1、调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mAD/AA/D数字信号数字信号过程控制组成 锅炉过热蒸汽温度控制框图锅炉过热蒸汽温度控制框图 控制参数：y(t)为被控参数；q(t)控制参数；z(t)测量信号；e(t)偏差信号；e(t)=x(t)-z(t).x(t)给定的信号；u(t)控制信号；控制过程：从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数变化的作用称为扰动。控制参数的作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用企图使
2、被控参数偏离给定值，称为外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动对被控参数的影响，保证其尽快回到给定值。（1）按被控变量对操作变量的影响分 闭环控制系统如：反馈控制 开环控制系统如：前馈控制（2）按补偿干扰的方法分反馈调节器执行器对象传感器、变送器+SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰 前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰 前馈+反馈调节器执行器对象传感器、变送器+SPxzey干扰f变送器前馈补偿器+（3）按设定值的特点区分定值控制系统定值控制系统设定值是由工艺要求给出的不变常数设定值是由工艺要求给出的不变常数
3、 通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。随动控制系统随动控制系统设定值随时间不断发生变化设定值随时间不断发生变化 通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。教材中的程序控制事实上可以理解为随动控制教材中的程序控制事实上可以理解为随动控制（4）按控制系统的复杂程度区分简单控制系统简单控制系统 复杂控制系统复杂控制系统（5）按控制变量的名称区分温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 （6）按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制、预估控制 （1 1）静态（稳态）和动态静态（稳态）和动态静态静态被控变量
4、不随时间变化的平衡状态（变化率为被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0 0，不，不是静止）。是静止）。如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对相对”平衡状态，这种状态就是所谓的平衡状态，这种状态就是所谓的“静态静态”，在控制领，在控制领域中更多的称之为域中更多的称之为“稳态稳态”。动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态。被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰如果系统原来处于相对平衡状态（静
5、态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态动态”过程。过程。（2 2）过渡过程）过渡过程过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的
6、过程。下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰阶跃干扰：在某一瞬间：在某一瞬间t t0 0干扰突然阶跃式地加入系统，干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大最大非周期衰减过程非周期衰减过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 发散振荡过程发散振荡过程 单调发散过程单调发散过程？X XX X一般是不允许的一般是不允许的除开关量控制回路除开关量控制回路（3 3）
7、过渡过程的品质指标）过渡过程的品质指标 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：。主要包括：最大偏差（超调量）、最大偏差（超调量）、衰减比衰减比 余差余差 过渡时间过渡时间 振荡周期（振荡频率）振荡周期（振荡频率）以误差性能指标的形式给出以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差积分指标平方误差积分指标 时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标 绝对误差积
8、分指标绝对误差积分指标 时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）定值系统定值系统 t()y t0BB()e 3t2t1tC25稳定误差范围：或者的新稳态值最大偏差emax：maxeBC衰 减 比n：/nB B余差 e()：()()eCy 过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值
9、为200)。解：解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一个波峰值B23020525 第二个波峰值B2102055 衰减比n25：55：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T20515(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200(2)4，这时，可在新稳态值(205)两侧以宽度为4画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。()(1)()11010()()()()(
10、)()()nnmnmytayta y ta y tb xtb x tb x t 数学模型：指过程各输入量（控制量、扰动量）作用下，其输出量（被控制量）变化函数关系表达式。Y(t)=FX1(t),X2(t),X3(t)Xn(t)模型分类：非参量形式（曲线、表格）参量形式（数学方程）方程=微分、差分、传递函数、脉冲函数、状态方程、观察方程等 对象类型：对象类型：线性过程对象 非线性过程对象-核心研究线性过程、或者线性化的过程。典型对象 惯性对象w(s)=f(k,T0)积分对象w(s)=f(T)延迟对象w(s)=f(t)解析法：又称为机理演绎法，根据过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料（能量）平
11、衡关系，用数学推理的方法建立过程的数学模型。实验辨识法：又称为系统辨识与参数估计法。该法是根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计建立过程的数学模型。混合法：即用上述两种方法的结合建立过程的数学模型。首先通过机理分析确定过程模型的结构形式，然后利用实验测试数据来确定模型中各参数的大小。iq0q0qiq0/qH Riq0q AhdVqqiodtVAhdhAqqiodtohqR idhhAqdtR ()i idhThK qTARKRdt、（）iq0q Ah iiid hThKqdt （）()()()iTsH sH sK Q s()()1iH sKQ sTs()iaQ ss()()1
12、(1)iKKaH sQ sTss Ts11()()(1)Kah tLH sLs Ts11KaKaTLsTs11*()1TKaLsTs(1)tTKaeidhThK qdt()()1iH sKQ sTs()(1)tTh tKaeh()h(t)T0.632h()qita01(0)(1)0()(1)()(1)0.632()TThKaehKaeKah TKaeh 阶跃输入t0At0A矩形脉冲t1一阶无时延过程1)(000sTKsW)1)(1()(2100sTsTKsW二阶无时延过程一阶有时延过程sesTKsW1)(000二阶有时延过程sesTsTKsW)1)(1()(2100在工业生产中，大多数过程的数
13、学模型常常可用下列模型结构来描述：由此可见，只要由阶跃响应曲线求得过程的放大系数，时间常数和时延时间，便由此可见，只要由阶跃响应曲线求得过程的放大系数，时间常数和时延时间，便能求得过程的数学模型。能求得过程的数学模型。一阶过程直角坐标图解法直角坐标图解法 对象 参数K0和T0 解：Ko:T0:过原点作曲线的切线，该切线与 线交于A点，则OA在时间轴上的投影即为时间常数 00ttx(t)y(t)2TTT/2)(y)(87.0y)(63.0y)(39.0yx0图211 一阶无时延阶跃响应曲线1)(000sTKsW)1()(000TtexKty000)0()()(xyyxyK)(yufyK其它参数不
14、变 uyKofyKfixtxitxx 0ixx 0ixx 1100%tx20100%x3maxmin100%xxmaxmaxmin100%xx最大绝对误差量程1.51.05*100%1.25%4000 0.5*100%1.25%400 pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa0appp0happp被测参数的正常值一般要求工作被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程在仪表量程1/32/3为宜。（经验为宜。（经验要求而已）要求而已）30.60.84AMPa10.41.23AMPa(a)标准孔板(b)喷嘴(c)文丘里管1v3v2v123流速1v2v3v静压1p2p3ppmaxph第
15、第4 4章章 调节单元调节单元 49执行器执行器50执行器是指：阀门调节阀执行器是指：阀门调节阀(连续的连续的)、开关阀、开关阀(过程控制范畴过程控制范畴)电机连续的、开关的电机连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用属于流体机械的范畴，起执行器的作用)执行器是控制系统必不可少的环节执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触原因：执行器与介质（操作变量）直接接触 (强强)腐蚀性、腐蚀性、(高高)粘度、粘度、(易易)结晶、结晶、高温、深冷、高压、高差压高温
16、、深冷、高压、高差压 执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节调节操作变量流量操作变量流量的目的。的目的。51辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构 根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达)。它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 根据推力产生位移或转角，改变开度。它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量
17、的装置 手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。52反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀 正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀从安全生产的角度来确定正反作用从安全生产的角度来确定正反作用H如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？53根据控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移M(直线位移l或角位移)输出力F用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或
18、作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；位移(l或)用于带动调节机构阀芯动作 气动执行机构气动执行机构 电动执行机构电动执行机构 54调节阀的流量特性调节阀的流量特性 调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系)(maxLlfQQ调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性理想流量特性和实际流量特性55调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。1-1-快开特性快开特性2-2-直线特性直线特性3-3-抛物线特性抛物线特性4-4-等百分比（对数）特性等百
19、分比（对数）特性56kLldQQd)()(maxLlRRQQ)1(11max特点：特点：a.a.放大系数是常数放大系数是常数 调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数量变化是常数 LlRR)11(1b.Q 流量相对变化值流量相对变化值 57maxmax)()(QQkLldQQd特点：特点：a.a.Q 放大系数放大系数单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系b.流量相对变化值是常数流量相对变化值是常数(1)maxlLQ
20、RQ58单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系方值的平方根成正比关系 21maxmax)()()(QQkLldQQd2max)1(1 1LlRRQQ为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移抛物线特性，它在相对位移30%30%及相对流量变及相对流量变20%20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。范围是线性关
21、系。59在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小到最大；此后再增加开度，流量变化很小 有效位移一般为阀座直径的有效位移一般为阀座直径的1/41/4 适用于迅速启闭的位式控制或程序适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统控制系统 上述上述4 4种流量特性中：直线和等百种流量特性中：直线和等百分比最常用。分比最常用。60(1)(1)串联管道时串联管道时*流量特性发生畸变流量特性发生畸变 直线特性直线特性快开特性快开特性 等百分比特性等百分比特性直线特性直线特性*可调比减小可调比减小 61(2)
22、(2)并联管道时的工作流量特性并联管道时的工作流量特性 通常一般通常一般X X 值不能低于值不能低于0.80.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。几。可调比将大大下降可调比将大大下降62气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开 无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭 无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。简单控制系统的设计一被控变量的选择二操纵变量的选择三测量元件特性的影响四控制器控制规律的选择一、被控变量的选择 什么是被控变量？生产
23、过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。如何选择被控变量？关键变量；灵敏度；独立性直接指标控制和间接指标控制 根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制形式：直接指标控制和间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制。如果缺乏各种合适的获取质量信号的监测手段，或检测到的信号微弱或滞后很大，可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。选择被控变量的原则：被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中的关键变
24、量。被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。尽量采用直接指标作为被控变量。被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。被控变量是独立可控的。二、操纵变量的选择 什么是操纵变量？在自动控制系统中，用于克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量，称为操纵变量。如何选择操纵变量？对被控变量影响显著且可控性良好的输入作为操纵变量。操纵变量的选择原则：操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合
25、理性与生产的经济性。控制器控制规律的选择 1、控制规律的选择P,PI,PD,PID 2、控制器正、反作用的选择P控制规律：最基本的控制规律，抗干扰能力强，控制及时，过渡时间短，但有余差。适合控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量运行在一定范围内允许有余差的场合。典型应用：储槽液位控制、精馏塔塔釜液位控制、压缩机储气罐压力控制等。eKpPPI控制规律：在工程上应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差，但会导致稳定性降低。增大比例度可保证稳定性，但超调量和振荡周期会相应增大；适用于控制通道较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的场合。)1(dt
26、eTeKpIpPD控制规律：微分具有超前控制作用，对具有容量滞后的过程控制通道，引入微分控制规律对改善系统的动态性能指标，有显著的效果。适用于控制通道的时间常数大或者容量滞后较大的场合，如温度和成分控制等。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性干扰的系统，则不宜采用微分作用。)(dtdeTeKpDPPID控制规律：是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，能提高系统的稳定性。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合。如温度控制、成分控制。)1(dtdeTedtTeKpDIP2、控制器正、反作用的确定 什么是控制器的“正”、“反”作用？当某个
27、环节输入增加时，输出也增加，该环节称为“正作用”方向；反之，称为“反作用”。如何确定控制器的“正”、“反”作用？与执行器、对象、测量变送作用方向组合，使得控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。测量变送器：作用方向一般是“正”的；被控对象：操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”；执行器：作用方向取决于是气开阀还是气关阀；气开阀是“正”方向；气关阀是“反”方向。执行器的气开或气关形式主要从工艺安全角度来确定。分析热电偶及变送器加热炉气开阀 TC参数整定的方法 理论计算法：通过理论计算，寻找最佳参数；工程整定法：通过实际试验或经验规律确定控制参
28、数。（临界比例度法，衰减临界比例度法，衰减曲线法，经验凑试法曲线法，经验凑试法）例：某换热器的稳定控制系统方块图如下所示。系统的被控变量为出口物料温度，要求保持在（2002）oC。操纵变量为加热蒸汽的流量。采用的控制仪表为DDZ-型电动单元组合式仪表。电动电动控制器控制器测量、变送测量、变送电气电气转换器转换器气动气动执行器执行器换热器换热器REZIPFQC_(1)说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。(2)说明Z、I、P的信号范围(3)选用合适的测温元件(4)气动执行器的输入、输出各是什么物理量？(5)若记录仪表的记录曲线上，最高值为202oC、最低值为198oC，问该系统是否达到
29、了控制要求？(1)R为给定值，E为偏差，Q为操纵变量，C为被控变量，F为干扰变量。(2)Z的信号范围420mA，I的信号范围为420mA，P的信号范围为20100kPa。(3)铂电阻（Pt100）(4)输入信号为20100kPa的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。(5)达到控制要求。分析：利用所学的化工仪表及自动化知识，设计一个简单控制系统，简述整个设计过程，要求：描述系统功能和对象特性；进行被控变量、操纵变量、干扰、控制规律、执行器、测量元件的分析和确定；画出系统方框图和各环节的正反作用方向；分析具体的变量范围和系统的控制过程及各信号的变化情况。温度控制流程温度控制流程热电偶温度变送器发酵罐气开阀TC(PID)TTTC
