自动控制基础

1、11试简述光导液位计的工作原理。12试简述雷达液位计的工作原理。13测压仪表按照其转换原理的不同可分为哪几类？14试简述弹簧管压力表的工作原理。15一般情况下，压力计的选择应考虑哪几个方面？16试简述如何正确安装压力计？17测量天然气流量仪表的种类有那些？目前我国使用最多的有那几种？18试简述节流式流量计的工作原理。19试简述椭圆齿轮流量计的工作原理。20试简述超声波流量计的工作原理。21试简述罗兹流量计的工作原理。22试简述刮板流量计的工作原理。第三章 自控技术基础知识第一节 概述教学内容：随着生产和科学技术的发展，自动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用越来越大。在工业生产中，自动控制

2、系统既用于提高产品质量，也用于提高产品的产量。例如，生产过程中对压力、温度、频率、转速等物理量的控制；造纸厂中纸张滚卷的恒张力控制；热轧厂中对金属板厚度的控制；在现代武器系统中，导弹制导系统控制导弹正确命中目标；惯性导航使人造卫星按预定轨迹运行；雷达跟踪系统控制火炮射击的高低和方位。在家用电器中自动控制技术品应用也越来越广，如用于温度控制的电冰箱、空调、洗衣机等。自动控制技术是人类进步的一个象征，控制技术使生产过程实现了自动化，极大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件。另外，自动控制技术不仅涉及传统的工程领域，也涉及社会、经济、环境生态、生物医学等各个非工程领域。自动控制技术是实现工业、

3、农业、科学技术和国防现化所必不可少的一门技术。一、 自动控制系统术语在本节内，将对控制系统中使用的一些术语作出定义。任何技术设备、机器和生产过程都必须按要求运行。例如，要想发电机正常供电，其输出电压必须保持恒定，尽量不受负荷变动的干扰；要想数控机床加工出高精度零件，其刀架的进给量必须准确地按照程序指令的设定值变化；要想热处理炉提供合格的产品，其炉温必须严格地按规定操纵等等。其中发电机、机床、热处理炉是工作的主体设备，而电压、进给量、炉温则是表征这些设备工况的关键参数，额定电压、设定进给量、规定的炉温就是在设备运行中对工况参数的具体要求。按照特定的要求操纵工况参数，即为机器设备运行的实质。（1）

4、对象一一将被操纵的机器设备称作受控对象，简称对象。设备是由一些器件组合而成。其作用是完成一个特定的动作。在本教材中，我们称被控制机器设备（如发电机、数控机床、加热炉、电动机等）为对象。将表征其工况的关键参数称作被控量，而将对这些工况参数所希望达到的值称作给定值（或希望值、参考输入）。（2）系统一一是一些部件的组合，它可以完成一定的任务。（3）扰动一一是一种对系统的输出量产生相反作用的因素。如果扰动来自于系统内部，则称为内扰动；来自于系统外部的扰动称为外扰动。（4）反馈控制一一在有扰动的情下，反馈控制有减小系统输出量与给定输入量之间偏差的作用。控制作用正是根据偏差而实现的。反馈控制仅仅是针对无法

5、预料的扰动而设计的，可以预料的或者是以知的扰动，可以用校正的方法解决。（5）随动系统一一是一种反馈控制系统。在这个系统中，输出量就是机械位移、速度或者加速度，因此，随动系统这个术语，与位置（或速度、加速度）控制系统是同义语。现代工业广泛地采用了随动系统。例如，采用程序指令的机床自动化操作等。 （6）自动调整系统是一种反馈控制系统。在这种系统中，给定输入量保持常量或者随时间变化。这种系统的基本任务，是在有扰动的情况下，使实际的输出量保持希望的数值。用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统。恒温器的温度给定值与室内的实际温度进行比较得到偏差。室外温度的变化量是该系统的扰动。自动调整系

6、统的任务，是保证所要求的室内温度不受室外温度（扰动）变化的影响。自动调整系统的例子还有很多，例如压力的自动控制、转速、电压、电流和频率等电量的自动控制都是自动调整系统。（7）闭环控制系统一一凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。闭环控制系统也就是反馈控制系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数）之差，称为偏差信号。偏差信号加到控制器上，使系统的输出量趋向给定的值。换句话说，“闭环”的含义就是应用反馈作用来减小系统的偏差。图3-1表示了闭环控制系统的输入量与输出量之间的关系，这种关系图叫做功能框图。图3-l 闭环控制系统 图3-2 开

7、环控制系统（8）开环控制系统一若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫开环控制系统。开环控制系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将它反馈到系统的输入端与输入量进行比较。图3-2表示了开环控制系统的输入量与输出量之间的关系。洗衣机就是开环控制系统的实例，它的浸湿、洗涤和漂清的过程是顺序进行的，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。由于开环控制系统中系统的输出量不与给定的输入量进行比较，因此，对应于每一个给定的输入量，便有一个固定的输出量与之对应，系统的精度只取决于系统校准的精度。当然，出现扰动时，开环控制系统就无法进行控制了。扰动使开环控制系统的输出量偏离期望值，而开环控制系统对此却

8、无能为力。如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰和外扰，则可采用开环控制系统。实际上任何控制系统或大或小都要受到内部或外部的干扰，所以开环控制系统较适宜于抗干扰能力强的数字控制系统。显然，开环控制系统不是反馈控制系统。二、自动控制系统分类自动控制系统有顺序（sequential）自动控制和反馈自动控制两种。顺序自动控制系统是开环系统，是执行预先给出的顺序命令，它可分为：（1）时间顺序控制一一顺序是按时间来编排的，当前一阶段控制动作结束，再经一定时间之后转移到下一动作。（2）条件顺序控制顺序根据前一阶段的控制结果，选定下一阶段所要完成的控制动作，并转到下一阶段工作。对于反馈自动控制，按

9、不同的角度有各种不同的分类方法，下面举出几种分类方法。1按参考输入量分类（1）恒值控制系统（control with fixed set-point）这种控制系统参考输人是一个恒定值，可维持被控量恒定的反馈控制。图1-7中当参考输人量恒定时，即使存在扰动的影响，仍可维持转速基本恒定，因此属于恒值控制系统。电力系统电压及频率的自动调节，工业生产中的温度、压力、流量、液位等参数的自动控制都是属于这类。（2）随动控制系统（follow-up control ）一个反馈控制系统，如其参考量变化规律为无法预先确定的时间函数，则其被控量能以一定的精度跟随参考量变化。这样的系统称为随动控制系统，简称随动系统

10、或伺服系统。随动系统中，被控量通常是机械位移、速度或加速度等。图1-5为一电位器随动系统图，其工作原理已如前所述。（3）程序控制系统（programmed control）这种控制系统参考量不为常值，但其变化规律是预先知道的和确定的。如热处理炉的温度调节，要求温度按一定的时间程序和规律变化（自动升温、保温及降温等）。2按被控量来分类从被控对象工艺过程的角度看来，大体可分为以下两大类。（1）一类是以机械运动为主要生产方式，以电动机为被控对象的“电力拖动自动控制系统”。其中包括恒值控制系统及随动控制系统。（2）另一类为工业生产过程自动控制简称过程控制（process control）。被控量是温度

11、、压力、流量、液位等所谓过程控制量。而所谓过程是指在某设备中将原料经过适当处理得到产品的这段生产过程。对过程的控制常应用于如化工、石油、冶炼等各工业中，为保持其生产过程所需的环境条件而加的控制。其系统构成主要用被规格化的各类仪表，来作为各功能元件构成系统。3按照信号作用特点分类（1）连续控制系统（continuous control system）亦称为模拟控制系统。系统中各个组成元件输出量都是输入量的连续函数。如转速负反馈控制系统及随动系统都是连续控制系统。（2）断续控制系统（discontinuous control system）系统中包含有断续元件，其输入量是连续量，而输出量是断续量。

12、目前有三种断续控制系统。继电系统，亦称开关控制系统。脉冲系统又称采样控制系统。脉冲系统将输入的信号变成一串脉冲信号输出，脉冲的幅度、宽度及符号取决于采样时刻的输入量。数字控制系统。数字控制系统中，信号以数码形式传递。4按照元件特性分类（1）线性系统（linear system）各组成元件或环节不包含非线性元件，即各元件的输入输出特性都是线性的。这样的系统称为线性控制系统，简称线性系统。线性系统的性能可用线性微分方程描述。线性系统中，可以使用叠加原理。严格地讲，在实际的物理系统中是不存在线性系统的，总是或多或少存在着不同程度的非线性特性。但是当非线性不显著或者在工作范围不大的场合，为了研究问题，

13、通常可视其为线性的，或者采取近似措施将它们线性化，然后按线性系统处理。把这些可以线性化的非线性元件称为非本质非线性特性元件。对于某些严重的典型非线性如死区、继电特性、具有滞环继电特性等，称为本质非线性特性元件。（2）非线性系统（nonlinear system）含有非线性特性元件的系统，称之为非线性控制系统，简称非线性系统。非线性系统不能采用叠加原理。分析非线性系统的工程方法常用相平面法和描述函数法。5按自动控制系统的功能分类（1）自动调节系统（automatic regulating system）即恒值控制系统。（2）最优控制系统（optimum control system）最优控制是指

14、使控制系统实现对某种性能指标为最佳的控制。（3）自适应控制系统（adaptive control sysytem）自适应控制系统是一种能够连续测量输入信号和系统特性变化，自动地改变系统的结构与参数，使系统具有适应环境的变化并始终保持优良品质的自动控制系统。不少对象的特性是随时间和环境变化而变化的，例如飞机特性随飞行高度、空气速度而变化；轧机张力随卷板机卷绕钢板多少而变化等等。在这些情况下，普通固定结构的反馈系统就不能满足需要，因此要求采用自适应系统。（4）自学习系统（self learning system）它具有辨识、判断、积累经验和学习的功能。在控制特性事先不能确切知道或不能确切地用数学模

15、型描述时，采用自学习控制可以在工作过程中，不断地测量，估计系统的特性，并决定最优控制方案，实现性能指标最优控制。三、对控制系统的性能要求按照偏差调节的方法设计的自动控制系统，是否都能很好地工作，是否都能精确地保持被控制量等于给定值呢?不一定。系统也可能工作得很差，甚至会出现被控量强烈振荡，使受控对象遭到破坏的现象。这些都取决于受控对象与控制装置之间、各功能元器件的特性参数之间是否匹配得当。在理想情况下，自动控制系统的被控量和给定值在任何时候都相等，完全没有误差，而且不受干扰的影响，即c（t）=r（t）但在实际系统中，由于机械部分质量、惯量的存在，以及电路中电感、电容的存在，由于电源功率的限制，

16、使得运动部件的加速度不会很大，速度和位移不能瞬间变化，而要经历一段时间，要有一个过程。通常把系统受到外加信号（给定值或干扰）作用后，被控量随时间t变化的全过程称为系统的动态过程或过渡过程，以c（t）表示。系统控制性能的优劣，可以通过动态过程c（t）表现出来。控制精度是衡量系统技术水平的重要尺度。一个高质量的系统，在整个运行过程中，被控量与给定值的偏差应该是很小的。考虑到动态过程c（t）在不同段中的特点，工程上常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体精度。1稳：稳，是就动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力而言。如果系统受扰动后偏离了原来的工作状态，而控制装置再也不能使系统恢

17、复到原状态，并且越偏离越远，如图3-3中的过程所示，这样的系统称之为不稳定系统。显然，它是不能完成控制任务的。图3-3 控制系统的随动过程和抗干扰过程在有可能达到平衡的条件下，要求系统动态过程的振荡要小。为此，对被控量的振幅和频率应有所限制，过大的波动将使运动部件超载，导致松动和破坏。2快快，是就动态过程的长短而言。过程持续时间很长，将使系统长久地出现大偏差，同时也说明响应很迟钝，难以复现快速变化的指令信号，如图3-3（a）中的过程所示。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。既快又稳，则过程中被控量偏离给定值小，偏离的时间短，系统的动态精度高，如图3-3（a）中的过程所示。3准准，是就系统过渡到

18、新的平衡工作状态以后，或系统受扰重新恢复平衡之后，最终保持的精度而言，它反映动态过程后期的性能。这时候，系统中被控量与给定值的偏差应该是很小的，如数控机床的加工误差小于0。02mm，一般恒速、恒温控制系统的静态误差都在给定值的1%以内。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、快、准的要求是有所侧重的。例如，随动系统对快要求较高，而调节系统则对稳要求严格。对一个系统来说，稳、快、准是相互制约的。提高过程的快速性，可能会引起系统强烈振动；改善了系统的平稳性后，控制过程又可能变得迟缓，甚至使最终精度也很差。分析和解决这些矛盾，是控制理论研究的重要内容。第二节 自动控制系统的过渡过程和品质指标教学内

19、容：一、控制系统的静态与动态在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是上述的静态。值得注意的是这里所指的静态与习惯上所讲的静止是不同的。习惯上所说的静止都是指静止不动（当然指的仍然是相对静止）。而在自动化领域中的静态是指系统中各信号的变化率为零，即信号保持在某一常数不变化，而不是指物料不流动或能量不交换。因为自动控制

20、系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。自动控制系统的目的就是希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。假若一个系统原先处于相对平衡状态即静态，由于干扰的作用而破坏了这种平衡时，被控变量就会发生变化，从而使控制器、控制阀等自动化装置改变原来平衡时所处的状态，产生一定的控制作用来克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡。从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。在自动化工作中，了解系统的静态是必

21、要的，但是了解系统的动态更为重要。这是因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，例如生产过程中前后工序的相互影响，负荷的改变，电压、气压的波动，气候的影响等等。这些干扰是破坏系统平衡状态引起被控变量发生变化的外界因素。在一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有干扰作用于控制系统，从而破坏了正常的工艺生产状态。因此，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。所：以，一个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。显然，研究自动控制系统的重点是要研究系统的动态。二、控制系统

22、的过渡过程图3-5 阶跃干扰作用图3-4 控制系统方块图图3-4是简单控制系统的方块图。假定系统原先处于平衡状态，系统中的各信号不随时间而变化。在某一个时刻t0，有一干扰作用于对象，于是系统的输出y就要变化，系统进入|动态过程。由于自动控制系统的负反馈作用，经过一段时间以后，系统应该重新恢复平衡。系统由一个平衡状过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。了解过渡过程中被控变量的变化规律对研究自动控制系统是十分重要的。显然，被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计

23、控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰，如图3-5所示，由图可以看出，所谓阶跃干扰就是在某一瞬间t0，干扰（即输入量）突然地阶跃式的加到系统上，并继续保持在这个幅度。采取阶跃干扰的形式来研究自动控而系统是因为考虑到这种形式的干扰比较突然，比较危险，它对被控变量的影响也最大。如果一个拉制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么对于其他比较缓和的干扰也一定能很好地克服。同时，这种干扰形式简单，容，易实现，便于分析、实验和计算。一般说来，自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有图3-6所示的几个基本形式。图3-6 过渡过程的几种基本形式1非周期衰减过程被控变量在给定

24、值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为非周期衰减过程，如图3-6（a）所示。，2衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为衰减振荡过程，如图3-6（b）所示。3等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，这种情况称为等幅振荡过程，如图3-6（c）所示。4发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远，这种情况称为发散振荡过程，如图3-6（d）所示。以上过渡过程的四种形式可以归纳为三类。（1）过渡过程（d）是发散的，称为不稳定的过渡过程，其被控变量在控制过程中，不但不能达到

25、平衡状态，而且逐渐远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，严重时会引起事故，这是生产上所不允许的，应竭力避免。（2）过渡过程（a）和（b）都是衰减的，称为稳定过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态，这是所希望的。对于非周期的衰减过程，由于这种过渡过程变化较慢，被控变量在控制过程中长时间地偏离给定值，而不能很快恢复平衡状态，所以一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。对于衰减振荡过程，由于能够较快地使系统达到稳定状态，所以在多数情况下，都希望自动控制系统在阶跃输入作用下，能够得到如图3-6（b）所示的过渡过程。（3）过渡过程形式（c）介于不稳定与稳定

26、之间，一般也认为是不稳定过程，生产上不能采用。只是对于某些控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），那么这种过渡过程的形式是可以采用的。三、控制系统的晶质指标控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以取衰减振荡的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。图3-7 过渡过程品质指标示意图假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如图3-7所示。这是属于衰减振荡的过渡过程。图上横坐标t为时间，纵坐标y为被控变量离开给定值的变化量。假定在时间t=0之前，系统稳定，且被控变量等于给定值，即y=0；在t=0

27、瞬间，外加阶跃干扰作用，系统的被控变量开始按衰减振荡的规律变化，经过相当长时间后，y逐渐稳定在C值上，即y（）=C。对于如图3-7所示，如何根据这个过渡过程来评价控制系统的质量呢?习惯上采用下列几个品质指标。1最大偏差或超调量最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值，在图3-7中以A表示。最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏离越大，偏离的时间越长，即表明系统离开规定的工艺参数藉标就越远，这对稳定正常生产是不利的。因此最大偏差可以作为衡量系统质量的一个品质指标。一般来说，最大偏差当然是小一些为好，特别是对于一些有约束条件的系统

28、，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，这就更需要限制最大偏差的允许值。所以，在决定最大偏差允许值时，要根据工艺情况慎重选择。有时也可以用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度。在图3-7中超调量以B表示。从图中可以看出，超调量B是第一个峰值A与新稳定值C之差，即B=AC。如果系统的新稳定值等于给定值，那么最大偏差A也就与超调量B相等了。2衰减比虽然前面已提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是衰减快慢的程度多少为适当的呢?表示衰减程度的指标是衰减比，它是前后

29、相邻两个峰值的比。在图3-7中衰减比是B：B，习惯上表示为n：1。假如n只比1稍大一点，显然过渡过程的衰减程度很小，接近于等幅振荡过程，由于这种过程不易稳定、振荡过于频繁、不够安全，因此一般不采用。如果n很大，则又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢，通常这也是不希望的。一般n取410之间为宜。因为衰减比在4：1到10：1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被控变量在同时受到干扰作用和控制作用的影响后，能比较快地达到一个峰值，然后马上下降，又较快地达到一个低峰值，而且第二个峰值远远低于第一个峰值。当操作人员看到这种现象后，心里就比较踏实，因为他知道被控变量再振荡数次后就会很快稳定下来，并

30、且最终的稳态值必然在两峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值以至造成事故。尤其在反应比较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。对于这种系统，如果过渡过程是或接近于非振荡的衰减过程，操作人员很可能在较长时间内，都只看到被控变量一直上升（或下降），似乎很自然地怀疑被控变量会继续上升（或下降）不止，由于这种焦急的心情，很可能会导致去拨动给定值指针或仪表上的其他旋钮。假若一旦出现这种情况，那么就等于对系统施加了人为的干扰，有可能使被控变量离开给定值更远，使系统处于难于控制的状态。所以，选择衰减振荡过程并规定衰减比在4：2至10：1之间，完全是操作人员多年操作经验的总结。3过渡时

31、间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。严格地讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过渡过程来说，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。实际上，由于仪表灵敏度的限制，当被控变量接近稳态值时，指示值就基本上不再改变了。因此，一般是在稳态值的上下规定一个小的范围，当被控变量进入这一范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束。这个范围一般定为稳态值的士5%（也有的规定为土2%）。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的士5%（或士2%）的范围内且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间短，表示过

32、渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现，系统也能适应，系统控制质量就高，反之，过渡时间太长，第一个干扰引起的过渡过程尚未结束，第二个干扰就已经出现，这样，几个干扰的影响叠加起来，就可能使系统满足不了生产的要求。4振荡周期或频率过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。还有一些次要的品质指标，其中振荡次数，是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。所谓"理想过渡过程两个波"，就是指过渡过程振荡两次就能稳定下来，它在一般情况下，可认为是较为理想的过程。此时的衰减比约相

33、当于4：1，图3-7所示的就是接近于4：1的过渡过程曲线。上升时间也是一个品质指标，它是指干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间，显然，上升时间以短一些为宜。综上所述，过渡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、过渡时间等。这些指标在不同的系统中各有其重要性，且相互之间既有矛盾，又有联系。因此，应根据具体情况分清主次，区别轻重，对那些对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。另外，对一个系统提出的品质要求和评价一个控制系统的质量，都应该从实际需要出发，不应过分偏高偏严，否则就会造成人力物力的巨大浪费，甚至根本无法实现。四、影晌控制系统过渡过程品质的主要因素从前面的讨论中知道，一个自

34、动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者并不是泛指整个工艺流程，而是指与该自动控制系统有关的部分。自动化装置部分指的是位实现自动控制所必须的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在控制系统运行过程中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响控制质量。总之，影响自动控制系统过渡过程品质的因素是很多的，在系统设计和运行过程中都应给予充

35、分注意。第三节 控制器的控制规律 教学内容：控制器的基本控制规律有位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID。不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。要选用合适的控制器，首先必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后，根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能作出正确的选择。一、双位控制双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小）

36、，而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。理想的双位控制器其输出p户与输入偏差e之间的关系为： 理想的双位控制特性如图3-8所示。图3-8 理想双位控制特性 图3-9双位控制示例图3-9是一个采用双位控制的液位控制系统，它利用电极式液位计来控制贮槽的液位，槽内装有一根电极作为测量液位的装置，电极的一端与继电器J的线圈相接，另一端调整在液位给定值的位置，导电的流体由装有电磁阀V的管线进入储槽，进下部出料管流入贮槽使液位上升，当液位上升至稍大于给定值时，流体与电极接触，于是继电器接通，从而使电磁阀全关，流体不再

37、进入贮槽。但槽内流体仍在继续往外排出，故液位将要下降。当液位下降至稍小于给定值时，流体与电极脱离，于是电磁阀V又开启，如此反复循环，而液位被维持在给定值上下很小一个范围内波动。可见控制机构的动作非常频繁，这样会使系统中的运动部件（例如继电器、电磁阀等）因动作频繁而损坏，因此实际应用的双位控制器具有一个中间区。图3-10 实际的双位控制特性 图3-11 具有中间区的双位控制过程偏差在中间区内时，控制机构不动作。当被控变量的测量值上升到高于给定值某一数值（即偏差大于某一数值）后，控制器的输出变为最大pmax ，控制机构处手开（或关）的位置，当被控变量的测量值下降到低于给定值某一数值（即偏差小于某一

38、数值）后，控制器的输出变为最小pmin ，控制机构才处于关（或开）的位置。所以实际的双位控制器的控制规律如图3-10所示。将上例中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。具有中间区的双位控制过程如图3-11所示。当液位y低于下限值，此时，电磁阀是开的，流体流入贮槽，由于流入量大于流出量，故液位上升。当升至上限值YH时，阀关闭，流体停止流人，由于此时流体只出不人，故液位下降。直到液位值下降至下限值，此时，电磁阀重新开启，液位又开始上升

39、。图中上面的曲线表示控制机构阀位与时间的关系，下面的曲线是被控变量（液位）在中间区内随时间变化的曲线，是一个等幅振荡过程。双位控制过程中不采用对连续控制作用下的衰减振荡过程所提的那些品质指标，一般采用振幅与周期作为品质指标，在图3-11中振幅为YH-YL，周期为T。如果工艺生产允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控制器的中间区就可以宽一些，这样振荡周期较长，可使可动部件动作的次数减少，于是减少了磨损，也就减少了维修工作量，因而只要被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍，例如仪表用压缩空气贮罐的压力控制，恒温炉、管。式炉的温

40、度控制等等。除了双位控制外，还有三位（即具有一个中间位置）或更多位的，包括双位在内，这一类统称为位式控制，它们的工作原理基本上一样。二、比例控制在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，势必在一个极限位置时，流入对象的物料量（能量）大于由对象流出的物料量（能量），因此被控变量上升，而在另一个极限位置时，情况正好相反，被控变量下降，如此反复，被控变量势必产生等幅振荡。为了避免这种情况，应该使控制阀的开度（即控制器的输出值）与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与

41、对象负荷相图3-12 简单的比例控制系统示意图适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。如图3-12所示的液位控制系统，当液位高于给定值时，控制阀就关小，液位越高，阀关得越小，若液位低于给定值，控制阀就开大，液位越低，阀开得越大。它相当于把位式控制的位数增加到无穷多位，于是变成了连续控制系统。图中浮球是测量元件，杠杆就是一个最简单的控制器。图3-12中，若杠杆在液位改变前的位置用实线表示，改变后的位置用虚线表示，根据相似三角形原理，有即 式中 e一杠杆左端的位移，即液位的变化量；p一杠杆右端的位移，即阀杠的位移量；a，b一分别为杠杆支点与两端的距离。由此可见，在该控制系统中，阀门开

42、度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例控制规律。对于具有比例控制规律的控制器（称为比例控制器），其输出信号（指变化量）p与输入信号（指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）e之间成比例关系，即 式中kp是一个可调的放大倍数（比例增益）。由此可知图3-12所示的比例控制器，其kp= ，改变杠杆支点的位置，便可改变kp的数值。由此可以看出，比例控制的放大倍数kp是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。Kp越大，比例控制作用越强。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度而不用放大倍数Kp来表示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变

43、化相对值之比的百分数，用式子表示为：式中 e一输入变化量，p一相应的输出变化量，xmax-xmin 输入的最大变化量，即仪表的量程，pmax-pmin 一输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。由此式，可以从控制器表面指示看比例度的具体意义。比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。例如DDZ-型比例作用控制，温度刻度范围为400800，控制器输出工作范围是010mA。当指示指针从600移到700，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值

44、为：这说明对于这台控制器，温度变化全量程的50%（相当于200），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。图3-13比例度示意图。当比例度为50%、100%、200%时，分别说明只要偏差e变化占仪表全量程的50%、100%，200%时，控制器的输出就可以由最小pmin变为最大pmax 。即图3-13 比例度示意图对于一个具体的比例作用控制器，指示值的刻度范围xmax-xmin 及输出的工作范围pmax-pmin应是一定的，所以比例度与放大倍数Kp成反比。这就是说，控制器的比例度越小，它的放大倍数kp就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。因此比例度和放大倍

45、数kp都能表示比例控制器控制作用的强弱。只不过kp越大，表示控制作用越强，而越大，表示控制作用越弱。三、积分控制当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，|式中K1代表积分速度。当输入偏差是常数A时，则为图3-14 积分控制器特性即输出是一直线（图3-14）。由图可见，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。输出信号的变化速度与偏差e及K1成正比，而其控制作用是随着时间积累才逐渐增强的，所以控制作用缓慢，

46、会出现控制不及时，当对象惯性较大时，被控变量将出现大的超调量，过渡时间也将延长，因此常常把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于激烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。四、微分控制对于惯性较大的对象，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会过分地改变阀门开度以克服干扰影响，这就是按偏差变化速度进行控制。在自动控制时，这就要求控制器具有微分控制规

47、律，就是控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比，图3-15 理想微分控制器特性式中TD为微分时间，为偏差信号变化速度。此式表示理想微分控制器的特性，若在t=t0时输入一个阶跃信号，则在t=t0时控制器输出将为无穷大，其余时间输出为零（图3-15）。这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称，这就是它的优点。但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。比例微分控制规律微分作用按偏差的变化速度进行控制，其作用比比

48、例作用快，因而对惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控制时间。微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，由于控制作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡。微分作用的强弱用微分时间来衡量。当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出之和，这种控制既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。第四节 简单控制系统教学计划：一、简单控制系统的结构与组成随着生产过程自动化水平的日益提高，控制系统的类型越来越多，复杂程度的差异也越来越大。简单控制系统是使用最普遍、结构最简单的一种自动控制系统。自动控制系统是由被控对象和自动化装置两大部分组成。由

49、于构成自动控制系统的这两大部分（主要是指自动化装置）的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以有许多类型。所谓简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便（如图3-15所示是简单控制系统的方块图）。而且在一般情况下，都能满足控制质量图3-16 简单控制系统的方块图的要求。因此，这种控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用。二、控制器控制规律的选择1.控制器控制规律的确定前面已经讲过，简单控制系统是由被控对象、控制器、执行器和测量变

50、送装置四大基本部分组成的。在现场控制系统安装完毕或控制系统投运前，往往是被控对象、测量变送装置和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。这时可将对象、测量变送装置和执行器合在一起，称之为广义对象。于是控制系统可看成由控制器与广义对象两部分组成，如图3-17所示。在广义对象特性已经确定的情况下，如何通过控制器控制规律的选择与控制器参数的工程整定，来提高控制系统的稳定性和控制质量，这就是我们要讨论的主要问题。图3-17 简单控制系统简化方块图目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律主要是根据

51、广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。2比例控制器比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e（实际上是指它们的变化量）之间的关系为：比例控制器的可调整参数是比例放大系数Kp或比例度，对于单元组合仪表来说，它们的关系为：比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控制器适用于控制

52、通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。3比例积分控制器比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输入偏差e的关系为：比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数Kp （或比例度）和积分时间TI 。比例积分控制器的特点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的，这是它的显著优点。但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间

53、也加长。比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。4比例积分微分控制器比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想的三作用控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系：比例积分微分控制器的可调整参数有三个，即比例放大系数kp（比例度）、积分时间TI和微分时间TD 。比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可

54、以消除余差。所以，适当调整、TI、TD三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引人微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。值得提出的是，目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间TD置于0，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。第五节 复杂控制系统教学内容：在大多数情况下，由于简单控制系统需要自动化工具少，设备投资

55、少，维修、投运和整定较简单，而且，生产实践证明它能解决大量的生产控制问题，满足定值控制的要求，因此，简单控制系统是生产过程自动控制中最简单、最基本的一种形式，占全部自动控制系统的80%左右。然而，随着工业的发展，生产工艺的革新，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，此外，生产过程中的某些特殊要求，如物料配比问题、前后生产工序协调问题、为了生产安全而采取的软保护问题等等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了一些与简单控制系统不同的其他控制形式，这些控制系统统称为复杂控制系统。

56、复杂控制系统种类繁多，根据系统的结构和所担负的任务来说，常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、前馈、取代、三冲量等控制系统。守J Ifi：1第一节串级控制系统11，一、串级控制系统1、概述串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。为了说明串级控制系统的结构及其工作原理，下面先举一个例子。 图3-18 管式加热炉出口温度控制系统管式加热炉是炼油、化工生产中重要装置之一。无论是原油加热或重油裂解，对炉出口温度的控制十分重要。将温度控制好，一方面可延长炉子寿命，防止炉管烧坏，另一方面可保证后面精馏馆分离的质量。为了控制原油出口温度，可以设置图3-18所示的温度控制系统，根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度，改变燃料量来维持原油出口温度保持在工艺所规定的数值上，这是一个简单控制系统。乍看起来，上述控制方案是可行的、合理的。但是在实际生产过程中，特别是当