn)工藝過(guò)程(包括工藝設(shè)備和介質(zhì))；調(diào)節(jié)器：控制系統(tǒng)核心。測(cè)量元件及變送器的作用是測(cè)量被控變量并將它轉(zhuǎn)換為一種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(電信號(hào)或氣信號(hào))。在控制流程圖中，測(cè)量元件及變送器可用符號(hào)表示，也可用字母代號(hào)表示(例如表示液位變送器)。測(cè)量元件及變送器常見(jiàn)被控變量的字母代號(hào)為：流量(F)、液位(L)、壓力(P)、溫度(T)、成分量(A)等。相應(yīng)的測(cè)量變送器可表示為：流量變送器(FT)、成分變送器(AT)、溫度變送器(TT)等等；

調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器：接受變送器和設(shè)定值發(fā)生器(產(chǎn)生參比信號(hào)的裝置)送來(lái)的信號(hào)，通過(guò)比較得出偏差信號(hào)，并按一定的運(yùn)算規(guī)律發(fā)出控制指令信號(hào)給執(zhí)行器。調(diào)節(jié)器可用字母代號(hào)表示，或在小圓圈內(nèi)寫(xiě)有兩位以上字母，以進(jìn)一步說(shuō)明其功能。例如，表示液位調(diào)節(jié)器，表示流量調(diào)節(jié)器，表示溫度調(diào)節(jié)器等。執(zhí)行器

可根據(jù)調(diào)節(jié)器送來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)地改變閥門(mén)的開(kāi)度，從而改變輸送給控制對(duì)象的能量或物料量。在控制流程圖中，執(zhí)行器可用符號(hào)表示。

除此之外，在控制流程圖中常見(jiàn)的儀表功能代號(hào)還有：

R—記錄，I—指示，Y—計(jì)算，K—操作器等。另外，還常見(jiàn)以S.P.表示“設(shè)定點(diǎn)”，以H.S.表示“高選”，以L.S.表示“低選’等。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖

1.方框及方框連接

表示方法：方框：系統(tǒng)中的一個(gè)組成環(huán)節(jié)。箭頭的連線：信號(hào)的相互聯(lián)系和傳遞方向，并不代表方框之間的物料聯(lián)系。若箭頭指向方框，則表示為作用于該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，箭頭離開(kāi)方框則表示為該環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)。按箭頭方向，方框圖中的每一個(gè)方框受前一個(gè)方框的影響，而又對(duì)后面的方框施加影響。

調(diào)節(jié)器執(zhí)行器u

1.方框及方框連接

基本原則是按實(shí)際系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)之間的信號(hào)傳遞順序，用帶箭頭的線將各方框連接起來(lái)。一般在連接線上，常用某個(gè)字母來(lái)表示方框間相互作用的信號(hào)。字母u代表控制信號(hào)，它作為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，也是作用于執(zhí)行器的輸入信號(hào)。2.加減與分支

當(dāng)幾個(gè)信號(hào)相加減時(shí)，在方框圖中用一個(gè)“小圓圈”來(lái)表示加減器，各信號(hào)用帶箭頭的線與“小圓圈”連接。箭頭指向“小圓圈”的信號(hào)即為需要進(jìn)行相加減的信號(hào)，箭頭離開(kāi)“小圓圈”的信號(hào)則為加減后的輸出信號(hào)。是相加、還是相減，用箭頭旁的加減符號(hào)表示(加號(hào)可省略)，如圖2-l-2(b)表示W(wǎng)=X+Y-Z。

WXYZ-在方框圖中，當(dāng)一個(gè)信號(hào)需要送至幾個(gè)方框時(shí)，可在連接線上任一點(diǎn)分支。分支點(diǎn)以后的各信號(hào)均與分支點(diǎn)以前的信號(hào)相同，因?yàn)樾盘?hào)的傳遞并不涉及能量或物質(zhì)的分流。rezumfc-被控變量c

:被控過(guò)程(控制對(duì)象)的輸出。液位H是該生產(chǎn)過(guò)程需要控制的工藝變量為被控變量。干擾作用f：非控制系統(tǒng)作用而引起被控變量變化的外來(lái)因素（或干擾量）；是作用于控制對(duì)象的輸入信號(hào)。

影響被控變量變化的因素來(lái)自進(jìn)料流量Q1的改變。操縱變量m：受執(zhí)行器直控制的工藝變量。在方框中是執(zhí)行器的輸入信號(hào)，也是被控制過(guò)程的輸入信號(hào)。出料流量Q2的改變是由于執(zhí)行器的動(dòng)作所致。比較機(jī)構(gòu)一般設(shè)置在調(diào)節(jié)器的內(nèi)部，為了分析控制系統(tǒng)的特性，常將其單獨(dú)畫(huà)出。參比信號(hào)（r）可由設(shè)定值發(fā)生器給出，或由該系統(tǒng)外部的其他裝置輸入。

控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是液位測(cè)量變送器將被測(cè)液位轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)（z），該測(cè)量信號(hào)送至調(diào)節(jié)器，先與設(shè)定的參比信號(hào)(r)進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)(e)，然后按偏差的大小與方向，以一定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并發(fā)出控制信號(hào)(u)給執(zhí)行器，從而改變出料閥門(mén)的開(kāi)度,改變出料流量Q2，以達(dá)到控制液位的目的。

自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖的代表符號(hào)名稱符號(hào)概念對(duì)照例圖被控變量C要求保持預(yù)期值的被控過(guò)程輸出變量液位H測(cè)量信號(hào)Z表示被測(cè)變量的信號(hào)變送器輸出參比信號(hào)r用來(lái)設(shè)定被控變量預(yù)期值的信號(hào)液位的預(yù)設(shè)值所設(shè)定的信號(hào)偏差信號(hào)e參比信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的之差r-Z控制信號(hào)u用以改變控制作用大小的信號(hào)調(diào)解器輸出操縱變量m執(zhí)行器直接控制的工藝變量出料流量Q1干擾變量f非控制系統(tǒng)作用而引起被控變量變化的參數(shù)進(jìn)料流量Q2等調(diào)節(jié)器執(zhí)行器被控過(guò)程測(cè)量元件及變送器參比信號(hào)（設(shè)定點(diǎn)）偏差er-z控制信號(hào)

u操縱變量

mc被控變量f干擾作用(干擾變量)自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖[例]如所示為一蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)。

(1)指出該系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、被控對(duì)象各是什么?(2)該系統(tǒng)可能的干擾有哪些?(3)該系統(tǒng)的控制通道是指什么?(4)試畫(huà)出該系統(tǒng)的方塊圖。

(1)該系統(tǒng)的被控對(duì)象是蒸汽加熱器，被控變量是被加熱物料的出口溫度，操縱變量是加熱蒸汽的流量。(2)該系統(tǒng)可能的干擾有加熱蒸汽壓力；冷物料的流量及溫度；加熱器內(nèi)的傳熱狀況(例結(jié)垢狀況)；環(huán)境溫度變化等。圖蒸汽加熱器的溫度控制(3)該系統(tǒng)的控制通道是指由加熱蒸汽流量變化到熱物料的溫度變化的通道。

(4)方塊圖溫度變送氣TT-z給定值r偏差eu被控變量c加熱器蒸汽加熱器閥mf溫度調(diào)節(jié)器TC溫度調(diào)節(jié)器TC三、自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)分類(lèi)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)操作系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1按控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式分開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：把控制信號(hào)從一個(gè)環(huán)節(jié)送到另一個(gè)環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)的被控對(duì)象不引回信號(hào)反饋到輸入控制端進(jìn)行比較、不構(gòu)成閉合回路工作的系統(tǒng)（不能保證控制質(zhì)量）。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)操作系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)：又稱反饋控制系統(tǒng)，它是按系統(tǒng)的偏差進(jìn)行控制的。從各環(huán)節(jié)信號(hào)的傳遞關(guān)系而言，它們構(gòu)成了一個(gè)閉合的回路，所以是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出端被控變量的信號(hào)是經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)送回到系統(tǒng)輸入端調(diào)節(jié)器上的。

自動(dòng)控制系統(tǒng)一種是按設(shè)定值進(jìn)行控制，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，其操縱變量也隨之變化。如圖1所示，其設(shè)定值的改變引起蒸汽流量的改變，它們保持一定的函數(shù)關(guān)系。另一種是按擾動(dòng)量大小進(jìn)行控制，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，操縱變量也隨之變化。如圖2所示，其主要擾動(dòng)量(負(fù)荷)的變化，引起蒸汽流量按一定函數(shù)關(guān)系而變化開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)圖1圖2閉環(huán)系統(tǒng)反饋，是將輸出信號(hào)通過(guò)某些環(huán)節(jié)部分或全部地引回到輸入端的做法。正反饋：引回到輸入端的信號(hào)是增強(qiáng)輸入作用的負(fù)反饋：引回到輸入端的信號(hào)是減弱輸入作用的。只有負(fù)反饋才能克服干擾影響，使被控變量從偏離參比值的狀態(tài)重新回到參比值，以達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。2.按所輸入的參比信號(hào)的不同

定值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的參比信號(hào)是恒定不變的。在生產(chǎn)進(jìn)程中，大多數(shù)場(chǎng)合要求被控變量保持恒定，或在一定的范圍內(nèi)變化。因此，定值控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程控制中最常見(jiàn)。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的參比信號(hào)是一個(gè)不可預(yù)定的隨機(jī)信號(hào)，多見(jiàn)于復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)中

程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)的參比信號(hào)是一個(gè)己知的時(shí)間函數(shù)

第二節(jié)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及質(zhì)量指標(biāo)任務(wù)：消除干擾作用的影響，使被控變量保持在要求的變化范圍內(nèi)或按給定的規(guī)律變化。工作原理：被控變量的測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)的偏差大小來(lái)改變控制作用的強(qiáng)弱，以克服干擾作用的影響?？刂葡到y(tǒng)的工作過(guò)程：一個(gè)檢測(cè)偏差和消除偏差的過(guò)程。意義：被控變量的變化情況、偏離參比值的最大程度以及消除偏差的速度、精度等都是衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

（一）、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)，靜態(tài)過(guò)程是暫時(shí)的、相對(duì)的和有條件的。動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)，它是控制作用不斷克服干擾作用的影響、使被控變量不斷跟蹤參比值的過(guò)程，即為自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。（二）、過(guò)渡過(guò)程的特性曲線

影響因素：一是自動(dòng)控制系統(tǒng)本身的特性，如調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、被控過(guò)程的特性等等；二是控制系統(tǒng)輸入信號(hào)的形式，即干擾或參比信號(hào)變化的方式。1.系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)干擾信號(hào)

經(jīng)常采用的典型的試驗(yàn)干擾信號(hào)有階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)和正弦波信號(hào)

實(shí)驗(yàn)干擾信號(hào)

（a）階躍信號(hào)

（b）斜坡信號(hào)

（c）脈沖信號(hào)（d）正弦波信號(hào)實(shí)驗(yàn)采用階躍干擾信號(hào)這種階躍干擾的作用比較突然，相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)被控變量影響較大。如果控制系統(tǒng)能夠有效而及時(shí)地克服這種干擾，則對(duì)其它較緩和的干擾也一定能有效地加以克服。同時(shí)，這種干擾信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，因此應(yīng)用較廣。2.系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種基本形式

系統(tǒng)受到階躍信號(hào)輸入作用后發(fā)散振蕩過(guò)程

被控變量C的變化持振蕩狀態(tài)，其振蕩幅度越來(lái)越大發(fā)散振蕩過(guò)程是一種不穩(wěn)定的過(guò)程。等幅振蕩過(guò)程

如圖

(b)所示，被控變量在某穩(wěn)定值附近振蕩，而振蕩幅度恒定不變。因此一般不采用。但若幅值不超出生產(chǎn)允許的范圍，那么這種過(guò)渡過(guò)程仍是允許的。它也是一種不穩(wěn)定的過(guò)程。衰減振蕩過(guò)程

如圖

(c)所示，被控變量圍繞穩(wěn)定值上下振蕩，經(jīng)過(guò)兩三個(gè)周期波動(dòng)后，就穩(wěn)定下來(lái)。一種穩(wěn)定的過(guò)程，它的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，控制及時(shí)，且容易看出被控變量的變化趨勢(shì)，因此應(yīng)用廣泛。非周期衰減過(guò)程如圖

(d)所示，被控變量在大于(或小于)穩(wěn)定值的范圍內(nèi)變化，當(dāng)達(dá)到最大偏離幅度后，逐漸緩慢衰減直至最后被控變量重新穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種過(guò)渡過(guò)程也稱穩(wěn)定過(guò)程，但它與衰減振蕩過(guò)程相比，被控變量回復(fù)到平衡狀態(tài)的速度慢。因此，多被采用于不允許有振蕩的場(chǎng)的場(chǎng)合。過(guò)渡過(guò)程曲線(a)

發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩

(c)衰減振蕩(d)非周期衰減一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，首先應(yīng)是一個(gè)漸趨穩(wěn)定的過(guò)程，這是滿足生產(chǎn)要求的基本保證。其次，在大多數(shù)場(chǎng)合下，應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩的過(guò)程。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

余差C＝y(tǒng)(∞)—r最大偏差A(yù)(或超調(diào)量B)過(guò)渡時(shí)間ts衰減比B：B`:n:1=4:1～10:1振蕩周期T質(zhì)量指標(biāo)

1.余差C

指過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被控變量新的穩(wěn)定值與參比值之差，又稱殘余偏差。C＝y(tǒng)(∞)—r。余差愈小，精度愈高，控制質(zhì)量就愈好。但在實(shí)際工作中，余差的大小只要能滿足生產(chǎn)工藝要求就可以了。

2.最大偏差A(yù)(或超調(diào)量B)

在衰減振蕩過(guò)程中，即為第一個(gè)波峰值與參比值之差，A＝y(tǒng)(tp)－r，式中y(tp)表示第一個(gè)波峰值。從對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的要求考慮，希望最大偏差要小。最大偏差愈大，系統(tǒng)偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)愈遠(yuǎn)，造成事故的可能性愈大。有時(shí)，也用超調(diào)量B來(lái)表示。

質(zhì)量指標(biāo)3.過(guò)渡時(shí)間ts

指從階躍干擾作用開(kāi)始到被控變量重新穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間間隔，即整個(gè)過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。

過(guò)渡時(shí)間是控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的質(zhì)量指標(biāo)。過(guò)渡時(shí)間愈短，表明控制速度俞快，系統(tǒng)抗干擾的能力愈強(qiáng)、控制質(zhì)量愈高。因此，過(guò)渡時(shí)間愈短愈好。

質(zhì)量指標(biāo)

4．衰減比n:1

指過(guò)渡過(guò)程曲線上同方向的相鄰兩個(gè)波峰之比B：B`，一般衰減比在4:1～10:1之間較好，波動(dòng)的次數(shù)以向上波動(dòng)兩次，向下波動(dòng)一至兩次為宜。

5．振蕩周期T

指從一個(gè)波峰到相鄰的第二個(gè)同向波峰之間的時(shí)間，振蕩周期的倒數(shù)稱為振蕩頻率。在相同的衰減比條件下，振蕩周期與過(guò)渡時(shí)間成正比。因此，振蕩周期短些為好。[例]

某溫度控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖，試問(wèn)該過(guò)渡過(guò)程的最大偏差、超調(diào)量、余差、衰減比、過(guò)渡時(shí)間及振蕩周期是什么？

解：由題可知：

最大偏差：2.8℃；超調(diào)量：2.8℃；余差：0：衰減比：2.8：1；過(guò)渡時(shí)間：12s；振蕩周期：6s。2.8612第二章

被控過(guò)程特性

被控過(guò)程的特性：當(dāng)被控過(guò)程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律(包括變化的大小，變化的速度等等)被控變量（輸出量）操縱變量（輸入量）干擾變量（輸入量）Q1Q2H被控對(duì)象動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型集中參數(shù)數(shù)學(xué)模型模型中各個(gè)變量均按集中參數(shù)處理，常用微分方程來(lái)描述。分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型模型中各個(gè)變量均按分布參數(shù)處理，即各個(gè)變量不僅時(shí)間的函數(shù)而且也是空間的函數(shù)，常用偏微分方程來(lái)描述。多級(jí)數(shù)學(xué)模型模型中各個(gè)變量都是按時(shí)間離散變化的，機(jī)理模型常常相當(dāng)繁雜，需用計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)間模擬。第一節(jié)

被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立

采用數(shù)學(xué)方法求取被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，只限于設(shè)備容器比較簡(jiǎn)單、能量和物料變化過(guò)程和機(jī)理比較清楚的被控過(guò)程。通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的物料平衡或能量平衡關(guān)系來(lái)推導(dǎo)出被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

靜態(tài)的物料(或能量)平衡關(guān)系是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料量(或能量)等于單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料量(或能量)。

動(dòng)態(tài)的物料(或能量)平衡關(guān)系是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料量(或能量)減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料量(或能量)等于被控過(guò)程的物料(或能量)貯存量的變化率。

一、一階對(duì)象數(shù)學(xué)模型令T=A，K=RST時(shí)間常數(shù)，K放大系數(shù)水槽液位二、二階對(duì)象數(shù)學(xué)模型水槽1的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系為：

（1）水槽2的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系為

（2）式（1）與式（2）相加得

（3）二、二階對(duì)象數(shù)學(xué)模型同理，在Q2、Q3變化量極小時(shí)，水槽流出量與液位的關(guān)系近似為：

Q2=hl／Rs1（4）

Q2=h2／Rs2（5）將式(4)和式(5)代入(2)(3)式

并求微分后，經(jīng)整理得：

二、二階對(duì)象數(shù)學(xué)模型令T1=A1·Rs1，T2=A2·Rs2，

K=Rs2，

則

雙容被控過(guò)程的二階微分方程式，式中的Tl為水槽1的時(shí)間常數(shù)，T2為水槽2的時(shí)間常數(shù)，K為被控過(guò)程的放大系數(shù)。數(shù)學(xué)模型除了用方程式表示外，還可以用圖形，表格等形式來(lái)表示。第二節(jié)

被控過(guò)程的特性描述

一、被控過(guò)程的自衡特性△H=K·△Q1×(1—e-(t-t0/T)

破壞了被控過(guò)程的平衡自身能重新恢復(fù)平衡的特性當(dāng)t→∞時(shí)，△H=K·△Q1無(wú)自衡被控過(guò)程

水泵的出口流量Q2不變，因此它的動(dòng)態(tài)方程為

無(wú)自衡特性被控過(guò)程在受到擾動(dòng)作后不能自動(dòng)重新恢復(fù)平衡，因此控制要求較高。對(duì)這類(lèi)被控過(guò)程除必須施加控制外，還常常設(shè)有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

圖所示為蒸汽鍋爐的示意圖，若以爐水位為被控變量，試問(wèn)以進(jìn)水量為輸入變量的水位被控過(guò)程是否為為自衡被控過(guò)程?為什么?答:有。二、被控制過(guò)程的靜態(tài)特性

放大系數(shù)K：被控過(guò)程重新達(dá)于平衡狀態(tài)時(shí)的輸出變化量與輸入變化量之比，又稱靜態(tài)增益，即：放大系數(shù)K輸出變化量與被控過(guò)程受到階躍干擾作用后的變化過(guò)程無(wú)關(guān)，只與該過(guò)程輸出使初值和終值有關(guān)。被控過(guò)程的靜態(tài)特性參數(shù)。在相同的輸入變化量作用下，被控過(guò)程的放大系數(shù)越大，輸出變化量就越大，亦即輸人量對(duì)輸出量的影響越大，被控過(guò)程的自身穩(wěn)定性越差；放大系數(shù)K越小則被控過(guò)程的自身穩(wěn)定性越好。放大系數(shù)K圖靜態(tài)特性曲線（a）K—常數(shù)(b)K≠常數(shù)放大系數(shù)K不為常數(shù)的被控過(guò)程，稱為非線性被控過(guò)程，對(duì)非線性被控過(guò)程的控制是比較困難的。三、被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性

時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間τ

時(shí)間常數(shù)T

指當(dāng)被控過(guò)程受到階躍輸入作用后，輸出變化量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值(如ΔH（t→∞）)的63.2%所需要的時(shí)間。ΔH（t=T）=0.632ΔH（t→∞）

一階特性曲線

時(shí)間常數(shù)T物理意義是當(dāng)被控過(guò)程受到階躍輸入作用后，輸出變量一直保持初始的變化速度，而達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間。特性曲上求取時(shí)間常數(shù)的方法是從該曲線的初始點(diǎn)作切線，并將其延伸與新的穩(wěn)態(tài)值相交，交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T的數(shù)值。從曲線初始點(diǎn)所作切線的斜率對(duì)應(yīng)輸出變量的初始變化速度：d(ΔH)/T=KΔQ1／T，t=0。

時(shí)間常數(shù)T時(shí)間常數(shù)反映了被控過(guò)程受到輸入作用后，輸出變量達(dá)到新的穩(wěn)定值的快慢，它決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的長(zhǎng)短，因此稱它為被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。時(shí)間常數(shù)T的大小反映了被控過(guò)程的慣性，T越大，則被控過(guò)程的慣性越大，受到輸入作用后，輸出變量的變化越慢。反之亦然。不同時(shí)間常數(shù)下一階特性曲線(T4>T3>T2>T1)

滯后時(shí)間τ

傳遞滯后和容量滯后

傳遞滯后，傳遞滯后又叫純滯后，是由于信號(hào)的傳輸、介質(zhì)的輸送或熱的傳遞要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間而產(chǎn)生的，常用傳遞滯后時(shí)間τ0來(lái)表征共滯后的程度

蒸汽直接加熱系統(tǒng)

滯后時(shí)間τ

容量滯后

容量滯后又叫過(guò)渡滯后，一般是由于物料或能量的傳遞需要經(jīng)過(guò)一定的阻力而引起的，或者說(shuō)是由于容量數(shù)目過(guò)多而產(chǎn)生的。

特征是當(dāng)輸入階躍作用后，被控過(guò)程的輸出變量開(kāi)始變化很慢，然后逐漸加快，接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值

滯后時(shí)間τ容量滯后時(shí)間τc的求法如圖所示。由特性曲線的拐點(diǎn)o處作切線，與時(shí)間軸相交，其交點(diǎn)與h2開(kāi)始變化的起點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就為容量滯后時(shí)間τc

。雙容液位被控過(guò)程特性曲線從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本身是不同的，但實(shí)際上很難區(qū)別，當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，通常把這兩種滯后時(shí)間加在一起，統(tǒng)亦為滯后時(shí)間，用τ來(lái)表示。從數(shù)值上講τ＝τ０＋τ

c

，滯后時(shí)間滯后時(shí)間為被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。傳遞滯后的存在不利于控制。但若引用微分控制作用，能有效地加以抑制。[例]為求出某對(duì)象的對(duì)象特性，實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到此對(duì)象特性曲線如圖所示。

1．試判斷對(duì)象有無(wú)“自衡”能力?

2．根據(jù)圖上給定的數(shù)值，試估算該對(duì)象的特征參數(shù)—放大倍數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ的值是多少?

1．有自衡。

2．

(℃／Pa)

T＝16—2＝14(min)

τ=2(min)已知下列調(diào)節(jié)對(duì)象：

A.截面積大的貯槽液位；B．截面積小的貯槽液位；C.蒸汽夾套加熱器溫度；D．蒸汽直接加熱器溫度；E.管道流量

試判斷其中哪個(gè)對(duì)象滯后最大，哪個(gè)對(duì)象最小。答：從大到?。篊.D.A.B.E(溫度、壓力、液位、流量)試判斷如圖2-2-14所示的夾套換熱器內(nèi)溫度被控過(guò)程(以蒸汽量為輸入變量)有無(wú)滯后現(xiàn)象?是何種滯后?為什么?

答：有純滯后和容量滯后。第三節(jié)

被控過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)求取方法

數(shù)學(xué)法和實(shí)驗(yàn)法

一、反應(yīng)曲線法

反應(yīng)曲線能形象地反映出被控過(guò)程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)曲線法為實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了方便不足之處是實(shí)驗(yàn)測(cè)取精度較差。提高實(shí)驗(yàn)測(cè)取精度，可以增大輸入變化量x。反應(yīng)曲線法適用于工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單，其它干擾因素較小的場(chǎng)合。反應(yīng)曲線在反應(yīng)曲線的起始點(diǎn)上作切線，它與新的穩(wěn)態(tài)值y∞相交，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為時(shí)間常數(shù)。二、矩形脈沖法

矩形脈沖法就是用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)取被控過(guò)程在矩形脈沖輸入信號(hào)x作用下，輸出變量y隨時(shí)間的變化規(guī)律。其輸入信號(hào)的形式及一階被控過(guò)程輸出變量的變化形式。矩形脈沖法也具有形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并且由于人為加入的輸入信號(hào)在作用一段時(shí)間后就被取消，可以加大輸入信號(hào)的幅值x0，從而相對(duì)削弱了其它干擾因素的影響。

時(shí)域方法頻域方法(其輸入信號(hào)為正弦波信號(hào))統(tǒng)計(jì)研究方法(其輸入信號(hào)為隨機(jī)信號(hào))矩形脈沖反應(yīng)曲線法

多數(shù)是在階躍輸入信號(hào)作用下進(jìn)行的，因此使用矩形脈沖法得到的被控過(guò)程輸出變量的特性曲線，一般要進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，使之轉(zhuǎn)換，成階躍響應(yīng)曲線，再進(jìn)行分析。[例]某被控過(guò)程在單位躍階輸入信號(hào)作用下的被控變量變化曲線入圖所示。試求該被控過(guò)程的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間各是多少？

解：K=Y/X=4/1=4作圖；Τ=3.6-1.5=2.1S

τc

=1.5S1.53.6第四章調(diào)節(jié)器第一節(jié)

概

述

調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間隨時(shí)間變化的規(guī)律。它通常是在調(diào)節(jié)器輸入端加入一階躍信號(hào)，研究其輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。Δy=f(e)e=Z-r控制規(guī)律有比例(P)，積分(I)和微分(D)控制三種。由這些控制規(guī)律組成P，PI，PD，PID等幾種常用的工業(yè)型調(diào)節(jié)器。分類(lèi)：電動(dòng)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)器

項(xiàng)目氣動(dòng)調(diào)節(jié)器電動(dòng)調(diào)節(jié)器信號(hào)傳送距離有限制一般無(wú)限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快速可靠性高較好防爆性安全要采取一般措施計(jì)算機(jī)聯(lián)用需經(jīng)轉(zhuǎn)換可直接聯(lián)用自動(dòng)排除故障難于實(shí)現(xiàn)容易實(shí)現(xiàn)突然中斷能源能維持一段時(shí)間影響較大表電動(dòng)與氣動(dòng)調(diào)節(jié)器特性比較第二節(jié)

基本控制規(guī)律及其

對(duì)控制過(guò)程的影響一、雙位控制規(guī)律——繼電接觸控制規(guī)律

ymax(e

＞0）（或e＜0)

ymin

或e＜0)

(或e

＞0）雙位控制規(guī)律是當(dāng)測(cè)量值大于(或小于)給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出為最大(或最小)值，即調(diào)節(jié)器只有兩個(gè)輸出值，執(zhí)行器也相應(yīng)有“開(kāi)’’或“關(guān)”兩個(gè)極限工作位置。y(t)=采用雙位控制的溫度系統(tǒng)

實(shí)際雙位控制

雙位控制器范圍及特點(diǎn)雙位控制適用于單容量對(duì)象及對(duì)象特性好、負(fù)荷變化較小、過(guò)程滯后小、工藝允許被控參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)和要求不高的場(chǎng)合。雙位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)控制，因此，在工業(yè)生產(chǎn)、科研及實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛應(yīng)用，例如壓縮空氣的壓力控制，一些恒溫箱、電烤箱、管式爐的溫度調(diào)節(jié)，貯槽的水位控制等。

二、比例控制規(guī)律

1．比例放大倍數(shù)

比例控制規(guī)律是調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差變化量之間成正比關(guān)系，即

Δy=KP·e式中

KP調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)(或比例增益)

P輸入輸出曲線

2.比例度方及其大小對(duì)控制系統(tǒng)的影響

比例度δ

工業(yè)生產(chǎn)上所用比例調(diào)節(jié)器常采用比例度(比例帶)δ來(lái)代替KP，表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。

比例度δ的定義為式中e——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)變化量(偏差信號(hào))xmax-xmin——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)范圍(儀表輸入量程)δ物理意義是：要使調(diào)節(jié)器輸出變化全量程時(shí)，其輸入偏差變化量占滿量程的百分?jǐn)?shù)，即為比例度。當(dāng)比例度越小時(shí)，要使輸出變化全量程，所對(duì)應(yīng)的輸入變化量也越小，比例增益也就越大。[例]一個(gè)氣動(dòng)比例液位調(diào)節(jié)器，其液位的測(cè)量范圍為0～1.2m，若指示值從0.40m增大到0.60m，比例調(diào)節(jié)器的輸出氣壓從0.05Mpa到0.07Mpa，試求調(diào)節(jié)器的比例度及放大系數(shù)？

解：由題意可知

=66.7%對(duì)于單元組合儀表有：

放大系數(shù)Kp=1/δ=1/66.7%=1.5

(2)比例控制系統(tǒng)余差的產(chǎn)生

(3)含大小對(duì)控制系統(tǒng)的影響

為了減小余差，可以增大比例增益KP工業(yè)上常見(jiàn)系統(tǒng)的比例度選取范圍為：壓力控制系統(tǒng)方＝30％~70%；流量控制系統(tǒng)方＝40％~100%；物位控制系統(tǒng)方＝20％~80%；特點(diǎn)及使用場(chǎng)合比例控制的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)反應(yīng)快，控制及時(shí)，只要有偏差輸入，輸出立刻產(chǎn)生一個(gè)與輸入成比例的輸出變化信號(hào)。比例控制的缺點(diǎn)是控制結(jié)果有余差。

比例控制適用于干擾變化幅度小，對(duì)象自衡能力強(qiáng)，滯后(指τ/T，)較小，控制質(zhì)量要求不高，允許有一定余差的場(chǎng)合。

比例作用壓力控制器比例式液位調(diào)節(jié)原理

三、積分控制規(guī)律

1.純積分控制規(guī)律及特點(diǎn)

積分控制規(guī)律是調(diào)節(jié)器的輸出變化量Δy與輸入偏差變化量e的積分成正比。單獨(dú)積分控制在工業(yè)上是不用的

2.比例積分控制規(guī)律及特點(diǎn)

(1)比例積分控制規(guī)律

積分規(guī)律

ey(2)PI控制的積分時(shí)間TI及其

對(duì)控制系統(tǒng)的影響

積分時(shí)間TI：在階躍偏差輸入作用下，調(diào)節(jié)器輸出變化達(dá)到比例輸出變化量2倍時(shí)所需時(shí)間。

積分時(shí)間TI是表征積分控制作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)積分時(shí)間了I越小(KP越大)時(shí)，直線上升越快，積分控制作用越強(qiáng)。積分時(shí)間TI，趨于無(wú)窮大時(shí)，就沒(méi)有積分作用，調(diào)節(jié)器實(shí)際上成為純比例調(diào)節(jié)器。比例積分作用壓力控制器工業(yè)上常見(jiàn)控制系統(tǒng)的積分時(shí)間間范圍為：壓力控制系統(tǒng)TI＝0.4~3min，流量控制系統(tǒng)TI

＝0.3~lmin(對(duì)液位控制系統(tǒng)可不加積分)，溫度控制系統(tǒng)TI＝3~10min。優(yōu)點(diǎn)是能消除余差。但當(dāng)對(duì)象滯后很大，負(fù)荷變化劇烈時(shí)，控制不離及時(shí)，控制時(shí)間較長(zhǎng)。適合于控制對(duì)象負(fù)荷變化不大，過(guò)程較緩慢，慣性不大容量滯后小和工藝要求不允許有余差的場(chǎng)合。四、微分控制規(guī)律

理想微分控制規(guī)律及特點(diǎn)

規(guī)律：輸出與輸入偏差的變化速度成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為2．實(shí)際比例微分(PD)控制規(guī)律及特點(diǎn)

(1)PD控制規(guī)律

實(shí)際的比例微分控制作用是由比例度為δ＝100％的比例作用和微分為指數(shù)規(guī)律變化的近似微分作用組合的。KD為微分增益，它僅與調(diào)節(jié)器類(lèi)型有關(guān)，膜片式氣動(dòng)調(diào)節(jié)器KD＝6，波紋管式氣動(dòng)調(diào)節(jié)器KD＝10，電動(dòng)DDZ—Ⅱ型調(diào)節(jié)器KD＝5，DDZ—Ⅲ型調(diào)節(jié)器KD＝10等。PD規(guī)律TD越小，曲線按指數(shù)規(guī)律下降得越快，表明微分作用越弱。(2)實(shí)際PD控制的微分時(shí)間TD及其

對(duì)控制過(guò)程的影響

說(shuō)明比例微分調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)時(shí)間常數(shù)T后，輸出從最大值下降了微分作用部分最大輸出值的63.2％(即下降到微分作用輸出值的36.8％)。

微分時(shí)間TD是表征微分控制作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)微分時(shí)間TD增大時(shí)，微分曲線下降慢，微分作用增強(qiáng)；反之，TD減小，微分曲線下降快，微分作用減弱。當(dāng)了TD＝0時(shí)，無(wú)微分作用，比例微分調(diào)節(jié)器變?yōu)棣模?00％的純比例調(diào)節(jié)器。

若微分時(shí)間TD太大，微分作用太強(qiáng)，反而不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。工業(yè)上常見(jiàn)系統(tǒng)的微分時(shí)間TD為：壓力、流量、液位系統(tǒng)一般可以不加微分，對(duì)溫度控制系統(tǒng)TD＝0.5~3min。

微分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是具有超前控制、抑制變化、穩(wěn)定系統(tǒng)的作用，但不能消除余差。適合于被控對(duì)象負(fù)荷波動(dòng)較大，時(shí)間常數(shù)TD較大，控制快速，且工藝允許有余差的場(chǎng)合

五、比例積分微分控制規(guī)律

比例積分微分(PID)控制規(guī)律是調(diào)節(jié)器的輸出量對(duì)輸入偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分三種控制作用結(jié)果的組合。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

理想PID實(shí)際PID階躍e=A適合于被控對(duì)象負(fù)荷變化較大，容量滯后較大，干擾變化較強(qiáng)，工藝不允許有余差，且控制質(zhì)量要求制較高的場(chǎng)合

小結(jié)

PID調(diào)節(jié)器的控制質(zhì)量最好，余差為零，動(dòng)偏差較小，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。

PI調(diào)節(jié)器控制質(zhì)道較高，余差為零，動(dòng)偏差較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

PD調(diào)節(jié)器控制質(zhì)量較好，動(dòng)偏差小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，但結(jié)果有余差。

P調(diào)節(jié)器控制質(zhì)量不理想，余差較大，調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)。

純I調(diào)節(jié)器控制質(zhì)量最差，一般不單獨(dú)使用。模擬控制器

可編程調(diào)節(jié)器液位：一般要求不高，用P或PI控制規(guī)律；流量：時(shí)間常數(shù)要，測(cè)量信息中有雜音，用PI或加反微分控制規(guī)律；壓力:介質(zhì)為液體的時(shí)間常數(shù)小，介質(zhì)為氣體的時(shí)間常數(shù)中等，用P或PI控制規(guī)律；溫度：容量滯后較大，用PID控制規(guī)律；一、作用：變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度，壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、記錄或控制之用。無(wú)論是由模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計(jì)算機(jī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，變送器都是不可缺少的環(huán)節(jié)，獲取精確和可靠的過(guò)程參數(shù)值是進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。二、分類(lèi)：按照被控參數(shù)分類(lèi)，變送器主要有差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器和流量變送器等。變送器的理想輸入輸出特性如圖3－1所示。和分別為變送器測(cè)量范圍的上限值和下限值，即被測(cè)參數(shù)的上限值和下限值。圖中，。和分別為變送器輸出信號(hào)的上限值和下限值，對(duì)于模擬式變送器，和即為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上限值和下限值；對(duì)于智能式變送器，和即為輸出的數(shù)字信號(hào)范圍的上限值和下限值。yx0變送器的理想輸入輸出特性第五章變送器由圖3－1可得出變送器的輸出一般表達(dá)式為

式中x----變送器的輸入信號(hào)；

y----相對(duì)應(yīng)于X時(shí)變送器的輸出。三、模擬式變送器的構(gòu)成原理

模擬式變送器完全由模擬元器件構(gòu)成，它將輸入的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其性能也完全取決于所采用的硬件。從構(gòu)成原理來(lái)看，模擬式變送器由測(cè)量部分，放大器和反饋部分三部分組成，如圖3－2所示。在放大器的輸入端還加有調(diào)與零點(diǎn)遷移信號(hào),由零點(diǎn)調(diào)整（簡(jiǎn)稱調(diào)零）和零點(diǎn)遷移（簡(jiǎn)稱遷移）環(huán)節(jié)產(chǎn)生。y0圖3－1變送器的理想輸入輸出特性x在小型電子式模擬變送器中，反饋部分常常僅由幾個(gè)電阻和電位器構(gòu)成，因此常把反饋部分和放大器合在一起作為一個(gè)負(fù)反饋放大部分看待；或者將反饋部分合放大器合做在一塊芯片內(nèi)，這樣變送器即可看成由測(cè)量部分合負(fù)反饋放大器兩部分組成。另外，調(diào)零和零點(diǎn)遷移環(huán)節(jié)也常常合并在放大器中。四、智能式變送器的構(gòu)成原理智能式變送器由以微處理器（CPU）為核心構(gòu)成的硬件電路和由系統(tǒng)程序、功能模塊構(gòu)成的軟件兩大部分組成。(1)智能式變送器的硬件構(gòu)成通常，智能式變送器的構(gòu)成框圖如圖3－3（a）所示；采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器的構(gòu)成框圖，如圖3－3（b）所示。所謂HART協(xié)議通信方式，是指在一條電纜中同時(shí)傳輸4－20mADC電流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，這種類(lèi)型的信號(hào)稱為FSK信號(hào)。x傳感器組件A/D轉(zhuǎn)換器微處理器存儲(chǔ)器通信電路數(shù)字信號(hào)（a）一般形式傳感器組件A/D轉(zhuǎn)換器微處理器存儲(chǔ)器xD/A轉(zhuǎn)換器FSK信號(hào)通信電路（b）采用HART協(xié)議通信方式

圖3－3智能式變送器的構(gòu)成原理五、變送器的共性問(wèn)題變送器在使用之前，須進(jìn)行量程調(diào)整和零點(diǎn)調(diào)整。1..量程調(diào)整量程調(diào)整的目的，是使變送器的輸出信號(hào)上限值與測(cè)量范圍的上限值相對(duì)應(yīng)。圖3-4為變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性。由該圖可見(jiàn)，量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，也就是改變變送器輸出信號(hào)y與輸入信號(hào)x之間的比例系數(shù)。

yx0圖3－4變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性2.零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移零點(diǎn)調(diào)整使變送器的測(cè)量起點(diǎn)為零，而零點(diǎn)遷移是把測(cè)量的起始點(diǎn)由零遷移到某一數(shù)值（正值或負(fù)值）。測(cè)量的起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋徽担Q為正遷移；反之，當(dāng)測(cè)量的起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋回?fù)值，稱為負(fù)遷移。圖3-5為變送器零點(diǎn)遷移前后的輸入輸出特性。由圖3-5可以看出，零點(diǎn)遷移以后，變送器的輸入輸出特性沿x坐標(biāo)向右或向左平移了一段距離，其斜率并沒(méi)有改變，即變送器的量程不變。進(jìn)行零點(diǎn)遷移，再輔以量程調(diào)整，可以提高儀表的測(cè)量精度。零點(diǎn)調(diào)整的調(diào)整量通常比較小，而零點(diǎn)遷移的調(diào)整量比較大，可達(dá)量程的一倍或數(shù)倍。各種變送器對(duì)其零點(diǎn)遷移的范圍都有明確規(guī)定。零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的方法，對(duì)于模擬式變送器，是通過(guò)改變加在放大器輸入端上的調(diào)零信號(hào)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，參見(jiàn)圖3-1；對(duì)于智能式變送器，也是通過(guò)組態(tài)來(lái)完成的。圖3－5變送器零點(diǎn)遷移前后的輸入輸出特性x0x0x0(a)未遷移(b)正遷移(c)負(fù)遷移yyy變送器在使用時(shí)，總是希望其輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間成線性關(guān)系，但由于傳感器組件的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間往往存在著非線性關(guān)系，因此，為了使變送器的輸出信號(hào)y與被測(cè)參數(shù)x之間呈線性關(guān)系，必須進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

3.線性化檢測(cè)元件x測(cè)量部分＋放大器反饋部分y_(a)反饋補(bǔ)償檢測(cè)元件x測(cè)量部分＋放大器反饋部分y_(b)測(cè)量補(bǔ)償

圖3－6非線性補(bǔ)償原理對(duì)于模擬式變送器，非線性補(bǔ)償方法通常有兩種，如圖3-6所示：

1使反饋部分與傳感器組件具有相同的線性特性；

2使測(cè)量部分與傳感器組件具有相反的線性特性。方法1的非線性補(bǔ)償原理如圖3-6（a）所示。由圖可見(jiàn)，由于反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性，而負(fù)反饋放大器的特性是反饋部分特性的倒特性，因此負(fù)反饋放大器的特性剛好與傳感器組件的非線性關(guān)系相反，結(jié)果使得變送器輸出信號(hào)Y與輸入信號(hào)X之間呈線性關(guān)系。方法2的非線性補(bǔ)償原理如圖3-6（b）所示。由圖可見(jiàn)，由于測(cè)量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性，剛好補(bǔ)償了傳感器組件的非線性，因此輸入放大器的信號(hào)特性是線性的，只要負(fù)反饋放大器的特性是線性的，則變送器輸出信號(hào)Y與輸入信號(hào)X之間呈線性關(guān)系。對(duì)于智能式變送器來(lái)說(shuō)，只要預(yù)先將傳感器的特性存儲(chǔ)在變送器的EPROM中，通過(guò)軟件是很容易實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償?shù)摹?.變送器信號(hào)傳輸方式通常，變送器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，它的氣源或電源從控制室送來(lái)，而輸出信號(hào)傳送到控制室。氣動(dòng)變送器用兩根氣動(dòng)管線分別傳送起源和輸出信號(hào)。電動(dòng)模擬式變送器采用二線制或四線制傳送電源或輸出信號(hào)。智能式變送器采用雙向全數(shù)字量傳送信號(hào)，即現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式；目前廣泛采用一種過(guò)渡方式，即在一條通信電纜中同時(shí)傳輸4-20mADC電流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，這種方式稱為HART協(xié)議通信方式。智能式變送器的電源也由通信電纜傳輸。QTL-500

比例

積分

調(diào)節(jié)器第五章執(zhí)行器分類(lèi)：能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類(lèi)

各種類(lèi)型的執(zhí)行器均是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩大部分組成的。電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行器主要區(qū)別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)有所不同，而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大體相同。輔助裝置有閥門(mén)定位器、手輪機(jī)構(gòu)等

第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器的組成和類(lèi)型一、執(zhí)行器的組成

執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，它據(jù)控制信號(hào)的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作用。結(jié)構(gòu)分為薄膜式、活塞式和長(zhǎng)行程式

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用(ZMA型)和反作用(ZMB型)兩種形式；當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增大時(shí)，輸出推桿向下移動(dòng)的稱正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.直通單座調(diào)節(jié)閥

二、調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型

一個(gè)閥芯和閥座適用于管道直徑不大、低壓差和要求閥的泄漏量較小的場(chǎng)合。

二、調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型2.直通雙座調(diào)節(jié)閥

兩個(gè)閥芯和閥座

適合于大管道、大流量、高壓差、泄漏大的場(chǎng)合，但閥體流路較復(fù)雜，不適用于高粘度、含纖維和固體顆粒的液體介質(zhì)的調(diào)節(jié)。3.角型調(diào)節(jié)閥閥體為直角外，其它結(jié)構(gòu)與單座閥相類(lèi)似特點(diǎn)：流路簡(jiǎn)單，阻力小，穩(wěn)定性好，不易堵塞角型閥適合于高壓差、高粘度、含有懸浮物和顆粒物質(zhì)流體的調(diào)節(jié)，可避免結(jié)焦和堵塞，也便于自凈和清洗4.隔膜調(diào)節(jié)閥

用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕的隔膜代替閥芯和閥座；適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、要求泄漏量極小、高粘度及懸浮顆粒流體的調(diào)節(jié)。

5.蝶閥——翻板閥特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，六路阻力小，泄漏量大。范圍；各種液體、氣體、蒸汽及含有懸浮物顆粒和濃濁漿狀的流體。特別適用于大口徑、大流量、泄量大、低壓差的場(chǎng)合。第二節(jié)調(diào)節(jié)閥的流量特性控制閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度(相對(duì)位移)之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式為流量特性通常有兩種形式：理想流量特性工作流量特性理想流量特性主要有直線、等百分比(對(duì)數(shù))、拋物線及快開(kāi)等幾種。閥門(mén)制造廠廠家和執(zhí)行器手冊(cè)上提供的流量特性均指理想流量特性取決于閥芯的結(jié)構(gòu)形狀特性1—快開(kāi)2——直線3——拋物線4——等百分比圖不同流量特性的閥芯形狀隔膜閥的流量特性接近快開(kāi)特性；閘閥的流量特性接近拋物線特性；蝶閥的流量特性接近等百分比特性調(diào)節(jié)閥的選用口徑的選用結(jié)構(gòu)與流量特性氣開(kāi)與氣關(guān)形式的選擇氣動(dòng)執(zhí)行器：氣開(kāi)式氣關(guān)式。氣關(guān)式：當(dāng)有氣壓信號(hào)時(shí)閥關(guān)，無(wú)氣壓信號(hào)時(shí)閥開(kāi)的稱；反之為氣開(kāi)式。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正反作用，調(diào)節(jié)閥(具有雙導(dǎo)向閥芯的)也有正、反作用，因此氣動(dòng)執(zhí)行器的氣關(guān)或氣開(kāi)即由此組合而成。氣開(kāi)，氣關(guān)的選擇主要從工藝生產(chǎn)上的安全要求出發(fā)，考慮原則是信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和人身的安全。如果閥處于打開(kāi)位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式，以便一旦氣源系統(tǒng)發(fā)生故障。氣源中斷時(shí)，閥門(mén)能自動(dòng)打開(kāi)，保旺安全；反之剛用氣開(kāi)式。序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)凋節(jié)器氣動(dòng)執(zhí)行器1正正氣關(guān)(正)2正反氣開(kāi)(反)3反正氣開(kāi)(反)4反反氣關(guān)(正)組合方式表

閥門(mén)定位器閥門(mén)定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的主要附件氣動(dòng)執(zhí)行器配套組成閉環(huán)系統(tǒng)，可以改善閥的特性，利用閥桿位移反饋來(lái)提高閥門(mén)定位的精度和靈敏度。能輸出較大功率的信號(hào)壓力，克服閥桿的摩擦力和消除調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響，從而保證閥門(mén)位置按控制器送來(lái)的操縱信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確定位。閥門(mén)定位器分為氣動(dòng)和電動(dòng)兩大類(lèi)變送器測(cè)量部分杠桿部分位移檢測(cè)部分電磁反饋機(jī)構(gòu)第六章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)組成：一個(gè)被控變量、一個(gè)測(cè)量元件、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器特點(diǎn)：?jiǎn)位芈坟?fù)反饋控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于分析設(shè)計(jì)、便于工程實(shí)施。第一節(jié)

單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)

一、被控變量的選擇

方法；直接參數(shù)控制間接參數(shù)控制原則；

(1)若直接參數(shù)信號(hào)能夠獲得，而且其測(cè)量和變送信號(hào)滯后與被控過(guò)程的滯后相比較小時(shí)，應(yīng)盡量選擇直接參數(shù)作為被控變量；(2)若無(wú)法獲取直接參數(shù)信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后較大時(shí)，可選擇與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量；(3)作為被控變量，必須是可測(cè)的，并有足夠大的測(cè)量靈敏度；(4)選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和可供選用的儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀；

(5)被控變量應(yīng)是獨(dú)立，可控的。

二、操縱變量的選擇

被控通道：從操縱變量到被控變量所經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)干擾通道：從干擾變量到被控變量所經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)原則：①

首先從工藝上的合理性考慮，所選操縱變量應(yīng)是生產(chǎn)允許變化的，而且其控制過(guò)程中的變化范圍也是生產(chǎn)允許的。除物料平衡的控制之外，要避免使用主物料流量作為操縱變量。

②

作為操縱變量應(yīng)具有較強(qiáng)的克服干擾影響的能力。具體地說(shuō)，就是控制作用對(duì)被控變量的影響要比干擾作用對(duì)被控變量的影響靈敏有效，即控制通道的放大系數(shù)要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)小一些，而滯后時(shí)間越小越好。

被控變量；被加熱介質(zhì)的溫度

操縱變量：？被控變量；物料濃度

操縱變量：？三、測(cè)量和傳遞滯后

測(cè)量滯后

盡量選擇快速測(cè)量元件T測(cè)=T被控

在測(cè)量元件之后引入微分作用傳遞滯后

1.介質(zhì)的輸送或熱的傳遞要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間而產(chǎn)生的滯后；

2.信號(hào)傳遞滯后；氣動(dòng)儀表克服或減小信號(hào)的滯后方法如下：（1）若測(cè)量信號(hào)為電信號(hào)，而調(diào)節(jié)器采用氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)將電—?dú)廪D(zhuǎn)換器靠近調(diào)節(jié)器以縮短氣信號(hào)的傳遞距離；

(2)若調(diào)節(jié)器輸出為電信號(hào)，而系統(tǒng)采用氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)將電—?dú)廪D(zhuǎn)換器靠近執(zhí)行器或采用電—?dú)忾y門(mén)定位器；

(3)若調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器均為氣動(dòng)儀表時(shí)，可在傳送線上加氣動(dòng)繼動(dòng)器，或在執(zhí)行器上加裝氣動(dòng)閥門(mén)定位器，以增大輸出功率，減少傳遞滯后的影響。

四、控制規(guī)律的選擇

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控過(guò)程，如果負(fù)荷變化很大，無(wú)論選擇哪種控制規(guī)律，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)都無(wú)法得到滿意的控制質(zhì)量。在一般的連續(xù)性控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的。如果控制通道滯后較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求又不高時(shí)，可選用單純的比例控制規(guī)律。如果控制系統(tǒng)需要消除余差，就要選用積分控制規(guī)律，即選擇比例積分控制規(guī)律或比例積分微分控制規(guī)律。

如果控制系統(tǒng)需要克服容量滯后或較大的慣性，就要選用微分控制規(guī)律，即選擇比例微分控制規(guī)律或比例積分微分控制規(guī)律。第二節(jié)

調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定

一、調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響

目的：設(shè)計(jì)一個(gè)衰減比為4：1~10：1的衰減振蕩曲線比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小來(lái)決定

二、調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法

調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的目的：按照已定的控制系統(tǒng)，求取控制過(guò)程最好的調(diào)節(jié)器參數(shù)。調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法：避開(kāi)被控過(guò)程特性和數(shù)學(xué)描述，在被控過(guò)程運(yùn)行時(shí)，直接在控制系統(tǒng)中，通過(guò)改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察被控變量的過(guò)程，來(lái)獲取最好的調(diào)節(jié)器參數(shù)的具體數(shù)值。方法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法臨界比例度法一、調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響作用太弱：δ、TI太大，即被控變量變化慢，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)不能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。(a)δ太大:曲線飄動(dòng)太大、變化不規(guī)則(b)TI太大:曲線飄動(dòng)、緩慢接近參比量作用太強(qiáng)：δ、TI太小，TD太大（a)δ太小(b)TI

太小?TD太大控制作用強(qiáng)，造成過(guò)渡過(guò)程的n減小或不衰減，成為等幅振蕩或發(fā)散振蕩。其中TD太大振蕩周期最短。1.經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將調(diào)節(jié)器參數(shù)放在某個(gè)數(shù)值上，然后直接在運(yùn)行的系統(tǒng)中，人為地加上階躍干擾作用，通過(guò)觀察記錄儀表上的過(guò)渡過(guò)程曲線，并以比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，按照某種順序反復(fù)湊試比例度，積分時(shí)間及微分時(shí)間的大小，直至獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線為止。

被控變量規(guī)律選擇比例度δ（％)積分時(shí)間TI(min)微分時(shí)間TD(min)流量δ應(yīng)較大，TI較短，不用微分40～1000.1～1

溫度多容量、滯后較大，須用微分20～603～100.5～3壓力容量滯后一般不大，不用微分30～700.4～3

液位在允許有余差時(shí)，不必用積分，不用微分20～80

方法先只有比例作用，然后積分作用，再微分作用。①

TI→∞，TD=0，調(diào)δ適當(dāng)；②調(diào)δ=1.2δ適，調(diào)TI適當(dāng)；

③減小及TI

，調(diào)TD適當(dāng)，確定。先TI

，TD確定。①TI適當(dāng)，TD=（1/3~1/4）TI②調(diào)δ適當(dāng)。簡(jiǎn)單可靠，容易掌握，適用于各種系統(tǒng)。特別是對(duì)于外界干擾作用較頻繁，過(guò)渡過(guò)程曲線不規(guī)則的系統(tǒng)，采用這種方法更為適合。但這種方法對(duì)于調(diào)節(jié)器參數(shù)較多的情，不易找到最好的參數(shù)。2.衰減曲線法在工藝穩(wěn)定的條件下，人為地加入階躍干擾，然后，先用經(jīng)驗(yàn)湊試法求出純比例作用下的合適的比例度δ

，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)據(jù)，選擇比例積分或比例積分微分作用時(shí)的整定參數(shù)。方法：①TI→∞，TD=0，調(diào)δ適當(dāng)；

②確定TI和TD。經(jīng)驗(yàn)公式控制規(guī)律δTITDPδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TS特點(diǎn)：簡(jiǎn)單可靠，容易掌握，而且質(zhì)量高。但這種方法要求在工藝穩(wěn)定的條件下進(jìn)行。

3.臨界比例度法首先求取在純比例作用下的系統(tǒng)為等幅振蕩過(guò)程時(shí)的比例度δK和振蕩周TK，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。通常將等幅振蕩下的比例度和振蕩周期分別稱為臨界比例度和臨界周期。特點(diǎn)：容易觀察，易于掌握。但使用臨界比例度法有兩個(gè)前提條件，一是工藝允許被控變量作等幅振蕩；二是臨界比例度不能太小。經(jīng)驗(yàn)公式控制規(guī)律δTITDP2δK