過(guò)程控制教程課件

主要內(nèi)容

過(guò)程控制目的過(guò)程控制定義過(guò)程控制與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)係過(guò)程控制認(rèn)識(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)組成過(guò)程控制系統(tǒng)框圖過(guò)程控制常用術(shù)語(yǔ)過(guò)程控制儀錶位號(hào)過(guò)程控制分類(lèi)

過(guò)程控制目的

抑制外界擾動(dòng)的影響；確保過(guò)程的穩(wěn)定性；使生產(chǎn)過(guò)程的工況最優(yōu)化。從而達(dá)到：保證產(chǎn)品品質(zhì)；提高產(chǎn)品產(chǎn)量；節(jié)能降耗；實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行；改善勞動(dòng)條件；保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生；提高管理水準(zhǔn)等。過(guò)程控制定義

過(guò)程控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變數(shù)是溫度壓力流量液位成份等這樣一些變數(shù)的系統(tǒng)。

過(guò)程控制與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)係

自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)課：過(guò)程控制運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程控制研究冶金、化工、石油、電力等工業(yè)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、液位、成份等的控制。

運(yùn)動(dòng)控制研究速度、位置控制，如航太、機(jī)器人等。

過(guò)程控制認(rèn)識(shí)

磨礦工藝中，每個(gè)球磨系列由給礦機(jī)給礦，以前由人工觀察給礦量，靠機(jī)械調(diào)整給礦口大小控制礦量，給礦量波動(dòng)較大，難以穩(wěn)定。

為穩(wěn)定入磨礦量，在給礦皮帶上安裝皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測(cè)的礦量對(duì)給礦機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

球磨過(guò)程控制過(guò)程控制認(rèn)識(shí)過(guò)程控制認(rèn)識(shí)主要參考資料邵裕森，

過(guò)程控制系統(tǒng)及儀錶[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，1993徐春山，過(guò)程控制儀錶[M]，冶金工業(yè)出版社，1995劉迎春，感測(cè)器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第四版），國(guó)防科技大學(xué)出版社，2002張曉華，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，機(jī)械工業(yè)出版社，1999CurtisJohnson，

ProcessControlInstrumentationTechnology(6th)，PearsonEducation預(yù)修課程模擬電路檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)電力電子電機(jī)拖動(dòng)自動(dòng)控制原理微機(jī)介面技術(shù)電腦控制原理過(guò)程控制系統(tǒng)組成

過(guò)程控制系統(tǒng)組成：被控過(guò)程（Process）過(guò)程檢測(cè)控制儀錶（Instrumentation）被控過(guò)程是指運(yùn)行中的多種多樣的工藝生產(chǎn)設(shè)備；過(guò)程檢測(cè)控制儀錶包括：測(cè)量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ControlElement）過(guò)程控制系統(tǒng)框圖

過(guò)程控制常用術(shù)語(yǔ)

被控過(guò)程（Process)：工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器等。被控參數(shù)（ControlledVariable)：被控過(guò)程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)?？刂茀?shù)（ManipulatingVariable)：受控制器操縱的，使被控參數(shù)保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動(dòng)量（Interference)：作用於被控過(guò)程並引起被控參數(shù)變化的因素。過(guò)程控制常用術(shù)語(yǔ)設(shè)定值（SetPoint:SP)：被控參數(shù)的預(yù)定值。當(dāng)前值（PresentValue:PV)：被控參數(shù)的當(dāng)前實(shí)際值。偏差（Error)：被控參數(shù)的設(shè)定值與當(dāng)前實(shí)際值之差。過(guò)程控制儀錶位號(hào)

控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個(gè)回路的每一個(gè)儀錶（或元件）都有自己的儀錶位號(hào)。儀錶位號(hào)由字母代號(hào)組合和回路編號(hào)兩部分組成。儀錶位號(hào)中的第一位字母表示被測(cè)變數(shù)，後續(xù)字母表示儀錶的功能?；芈肪幪?hào)中第一位數(shù)表示工序號(hào)，後續(xù)數(shù)字（二位或三位）表示順序號(hào)如TI-101，T表示被測(cè)參數(shù)是溫度；I表示儀錶具有指示功能；101表示第一工序第01個(gè)檢測(cè)回路。

過(guò)程控制儀錶位號(hào)幾個(gè)常用字母代號(hào)：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：壓力T（Temperature）：溫度W（Weight）：重量過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)

按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)分

回饋控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)

複合控制系統(tǒng)（前饋-回饋控制系統(tǒng)）

按給定值信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)分

定值控制系統(tǒng)

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

順序控制系統(tǒng)

回饋控制系統(tǒng)

又稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定值的偏差進(jìn)行工作，偏差值是控制的依據(jù)，最後達(dá)到減小或消除偏差的目的回饋信號(hào)可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級(jí)控制系統(tǒng)）。

前饋控制系統(tǒng)

也稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作擾動(dòng)是控制的依據(jù)在實(shí)際生產(chǎn)中不能單獨(dú)採(cǎi)用。

複合控制系統(tǒng)（前饋-回饋控制系統(tǒng)）

定值控制系統(tǒng)

定值控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最多的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量（溫度、壓力、流量、液位、成份等）的給定值是固定不變的。有時(shí)在規(guī)定的小範(fàn)圍附近不變。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。

過(guò)程控制的主要特點(diǎn)

被控過(guò)程的多樣性

控制方案的多樣性

有單回路、串級(jí)、前饋-回饋、比值、均勻、分程、選擇性、時(shí)滯、數(shù)字和電腦過(guò)程控制系統(tǒng)等。

控制過(guò)程屬慢過(guò)程、多半屬參量控制

定值控制是主要控制形式

過(guò)程控制的品質(zhì)指標(biāo)

決定過(guò)程控制系統(tǒng)品質(zhì)的環(huán)節(jié)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被控過(guò)程特性過(guò)程檢測(cè)、控制儀錶性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，在受到外來(lái)擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化後，應(yīng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確、迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上。

過(guò)程控制的品質(zhì)指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可概括為：

系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的；（平穩(wěn)）系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)；（準(zhǔn)確）

系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的過(guò)渡過(guò)程。（迅速）控制性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程的實(shí)際需要確定，通常採(cǎi)用系統(tǒng)階躍回應(yīng)曲線的性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)。

階躍回應(yīng)性能指標(biāo)

餘差（靜態(tài)偏差）C

描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標(biāo)指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。一般要求餘差不超過(guò)預(yù)定值或?yàn)榱恪?/p>

階躍回應(yīng)性能指標(biāo)衰減率ψ衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

一般取衰減率ψ=0.75～0.9。其中1/4衰減率（ψ=0.75）作為評(píng)價(jià)過(guò)渡過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)。

階躍回應(yīng)性能指標(biāo)階躍回應(yīng)性能指標(biāo)階躍回應(yīng)性能指標(biāo)最大偏差A(yù)（或超調(diào)量σ）最大偏差A(yù)是指被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差

超調(diào)量：階躍回應(yīng)性能指標(biāo)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts

指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）的範(fàn)圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。一般要求ts愈短愈好。

性能指標(biāo)之間的關(guān)係有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）對(duì)於不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標(biāo)各有其重要性。應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿(mǎn)足主要的品質(zhì)指標(biāo)要求。

偏差積分性能指標(biāo)

偏差絕對(duì)值積分（IntegralofAbsoluteError:IAE）

適用於衰減和無(wú)靜差系統(tǒng)偏差積分性能指標(biāo)偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分（ITAE）

用以降低初始大誤差對(duì)性能指標(biāo)的影響；同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過(guò)渡過(guò)程後期的誤差對(duì)指標(biāo)的影響。偏差積分性能指標(biāo)偏差平方值積分（IntegralofSquaredError:ISE）同IAE偏差積分性能指標(biāo)時(shí)間乘偏差平方積分（ITSE）同ITAE過(guò)程控制的發(fā)展簡(jiǎn)況

手工操作狀態(tài)（20世紀(jì)40年代前後）

儀錶化與局部自動(dòng)化階段（50～60年代）

綜合自動(dòng)化（60-70年代中期）階段

全盤(pán)自動(dòng)化階段（70年代中期至今）

儀錶化與局部自動(dòng)化階段（50～60年代）

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多為單輸入-單輸出的單回路定值控制系統(tǒng)。

過(guò)程檢測(cè)控制儀錶為基地式儀錶和部分單元組合式儀錶?；厥絻x錶

一般與檢測(cè)裝置、顯示裝置一起組裝在一個(gè)整體之內(nèi)同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便通用性差，信號(hào)不易傳遞一般應(yīng)用於簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中。

單元組合式儀錶將儀錶按其功能分成若干單元各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)繫具有高度的靈活性和通用性，各個(gè)單元可以適當(dāng)組合，也可與電腦等設(shè)備配合，組合各種複雜的、新型的控制系統(tǒng)。

有氣動(dòng)組合儀錶和電動(dòng)單元組合儀錶（QDZ和DDZ儀錶）兩類(lèi)。

氣動(dòng)單元組合儀錶（QDZ）採(cǎi)用140kPa壓縮空氣為能源，以20～100kPa標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆特別適用於石油、化工等易燃易爆場(chǎng)合電動(dòng)單元組合儀錶（DDZ）採(cǎi)用0-10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便、便於電腦介面部分儀錶（如DDZ-Ⅲ型）採(cǎi)取了先進(jìn)的安全防爆措施，能構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，同樣能應(yīng)用於易燃易爆場(chǎng)合。

綜合自動(dòng)化階段（60-70年代中期）

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)了一個(gè)車(chē)間甚至於一個(gè)工廠的綜合自動(dòng)化過(guò)程檢測(cè)控制儀錶是單元組合儀錶和組裝式儀錶逐步採(cǎi)用數(shù)字電腦以及以微處理器為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)。

數(shù)字控制儀錶積木式結(jié)構(gòu)部分單元採(cǎi)用微電腦技術(shù)，可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器（如KMM儀錶）是其中最具代表性的單元儀錶，特點(diǎn)有：內(nèi)部結(jié)構(gòu)微機(jī)化；運(yùn)算數(shù)位化；編程方法簡(jiǎn)單；自整定、自診斷的功能；通訊功能。全盤(pán)自動(dòng)化階段（70年代中期至今）

實(shí)現(xiàn)了全車(chē)間、全廠、甚至全企業(yè)無(wú)人或很少人參與操作管理實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合

檢測(cè)儀錶功能及組成

功能：確定被測(cè)參數(shù)的量值組成：感測(cè)器（含敏感元件）：檢測(cè)儀錶中的首要部件，它直接與被測(cè)對(duì)象發(fā)生聯(lián)繫（但不一定直接接觸）。感受被測(cè)參數(shù)的變化，併發(fā)出與之相適應(yīng)的信號(hào)（壓力變化、電阻變化等）。

變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的感測(cè)器。氣動(dòng)、電動(dòng)儀錶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)儀錶：4-20mA，DC（遠(yuǎn)距離）；1-5V，DC（櫃內(nèi)傳輸）

氣動(dòng)儀錶：20-100Kpa對(duì)感測(cè)器的三個(gè)要求

高準(zhǔn)確性，感測(cè)器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)成嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)係。

高穩(wěn)定性，不受時(shí)間或環(huán)境溫度變化等因素的影響。

高靈敏度，被測(cè)參數(shù)微小變化時(shí)，輸出量變化明顯。

測(cè)量誤差與真值

測(cè)量誤差：測(cè)量值與真實(shí)值之間存在的差別真值：一個(gè)變數(shù)本身所具有的真實(shí)值，它是一個(gè)理想的概念，一般是無(wú)法得到的。在計(jì)算誤差時(shí)，一般用約定真值或相對(duì)真值來(lái)代替。

約定真值與相對(duì)真值

約定真值：一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測(cè)量中以在沒(méi)有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測(cè)量值之平均值作為約定真值。相對(duì)真值：指當(dāng)高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的誤差僅為低一級(jí)的1/3以下時(shí)，可認(rèn)為高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器或儀錶示值為低一級(jí)的相對(duì)真值。

儀錶讀數(shù)誤差

讀數(shù)誤差的實(shí)質(zhì)，是儀錶讀數(shù)與被測(cè)參數(shù)真實(shí)值之差。儀錶的讀數(shù)誤差只能是讀數(shù)與約定真值或相對(duì)真值之差。

△=M-A△——讀數(shù)絕對(duì)誤差；

M——儀錶讀數(shù)；

A——約定真值或相對(duì)真值。

儀錶絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差

絕對(duì)誤差：在測(cè)量範(fàn)圍內(nèi)，各讀數(shù)誤差的最大值。相對(duì)誤差：儀錶的絕對(duì)誤差與真值的百分比。引用誤差：絕對(duì)誤差與儀錶量程的百分比儀錶基本誤差

這是指在儀錶製造廠保證的條件下儀錶的相對(duì)誤差值，即規(guī)定使用條件下的相對(duì)誤差。規(guī)定使用條件：包括溫度、相對(duì)濕度、電源電壓、安裝方式等。

儀錶的附加誤差

附加誤差是儀錶在非規(guī)定的參比工作條件下使用時(shí)另外產(chǎn)生的誤差。如電源波動(dòng)附加誤差，溫度附加誤差等。

儀錶精度等級(jí)

又稱(chēng)準(zhǔn)確度級(jí)，是按國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級(jí)。我國(guó)儀錶精度等級(jí)有：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級(jí)數(shù)越小，精度（準(zhǔn)確度）就越高?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)用的儀錶精度等級(jí)在0.05級(jí)以上；工業(yè)檢測(cè)用儀錶多在0.1～4.0級(jí)，其中校驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)表多為0.1或0.2級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)用多為0.5～4.0級(jí)。

儀錶的靈敏度

儀錶的靈敏度是表達(dá)儀錶對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度。它是指儀錶在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以後，儀錶輸出信號(hào)變化△α與引起此輸出信號(hào)變化的被測(cè)參數(shù)（輸入信號(hào)）變化量△x之比，用S表示靈敏度

儀錶的靈敏限

指能夠引起儀錶指示值（輸出信號(hào)）發(fā)出變化（動(dòng)作）的被測(cè)參數(shù)（輸入信號(hào)）的最小（極限）變化量。與靈敏度是不同的概念。測(cè)量變送中的幾個(gè)主要問(wèn)題

純滯後問(wèn)題

由於測(cè)量元件安裝位置不當(dāng)及測(cè)量?jī)x錶本身特性等容易引入純滯後。

測(cè)量滯後問(wèn)題

主要由測(cè)量元件本身的特性造成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可選用快速測(cè)量元件。信號(hào)傳送滯後問(wèn)題

主要是指QDZ儀錶氣壓信號(hào)在管路傳送過(guò)程中所造成的滯後。

測(cè)量信號(hào)的處理

測(cè)量信號(hào)的校正

測(cè)量信號(hào)雜訊（干擾）的濾波

低通高通帶通對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行線性化處理

例題1某壓力錶刻度0～100kPa，在50kPa處測(cè)量值為49.5kPa，求在50kPa處儀錶示值的絕對(duì)誤差、示值相對(duì)誤差和示值引用誤差？例題1儀錶示值的絕對(duì)誤差：儀錶示值的相對(duì)誤差：儀表示值的引用誤差：

例題2下圖是乙烯裂解氣溫度控制系統(tǒng)。採(cǎi)用液態(tài)丙烯，使其汽化吸收熱量以冷卻乙烯裂解氣。調(diào)節(jié)氣態(tài)丙烯流量使溫度控制在（15±1.5）℃。例題2指出系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變數(shù)和操縱變數(shù)各是什麼？

試畫(huà)出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。

試比較示意圖和方塊圖，說(shuō)明操縱變數(shù)的信號(hào)流向與物料的實(shí)際流動(dòng)方向不同。

例題2被控對(duì)象為丙烯冷卻器；被控變數(shù)為乙烯裂解氣的出口溫度；操縱變數(shù)為氣態(tài)丙烯的流量。在示意圖中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。而在方塊圖中，氣態(tài)丙烯作為操縱變量，其信號(hào)的流向是指向丙烯冷卻器的。

例題3某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖如下圖。系統(tǒng)的被控變數(shù)為出口物料溫度，要求保持在（200±20）℃，操縱變數(shù)為加熱蒸汽的流量。

例題3說(shuō)明圖中R、E、Q、C、F所代表的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)內(nèi)容。

說(shuō)明Z、I、P的信號(hào)範(fàn)圍。

氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入、輸出各是什麼物理量？

電流二線制

檢測(cè)回路串入電源，電源一般為24VDC線路簡(jiǎn)單，但抗擾、防爆性能差。

電流四線制

電源與檢測(cè)回路相互獨(dú)立儀錶的工作電源可為直流，也可為交流

容易實(shí)現(xiàn)電源隔離、輸入/輸出隔離

電阻三線制

為防止由於遠(yuǎn)距離接線而造成橋臂不平衡接兩根電橋線和一根電源線（左圖）或接三根電橋線（右圖）電阻四線制

該接線可有效抑制由於調(diào)零電位器接觸電阻變化而破壞電橋的平衡和正常工作狀態(tài)。

運(yùn)算放大器

理想集成運(yùn)放主要特徵：輸入失調(diào)電壓VIO為零；

輸入偏置電流IIB、失調(diào)電流IIO均為零；

開(kāi)環(huán)差模輸入電阻為無(wú)限大；輸出電阻Ro＝0；

開(kāi)環(huán)差模電壓增益為無(wú)限大；

共模輸入電阻及共模抑制比為無(wú)限大。

虛短與虛斷反相比例運(yùn)算電路

同相比例運(yùn)算電路

反相加法電路

同相加法電路

減法（差分放大）電路

測(cè)量放大電路

積分電路

微分電路

電壓跟隨器

V/I轉(zhuǎn)換電路和

I/V轉(zhuǎn)換電路

V/I轉(zhuǎn)換電路將1-5VDC轉(zhuǎn)換成4-20mADCI/V轉(zhuǎn)換電路將4-20mADC轉(zhuǎn)換成1-5VDC安全防爆基礎(chǔ)知識(shí)

易燃易爆的固體粉塵、氣體或蒸汽，與空氣混合成為具有火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)的混合物安裝在這類(lèi)場(chǎng)所的檢測(cè)儀錶和執(zhí)行器，如果產(chǎn)生的火花具有點(diǎn)燃這些危險(xiǎn)混合物的能量，則產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。

危險(xiǎn)場(chǎng)所的分類(lèi)

第一類(lèi)

含有可燃性氣體或蒸汽的爆炸性混合物的場(chǎng)所，稱(chēng)為Q類(lèi)場(chǎng)所。

第二類(lèi)

含有可燃性粉塵或纖維混合物的場(chǎng)所，稱(chēng)為G類(lèi)場(chǎng)所。

第三類(lèi)火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所，稱(chēng)為H類(lèi)場(chǎng)所。Q類(lèi)場(chǎng)所第一類(lèi)危險(xiǎn)程度最高，將其又分為三級(jí)：Q-1級(jí)

在正常情況下能形成爆炸性混合物的場(chǎng)所

Q-2級(jí)

僅在不正常情況下形成爆炸性混合物的場(chǎng)所

Q-3級(jí)

在不正常情況下，只能在局部地區(qū)形成爆炸性混合物的場(chǎng)所儀錶防爆要求

用於危險(xiǎn)區(qū)的控制系統(tǒng)中，一部分儀錶安裝在控制室內(nèi)，無(wú)防爆要求；一部分安裝在現(xiàn)場(chǎng)，如電動(dòng)儀錶中的變送器、執(zhí)行器、電氣轉(zhuǎn)換器等，有防爆要求；兩部分儀錶需經(jīng)防爆安全柵聯(lián)接；當(dāng)兩部分距離較遠(yuǎn)時(shí)，還要採(cǎi)用防爆聯(lián)接電纜。

隔離式安全柵

通過(guò)隔離、限壓和限流等措施，限制注入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量來(lái)保證安全火花性能。危險(xiǎn)側(cè)設(shè)備與安全側(cè)設(shè)備的一切聯(lián)繫（如供能、信號(hào)傳遞等）都是通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行的。利用符合要求的非線性特性的電路，把危險(xiǎn)側(cè)的電源、電壓值限制在安全值以下。

隔離式安全柵的主要指標(biāo)

輸入信號(hào)輸入式4～20mA，DC輸出式4～20mA，DC。

輸出信號(hào)輸入式1～5V，DC；4～20mA，DC輸出式4～20mA，DC。

負(fù)載電阻輸入式電流負(fù)載電阻0～100Ω；

輸出式負(fù)載電阻為250～750Ω。

防爆額定電壓

220V，DC/AC。

隔離式安全柵特點(diǎn)通用性強(qiáng)，使用時(shí)不需要特別本安接地，系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一方接地，使用方便；

電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均通過(guò)變壓耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出完全隔離，使安全柵的工作更加安全可靠。

電源隔離處理採(cǎi)用變壓器隔離，輸入電源經(jīng)DC/AC變換器變成交流方波；再經(jīng)變壓器耦合、AC/DC、濾波得到直流穩(wěn)壓電源；通過(guò)電流、電壓限制電路，給現(xiàn)場(chǎng)提供隔離電源。輸入隔離式安全柵接受變送器的輸出電流，經(jīng)調(diào)製變成交流方波信號(hào)；通過(guò)信號(hào)變壓器耦合到安全側(cè)，經(jīng)解調(diào)放大還原為直流信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)側(cè)輸入信號(hào)與安全側(cè)輸出信號(hào)隔離。

輸出隔離式安全柵安全側(cè)的輸入直流信號(hào)通過(guò)調(diào)製變成交流方波信號(hào)；經(jīng)信號(hào)變壓器耦合到危險(xiǎn)側(cè)，送入解調(diào)放大器，輸出直流信號(hào)。在危險(xiǎn)側(cè)信號(hào)輸出端通過(guò)快速熔絲、限壓電路、限流電路組成齊納式限壓限流電路，把通往現(xiàn)場(chǎng)的電壓和電流限制在一個(gè)安全值內(nèi)。

二進(jìn)位

最容易邏輯實(shí)現(xiàn)，分別用“1”和“0”的表示電腦中用電壓的高低表示半導(dǎo)體工藝，CMOS電路

十六進(jìn)制

4位二進(jìn)位數(shù)的組合0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。例如：8：1000C：1100F：1111BCD碼

用二進(jìn)位數(shù)表示十進(jìn)位例如：9：10017：011197：10010111若用16進(jìn)制：97：01100001每位最大數(shù)1001原碼

A=an-1an-2…...a1a0最高位an-1為符號(hào)位，0表示正，1表示負(fù)其他位an-2…...a1a0表示數(shù)值

特點(diǎn)：易於理解；不便於電腦的運(yùn)算，因?yàn)樵谶\(yùn)算中要單獨(dú)處理其符號(hào)。要將符號(hào)位與其它位一樣處理就用補(bǔ)數(shù)表示數(shù)據(jù)。補(bǔ)數(shù)

A=an-1an-2…...a1a0表示(-2n-1an-1+an-2…...a1a0)an-1=0時(shí)，補(bǔ)數(shù)和原碼一樣，A表示正an-2…...a1a0。

an-1=1時(shí)，A表示(-2n-1+an-2…...a1a0)特點(diǎn)：不便理解；計(jì)算方便，可輕易實(shí)現(xiàn)減法到加法的轉(zhuǎn)換；電腦是以補(bǔ)數(shù)形式存放數(shù)據(jù)的。原碼與補(bǔ)數(shù)的轉(zhuǎn)換

正數(shù)的補(bǔ)數(shù)：與原碼相同負(fù)數(shù)的補(bǔ)數(shù)：符號(hào)位為1，數(shù)值位是對(duì)該數(shù)的原碼的相應(yīng)位取反，然後整個(gè)數(shù)再加1。例如：+7的補(bǔ)數(shù)：00000111-7的補(bǔ)數(shù)：寫(xiě)出原碼10000111數(shù)值位取反11111000加1

11111001，即-7的補(bǔ)數(shù)是11111001TTL電平

0：0V≤V≤0.4V

1：2.4V≤V≤5V高阻：0.4V

≤

V≤

2.4V與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、三態(tài)門(mén)、緩衝器光電耦合器

輸入與輸出在電氣上完全隔離；無(wú)觸點(diǎn)、體積小、壽命長(zhǎng)、抗擾性能強(qiáng)可用於隔離電路、負(fù)載介面及各種控制電路中ADC實(shí)現(xiàn)電腦過(guò)程控制中模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換只有將被控量（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能送到電腦中運(yùn)算處理ADCADC的主要技術(shù)指標(biāo)

解析度：以輸出二進(jìn)位數(shù)的位數(shù)表示解析度，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。

轉(zhuǎn)換速度：指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，低速的一般為1-30mS，高速的一般約50nS。DAC必須將處理得出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送執(zhí)行器才能實(shí)現(xiàn)被控量的控制

數(shù)字濾波

數(shù)字濾波即程式濾波，通過(guò)電腦軟體（運(yùn)算與判斷）濾去干擾信號(hào)，提高信號(hào)的真實(shí)性。

在電腦中常採(cǎi)用數(shù)字濾波消除低頻干擾常用的數(shù)字濾波有如下幾種：算術(shù)平均值濾波、程式判斷濾波、中位值法濾波和一階慣性濾波等。

算術(shù)平均值濾波

又稱(chēng)為遞推平均濾波，對(duì)週期性等幅振盪的干擾有較明顯的濾波效果。

程式判斷濾波

當(dāng)時(shí)，則Xi為輸入電腦的採(cǎi)樣值。

當(dāng)時(shí)，應(yīng)將Xi-1採(cǎi)樣值作為第i次採(cǎi)樣值輸入電腦。B值的選擇主要決定於對(duì)象的被測(cè)參數(shù)的變化速度

中位值法濾波

連續(xù)採(cǎi)樣三次以上的被測(cè)值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效的測(cè)量信號(hào)適用場(chǎng)合：對(duì)變化速度不太快的參數(shù)，去掉其干擾脈衝。

溫標(biāo)及換算關(guān)係

溫度：表徵物體冷熱程度的一個(gè)物理量。溫標(biāo)：將溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，溫標(biāo)有起點(diǎn)、單位和方向。溫標(biāo)有華氏、攝氏及開(kāi)氏溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)）。華氏與攝氏溫標(biāo)換算公式

接觸式測(cè)溫

接觸測(cè)量，簡(jiǎn)單、可靠、精度高；測(cè)溫元件有時(shí)可能破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)或與被測(cè)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因受到耐高溫材料的限制，測(cè)溫上限有界。

非接觸式測(cè)溫

通過(guò)熱輻射來(lái)測(cè)溫，不會(huì)破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)，誤差小，反應(yīng)速度快；測(cè)溫上限原則上不受限制；易受被測(cè)物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀錶間的距離、煙塵和水汽等）的影響。

熱電偶特點(diǎn)

熱電動(dòng)勢(shì)與溫度在小範(fàn)圍內(nèi)基本上呈單值、線性關(guān)係；穩(wěn)定性和複現(xiàn)性較好；回應(yīng)時(shí)間較快；測(cè)溫範(fàn)圍寬，高溫?zé)犭娕紲y(cè)溫上限可達(dá)2800℃，低溫?zé)犭娕伎蛇_(dá)4K；測(cè)溫精度高；使用範(fàn)圍廣。工業(yè)常用熱電偶

標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶：按國(guó)家規(guī)定定型生產(chǎn)、有標(biāo)準(zhǔn)化分度表的熱電偶。主要有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶（也稱(chēng)雙鉑銠熱電偶，分度號(hào)B）；鉑銠10-鉑電偶（分度號(hào)S）；鎳鉻-鎳矽（鎳鉻-鎳鋁，分度號(hào)K）熱電偶；鎳鉻-康銅（鎳鉻-銅鎳，分度號(hào)E）熱電偶。鎧裝熱電偶

將熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管加工成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，經(jīng)複合拉伸後形成的熱電偶；細(xì)：一般直徑為1～8mm；長(zhǎng)：長(zhǎng)度一般為1～20m；具有體積小、精度高、動(dòng)態(tài)回應(yīng)快、可靠性高、可撓性好、通常不用補(bǔ)償導(dǎo)線等特點(diǎn)，特別適合於溫度控制系統(tǒng)。熱電偶冷端補(bǔ)償

只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)：E（T，0）=E（T，Tn）+E（Tn，0）熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償：只有將冷端溫度保持為0℃，或者進(jìn)行一定的修正才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。熱電偶冷端補(bǔ)償方法冷端溫度保持為0℃；冷端溫度修正法，包括溫度修正法T=T’+kT和熱電勢(shì)修正法（查表法）；冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法，包括補(bǔ)償電橋法和pn結(jié)補(bǔ)償法；補(bǔ)償熱電偶法，即補(bǔ)償導(dǎo)線法。熱電阻

在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)很??；而在中、低溫區(qū)，用熱電阻比用熱電偶做為測(cè)溫元件時(shí)的測(cè)量精確度更高；熱電阻特點(diǎn)：性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高，一般可在-270～900℃範(fàn)圍內(nèi)使用（推薦在150℃以下時(shí)選用）。熱電阻的材料要求一般要求工業(yè)熱電阻的材料應(yīng)具有：電阻溫度係數(shù)大；電阻率大；熱容量小；在測(cè)溫範(fàn)圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；良好的複製性；電阻隨溫度的變化呈線性關(guān)係等。常用熱電阻材料目前世界上用作熱電阻的材料主要有鉑、銅及鎳；我國(guó)鎳儲(chǔ)量較少，故只採(cǎi)用鉑、銅兩種金屬熱電阻。

集成溫度感測(cè)器利用pn結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)係研製的一種固態(tài)感測(cè)器。特點(diǎn)：體積小；熱慣性小、反應(yīng)快；測(cè)溫精度高；穩(wěn)定性好；價(jià)格低等。分電壓型和電流型兩種，電壓型溫度係數(shù)約10mV/0C；電流型溫度係數(shù)約1μA/0C。

AD590兩端元件；供電電壓：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）輸出；00C時(shí)輸出273.2μA；溫度係數(shù)1μA/0C；測(cè)溫範(fàn)圍-55~+1500C；使用範(fàn)圍廣泛。接觸測(cè)溫元件的安裝原則

測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)（管道內(nèi)）溫度時(shí)，應(yīng)保證感測(cè)器與介質(zhì)充分接觸，與被測(cè)介質(zhì)成逆流狀態(tài)（至少呈正交式）安裝。

感溫點(diǎn)應(yīng)處?kù)豆艿乐辛魉僮畲蟮牡胤健?/p>

盡可能增大感測(cè)器的插入深度，溫度計(jì)應(yīng)斜插或在管道彎頭處插入。

當(dāng)測(cè)溫管道過(guò)細(xì)（直徑小於80㎜）時(shí)，安裝測(cè)溫元件需加裝擴(kuò)充管。

接觸測(cè)溫元件的安裝原則熱電偶及熱電阻在安裝時(shí)，應(yīng)使其接線盒的面蓋向下，以免雨水或其他汙物滲漏。

安裝在負(fù)壓管道上的溫度計(jì)，必須要保證良好的密封性，以防外界冷空氣進(jìn)入。

用熱電偶測(cè)量爐膛溫度時(shí)，應(yīng)避免與火焰直接接觸；避免把熱電偶安裝在爐門(mén)旁或與熱物體距離過(guò)近之處。接線盒不應(yīng)碰到被測(cè)介質(zhì)的器壁，以免熱電偶冷端溫度過(guò)高。

測(cè)溫元件的選型原則

儀錶的精度等級(jí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)參數(shù)允許偏差的大小確定。

儀錶選型應(yīng)力求操作方便、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)、合理等。在同一工程中，應(yīng)儘量減小儀錶的品種和規(guī)格。

一般取實(shí)測(cè)最高溫度為儀錶上限值的90%，而30%以下的刻度原則上最好不用。測(cè)溫元件的選型原則熱電偶測(cè)溫反應(yīng)速度快、適於遠(yuǎn)距離傳送、便於與電腦聯(lián)用、價(jià)廉，故只在測(cè)量範(fàn)圍低於150℃時(shí)才選用熱電阻。熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及顯示儀錶的分度號(hào)要一致。

保護(hù)套管的耐壓等級(jí)應(yīng)不低於所在管線或設(shè)備的耐壓等級(jí)。材料應(yīng)根據(jù)最高使用溫度及被測(cè)介質(zhì)的特性來(lái)選擇。

例題用分度號(hào)為K的鎳鉻-鎳矽熱電偶測(cè)量溫度，在沒(méi)有採(cǎi)取冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，顯示儀錶指示值為500℃，而這時(shí)冷端溫度為60℃。試問(wèn)：實(shí)際溫度應(yīng)為多少？如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20℃，此時(shí)顯示儀錶的指示值應(yīng)為多少？

例題顯示儀錶指示值為500時(shí)，查表可得此時(shí)顯示儀錶的實(shí)際輸入電勢(shì)為20.64mV，由於這個(gè)電勢(shì)是由熱電偶產(chǎn)生的，即

同樣，查表可得：

=20.64+2.463=23.076mV由23.076mV查表可得：t=557℃。即實(shí)際溫度為557℃。

執(zhí)行器

作用：控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥芯）接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積。執(zhí)行器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，直接與介質(zhì)接觸；通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場(chǎng)合下工作；直接影響過(guò)程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

執(zhí)行器分類(lèi)分為三大類(lèi)：以壓縮空氣為能源的氣動(dòng)執(zhí)行器（即氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥），氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)為20～100kPa；以電為能源的電動(dòng)執(zhí)行器（即電動(dòng)調(diào)節(jié)閥），電動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)為4～20mADC；以高壓液體為能源的液動(dòng)執(zhí)行器（即液動(dòng)調(diào)節(jié)閥）。

電動(dòng)執(zhí)行器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：永磁低速同步電動(dòng)機(jī)、位置發(fā)送器和減速器等。氣動(dòng)執(zhí)行器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成；接受調(diào)節(jié)器或電-氣閥門(mén)定位器輸出的氣壓信號(hào)，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力，使推桿（閥桿）產(chǎn)生位移，同時(shí)帶動(dòng)閥心動(dòng)作；氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可看成一階慣性環(huán)節(jié)（而電動(dòng)執(zhí)行器可看成比例環(huán)節(jié)）。

調(diào)節(jié)閥

局部阻力可變的節(jié)流元件；通過(guò)改變閥芯的行程可以改變調(diào)節(jié)閥的阻力係數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。調(diào)節(jié)閥的主要結(jié)構(gòu)形式調(diào)節(jié)閥的流量特性

指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)係

qv/qvmax——相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度流量與全開(kāi)流量之比；

l/L——相對(duì)開(kāi)度，即調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度行程與全行程之比。

理想流量特性

調(diào)節(jié)閥前後壓差不變時(shí)，得到的流量特性；流量特性完全取決於閥芯的形狀；理想流量特性有：直線對(duì)數(shù)拋物線快開(kāi)直線流量特性

調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥心的相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)係，即調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度變化所引起的相對(duì)流量變化是常數(shù)。

R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)範(fàn)圍，R=qvmax/qvmin

直線流量特性特點(diǎn)閥心相對(duì)開(kāi)度變化所引起的流量變化是相等的流量相對(duì)變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同的：在小開(kāi)度時(shí)，流量相對(duì)變化量大；在大開(kāi)度時(shí)，其流量相對(duì)變化最小。直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，控制作用強(qiáng)，易引起振盪；在大開(kāi)度時(shí)，控制作用弱，控制緩慢。

對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性

其數(shù)學(xué)運(yùn)算式

行程變化相同的百分?jǐn)?shù)，流量在原來(lái)基礎(chǔ)上變化的相對(duì)百分?jǐn)?shù)是相等的，即具有等百分比流量特性。對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性特點(diǎn)：調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，控制緩和平穩(wěn)調(diào)節(jié)閥在大開(kāi)度時(shí)，控制及時(shí)有效。拋物線流量特性

相對(duì)流量與閥桿的相對(duì)開(kāi)度成拋物線關(guān)係，即相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成平方關(guān)係。它介於直線與對(duì)數(shù)流量特性之間，通?？捎脤?duì)數(shù)流量性來(lái)代替。

快開(kāi)流量特性

在小開(kāi)度時(shí)流量就比較大，隨著開(kāi)度的增大流量很快就達(dá)到最大主要適用於位式控制。

工作流量特性

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，調(diào)節(jié)閥兩端的壓差是變化的，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)係稱(chēng)為工作流量特性。為衡量調(diào)節(jié)閥實(shí)際工作流量特性相對(duì)於理想流量特性的變化程度，用阻力比係數(shù)S來(lái)表示：調(diào)節(jié)閥S值串聯(lián)管道，流量特性發(fā)生兩個(gè)變化一是調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)流量減小，即調(diào)節(jié)閥可調(diào)範(fàn)圍變??；另一個(gè)是流量特性曲線向上拱，理想直線特性變成快開(kāi)特性。S值越小，畸變?cè)絿?yán)重。並聯(lián)工作時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，旁路流量只能為總流量的百分之十幾，S值不能低於0.8。

調(diào)節(jié)閥的空化及其避免

閃蒸：

流體流經(jīng)節(jié)流件（閥芯）時(shí)，在節(jié)流件後某處?kù)o壓下降到最低，當(dāng)靜壓力下降到甚至低於該液體所在工況下的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體就會(huì)汽化成氣體，形成汽液混合的兩相流體。空化：閃蒸發(fā)生後，隨著流體的流動(dòng)，其靜壓力又要上升。當(dāng)靜壓力回升到該液體所在工況下的飽和蒸汽壓以上時(shí)，閃蒸形成的氣泡會(huì)破裂重新轉(zhuǎn)化為液體，這種氣泡形成和破裂的過(guò)程稱(chēng)為空化。

調(diào)節(jié)閥的空化及其避免空化的破壞作用：材質(zhì)的損壞；振動(dòng)；雜訊。避免空化和汽蝕的方法

主要從壓差的選擇、材料、結(jié)構(gòu)上考慮。最根本的方法是使調(diào)節(jié)閥前後壓差不大於最大允許壓差：可採(cǎi)用多級(jí)閥芯的高壓調(diào)節(jié)閥；用兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥相串聯(lián)。選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式

所謂氣開(kāi)式，即當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)，閥門(mén)開(kāi)大；氣關(guān)式則相反，即信號(hào)壓力增加時(shí)，閥門(mén)關(guān)小。

考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全；考慮在事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品品質(zhì)。閥門(mén)定位器

氣動(dòng)執(zhí)行器的主要附件。利用負(fù)回饋原理來(lái)改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性；改變調(diào)節(jié)閥的流量特性；實(shí)現(xiàn)分程式控制制。例題已知閥的最大流量Qmax=100m3/h，可調(diào)範(fàn)圍R=30。試分別計(jì)算在理想情況下閥的相對(duì)行程為=0.1、0.2、0.8、0.9時(shí)的流量值Q，並比較不同理想流量特性的控制閥在小開(kāi)度與大開(kāi)度時(shí)的流量變化情況。

直線流量特性；

等百分比流量特性。

例題根據(jù)直線流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)行程之間的關(guān)係：分別在公式中代入數(shù)據(jù)Qmax=100m3/h，R=30，l/L=0.1、0.2、0.8、0.9等數(shù)據(jù)，得：Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.67m3/hQ0.9=90.33m3/h例題根據(jù)等百分比流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)行程之間的關(guān)係：得：Q0.1=4.68m3/hQ0.2=6.58m3/h

Q0.8=50.65m3/hQ0.9=71.17m3/h

例題對(duì)於直線流量特性的控制閥，相對(duì)行程由10%變化到20%時(shí)，流量變化的相對(duì)值為：相對(duì)行程由80%變化到90%時(shí)，流量變化的相對(duì)值為

例題可見(jiàn)，對(duì)於直線流量特性的控制閥，在小開(kāi)度時(shí)（10%處），行程變化10%，流量增加74.4%；在大開(kāi)度時(shí)（80%處），行程同樣變化了10%，流量只在原有基礎(chǔ)上增加12%，控制作用很弱，控制不夠及時(shí)、有力。

例題對(duì)於等百分比流量特性的控制閥，相對(duì)行程由10%變?yōu)?0%時(shí)，流量變化的相對(duì)值為相對(duì)行程由80%變到90%時(shí)，流量變化的相對(duì)值為

電力電子元件

SCR、GTO、GTR、IGBT、MOS、MCT等；IGBT是電力MOSFET和GTR的有機(jī)結(jié)合，具有MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高和GTR工作電流大的特點(diǎn)；MCT（門(mén)控晶閘管）是MOSFET和SCR的有機(jī)結(jié)合。

變頻器原理

將頻率、電壓固定的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。

變頻時(shí)應(yīng)保持每極磁通Фm為額定值不變。由於，故要求V/f不變。轉(zhuǎn)矩提升：低壓時(shí)，人為地把電壓V抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。

變頻器主回路示意圖主電路整流器將電網(wǎng)的交流電變?yōu)橹绷麟姟V波器將整流器輸出的脈動(dòng)直流變成平穩(wěn)的直流電。逆變器將直流電變成交流電供給負(fù)載。輸入點(diǎn)模擬量輸入點(diǎn)頻率的給定；輸入PID回饋信號(hào)等。開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)給出正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)命令；設(shè)定多種命令信號(hào)等。輸出點(diǎn)模擬量輸出點(diǎn)輸出模擬監(jiān)視信號(hào)；脈衝輸出輸出脈衝監(jiān)視信號(hào)；開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)輸出各種開(kāi)關(guān)量監(jiān)視信號(hào)；輸出總報(bào)警信號(hào)等。設(shè)計(jì)電路舉例變頻器應(yīng)用

變頻器與籠型電動(dòng)機(jī)的結(jié)合是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最佳選擇。特點(diǎn)：顯著的節(jié)能效果；較高的控制精度及較寬的調(diào)速範(fàn)圍；便於使用和維護(hù)；易於實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制等性能。變頻在泵流量控制中的應(yīng)用風(fēng)機(jī)、水泵的特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。以前的電機(jī)以定速運(yùn)轉(zhuǎn)，用擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量、水量。改用根據(jù)所需要的風(fēng)量、水量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速就可獲得大量節(jié)電效果。應(yīng)用表明，一般節(jié)約動(dòng)力達(dá)40%以上。

流量、揚(yáng)程、軸功率與轉(zhuǎn)速關(guān)係流量：揚(yáng)程：軸功率：變頻高次諧波與諧波抑制

高次諧波：基頻（通常為電源頻率）倍數(shù)的頻率。變頻高次諧波與諧波抑制畸波：?jiǎn)蝹€(gè)基波與幾個(gè)高次諧波組合在一起。n=pk

1（p=脈衝數(shù)，k=1，2，3…），通用變頻器中三相整流器產(chǎn)生5次，7次，11次，13次…高次諧波。它的諧波含量（諧波內(nèi)容）為1/n，諧波級(jí)數(shù)增加，諧波量值減少。在變頻器電源側(cè)連接AC電抗器或在DC電路中安裝DC電抗器或同時(shí)進(jìn)行，可抑制諧波電流。高次諧波與雜訊的區(qū)別

變頻雜訊與雜訊衰減

雜訊的空中傳播

變頻器產(chǎn)生的雜訊在空中輻射和傳播的3種路徑：

變頻器輻射；變頻器輸入側(cè)電源電線的輻射；

變頻器輸出側(cè)到電機(jī)連接電線的輻射。

電磁感應(yīng)雜訊

變頻器輸入/輸出的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，感應(yīng)到周?chē)O(shè)備的電流側(cè)和信號(hào)側(cè)，使周?chē)O(shè)備受到雜訊的影響。當(dāng)平行佈線或成束佈線時(shí)，走線範(fàn)圍越大，感應(yīng)雜訊也就越大。

靜電感應(yīng)雜訊、電回路傳播雜訊

變頻器輸入輸出側(cè)由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)靜電容耦合到信號(hào)線端，並傳播到受影響的設(shè)備。

變頻器產(chǎn)生的高頻雜訊通過(guò)電源線傳播到周?chē)O(shè)備。

被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型

過(guò)程在輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下，其輸出量（被控量）隨輸入量變化的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)係運(yùn)算式。被控過(guò)程輸入量與輸出量之間的信號(hào)聯(lián)繫稱(chēng)為通道?？刂仆ǖ溃嚎刂谱饔门c被控變數(shù)之間的信號(hào)聯(lián)繫通道。擾動(dòng)通道：擾動(dòng)作用與被控變數(shù)之間的信號(hào)聯(lián)繫通道。建立過(guò)程數(shù)學(xué)模型的目的

設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)；整定調(diào)節(jié)器參數(shù)；

指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備設(shè)計(jì)；進(jìn)行試驗(yàn)研究等。過(guò)程數(shù)學(xué)模型的求取方法

方法一：數(shù)學(xué)分析法，即根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，通過(guò)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)物料平衡和能量平衡關(guān)係求取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。方法二：過(guò)程辨識(shí)法，即根據(jù)過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)程辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)的方法建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

物料（或能量）平衡關(guān)係靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)係：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料（或能量）等於單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料（或能量）。

動(dòng)態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)係：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過(guò)程的物料（或能量）減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過(guò)程流出的物料（或能量）等於被控過(guò)程內(nèi)物料（或能量）存儲(chǔ)量的變化率。被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)參數(shù)

放大係數(shù)K：

在數(shù)值上等於對(duì)象處?kù)斗€(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出變化量與輸入變化量之比：放大係數(shù)是描述對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)。

被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)參數(shù)時(shí)間常數(shù)T：指當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用後，被控變數(shù)如果保持初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間?；颍寒?dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用後，被控變數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時(shí)間。反映被控變數(shù)變化快慢的一個(gè)重要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)。

被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)參數(shù)滯後時(shí)間τ：是純滯後時(shí)間τ0和容量滯後τC的總和。

純滯後的產(chǎn)生一般是由於介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時(shí)間引起的。容量滯後一般是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過(guò)一定的阻力而引起的。滯後時(shí)間τ是反映對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的另一個(gè)重要參數(shù)。

自衡能力

當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生後，被控量變化最後達(dá)到新的平衡。該過(guò)程具有自衡能力，稱(chēng)自衡過(guò)程。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生後，被控量不斷變化，最後不再平衡下來(lái)，該過(guò)程無(wú)自衡能力，稱(chēng)非自衡過(guò)程。如液位系統(tǒng)，出口閥不控，入口流量變化後，液位為自衡過(guò)程；若出口加泵，為非自衡過(guò)程。

自衡過(guò)程單容、雙容及純滯後對(duì)象

數(shù)學(xué)模型

無(wú)自衡過(guò)程單容、雙容及純滯後對(duì)象

數(shù)學(xué)模型

回應(yīng)曲線法

階躍回應(yīng)曲線法

通常取階躍信號(hào)值為正常輸入信號(hào)的5～15%，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)；

在相同的測(cè)試條件下重複幾次；正、反方向變化時(shí)分別測(cè)出其回應(yīng)曲線；

被控過(guò)程必須處?kù)斗€(wěn)定的工作狀態(tài)?；貞?yīng)曲線法矩形脈衝回應(yīng)曲線法

適用於不允許長(zhǎng)時(shí)間偏離正常操作條件的被控過(guò)程；

當(dāng)階躍進(jìn)信號(hào)幅值受生產(chǎn)條件限制而影響過(guò)程的模型精度時(shí)採(cǎi)用。

由階躍回應(yīng)曲線獲取特徵參數(shù)

確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)

過(guò)程的靜態(tài)放大係數(shù)

過(guò)程的時(shí)間常數(shù)：過(guò)O點(diǎn)作階躍回應(yīng)曲線的切線，交穩(wěn)態(tài)的漸近線y（∞）於A點(diǎn)，其投影OB即為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T0。或作63.2%線求取。確定有時(shí)滯的一階環(huán)節(jié)的參數(shù)

K0求法同前。

過(guò)程時(shí)間常數(shù)T0和滯後時(shí)間τ的求法：τ可直接讀出；時(shí)間常數(shù)T0求法同前。

確定二階環(huán)節(jié)的參數(shù)

K0求法同前。

T1、T2可根據(jù)階躍回應(yīng)曲線上兩個(gè)點(diǎn)的位置來(lái)確定：作y（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線y（∞）；

讀取曲線y（t1）=0.4y（∞）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1值；

讀取曲線y（t2）=0.48y（∞）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2值；

確定二階環(huán)節(jié)的參數(shù)當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：相當(dāng)於一階環(huán)節(jié)。確定二階環(huán)節(jié)的參數(shù)當(dāng)時(shí)：當(dāng)t1/t2>0.46

時(shí)：n為階次。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易於整定和投運(yùn)；可滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求；

占控制回路的85%以上，應(yīng)用廣泛；適用於被控過(guò)程的純滯後與慣性不大、負(fù)荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高的場(chǎng)合。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法

首先全面瞭解被控過(guò)程；深入分析工藝過(guò)程設(shè)備；應(yīng)用自動(dòng)控制理論和技術(shù)，擬定一個(gè)合理正確的控制方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

包括：方案設(shè)計(jì)；工程設(shè)計(jì)；工程安裝與儀錶調(diào)校；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等。核心內(nèi)容：控制方案設(shè)計(jì)；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。被制參數(shù)選擇

選擇起決定性作用、並且可以測(cè)量的直接參數(shù)；可以選用間接參數(shù)作為被控參數(shù)，但它必須與直接參數(shù)有單值一一對(duì)應(yīng)關(guān)係；

對(duì)控制作用的反應(yīng)具有足夠的靈敏度；應(yīng)考慮到工藝生產(chǎn)的合理性；儀錶的供應(yīng)情況。

被控參數(shù)選擇的一般原則

代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)的重要變數(shù)；

應(yīng)是工藝生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常變化，因而需要頻繁加以控制的變數(shù)；

應(yīng)盡可能選擇工藝生產(chǎn)過(guò)程的直接控制指標(biāo)；應(yīng)是能測(cè)量的，並具有較大靈敏度的變數(shù)；

應(yīng)是獨(dú)立可控的；應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

控制參數(shù)選擇

應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變數(shù)；

應(yīng)是對(duì)被控參數(shù)影響的諸因素中比較靈敏的變數(shù)，即：控制通道的放大係數(shù)要大一些；時(shí)間常數(shù)要小一些；純滯後時(shí)間要儘量小等。應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

過(guò)程靜態(tài)特性對(duì)控制品質(zhì)的影響

指過(guò)程的靜態(tài)放大係數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響。擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系統(tǒng)Kf大對(duì)控制不利；控制通道的放大係數(shù)K0愈大，表示控制作用愈靈敏；但K0太大，會(huì)使控制作用對(duì)被控變數(shù)的影響過(guò)強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；選擇控制通道的K0適當(dāng)大一些，可由Kc來(lái)補(bǔ)償。

擾動(dòng)通道對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響擾動(dòng)通道的容積愈多、愈大，則擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響愈小，控制品質(zhì)愈好；

擾動(dòng)通道的純滯後不影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)；應(yīng)使擾動(dòng)作用點(diǎn)位置遠(yuǎn)離被控參數(shù)。

控制通道對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)間常數(shù)較小；反應(yīng)靈敏；純滯後時(shí)間小。選擇控制參數(shù)的一般原則

選擇過(guò)程控制通道的放大系Ko要大一些；時(shí)間常數(shù)To要小一些；純滯後時(shí)間τo愈小愈好；過(guò)程擾動(dòng)通道的放大係數(shù)Kf應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)Tf要大；引入系統(tǒng)的位置要遠(yuǎn)離被控參數(shù)；應(yīng)儘量設(shè)法把廣義過(guò)程的幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)，使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他時(shí)間常數(shù)大得多；注意工藝操作的合理性、經(jīng)濟(jì)性?？刂葡到y(tǒng)投運(yùn)投運(yùn)：在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、儀錶安裝調(diào)校就緒後，或者經(jīng)過(guò)停車(chē)檢修之後，再將系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用的過(guò)程。操作人員在系統(tǒng)投運(yùn)之前，必須對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各種儀器儀錶、聯(lián)接管線、供電、供氣情況等進(jìn)行全面檢查和準(zhǔn)備?？刂葡到y(tǒng)投運(yùn)步驟投運(yùn)步驟：檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行；調(diào)節(jié)閥手動(dòng)遙控；調(diào)節(jié)器投運(yùn)。待回路工況穩(wěn)定後，可投入自動(dòng)：把調(diào)節(jié)器PID參數(shù)值設(shè)置合適位置，當(dāng)其偏差接近零時(shí)，即將調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換到自動(dòng)；若還不夠理想，則繼續(xù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿(mǎn)意為止。

單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例

磨礦工藝中，每個(gè)球磨系列由擺式給礦機(jī)下礦，經(jīng)集礦皮帶和給礦皮帶送入球磨機(jī)；以前由人工觀察給礦量，靠調(diào)整下礦口或起停給礦機(jī)來(lái)控制礦量，給礦量波動(dòng)往往較大，難以穩(wěn)定。為穩(wěn)定入磨礦量，需設(shè)計(jì)球磨給礦自動(dòng)控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例單回路系統(tǒng)？或其他系統(tǒng)？干擾量？靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求？?jī)x錶選型？控制器選型？控制規(guī)律（演算法）確定？單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例被控參數(shù)：給礦量；控制參數(shù)：下礦口開(kāi)度？給礦機(jī)頻率？測(cè)量?jī)x錶：皮帶秤（電子式？放射源式？）測(cè)量?jī)x錶安裝位置：（集礦皮帶？給礦皮帶？）執(zhí)行器：開(kāi)度控制器（推桿）？變頻器？單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例採(cǎi)用單回路控制系統(tǒng)；在給礦皮帶上安裝電子皮帶秤，根據(jù)皮帶秤檢測(cè)的礦量對(duì)給礦機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)；控制器選用西門(mén)子S7-300PLC；控制演算法採(cǎi)用PI控制。單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案舉例常用調(diào)節(jié)規(guī)律

位式控制，即兩位式邏輯開(kāi)或關(guān)（ON/OFF）控制；

比例(proportional)積分(integral)微分(derivative)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制；模糊（Fuzzy）控制；神經(jīng)網(wǎng)路（NeuralNetwork）控制；專(zhuān)家系統(tǒng)等。可編程邏輯控制器（PLC）簡(jiǎn)介

可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller：PLC）是一種數(shù)字式的電子裝置，早期專(zhuān)用於順序邏輯和程式控制。使用可編程序的記憶體來(lái)存儲(chǔ)指令，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等功能，用來(lái)對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。

PLC特點(diǎn)高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力；結(jié)構(gòu)緊湊；速度快；功能強(qiáng)；靈活通用；編程容易；維護(hù)方便。PLC發(fā)展採(cǎi)用高性能的處理器，在保證快速完成順序邏輯運(yùn)算的前提下，普遍增加：回路調(diào)節(jié)功能、代數(shù)運(yùn)算功能、高速通訊網(wǎng)絡(luò)等。當(dāng)今的PLC已成為一個(gè)集邏輯控制、調(diào)節(jié)控制、網(wǎng)路通訊和圖形監(jiān)視於一體的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

常用PLC西門(mén)子（Siemens）S7-200/300/400、S5系列；歐姆龍（Omron）CS1、C200H、CPM系列；三菱FX系列；GEFanuc系列等。比例積分微分（PID）控制

過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。電腦控制系統(tǒng)中首先採(cǎi)用的控制算式。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析充分證明，這種控制規(guī)律在對(duì)相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象（一階、二階）進(jìn)行控制時(shí)能夠得到較滿(mǎn)意的結(jié)果。模擬的PID算式

u：輸出Kp：比例係數(shù)e：偏差Ti：積分時(shí)間常數(shù)Td：微分時(shí)間常數(shù)差分的PID算式（位置式）ek：第k次採(cǎi)樣所獲得的偏差信號(hào)

△ek：本次和上次測(cè)量值偏差的差

差分的PID算式（增量式）

積分係數(shù)

微分係數(shù)

增量式控制演算法特點(diǎn)

電腦只輸出增量，把累計(jì)工作交給執(zhí)行機(jī)構(gòu)承擔(dān)，誤動(dòng)作小；

手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)衝擊??；

算式中不需要累加運(yùn)算，增量只與最近幾次採(cǎi)樣值有關(guān)。

改進(jìn)的PID控制演算法

積分分離的PID演算法

在啟動(dòng)階段或具有設(shè)定值大幅度變化的時(shí)刻，在短時(shí)間內(nèi)將存在很大的偏差，運(yùn)算式中的積分項(xiàng)取值很大；在消除偏差過(guò)程中，必然導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)及長(zhǎng)時(shí)間的振盪，而且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象，甚至損壞設(shè)備。

積分分離的PID演算法N——邏輯判斷係數(shù)

N=0E（k）＞M

；N=1E（k）≤M

。M——預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值。

帶有死區(qū)的PID控制

只要測(cè)量值與給定值的差值在死區(qū)範(fàn)圍內(nèi)，調(diào)節(jié)器輸出無(wú)變化。

Y（k）=0

當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出不變Y（k）=Y（k）當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出變化微分先行的PID演算法

調(diào)節(jié)器採(cǎi)用PI規(guī)律，而將微分作用移到回饋回路上去；微分作用直接對(duì)被控量進(jìn)行微分，對(duì)被控量的變化速度進(jìn)行運(yùn)算；在給定值變化頻繁的情況下，優(yōu)先選擇微分先行控制方案。

選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律

根據(jù)τo/To比值來(lái)選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律即當(dāng)時(shí)，選用比例或比例積分控制規(guī)律；當(dāng)時(shí)，選用比例積分或比例積分微分控制規(guī)律；當(dāng)時(shí)，採(cǎi)用單回路控制系統(tǒng)往往已不能滿(mǎn)足工藝要求，應(yīng)根據(jù)具體情況採(cǎi)用其他控制方式，如串級(jí)、前饋、採(cǎi)樣等控制方式。

比例帶（度）

反映比例控制器的比例控制作用強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)。數(shù)值上比例度等於輸入偏差變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)

比例帶（度）可以理解為使控制器的輸出變化滿(mǎn)刻度（也就是使控制閥從全關(guān)到全開(kāi)或相反）時(shí)，相應(yīng)所需的輸入偏差變化量占儀錶測(cè)量範(fàn)圍的百分?jǐn)?shù)。

比例度δ越大，表示比例控制作用越弱。(δ=1/Kp）減小比例度，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能變差，但可相應(yīng)地減小餘差，提高靜態(tài)精度。

例題一臺(tái)DDZ-Ⅲ型溫度比例控制器，測(cè)溫範(fàn)圍為200～1200℃。當(dāng)溫度給定值由800℃變動(dòng)到850℃，其輸出由12mA變化到16mA。試求該控制器的比例度及放大係數(shù)。例題根據(jù)比例度的定義：

=20%PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響

比例度過(guò)小，即比例放大係數(shù)過(guò)大時(shí)，比例控制作用很強(qiáng)，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生振盪；積分時(shí)間過(guò)小時(shí)，積分控制作用很強(qiáng)，易引起振盪；微分時(shí)間過(guò)大時(shí)，微分控制作用過(guò)強(qiáng)，易產(chǎn)生振盪。

PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響

比例（P）控制PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響

比例積分（PI）控制PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響

比例微分（PD）控制PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響

比例積分微分（PID）控制控制器參數(shù)整定

指決定調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD和採(cǎi)樣週期Ts的具體數(shù)值。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。

整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)，即理論計(jì)算整定法和工程整定法：理論計(jì)算整定法有對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、監(jiān)界比例度法和回應(yīng)曲線法等。

工程整定法特點(diǎn)不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定方法簡(jiǎn)單；計(jì)算簡(jiǎn)便；易於掌握。現(xiàn)場(chǎng)湊試法

按照先比例（P）、再積分（I）、最後微分（D）的順序。

置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI=∞，微分時(shí)間TD=0，在比例度δ按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，整定比例度δ。求得滿(mǎn)意的4：1過(guò)渡過(guò)程曲線。

引入積分作用（此時(shí)應(yīng)將上述比例度δ加大1.2倍）。將TI由大到小進(jìn)行整定。

若需引入微分作用時(shí)，則將TD按經(jīng)驗(yàn)值或按TD=（1/3～1/4）TI設(shè)置，並由小到大加入。

臨界比例度法

在閉合的控制系統(tǒng)裏，將調(diào)節(jié)器置於純比例作用下，從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到等幅振盪的過(guò)渡過(guò)程。此時(shí)的比例度稱(chēng)為臨界比例度δk，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱(chēng)為臨界振盪週期Tk。

臨界比例度法步驟將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置於最大（TI=∞），微分時(shí)間置零（TD=0），比例度δ適當(dāng)，平衡操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。

將比例度δ逐漸減小，得到等幅振盪過(guò)程，記下臨界比例度δk和臨界振盪週期Tk值。

根據(jù)δk和Tk值，採(cǎi)用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)，即δ、TI、TD的值。

按“先P後I最後D”的操作程式將調(diào)節(jié)器整定參數(shù)調(diào)到計(jì)算值上。若還不夠滿(mǎn)意，可再作進(jìn)一步調(diào)整。

臨界比例度法整定注意事項(xiàng)

有的過(guò)程控制系統(tǒng)，臨界比例度很小，使系統(tǒng)接近兩式控制，調(diào)節(jié)閥不是全關(guān)就是全開(kāi)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)不利。

有的過(guò)程控制系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)節(jié)器比例度δ調(diào)到最小刻度值時(shí)，系統(tǒng)仍不產(chǎn)生等幅振盪，對(duì)此，就把最小刻度的比例度作為臨界比例度δk進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。

衰減曲線法

選把過(guò)程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)置成純比例作用（TI=∞，TD=0）使系統(tǒng)投入運(yùn)行。再把比例度δ從大逐漸調(diào)小，直到出現(xiàn)4：1衰減過(guò)程曲線。此時(shí)的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個(gè)相鄰波峰間的時(shí)間間隔，稱(chēng)為4：1衰退減振盪週期Ts。

衰減曲線法根據(jù)δc和Ts，使用公式，即可計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)整定參數(shù)值。

按

“先P後I最後D”的操作程式，將求得的整定參數(shù)設(shè)置在調(diào)節(jié)器上。再觀察運(yùn)行曲線，若不太理想，還可作適當(dāng)調(diào)整。

衰減曲線法注意事項(xiàng)反應(yīng)較快的控制系統(tǒng)，要認(rèn)定4：1衰減曲線和讀出Ts比較困難，此時(shí)，可用記錄指針來(lái)回?cái)[動(dòng)兩次就達(dá)到穩(wěn)定作為4：1衰減過(guò)程。

在生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)荷變化會(huì)影響過(guò)程特性。當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，必須重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)值。

若認(rèn)為4：1衰減太慢，宜應(yīng)用10：1衰減過(guò)程。對(duì)於10：1衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟與上述完全相同，僅僅採(cǎi)用計(jì)算公式有些不同。

採(cǎi)樣週期的選擇

香農(nóng)（Shannon）採(cǎi)樣定律：為不失真地複現(xiàn)信號(hào)的變化，採(cǎi)樣頻率至少應(yīng)大於或等於連續(xù)信號(hào)最高頻率分量的二倍。根據(jù)採(cǎi)樣定律可以確定採(cǎi)樣週期的上限值。實(shí)際采樣周期的選擇還要受到多方面因素的影響。不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)選擇。

採(cǎi)樣週期的選擇通常按照過(guò)程特性與干擾大小適當(dāng)來(lái)選取採(cǎi)樣週期：即對(duì)於回應(yīng)快、（如流量、壓力）波動(dòng)大、易受干擾的過(guò)程，應(yīng)選取較短的採(cǎi)樣週期；反之，當(dāng)過(guò)程回應(yīng)慢（如溫度、成份）、滯後大時(shí)，可選取較長(zhǎng)的採(cǎi)樣週期。採(cǎi)樣週期的選取應(yīng)與PID參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮。

採(cǎi)樣週期的選擇採(cǎi)樣週期應(yīng)遠(yuǎn)小於過(guò)程的擾動(dòng)信號(hào)的週期。

在執(zhí)行器的回應(yīng)速度比較慢時(shí)，過(guò)小的採(cǎi)樣週期將失去意義，因此可適當(dāng)選大一點(diǎn)。

在電腦運(yùn)算速度允許的條件下，採(cǎi)樣週期短，則控制品質(zhì)好。

當(dāng)過(guò)程的純滯後時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，一般選取採(cǎi)樣週期為純滯後時(shí)間的1/4～1/8。

串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制品質(zhì)的有效方法之一，在過(guò)程控制中得到了廣泛地應(yīng)用。

串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)

主被控參數(shù)——起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)。

副被控參數(shù)——為穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔助參數(shù)。

主被控過(guò)程——由主被控參數(shù)表徵其特性的生產(chǎn)過(guò)程。其輸入量為副被控參數(shù)，輸出量為主被控參數(shù)。

副被控過(guò)程——由副被控參數(shù)作為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，其輸入量為控制參數(shù)。

串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)主調(diào)節(jié)器——按主被控參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。副調(diào)節(jié)器——按副被控參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。副回路——由副調(diào)節(jié)器、副被控過(guò)程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路。一

次

擾動(dòng)——不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。

二

次

擾動(dòng)——包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。

串級(jí)控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1.改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性；

2.提高了系統(tǒng)的工作頻率；

3.具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力；

4.具有一定的自適應(yīng)能力。

串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合

用於克服被控過(guò)程較大的容量滯後；

用於克服被控過(guò)程的純滯後；

用於抑制變化劇烈而且幅度大的擾動(dòng)；

用於克服被控過(guò)程的非線性。

串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)；

應(yīng)使主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配。原則上，主副過(guò)程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10範(fàn)圍內(nèi)；

副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝上的合理性；

副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則。

串級(jí)主和副調(diào)節(jié)器的選擇

主調(diào)節(jié)器一般選PI或PID控制規(guī)律；副調(diào)節(jié)器一般只要選P控制規(guī)律即可：若採(cǎi)用積分規(guī)律，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速作用。若引入微分規(guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大，對(duì)控制不利。串級(jí)控制系統(tǒng)的整定

串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，只要求副參數(shù)能快速而準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。

在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法等。

逐步逼近法

主回路斷開(kāi)，把副回路按單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[W2（S）]1。

副調(diào)節(jié)器參數(shù)置於[W2（S）]1上，閉合主回路，副回路作為一個(gè)等效環(huán)節(jié)。按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[W1（S）]1。

主調(diào)節(jié)器參數(shù)置於[W1（S）]1上，閉合主回路，再按上述方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[W2（S）]2。完成一次逼近迴圈後，可迴圈下去，逐步逼近，直到達(dá)到滿(mǎn)意的品質(zhì)指標(biāo)要求為止。

兩步整定法

工況穩(wěn)定時(shí)，閉合主回路，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置於100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度δ2s和操作週期T2s。

將副調(diào)節(jié)器的比例度置於所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度和操作週期。兩步整定法根據(jù)求得的δ2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。按先副後主、先比例後積分最後微分的整定程式，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)品質(zhì)達(dá)到最佳為止。

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

在冶金行業(yè)選礦工藝中，大量使用礦石破碎機(jī)對(duì)礦石進(jìn)行破碎。破碎系統(tǒng)的主體設(shè)備是破碎機(jī)，NordbergHP系列礦石破碎機(jī)要求擠滿(mǎn)給礦。

下礦量的波動(dòng)（如粒度、粘度發(fā)生變化）是系統(tǒng)中的一個(gè)主要擾動(dòng)，若僅以機(jī)腔料位作為被控參數(shù)構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生後，由於給礦皮帶的傳輸需要一定的時(shí)間，即存在純滯後，單回路控制系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足要求。

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例為了克服系統(tǒng)的純滯後，決定採(cǎi)用串級(jí)控制：即在給礦皮帶上安裝皮帶秤，以給礦量為副參數(shù)、以機(jī)腔料位為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。由於給礦串級(jí)控制系統(tǒng)多了一個(gè)副回路，不等它影響到機(jī)腔料位，副回路立刻進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，大大減小了擾動(dòng)對(duì)機(jī)腔料位的影響，從而提高了主參數(shù)的控制品質(zhì)和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例前饋控制結(jié)構(gòu)

Wm(s):前饋控制器；

Wo(s):過(guò)程控制通道傳遞函數(shù)；

Wf(s):過(guò)程擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)。前饋與回饋控制特點(diǎn)比較

回饋控制的特點(diǎn)：基於偏差來(lái)消除偏差；

“不及時(shí)”的控制；存在穩(wěn)定性問(wèn)題；對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用；

控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。前饋與回饋控制特點(diǎn)比較前饋控制的特點(diǎn)：基於擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響；

動(dòng)作“及時(shí)”；只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定；具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌裕?/p>

控制規(guī)律取決於被控對(duì)象的特性。

前饋控制器設(shè)計(jì)原理

不變性原理是實(shí)現(xiàn)前饋控制的理論基礎(chǔ)。

“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。

前饋模型

由不變性原理決定的動(dòng)態(tài)前饋控制器，是由被過(guò)程擾動(dòng)通道與控制通道特性之比決定的，即：因?qū)崿F(xiàn)了完全補(bǔ)償，達(dá)到了被控量不受擾動(dòng)影響的控制效果。前饋模型的結(jié)構(gòu)有時(shí)比較複雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。

前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式

靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)：

控制器採(cǎi)用比例控制，是前饋模型中最簡(jiǎn)單的形式。

動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)：

動(dòng)態(tài)前饋的實(shí)現(xiàn)基於不變性原理；動(dòng)態(tài)前饋控制方案雖能顯著地提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但結(jié)構(gòu)往往比較複雜；需要專(zhuān)門(mén)的控制裝置，系統(tǒng)運(yùn)行、整定也比較複雜；只有當(dāng)工藝上對(duì)控制精度要求很高，其他控制方案難以滿(mǎn)足、且存在一個(gè)“可測(cè)不可控”的主要擾動(dòng)時(shí)，才考慮使用動(dòng)態(tài)前饋方案。

前饋控制的局限性

前饋控制屬於開(kāi)環(huán)控制方式；完全補(bǔ)償難以滿(mǎn)足，因?yàn)椋阂獪?zhǔn)確掌握過(guò)程擾動(dòng)通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；

即使前饋模型Wm（s）能準(zhǔn)確求出，有時(shí)工程上也難以實(shí)現(xiàn)；對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)至少使用一套測(cè)量變送儀錶和一個(gè)前饋控制器，這將會(huì)使控制系統(tǒng)龐大而複雜。前饋-回饋複合控制系統(tǒng)

將前饋和回饋結(jié)合起來(lái)，既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔眉皶r(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了回饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)影響的長(zhǎng)處；降低了系統(tǒng)對(duì)前饋補(bǔ)償器的要求，使其在工程上更易於實(shí)現(xiàn)。

前饋控制的設(shè)計(jì)原則

實(shí)現(xiàn)前饋控制的必