(全文)化工自动化原理教材讲解

1、2.3化工自动化控制原理2.3.1概述化工自动化就是化工类型生产过程自动化的简称，亦即在化工设备上配备一些自动化装置，代替化工操作人员部分直接脑力劳动和体力劳动，使某些化工参数能准确地按照预期需要规律变化，使生产在不同程度上自动的进行，这种通过自动化装置来管理化工生产过程的办法称为化工自动化。实现化工生产过程自动化的目的是为了： 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。在人工操作的生产过程中，人对外界的观察与控制的精确度和速度是有一定限度的，而通过自动控制系统，可以使生产过程在最佳条件下进行，加快生产速度，降低能耗，实现优质高产。 减轻劳动强度，改善劳动条件。多数化工生产过程是高温、高

2、压、低温、低压、易燃易爆，还有的是有毒、有腐蚀性有刺激性气味，实现了化工自动化，工人只要对自动化装置的运转进行监视，而不需要再直接从事大量而又危险的操作。 能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。 生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造了条件。化工自动化包括自动检测、程序控制、自动保护和自动调节等方面。2.3.1.1自动调节系统的组成任何一个自动调节系统，都是由被调对象、调节器、调节阀和测量变送器等组成，它们统称为自动调节系统的各个环节 。 检测和变送采取一定手段，对所要求的工艺参

3、数进行测量，并将其转变为一个信号，送到调节器。用来检测工艺参数的装置叫测量元件；将测量元件发出的信号变换为所需信号类型的装置叫变送器。 调节器能将变送器送来的测量信号与给定的标准值信号相比较，并能决定按怎样的规律进行调节。 调节阀能自动地根据调节器送来的信号值改变阀门的开启度，即接受调节器的操纵，产生调节动作。 被调对象自动调节系统中的工艺设备叫被调对象，简称对象。在研究自动调节系统时，为了更直观地显示出自动调节系统各个环节间的相互影响和信号联系，通常用方块图来表示。见图2.3.1.1所示。每个环节用一个方块表示，方块之间用箭头联系，箭头方向显示了环节的输入和输出。在系统分析中，通常将调节阀、

4、对象、测量元件和变送器四个环节视为广义对象来研究。被调参数y：按照工艺要求，某些参数应该维持在预定的变化幅度之内，如对它们进行调节，它们就叫被调参数。干扰f：在生产过程中，促使被调参数偏离给定值的各种因素，都称为干扰，或称为扰动作用。调节参数q：为了克服干扰的影响需要进行调节，即利用阀门去改变物料的进料量。这种调节手段就叫调节作用，所用的介质叫调节介质。测量值z：变送器的输出值。q被调对象干扰f被调参数调节参数 CANSHU调节阀调节器给定值调节器偏差值输出Pe测量值z测量变送 图2.3.1.1自动调节系统的组成方块图给定值x：一个恒定的与正常的被调参数相对应的信号值。偏差值e：给定值与测量值

5、之差。它也是调节器的输入值。调节器输出P:在调节器内，将给定值与测量值进行比较，得出偏差值，然后依据偏差情况，按一定的调节规律，发出相应的输出信号P去推动执行器。现在调节器得输出都是电信号，而绝大多数的执行器是气动调节阀，因此在调节器与气动调节阀之间，必须有电/气转换装置。在实际的仪表中，比较机构是调节器的组成部分，为了突出比较机构，用一个圆圈单独画出来。2.3.1.2 自动调节系统的特点及分类 自动调节系统的特点 单项性每一个环节的输入信号影响输出信号，但输出信号不会反过来影响输入信号。在系统中，只要有一个环节是单项的，整个系统便具有单项性，所以，自动调节系统是不可能逆向动作的。 相互矛盾的

6、两个通道干扰作用是破坏系统平衡引起被调参数变化的外界因素。调节作用是克服干扰影响，使被调参数恢复到给定值的矫正因素，这是对象中相互矛盾的两个通道。 有差调节调节器的输入幸好是测量值与给定值之差（偏差e），所以，系统是按偏差进行调节的，调节结果消灭或减少偏差，因此，动态偏差是必然的，故称有差调节。 具有负反馈的闭合回路从信号的传输角度看，各信号的作用形成了一个闭合回路，系统的输入端是给定值与测量值之差，输出是被调参数，它通过变送器又送回到系统输入端。这种把系统（或某一环节）的输出引回给输入的做法，叫反馈系统。引入反馈后使输出增加的叫正反馈，反之叫负反馈。在自动调节系统中，要求必须形成负反馈，以求

7、系统逐渐趋于稳定。如果系统的输出最后不回到系统输入端，则称开环系统。前馈调节可以认为是开环系统。它不是按偏差而是按干扰进行调节的。理想的前馈系统是无差调节，但由于一个系统的干扰是较多的，前馈补偿算式的参数整定不可能十分准确，所以，单纯的前馈系统是很少见的，通常是加反馈控制加以校正，组成前馈反馈系统。 自动调节系统的分类自动调节系统有多种分类方法，诸如：按工艺参数分：温度调节、流量调节、液位调节、压力调节等。按调节规律分：比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。按能源分：电动调节、液动调节、气动调节三大部分。按结构难易分：单回路（简单）调节、串级调节、前馈反馈调节等。

8、 按给定值形式分：定值调节系统、随动调节系统。定值调节系统就是给定值恒定不变。化工厂大多数是这一类型的调节系统，控制各种工艺指标，工艺指标间接或直接反映了产品的质量、产量及成本。随动调节系统就是给定值随时不断地变化，并要求系统的输出也跟随变化。2.3.1.3自动调节系统的品质衡量衡量自动调节系统品质的好坏，主要是在相同的干扰作用下，比较自动调节系统的过渡过程。过渡过程，实质上就是在外界干扰或给定干扰作用下，调节系统从一个平衡状态过渡到另一个新的平衡状态的过程。它是一个调节系统的调节作用不断克服干扰影响的过程。当干扰作用和调节作用这一对矛盾得到统一时，过渡过程也就结束，系统达到新的平衡，系统处于

9、相对稳定状态。 系统的静态和动态自动调节系统过渡过程也就是系统的动态特性，它包括静态与动态。把被调参数不随时间而变化的处于某一平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。在自动化领域中。静态并不表示静止不动，而是指各参数（或信号）的变化率为零。因为自动调节系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平衡进行，各参数都没有改变而已。原来处于相对平衡状态即静态的系统，由于干扰的作用，破坏了这种平衡状态，被调参数就会变化，从而调节器等自动化装置也就会改变调节参数以克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡状态。从干扰的发生，经过调节，制导系统重新建立平衡，在这一

10、段时间中，整个系统的各个环节和参数都处于变化状态之中，所以这种状态叫做动态。必须指出，我们研究自动调节系统的特性时，虽然研究其静态是重要的，但研究动态更为重要。因为在干扰引起系统变动以后，需要知道系统的动态情况，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去建立平衡。而且平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的、无条件的。干扰作用总是会不断地产生，调节作用也就不断地去克服干扰的影响，所以自动调节系统总是一直处在运动状态之中。 过渡过程的形式当系统的输入是节约变化时，系统的过渡过程有图2.3.1.2所示的几种基本形式。最理想的情况是系统输入变化后，被调参数能较快地、精确地稳定

11、下来，保持在给定值不变，亦即，可概括为快速性、准确性、稳定性三方面。ttyyy(a)发散振荡t(b)等幅振荡(c)衰减振荡yt(d) 单调过程非周期发散非周期衰减 图2.3.1.2 过渡过程几种基本形式 按系统过渡过程形式基本上可分为振荡过程和非周期过程。振荡过程 当系统受到干扰后，在调节作用下，被调参数是一上一下波动的过程。如果系统受到干扰后，在调节作用下，被调参数的波动幅度愈来愈大，称为发散振荡过程；如果系统受干扰后，被调参数始终在给定值附近有较大幅度波动而且波动幅度相等，称为等幅振荡过程，如图2.3.1.2(a)所示；如受干扰后，被调参数始终在给定值附近有较大幅度波动而且波动的幅度相等，

12、称为等幅振荡过程（亦称临界振荡），如图2.3.1.2(b)所示；如果系统受到干扰后，被调参数的波动幅度愈来愈小，最后逐渐处于稳定，称为衰减振荡过程，如图2.3.1.2(c)所示。非周期过程 系统受干扰后，在调节作用下，被调参数的变化是单调地增大或减少的过程。如果被调参数的变化速度愈来愈慢，逐渐趋近给定值而稳定下来，称为非周期衰减过程，如图2.3.1.2(d)中曲线1所示。反之则称为非周期发散过程，如图2.3.1.2(d)中曲线2所示。发散振荡、等幅振荡、及非周期发散都属于不稳定过程，是生产过程所不允许的；非周期衰减与衰减振荡属于稳定过程。单从稳定程度看，非周期衰减比振荡衰减好，但非周期衰减的最

13、大动态偏差大，过渡过程时间长，当被调参数开始偏离给定值后，要经过相当长的时间在接近原来的给定值，因此在生产上不允许被调参数有较大幅度波动时，可以采用这种单调过程，但在一般情况下，则因这种过程变化缓慢而不宜采用。对操作者来说，衰减振荡过程容易看出被调参数的变化趋势，便于及时操作调整。因此，研究调节过程一般都以在阶跃干扰（包括给定值的变化）作用下衰减的振荡过程为依据。 过渡过程的质量指标用过渡过程衡量系统质量时，习惯上用下面几个指标。 余差C余差C就是新的稳态值（终值y（）与给定值x0之差。也就是过渡过程终了时的残余偏差。余差是一个静态指标，也是一个精度指标。余差的值在工艺指标上有要求，超过它是不

14、允许的。有差调节系统是指余差不为零的调节系统；无差调节系统就是指余差为零的调节系统。值得指出的是，余差C与终值y（）这两个概念不可混淆。对于定值调节系统来说，终值与余差是相等的，对于随动调节系统余差不等于终值，而等于新的给定值与终值y（）之差。如图2.3.1.3所示。 最大偏差A与超调量B调节过程中被调参数出现的最大偏差等于被调参数最大指示值与给定值之差。它表示系统在调节过程中被调参数偏离给定值的程度（也称动偏差）若偏差越大，偏离的时间也越长，系统离开规定的生产状态就越远，这是不希望的。因此，最大偏差可以作为衡量调节系统质量的一个指标，可以反映出系统的稳定程度。最大偏差要求越小越好。被调参数偏

15、离给定值的程度有时也可用超调量B来表示，超调量是指过渡过程曲线超出新稳态值的最大值，它是反映系统过调程度也是反映系统稳定性的一个质量指标。 衰减比n衰减比是表示衰减振荡的过渡过程的衰减程度。是指过渡过程曲线同方向的前后相邻两个峰值之比。它是反映系统稳定程度的指标，亦即反映系统的相对稳定性。习惯上表示为n1。当n1时，过渡过程为等幅振荡；当n很大时，则过渡过程接近非周期过程，过渡过程时间太长。一般n取410之间为宜，这是人们多年操作经验的总结。 过渡时间ts过渡时间又称回复时间或调整时间。从干扰发生起至被调参数建立起新的平衡状态止，这段时间叫做过渡时间。严格地讲，被调参数完全达到新的稳态值需要无

16、限长的时间。实际上由于仪表的灵敏度的限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就不再改变了。所以有必要在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已经达到稳定值。这个范围一般定为稳定值的±5（有些国家定为稳定值的±2）。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被调参数进入最终稳定值的±5的范围之内所经历的时间。过渡时间短，表示过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，调节质量就高。反之过渡时间太长，及各干扰叠加起来的影响，可能会使系统不能符合生产要求。过渡时间是衡量系统快速性的一个质量指

17、标。 振荡周期T或振荡频率（）过渡过程从一个波峰到第二个波峰之间的时间叫做振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。它是衡量系统调节过程快慢的一个质量指标。在衰减比相同的条件下，振荡周期与过渡时间成正比。一般希望短一些为好。还有一些次要的指标，如振荡次数，指在过渡时间内被调参数振荡的次数。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，它将被认为是良好的过程。振荡两次约近于41的衰减比。峰值时间tP是指过渡过程达到超调量第一峰值所需时间。上升时间tr是指从干扰变化时起至第一次达稳定值所经过的时间。峰值时间和上升时间都是反映过渡过程进行快慢的一个质量指标。f(t)x(t)x0'

18、f0TTACCB'BB'BAtstPtPtstrtrx0稳定值稳定值0.050.05ttx0'ttx0 y(t)y(t)y()y() (a)阶跃干扰作用下 （b）阶跃给定作用下 图2.3.1.3过渡过程质量指标示意图综上所述，过渡过程的质量指标主要有：衰减比、余差、最大偏差或超调量、过渡时间等。一般希望余差、最大偏差或超调量小一些，过渡时间短一些，这样调节品质就好一些，但也有矛盾，不能同时给予保证。如当最大偏差与余差都小时，则过渡时间就长。因此应该根据具体不同调节系统，对这些质量指标要分清主次，区别轻重，对于主要的质量指标应优先保证。2.3.1.4传递函数及其方块图变换

19、分析和研究自动调节系统，实质上是研究系统中各环节的动态特性，以及这些环节按一定规律组合后系统的动态特性。研究和分析动态特性是自动调节系统质量衡量所必须的，也是设计或改造一个自动调节系统所必须的。具体地说，研究和分析各环节的动态特性，即研究各环节输入和输出的关系运动规律。动态特性可以用常系数线性微分方程（或组）来描述，但由于这些方程（或组）多数是高阶函数，求解十分繁琐，工程上通常用拉氏变换来很方便地求解。利用拉氏变换，可以将高阶微分方程简化为代数方程，再引入传递函数的概念及其方块图变换法则，就可以十分方便地对环节或系统进行分析和计算了。 常用环节的拉氏变换拉氏变换就是将实变量为时间的函数变换成复

20、变量的函数。例如，将阶跃函数变换成；将一阶惯性环节变换成等等。 表2.3.1.1常用函数的拉氏变换表名 称阶 跃线 性指 数单位脉冲原函数象函数一阶惯性积 分纯滞后二阶微分一阶微分名 称原函数象函数 传递函数和方块图所谓传递函数，就是环节（或系统）输出函数的拉氏变换除以输入函数的拉氏变换，其条件是初始条件为零。所以传递函数是拉氏变换算子的函数，记为，利用传递函数的概念，就可以用以“”为变量的代数方程代替复杂的微分方程，使系统分析的计算工作大大简化。方块图是调节系统（或各个环节）的功能和信号流向的图解表示。通常，将环节的传递函数填入方块中，用指向方块的箭头表示环节的输入信号（输入参数），而离开方

21、块的箭头表示环节的输出信号（输出参数），同时在箭头上侧标明相应的信号符号，这就是所谓方块的单向性。如图2.3.1.4所示。 图2.3.1.4 PID调节器方块图图中为调节器输入信号（偏差），为调节器输出信号，方块内为调节器的传递函数，通常，或表示环节或系统的传递函数。 方块图运算法则 比较点（又称汇合点）在方块图中，比较点代表两个或两个以上的输入信号进行加减比较的元件其符号是一个圆圈和两个箭头，加与减用正、负号标在箭头一侧，如图2.3.1.5所示。该图表示。分支点· + - 图2.3.1.5方块图中比较点 图2.3.1.6分支点 分支点一个相同的信号同时送至几个不同的方块，可在信号线

22、上任意一点分支，见图2.3.1.6。信号分出的一点称为分支点，通过分支的信号都相同。 方块图的串联、并联与反馈及运算a.串联：就是把前一个环节的输出信号作为后一个环节的输入信号依次连接起来。几个环节的串联，总的传递函数等于每个串联环节的传递函数的乘积。b.并联：就是把一个输入信号同时作为若干环节的输入，而所有环节的输出端联合在一起，使总的输出信号等于各环节输出信号的总和。几个环节的并联，总的传递函数等于所有并联环节传递函数之和。c.反馈：它是把输出信号取回来和输入信号相比较，按比较结果再作用到方块上去，而形成一个闭合回路。如比较结果是两信号之差的反馈，称为负反馈；如比较结果是两信号之和的反馈，

23、称为正反馈。具有反馈环节的传递函数等于正向通路的传递函数除以1加（减）正向通路和反馈通路传递函数的乘积。 方块图的等效变换方块图的等效变换应遵循下列规则： 各支路信号相加或相减与加减次序无关； 在总线路上引出支路时，与引出的先后次序无关； 线路中的负号可在线路上前后移动，并可越过方块，但不能越过比较点和分叉点； 分叉点的前移和后移，则需除以或乘以所越过的环节的传递函数； 比较点的前移和后移，则需乘以或除以所超越的环节的传递函数。2.3.2 基本调节规律及其对系统调节质量的影响由于调节系统的稳定性和调节质量直接取决于调节系统的参数，而调节系统由各组成环节所构成，因而调节系统的参数取决于各组成环节

24、的参数，也就是说取决于调节器的特性及参数和广义对象的特性。调节器在一定输入信号作用下，其输出信号随时间变化的规律称为调节器的特性，或作用规律，也就是调节器输出输入的动态特性。调节器可分为P、I、D及其组合PI、PD、PID等多种作用规律。不论电动型、电动型调节器或集散型过程控制系统，都是P、I、D的组合，应用时只是根据被调对象的特性进行P、I、D整定而已。例如，则成为PI调节规律；，则成为PD调节规律；，则为纯比例调节规律。2.3.2.1比例调节规律 比例调节的物理意义调节器的输出变化量与输入变化量（偏差）成正比，由三种数学表达式。a.调节器输出变化P与偏差e的关系： 2.3.2.1 式中的P

25、0是时的调节器输出，Kc是调节器放大倍数。 b.调节器输出的变化量与偏差的关系： 2.3.2.2 注意，故式（2.3.2.1）与式（2.3.2.2）是完全一致的。 c.的拉氏变换式间的关系： 或 2.3.2.3 在调节器里，对比例调节作用通常并不标出放大系数的数值，而是采用比例度 的刻度。比例度的定义式是： 2.3.2.4或 2.3.2.5若略去 符号，并简化可得： 2.3.2.6对于一个具体的调节器，和都已固定，所以是一个常数并令其为，同时又因为，因此可得： 2.3.2.7输出P这说明调节器的比例度与放大系数成反比关系，其比例常数是。对于单元组合式调节器，其输入与输出信号相同，所以，比例度与

26、放大倍数互为倒数关系。调节器比例度的大小与输入、输出的关系如图2.3.2.1所示。 由图可以看出：100 时，调节器输入与输出在全范围内成正比。输入与输出为1:1的比输入例关系。 50 时，调节器输入只在25e25范围内与输出成比例。即输入比输出为1：2。0 时，调节器输出只在255005075范围内与输入成比例。输入比输出为2：1，即使输入作100变化，输出 也只改变50。 图2.3.2.1比例度与输入和输出的关系可见，在相同的输入变化下，比例度越小，调节器输出变化越大。 比例作用闭环特性 调节系统闭环时，输入、输出的时间特性叫闭环特性，或称输入、输出的动态特性。比例作用的闭环特性见图2.3

27、.2.2。PPP 正弦输入恒值输入阶跃输入ttttttEEE 图2.3.2.2比例作用闭环特性 从上述时间特性看，比例作用有以下特点： a.比例作用输入、输出同步变化，在时间上没有延滞。调节作用快。 b.输出信号与输入（偏差）信号一一对应。 对应于偏差的一点，调节器输出只有一个数值。当负荷变化时，要使输出变化，建立新的平衡，必须不为零。这就是余差不可避免的根本原因。 c.调节器输出变化速度与被调参数变化速度成正比。 比例调节的过渡过程 越小，对应于同样的 需要的也越小，故余差小，反之亦然。负荷变化越小，建立新的平衡需要的越小，也越小，余差也小，反之亦然。 比例度对调节过程的影响 由图2.3.2

28、.3可以看出，比例度不同，它的过渡过程也不同，对调节过程的影响也不一样。y 临界值等幅振荡太小,振荡加剧稳定性差适当太大,稳定快非周期衰减最大临差及余差大小于临界值扩散振荡比例度逐渐增大yyyyttttt 减小 时间t(a)新的给定值初始值减小时间t(b) 图2.3.2.3比例作用对调节过程的影响 图2.3.2.4不同比例度下的调节过程 （a）干扰作用；（b）给定作用 比例度对调节过程的影响,还可以通过图2.3.2.4所示的曲线族来说明,它们是同一对象在单纯比例调节时的过渡过程,其中图(a）是在干扰作阶跃变化下的情况，图（b）是给定值作阶跃变化下的情况。 在减小比例度，亦即加大 ，增强比例调节

29、作用时，会产生下列现象： a.余差下降； b.振荡倾向加强，稳定程度下降； c.工作频率提高，工作周期缩短； d.最大偏差在两类外作用下不一样，在干扰作用下，越小时最大偏差往往也越小；在给定作用下，越小时最大偏差却增大。 2.3.2.2 积分调节规律积分调节规律是调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比的调节规律，即： 2.3.2.8 或是调节器输出变化速度与输入偏差大小成正比的调节规律，即： 2.3.2.9式中 I 积分速度；Ti 积分时间。具有积分作用的调节器其传递函数为： 2.3.2.10 积分作用的物理意义通常用积分时间Ti表示积分作用的强弱，Ti越短，积分作用越强。反之亦然。只

30、要有偏差存在，输出便随时间而积累，直到偏差消除为止，系统达到新的稳定（否则输出一直到最大），这就是积分能消除余差的原因。积分调节作用可以自动消除系统的余差，也就是说，积分调节规律可以使被调参数最终准确地等于给定值，而比例调节总是存在一定余差，从这个意义来说，有积分作用的调节器称为“无差调节器”；而没有积分作用的调节器称为“有差调节器”。积分调节器在最后稳定时，余差完全消除，故输入偏差为零（输入被调参数等于给定值），但调节器输出可停于工作范围内任一所需的位置，该输出值根据克服干扰的需要而定，因此对应调节阀也可以是任一所需的开度。所以，有积分作用的调节器又称为“无定位调节器”，而没有积分作用的调节

31、器称为“有定位调节器”。 积分作用闭环特性P P P a t t t E EE tt t阶跃输入 恒速输入 正弦输入 图2.3.2.5 输入输出时间特性由图2.3.2.5所述时间特性可以看出：a.在阶跃、恒速、正弦输入下，调节器输出都是以一定速度随着时间而积累，直到最大或最小。其速度与偏差大小成正比，而与积分时间Ti成反比。所以在相同偏差下，积分时间越短，输出变化越快，积分作用越强。反之依然。b.只要偏差存在，调节器输出就不断变化，当偏差消除，输出即保持某积累量不再变化，所以在积分作用下，当达到新的稳态时，必然是无差的。c.积分作用与比例作用相比，具有相位上的滞后（900 ），所以调节速度慢。

32、 积分调节的过渡过程图2.3.2.6积分调节的过渡过程阀新开度阀原开度给定ttyP由图2.3.2.6所示的过渡过程曲线可以看出，输出信号与偏差信号不一一对应，积分作用P不依赖被调参数的变化方向，而只与偏差的正负有关，即只是在被调参数通过给定值的时刻才改变方向。当被调参数回到给定值不变时，即e=0，输出P也就停止不动，调节阀开度则在新的工况要求的位置稳定下来，这就是积分作用能够消除余差的重要原因。 积分饱和现象 某些系统中，由于偏差存在时间较长，在积分作用下，调节器输出越过极限，此时偏差虽已改变方向或减小，但调节器输出却不能回到极限以内，必须隔一段时间，才能恢复正常调节，这种现象叫积分饱和。此时

33、系统处于失调状态，危害极大，尤其在自选调节系统中。当前，一般较先进的仪表都设置了抗积分饱和措施积分限幅。它不但限制调节器幅度，而且利用反馈方式来防止积分电容电压的过积分现象。 积分时间对调节过程的影响 积分时间对调节过程的影响见图2.3.2.7。 y Ti太小 t 振荡加剧,削弱稳定性y Ti适当 t 14或110衰减 y Ti太大 t 积分作用不明显，余差消除很慢 y Ti t 纯比例作用，产生余差 图2.3.2.7积分时间对过渡过程的影响积分时间对调节过程的影响还可从图2.3.2.8所示的曲线看出。它们是同一对象在相同比例度，但不同的积分时间下的过渡过程，其中图（a）是干扰作阶跃变化下的情

34、况，图（b）是给定值作阶跃变化下的情况，调节器都是PI作用的。 在缩短积分时间Ti时，可产生下列现象：a.消除余差较快；b.稳定程度下降，振荡倾向加强；工作频率、周期及干扰作用下的最大偏差可能向有利的方向变动。不过，这是在比例度保持不变时的情况，如果要保持原来的衰减比，比例度必须放大，这时工作频率肯定降低，周期延长，最大偏差增大，见图2.3.2.9。测量值zTi缩短Ti缩短 时间t 时间t 图2.3.2.8不同Ti下的调节过程 (a) 干扰作用 (b) 给定作用zzzztttt加大 Ti缩短 图2.3.2.9在同样衰减比、不同Ti下的调节过程2.3.2.3微分作用调节规律调节器的输出变化量与输

35、入(偏差)变化的趋势(速度)成正比。用公式表示: 2.3.2.11用方框图表示见图2.3.2.10。 图2.3.2.10微分规律方块图 微分方程的物理意义的物理意义是偏差的变化速度。为微分时间，越大，微分作用越强。若偏差变化速度0，则不论偏差有多大，调节器的输出都为0，因此，微分不能作为独立的调节器使用。 微分作用闭环特性 微分作用闭环特性即输入输出时间特性、输入输出动态特性。由图2.3.2.11可知，微分卓雍与比例作用比，在相位上超前900叫角。调节器的输出P与偏差变化速度成正比，而与偏差大小无关。在分析对象特性，进行数据处理时，一般把时间常数T视为容量滞后c。由于微分作用具有超前特性，故可

36、用来克服容量滞后和时间常数对调节质量的影响，但对纯滞后0却无能为力（因为纯滞后期间y变化速度为0）。当0比T小很多时，即0T很小时效果最好。 当0时，不宜引入微分。PPP tttEEE ttt阶跃输入 恒速输入 正弦输入 图2.3.2.11微分输入、输出动态特性 微分时间对调节过程的影响 微分时间对调节过程的影响可从图2.3.2.12所时的曲线族看出。它们是同一对象在相同的比例度、相同的积分时间、但不同的微分时间下的过渡过程，都是在干扰作阶跃变化下的情况，调节器是PID作用的。PI增加测量值z测量值zPID时间t时间t 图2.3.2.12不同下的调节过程 图2.3.2.13 PID和PI调节的

37、比较引入微分作用后，稳定程度提高，最大偏差下降，各方面品质得到改善。同时，由于提高了稳定程度，如要保持原来的衰减比，比例度还可以缩小，这样可进一步改进品质。不过，在太大，超过某一界限后，振荡倾向反而会加强，对调节过程带来不利影响。 图2.3.2.13所示是同一对象在采用PI和PID调节作用时的两种过程。它们的衰减比相同，但整定参数不同，一般说来，适当引进微分作用可以起到改进调节品质的效果。 在采用微分作用时，有时也出现一些问题，需要注意： a.微分作用对于偏差的突变非常敏感，因此最好在工况比较平稳的情况下把微分作用切入。也用于同一原因，如需改变给定值时，应该缓慢均匀的进行，不宜大幅度起落，否则

38、将使调节器输出较长期处于极限数值，调节过程的超调现象比较严重。b.微分作用对于高频的脉动信号也很明暗，因此，当测量值本身有噪动的信号（如流量测量中往往有此情况）时，不宜再进行微分。另外，微分作用对于真正的纯滞后无能为力，遇到对象有特大纯滞后是，要用别的解决方案。2.3.2.4组合调节规律由比例、积分、微分三种基本作用调节规律可以组合成比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID）等不同的组合调节规律。 比例积分（PI）组合调节规律 PI调节单元的特性是： 2.3.2.12 用方块图表示如图2.3.2.14。 图2.3.2.14比例积分规律方块图PI调节器既具有比作用的快速（相对积分

39、作用而言）优点，可对干扰进行及时校正，使系统稳定快，又具有积分作用消除余差快的优点，现场应用较广。积分时间Ti定义如图2.3.2.15所示。当阶跃进入后，调节器输出等于比例作用和积分作用之和。 阶跃E为常数。当阶跃输入后，先按比例突变一个阶跃，然后慢慢等速积分。PIP当积分作用等于比例作用时，即 时，所以，积分时间就是在阶跃输入下，积分作用输出从开始变化，到等于比例作用输出时所需要的时间。 比例微分（PD）组合调节规律 比例微分调节，当输入信号作阶跃 tTiKcE0I变化时，输出一开始飞跃到单纯比例作 用的倍，然后沿指数曲线逐渐回降，到最后只剩下比例作用， E如图2.3.2.16所示。 输出值

40、 tE 2.3.2.13式中T为指数e下降的时间常数，可视 图2.3.2.15积分时间定义为微分常数，而为微分增益。 ，当时： 所以，PD作用规律的微分常数，实质是输出值由最大值跌落 所需的时间，而微分时间则为微分增益和微分常数的乘积，即。 在校验中，测试微分时间，也是先求得微分常数T，再乘以微分增益，这才是仪表某刻度的微分时间（微分增益取决于调解器的类型）。PDPPPD调节PP调节ETttEEEtt 图2.3.2.16阶跃输入的P、PD作用 图2.3.2.17恒速输入时的P和PD特性 由此可见，决定微分作用强弱的因素有：a.输出开始跳到输入信号的倍数即微分增益。b.降下来的时间快慢即微分常数

41、。两者决定了微分时间，也即决定了微分作用强弱。跳得越高，降得越慢，表示微分作用越强。 恒速输入时，PD调节器输出比P调节器输出增加了，即PD作用比P作用超前了一段时间,所以微分时间表示微分作用超前于比例作用的时间间隔。见图2.3.2.17所示。 比例积分微分（PID）组合调节规律 PID调节单元的特性是：2.3.2.142.2.2.15 PID调节器综合了比例、积分、微分三种调节作用的特点。当偏差信号进入时，比例和微分同时发生作用。由于微分的超前作用，可以使起始偏差幅度减小，降低超调量。比例作用是经常性的、主要的作用，可以使系统趋于稳定。接着积分起作用，慢慢把余差消除掉。 P、I、D作用规律组

42、合合理与否取决于对象特性和工况。图2.3.2.18说明了不同情况下各种规律的比较。PID调节不仅克服干扰能力大大加强，而且系统稳定性大大提高，所以比例、积分、微分不是简单的三作用叠加，而是互相促进。因为微分作用是阻止被调参数的一切变化，因此，引入微分后可以将比例度和积分时间相应减少而不降低系统的稳定性，从而提高调节质量。应当指出的是： a.当对象调节通道时间常数小，纯滞后大时，即 3时，微分作用无能为力。 b.对象调节通道时间常数小，负荷变化很快，引入微分或积分都将引起振荡。c.负荷变化大，对象调节通道滞后大，微分作用无能为力，必须设计复杂调节。IyPIPPD给定值PIDy 图2.3.2.18

43、各种调节器的比较2.3.3简单调节系统的分析和设计简单调节系统，是指由调节对象、测量元件、调节器和调节阀所组成的单回路反馈调节系统。本节所要讨论的是如何联系生产实际，合理选择被调参数与调节参数、测量变送、调节阀与调节器调节规律的选取；系统调节质量的改进；系统投运及调节器参数的整定等工程应用问题。简单调节系统是复杂调节系统的基础，学会了简单调节系统的工程分析、设计的处理方法，认识了一个系统里各个环节对调节质量的影响关系，懂得了系统设计的一般原则以后，就有可能联系生产实际，处理其它更复杂的系统设计问题。需要指出的是，由于简单调节系统是实现整个化工生产过程控制的最基本自动化单元。许多简单调节系统和复

44、杂调节系统集合才形成一个整体的化工生产自动化。因为有时各个系统之间的相互关联，使得局部的自动调节方案就其本身来说是可行的，但从全局，即整个生产过程自动化方案来考虑时，则又是不可取的。所以，在讨论简单调节系统时，要有一个全局观点，要与整个化工生产过程的控制问题联系起来。2.3.3.1被调对象所谓被调对象就是被控制的设备或装置，简称对象。如化工厂中管道、容器等，锅炉、反应器等是一些复杂对象。被调对象，一般指调节阀输出至被调参数检测点之间的工艺过程或设备，此为狭义对象（数学描述的部分）。自动化工程常用广义对象的概念，即调节系统除调节器的所有部分，包括调节阀、狭义对象、测量元件和变送器等。对象特性不但决定了调节器、调节阀、测量元件的选择，更重要的是，它为确定系统方案、分析质量指标、探索最优工艺状况和调节器参数整定等提供了重要依据。所谓对象特性,就是反映被调对象的输出参数与输入参数之间随时间变化的动态特性。它可以用曲线描述，也可以用数学式或传递函数描述，称为数学模型。对一个对象来说，输