化工仪表自动化 第4章_过程控制仪表.ppt

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1、1书名:过程控制系统及仪表(第3版)出版社:大连理工大学出版社;第3版(2010年7月1日)编著者：李亚芬；主审：邵诚,丛书名:高等学校理工科化学工类规划教材 平装:259页;语种:简体中文 开本:16 ISBN:9787561115015,ISBN：7-5611-1501-6 条形码:9787561115015 尺寸:25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量:522 g 原价:25.00元1过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表2第第4章章 过程控制仪表过程控制仪表控制仪表2基本控制规律3 1位式控制律位式控制律PID控制律控制律模拟式调节器模拟式调节器数字式调节器数字式调节器可编程控制

2、器可编程控制器34-1 基本控制规律基本控制规律o过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的特过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的特性。性。o控制器的特性，控制器的特性，就是指控制器的输出信号随着输入信号变化就是指控制器的输出信号随着输入信号变化的规律，又称作控制律。的规律，又称作控制律。euy r4o在过程控制中，控制器的输入定义为被控变量的测量值在过程控制中，控制器的输入定义为被控变量的测量值 y与给定值与给定值 r 的偏差的偏差 e：e=y-ro控制器的输出就是控制器送往执行器的控制信号控制器的输出就是控制器送往执行器的控制信号u，所以，所以控制器中的控制规律可以用

3、下面的数学关系表示：控制器中的控制规律可以用下面的数学关系表示：u=f(e)e0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下 u0,称为正作用控制器；称为正作用控制器；e0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下 uQ1设定设定值值阀门开度阀门开度曲线曲线2：流量为：流量为Q0，阀开度变，阀开度变化对应温度变化化对应温度变化温度温度O点至点至B点至点至A点，有余差点，有余差233 比例度对控制过程的影响比例度对控制过程的影响比例度影响可从静态和动态两个方面考虑：比例度影响可从静态和动态两个方面考虑：o比例度对系统静态特性的影响是：比例度对系统静态特性的影响是：比例度越大（即放比例度越大（即放大倍数大倍

4、数 KP越小），控制过程达到稳态时的余差就越越小），控制过程达到稳态时的余差就越大。大。o对动态特性的影响：对动态特性的影响：减小比例度虽然有利于减小系统减小比例度虽然有利于减小系统达到新稳态时的余差，但却影响到系统的动态特性，达到新稳态时的余差，但却影响到系统的动态特性，使控制系统的稳定性下降。使控制系统的稳定性下降。24对动态特性的影对动态特性的影响：响：可由图所示的在可由图所示的在干扰作用下的闭环干扰作用下的闭环响应曲线来描述：响应曲线来描述：25三、比例积分控制三、比例积分控制 1积分控制规律及其特点积分控制规律及其特点o积分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差积分控制规律是指控制

5、器的输出变化量与输入偏差的积分成比例关系，一般用字母的积分成比例关系，一般用字母 I 表示。表示。o积分控制规律的数学表达式为：积分控制规律的数学表达式为：式中式中 Ti 积分时间常数，是一个可调的常数。积分时间常数，是一个可调的常数。26积分控制作用积分控制作用的特性可用在阶的特性可用在阶跃输入作用下的跃输入作用下的输出响应曲线来输出响应曲线来说明。说明。当控制器输入当控制器输入偏差偏差 e 为常数为常数 A 时：时：27积分控制规律的特点：积分控制规律的特点：o积分作用能够消除余差，这是积分控制规律最积分作用能够消除余差，这是积分控制规律最显著的特点，也是它的突出优点；显著的特点，也是它的

6、突出优点；o主要缺点：不能及时克服干扰，会使控制系统主要缺点：不能及时克服干扰，会使控制系统的稳定性下降；的稳定性下降；o积分控制规律一般不单独使用。积分控制规律一般不单独使用。282比例积分控制规律比例积分控制规律o比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控制规律结比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控制规律结合而成，一般用字母合而成，一般用字母 Pl 表示。表示。o比例积分控制规律的数学表达式为：比例积分控制规律的数学表达式为：oPI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速克服干扰，又能消除系统的余差。既能快速克服干扰，又能消除系统的余差。

7、29当输入偏差是一幅值为当输入偏差是一幅值为 A 的阶跃变化时，比例积分的阶跃变化时，比例积分控制器的输出变化特性曲线如图控制器的输出变化特性曲线如图 4-10 所示。所示。303积分时间对过渡过程的影响o比例积分（比例积分（PI）控制器，比例度）控制器，比例度（或比例增益（或比例增益 KP）和积分时间）和积分时间 Ti 都是可调参数。都是可调参数。o讨论：积分时间讨论：积分时间 T i过大和过小对控制效果的影响。过大和过小对控制效果的影响。31 积分时间过大，积分积分时间过大，积分作用太弱，消除余差的作用太弱，消除余差的过程很慢（见曲线过程很慢（见曲线 b)；只有当只有当 T i适当时，过适

8、当时，过渡过程能较快地衰减，渡过程能较快地衰减，而且没有余差（见曲线而且没有余差（见曲线c）；）；积分时间太小，控制积分时间太小，控制器的输出变化太快，使器的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降系统的稳定性大大下降（见曲线（见曲线 d)。P型控制器型控制器32四、比例微分控制四、比例微分控制 1微分控制规律及其特点微分控制规律及其特点 微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成比例，一般用字母差的变化速度成比例，一般用字母 D 表示。表示。微分控制规律的数学表达式为：微分控制规律的数学表达式为：33

9、当输入偏差信号为幅值当输入偏差信号为幅值 A 的阶跃变化时，微分控制的阶跃变化时，微分控制特性响应曲线如图所示。特性响应曲线如图所示。34实际上的工业控制器实际上的工业控制器采用的都是采用一种近采用的都是采用一种近似的微分作用，它在阶似的微分作用，它在阶跃输入作用下的开环响跃输入作用下的开环响应特性如图所示。应特性如图所示。在阶跃输入的瞬间，在阶跃输入的瞬间，输出突然升到一个较大输出突然升到一个较大的值，然后按指数规律的值，然后按指数规律衰减至零。衰减至零。变化特性可用下面的变化特性可用下面的数学表达式描述：数学表达式描述：35微分控制规律的特点：微分控制规律的特点：o微分作用是依据偏差的变化

10、速度来进行控制，偏差变化微分作用是依据偏差的变化速度来进行控制，偏差变化速度越大，控制器输出越大。对固定不变的偏差，控制速度越大，控制器输出越大。对固定不变的偏差，控制器输出为零。器输出为零。o由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有提高控制系统稳定性的作用。提高控制系统稳定性的作用。o不能消除余差。不能消除余差。o微分控制规律一般不单独使用。微分控制规律一般不单独使用。362比例微分控制规律比例微分控制规律o理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：p当输入偏差信号为幅值A 的阶跃变化时，实际比例微分控制开环输出响应特性如图所示。37五、

11、比例积分微分控制五、比例积分微分控制o比例积分微分控制规律是由比例、积分和微分三种控制作用组合而成，一般用字母 PID 表示。o理想的比例积分微分控制规律的数学表达式为：38PID39PID控制特点：控制特点：p比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。p由于在由于在 PID 控制器中，比例度控制器中，比例度、积分时间、积分时间 Ti，和微分，和微分时间时间 TD 三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择的合适，就可以获得良好的控制质量。的合适，就可以获得良好的控制质量。pPID控制选用通用的

12、控制器，可实现三作用控制规律。控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制器制器40模拟式调节器模拟式调节器数字式调节器数字式调节器可编程控制器可编程控制器控制仪表控制仪表DDZ-型调节器型调节器KMM可编程调节器可编程调节器41一、主要功能p接收信号：1-5V DC信号。p实现偏差检测：将接收信号与给定值信号进行比

13、较，得到偏差信号。pPID计算：将偏差信号进行PID运算，产生相应的4-20mA控制信号。p具备相应值的指示功能。4-2 DDZ-型调节器型调节器42二、构成原理由两大部分由两大部分构成构成43控制单元：由自动操作和手动操作组成。控制单元：由自动操作和手动操作组成。44控制单元的内外给定值功能：控制单元的内外给定值功能：45控制器的正反作用功能：控制器的正反作用功能：4647一、构成4-3 KMM可编程调节器可编程调节器硬件部分：硬件部分：p主机部分主机部分p模拟量输入模拟量输入-输出通道输出通道p数字量输入数字量输入-输出通道输出通道p通信接口通信接口p正面板，侧面板正面板，侧面板软件部分：

14、软件部分：p系统程序和用户程序系统程序和用户程序4849KMM正面板上控制方式选择:o手动方式（M）o自动方式（A）o串级方式（C)5051课程小结过程控制仪表：过程控制仪表：o了解位式控制规律。了解位式控制规律。o掌握掌握PID三种基本控制规律、特点。三种基本控制规律、特点。o掌握理想掌握理想PID控制器的控制算式，控制器的控制算式，KP、TI、TD与控制输出的关系。与控制输出的关系。o掌握掌握DDZ-III调节器的特点及主要功能。调节器的特点及主要功能。o了解了解KMM可编程调节器特点。可编程调节器特点。52电信学院自动化系先进控制技术研究所电信学院自动化系先进控制技术研究所5354内容简

15、介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重

16、点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。第第3版版2010-07第第2版版出版日期：出版日期：2006-08-01 5455目录 第1篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过

17、程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题 第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温

18、度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计5556 3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表

19、3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过程控制仪表4.1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板 4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与发展4.4.2 可编程控制器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过

20、程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5.1 概述5.2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题5657 第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变量的选择6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质

21、量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问题的措施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级

22、控制系统的整定 7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均匀控制系统7.4.1 均匀控制问题的提出7.4.2 均匀控制的特点7.4.3 均匀控制系统的结构形式7.5 分程控制系统7.5.1 基本概念7.5.2 分程控制系统的应用场合7.6 选择性控制系统7.6.1 基本概念7.6.2 选择性控制系统的实例分析7.7 多冲量控制系统习题第8章 先进过程控制系统介绍8.1 软测量技术8.1.1 辅助变量的选择8.1.2 数据采集与处理8.1.3 软测量模型的建立8.

23、1.4 模型校正8.2 时滞补偿控制8.2.1 Smith预估补偿控制8.2.2 控制实施中的若干问题5758 8.3 解耦控制8.3.1 耦合现象的影响及分析8.3.2 解耦控制8.4 预测控制8.4.1 预测控制的基本原理8.4.2 预测控制工业应用8.5 自适应控制8.5.1 自校正控制系统8.5.2 模型参考自适应控制系统8.6 推断控制8.7 模糊控制8.7.1 模糊控制的特点8.7.2 模糊控制的结构8.8 神经网络控制8.8.1 神经元模型8.8.2 人工神经网络厂8.8.3 神经网络在控制中的应用8.9 故障诊断与容错控制8.9.1 故障检测与诊断8.9.2 容错控制习题 第4

24、篇 计算机控制系统 第9章 计算机控制系统基础9.1 概述9.2 系统的硬件组成9.3 系统的软件组成9.3.1 过程检测9.3.2 过程控制9.3.3 组态软件习题 第10章 常用计算机控制系统介绍10.1 概述 10.1.1 数据采集系统10.1.2 操作指导控制系统10.1.3 直接数字控制系统10.1.4 监督计算机控制系统10.2 工业控制计算机10.2.1 结构组成10.2.2 功能特点10.3 分散控制系统10.3.1 结构组成 附录1 典型单元操作控制方案示例F1.1 化学反应器的控制F1.1.1 反应器的基本控制方案F1.1.2 反应器的新型控制方案F1.2 精馏塔的控制F1.2.1 精馏塔的基本控制方案F1.2.2 精馏塔的前馈、串级、比值、均匀控制F1.2.3 精馏塔的节能控制10.3.2 功能特点10.3.3 应用举例10.4 现场总线控制系统10.4.1 结构组成10.4 功能特点10.4.3 应用举例习题F1.3 泵和压缩机的控制F1.3.1 泵的控制方案F1.3.2 压缩机的控制方案F1.3.3 压缩机的串、并联运行F1.4 燃烧过程的控制 附录2 分度表F2.1 热电偶分度表F2.2 热电阻分度表 参考文献 58