过程控制-第4章

1、 型调节器图4-1 全刻度指示调节器组成框图 一、一、 输入电路输入电路 321III321IIIRVVVRVRVVBFFFi)21(0o1RVVRVVRVBTTsT02)(21oVsVVi结论：结论：1. 输出信号 是偏差信号 的两 倍；2. ， 均以零伏为基准的DC 15V， 而 是以 =10V为基准的信号，从 而实现了电平转移。 1oViVsV1oVBV二、二、 比例微分（比例微分（PDPD）电路）电路 比例微分电路由无源比例微分电路和比例运算放大器比例微分电路由无源比例微分电路和比例运算放大器A2A2组成，见图组成，见图4-4-4 4和图和图4-54-5。 图4-4 比例微分电路 图4

2、-5比例微分电路的组成a) 无源微分电路 b)比例放大电路 sCRRsVnnnsVsVDDDT1)(1)()(1o1oo111( )1DDDDnR C sVsnR C sTVVo2DKn ，DDDDDDCRKCnRT)(11)(o1o2sVsKTsTKsVDDDD设：设：当当 为阶跃作用时，利用拉氏变换，可求得为阶跃作用时，利用拉氏变换，可求得 随时间变化的数学表达式随时间变化的数学表达式 ： 1OVo2V)() 1(1 )(1o2otVeKKtVtTKDDDD图4-6 PD电路输出的 阶跃响应曲线 依据下式，可用实验法求取微分时间依据下式，可用实验法求取微分时间T TD D %2 .63)(

3、)0()()0(2o2o2o2oVVKTVVDD 当当S S处于处于“断断”位置位置时，微分作用被切除，时，微分作用被切除， 电路仅具有比例作用。电路仅具有比例作用。 此时微分电容此时微分电容C CD D通过电阻通过电阻R R并联在并联在9.1K9.1K 电阻两端，电阻两端，C CD D上的电压始终跟随上的电压始终跟随9.1K9.1K 电阻上的压降。电阻上的压降。 当当S S需要从需要从“断断”位置位置切换至切换至“通通”位置位置时，时， 在切换的瞬间，由于电容上的电压不在切换的瞬间，由于电容上的电压不 能突变，从而保持不变，对控制系统能突变，从而保持不变，对控制系统 不产生扰动，实现无扰动切

4、换。不产生扰动，实现无扰动切换。 无扰动切换无扰动切换三、三、 比例积分（比例积分（PI）电路）电路 CI和CM组成比例运算电路，即 2oo23o11VCCVsCsCVMIIMPRI和CM组成积分运算电路，即 dtVCRdtRVCVMIIMI2o2o3o11dtVCRVCCVMIMI2o2o3o1当 为常数时有： 2oV2o3o)1 (VCRtCCVIIMI设：IIICmRT IMImCCKK3K3不能为无穷大sTKsTCCWIIIMIsPI1111)(当输入为阶跃作用时，利用拉氏反变换可得的时间函数表达式当输入为阶跃作用时，利用拉氏反变换可得的时间函数表达式 )() 1()(2o3otVeK

5、KCCtVIITKtIIMI可作出实际可作出实际PIPI电路在电路在 为阶跃作用时输出为阶跃作用时输出 的响应特性，见图的响应特性，见图4-94-9。 2oV3oV图4-9 PI电路输出阶跃响应曲线 同样可用实验法来测定积分时间同样可用实验法来测定积分时间T TI I。 四、四、 整机的整机的PID传递函数传递函数 调节器的输入电路、调节器的输入电路、PDPD运算电路和运算电路和PIPI运算电路，这三个环节决运算电路，这三个环节决定了整机的传递函数。定了整机的传递函数。 图4-10 调节器传递函数框图 调节器的传递函数为调节器的传递函数为sTKsTsKTsTCCnsVsVsVsWIIIDDDM

6、Isi1111112)()()()(3osKTsTKTKKTsTsTTTCCnDDIIIIDDDIIDMI11112简化后可得：简化后可得：sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干扰系数：式中，干扰系数：1DITFT MIPnCCK2比例增益：比例增益：1PK比例度：比例度：DDDDDCRCnRT10微分时间：微分时间：10 nKD微分增益：微分增益：积分时间：积分时间：IIICmRT 积分增益：积分增益：IMICCmKK3由于相互干扰系数由于相互干扰系数F F的存在，上述参数的实际整定值与刻度值（的存在，上述参数的实际整定值与刻度值（ F F 1 1时）时）之间的关

7、系为：之间的关系为： *FFTTDD*IIFTT*拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式为：拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式为： )(3otV3( )()(1) ()()DI IDKttK TTOPIDisVtK FKFeKF eVV图图4-114-11为输入信号为阶跃作用时，调节器的输出响应特性：为输入信号为阶跃作用时，调节器的输出响应特性： 图4-11 PID调节器的输出阶跃响应曲线 五、五、输出电路输出电路 图4-12 输出电路 KRR1043设：设：3214RRR可列出下列方程：可列出下列方程： 2454524232BBBTVVRRRVV43o13o44RVVVR

8、VVVRVVBFBFFf)(51543oBfFVVVV即有：即有： TFVV由于由于3o4124VVf得得ffRIVo24 由图可求得：由图可求得： fRVI43oo因此因此oo II fRVI43oo六、手动操作电路和无平衡无扰动切换六、手动操作电路和无平衡无扰动切换 调节器的手动操作电路是附加在调节器的手动操作电路是附加在PIPI运算电路中而组成的，运算电路中而组成的，有软手操和硬手操两种。有软手操和硬手操两种。 (1) (1) 软手动电路软手动电路(2) (2) 保持电路保持电路(3) (3) 硬手动电路硬手动电路指切换时无需预先调平衡，可随时切换至所需位置，而切换指切换时无需预先调平衡

9、，可随时切换至所需位置，而切换时调节器的输出电流不变，对生产过程不产生扰动。时调节器的输出电流不变，对生产过程不产生扰动。2. 无平衡扰动切换：无平衡扰动切换：1) 1) 自动自动软手操的切换是双向无平衡无扰动切换。软手操的切换是双向无平衡无扰动切换。2 2） 同理，硬手操同理，硬手操软手操或者硬手操软手操或者硬手操自动的切换也是无平衡无自动的切换也是无平衡无扰动切换。扰动切换。3 3） 自动自动硬手操或软手操硬手操或软手操硬手操切换时，欲做到无扰动切换，硬手操切换时，欲做到无扰动切换，必须预先调平衡。必须预先调平衡。七、指示电路七、指示电路图4-17 全刻度指示电路 5AFTVV iVV o

10、设为理想运放，电阻R均为500K该电路是一个电压跟随器 即有：由于反馈支路的电流很小，可忽略不计，故流过电流表的电流 oo0iVIIRP一、抗积分饱和调节器 正常工作时，正常工作时，V V0303= =V VCMCM; ; 只要只要V V0202存在，存在，V V0303就不断就不断 增加或减小，直到限幅值；增加或减小，直到限幅值； 积分饱和积分饱和 输出信号不能及时反映输入信号的变化，导致调节不及输出信号不能及时反映输入信号的变化，导致调节不及 时，控制品质变坏。时，控制品质变坏。负反馈上下限幅给定电压二、微分先行二、微分先行PID调节器调节器)()(1)()11 (100)(sVsKTsT

11、sEsTPsMVsDDDI)()11 ()()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI调节器的传递函数：调节器的传递函数： 三、比例微分先行PID调节器调节器的传递函数：调节器的传递函数： )()(11)(1100)(sVsKTsTsEsTPsMViDDDI)(1)()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI一、数字式调节器控制规律的实现 DDZ调节器是模拟式调节器; 数字式调节器是离散系统; 连续系统的PID控制规律必须进行离散化。增量型完全微分连续增量型完全微分连续PIDPID算法：算法：pDI1d()dyKdtTTt 积分项用求和来近似：积分项用求和来近似

12、：00nniiiidttT 微分项用增量来近似：微分项用增量来近似：11nnnnddttT离散后的完全微分离散后的完全微分PIDPID控制规律为：控制规律为：ninnDiInPnTTTTKy01)(离散后的完全微分离散后的完全微分PIDPID控制规律为：控制规律为：ninnDiInPnTTTTKy01)(也叫做也叫做“位置型位置型”PIDPID算法算法。因为输出因为输出y yn n与调节阀的开度一一对应；输出端需加装保持器。与调节阀的开度一一对应；输出端需加装保持器。增量型增量型PIDPID算法：算法：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy仅取决于最后几次采样的偏差；适用于

13、实时性较高的系统。仅取决于最后几次采样的偏差；适用于实时性较高的系统。1.完全微分PID算法位置型：ninnDiInPnTTTTKy01)()2()(211nnnDnInnPnnTTTTTKTy增量型：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy速度型：)21 ()1 (21nDnDnDIPnTTTTTTTTKy偏差型：2. 2. 不完全微分不完全微分PIDPID算法算法 在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节。 完全微分完全微分PIDPID算法的缺点：算法的缺点： 微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间不

14、相对应 。不完全微分不完全微分PIDPID调节器：调节器：11)( )()(sTsYsYsWff不完全微分不完全微分PIDPID位置型算法：位置型算法： 1)1 (nnnyyayninnDiIPnTTTTKy01)(不完全微分不完全微分PIDPID增量型算法：增量型算法： 1)1 (nnnyyay)2()(211nnnDnInnPnTTTTKy不完全微分不完全微分PIDPID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。 3. 抗积分饱和算法数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积

15、分分离法积分分离法 ，其基本原理是，在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。 对于理想PID算法的增量形式：)2()(211nnnDnILnnPKKKKMV首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，然后确定是否投入积分作用，即： AAKL当当104. 数字式非线性控制对于数字式完全微分PID算法的增量算法： )2()(211nnnDnInnPLKKKKMV式中，LK为逻辑系数 BBKL当当10二、数字式调节器的组成二、数字式调节器的组成包括微机单元、输入电路、输出电路和人机对话单元。 执行器由执行器由执行机构执行机

16、构和和调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）两部分组成。两部分组成。 接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。程参数的自动控制。按照工作所用能源形式可分为：按照工作所用能源形式可分为：q电动执行器电动执行器：电源配备方便，信号传输快、损失小，：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。可远距离传输；但推力较小。q气动执行器气动执行器：结构简单，可靠，维护方

17、便，防火防爆；：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。但气源配备不方便。q液动执行器液动执行器：用液压传递动力，推力最大；但安装、：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 4.4.2 电动执行机构电动执行机构 iKIiIfI2. 伺服放大器伺服放大器 3. 校正网络校正网络 4.4.3 气动执行机构气动执行机构 它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带

18、动阀芯动作。 气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。 lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压p与与阀杆位移阀杆位移l的关系，即的关系，即 A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的气动执行机构的动态特性可

19、近似成一阶惯性环节动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 4.4.4 气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀 局部阻力可变的节流元件：局部阻力可变的节流元件：2122ppv2 pQAvA2. 调节阀的分类调节阀的分类（1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平衡作流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、用力大。一般用在小口径、低压差的场合。低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、

20、下两个阀芯上的推力方向相流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。q但是，由于加工的限但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量保证同时密闭，因此泄漏量较大。较大。（3 3）角形控制阀）角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，流路简单、对流体两个接管呈直角形，一般为底进侧出，流路简单、对流体的阻力较小。的阻力较小。q适用于现场管道要适用于现场管道要求直角连接，介质为高求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状量悬浮

21、物和固体颗粒状的场合。的场合。 （4 4） 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。种。适用于配比控制与旁路控制。（5 5）隔膜控制阀）隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作隔采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。膜，将阀芯与流体隔开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会要大。由于介质用隔

22、膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。泄漏。q耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。 q适用于大口径、大适用于大口径、大流量、低压差的场合，流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控或悬浮颗粒状介质的控制。制。（6 6）蝶阀）蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。4.4.4.3 4.4.4.3 调节阀的选择调节阀的选择1. 1. 调节阀的尺寸选择

23、调节阀的尺寸选择 通常用公称直径通常用公称直径D Dg g和阀座直径和阀座直径d dg g表示表示 确定调节阀尺寸的主要依据是确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力流通能力C C，它定义为调节阀全开、，它定义为调节阀全开、阀前后压差为阀前后压差为0.1MPa0.1MPa、流体密度为、流体密度为1g/cm1g/cm3 3时，每小时通过阀门的流体时，每小时通过阀门的流体流量（流量（m m3 3或或kgkg）。）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: : 2 pQA修正单位后修正单位后: : 0.16ppQAC例：例： 流过某一油管的最大体积流量为流过

24、某一油管的最大体积流量为40m40m3 3/h/h，流体密度为，流体密度为0.05g/cm0.05g/cm3 3，阀前后差压，阀前后差压p p=0.2MPa=0.2MPa，试选择调节阀的尺，试选择调节阀的尺寸。寸。调节阀的流通能力调节阀的流通能力C C为：为：30.054020/0.2CQmhp查表查表4-24-2可得，可得，C=20mC=20m3 3/h/h，d dg g=40mm=40mm，D Dg g=40mm=40mm。0.16ppQAC调节阀的体积流量为调节阀的体积流量为: : 2. 2. 气开式、气关式调节阀的选择气开式、气关式调节阀的选择 气开阀：有气时阀打开；气开阀：有气时阀打

25、开； 无气时阀全关。无气时阀全关。气关阀：有气时阀关闭；气关阀：有气时阀关闭； 无气时阀全开。无气时阀全开。选择原则：生产工艺的安全。选择原则：生产工艺的安全。调节阀的选择举例调节阀的选择举例4. 4. 调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 流量特性流量特性：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度 （相对位移）间的关系（相对位移）间的关系max( )QlfQL(1) 理想流量特性理想流量特性 阀前后压差不变条件下得到的流量特性；阀前后压差不变条件下得到的流量特性； 仅取决于阀芯的形状。仅取决于阀芯的形状。1 1）直线流量特性）直线流量特性调节

26、阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。移变化所引起的流量变化是常数。maxvQdQKldLmaxvQlKCQL积分C为积分常数 max11(1)QlQRLR由表由表4-44-4：在在10%10%开度时，开度时，22.7 13100%75%13在在50%50%开度时，开度时，61.351.7100%19%51.7小开度工作时，相对流量变化太大，控制作用太强；小开度工作时，相对流量变化太大，控制作用太强；大开度工作时，相对流量变化太小，控制作用太弱。大开度工作时，相对流量变化太小，控制作用太弱。90.3 80.6100

27、%11%80.6直线流量特性调节阀的特点：直线流量特性调节阀的特点：在在80%80%开度时，开度时，2 2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相单位相对行程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：对流量成正比关系：maxmaxVQdQQKKlQdL1maxlLQRQmaxlnQlKCQL由表由表4-44-4：在在10%10%开度时，开度时，6.584.67100%40%4.67在在50%50%开度时，开度时，25.6 18.3100%40%18.3小开度工作时，放大系数小开度工作时，放大系数KvKv较小，控制作用缓和平稳；

28、较小，控制作用缓和平稳；大开度工作时，放大系数大开度工作时，放大系数KvKv较大，控制作用及时有效。较大，控制作用及时有效。71.250.8100%40%50.8对数流量特性调节阀的特点：对数流量特性调节阀的特点：在在80%80%开度时，开度时，3 3）快开流量特性）快开流量特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。双位控制系统。2max11 (1)(1)QlQRL 快开流量特性调节阀的特点：快开流量特性调节阀的特点：阀芯形状采用平板型；阀芯形状采用平板型；有效行程在有效行程在D/4D/4以内。以内。(2) (2) 工作流量特性工作流量特性1) 调节阀的可调范围调节阀的可调范围maxminQRQ 理想可调范围理想可调范围 最大流通能力与最小流通能力最大流通能力与最小流通能力的比值，反映调节阀调节能力的大小。的比值，反映调节阀调节能力的大小。maxmaxminminQCRQC 工作可调范围工作可调范围A. A. 串联管道串联管道sRR S故maxminmaxmi