《生产过程自动化》-3

3.1简单控制系统的结构与组成1.简单控制系统的定义简单控制系统是指仅由一个测量元件与变送器、一个控制(调节)器、一个控制阀和一个被控对象(简称对象)或被控过程(简称过程)所组成的一种单闭环反馈控制系统例如，图3-1所示的换热器简单温度控制系统、图3-2所示的精馏塔液位与流量简单控制系统都由这四个部分组成。图3-1中生产设备换热器采用中压蒸汽(M匀作热剂，被换热的物料冷流体经换热器与蒸汽换热变成热流体。)图中SC表示管道中为蒸汽冷凝水。如果忽略发生热损失，当蒸汽带入热量与热流体带出的热量相等时，热流体温度将保持在规定的数值上。图示系统的温度检测元件安装在换热器热流体出日处，首先起检测出日温度拭，的作用，拭，的测量信号经过温度变送器传送到调节器Tc,Tc的输出连接调节阀。当蒸汽压力、温度不变，而冷流体(负荷)流量Q或者入口温度增加或减少时，都会导致换热器出口的被加热物料温度改变。下一页返回

3.1简单控制系统的结构与组成

此时温度控制器将接收到的温度测量信号与温度的工艺设定值进行比较产生一个偏差信号，若偏差信号。增加或减少，控制器将通过运算发出增加蒸汽量或减少蒸汽量的控制信号去改变调节阀的开度，从而使被加热物料温度恢复到给定值。在这个简单温度控制系统中，含有被控对象(即换热器，它包含工艺上要求控制的物理量温度)、检测元件及变送器TT,控制器和执行器(调节阀)四个部分。图3-2中生产设备精馏塔塔顶回流罐液位通过调节塔的外回流量F。来控制，回流罐为被控对象含被控变量回流罐液位。塔釜液位是通过调节塔底产品采出量B来控制的，被控对象是塔釜含被控变量釜液。对塔顶产品D的采出量与蒸汽V流量的控制是通过调节各自的流量来实现，这两个流量简单控制系统中的被控对象分别是塔的产品D的流量管道与蒸汽管道。这四个简单控制系统同样由被控对象、检测变送器、控制器、执行器组成。所有生产过程中的简单控制系统均可以相同的结构图或方块图表示它们的组成。由此引出过程控制专业基本术语如下。上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成

被控对象(ControlledObject)或被控过程(ControlledProcess:是指自动控制系统中需要实现控制的设备(换热器、储罐等)、机器、生产过程。化工生产中的各类塔器、反应器、泵、压缩机、容器、一段输送流体的管道或整个生产过程都可以是被控过程。被控变量(ControlledVariable):是指被控过程内要求保持设定数值(接近恒定值或按预定规律变化)的物理量。扰动或干扰(Disturbance):是指由非控制装置操纵而又作用于过程并引起被控变量变化的因素。在被控过程中应抑制扰动影响。检测元件和变送器(SensorandTransmitter):检测元件(Sensor)是指感受工艺变量的变化，并将其转换成电信号或气信号的变化。例如，用热电阻或热电偶测量温度时，将温度的变化转换成电阻或直流毫伏电压信号的变化。变送器(Transmitter)是将检测元件的测量信号转换成统一标准的气、电信号(20-100kPa,0-10mA,4-20mA)送往其他装置检测变送装置输出的信号称为上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成测量值控制器(Controller)是控制系统的核心，它把检测元件及变送器送来的测量值与设定值进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，输出相应的控制信号给执行器。控制器可以采用模拟仪表的控制器或由微处理器组成的数字控制器，例如DCS中的控制功能模块等。设定值(SetPoint)是指被控变量的预定值。偏差(ErrorSignal)是指设定值与被控变量实际值的差。由于被控变量是由测量得到的，因此通常把设定值与测量值之差作为偏差。执行器(Actuator)是指执行器接收控制器送来的信号，相应地去改变操作变量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。它可以是气动薄膜阀、带电气阀门定位器的气动控制阀、变速调速电动机、电磁阀、液压伺服系统。化工生产中最常见的执行器是气动薄膜调节阀。操作变量(ManipulatedVariable):操作变量是指受控制装置操纵，用以使被控变量保持设定值的物料量或能量，一也称为操纵变量。上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成2.控制系统的方框图对图3-1的换热器温度控制系统，可以采用通用图3-3表示其构成，一也可将每个环节用传递函数来描述，组成简单控制系统传递函数方框图，如图3-4所示。对图3-4的几点说明如下。①方框图中每个信号都是增量，每个环节的增益(即放大倍数)和传递函数都是在稳态值为零时求得的。图中的箭头表示信号的流向，并非物料流或能量流的方向。②各环节增益的正或负是根据在稳态条件下该环节输出增量与输入增量之比确定的。当该环节的输入增加，其输出也增加，则该环节增益为正;反之，若输出减小，则增益为负。③图中虚线框内环节如执行器、被控对象、检测变送环节合并称为广义对象，广义对象传递函数用表示。将各环节的增益除以该物理量的基准值可得到量纲为1的描述，当控制器输入和输出信号采用统一标准信号时，广义对象的增益的量纲为1的。上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成

④简单控制系统有两个通道:控制通道和扰动通道。通道是指输入对输出的作用途径。控制通道是操作变量到被控变量的通道。当扰动影响被控变量时，简单控制系统通过控制通道的调节，改变操作变量来克服扰动对被控变量的影响。这就是定值控制系统(FixedSetPointControl衡steny。当控制系统设定值变化时，控制系统同样通过控制通道的调节，改变操作变量，使被控变量跟随设定值的变化而变化。这就是随动控制系统(Follow-npControl即Stem)或伺服控制系统(ServoControlSystem)。当控制系统中包含采样关，则这类控制系统称为采样控制系统(SamplingControlSystem)，它可以由常规仪表加采样开关组成，一也可以直接由计算机控制系统组成。根据采样开关的数量、设置的位置、采样保持器的类型和采样周期的不同，控制系统的控制效果会不同，应根据具体情况分析。

上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成⑤一般把检测变送环节传递函数值表示为，因为它必须迅速、正确地检测和变送被控变量。有时为了简化，一也常将与被控对象合并在一起考虑。对于有非线性特性的检测和变送环节，比如采用孔板和差压变送器测量流量时，应该分别列出。⑥被控变量Y(s)和操作变量Q(S)>:被控变量有直接被控变量和间接被控变量之分，被控变量是有足够灵敏度的工艺要求控制的物理量，应尽可能选用直接被控变量，无奈情况下采用间接被控变量。操作变量一般采用静态合理、动态迅速、稳定性和经济性都好的物理量。

3.自动控制系统结构分类

(1)闭环控制系统它又称为反馈控制系统，即将输出信号引回到输入端从而构成一个闭合环路的系统，并按偏差进行控制。闭环控制系统按设定值情况不同可分为3类。上一页下一页返回3.1简单控制系统的结构与组成

①定值控制系统。设定值恒定不变，控制系统要求在扰动作用下被控变量应在设定值近变化。②随动系统。设定值是随机变化的，又称自动跟踪系统。要求被控变量快速、准确无误地跟踪设定值变化，不考虑扰动对被控变量的影响。③程序控制系统。设定值是已知时间的函数，设定值按规定的时间程序变化。如间歇反应器、玻璃熔化炉的升温控制系统、多种液体自动混合加热控制等。

(2)开环控制系统系统的输出信号不反馈到输入端，即不能构成一个闭合环路的系统称开环控制系统。开环控制系统分两类:前馈控制和顺序控制。图3-5所示是按设定值来改变操作量的开环控制系统。图3-6所示是按扰动量即冷流体流量口变化来改变操作量的开环控制系统，即前馈控制系统。顺序控制是按预先决定的操作顺序自动进行操作的，分时间的顺序控制和逻辑的顺序控制，控制装置采用可编程控制器PC(ProgratntnableController)、时间继电器与继电器组合、应用磁芯存储器和新型电藕合器件开发的专用装置、新型的顺控装置PLC)上一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标

1.闭环控制系统的过渡过程一个生产过程经常会受到各种扰动的影响，致使被控变量偏离设定值，扰动形式多样化，幅度和周期各不相同，不同的扰动对工艺生产的影响也不一样。实践表明，阶跃扰动作用对控制系统被控变量影响最大，阶跃扰动在生产过程中一也最为多见。例如，设定值的变化、生产负荷的改变、阀门开度的突然变化、电路的突然接通或断开等，都是阶跃扰动。一个处于平衡状态的自动控制系统，在受到外作用时，即在扰动或设定作用下，被控变量发生变化，与此同时，控制系统的控制作用会使被控变量稳定下来，逐步回到设定值或设定值附近，这就需要一定的时间。为研究这一过程引入一个过渡过程术语:一个控制系统在外作用下从原有稳定状态进入到新的稳定状态的整个过程称为控制系统的过渡过程。图3-7为阶跃扰动f(t)约作用下的几种基本过渡过程形式。下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标

(1)非振荡衰减过程和振荡过程如图3-7(b)和图3-7(C)所示，它描述了被控变量受阶跃扰动作用后变化的过程，经过一段时间后最终能稳定下来。由于衰减振荡过程能较快地使系统稳定下来，因此，在大多数过程控制中希望是衰减振荡过程。而非振荡衰减过程由于被控变量达到新的稳定值的过程太慢，只有当工艺生产不允许被控变量振荡时才考虑使用。

(2)等幅振荡过程如图3-7(d)所示，它表明系统受到阶跃扰动作用后，被控变量将做等幅的振荡而不能稳定下来。因此，在生产上除了用于控制精度不高的位式控制外，一般不予采用。

(3)非振荡发散和振荡发散过程如图3-7(e)和图3-7(f)所示，它表明系统受到阶跃扰动时，被控变量不能回到设定值，反而会使其越来越偏离设定值，以致被控变量超过工艺允许范围，严重时会引起事故。此类过渡过程在过程控制中绝对不允许出现。上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标2.闭环控制系统的控制指标一个控制系统在受到外来干扰作用或设定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地回到(或趋近)设定值上。根据稳定性、快速性和准确性提出了各种单项控制指标和综合性控制指标，它们仅适用于衰减振荡过程。对设计合理的控制系统，若控制器参数选择恰当，当控制指标符合一定要求时，就能保证控制质量满足生产要求。

图3-8为定值控制系统在阶跃扰动作用下的衰减振荡过程。图3-9为随动控制系统在阶跃设定作用下的衰减振荡过程。图中给出的几个特征参数是评价系统的控制指标。

(1)单项控制指标

1)衰减比n(SubsidenceRatio)

衰减比是指衰减振荡过程相邻同方向两个波峰的幅值之比。图3-8、图3-9中:n=BlB‘。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标，反映了振荡的衰减程度。若n>1，为衰减振荡；n越小，振荡上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标越剧烈，稳定度一也越低;n越大，稳定度越高；n≈1。过渡过程接近于等幅振荡过程;，过渡过程接近于非振荡过程。衰减比究竟以多大为合适，没有定论，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在(4:1)一(10:1)o可用衰减率刀来反映衰减情况，衰减率

=4:1时，相当于=0.75;n=10:1时，相当于=0.90。

2)最大动态偏差A或超调量(Overehoot}

最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，一也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。对于定值控制系统，最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差，如图3-8中的。上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标

在随动控制系统中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，它的定义是第一个波的峰值与最终稳态值之差，如图3-9所示。一般超调量以百分数给出，即最大动态偏差或超调量越大，生产过程瞬时偏离设定值就越远。对于某些工艺要求比较高的生产过程，如存在爆炸极限的化学反应，就需要限制最大动态偏差的允许值;同时，考虑到扰动会不断出现，偏差有可能是叠加的，这就更需要限制最大动态偏差的允许值。因此必须根据工艺条件确定最大偏差或超调量的允许值。

3)余差(Steady-stateError)e(∞)

余差是控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差:。在图3-8中余差以C表示。在图3-9中，余差为。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，如一般贮槽液位控制系统对余差的要求不是很高，允许液位在一定的范围内变化。上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标

4)回复时间(SettlingTitne)t、和振荡频率。回复时间是表示控制系统快速性的指标，即控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有的稳态值达到新的稳态值所需要的时间。严格地讲，控制系统在受到外作用后，被控变量完全达到最终稳态值需要无限长时间。实际上我们用被控变量从过渡过程开始到进入稳态值的±5%或±2%范围内的时间作为。由过程控制原理得知振荡频率w与振荡周期T的关系是在衰减比相同的条件下，振荡频率w与回复时间成反比，w越大，越小。回复时间和振荡频率w是衡量控制快速性的指标。这些控制指标相互之间有内在联系，而且在不同的控制系统中各有其重要性，不可能同时要求保持各项指标都高。实际生产中必须根据工艺生产的具体要求，优先保证主要的控制指标。虽然单项指标清晰明了，但如何统筹考虑则比较困难，因此理论上又提出综合评价指标概念。上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标

(2)综合控制指标在相同外干扰作用下，偏差越大、持续时间越长，系统控制质量就越差。综合控制指标是将偏差与时间综合在一起考虑，即通过偏差的某些函数对时间的积分值来描述。积分值越小，说明综合控制质量越高。同时兼顾衰减比、超调量、回复时间等各方面因素。综合控制指标通常采用以下4种表达形式。

1)误差积分准则IE(IntegralofErrorCriterion)

式中将作为动态积分项代入是考虑实际生产中有余差控制系统的偏差e最终不趋于0的情况，这种形式的积分鉴定值都将趋于无穷大，无法鉴定控制系统质量。IE作为性能指标采用较少。上一页下一页返回3.2闭环控制系统的过渡过程

及其性能指标2)平方误差积分准则ISE(IntegralofSquaredErrorCriterion)(3-2)采用可以使最大偏差的数值更加敏感。

3)绝对误差积分准则IAE(IntegralofAbsoluteValueofErrorCriterion)(3-3)

对类似等幅振荡过程，若直接按偏差对时间积分，则正负偏差的效应将会抵消，会误以为控制品质好，因此采用

4)时间乘绝对误差积分准则ITAE(IntegralofTitneMultipliedbytheAbsoluteValueofErrorCriterion)(3-4)

上一页返回3.3过程动态特性与建模

1.受控对象的特性分析在工业生产过程中，最常见的被控对象是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、贮液槽、泵、压缩机等。这些设备在生产过程中所呈现的特性各不相同，有的生产过程较易操作，能比较平稳地控制工艺变量。有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。一个系统的控制质量取决于组成控制系统的各个环节，其中被控过程特性是否易于控制，对整个控制系统运行的好坏起着重要作用。为保证预期的控制质量，自动控制装置应按过程特性加以适当的选择和调整。如果过程特性和自动控制装置两者配合不当，或在控制系统运行中自动控制装置的性能或特性发生变化，都会影响自动控制系统的控制质量。为使工艺生产在最佳状态下运行，必须了解和熟悉生产过程，只有掌握其内在规律，才能选用合适的调节器，设置合理的调节器参数，这是设计合乎工艺要求的控制系统的必要充分条件。特别是在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解藕下一页返回3.3过程动态特性与建模自适应控制、计算机最优控制等，过程特性尤为需要。以精馏塔为例，当扰动引起被控变量(塔顶温度)发生偏差，温度要回到设定值须经过一定的时间，其间的系统偏差又很大，势必在这段时间内生产的产品不合格，这是工艺不允许的。因此，对一个控制系统必须从两方面考虑它的运行情况:一是在扰动作用下的工况(被控量的变化过程即动态特性);另一个是控制器在克服扰动影响后的工况(最终结果即静态特性)。静态是指系统或环节在某一输入状态下，当时间t一二时达到平稳时的情况。对化工过程来说，静态特性由物料平衡、能量平衡及化学反应平衡等规律所确定。静态数学模型是过程输出变量和输入变量之间不随时间变化时的数学关系。动态是指在输入信号作用下，系统或环节从原来的静态出发，逐渐随时间变化的过渡过程。动态数学模型是过程输出变量和输入变量之间随时间变化时的数学描述。过程控制中通常采用动态数学模型，也称动态特性。建立控制系统各环节及整个系统数学模型是分析、设计控制方案的需要，也是系统投运、控制器参数整定的需要，特别在优化操作、故障上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

检测和诊断、操作方案制定等方面一也起重要作用。数学模型的精度在实际生产应用中是不同的，用于先进控制、在线控制数学模型的精度要求比较高，简单控制系统的数学模型精确度要求较低。数学模型建立的基本要求是简单实用，能满足控制精度要求，能正确、可靠反映过程输入、输出之间的动态关系。

2.响应曲线类型

(1)有自衡的非振荡过程这类过程是最常见的，在阶跃作用下，被控变量不经振荡逐步趋向新的稳态值。其传递函数有:有时滞的一阶环节传递函数式、有时滞的二阶环节传递函数式、有时滞n个一阶环节串接过程的传递函数式。

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例如，图3-10所示的液体贮槽和图3-11所示的蒸汽换热器都是具有自衡特性的过程，其响应曲线示于图3-12、图3-13。在图3-10中，当进料阀开度增大，进料量9将增加，水槽原有的物料平衡状态被打破，由于进料多于出料，多余的液体在贮槽内蓄积起来，使贮槽液位升高。随着液位的上升，出料量一也因静压头的增加而增大，于是进料量与出料量之差将会逐渐减小，液位上升速度一也逐渐变慢，最后，当进、出料量相等时，液位就稳定在一个新的位置上。这种过程能自发地趋于新的平衡状态。3.3过程动态特性与建模

图3-11所示蒸汽换热器也有类似的特性。当蒸汽阀门开大，流入蒸汽流量增大，换热器的热平衡被破坏。由于输入热量大于输出热量，多余的热量将加热管壁，继而使管内的流体温度升高，出日温度e也随之上升。于是随着输出热量的增大，输入、输出热量之差会逐渐减小，流体出日温度的上升速度一也逐渐变慢，在新的出日温度下自发地建立起新的热量平衡状态。在生产过程自动控制系统中此类自衡过程最为常见，对其控制较容易实现。

(2)无自衡的非振荡过程图3-14所示的液体贮槽出料采用定量泵抽出。当进料量a增加后，液位h的上升不会影响出料量。当进料量做阶跃变化后，液位将等速上升，建立不了新的物料平衡状态，其传递函数为响应曲线如图3-15所示，属于无自衡的非振荡过程。若传递函数为响应曲线如图3-16所示。通常无自衡过程要比自衡过程难控制。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

(3)有自衡的振荡过程

图3-17所示为某一过程在设定值的阶跃输入下，被控变量的过渡过程曲线，呈现衰减振荡最终稳定在一新平衡点。此类具有振荡的过程一也较难控制。其传递函数式为

(4)具有反向特性的过程在阶跃作用下，有少数过程会出现如图3-18所示的反向特性，y(t)先降后升，或先升后降，即被控制变量起始时的变化方向与最终的变化方向相反。例如，锅炉水位控制，当负荷(用蒸汽量)突然增加，锅炉汽包内蒸汽压力将立即下降，使物料平衡破坏，造成水闪急汽化，水中气泡增多，使液位上升。系统测量仪表测得水位上升，发出的控制作用关进水阀(实际应开进水阀增加进水量)，则锅炉汽包进少出多，待闪急汽化平息，液位就下降很多。这就是自控系统对锅炉上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模汽包液位的误操作迫使液位下降的情况。对象传递函数式为上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

式(3-9)表明开环零点在根平面右半平面，汽包对象是正增益的(调节阀开大进水量增加，液位将升高)。当K1>K2，K2T1>K1T2时，则K>0,>0。说明增益较大的一个环节响应较慢，而增益较小的响应较快(即反向变化)。故在一开始，后者起主导作用，随着时间的推移，前者的效应逐渐显著，超过了后者，它决定后期的变化过程。

3.K、T、t对控制品质的影响

(1)放大系数K

图3-19是直接蒸汽加热器工艺流程图，冷物料从加热器底部流入，经蒸汽直接加热至一定温度后，由加热器上部流出送到下一道工序。假设热物料出日温度即为被控变量;被控变量的测量值为加热蒸汽流量为操作变量a(t);冷物料入日温度或其流量的变化为扰动f(t)。该系统控制通道是指操作变量a(t)对被控变量上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模的作用途径。扰动通道是指扰动f(t)(约对被控变量的作用途径。由于物料出口温度受到控制作用(控制通道)和扰动作用(扰动通道)的影响，因而过程的放大系数乃至其他特性参数将由它们决定。

1)控制通道放大系数设过程处于原有稳定状态时，被控变量为创，操作变量为可a（0）。当操作变量蒸汽流量做幅度为的阶跃变化时，必将导致被控变量的变化，如图3-20所示。为被控变量的变化量，则过程控制通道的放大系数即为被控变量的变化量与操作变量的变化量在时间趋于无穷大时之比，即上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模上一页下一页返回

式(3-10)表明，过程控制通道的放大系数K0，反映了过程以初始工作点为基准的被控变量与操作变量在过程结束时的变化量之间的关系，它是一个稳态特性参数。初始工作点指过程原有的稳定状态。初始工作点将取决于过程的负荷以及操作变量的大小。负荷指过程的生产能力或处理量。例如，对蒸汽加热器而言，在某一处理量下，蒸汽量不同，达到平衡的出日温度一也不同;反之，在蒸汽量相同、处理量不同的情况下，出日温度一也不一样，其间的关系如图3-21所示。实际生产中，线性过程并不多见，如在不同的负荷或工作点下，过程的放大系数K0，并不相同，由图3-21可见，K0是A,B,C,D,E等各点的斜率。在相同的负荷下，K0，将随工作点的增大而减少，例如A,B,C三点(对随动控制系统而言);在相同的工作点下，凡，也将随负荷的增大而减小，例如D,A,E三点(对定值控制系统而言)。从自动控制系统的角度看，必须着重了解K0的数值和变化情况。3.3过程动态特性与建模

①K0，的大小。操作变量a(t)对应的放大系数K0，的数值大，则控制作用强。如果工艺上允许有几种控制手段可供选择，应该选择K0，值适当大一些的有效介质作为操作变量。不同放大系数比较时应该有一个相同的基准，即在相同工作点下操作变量都改变相同的百分数。②K0，的变化。由于控制系统总的放大系数K是广义过程放大系数K0，和控制器放大系数K0的乘积，在系统运行过程中要求K恒定才能获得满意的控制过程。常规调节器的控制规律是线性的，放大系数一旦整定合适后就是一定值，而过程的放大系数K0会随负荷或随工作点的改变而变化，因此控制系统总的放大系数K也将随之变化，以至于在某一工作点下适合的调节器参数在其他工况下将不再适应。在K0，变小时，会使被控变量变化迟缓;在K0，变大时，会使被控变量振荡加剧。解决这一矛盾的常用办法是使广义过程中的调节阀一也具有非线性的特性，如选用流量特性为对数型的调节阀。这种调节阀的放大系数Kv在一定程度上可以补偿过程放大系数K0，的变化，以使整个控制系统的总的放大系数K的变化减到最小。因此把K0当做常数看，只有在规定的工作点及小扰动条件下才是合理的。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

2)扰动通道放大系数Kf

在操作变量a(t)不变的情况下，过程受到幅度为△f的阶跃扰动作用，过程从原有稳定状态达到新的稳定状态时被控变量的变化量与扰动幅度△f之比称为扰动通道的放大系数Kf。

Kf的大小对控制过程所产生的影响分析如下，假设没有控制作用，当过程受到扰动△f作用后，被控变量的最大偏差值则为Kf*△f.故此在相同的△f作用下，Kf越大，被控变量偏离设定值的程度一也越大。当采用控制系统后，Kf*△f大，定值控制系统的最大偏差一也大。一个控制系统存在着多种扰动。从静态角度看，应该着重注意那些出现次数频繁且Kf*△f值又较大的扰动，这是分析主要干扰的依据。如果Kf较小，对很大扰动量，被控变量一也不会产生很大的影响。反之，倘若Kf很大，即使扰动很小，也会严重影响控制效果上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模在工艺生产对系统控制指标的要求比较苛刻时，应尽可能排除一些Kf*△f较大的严重干扰，以提高系统的控制质量。例如，对图3-19所示的直接蒸汽加热器而言，加热蒸汽压力的波动对被控变量的影响极为严重，这时若在蒸汽管道上设置蒸汽压力定值控制系统，就将使这一扰动对被控变量的影响程度大大降低。

(2)时间常数T

控制过程是一个运动过程，用放大系数只能分析稳态特性，即分析变化的最终结果。只有在同时了解动态特性参数之后，才能清楚具体的变化过程。时间常数T和时滞:都是动态参数。

1)时间常数T的物理意义时间常数T是表征被控变量变化快慢的参数。在电工学中，阻容环节充电过程快慢取决于电阻R,电容C的大小，R、C的乘积就是时间常数T。其定义为:在阶跃作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模部变化量的63.2%所需要的时间，就是这个环节的时间常数T。或者另外定义为:在阶跃作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间就是这个环节的时间常数T。这两种定义是一致的。阻容环节及其阶跃响应曲线如图3-22、图3-23所示。阻容环节的一阶微分方程式为求解这个一阶常系数线性微分方程，而后代入初始条件，可得上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模式（3-13)中，T=RC,即为阻容电路的时间常数。当t=0时，u(0)=0;当t=T=RC时，Ui是常数，U0是变量。由于任何过程都具有储存物料或能量的能力，时间常数T表征了阻容电路充电过程的快慢。若像采用电容C来描述电容器储存电量的能力一样，用容量系数C来描述储存物料或能量的能力:C=△M/△C式中，C为容量系数;△C为被控变量的变化量;△M为引起△C变化时在过程中所增加或减少的物料或能量的数量。通常过程的容量有热容、液容、气容等。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

热容的物理意义可以解释为要使温度升高1个单位，加热器内应该积蓄多少热量，即热容是W*c,W为热物料量，c为比热。液容的物理意义是要使液位升高1个单位，贮槽内应该充入多少体积的液体，即液容是贮槽的横截面积。气容的物理意义是要使气压升高1个单位，气室内应该充入多少体积的气体。任何过程在物料或能量的传递过程中，总是存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻等。热阻的物理意义是要使热流量增加1单位，温差应该是多少。液阻的物理意义是要使流出量增加1单位，液位应该升高多少。气阻的物理意义是要使流入量增加1单位，阀门两端压差是多少。通常采用过程的容量系数C与阻力系数R之积来表征过程的时间常数T。例如，液位过程中若以进液量控制液位高度时，将液位贮槽截面积与出u阀阻力的乘积看成时间常数To显然，R或C越大，则T越大。对图3-23所示特性曲线，被控变量是逐渐趋向稳态值，在时间上有滞后性，因此也称为一阶滞后环节。有些过程用RC乘积来表示时间常数不够直观，例如，物料或热量的混合过程，这时可将时间常数理解为平均停留时间图3-24夫示一个混合容器。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

根据混合容器物料衡算，当其容积为v，流入液和流出液的体积流量都是a，而浓度分别为Ci和C0.在dt时间内，流入的组分为aCidt，流出的组分为aC0dt，在容器内积聚起来的组分令T=V/a，可得式中，T显然表示平均停留时间。因此V越大或a越小时，T将越大。2)时间常数T对控制系统的影响时间常数T对系统控制过程的影响，可以从控制通道和扰动通道两个方面来分析。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模①控制通道。由时间常数T的物理意义可知，在相同的控制作用下，过程的时间常数T大，则被控变量的变化比较和缓，这种过程比较稳定，容易控制，但调节过程过于缓慢。过程的时间常数T小，则情况相反。过程的时间常数T太大或太小，在控制上都将存在一定的困难，因此需根据实际情况作适当考虑。②扰动通道。就扰动通道而言，时间常数T大些有一定的好处，相当于将扰动信号进行滤波，这时阶跃扰动对系统的作用显得比较和缓，因而这种过程比较容易控制。

(3)时滞:1)滞后现象和时滞不少过程在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。时滞是描述过程滞后现象的动态参数，包括纯滞后和容量滞后。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模①纯滞后:图3-25为向反应器添加物料的皮带运输机示意图，属于纯滞后过程。图中L表示皮带长度，u表示皮带移动的线速度。纯滞后:当加料斗出料量变化时，反应器感受到进料量变化需要经过纯滞后时间,L越长，u越小，越大。同样的例子如图3-19所示直接蒸汽加热器，若检测点不是紧靠出口处，而在出口处后有一段距离L,设流体速度为W，则检测的温度是在时间以前容器内的温度。可见，纯滞后是由于传输信息需要时间引起的，它可能起因于被控变量y(t）至测量值z(t)的检测通道，也可能起因于控制器输出u(t)至操作变量a(t)的一侧。图3-26中坐标原点至D点所相应的时间即为纯滞后时间②容量滞后:。容量滞后是多容过程的固有属性，通常是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。图3-27为双容量液位过程示意图，当输入流量ai，做阶跃变化，增加△ai后，容器I内的液位h1将按指数规律逐渐上升。随着h1的增大，从容器I内流出的流量a1也将逐渐增加，从而导致h2的变化。图3-28是双容量液位过程的响应曲线。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

这一曲线的特点是在曲线的开始阶段h2的变化速度比较缓慢，因为此时h1的变化速度虽然比较快，然而它的变化量h1还不大，这样a1增加不多，所以h2上升不快。到最后阶段，随着从容器流出的流量a2的增加，h2也逐渐平稳下来。而在曲线的中间某点C,h2的上升速度最大，曲线出现拐点。可见h2的变化规律有着一个慢一快一慢的过程。通过拐点c作h2变化曲线的切线，交横轴于B点，根据切线与初始值和稳态值的交点可将曲线OACD近似作为一阶加纯滞后环节(即OAB为纯滞后，BCD为单容响应曲线)来处理。则AB这段时间就称为容量滞后时间，用tc表示，T0，为一阶环节等效时间常数。多数生产过程都具有容量滞后的特点。例如在列管式换热器中，管外、管内及管子本身就是三个容量;在精馏塔中，每一块塔板就是一个容量。容量数日越多，容量滞后越显著。过程的时滞t，即滞后时间是纯滞后时间t0与容量滞后时间tc的总和，即t=t0+tc.上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模

2)时滞对控制系统的影响时滞:对系统控制过程的影响，须按其与过程的时间常数T的比值t/T来考虑，同时控制通道和扰动通道存在的时滞对控制过程的影响一也不相同。对于控制通道来说，不论时滞存在于操纵变量方面或是被控变量方面，都将使控制作用落后于被控变量的变化。例如，直接蒸汽加热器的温度检测点离物料出日有一段距离，因此容易使最大偏差或超调量增大，振荡加剧，对过渡过程是不利的。在t/T较大时，为了确保系统的稳定性，需要在一定程度上降低控制系统的控制指标。一般认为t/T≤0.3的过程较易控制，而t/T>(0.5～0.6)的过程往往需用特殊控制规律。对于扰动通道来说，如果存在纯滞后，相当于将扰动作用推延一段纯滞后时间t0后才进入系统，而扰动何时出现是不可预知的。因此并不影响控制系统的品质，即对过渡过程曲线的形状没有影响。例如输送物料的皮带运输机，当加料量发生变化时，并不立刻影响被控变量，而要间隔一段时间后才会影响。上一页下一页返回3.3过程动态特性与建模如果扰动通道存在容量滞后，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化一也趋于缓和，因而对系统是有利的。一般而言，具有不同过程变量的对象动态特性中，液位和压力过程的t较小，流量过程的t和T都较小，温度过程的tc较大，成分过程的t0和tc都较大。上一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法

描述系统(或环节)性能的数学表达式，叫做系统(或环节)的数学模型。数学模型有多种形式:数学表达式如微(差)分方程、传递函数等，图示形式如方块图、信号流图等。方块图能对系统内部各物理量的变换和信号传递关系清楚地表明，而且能通过等效变换和化简求得系统或环节的传递函数，运用方便。过程控制系统由基本典型环节所组成:一阶环节、二阶环节、比例环节、积分环节、微分环节、纯滞后环节。实际控制系统数学模型的建立，涉及多学科知识，属于控制原理的基础工作问题，工程上采用实验方法测试出被控对象或环节的数学模型，常用阶跃扰动法与阶跃反应曲线数据处理来获得简单被控对象的工程数学模型。实验测试建模大致分为经典辨识法和现代辨识法两大类。经典辨识法一般不考虑测试数据中偶然性误差的影响，输入测试信号比较简单，它只需对少量的测试数据进行简单的数学处理，计算工作量小。这类方法主要包括阶跃信号测试法、矩形脉冲信号测试法以及正弦波信号测试法(周期扰动法)等。现代辨识法的特点是可以消除测试数据中的偶然性误差，即噪声的影响，为次需要处理下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法大量的测试数据。测试所用信号通常为伪随机信号，它可以在生产正常运行期间进行，不会对生产造成影响。该方法所涉及的内容极为丰富，已形成一个专门的学科分支。过程特性求取的方法有两种。一是在扰动f(t)不变时，使控制作用u(t)做阶跃变化，测得被控变量的时间特性y(t)。二是使扰动f(t)做阶跃变化，控制作用u(t}不变时，测取被控变量的时间特性y(t)来获得K、T、t。用图形表示时，前者称为控制通道的响应曲线，后者称为扰动通道的响应曲线。这里以阶跃信号测试法为例介绍实验测试建模的一般原理。由于实验测试建模是在实际生产装置上进行的，输入测试信号通常是施加在调节阀上，而对象的输出响应曲线则是通过测量仪表和记录装置得到。由实验测试建模得到的对象特性，通常是广义对象的特性，它包括了调节阀、被控对象以及测量变送三个环节，其对应的响应曲线一般都是具有S形状，很少得到标准的一阶对象。实验测试建模实际上求得的是)’一义对象的等效时间常数、放大系数及纯滞后时间。上一页下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法

1.阶跃扰动法阶跃扰动法又称反应曲线法。当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，即可画出输出变量随时间变化的反应曲线。根据响应曲线，再经过处理，就能得到过程特性参数。阶跃扰动法能形象、直观地描述过程的动态特性，简便易行。如果输入量是流量，那施加阶跃扰动时只要将阀门开度做突然变化(通常是10%左右)即可，不需要特殊的附属设备，被控变量可用原有的仪表进行测量记录，测试的工作量不大，数据的处理也很方便，应用广泛。由于一般的生产过程较复杂，扰动因素较多，会影响测试精度;同时，由于受工艺条件限制，阶跃扰动幅度不能太大，因此实施阶跃扰动法时，应使工况处于相对稳定的情况下再施加阶跃信号，并且要在相同测试条件下重复做几次，获得两次以上比较接近的响应曲线，以提高测试精度。当给对象输入端施加一个阶跃信号后，对象的输出(在测量记录仪或监视屏上)就会出现一条完整的记录曲线，即被测对象的阶跃反应曲线如图3-29、图3-30、图3-31所示。上一页下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法

图3-29中一阶对象的增益等于阶跃反应曲线稳态值除以阶跃作用的幅值:K=y(∞)/A;图3-30中二阶对象的增益:一阶对象的时间常数为阶跃反应曲线O点的切线与y(∞)的渐近线相交点对时间轴作垂线的交点所对应的时间:t1=T。在几何上表示曲线y=y(t)的任意点作它的切点处的切线，在这切线与y(∞)交点作时间轴的垂线，这个切点与垂点的距离即为时间常数。

T=二阶对象的时间常数的求取方法(将其处理为一阶惯性环节)是在反应曲线的拐点、处作切线将其与被控变量最终稳态值的交点和时间轴交点对应时间值的差:t2-t1=T。纯滞后时间图3-31中反应曲线传递函数可表示为

(3-15)上一页下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法计算积分时间常数是在阶跃反应曲线速度变化最大处作切线，计算其最大变化速度:积分环节的微分方程:当t=∞代入上式可得:其积分速度:上一页下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法

2.矩形脉冲扰动法用阶跃扰动能获得完整的响应曲线，但是测试过程将在较长时间内处于相当大的扰动作用下，被控变量的偏差会超出生产所允许的数值，以致试验不能继续下去。在这种情况下，就应采用矩形脉冲扰动法。所谓矩形脉冲扰动法，就是先在过程上加入一个阶跃扰动，待被控变量继续上升(或下降)到将要超过工艺允许变化范围时，立即撤除扰动。这时继续记录被控变量，直到其稳定为止，再根据记录曲线，求取过程特性参数。图3-32为矩形脉冲及过程的脉冲响应曲线，其脉冲扰动f(t)可以看成是两个阶跃扰动f1(t)和.f2(t)的叠加，故f(t)作用下的响应曲线y(t)一也就是阶跃扰动.f1(t)和.f2(t)作用下的响应曲线y1(t)和y2(t)的代数和。上一页下一页返回3.4过程特性参数的实验测定方法

3.周期扰动法周期扰动法是在过程的输入端施加一系列频率不同的周期性扰动，一般以正弦波扰动居多。由于正弦波扰动在设定值上下波动，对工艺生产的影响较小，测试精度较高，可直接取得过程的频率特性，数据处理简单、直观，这是周期扰动法突出的优点。但是此法需要复杂的正弦波信号发生器，测试的工作量较大。上一页返回

3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题

1.检测变送环节对控制系统的影响检测变送环节能准确、及时地获取被控变量变化的信息是提高系统控制质量的前提条件。正确地检测出工艺变量的值并转换成电/气信号，并送往显示仪表进行显示或记录，同时又送往调节器进行控制运算。检测变送环节在控制系统中能否正确、可靠、及时地完成y(t)至z(t)转换要考虑三方面问题:在现场能否长期正常工作;误差是否不超过规定的界限;动态响应是否比较迅速。工作环境问题对高低温、高压、腐蚀性介质可从元件材质与防护措施(采用非接触测量、防爆型仪表等)着乎解决。误差问题的解决办法一是采用0.5～1级精度仪表，对物性和成分测量可放宽;二是缩小检测变送器量程以提高Km值。鉴于日前使用的大多数变送器是线性的，输出与输入呈比例关系，变送器的惯性小，出厂时又经过严格的调校，所以检测变送环节对控制系统的影响主要集中在检测元件的滞后和信号传递的滞后问题上。因此，分析研究检测元件本身的特性、安装位置、信息传递等问题，是提高系统控制质量的重要方面。图3-33是模拟、数字、微机化仪表与检测系统构成原理框图。下一页返回

3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题

(1)纯滞后检测元件在工艺设备上的安装位置必须正确，安装方式必须符合规范，否则将引入纯滞后，使测量信号不能及时反映被控变量的实际值，从而降低控制系统的控制质量。某些系统因工艺条件的限制，检测点的位置设置不理想，如图3-34所示为pH控制系统示意图。

pH测量中纯滞后时间t。的引入是由于测量电极不能放置在流速较大的主管道，只能安装在流速较小的支管道上造成的。t。可由下式计算。式中l1和l2分别为主管道、支管道的长度；v1和v2分别为主管道、支管道内流体的流速。上一页下一页返回

3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题

(2)测量滞后测量滞后是指由检测元件时间常数所引起的动态误差，这是检测元件本身的特性所决定的。各种检测元件中，测温元件的测量滞后比较显著。不论是温包、热电阻或热电偶在测量温度时，由于自身结构不同，所测介质的流态、性质、滞留层厚度不同，存在着热阻和热容，一般情况下近似用一阶环节表示，如图3-35所示不同结构的热电偶测量热水，它们的时间常数Tm在1.5～0.5～

0.1min，因而测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化，从而引起幅值的降低和相位的滞后。克服测量滞后的办法有以下几种。①选择快速测量元件，从测量精度、自动化投资、测量元件的供应情况等方面统筹考虑，大体上选择测量元件的时间常数为控制通道的时间常数的1/10以下为宜。上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题

②选择正确的测量点位置(安装位置)。一般测温元件和质量控制系统的采样装置所引起的测量滞后最大，它与元件外围物料的流动状态、流体的性质和停滞层厚度有关，若把测量元件安装在死角与容易挂料、结焦的地方，将大大增加测量滞后。应选择被控变量变化反映较灵敏的位置上。③正确使用微分单元克服测量环节的容量滞后。假定测量变送装置的传递函数为微分单元的传递函数为现将这两个环节串联起来，其总传递函数应为如果通过调整，使Td=Tm，那么，式(3-17)就变成上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题

这样测量变送装置的滞后影响就被完全克服了，特别是当Km=1时，微分环节的输出值即是被控变量的真实值。在控制系统的实际构成中，有时一也把微分单元串接在控制器与调节阀之间。下面证明这种接法与将微分器接在变送器后对于克服干扰影响的效果是相同的。这两种情况下的方框图，分别如图3-36与图3-37所示。对于图3-36与图3-37分别求得上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题式(3-19)与式(3-20)完全相同。对于给定值的变化，由图3-36可求得对于图3-37可求得

比较式(3-21)和式(3-22)，式(3-22}多了一个零点，即分子中多了一个Gd(s)因子，它加强了系统对给定值变化的响应，使系统快速跟踪。微分作用是克服滞后的行之有效的办法，但应用不当也会上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题降低控制质量。例如，在往复式压缩机出日流量控制系统中，如果采用快速力平衡式变送器和微分单元组成系统，将使系统控制不平稳，甚至还会导致共振(当强迫力的角频率接近固有频率w。强迫振动的振幅出现最大值的现象)。对微分器接在控制器之后的情况，若需要调整控制器给定值时必须缓慢改变，否则微分器输出将发生过大的突变影响系统稳定性。微分器不能克服纯滞后的原因是在纯滞后时间里参数变化速度等于零，因而微分器输出一也等于零，微分器起不到超前作用。

(3)传递滞后传递滞后是指气压信号在管路传递过程中所造成的滞后(电信号的传递滞后可忽略不计)。在实行集中控制的大、中型工厂中，一般检测变送器和调节阀均安装在现场设备上，调节器安装在控制室，两者之间有一定的距离。如果采用气动仪表，将产生气压信号的传递滞后上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题通常把测量信号的传递滞后纳入检测变送器的特性中，而把调节器输出信号的传递滞后纳入调节阀的特性中。传递滞后的存在使调节器不能及时接收测量信号，也不能及时将输出信号送至调节阀，造成操作变量校正作用的相应延迟，从而降低控制系统的控制质量。所以应尽量选用电信号进行传递。若采用气信号，一般应使气压信号管路不超过300m，可用气/电转换器将气信号转换为电信号传送，一也可在气压信号管路上加气动继动器，或在终端加气动阀门定位器，以增大输出功率，减小传递滞后。

1)克服测量信号传送滞后的办法①当变送器为电动仪表而控制器为气动仪表时，应将电气转换器尽量安置在仪表屏附近，以缩短气信号传送管线长度。②当变送器为气动仪表而控制器为电动仪表时，应在现场安装气电转换器，将气信号转换成电信号后进行传送。上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题③当变送器、控制器均为气动仪表时，可在信号传送管线上加装气动继动器，以提高信号传送功率，减少滞后。

2)克服控制信号传送滞后的办法①当控制器为电动仪表时，电气转换器应安装在现场控制阀附近，或在控制阀上安装电气阀门定位器。②当控制器为气动仪表时，应在气动信号传送管线上装设气动继动器，或者在控制阀上安装气动阀门定位器，以提高输出功率，减少滞后。

2.测量信号的处理

(1)当测量信号呈周期性的脉动信号时须进行低通滤波在流体输送过程中，当输送设备做往复运动时，流体的压力和流量将呈现周期性脉动变化，它的频率与输送机械往复频率相同，控制器上一页下一页返回3.5测量变送环节在控制系统设计中的问题接收到的偏差信号是脉动的，发出的控制信号一也呈周期性变化，造成控制阀不停地开大关小，控制系统不仅会产生共振而且控制阀阀杆会加速磨损影响寿命。图3-38所示为对脉动信号增加阻尼，通过阻尼将脉动削平，提高系统平稳性，在气体压力传送管线上加气阻和气容。当采用电动变送器时，可将RC滤波电路串接在变送器之后，一也能起到很好的阻尼作用。

(2)测量噪声需要进行低通滤波测量噪声需要进行滤波，例如某些容器液位本身的剧烈波动，造成变送器输出也波动不止。有的压力、流量信号也会呈现高频振荡。对此也应加低通滤波器将它滤去。

(3)线性化处理主要指检测变送器输入、输出关系是非线性时，要进行线性化处理。例如节流装置输出压差时，加一个开方器来做校正。上一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题

调节阀(一也叫执行器、控制阀)是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。控制系统的性能指标与控制阀的正确选择有十分重要的关系。调节阀由执行机构和调节机构组成。执行机构是根据调节器发出的控制信号产生一个推力或位移的装置，调节机构是将位移信号转换为流通面积的变化，改变操作变量的数值，图3-39是调节阀工作原理图的传递函数描述。调节阀特性可以用一阶惯性与纯滞后环节表示，它接收控制信号后将产生推力使阀杆位移，从而改变通过阀芯的节流面积，即改变操作变量的大小。按能源形式，调节阀分为气动、电动、液动三大类。与计算机控制匹配的新型执行器有数字阀和智能控制阀两类，图3-40是八位二进制数字阀结构图，图3-41是智能蝶阀和手动蝶阀。下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题液动执行器推力最大，但较笨重，管路较复杂。气动执行器具有本质安全，价格低，结构简单，应用最广等特点。电动执行器可直接与电动仪表或计算机连接，不需要电气转换器，价格高昂，结构复杂，电动执行器安全防爆性能较差，电动机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被轧住时电动机易受损，不如气动阀应用普遍。数字阀是一种位式的数字执行器，由一系列并联安装而且按二进制排列的大小不同的阀门组成。八位二进制数字阀的阀体内有一系列开、闭式流孔，每个流孔的流量按来设计，当其所有流孔关闭时流量为0，全开流量为255(流量单位)，分辨率为1(流量单位)，调节范围是1～255，能精密控制流量。数字阀特点是具有高分辨率(由阀的位数决定)、高精度、反应速度快、关闭性好、无滞后、线性好，噪声小。但其结构复杂(流孔、阀体、执行机构)、部件多、价格贵，过于敏感容易造成控制错误。智能控制阀集常规仪表的检测、控制、执行等作用于一身，具有智能控制(按控制规律完成执行器功能)、显示、诊断、保护、通信功能，由阀体和各部件组装成。上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题

1.气动薄膜调节阀的结构气动薄膜调节阀的外形如图3-42所示，其内部结构示意图如图3-43所示。它由两部分组成，上部为执行机构(一也称膜头)，用来产生推力;下部为调节机构(也称阀体)，用来控制介质的流量。根据图3-43所示的结构形式，当来自调节器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆(阀杆)下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。当信号压力在20～100kPa变化时，阀杆做全行程动作，阀门从全开到全关。

(1)执行机构气动薄膜调节阀的执行机构分正作用和反作用两种形式，如图3-44所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构，信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式执行机构。较大口径的调上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题节阀都是采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方(正作用式)或下方(反作用式)进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，作用在波纹膜片上的作用力越大，弹簧的反作力一也越大，即推杆的位移量越大。这种执行机构的特性是比例式的，即推杆输出位移(又称行程)与输入气压信号成正比。国产正作用式执行机构称为ZMA型，反作用式执行机构称为ZMB型。

(2)调节机构从流体力学观点看调节机构是一个局部阻力可改变的节流元件，其结构如图3-45所示。上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，操作变量(调节介质)的流量也就相应地改变，从而实现调节工艺变量。图3-45为最常用的直通双座调节阀，调节阀阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出。调节阀的阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装(正作用)，也可以倒装(反作用)，如图3-46(a)和(b)所示。执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调节。由于执行机构有正、反两种作用方式，调节机构也有正、反两种作用方式，因此就可以有四种组合方式组成气开或气关形式，见图3-47和表3-1。气开式是输入气压越高时开度越大，而在失气时则全关，故称FC型;气关式是输入气压越高时开度越小，而在失气时则全开，故称FO型。对于双座阀和公称通径以上的单座阀，推荐使用图3-47(a)、图3-47(b)两种形式。对于单导向阀芯的高压阀、角型调节阀及公称通径以下的直通单上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题座阀、隔膜阀等由于阀体限制阀芯只能正装，可采用图3-47(a)和图3-47(c)组合形式。

2.气动薄膜调节阀的类型根据不同的使用要求，调节阀结构有不同类型。调节阀阀芯形式如图3-48所示，调节阀调节机构结构形式如图3-49所示。（1）直通单座调节阀直通单座调节阀的结构如图3-50所示。阀体内有一个阀芯和一个阀座，流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大，尤其是在高压差、大日径情况下。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题

(2)直通双座调节阀直通双座调节阀结构如图3-45所示，阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同u径的单座阀相比，流通能力增大20%左右，但泄漏量大，而不平衡推力小。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高钻度和带有固体颗粒的液体。

(3)其他类型的调节阀

1)角形调节阀角形调节阀除阀体为直角外，其他结构与单座阀相类似，如图3-51所示，角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好;然而在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但它容易发生振荡。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高钻度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题

2)隔膜调节阀隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用，如图3-52所示。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。它结构简单，流路阻力小，流通能力较同日径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150℃的情况下使用。

3)三通调节阀三通调节阀分合流阀和分流阀两种类型，前者是两路流体混合为一路，如图3-53(a)所示，后者是一路流体分为两路，如图3-53(b)所示。在阀芯移动时，总的流量可以不变，但两路流量比例得到了调节。三通阀最常用于换热器的旁路调节，工艺要求载热体的总量不能改变的工况，应用情况如图3-54所示。采用分流阀或合流阀，上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题只是安装位置不同而已，分流阀在进日，合流阀在出日。当采用合流阀时，注意两路流体温度相差不能过大，否则会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150℃4)套筒形调节阀套筒形调节阀如图3-55所示。它的结构是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，将改变套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。主要特点是阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性比较高，噪声小。它适用于高压差、低噪声等场合，不宜用于高温、高钻度、含颗粒与易结晶的介质控制。此外还有其他类型阀:如高压调节阀;适合于纤维纸浆控制用的球形阀;适用于低压差、大日径、大流量的蝶阀;可调比大、且密封性好、适用于高钻度流体的偏心旋转阀等。上一页下一页返回3.6调节阀环节在控制系统设计中的问题

3.调节阀的材质阀体材料在一般工况下采用铸铁，当处理高温、低温、高压、