化工自动化及仪表2(本科)ppt课件

1、化工自动化及仪表内容辅导二1.本辅导主要内容第四章：执行器第五章：控制器第六章：简单控制系统2.第四章 执行器3. 作用：接受控制器的输出信号，改动支配变量，使消费过程按照预定要求运转 执行器直接控制工艺介质，假设运用或选型不当，会影响自控系统功能发扬。 执行器由执行机构和调理机构组成。 执行机构是根据控制器信号产生推力或位移的安装 调理机构是根据执行机构输出信号去改动能量或物料保送量的安装，通常指控制阀4.按照任务能源分为： 气动，广泛运用 电动，有一定运用 液动，现较少运用5. 电动执行器的执行机构和调理机构是分开的，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的伺服机构，作用

2、是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。 电动执行机构平安防爆性能差，电机动作不够迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机容易受损。6. 气动执行机构的执行机构和调理机构是一致的整体。执行机构有薄膜式和活塞式。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场所。薄膜式行程小，只能带动阀杆。 气动执行机构构造简单，输出推力大，动作平稳可靠、本质平安防爆，因此气动薄膜控制阀在化工、炼油消费中得到广泛运用。 7.1上盖，2薄膜，3托板，4阀杆，5阀座6阀体，7阀芯，8推杆，9平衡弹簧，10下盖图41 气动薄膜控制阀外形和内部构造8.1 执行机构9.一、气动执行机构1、薄膜式 传统型 侧装式(增力式执行机构) 采用

3、杠杠传动，把力矩放大，扩展执行机构的输出力。10.图42 气动薄膜执行机构传统型正作用1上膜盖2波纹薄膜3下膜盖4支架5推杆6紧缩弹簧7弹簧座8调理件9螺母10行程标尺11. 当信号压力添加时，阀杆向下挪动，称为正作用，称为ZMA型。 当信号压力添加时，阀杆向上挪动，称为反作用，称为ZMB型。 通常正作用的执行机构信号压力是通入薄膜片上方的气室，而反作用的执行机构信号是通入薄膜片下方的气室。12.图43 气动薄膜控制阀执行机构13.图44 气动薄膜执行机构侧装式正作用1推杆2摇板3衔接板4连杆5丝杆6滑块7手轮14.2、活塞式 属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力高达0.5MPa，且无弹簧

4、抵消推力，因此输出推力大，特别适宜高静压、高压差、大口径场所。 输出特性有两位式和比例式。15.图45 活塞式行机构构造图1活塞2气缸16. 在防爆要求不高且无适宜气源时可用电动执行机构。电动执行机构都是由电机带动减速安装，在电信号作用下产生直线运动和角度旋转运动。可分为： 直行程：输出各种大小不同的直线位移 角行程：输出角位移，转动角度小于360度 多转式：输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推进闸阀或执行电动机带动旋转式的调理机构，如各种泵。二、电动执行机构17.2 控制阀18.一、控制阀构造 从流膂力学看，控制阀是一个部分阻力可以改动的节流元件 。由于阀芯在阀体内挪动，改动了阀芯与阀座间

5、的流通面积，即改动了阀的阻力系数，从而到达控制工艺变量的目的。 常用的控制阀有直通双座控制阀。 19.图46 控制阀机构构造图直通双座 控制阀杆上端经过螺母与执行机构推杆相连，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上、下挪动，流体从左侧进入控制阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出20.图47 控制阀正、反作用a正作用 b、反作用21. 执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调理机构组合起来，可以实现气开和气关两种调理。由于执行机构有两种调理，控制阀也有两种作用方式，因此，就可以有四种组合方式可以组成气开或气关方式。 气开式是输入气压越高，开度越大，气失 时全关，称为FC型。 气关式是输入气压越高，开度越

6、小。气失 时全开，称为FO型。22.图48 气动控制阀气开、气关组合方式图23. 控制阀的气开与气关选择主要从工艺消费平安要求出发，思索原那么是：信号中断时，应该保证设备和操作人员的平安。假设阀处于翻开位置危害小，应选择气关式，这样，即使气源缺点气源中断时，阀门能自动翻开，保证平安，反之，应该选择气开式。 如加热炉燃气或燃油应该选择气开阀；24.二、控制阀类型 1、直通单座控制阀2、直通双座控制阀3、角型控制阀4、隔膜控制阀5、三通控制阀25.2 气动薄膜控制阀的流量特性26. 控制阀的流量特性是指流过阀门的调理介质的相对流量与阀杆的相对行程即阀门对应的开度之间的关系。 表示控制阀某一开度的流

7、量与全开时流量之比， 表示控制阀某开度下阀杆行程与全开时阀杆行程之比，称为相对开度。(4-1)27.流量特性通常用两种方式表示 1、理想特性 即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的构造参数。2、任务特性 即在任务条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。 28. 阀门是整个管路中的一部分，在不同流量下，管路系统的阻力不一样，因此分配给阀门的压降也不同。任务特性不仅与阀门本身的构造参数有关，也与配管情况有关。29.一、理想特性曲线 控制阀的前后压差坚持不变时得到的流量特性就是理想流量特性，阀门厂提供的就是这种特性。理想流量特性有： 线性流量特性 对数

8、流量特性等百分比 快开特性 这三种特性完全取决于阀芯的外形，不同的阀芯曲面可以得到不同的流量特性。30.图49 阀芯曲面外形31.1、线性流量特性 线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。流过阀门的相对流量与阀杆相对行程的关系可以表示成：R表示控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比，称为控制阀的可调比，它反映了控制阀调理才干的大小。国产R=30。(4-2)32.当 时，当 时， ，它反映出控制阀的最小流量 是其所能控制的最小流量，而不是控制阀全关时的走漏量。 线性控制阀的放大系数也是一个常数，即不论阀杆在什么位置，只需阀杆作一样的变化，流量的数值也作一样的变化。因此，在不同的开度

9、时流量的相对变化值不同，导致在小开度或大开度控制阀性能较差。 33. 指单位行程相对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。可以表示为：求解得：2 、对数流量特性等百分比(4-3)(4-4)34. 对数阀放大系数随相对开度的添加而添加，因此，有利于自动控制系统 在小开度时控制阀放大系数小，控制平稳 缓和， 在大开度时放大系数大，控制灵敏有效35.3、快开特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的添加，流量很快就到达最大，随后再添加开度时流量变化甚小，故称为快开特性。 主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统中。36.图410 控制阀的理想流量特性37.二、任务特性曲线 理

10、想流量特性是在假定控制阀前后压差不变的情况下得到的。然而，实践消费过程中，控制阀前后压差总是变化的。在这样的情况下，控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为任务流量特性。 设串连管道上的系统总的压差等于管道压差与阀门压差之和。 串连管道上的阻力损失与流速的平方成正比。38.图411 串连管道情况39.图412 串连管道上控制阀压差变化40.假设以S表示控制阀全开时，控制阀上压差与系统总压差之比，即以 表示理想流量特性下阀门压差为系统总压差，管道压差为0控制阀全开流量。可以得到串连管道时以 作为参比值的任务流量特性。(4-5)41.图413 串连管道上控制阀特性曲线理想特性为线性42.图414

11、串连管道上控制阀特性曲线理想特性为对数型43.任务特性分析S1表示理想特性曲线。 S减小，即管道阻力添加。 系统总压差不变，管道阻力添加，阀 门前后压差减小，全开时的流量也 小，控制阀的可调范围R也变小。 控制阀的流量特性发生畸变，理想线 性特性趋向快开；理想对数特性趋向 线性。44.S的选择过大或过小都不适宜。 S过大，在流量一样的情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，耗费能量过多。 S过小，那么对控制不利。普通希望S不低于0.3。当S0.6时，以为任务特性与理想特性接近。45.三、动态特性 气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看成是一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头见的引压管线有

12、气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，控制阀的时间常数太大，添加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。46.通常经过减小时间常数的措施有：尽量缩短引压管线的长度，如采用电动控制器时，电气转换器应该安装在气动薄膜控制阀附近。选用适宜口径的气动管线：管线过细，气容小，但气阻大；管线过粗，气阻小，但气容大。加装传输滞后补偿器47.3 阀门定位器48. 阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动控制阀配套运用。阀门定位器接受控制器输出信号，然后将控制器的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆挪动以后，其位移量又经

13、过机械安装负反响作用于阀门定位器，因此它与执行机构组成一个闭环系统。 采用阀门定位器，可以加强执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。49. 阀门定位器的任务原理如图416所示，当输入电流对主杠杠的电磁力矩与反响力矩相等时，阀杆就稳定在某个位置，从而使得阀杆位移与输入电流成比例关系。即阀门定位器是按照力矩平衡原理任务的。一、电气阀门定位器50.图415 电气阀门定位器原理图51.二、阀门定位器的作用 改善阀的静态特性 采用阀门定位器后，只需控制器输出信号稍有变化，经过喷嘴挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压有大的变化，以抑制阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按照

14、控制器发出的信号正确定位。52. 改善阀的动态特性 定位器改动了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。普通说来，假设气压传输管线超越60米时，应采用阀门定位器。 改善阀的流量特性 经过改动定位器的凸轮的外形，可使控制阀的线性、对数、快开流量特性互换。53. 用于分程控制 用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程挪动。如使两个控制阀分别在412mADC和(1220mADC)的信号范围内完成全行程挪动。 实现方式是经过零位调整和反响弹簧的调整。使定位器在这两个信号范围内，输出都是20100KPa。54. 用于阀门的反向动作 阀门定位器有正、反作用之

15、分。正作用时，输入信号添加，输出气压也增大；反作用时，输入信号添加，输出气压减小。 采用反作用式定位器可以使气开阀变成气关阀，气关阀变成气开阀。55.4 控制阀口径确实定56.一、控制阀流量系数 的计算 控制阀的流量系数直接反映了流体经过控制阀的最大才干，它是控制阀的一个重要参数。定义：控制阀全开时，阀前后压差为100KPa时、流体密度为1000Kg/m3时(即假设流体为水)，每小时流经控制阀的流量值(m3/h)。57. 控制阀是一个可以改动部分阻力的节流元件，对不可紧缩流体，可推导出流经控制阀的体积流量式中：A为控制阀接纳的截面积，Dg为接纳直径公称通径采用如下单位 (4-6)58.可得：流

16、量系数流量系数取决于控制阀的公称通径和阻力系数。(4-7)(4-8)59. 当消费工艺中流体性质密度一定、所需流量qv和阀前后差压确定后，只需计算出Kv的大小，就可确定阀的口径尺寸，即公称通径Dg和阀座直径dg 国外采用Cv表示流量系数，两者之间关系为：(4-9)60.二、控制阀口径确实定1根据消费才干、设备负荷决议最大流量qvmax(2)根据所选的流量特性及系统特点选定S值，然后求出计算压差即阀门全开时压差3根据流通才干计算公式，计算最大流量时的Kvmax4根据得到的Kvmax ，在所用产品型号的规范系列中选择大于该值并与其最接近的Kv值，从而选取阀门口径.61.5验证阀门开度与可调比，普通

17、要求最大流量时阀门开度不超越90，最小流量时阀门开度不超越10。 验证合格后，根据Kv确定控制阀的公称公径与阀座直径。62.5 气动薄膜控制阀的选用63. 了解控制系统对对控制阀的要求。操作性能可靠性、平安性 控制阀构造方式及材质 气开、气关的选择 控制阀的流量特性选择64.一、控制阀构造和材质选择从工艺条件和介质特性思索 当控制阀前后压差较小，要求走漏量也小时，选用直通单座阀 当控制阀前后压差较大，允许有较大走漏量时，选用直通双座阀 当介质为高粘度，含有悬浮颗粒时，为防止堵塞，选用容易清洗的角型控制阀65.二、控制阀流量特性选择1根据过程特性，选择阀的任务特性 常规控制器的控制规律是线性的，

18、因此，参数整定后，希望能顺应一定的任务范围，因此，希望广义对象也是线性的，即在遇到负荷、阀前后压力变化或设定值变化后，广义对象特性根本坚持不变。因此，控制阀的特性要可以补偿广义对象特性使得过程输入和输出为线性，如图417所示。66.图416 控制阀特性补偿表示图67.2根据配管情况，从所需的任务特性出发，推断理想特性制造厂标明的特性是理想特性。假设工艺配管不能准确确定时，普通选取对数阀，由于对数阀顺应性较强。68.三、气动薄膜控制阀的安装运用 执行器能否在控制系统中起到良好作用，一方面取决于控制阀构造类型，流量特性及口径的选择；另一方面还与控制阀的安装运用有关。69. 控制阀安装时应该思索如下

19、要素：1最好垂直安装，程度安装要加支撑。2环境温度不能太高或太低，要远离震动设备和腐蚀严重的地方。3应该安装在容易维护检修的地方。4控制阀安装到管道时，应使流体流动方向与控制阀体箭头方向一致。5控制阀的公称直径与管道直径不一致时，应该加一异径管。6控制阀在安装时，应设置旁路。70.第五章 控制器71.1 控制器概述72. 控制器在控制系统中处于重要位置：根据偏向按照一定的控制规律进展运算，将输出作用于支配变量，使过程输出被控变量稳定在期望的数值。种类很多： 常规控制器 以微处置器为根底的控制器73.按照任务能源： 气动 电动按照信号方式：模拟式数字式按照构造方式：基地式单元组合组装式集散控制系

20、统74.2 控制器的根本控制规律75.时间延续PID控制规律时间离散PID控制规律理想PID控制器的运算规律数学表达式：其传送函数方式：一、延续PID控制规律(51)(52)76.77.78.控制器运算规律通常用增量方式表示，假设用实践值表示，那么为：式中u(0)为控制器初始输出，即t0瞬间偏向为0时的输出。(53)(54)79.1、比例控制P分析1比例控制规律控制器输出变化与输入偏向成正比。在时间上没有延迟。在一样的偏向下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。(55)80.传送函数方式：图52 阶跃偏向作用下比例控制器的开环输出特性(5

21、6)81.(2)、比例度(57)82.(3)、比例度对系统过渡过程影响a在扰动或负荷变化及设定值变化时有余差存在。由于在这几种情况下，控制器必有输出 以改动阀门开度，力图使过程的物料和能量可以到达新的平衡。但 又正比于偏向 e，因此此时控制器的输入信号必然不是0。当比例度较小时，对应同样的 变化的e较小；因此余差小。83.b比例度越大，过渡过程曲线越平稳；随着比例度减小，系统振荡程度加剧。当比例度减小到某数值 时，系统出现等幅振荡，再减小系统将发散。因此控制系统参数设置不当，也达不到控制系统设计的效果应该根据系统各个环节的特性，特别是过程特性选择适宜的控制器参数 ，才干获得理想的控制目的。84

22、.c最大偏向在两类外作用下不一样在扰动作用下， 越小，最大偏向越小在设定作用且系统处于衰减振荡时， 越小，最大偏向也越大。由于最大偏向取决于余差与超调量。在扰动作用下，最大偏向取决于余差， 小，余差小。在设定作用下，那么取决于超调量，小，那么超调量大，所以最大偏向大。85.图53 不同比例度下过渡过程(a)扰动作用(b)设定作用86.d假设 小，那么振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。87.普通而言：当广义对象的放大系数较小，时间常数较大、时滞较小时，控制器的比例度可选较小，以提高系统的灵敏度。当广义对象的放大系数较大，时间常数较小而时滞较大时，需求适当增大控制器的比例度，

23、以添加系统的稳定性。 工业消费中定值控制系统通常要求控制系统具有振荡不太猛烈，余差不太大的过渡过程，衰减比定在4:110:1,而随动系统普通衰减比在10:1以上。88.比例控制小结： 比例控制是最根本、最主要也是运用最普遍的控制规律，它可以迅速地抑制扰动的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制通常适用于扰动幅度小，负荷变化不大，过程时滞较小 或者控制要求不高的情况下。89.负荷变化大，余差大，负荷变化小，余差小。(分析见前面比例度对过渡过程影响(c)过程 的越大，振荡越厉害，假设此时把比例度增大以提高系统稳定性，那么余差就会增大，假设 较小，那么比例度可以小些，余差也就减小。控制要求不高的场所：

24、液位控制中，往往只需求液位稳定在一定的范围内，没有严厉的要求，只需当比例控制的控制目的满足不了工艺要求时，才需引入其他控制造用。90.2、比例积分控制PI分析1积分控制规律KI表示积分速度。控制器输出信号的大小，不仅与偏向大小有关，还取决于偏向存在的时间长短。只需有偏向存在，控制器的输出就不断变化。偏向存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到到达输出极限。(58)91.只需余差为0，控制器的输出才稳定。力图消除余差是积分作用的重要特性。 在幅度为A的阶跃作用下，积分控制器的开环输出如图54所示。输出直线的斜率为KIA。92.图54 阶跃偏向作用下积分输出93.2积分控制规律分析 积分控制造用总

25、是滞后于偏向的存在，因此它不能有效地抑制扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，因此积分控制造用很少单独运用。如图55分析，引入积分作用会使系统容易振荡。 比例作用的输出与偏向同步，偏向大，输出大，偏向小，输出小，因此控制及时。而积分作用那么不是。94.在第一个前半周期内，丈量值不断低于设定值，出现负偏向，所以按同一方向累积。从t1到t2时间段，偏向还是为负，但数值在减小，因此，积分输出依然在添加，但添加的量在减小。显然，在这个时间段，积分输出添加是不合理的，由于偏向曾经在减小。这就暴露了积分控制的弱点：控制造用的落后性。这往往会导致超调，并引起被控变量动摇厉害。工业上常将比例作用与积分作用组合

26、成比例积分控制规律。95.图55 积分作用的落后性96.2比例积分控制规律 比例积分控制器的传送函数是：(59)(510)97. 在阶跃偏向作用下，比例积分控制器的开环输出如图56所示。 在偏向幅度为A的阶跃作用下，比例输出立刻跳变到KCA，然后积分输出随时间线性添加。在KC和A确定时，直线的斜率取决于积分时间TI的大小。TI越大，直线越平坦，积分作用越弱。TI越小，直线越陡，表示积分作用越强TI趋向无穷大时，比例积分控制器蜕变为比例控制器。98. TI是描画积分作用强弱的物料量，其定义为：在阶跃偏向作用下，控制器的输出到达比例输出的两倍所阅历的时间，就是积分时间TI。由于在恣意时间，控制器的

27、输出为： 。当t=TI时，输出即为2KCA。99.图56 阶跃偏向作用下比例积分控制器的输出100. 比例积分控制器在投运前，需对 和积分时间TI进展校验。积分时间测定时，普通先将比例度置于100%，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏向，测出控制器的跳变KCA，同时按住秒表，待到积分输出与比例输出一样时，所阅历的时间就是积分时间TI。如图57所示。101.图57 积分时间测定102. 比例积分控制器，任务点不断变化的比例控制器：比例控制器可以看成是粗调的比例作用与细调的积分作用的组合。假设比例控制器的输出增量与偏向信号一一对应，那么比例积分控制器可以了解为比例度不断减小，即比例增益不断放大的

28、比例控制器，如图56所示。103.3积分时间TI对过渡过程影响 在一个纯比例的闭环控制系统中引入积分作用时，假设 不变，那么可从图58所示的曲线看出，随着TI的减小，积分作用加强，消除余差快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；TI过小，能够导致系统不稳定。TI小，扰动作用下的最大偏向小，振荡频率添加。104.图58 比例度不变时积分时间对过渡过程影响(a)扰动作用(b)设定作用105. 在比例控制系统中引入积分作用可以消除余差，但是系统的稳定性降低。假设要坚持系统原有的稳定性，就要加大控制器的比例度，但这又会使系统的其他控制目的下降。因此，假设余差不是系统的主要控制目的，就没有必要引入积

29、分作用。106. 由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，有比例度和积分时间两个参数可调，因此适用范围较广，多数控制系统都可采用。只需在过程的容量滞后大，时间常数大，或者负荷变化猛烈时，由于积分作用较为缓慢，系统的控制目的不能满足工艺要求，才思索在系统中添加微分作用。107.4积分饱和及防止 积分饱和是指一种积分过量景象。在通常的控制回路中，由于积分作用能不断消除偏向，因此能到达没有余差的稳态值，但在有些场所却并非如此。 如图59(a)所示的保证压力不超限的平安放空系统，设定值为压力的允许限值，在正常操作情况下，放空阀是全关的，然而实践压力总是低于此设定值，偏向长期存在。108.其他积分饱

30、和情况 一些简单控制系统也会出现积分饱和情况，如在间歇式反响釜的温度控制回路中，进料的温度较低，远离设定值，因此在初始阶段正偏向较大，控制器输出会到达积分极限，把加热蒸汽开足。而当釜内温度到达和开场超越设定值后，蒸汽阀仍不能及时关小，其结果是温度大大超越设定值，使动态偏向加大，控制质量变差。 凡是长期存在偏向的系统容易出现积分饱和。有些复杂控制系统积分饱和甚至会更严重。109.防止积分饱和措施 积分饱和引起控制造用的延迟甚至失灵，对控制系统呵斥危害，严重时会发惹事故。 一种处理方法就是使得控制器实现PI-P控制规律，即当控制器的输出在某范围之内时，是PI作用，能消除余差；而当输出超越某限值时，

31、是P作用。110.1微分控制规律。 其输出正比于输入对时间的导数。TD为微分时间常数。传送函数：3、比例微分控制PD分析(511)(512)111. 理想微分控制器在阶跃偏向信号作用下的开环输出特性如图510所示。微分控制器的输出只与偏向的变化速度有关，而与偏向存在与否无关。因此，纯粹的微分控制造用是无意义的，普通都将微分控制造用与比例控制结合起来运用。112.图510 理想微分开环输出特性113. 理想的比例微分控制规律是： 传送函数为： 其中：TD为微分时间2比例微分控制规律(513)(514)114. 理想的比例微分控制器的开环输出特性如图511所示：图511 理想比例微分开环输出特性1

32、15. 理想的比例微分控制器在制造上很困难不能实现，工业上都是运用实践比例微分控制规律，其数学表示为： 传送函数为KD为微分增益3实践比例微分控制规律(515)(516)116. 在幅度为A的阶跃偏向作用下，实践PD控制器的输出为： 其中T=TD/KD。其开环输出特性如图512所示。(517)117.图512 阶跃偏向作用下时间比例微分开环输出118. 在偏向跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍，即KDKCA，然后按指数规律下降，最后当t趋向无穷大时，仅有比例输出KCA。因此决议微分作用的有两个要素:一个是开场跳变幅度的倍数，用KD来衡量另一个是降下来所需求的时间，用微分时间TD来衡量。

33、输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。119. 微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。电动控制器的KD普通是510。假设KD=1，那么等同于比例控制。KD1称为反微分器，它的控制造用反而减弱。这种反微分控制器运用于噪声较大的系统中，会取较好的滤波效果。120. 微分时间TD是可调的。测定微分时间时，先测阶跃信号A作用下比例微分输出从KDKCA下降到KCA+0.368KCA(KD-1)所阅历的时间t，此时t=TD/KD，再将该时间乘以微分增益KD即可。 由于微分在输入偏向变化的瞬间就有较大的输出呼应，因此微分控制被以为是超前控制。 实践运用中，微分作用往往与比例积分组合成PID控

34、制规律。121.图513 实践比例微分控制器微分时间测定122.4、比例积分微分控制PID1PID控制规律 理想的PID控制规律见公式51和52，实践的PID控制规律较复杂。 在幅度为A的阶跃偏向作用下，实践的PID控制可看作是比例、积分、微分三部分作用的叠加：其开环特性如图514所示。123.图514 阶跃偏向作用下PID控制器开环输出124.2微分时间TD对系统过渡过程的影响 在负荷变化猛烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。由于当控制器在感遭到偏向后再进展控制，过程曾经遭到较大幅度扰动的影响，或扰动曾经进入系一致段时间，而引入微分

35、作用后，当被控变量一有变化，根据变化趋势适当加大控制器的输出，有利于抑制扰动对被控变量的影响，抑制偏向的增长，从而提高系统的稳定性。125. 假设要求引入微分作用后依然坚持原来的衰减比，那么可适当减小控制器的比例度，普通可减小15%左右，从而使得系统的控制目的得到全面的改善。但是假设微分作用太强，即TD太大，反会引起系统振荡，必需留意这一点。 丈量中有显著噪声时，如流量丈量信号中常有不规那么的高频噪声，那么不宜引入微分作用，有时反而需求反微分作用。126. 微分时间TD对系统过渡过程的影响如图515所示。假设TD太小，那么对系统的控制目的没有或影响很小，如图中曲线1选取适当的TD，系统的控制目

36、的将得到全面的改善，如曲线2所示。假设TD过大，即引入太强的微分作用，反而能够导致系统猛烈振荡，如曲线3所示。127.图515 不同TD下的控制过程128.PID控制规律的运用 PID控制器有比例度 、积分时间TI和微分时间TD三个参数可供调整，因此适用范围广，在温度和成分分析系统的控制中得到更为广泛的运用。 PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都适用，必需根据工艺要求，选择最为适宜的控制规律。129. 各类化工过程常用的控制规律。液位：普通要求不高，用P或PI控制规律。流量：时间常数小，丈量信号中有噪声，用PI或加反微分控制规律。压力：介质

37、为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律。温度：容量滞后大，用PID控制规律。130.3PID控制器的构成 PID的构成有几种方式：电动型控制器中，将P、I、D环节直接在反响网络中串接。电动型控制器以及数字式控制器中采用PD或PI电路相串接的方式。在串接中，普通以为PD接在PI之前较为适宜。131. 图516(a)的接法可以适当减轻积分饱和程度，由于微分作用与偏向极性无关，只需有偏向变化，它总能使输出变化，由正值变为负值或反之，使PI单元早一些起变化积分作用有滞后性，而微分作用有超前性。而积分作用那么不然，其输出变化与极性有关，当到达积分饱和后，虽然偏向有变化，假设极性

38、不变，控制器输出依然处于最大或最小，对控制不利。见图59和517分析。132.图516 部分PID单元接法表示图(a)(b)133.图517 减小积分饱和的PID接法分析134. 图516(b)是将PD单元接在变送器之后而在比较机构之前，即只对丈量值y有微分作用，而对设定值r不直接进展微分。这种方式称为微分先行。当设定值改动时，不会使控制器输出产生跳变，防止了设定值扰动，有利于系统稳定，如图518分析所示。135.图518 微分作用在不同通道时控制差别设定值变化(a)微分加在偏向通道(a)微分加在丈量通道136.二、离散PID控制算法 数字式控制器和计算机控制系统中，对每个控制回路的被控变量处

39、置在时间上是离散断续进展的，其特点是采样控制，如图519所示。每个被控变量的丈量值与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出，通常把它坚持到下一个采样时辰。因此延续PID控制算法要改成离散PID控制算法。137.图519 经过采样器和A/D进展数字化138.1位置算法 式中，KC为比例增益，KI为积分系数，KD为微分系数 1、离散PID算法根本方式139.积分系数KI=KCTS/TI，TI为微分时间。微分系数KD=KCTD/TS,TD为积分时间。TS为采样周期即采样间隔时间 k为采样序号。 140.式中 对应于在两采样时间间隔内控制阀开度的变化。 2增量算法141.3速度算法式中，v(k)是

40、输出变化率，由于采样周期确定后，TS是常数，因此速度算法与增量算法无本质上的区别。 数字控制器与计算机控制系统中，增量算法是用的最多的。 142.2、离散PID算法与延续PID算法比较 模拟式控制器采用延续PID算法，它对扰动的呼应是及时的；而数字式控制器采用离散PID算法，它需求等待一个采样周期才呼应，控制造用不够及时。信号经过采样离散化后，难免遭到某种程度的曲解，因此假设采用等效的PID参数，那么离散PID控制质量不及延续PID控制质量。采样周期越长，控制质量下降越明显。 143. 数字式控制器及计算机控制采用离散PID时可以经过对PID算法的改良来改善控制质量，并且P、I、D参数调整范围

41、大，它们相互之间无关联，没有干扰，因此也能获得较好的控制效果。144.3 模拟式控制器145.一、模拟式控制器根本构造 比较环节：控制器中首先要进展丈量值与设定值的比较，电动控制器中比较环节是在输入电路中进展电压或电流信号比较。反响环节：控制器PID控制规律是经过反响环节进展的。在电动控制器中输出信号经过电阻与电容构成的无源网络反响到输入端。放大器：是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运放。146.二、DDZ-型电动单元控制器 是常用的一种模拟控制器，以来自变送器的规范15V直流信号作输入，与15V直流设定值比较得到偏向，进展PID运算后输出15V或420mA信号。1

42、47.特点： 采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。在基型控制器的根底上可添加各种功能，如非线性控制器可处理严重非线性过程的控制，前馈控制器可以处理大扰动及大滞后过程的控制，还可添加偏向报警、输出双向限幅及其它功能。148. 整套仪表可以构成平安火花防爆系统，而且添加了平安单元平安栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。有软、硬两种手动操作方式，软手动和自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。由于在自动与软手动之间有坚持形状，此时控制器输出可坚持长期不变，即使有偏向存在，也能实现无扰切换。149.两个概念：1无平衡切换

43、：指在自动手动切换时，无须事先平衡，可以随时切换至所需位置。2无扰动切换：是指在自动手动切换时，控制器的输出不会发生变化，因此消费过程不会有扰动留意：当从自动或软手动切换到硬手动时，需求预先讲硬手动操作杆对准自动或软手动输出指示值，这样才干无扰动。150. 采用国际规范信号制：现场传输信号420mA控制室联络信号：15V信号电流与电压转换电阻250欧 由于电气零点不是从零开场，因此容易识别断电、断线等缺点。 信号传输采用电流传送电压接受的并联方式，即进出控制室的信号为电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并以并联方式传输给控制室各仪表。151.基型控制器 基型控制器由控制单元与指示单元两部分组

44、成，如图520所示。控制器的任务形状有：1自动：丈量信号与设定值经过输入电路比较。2软手动：当控制器处于“坚持时，假设同时将控制器切换到软手动，输出可以按照快或慢两种速度作线性添加或减小，以对工艺工程进展手动控制3坚持：输出坚持切换前形状4硬手动：控制器输出与手操电压成比例152.图520 基型控制器方框图153.控制器的“正“反作用 控制器设有“正“反作用开关供选择，以满足控制系统要求(实现闭环负反响)。偏向定义丈量值设定值e=y-r。正偏向：丈量值大于设定值负偏向：丈量值小于设定值154.正作用：控制器的输出随正偏向的添加而添加反作用：控制器的输出随正偏向的添加而减小假设是负偏向，其控制器

45、的输出在“正、“反作用下的输出与上述正偏向相反。155.运用基型控制器时留意问题正确设置“内“外设定开关。定值控制系统中，控制器应该置于“内设定，随动控制系统应该置于“外设定。普通在刚刚开车或工况不正常时采用手动控制，待系统正常才无扰切换到自动控制。正确设置P、I、D参数。这些参数经过参数整定，选择一组适宜的PID参数，这样才干保证控制器在控制系统中发扬正确作用。156.控制器的“正“反开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来定，保证系统为负反响。如图521的分析。157.4 数字式控制器158.数字式控制器概述 功能强大、灵敏方便的操作手段、明晰直观的数字显示以及平安可靠、

46、性价比高特点，广泛运用。 以CPU为中心，可由用户编制程序，组成各种控制规律。 单回路控制器：只需一个控制回路，如引进的KMM、SLPC、PMK和Micro760/761。159.一、数字式控制器特点采用数字技术，以CPU为中心；而模拟式控制器采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为根本部件。实现了模拟仪表与计算机一体化。具有丰富的运算控制功能。运用灵敏，通用性强。具有通讯功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便。160.二、数字式控制器组成硬件部分主机电路CPU、存储器、I/O、。过程输入/输出通道人机界面通讯组件软件部分。系统软件用户软件161.第六章 简单控制系统162. 过程控制系统中

47、绝大多数是简单控制系统 简单控制系统是复杂控制系统与先进控制系统的根底 本章主要讨论简单控制系统的设计、投运与整定。163.1 系统组成原理及分析164.一、系统组成简单控制系统组成是： 一个控制器 一个变送器丈量仪表一个执行器控制阀一个被控对象 由于控制系统信号流只需一个回路，也称单回路控制系统。如图61所示。图62是该系统方框图。165.图61 换热器温度控制系统TC：温度控制器TT：温度变送器执行器：气动控制阀被控对象：换热器166.图62 换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下

48、降，Q下降。167.1、被控对象 从图62可以看出 系统有一个被控变量:加热炉出口温度T。 一个被控对象：换热器一个支配变量控制变量：蒸汽流量支配变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。对被控变量有影响作用的其他要素都看作干扰，即干扰也是对象的输入。168.2、控制器 实践的控制器包括方框图中的比较部分和控制器两个方框。 控制器可以是电动控制器，甚至是计算机，输出是电信号。可经过电/气转换器将信号送到气动阀，也可直接送到带电气阀门定位器的气动控制阀。 控制器的输入是设定值与丈量值的偏向。控制器实现各种控制规律。169.3、丈量及变送单元对应不同的变量，仪表种类众多，见第三章过程检测仪表的引见。

49、从输入输出关系看，很简单，完成从非电量到电量的转换，而且多数接近线性过程。被控变量真实值T无法得到，只能得到其丈量值Y。170.4、执行器过程控制中气动执行器最多，而电动执行器较少。执行器接纳控制器输出，使阀门开度变化，影响过程的形状，改动支配变量，最终对被控变量产生影响。可根据控制系统要求改动执行器的特性和作用方向。171.二、控制过程分析平衡形状假设蒸汽、冷流体的量和及质量不变，流入系统的蒸汽传送给冷流体的热量使被加热物出口温度维持不变。控制系统处于平衡形状。假设有扰动，或工艺要求新的出口温度，上述平衡被破坏。172.二、控制过程分析扰动分析扰动：蒸汽的压力和温度，冷流体的流量及质量。扰动

50、具有随机性质。扰动影响系统平衡，改动被控变量。控制系统要抑制扰动的影响。173.二、控制过程分析控制过程扰动使被控温度T添加时，控制系统抑制扰动，使T减小并回复到设定值。扰动使被控温度减小时，控制系统抑制干扰，使得T添加并回复到设定值。174.假设负反响变成正反响，控制系统将不能抑制扰动，即被控变量不能再回复到设定值。而且控制系统会使得被控变量更加偏离设定值。控制器或执行器的方向选错，也不能抑制扰动。175.2 简单控制系统设计176.一、控制系统设计概述1、根本要求控制系统设计人员有全面的自动化知识，同时熟习工艺安装对象。自动化与工艺人员相互交流，确定控制方案。切忌盲目追求系统先进性和仪表安

51、装先进性。设计要遵守有关的规范、行规。177.2、根本内容1确定控制方案 这是整个设计任务的中心，包括：被控变量的选择和确认、支配变量的选择与确认、检测点的选择、绘制带控制点的工艺流程图，写出初步控制方案设计阐明等文档。178.2仪表和安装选型 根据曾经确定的控制方案进展选型，思索要素：产质量量、价钱、可靠性、精度、供货方便程度、技术支持、维护等。3相关工程内容设计 包括控制室设计、供电和供气系统设计、仪表配管和配线设计及连锁维护系统设计等，提供相关图表。179.3、根本步骤1初步设计：目的是上报审批，并为订货作预备。2施工图设计：工程和方案同意后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。3设计

52、文件和责任签字：包括设计、校核、审核、审定、各相关担任人签字等。4参与施工与试车。5设计回访。180.二、被控变量的选择 被控变量选择是控制系统设计中关键问题。应该以工艺人员为主由于对控制要求是从工艺要求提出的，并与自控人员讨论。 为了实现预期的工艺目的，往往有多个工艺变量或参数可以选择，此时应遵照以下原那么：181. 1尽量选择能直接反映产质量量的变量作为被控变量2所选被控变量能满足消费工艺稳定、平安和高效的要求。3必需思索自动化仪表及安装的现状。182.三、支配变量的选择 选定被控变量后，要进一步确定控制系统的支配变量调理变量。实践上，被控变量与支配变量是要求一同综合思索的。支配变量选择应

53、该遵照一些原那么：1支配变量必需是工艺上允许调理的变量2支配变量应该是系统中一切被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量大，时间常数T适当小，滞后时间尽量小。 183.3不宜选择代表消费负荷的变量作为支配变量，以免产量遭到动摇。 如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为支配变量。假设不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，实际上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是消费负荷，普通不宜进展控制。184.四、控制器及控制规律选择 控制系统中，仪表选型确定后： 对象特性是固定的，不好改动。 丈量及变送器的特性比较简单，普通也不好改动。 执行器加上阀门定位器可有一定程度的调整，但

54、灵敏性不大。 可以改动的参数就是控制器，系统设置控制器目的，是经过它改动整个控制系统的动态特性，到达控制的目的。185. 控制器的控制规律对控制质量影响很大。根据不同过程特性和要求，选择相应的控制规律，以获得较高的控制质量。 确定控制器的作用方向，以满足系统要求，也是系统设计的重要内容。186.1、控制规律选择 控制规律主要根据过程特性和要求来选：1位式控制 常见的位式控制有双位和三位两种。普通适用于滞后较小，负荷变化不大也不猛烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内动摇的场所。如恒温箱、电阻炉等的温度控制等。187.2比例控制 是最根本的控制规律，当负荷变化时，抑制扰动才干强，控制造用

55、及时，过渡过程时间短，但过渡过程终了时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。 比例控制造用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不大、控制质量要求不高、允许有余差的场所。如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。188.3比例积分控制 引入积分作用可以消除余差，因此比例积分控制是运用最多、运用最广泛的控制规律，但是，参与积分作用后要坚持系统原有的稳定性，必需加大比例度减弱比例作用，导致控制质量有所下降，如最大偏向和振荡周期相应增大，过渡时间加长。 对于控制通道滞后小、负荷变化不太大、工艺上不允许有余差的场所，如流量或压力的控制，采用该规律可获得较好的控制质量。1

56、89.4比例微分 引入微分，会有超前作用，能使系统的稳定性添加，最大偏向和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，适用于过程滞后较大的场所。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽能够防止运用微分作用。190.5比例积分微分 微分作用对于抑制容量滞后有显著效果，对抑制纯滞后是无能为力的。在比例作用的根底上添加微分作用能提高系统的稳定性，如再加上积分作用消除余差，又有 ，TI ， TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较高的控制质量，它适宜容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求高的场所，如反响器、聚合釜的温度控制。191.2、控制造用方向选择1方框的正反作用方向方框的正作用方向，是指该方框的输入信

57、号添加，输出信号添加；输入信号减小，输出信号减小。方框的负作用方向，是指该方框的输入信号添加，输出信号减小；输入信号减小，输出信号添加。 在控制系统方框图中，每一个方框都有作用方向问题。如作用方向为正，标注“；如作用方向为负，标注“。192. 对于丈量仪表方框，由于丈量值Y总是随被控变量的添加而添加，被控变量减小而减小。所以该方框总是正作用方向，可标为“。 对被控对象模块，那么能够为正作用方向，也能够为反作用方向。 对于执行器，由于执行器中有改动作用方向的安装，因此它能够为正作用，也能够为反作用。它的选择取决于系统平安性。193.图63 正作用液位槽系统及方框图Qi添加，h添加，对象为正作用1

58、94.图64 反作用液位槽系统及方框图Qo添加，h减小，对象为反作用195. 因此，控制系统中，只需控制器的正、反作用可以改动，以保证整个控制系统是负反响控制系统。2控制器方框的正反作用选择 控制器方框的正、反作用选择根据是使整个控制系统为负反响，图63所示的控制系统的方框图如图65所示。196.图65 控制系统方框图根据前面的讨论，可以标出各方框的作用方向。197. 假设执行器也是正作用，此时，来确定控制器的作用方向。 假设h遭到扰动而添加，那么有： 另一方面，h添加了，要使h减小，需求Qi减小，而Qi减小要求U减小。因此，控制规律方框应该是正作用。198.(3)正作用控制器与反作用控制器

59、由于控制器是由比较点和控制规律方框两部分组成，所以它的作用方向也由两个部分综合。比较点中丈量信号前有一个“，将这个符号与控制规律方框的作用方向相乘，就是控制器整机的作用方向。如上例子中，控制器就是反作用控制器。 假设两部分相乘为正，就是正作用控制器。199.五、执行器的选择1、控制阀构造类型及材质的选择。 根据支配介质的工艺条件温度、压力、流量等及其特性粘度、腐蚀性、毒性、介质形状方式等和控制系统的不同要求来选用。200.表61 不同构造方式控制阀特点及适用场所201.2、控制阀气开、气关方式的选择 思索到阀的气源信号中断或者控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置平安还是处于全关的位置平安，详

60、细由工艺确定。以下几条原那么可以思索：1从消费平安出发 如消费蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水阀，为保证发生缺点时不把锅炉烧坏，应采用气关阀门。202.2从保证产质量量出发 当发生控制阀处于无能源形状而回复到初始位置时，不应该降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀采用气关式，一旦发生缺点，控制阀处于全开形状，防止不合格产品蒸出，从而保证塔顶产质量量。203.3从降低原料、废品、动力损耗来思索 如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式，一旦控制阀失去能源就处于气关形状，不再给塔进料，以免呵斥浪费。204.4从介质特点思索 精馏塔釜加热蒸汽控制阀普通选用气开式，以保证控制阀在失去能源时处于封锁形状，从而