过程控制复习课件

课程考核方式1、平常表现：占20%（作业，课堂讨论与提问，迟到1次扣1分，无故旷课1次扣3分，旷课5次以上取消考试资格）2、实验（4次）：20%3、试卷考试占60%；主要内容1.1典型过程控制问题1.2过程控制性能要求1.3过程控制系统组成1.4过程控制系统发展概况1.5过程控制方法分类第1章绪论过程控制（ProcessControl）：是指石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、核能等工业生产中连续的，或者按照一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。P11.1典型过程控制问题什么是自动控制？ 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、PH值等）自动地按照预定的规律运行。1.1典型过程控制问题连续型工业称为过程工业，也称为流程工业连续型（流动型、过程型）：活动中涉及的信息、物质、能量具有连续不断的特性，原料在连续流动的过程中，经传热、传质、生化物理反应等加工，发生了相变或分子结构等变化，失去了原有的性质而形成一种新的物质（产品）连续型过程控制六大参数：温度，压力，流量，物位，成分，物性。使其保持一定值或按一定规律变化1.1典型过程控制问题1.2过程控制性能要求过程控制要求---在设定值发生变化或受到外界扰动作用时，被控量应能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。P31.2过程控制性能要求稳定性---首要指标

快速性---当控制系统受到干扰影响时，控制系统能尽快地做出响应，改变控制量，使被控量与设定值之间有偏差的时间尽可能短.准确性---控制系统的被控量与设定值之间的偏差偏离度---被控量偏离设定值的离散程度tO1.2过程控制性能要求—时域性能时域性能指标---阶跃输入信号作用下，控制系统输出响应曲线表示的控制系统性能指标。ts衰减比衰减率振荡过程的衰减程度，衡量稳定度n=1:1,等幅振荡，临界稳定n>1:1,衰减振荡，稳定n<1:1,发散振荡，不稳定衰减比：是衡量过渡过程稳定性的动态指标，它的定义是第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。一般控制要求：

n=4:1（定值系统）或10:1（随动系统）;ψ=0.75或0.9（两周期后趋于稳定）1.2过程控制性能要求—时域性能典型过渡过程曲线：1.2过程控制性能要求—时域性能a：等幅振荡b：发散振荡c：衰减振荡d：非周期振荡最大动态偏差：扰动发生后，被控量偏离新稳定值y(∞)的最大偏差称为最大动态偏差（或最大过调量，过调量）。图中的y1即为最大动态偏差。超调量：最大动态偏差占新稳定值y(∞)的百分比称为超调量。（不能过大）1.2过程控制性能要求—时域性能超调量静态偏差（余差）：过渡过程结束，设定值r与被控参数的稳态值y(∞)之差。（稳态偏差，残余误差，简称残差，余差，静差）1.2过程控制性能要求—时域性能余差余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围，但不是所有的控制系统对余差都有很高的要求，如一般贮槽的液位控制，对余差的要求就不是很高，而往往允许液位在一定范围内变化。调节时间ts

●控制系统原处于平衡状态，受到扰动后，由于系统的控制作用，被控量过渡到被控量稳态值的2％～5％时，即达到新的平衡状态所经历的时间，称为调节时间ts。（也称为过渡过程时间，稳定时间）。反映过渡过程响应速度。1.2过程控制性能要求—时域性能调节时间从扰动开始到被控量进入稳态值的±5%或±2%范围内的时间.以上均是单项性能指标

给定测量值控制信号被控量控制量扰动偏差1.3过程控制系统组成1.3过程控制系统组成执行器检测变送单元控制器h被控量控制量1.3过程控制系统组成①被控过程（被控对象）：被控制的生产设备、装置或流程。被控量：需要进行自动控制的参数。②检测变送单元（传感器和变送器）：检测被控量，并将检测的信号转换为标准电信号或气信号输出。标准电信号：DC:4～20mA，1～5V标准气信号：1.96X104～9.8X104Pa1.3过程控制系统组成③控制器：也称为调节器，接受变送器的输出信号z(t)，以及设定值信号r(t)，根据z(t)与r(t)之间的偏差e(t)按照事先所设定的控制规律产生控制输出u(t)。使得被控量发生变化的作用称为扰动。控制通道内，控制阀不动作的情况下，由于通道内质量或能量变化造成的扰动称为内扰。（给水压力变化）其它来自外部的影响统称外扰（蒸汽负荷变化）设定值r，被控量测量值z，偏差e＝r－z。注意仪表行业规定e＝z－r（工程上）。1.3过程控制系统组成④执行器 接受控制器的控制信号，转换为一个动作，推动控制阀去控制被控对象。分为电动，气动两大类。⑤控制阀调节流体流量，改变对象的被控参数。1.3过程控制系统组成常用被控变量代号：第1位字母F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：压力T（Temperature）：温度W（Weight）：重量常用仪表功能代号：第2位字母C：控制T：变送如：LT、LC

举例分析教材P7以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不及时。！！闭环反馈控制系统扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法消除偏差。！！开环前馈控制系统前馈能及时克服主要扰动的影响反馈能检查控制效果，提高控制质量复合控制系统定值控制系统给定值固定不变

恒温箱控制随动控制系统

给定值随时间变化被控量要跟踪给定值

雷达跟踪顺序控制系统

给定值按预定程序变化

空调预设温度1.5过程控制方法分类—设定值信号目的：保持被控量稳定在给定值，能克服扰动对被控量的影响。定值控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。在工业生产中的应用：例如各种温度、压力、流量、液位等控制系统；恒温箱的温度控制；稳压电源的电压稳定控制等。随动控制系统设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。例如雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本身亦可以看作是一个随动控制系统，它的输出（指示值）应迅速和正确地随着输入（被测量值）而变化。如比值关系控制系统为随动动控制系统程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。主要内容2.1被控过程的特性2.2被控过程的数学模型

2.3解析法建立过程的数学模型2.4实验辨识法建立过程的数学模型第二章被控过程特性及其数学模型

简单控制系统简单控制系统是复杂控制系统的基础，它是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所组成的单回路反馈控制系统。简单控制系统的特点：系统结构简单，投资少，易于调整和投运；能满足一般生产过程的控制要求，尤其适用于被控对象时滞和时间常数都较小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。简单控制系统的分类：

按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。一、基本概念控制系统由被控对象，变送器，控制器，执行器组成。要选择自动控制方案，设计最佳控制系统，确定系统最佳整定参数，必须对被控对象的动态特性进行研究。被控对象：指工业生产过程中的各种装置和设备（加热炉，锅炉等）被控量：温度，压力，流量，液位，成分，转速等。控制对象的动态特性：对象在各个输入量发生扰动时，被控量随时间变化的规律。通道：被控对象输入量与输出量之间的信号联系称为“通道”。控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系称为控制通道。干扰通道：干扰作用与被控变量之间的信号联系称为干扰通道。●对于简单对象的动态特性，可以根据生产过程机理和生产设备结构用分析计算的方法得出（机理法）。●复杂对象，用机理法难以获得精确的数学模型，常常采用现场测试方法来了解对象的动态特性（常用阶跃响应法）。②对象的被控量变化比较缓慢。对象通常情况下具有：不振荡，单调，有迟延和惯性。分为两类：有自平衡能力的对象和无自平衡能力的对象。对象具有容量系数，阻力，传输距离，故表现为惯性，自平衡和迟延这三个重要动态特性。描述对象动态特性的三个特征参数为：放大系数K，时间常数T，迟延时间τ2.1被控过程的特性（1）自衡的非振荡过程自衡：在原平衡状态出现干扰时，无需外加任何控制作用，被控过程能够自发地趋于新的平衡状态。自衡非振荡：阶跃输入信号作用下，输出响应曲线能没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态.2.1被控过程的特性（1）自衡的非振荡过程具有纯滞后的一阶惯性环节具有纯滞后的二阶非振荡环节具有纯滞后的高阶非振荡环节过程的静态增益（或放大系数）过程的纯滞后时间过程的时间常数2.1被控过程的特性（2）无自衡的非振荡过程无自衡：在原平衡状态出现干扰时，当没有外加任何控制作用时，被控过程不能重新到达新的平衡状态

无自衡非振荡：阶跃输入信号作用下，输出响应曲线会没有振荡地从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态2.1被控过程的特性（2）无自衡的非振荡过程具有纯滞后的一阶积分环节具有纯滞后的二阶非振荡环节具有纯滞后的高阶非振荡环节过程的纯滞后时间过程的时间常数被控过程的数学模型----过程的输入变量与输出变量之间的定量关系。2.2被控过程的数学模型—概念作用于过程的控制作用和干扰作用过程的被控变量

控制通道：控制作用到输出变量的信号联系。干扰通道：干扰作用到输出变量的信号联系。解析法-------根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。解析法单位时间内进入被控过程的物料或能量,等于单位时间内,从被控过程流出的物料或能量单位时间内进入被控过程的物料或能量,减去单位时间内从被控过程流出的物料或能量,等于被控过程内物料或能量的变化率。不足：需要有足够和可靠的验前知识，否则，推导的结果就可能出现失真。优点：在过程控制系统没有建立之前就先推导出数学模型，对于系统事先设计和方案论证十分有利。过程辨识-----根据测试数据确定模型结构（包括形式、方程阶次及时滞等）。参数估计-----在已定模型结构的基础上，再由测试数据确定模型的参数。实验辨识法-------根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计得出数学模型。实验辨识法（1）对被控过程中机理比较清楚的部分采用机理演绎法推导其数学模型，对机理不清楚或不确定的部分采用实验辨识法获得其数学模型。（2）先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各个参数的大小。混合法使用条件！工艺过程复杂，物料平衡关系对应微分方程困难。！工艺过程特性为高阶微分方程，存在非线性，求解困难。！建模简化中存在近似，导致模型不精确。2.4实验辨识法建立过程数学模型常用方法：响应曲线法、相关统计法、最小二乘法时域方法----输入为方波或阶跃信号；精度不高；生产影响大频域方法----输入为正弦波；精度高，需要低频测试设备；生产影响小统计方法----输入为随机信号；精度高，数据量大；生产影响小2.4实验辨识法建立过程数学模型—分类阶跃响应法------通过操作过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的响应曲线用记录仪或其它方法测试记录下来，再根据测试记录的响应曲线来求取过程输出与输入之间的数学关系。响应曲线法-------通过测取过程的阶跃响应或脉冲响应曲线辨识数学模型的方法。响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法（1）根据阶跃响应确定一阶环节参数直角坐标图解法半对数坐标图解法响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法设阶跃输入变化量为x0，一阶无时延环节的阶跃响应为以K0x0/T0为斜率作切线，在t=T0处与y(∞)相交。响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法（1）根据阶跃响应确定一阶环节参数---直角坐标图解法

分析过程趋于新的稳态：t=0时斜率：t=T0时响应值：①由阶跃响应曲线确定y(∞)

，再由K0=y(∞)/x0确定K0。②由t=0处作切线，其与y(∞)的交点所对应的时间为T0（OB段）。tOABT0响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法（1）根据阶跃响应确定一阶环节参数---直角坐标图解法

tOtO扩展：由于t=0处，阶跃响应的数值小，切线不易确定。采用三个典型点取值的平均来确定T0。响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法（1）根据阶跃响应确定一阶环节参数---直角坐标图解法

三个典型点主要内容

3.1概述3.2检测仪表的工作特性3.3测量误差3.4温度检测与变送3.5压力检测与变送3.6流量检测与变送3.7物位检测与变送3.8智能检测类仪表3.9煤矿常用检测类仪表第三章过程参数检测仪表、模拟仪表的信号制信号制：即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。电信号：模拟信号，数字信号，频率信号，脉宽信号。电模拟信号：直流电流（压），交流电流（压）电动仪表信号标准的使用结论：距离相同时，电流传输精度高于电压传输精度。远距离传输，进出控制室，采用电流信号。控制室内各个仪表之间采用电压信号。传感器：利用物理或化学敏感的部件或材料，直接或间接与被测过程发生联系，感受被测参数的变化，并按照一定规律将其转换为可用输出信号。3.1概述----检测仪表的组成变送器：变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用3.2检测仪表工作特性检测仪表的工作特性-----能满足被测参数测量和系统运行需要而应具有的仪表输入/输出特性。通过量程与零点的调整与迁移来实现。

仪表的相对误差“折含误差”S：绝对误差相对仪表量程的百分比。！！为减少仪表读数误差，仪表应尽量工作在量程的70%-80%。注：3.3测量误差仪表精度等级：

按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。精度等级常以一定符号内的数字标明，在仪表面上。我国仪表精度等级为：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等级数越小，精度越高。

校验用标准表多为0.1，0.2级；工业现场多为0.4~0.5级。例：某仪表的精度等级为1.5，则允许误差为±1.5%3.3测量误差3.4温度检测与变送---分类类型型式原理测温范围(℃)准确度(℃)特点常用种类接触式膨胀式膨胀-200~6500.1~5结构简单，响应速度慢，适于就地测量汞温度计双金属式温度计压力表式压力-20~6000.5~5具有防爆能力，响应速度慢，测量精度低，适于远距离传送液体压力温度计蒸汽压力温度计热电阻热阻效应-200~8500.01~5响应速度较快，测量精度高，适于低、中温度测量，输出信号能远距离传送铂电阻温度计铜电阻温度计热敏电阻温度计热电偶热电效应-200~18002~10响应速度快，测量精度高，线性度差，适于中、高温度测量，输出信号能远距离传送N型、K型、E型、J型、T型、B型等非接触式辐射式热辐射100~30001~20响应速度快，线性度差，适于中、高温度测量，测量精度易受环境影响辐射温度计光电高温计红外测温计将两种不同材质的导体或半导线在其端点实现物理接触；当回路两端温度不同时，回路中出现电势差。AB热电偶产生的直流热电势与温度有准确的单值对应关系，且幅值不超过几十毫伏。3.4温度检测与变送---热电偶热电偶------基于热电效应实现温度检测.3.4温度检测与变送---热电偶热电偶的热电特性----当热电偶材质确定且冷端温度恒定时，热端温度与热电动势之间呈单值函数关系在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电动势EAB(t,t0)，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。（P274附录A）3.4温度检测与变送---热电偶冷端温度补偿---热电偶只有在冷端温度保持不变时，才能保证热电动势与被测温度之间呈单值函数关系。---热电偶的分度表一般是在冷端温度t0=0℃情况下测定。热电偶的冷端必须保持恒定（0℃），以避免测量误差。查分度表求得

测量的热电动势热电偶冷端补偿方法冷端温度保持为0℃；冷端温度修正法，包括温度修正法T=T’+kT和热电势修正法（查表法）；冷端温度自动补偿法，包括补偿电桥法和pn结补偿法；补偿热电偶法，即补偿导线法。 用补偿导线（延伸导线）把热电偶的冷端延长到温度较为稳定的地方。 补偿导线和对应的热电偶在0～150摄氏度范围内，具有基本相同的热电性能。电桥平衡时：3.4温度检测与变送---热电阻热电阻接入结构二:三线制

避免或减少导线电阻对测温的影响.功能：与各种热电偶、热电阻配合使用，将被测温度转换成统一的标准电流（电压），作为显示仪表，调节器或计算机模拟输入采集的输入，以实现被测温度的显示、记录或控制。3.4温度检测与变送---DDZ-Ⅲ温度变送器特点：1）采用低漂移，高增益的线性集成放大电路作为主放大器，线路可靠，稳定性强。2）在热电偶、热电阻变送器中采用线性化电路,使变送器输出信号呈线性关系。3）采用安全火花防爆措施（本安），适用于具有爆炸危险场合中温度或直流毫伏信号的检测。4）采用直流24V.DC集中供电，变送器内无电源，实现“二线制”接入。作业：P83:3-2、3-3、3-4、3-6、3-9主要内容

3.5压力检测与变送3.6流量检测与变送

第三章过程参数检测仪表压力：均匀垂直作用在单位面积上的力。绝对压力P:物体所承受的实际压力绝对真空Po=0环境大气压力Patm真空度：大气压力与低于大气压时的绝对压力之差。Pv-Patm<0表压力：高于大气压力时绝对压力与大气压之差。Pg-Patm>0高压侧--“正压”侧低压侧--“负压”侧3.5压力检测与变送---概念压力（差压）变送器压力（差压）变送器外观结构如图所示在生产过程中，压力（差压）变送器用来测量各种液体、气体以及蒸汽的压力（压差），并把它转换成统一标准信号输出，与其他单元仪表配套进行自动控制、显示、纪录和报警。差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。＋显示仪表Q差压变送器节流装置3.6流量检测与变送---差压式流量计作业：P843-10、3-15、3-17、3-18、3-19主要内容4.1执行器的工作原理与分类4.2电动执行机构4.3气动执行机构4.4调节机构4.5电-气转换器4.6阀门定位器4.7执行器的选择第四章执行器4.1执行器的工作原理与分类执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。比较项目气动执行器电动执行器液动执行器结构体积推力配管配线动作滞后频率响应维护检修使用场合温度影响成本简单中中较复杂大狭简单防火防爆较小低复杂小小简单小宽复杂隔爆型才防火防爆较大高简单大大复杂小狭简单要注意火花较大高三种执行器的特点比较正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。

反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小调节阀（正装、反装）执行机构（正、反作用）4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式信号压力增加，阀门开度大；信号压力减小，阀门开度小；无信号压力，阀门全关；信号压力增加，阀门开度小；信号压力减小，阀门开度大；无信号压力，阀门全开；气开气关保证无气源时，系统安全。4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。

对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全,要由具体的生产工艺来决定。控制阀气开、气关形式的选择控制阀气开、气关形式的选择应遵循几条原则

①首先满足生产安全考虑当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。

给水阀燃气阀蒸汽例如：选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：给水阀和燃气阀如何选择？给水阀应选气关式燃气阀应选气开式

②从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。

③从降低原料、成品、动力损耗来考虑。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即处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。④从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全关状态避免蒸汽的浪费，但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气关式以防调节阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。（1）调节阀的流量特性

阀前后压差不随阀开度变化而变化时的流量特性称为理想流量特性；

阀前后压差随阀开度变化而变化时的流量特性称为工作流量特性。①控制作用强：相对行程变化大（大开度），流量变化大；反之，控制作用弱②调节性能（精度）高：大开度，小流量（2）流量特性----串联管道的工作流量特性阻力比：S越小，畸变越严重，实际中要求S>0.3到0.5。S=1时，为理想流量特性；S<1时，由于串联阻力影响：S越小，特性趋于快开特性。调节阀全开时前后压差总压差理想流量下全开流量工作流量下全开流量4.4调节机构---调节阀特性X越大，说明分流作用越小，对总流量影响越小。其特性曲线与理想特性曲线形状保持不变，但调节范围变化较大。实际要求X>0.8：X减小，旁路阀开得大，调节阀可调范围减小。X=1时，旁路阀全关，为理想特性曲线；（2）流量特性----并联管道的工作流量特性4.4调节机构---调节阀特性

如果采用电/气转换器和气动执行机构配合，是开环系统，调节精度不高。如果采用阀门定位器与气动执行机构配合，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位器，利用负反馈，提高气动调节阀的位置精度。4.6阀门定位器（1）阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀芯产生的不平衡力。---适于高压差、大口径和含有固体悬浮物介质或黏性流体场合。（2）减少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。（3）提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电—气转换器；在慢速响应系统中采用电—气阀门定位器。4.7执行器的选择与安装执行器的选择应从四方面来考虑：控制阀结构型式及材料的选择控制阀口径的选择控制阀气开、气关形式的选择控制阀流量特性的选择一、执行器的选择小结选型：执行器的结构选择、气开气关的选择、流量特性选择、调节阀的口径选择作业：4-1，4-7，4-10,4-11主要内容5.1防爆基础理论5.2本质安全防爆技术5.3安全栅5.4本安防爆系统设计要求第五章仪表本安防爆技术5.1防爆基础理论---危险场所防爆技术（1）隔爆型仪表具有防爆外壳，仪表的电路和接线端子全部位于防爆壳内。防爆外壳能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。适用于1区和2区危险场所，且要求在非通电运行情况下进行开壳检修或调整。（2）本安型仪表的全部电路均为本质安全电路，电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不会引起周围爆炸性气体混合物爆炸。5.2本质安全防爆技术---基本原理抑制点火能量方法:（1）对危险场所的回路，选择适当的R、L、C，限制其火花能量；在回路中并联二极管以消除不安全火花；（2）加入安全栅，对安全场所的高能量进行限制和隔离，使其不会窜到危险场所。作业本安型防爆仪表必须限制电火花或热效应的能量小于最小点燃能量，将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内。保证危险场所的仪表不产生非安全火花保证安全场所的不安全火花到不了危险场所主要内容6.1PID控制原理6.2PID控制参数的整定方法6.3DDZ-III型PID控制器第六章PID控制器设计及参数整定几个概念

控制器的输入e与输出Δy的变化方向相同，为正作用控制器；如果输入e与输出Δy变化方向相反，为反作用控制器。控制规律对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行控制规律（如PID）运算，并输出控制信号至执行器控制器的作用控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。如PID控制规律控制器的作用内、外给定信号给定信号由调节器内部提供，称为内给定信号（如单回路定值控制系统）；当给定信号来自调节器外部，称为外给定信号（如随动控制系统）；转换通过内外给定开关完成。正、反作用调节器6.1PID控制原理PID:Proportional-Integral-Derivative(比例－积分－微分)本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。6.1PID控制原理---比例控制控制器的输出信号u与输入偏差信号e成比例关系比例增益控制器输出信号的起始值增量形式比例度P的物理意义：使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。如P=50%表明：控制器输入偏差变化50%，就可使控制器输出变化100%，若输入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比例关系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号范围是4～20mA。当指示指针从600℃变到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。解答温度的偏差在输入量程的50％区间内（即200℃）时，e和y是2倍的关系。y/mAx/℃e420800400P=50%6.1PID控制原理---比例微分控制特点与PD相比，PID提高了系统的无差度；与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。PID兼顾了静态和动态控制要求。比例系数Kp、积分时间TI、微分时间TD对控制效果的影响（重要）①Kp大，系统反应灵敏，过渡过程快，稳定性差②TD大，克服容量和测量滞后效果好，但对于突变信号反应过大，降低稳定性。①TI小，消除余差快，稳定性下降，振荡加剧全刻度指示控制器6.3DDZ-III型PID控制器将变速器送来的1-5V.DC的测量信号，与1-5V.DC的给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出4-20mA.DC信号，传递给执行器，实现对过程参数的自动控制。S1、S2自动到硬手动或从硬手动到自动，需经过软手动；若在这个位置不进行增大或减小的软手动操作，则暂时处于“浮动”状态，该状态可以作为过渡避免扰动。自动软手动硬手动无平衡无扰动无平衡无扰动无平衡无扰动需平衡才能无扰动6.3DDZ-III型PID控制器全刻度指示控制器---手动操作电路三、积分饱和问题由于积分导致VF和V0不相等，称为积分饱和。

Vi反向时，由于积分饱和，Vo不能马上变化，导致控制滞后。抗积分饱和的措施：由于输出到达限幅值，积分作用没有停止，产生积分饱和。采取某种手段，监视积分环节的输出，达到限幅值时●限制电容上的电压VC；●取消积分作用，转换为比例作用●使得输入信号为零或者反向。调节规律优点缺点应用P灵敏、简单，只有一个整定参数；存在静差负荷变化不显著，工艺指标要求不高的对象。PI能消除静差，又控制灵敏对于滞后较大的对象，比例积分调节太慢，效果不好。应用于调节通道容量滞后较小、负荷变化不大、精度要求高的调节系统。例如，流量调节系统。PD增进调节系统的稳定度，可调小比例度，而加快调节过程，减小动态偏差和静差系统对高频干扰特别敏感，系统输出易夹杂高频干扰。应用于调节通道容量滞后较大，但调节精度要求不高的对象。PID综合了各类调节作用的优点，所以有更高的调节质量。对于滞后很大，负荷变化很大的对象，PID调节也无法满足要求，应设计复杂调节系统应用于调节通道容量滞后较大、负荷变化较大、精度要求高的对象。九、调节器参数的工程整定方法在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。几种整定方法的比较整定方法优点缺点反应曲线法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时经验法系统闭环，不需计算需要经验控制器参数对控制过程的影响：比例度逐渐减小→积分时间逐渐减小→微分时间逐渐增大→一、简单控制系统的结构与组成指由一个测量变送器、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。

TC206后续字母表示仪表功能第1位数字表示工段号后续数字表示仪表序号第1位字母表示被控参数LCTT仪表符号标准控制系统原理方框图给定值＋－测量变送器控制器执行器对象操作量被控变量干扰热物料载热介质冷物料热交换器TTTC控制系统工艺流程图二、简单控制系统设计1.过程控制系统方案设计的基本要求生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。2.过程控制系统设计的主要内容过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。被控参数选择的方法对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量。当选直接参数有困难（信号微弱或者无法进行检测）时采用。可以选择那些能间接反应产品质量和产量又与直接参数有单值对

应关系的、易于测量的参数作为被控参数。即能直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。

(1).选直接参数(2).选间接参数所选的间接指标应当具有足够大的灵敏度，以便反应产品质量的变化。选择被控变量时需要考虑到工艺的合理性和国内外仪表的生产状况。选择控制参数的一般原则

1.控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量

2.控制变量一般应该比其他干扰对被控量的影响更加灵敏。

扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后愈大，愈有利于控制。为此，要合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间0越小越好，0与T0之比应小于1.时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。

3.注意工艺操作的合理性、经济性。克服测量滞后的几种常用方法

1.选择快速测量元件

2.正确选择测量元件的安装位置

3.正确使用微分器

4.尽量采用电信号进行传输

被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。选择测量及变送装置的一般原则

执行器的选择

控制阀在系统设计中考虑：

1）阀结构类型—直通单座、双座、蝶阀等

2）阀门的口径—正常开度在15%--85%3）阀的开闭形式—气开、气关

4）阀的流量特性—对数、直线、快开控制器正、反作用的选择控制系统运行的必要条件：闭环回路构成负反馈

控制系统中，控制器、被控对象、测量元件及执行器都有各自的作用方向。若组合不当，构成正反馈，破坏生产过程的稳定性系统投运前，必须注意各环节的作用方向，保证系统形成负反馈为了说明选择方法，先定义作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用”。按此定义：变送器都是正作用气开阀是正作用，气关阀是反作用被控对象有的正作用，有的反作用控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：正作用：测量值–给定值反作用：给定值–测量值

对象正反作用判断当通过控制阀的物料或能量增加时，按工艺机理分析，若被控量随之增加为“正作用”，随之降低为“负作用”；控制系统中，各个环节的作用方向组合不当的话，会使系统构成正反馈，不但不能起控制作用，反而会破坏生产过程的稳定。因为执行器和对象有正、反作用，为了保证控制系统负反馈，调节器必须有正、反作用之调整。偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰—测量值正作用反作用正作用正作用＋

调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。偏差控制器执行器对象变送器给定值被调参数干扰－测量值反作用正作用正作用正作用＋控制器正反作用方式选择：控制器±×控制阀±×对象±×变送器±＝－例1：加热炉出口温度控制系统负反馈验证：设某时刻燃料压力↑→燃料流量↑→炉温↑→出料温度↑→TT输入↑→TC输出↓→阀关小→炉温↓→出料温度↓TTTC反正正正燃料出料例2：储槽液位控制系统LTLCM正正正反出料负反馈验证：设某时刻进料量↑→液位↑→LT输入↑→LC输出↑→阀开大→出料量↑→液位↓主要内容7.1串级控制系统7.2前馈控制系统7.3大滞后过程控制系统7.4比值控制系统7.5选择性控制系统7.6分程过程控制系统第七章复杂过程控制系统

7.1串级控制系统当对象的滞后较大，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。串级控制是在简单控制系统基础上的改进。串级控制系统-----由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。上图管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－

－＋主控制器执行器副对象主对象主变送器副变送器副控制器＋

－－＋主变量副变量给定干扰标准框图为：几个串级控制系统中常用的名词

主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。主对象为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。几个串级控制系统中常用的名词

举例1：加热炉温度控制选取物料出口温度为被控参数，炉膛温度为中间辅助变量，把物料出口温度调节器的输出作为炉膛温度给定值；燃料量为控制参数7.1串级控制系统---基本原理

4．主、副调节器正、反作用方式的确定对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。（2）主控制器正、反作用的选择（难点）

当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。即主控制器作用方向只由工艺决定，与执行器的作用方向和副控制器的作用方