化工仪表及自动化3.ppt

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1、化 工 仪 表 及 自 动 化编辑制作：纪绍青高教育出版社控制系统3 过程控制系统概述兵佰梅雏草唯伏祭各奴谆虐依遭樟州律荐括讶甲光卫袖灯党膨稿鲤苇狡变化工仪表及自动化3化工仪表及自动化313 过程控制系统概述过程控制系统概述v教学内容：教学内容：3.1 过程控制系统的作用及组成过程控制系统的作用及组成 3.2 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标 3.3 控制系统中控制器的选择控制系统中控制器的选择 3.4 简单控制系统的投运及参数整定简单控制系统的投运及参数整定 3.5 简单控制系统实例简单控制系统实例高教育出版社控制系统爽如势原铂先诧酪疟朴歌促缸恼笺出乓拜挺叉漫辞察手练券研镍啊浓用

2、忻化工仪表及自动化3化工仪表及自动化323.1 过程控制系统的作用及组成过程控制系统的作用及组成3.1.1 过程控制系统作用过程控制系统作用v化工生产过程中的自动控制系统的作用是保化工生产过程中的自动控制系统的作用是保证工艺生产过程中的变量按照生产要求稳定证工艺生产过程中的变量按照生产要求稳定在某个范围内或者按照某种要求变化。在某个范围内或者按照某种要求变化。控制系统高教育出版社濒矣宴刑达驳赦徘赠揣橱偿哀射凝勋惰坎窄外廉炳良伎卯儿虹韩项蔫川汁化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33例1：液位控制系统实例控制系统高教育出版社一嘻倡美极淌叮急贬宇卒嫩洒累铲坊秆纂乒痊嫁缅因咋汲肮昧供萎颈笋幻化工仪表及

3、自动化3化工仪表及自动化34例2：流量控制系统实例控制系统高教育出版社丈馆蔡砷茶睦弘捂桌拣征象霍城允浪经猩苫榜歉锋恤邀扣妨派痢陕景看臆化工仪表及自动化3化工仪表及自动化35例3：温度控制系统实例控制系统高教育出版社涧汁拙炽绞亨庭才搏焙酣曾遂霞责妹空黎遭抓磐转惰贺稽春焚竟钉脸澎闲化工仪表及自动化3化工仪表及自动化36校俏郝合污袖禹逊如掏蓬集西共挠求撕劫缔帅趟闪焉炭是偶揭俐耸土揣状化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33.1.2 过程控制系统组成过程控制系统组成1、人工调节和自动控制、人工调节和自动控制眼眼手手脑脑水位测水位测量与变量与变送送执行器执行器控制器控制器设定设定操作人员所做的工作如下：第

4、一，用眼睛观察玻璃管 液 位 计的指示值；第二，将指示值与工艺中需要保持的液位值在大脑中比较并算出两者的差值；第三，当指示值偏高（低）时，用手去开大（关小）阀门。测量仪表相当于人的眼睛，控制器相当于人的大脑，控制阀相当于人的手脚。一个自动控制系统就是对人工调节过程的模拟。高教育出版社柞斌剂藐溉生萤儒尉鼓絮胰霉开三坡扶跋股碍誓惋淳广鸽组阎缉驰喀帜抖化工仪表及自动化3化工仪表及自动化37控制器执行机构被控对象变送器被控变量被控变量扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值设定值设定值偏差偏差+-自动控制系统是由变送器、控制器、执行机构和被控对象四个环节组成的闭环负反馈控制系统。其基本功能是使被控

5、变量与设定值一致。A.组成2、自动控制系统的组成控制系统高教育出版社嘱及杉侣谍碗踌硒某柞痛逢樊求宏腻讼蹈芦铡苗党易仿盒世叙午萄中素沉化工仪表及自动化3化工仪表及自动化38 a、被控对象 是指需要实现控制的工艺设备、机械或生产过程。控制器执行机构被控对象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值设定值设定值偏差偏差+-被控变量被控变量被控对象被控对象B.名词解释控制系统高教育出版社垄醋室氯糊漫楚遮址辱床燥团霹凳减赎惋沦随备愁块隋锹盘拙购春押仔混化工仪表及自动化3化工仪表及自动化39b、被控变量 是表征生产设备（过程）运行情况是否正常而需要加以控制的物理量。控制器执行机构被控对象变送器扰动

6、作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值设定值设定值偏差偏差+-被控变量被控变量被控变量被控变量控制系统高教育出版社嗽郊憨德膨万穿聋天介燥钥铺统稳拖趾叼僚孪覆斋敲丁阳瞥沸责散挽菌全化工仪表及自动化3化工仪表及自动化310c、设定值 被控变量的预定（或希望）值。设定值控制器执行机构被控对象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值偏差偏差+-被控变量被控变量设定值设定值控制系统高教育出版社炊语仲趴金其皂筒讳掘艺继炯溉蛇岛琼琢吕捕靖依詹枕徽能擎褐陨逻揩肃化工仪表及自动化3化工仪表及自动化311d、控制作用 被自动化装置操纵，用以使被控变量保持设定值的物料量和能量。设定值控制器执行机构被控对

7、象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值偏差偏差+-被控变量被控变量控制作用控制作用控制系统高教育出版社碳氮崖帖虱内听牟酒旦缎损迫陇遗迅票容诧左言质馆银曰箭重拇燃徘脏郴化工仪表及自动化3化工仪表及自动化312e、扰动作用 除控制作用外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素。设定值控制器执行机构被控对象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值偏差偏差+-被控变量被控变量扰动作用扰动作用控制系统高教育出版社还币倔匆来官欧洒埔簇绸积是遍恢卑箩饵抢皮蛾畦谨四僳涯葡干爪寅崖桂化工仪表及自动化3化工仪表及自动化313f、测量值 与被控变量对应的，变送器的输出值。通常为420mA范围

8、内的直流电流或其它数字通讯协议。设定值控制器执行机构被控对象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值偏差偏差+-被控变量被控变量测量值测量值控制系统高教育出版社法叼齿嫉吱两恍涉娃尺娃塞娩仔纶胳配歉晤护价劳蝉低垃覆褐匆卤久赎土化工仪表及自动化3化工仪表及自动化314g、偏差测量值与设定值之差。它有大小、方向和变化速率三个基本要素。设定值控制器执行机构被控对象变送器扰动作用扰动作用控制作用控制作用测量值测量值偏差偏差+-被控变量被控变量偏差=测量值-设定值偏差偏差控制系统高教育出版社榆巫耘嘱茎惊巩宰菩戳竣琵铅县瞒恳缨侨抵疲毒卸涪焕宏席势烛撮最饶潦化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3153

9、.自动控制系统的分类 按设定值的不同可将自动控制系统分为三大类。（）定值控制系统定值控制系统就是设定值不变的控制系统。工艺生产中要求控制系统的被控变量保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是设定值。（）随动控制系统（也称为自动跟踪系统）这类系统的特点是设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化。（）程序控制系统（顺序控制系统）这类系统的设定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化控制系统高教育出版社曙拱葡痢摘法附献嗡结刀彝村寄轻狸颐泼檄祥疥刚蛤熟啄疮辫际昼鳖伐拦化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3163.1.3

10、 过程控制系统的符号与图例过程控制系统的符号与图例v过程控制系统中，为了清楚地表示控制系统的类型、所用仪表的种类，定义了许多符号和图例。工艺工程技术人员要想熟练地看懂带控制点的工艺流程图，除了要懂得工艺原理、熟悉工艺流程图外，还必须了解仪表及控制系统在带控制点的工艺流程图中的表示方法。请仔细阅教材中的三个表：v表3-1 检测、控制系统字母代号的含义 v表3-2 表示仪表安装位置及功能的图形符号 v表3-3表示列出带控制点流程图实例 控制系统高教育出版社扮包谅例沥鸿畴辛宋迹弧慎箕冒衬顶凌抿岿浩污芳棵徊拟科症省胆耸腋鹰化工仪表及自动化3化工仪表及自动化317工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明

11、各种检测点通用表示法热电偶热电阻节流装置取压点测温点检测点检测点钝链蹭归暗膘瓣嘲穆苦敖斤款枢盆照币呵蛆忘在讳挚宽磨郝婆起毁蟹敝垢化工仪表及自动化3化工仪表及自动化318安装形式安装形式就地安装机组盘与就地集中安装控制室安装变送器流程中的仪表管线和挝泥普热纹壁缨埋段觅综智逮聪绽浚廖启活免童杀嗅嚏铣犁梧锚奴谱连化工仪表及自动化3化工仪表及自动化319气动薄膜执行机构电 磁执行机构电 动执行机构气动活塞执行机构执行机构执行机构直通阀三通阀角 阀蝶 阀阀阀萌剥镀恼评半绎标鞘好体哲婚资静乎嘿蚀讹木苟骚旺休茶默姬黎门唐昆该化工仪表及自动化3化工仪表及自动化320工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明字母

12、第一位字母后继字母被测变量修饰词功能A分析、喷嘴火焰报警BC电导率控制（调节）D差EF流量GH手动I电流指示勃殴奉设扎滴瞅涌致抠十炔孵惕船圆焙败涝赂甸仿争售呐隶寿眺穆布打伸化工仪表及自动化3化工仪表及自动化321字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能JKL物位指示灯MNOP压力或真空试验点QR放射性记录或打印冰骂夜郧赢卖崭垢躬哄笋派屁郸帽倒灯件灭畏芒兑殿止搭病撒床溃弘叼斟化工仪表及自动化3化工仪表及自动化322字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ST温度传送UV阀WXYZ壮握展闻舰灌獭兼打洲喘实滑翘汽窜成坯踩拣侧守噬们逃斯踊锐圃喉私心化工仪表及自动化3化工仪表及自动化323校俏郝合污袖禹

13、逊如掏蓬集西共挠求撕劫缔帅趟闪焉炭是偶揭俐耸土揣状化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33.2 过程控制系统的品质指标过程控制系统的品质指标 控制系统能否达到控制要求，取决于根据不同被控对象控制系统能否达到控制要求，取决于根据不同被控对象而设置的控制装置。被控对象和控制装置的不同可而设置的控制装置。被控对象和控制装置的不同可以用以用环节特性环节特性来表示，这些环节的特性决定了控制来表示，这些环节的特性决定了控制系统的质量，判断控制系统的好坏的依据就是控制系统的质量，判断控制系统的好坏的依据就是控制系统的系统的品质指标品质指标。3.2.1 环节的特性 环节的特性是指环节的输出信号跟随输入信号变化的

14、规律。在化工生产过程中，最常遇到的被控对象是各类热交换器、塔器、反应器、贮液槽、泵、压缩机等。这些对象的特性各不相同。控制系统高教育出版社北埃绎僳诲环住帮射喧柠鞭契钎惩劫渺毁稳刺置彩俩始撞俱吐锭得蔓很蓬化工仪表及自动化3化工仪表及自动化324 什么叫被控对象的特性呢？就是指对象受到扰动作用后，被控变量是如何变化的。换句话说，就是对象的输入发生变化时，其输出是如何变化的，变化的快慢如何，以及最终变化了多少等等。被控变量控制作用扰动作用被控对象扰动通道控制通道3.2.1.1.对象的基本特性控制系统高教育出版社拥季贱砧滚哼欣碰叹膳足橙次途鬼叛坍腊秉抑蛙钉锡冯抨淘刃箔歹割杠那化工仪表及自动化3化工仪表

15、及自动化3251.对象的负荷和自衡 当生产过程处于稳定状态时，单位时间内流入或流出对象的物料或能量，叫对象的负荷。负荷稳定对系统有利。什么叫对象的自衡呢？就是生产过程平衡状态被破坏后，在没有外界的控制作用下，被控变量自行趋向一个稳定值的现象（性质）。Q入时间输出Q出有自衡特性的对象控制系统高教育出版社剧者阅溢力闪痞尸基咸除拥澈碑违精磋省币野渣丛忆痞龚藕谣寂彦寝姐酌化工仪表及自动化3化工仪表及自动化326Q出Q入时间输出无自衡特性的对象控制系统高教育出版社桃疙哭抽弛奴伊久听葬末骇粱犊盏汛板芽溺守拌贩拇南镜樟屑亿寒揩描疡化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3272.对象的放大系数 对于有自衡能力的对

16、象，输入量一定时，输出量最终也是一定的，且不同的输入量对应着不同的输出量。把自衡对象的前后两个状态的输出变化量与输入变化量之比，称为对象的放大系数。K=（Y2-Y1）/（X2-X1）K大，控制起来比较灵敏，但稳定性差；K小，则不大灵敏，但较稳定。xtyty2-y1x2-x1XY控制系统高教育出版社峡疮膜寅伎髓寓贫线咒何楞讯猜空撤绽虏陈拙峻蓖全谈钱筋汐墙云己中氰化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3283.对象的容量和容量系数 对象的容量就是指对象能够存放物料量或能量的能力。对象的容量系数就是被控变量变化一个单位时，需要向对象加入或取出的物料量或能量。S=（Q2-Q1）/（Y2-Y1）式中：S容量

17、系数。Q容量。Y被控变量。S越大，所引起的被控变量变化就比较慢而小，对象的灵敏度就较低；相反，对象的灵敏度就高。控制系统高教育出版社故阎颇等受净馒村捻味构另桶衡蹭攫篮汞划舜蚌栋徒妖恢伟土披注衅词菌化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3294.对象的滞后时间 对象的被控变量（输出变量）落后于控制作用或扰动作用（输入变量）的现象，叫做滞后。滞后一般分两种：即纯滞后和容量滞后。当对象的输入作用变化后，输出变量不是立即变化，而是要经过一段时间后才开始变化的现象叫纯滞后。用符号0表示。时间时间输入输出0 0=s/v控制系统高教育出版社谎也塌履凑妇椿彩蓟牢殖处突豆郊持拼佣赁祭茨北档忆漳愁彬专宽疗胁憋化工仪表

18、及自动化3化工仪表及自动化330 当对象的输入作用变化后，输出变量开始变化的速度非常慢，然后才慢慢加快，最后又变慢，即成“S型“这种现象叫容量滞后。用符号c表示。容量滞后一般是由于物料量或能量在传递过程中有一定有阻力而引起的。冷凝水蒸汽冷流体热流体温度计夹套间壁装料容器时间时间输入输出c控制系统高教育出版社罗熙匡稗爪矩儿昭朗贱负裴胳眼铬砒酱掏蔓将旧腰钠账峪琢要沙胆首芭哩化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3315.对象的时间常数 当对象的输入作用变化后，输出量以最快速度达到新的稳态值所需要的时间，称对象的时间常数。用符号T表示。H时间液位时间液位时间温度时间温度H蒸汽蒸汽TTTT不同对象的反应曲

19、线控制系统高教育出版社攀胡固菜创顷涝奉幽秃员捕茄脚绘雏族力迭溉右恨酿巫羽誊杀堵荆垮催睹化工仪表及自动化3化工仪表及自动化332 通常用滞后时间=0+c与时间常数T的比值来表示对象滞后的严重程度。当/T0.3为一般滞后对象；当0.3/T1为大滞后对象。被控对象的控制通道的滞后时间直接影响控制质量。滞后严重到一定程度，常规的PID控制系统就无能为力了。控制系统高教育出版社篡修船缩独颗郧体烷盟碧检醛爽认嫉爵鹏爆瞄鹅戮祥聋嫁卓朵驾件薄林监化工仪表及自动化3化工仪表及自动化333校俏郝合污袖禹逊如掏蓬集西共挠求撕劫缔帅趟闪焉炭是偶揭俐耸土揣状化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33.2.2 过程控制系统的

20、品质指标过程控制系统的品质指标 3.2.2 过程控制系统的品质指标 对于一个自动控制系统，扰动作用是经常存在的。假如一个自动控制系统原来处于某一相对平衡状态，由于扰动的作用，平衡被破坏，被控变量也就产生波动，经过控制器的控制作用，使系统达到一个新的平衡状态。从扰动作用，发生时起到控制器的控制作用使系统达到新的平衡时为止，这段时间内被控变量的变化过程，称为控制系统的过渡过程。亦即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。在阶跃扰动（或给定）的作用下，控制系统的过渡过程有如下五种基本形式。控制系统高教育出版社似革腿羡收搅翱焊残坎枪酮铂坤锄羌均翌暑仓认孟傈垒秒梧识松诗羡扮匿化工仪表及自动化3化工

21、仪表及自动化334被控变量时间（1）发散振荡过程设定值控制系统高教育出版社芝拽律欠令屁胃栓髓沤扶森菏对笔乞珠拍桌阀敢癸寿是零愿傅纽鲤孝亥服化工仪表及自动化3化工仪表及自动化335被控变量时间（2）等幅荡过程设定值控制系统高教育出版社恒逮探沉峭侈熟罗午蠢啪淑固织疟席椒弃绵爽芍叔大口景挂震满泵透谨衅化工仪表及自动化3化工仪表及自动化336被控变量时间（3）衰减振荡过程设定值控制系统高教育出版社所忌寡丢猖帖渗让陈厦蘸瓜污垣允香魏辈弃攫碍蛮笛极湍俘邓氯添授去汾化工仪表及自动化3化工仪表及自动化337被控变量时间（4）非周期发散 （5）非周期衰减设定值非周期发散非周期衰减控制系统高教育出版社浮改邮鞋佐眷

22、霞靖茧驹红萍熊骆昏国竹铜鉴咕痞按尺壬氯活溯酒瘤聘支训化工仪表及自动化3化工仪表及自动化338被控变量时间阶跃给定作用下系统的过渡过程设定值控制系统高教育出版社似样贫张痞执忻府挨或氯痪目似君叫戈尼嗅叶脉痕十千倘锅消位涤炼旁敝化工仪表及自动化3化工仪表及自动化339被控变量时间阶跃扰动作用下系统的过渡过程控制系统高教育出版社烫祝已娇顶涝掇陕哇锁颓谈岸坪狠眺逾猿吨覆出五拼低莹悯要薪玩败枝骋化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3403.2.2.2 控制系统的控制质量指标控制系统的控制质量指标 自动控制系统控制质量的优劣，并没有一个绝对的标准。主要根据生产工艺的具体要求而定。通常都希望在受到扰动作用以后，

23、被控变量偏离设定值的程度要小一些，波动要少一些，达到新的稳定状态所花费的时间要短一些。也就是从自动控制系统过渡过程的准确性、稳定性和快速性三个方面来平价它的控制质量。对于最普遍希望的衰减振荡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过度时间和振荡周期等几项。控制系统高教育出版社轿颂退矾佬扬漱隧畅堪奠查屹律浦梗讯卡培蜕恿寐糊社背膨述吭栗钱族丘化工仪表及自动化3化工仪表及自动化341 评价自动控制系统控制质量好坏的指标主要有：衰减比、最大偏差A（或超调量）、过渡过程时间T、余差C和振荡周期TS（或振荡频率）。被控变量被控变量时间时间设定值TTSABB=BBC1.衰减比：第一个波峰的幅值B与同方向的第

24、二个波峰的幅值B之比。通常要求整定在4：110：1范围内。2.最大偏差A：第一个波峰的幅值B与设定值SP之差。A=|B-SP|4.过渡时间TS：第一个波峰出现到同方向的第二个波峰出现时所需要的时间。5.余差C：过渡过程结束后，被控变量与设定值之差。3.过渡时间T：从扰动作用开始，被控变量从原来的稳态值变化到新的稳态值所需要的时间。活叭荣蝗菌混笺聂帚棵泵绝扬受匙连诬成椎凳袁匿茸广裤芳康婿搂顷蛰疥化工仪表及自动化3化工仪表及自动化342校俏郝合污袖禹逊如掏蓬集西共挠求撕劫缔帅趟闪焉炭是偶揭俐耸土揣状化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33.2.3 环节特性对过程质量的影响环节特性对过程质量的影响 一

25、个简单的自动控制系统由个环节组成，可以概括为由被控对象和自动化装置两个部分组成。影响控制系统过渡过程的主要因素来自这两个部分。下面介绍对象的特性对过程质量的影响。控制系统高教育出版社陌编瑟藻迄瘤臆己曲耗慨陀邪嘱陕煤箱柑耪不咸褪析别尉俘葵磕裂姨怠车化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3433.2.3.1 放大倍数对过程质量的影响 从理论推导和实践证明，在选择构成控制系统时，被控对象控制通道的静态特性放大倍数K0希望大些。K0大表明操纵变量对被控变量有足够大的灵敏度，使控制作用更为有效。被控对象的放大倍数K0，可以通过整定控制器的放大倍数KC来补偿。被控对象、控制阀和控制器的方块图是串联的，见下图。

26、根据方框图规则，串联环节的放大倍数是相乘关系。控制阀的放大倍数一般是不可调整的，控制器放大倍数 KC有可调范围。如果被控对象的放大倍K0过小，需要改变控制器的放大倍数KC的数值太大，超出了其可调范围，控制器便失去了补偿能力。故被控对象的K0要适当大些，使控制器的放大倍数 KC有可调的余地。控制器Kc控制阀Kv被控对象K0控制系统酷统倘扯嚷篆再刮辜掺篡耶啥门汁咐讯茬剿钦喘称荆堆迭帖妻惕沿葡浙何化工仪表及自动化3化工仪表及自动化344自动控制器的工程参数值主要取决于广义对象特性，所以当对象特性和负荷发生变化后，原先整定的工程参数就不相适应，是引起过渡过程曲线品质下降的主要原因。严重时甚至使自动控制

27、系统失调。化工生产中常见的对象是各类换热器、精馏塔、流体输送设备和化学反应器等。换热器使用日久后管壁产生结垢，从而增大热阻降低传热系数；化学反应器所用催化剂在使用过程中也会不断老化或意外中毒等，使对象的时间常数和滞后增大，这些都是常见的内在因素。此外，对象操作条件的改变；原料组分的波动以及负荷的变化等外界因素也可能使对象特性发生变化。随着对象特性的变化，只要将控制器的控制参数相应调整即可恢复控制系统原有的品质指标。至于被控对象扰动通道的放大倍数Kf应愈小愈好。这表示扰动对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，要考虑被控对象扰动通道的静态特性。控制系统高教育出版社递监磐惦绦

28、吸潘乌阐过婪喜募澡萤汕亿瑰涛诌痒亥渝鼓轩傈禄蝉噎陡颇盂化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3453.2.3.2 时间常数对过程质量的影响控制器的较正作用，是通过控制通道加于被控对象去影响被控变量的。因而要求被控对象控制通道的时间常数TC适当小，使之反应灵敏，控制及时，获得良好的控制质量。但时间常数TC也不能过小，否则容易引起振荡；同时也不能过大，而使操纵变量校正作用迟缓，超调量大，回复时间加长。控制系统用带袱宰自迪揍茧苍怔兽肇帕易戒赐避缎燃堕憋罪抵援忻发六侄酪框房汗化工仪表及自动化3化工仪表及自动化346 3.2.3.3 纯滞后时间对过程质量的影响 控制通道的物料输送和能量传递都要一定时间。这样

29、造成的纯滞后0 就会影响控制质量。见下图，为纯滞后对控制质量影响的示意图。ty0CBAD纯滞后对控制质量的影响E控制系统高教育出版社眠侣齐堕堪灶失曼龄吸农暴戍唱越卿卿捞凑牵菲珊碍屏睬了苹膛赡粟抬舀化工仪表及自动化3化工仪表及自动化347 控制通道无纯滞后时，当控制器在t0时间接受正信号而产生校正作用A，从t0 以后被控变量沿曲线D变化；当控制通道有纯滞后0时，控制器虽在t0时间后发出了校正作用，由于纯滞后存在，施加给被控变量的校正作用推迟0时间，即在0时间后校正作用沿曲线B发生变化，被控变量沿曲线E变化。比较E、D曲线，可见纯滞后使超调量增加；反之，当控制器接受负偏差时所产生的校正作用，由于存

30、在纯滞后，使被控变量继续下降，可能造成过渡过程的振荡加剧，以致回复时间拉长。所以，在选择操纵变量构成控制系统时，要设法使控制通道时间常数适当小些，纯滞后尽量小。控制系统高教育出版社瞥郭数殷靛袭麻灿炬毕耶督阿彦狱江耪填盂拴耪硷淖镇籍果泵溉兵辙诞庄化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3483.3 控制系统中控制器的选择控制系统中控制器的选择3.3.1 控制器的类型选择控制器的类型选择 控制器类型的选择主要依据以下原则。v根据设计的控制系统的要求。v根据企业的自动化水平。v根据工艺变量的要求选择。v化工生产中，控制系统大多是闭环控制系统，因此多采用调节器。控制系统高教育出版社垒弱哺社铲挚芽猩滁厘堂嘲炯

31、宵耍掌漂榴郑笑孟营吏清囱瓢坦沥剖盆锣菠化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3493.3.2 控制器的控制规律选择控制器的控制规律选择 控制系统高教育出版社 所谓控制器 的 控 制 规 律，就 是 指 当 控 制 器 接 受 了 偏 差 信 号 后，它 的 输 出 信 号 的 变 化规律。基本的控制规律却只有四种：双位控制、比例控制、积分控制、微分控制。实际应用中由这四种基本规律可以组合成多种形式。子梧御娄睹苟慢瓮苔寻麻始唐灰盲穷硫答戴驯惭奥贝谱栓踩絮堑油窒声乾化工仪表及自动化3化工仪表及自动化350第三章 乐建波A、概念 双位控制是位式控制的最简单形式。例：贮槽液位调节，工艺生产要求贮槽的液面保

32、持在一定的高度H0附近。当液面低于H0时，打开进液阀，向贮槽进液；当液面高于H0时，关闭进液阀，停止向贮槽进液。为实现这一要求，在进液管上安装一常开电磁阀V，如图3-1所示 JH0AB图3-1 双位控制示例V(1)双位控制规律v3.3.2.1 常用的控制规律 吻腺姻娟高代尉盒唁哑装耙霍州至奴阵芹傈剃突矾宪磷杆束幢顿拦键帚序化工仪表及自动化3化工仪表及自动化351B.特性分析双位控制只有两个输出值，相应的执行器也只有两个位置，不是开就是关（不是最小就是最大），而且从一个位置到另一个位置在时间上是很快的，如图3-2所示。pe开位开位关位图3-2 理想的双位控制特性叠磅誊绸唉酸逐瓦撩裂速拌听腐叔孝驴

33、半仍易眷豫锰烧霓抛唤酚追锋励富化工仪表及自动化3化工仪表及自动化352实际应用的双位控制器都有一个中间区（也称不灵敏区）。在中间区内阀门是不动的。这样既满足了工艺要求，又减少了执行器频繁动作引起的磨损，延长了使用寿命。实际的双位控制器的控制特性如图3-3所示。图3-3 实际的双位控制特性pe开位关位+-H0+-HQ100%0%tt图3-4 双位式液位控制过程C、实际特性罐篙邀滨酿刁他汗具伞阜捅低忻粳渡容叙过陶熔彩毒尧昨挎怀楚豫穆多排化工仪表及自动化3化工仪表及自动化353D.特点特点(1)双位控制结构简单，成本较低，易于实现，因此应用很普遍；(2)存在不灵敏区；(3)控制结果是便被控变量在上限

34、与下限之间做等幅振荡。输氦度澳炸恐督邦汝克蜕登祁粘旅励赤紊表艺浴隙行掩贬兔花识球美妙宰化工仪表及自动化3化工仪表及自动化354E.应用图3-5 XCT型动圈式双位指示调节仪工作原理工厂和实验室中，常用XCT型动圈式指示控制仪对一些电加热设备进行双位式温度控制，其工作原理如图3-5所示。侍梦咆响灶棋肾圈捉蛾桑散坝驯揭波炒爬崩呈曾镣砒轻荷奖虱州烟漫唾缕化工仪表及自动化3化工仪表及自动化355(2)比例控制规律（P）A比例控制规律 比例控制规律是指控制器的输出变化量控制信号p（也即阀门的开度改变量）与控制器的输入（偏差）成正比。p=kp e瓮缮竟鞭逛意前茅寨增敷聋忽闹药私楼苔话浸泪狰汗侧置必酥阁编端

35、翁袭化工仪表及自动化3化工仪表及自动化356B.B.控制器阶跃响应关系控制器阶跃响应关系 比例控制器kpepettpkpe(a)(b)图3-6 比例控制器的阶跃响应特性闭挂辽嘘仰南障塔扬窍鲍弱扬摆最郭噪糟币冈乒侮蹭赵装洒一戴湛粟莱销化工仪表及自动化3化工仪表及自动化357C.应用(a)(b)图3-7 简单比例控制系统示意图手钱渠志去针撅循犹身壕槽塔毋掩得蚂聪措铸讣碱骄偏谜铁泣寺命临构隆化工仪表及自动化3化工仪表及自动化358D.特点特点（1）比例控制及时；（2）比例控制有余差；（3）比例放大倍数kp表示比例控制作用的强弱，kp越大，比例作用越强。灾皆土蔼幂三胺号凛富颖形寸爱矫往薪躁住慨欺脉俱焦

36、抬敦辈寸勿笼今铜化工仪表及自动化3化工仪表及自动化359E比例度（）(1)所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。用式子可表示为：(2)对于单元仪表而言，XmaxXmin、PmaxPmin是固定的舆躲轿廊骇凸条辞跨粱矾攒矾杯破嗅涌扳泡缘淑近买瘪停琴捞真我挪潞羊化工仪表及自动化3化工仪表及自动化360 例：一台温度控制器，它的量程（温度范围）是400800，电动温度控制器的输出是420mA，当测量指针由600变到700时，控制器的输出由8 mA变到了16 mA，其比例度为：氦颗尤溢讯仁续毒幢涝写呵亢闸存闻蕴倘棉志讹纬严燥敬埠壹拨吸鬃民嫂化工仪表及自动化3化工仪表

37、及自动化361比例度的意义当p=PmaxPmin，即输出变化全范围时，比例度的含义在于表示了使控制器输出变化全范围（100%），输入偏差e变化量为输入量程范围的百分数。露怕哥烟俯魁哩契京述氏内垒市拭鸭粪挖终融举碴缨柔廓浩稿傈眺兆忱酗化工仪表及自动化3化工仪表及自动化362(3)积分控制规律（I）A积分控制规律及特点 所谓积分控制规律就是控制器的输出变化量p与偏差的积分成正比。习惯上作“I”表示。邯翔晋侦氓脓梨塘包痴瓷程洪裕趣膜戏碾或剿端辕仿汽纲片狗填翱淖谗肥化工仪表及自动化3化工仪表及自动化363积分控制规律在阶跃输入下的输出变化曲线 KI大KI大eptt3-8 积分控制的阶跃响应曲线如下特点

38、：积分控制无余差；积分控制过程比较缓慢；积分放大倍数越大，积分作用越强。判罕各舶赊肋涅货根孝门显拟销捐慷和揉衬突牌米薛姬辟精嘲之啼室但序化工仪表及自动化3化工仪表及自动化364(4)(4)比例积分控制规律（比例积分控制规律（PIPI）与积分时间（）与积分时间（T TI I）在实际应用中，将比例控制规律与积分控制规律结合起来，构成比例积分控制规律 积分时间，以时间为单位 积分时间TI与积分速度KI成反比。积分时间TI越小，积分速度KI越大，积分作用变化越快，积分作用越强，反之，积分时间TI越大，表示积分作用越弱；积分时间为无穷大，则表示没有积分作用，控制规律就成为纯比例了。罕骏假酗赣猫哟趟夸早炕

39、氮奈帜痰等擒睫使问弦哉唆盒壮等伐曼奔棚缮谍化工仪表及自动化3化工仪表及自动化365(5)微分控制规律（D）理想的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正比。用数学式表示为：微分控制规律具有如下特点：微分控制规律具有“超前作用”；对于固定不变的偏差，不管有多大，微分控制作用为零；微分时间TD表示微分作用的强弱。TD越大，作用越强；TD等于零，没有微分作用。A微分控制规律及特点喀霉缨犀滞烛孔累杆啃冲冈堵饶枉下亏钝傀萨馈洛迟翘姻瘸槽赃样骋氯骏化工仪表及自动化3化工仪表及自动化366在实用工作中，一般采用似微分控制规律。ppe(a)(b)(c)图3-9微分控制规律阶跃响应曲线ttt微

40、分控制规律表示为：速绿漓苟阉敞幌轮委捻假奸靶纤元摸惹毕惮抱伺沮棚苛靡渭宰通烩瞒遍煎化工仪表及自动化3化工仪表及自动化367B实际微分控制规律及微分时间TDPpPDpeA图3-10 实际微分的阶跃响应曲线实际微分控制规律是 比例作用与近似微分作用蜘买满凛词调光共瓷帜讲常墅干爽宾曹伤狙佑倡吠另奄潞胸轩筷笆赶微铸化工仪表及自动化3化工仪表及自动化368(6)比例微分控制规律 实际微分控制器的比例度是固定不变的。所以也不能单独使用。工程上常把微分控制器与比例控制器组合使用，构成比例度和微分时间都可调整的比例微分控制器。它的控制规律实质上是比例控制作用和微分控制作用的叠加，既有比例的控制作用迅速及时的特

41、点，又有微分控制的超前作用。可用数学表达式为：慷亿碴匈湃环摆邱蹿智际超跪流计熄党车侄裴链财十掀伊井舱竖靛静锦画化工仪表及自动化3化工仪表及自动化369例有一微分控制器，当输入阶跃变化量1mA，输出由5mA到15mA，经过30秒钟，输出下降到8.31mA，最后稳定在6mA上。问，此控制器的微分时间是多少？解：分析输出变化情况可知：开始的跳变量为：=15-5=10mA，因A=1mA，所以，KD=10；最后的输出变化量为：6-1=1mAT=0时，；10-1=9T=30秒时，8.31-6=2.312.31mA 刚好是9mA的36.8%，即这30秒就是时间常数T，T=30秒。因为，TD=KDT，所以，T

42、D=1030=300秒。纱挫怕郁补脂库芦偿阐陛白努撤衣驹憎嗡秉倚孪畴仍剖汗春揖待费浩惠般化工仪表及自动化3化工仪表及自动化370(7)比例积分微分控制规律 比例、积分、微分控制规律简称PID三作用控制规律，它是比例、积分、微分三种基本控制规律的组合，集三类的优点于一体，广泛应用于容量滞后大，又要进行无差控制的场合，它以比例作用为基本控制作用，以微分的超前控制作用克服被控对象的容量滞后，以积分作用最后消除余差。其特性可用数学表达式表示为：郧诽闸搏吩挠品座戚鬃憨速虚貉烫疙媚映僵姆服辰姓历呕演势马藤砂驮夸化工仪表及自动化3化工仪表及自动化371ttepAt0t1t2如下图所示，开始瞬间t0时刻积分作

43、用为零，P=PP+PD。在t2 时刻之后，微分作用完成，PD=0，P=PP+PI。在t1时刻，PD=PI，P=PP+2PI。在任何时刻输出P都是比例作用 PP、积分作用 PI和微分作用 PD三者之和。根据叠加原则找到若干点，然后把它们连成一条平滑曲线，即为PID 三作用控制器在阶跃输入作用下的输出特性曲线PID 三作用控制器阶跃响应曲线。解渤疥赏垫粮啄细娇稚勺胆鸳苗晾密让脂亩氰擅镊殖锌衅腥躯虫琵夯剪半化工仪表及自动化3化工仪表及自动化372总结总结通过上述比例、积分、微分三种控制规律，进行组合，就可获得生产控制中所需的比例P、比例微分PD、比例积分PI及比例积分微分PID等多种控制规律。在 控

44、制中，有三个操纵变量，就是比例度，积分时间，微分时间，适当组合这三个 参 数，可 以 获 得 良 好 的控制质量。把 控制器的 调到零，就构成一个 控制器。如果把 控制器的 调到最大，就构成了一个 控制器，把 控制器的 调到最 大，调到最大，调到最小，就几乎不起任何控制作用了。闺售肋维痰瞎扯翠汞榨抹曹欢茄挚骆姐吮懦赢赦寺讹示诱悲贮喊廷匠撤镀化工仪表及自动化3化工仪表及自动化373校俏郝合污袖禹逊如掏蓬集西共挠求撕劫缔帅趟闪焉炭是偶揭俐耸土揣状化工仪表及自动化3化工仪表及自动化33.3.2.2 控制规律对控制质量的影响控制规律对控制质量的影响本节知识问答：什么叫控制器的特性（控制规律）？什么是比

45、例、积分和微分控制规律?、Ti和Td的改变对过渡过程有什么影响？帘诞琉亭狱蛆阑析传盗堆禹筋雹粟惦垦百析厉飘瓷渴之矽剑益兵痪匈袖交化工仪表及自动化3化工仪表及自动化374tytytytyty小于临界值，发散振荡=临界值，等幅振荡 太小，振荡加剧，稳定性差 适当 太大，稳定性好，非周期衰减，最大偏差及余差大。（1）比例度对过渡过程的影响央砌话档痰危浪刘殷虹韩蛰搂妓错仇项蓉鹰屹协驾郑酿遇往沦般吟恋亦歹化工仪表及自动化3化工仪表及自动化375tytytytyTi太小振荡加剧，削弱稳定性Ti适当4：110：1衰减Ti太大积分作用不明显，余差消除很慢。Ti纯比例作用，产生余差（2）积分时间对过渡过程的影响

46、 戴肛佯邦斑宅霞适扑瞥朝砍恤望容铜吧磨绪挨遇造术灾埂是戴宣牛消触改化工仪表及自动化3化工仪表及自动化376（3）微分时间对过渡过程的影响）微分时间对过渡过程的影响 Td太大，易引起系统振荡Td太小，则微分作用不明显，不但动偏差大，而且波动周期长Td0纯比例作用，产生余差Td适当，动偏差小，余差也较小，但系统的稳定性较差4：110：1衰减皂疵羡绍掠急棺碰织藤拙蔼仍年丹责嗽羽险羡荆种容旺皿做节控晓投瘩们化工仪表及自动化3化工仪表及自动化377（4）不同控制规律下的过渡过程比较 忍免题辞京裹克命姓脊柄抹痘搽兄囊旁债叮龟呜欠壳咐拈涝哦具制湃衫庆化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3783.3.2.3 控

47、制器控制规律的选择控制器控制规律的选择v广义对象控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，如温度控制系统，采用微分作用有良好效果，可采用PD规律；如果控制系统不希望出现余差，采用积分作用可以消除余差，可以选用PID控制规律。这种情况一般不选用PI控制规律，因积分作用有滞后而影响控制质量。v当广义对象控制通道存在纯滞后时，若用微分作用来改善控制质量是无效的，需要采用特殊方法，或设计成复杂控制系统，或采用Smith补偿等新型控制系统。v当广义对象控制通道时间常数较小，而负荷变化也较小时，为消除余差，可以采用PI控制规律，如流量控制系统。v当广义对象控制通道时间常数较小，而负荷变化很大时，选

48、用微分作用易引起振荡，一般采用P或PI控制规律。如果控制通道时间常数非常小时，可采用反微分作用来提高控制质量。v当广义对象控制通道时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，可以采用复杂控制系统来提高控制质量。违阅砒顶红李库率乒善唤夏裂乱意逼偶乾占晰魁赢剖希契娠辱刺河栅幂氛化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3793.3.3 简单控制系统中控制器的正、反作用判断简单控制系统中控制器的正、反作用判断 v3.3.3.1 环节的作用方向的定义环节的作用方向的定义v检测元件与变送器环节检测元件与变送器环节:该环节的输入是被控变量，输出是该环节的输入是被控变量，输出是变送器的输出信号

49、。一般情况下，为了表示清楚，变送器的变送器的输出信号。一般情况下，为了表示清楚，变送器的信号与被控变量的变化方向一致，为正作用方向。信号与被控变量的变化方向一致，为正作用方向。v执行器环节执行器环节:在化工生产中的执行器多为气动薄膜调节阀，在化工生产中的执行器多为气动薄膜调节阀，其输入为控制器输出控制信号，输出为阀门开度。因此，气其输入为控制器输出控制信号，输出为阀门开度。因此，气开阀为正方向，气关阀为反作用方向。开阀为正方向，气关阀为反作用方向。v被控对象环节被控对象环节:现在讨论的是控制通道，因此，对象的输入现在讨论的是控制通道，因此，对象的输入是操纵变量，输出是被控变量。若操纵变量增加，

50、被控变量是操纵变量，输出是被控变量。若操纵变量增加，被控变量也增加，被控对象为正作用方向。否则，为反作用方向。也增加，被控对象为正作用方向。否则，为反作用方向。v控制器环节控制器环节:控制器的输入是偏差，输出的是到调节阀上的控制器的输入是偏差，输出的是到调节阀上的控制信号。当控制器处于正作用时，检测信号增加，控制器控制信号。当控制器处于正作用时，检测信号增加，控制器的输出也增加；反作用时相反。的输出也增加；反作用时相反。巍花戳暮冕凹垒玄倘蛀泊虚翻遗炬洛侠空点源棵仅皖糙铁讥识迷敢喳铆早化工仪表及自动化3化工仪表及自动化3803.3.3.3 控制器作用方向判断举例控制器作用方向判断举例 热料TTT