化工儀表自動化 第章-過程控制儀表

1書名:過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)出版社:大連理工大學(xué)出版社;

第3版(2010年7月1日)編著者：李亞芬；主審：邵誠,叢書名:高等學(xué)校理工科化學(xué)工類規(guī)劃教材平裝:259頁;語種:簡體中文開本:16ISBN:9787561115015,ISBN：7-5611-1501-6條形碼:9787561115015尺寸:25.6x18.2x1.2cm重量:522g原價:25.00元

第四章1過程控制系統(tǒng)及儀表2第4章過程控制儀表控制儀表2基本控制規(guī)律31位式控制律PID控制律模擬式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器可編程控制器3§4-1基本控制規(guī)律過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量，取決于被控對象的特性和控制器的特性。控制器的特性，就是指控制器的輸出信號隨著輸入信號變化的規(guī)律，又稱作控制律。euyr4在過程控制中，控制器的輸入定義為被控變量的測量值y與給定值r的偏差e：

e=y-r控制器的輸出就是控制器送往執(zhí)行器的控制信號u，所以控制器中的控制規(guī)律可以用下面的數(shù)學(xué)關(guān)系表示：

u=f(e)e>0,并且在控制律作用下△u>0,稱為正作用控制器；e>0,并且在控制律作用下△u<0,稱為反作用控制器；5基本控制規(guī)律最簡單的控制律：位式控制PID控制律：比例控制（P），積分控制（I），微分控制（D），以及PID組合。6一、位式控制位式控制規(guī)律可分為雙位控制和多位控制。雙位控制的特性可以用下面的數(shù)學(xué)表達式來描述。7例：儲槽液位控制槽內(nèi)裝有電極，作為液位的測量裝置。電極的一端與繼電器的線圈J相接；另一端正好處于液位給定值的位置。導(dǎo)電流體經(jīng)裝有電磁閥V的管線進入貯槽，再由出料管流出。8雙位控制律：

當(dāng)液位低于給定，電極與流體不接觸，繼電器J斷開，電磁閥V全開，流體流入貯槽，H上升。當(dāng)液體高于給定，電極與流體接觸，繼電器J接通，電磁閥V全關(guān)，流體不再進入貯槽，H下降。如此反復(fù)循環(huán)。9雙位控制律缺點：執(zhí)行部件的動作非常頻繁，這樣使系統(tǒng)中的運動部件（繼電器、電磁閥）易于損壞，降低了控制系統(tǒng)的可靠性。改進雙位控制律：具有中間區(qū)的雙位控制10具有中間區(qū)的雙位控制器其特性可表示為：注意:被控變量有兩個給定值！11具有中間區(qū)的雙位控制特性如圖4-3所示。12例：儲槽液位具有中間區(qū)的雙位控制律：

當(dāng)液體高于給定yH

，上磁浮子閉合，繼電器J接通，電磁閥V全關(guān)，流體不再進入貯槽，H下降。但是注意：當(dāng)液位低于yH，電磁閥V繼續(xù)全關(guān)。當(dāng)液位低于給定yL，下磁浮子閉合，繼電器J斷開，電磁閥V全開，流體流入貯槽，H上升。但是注意：當(dāng)液位高于yL，電磁閥V繼續(xù)全開。如此反復(fù)循環(huán)。yHyL位式磁浮子液位傳感器13

具有中間區(qū)的雙位控制曲線如下圖所示：閥關(guān)閥開14雙位控制優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且易于實現(xiàn)，適用于某些對控制質(zhì)量要求不高的應(yīng)用場合。如：空氣壓縮機貯罐的壓力控制、恒溫箱、電烘箱的溫度控制等。缺點：被控變量總是處在震蕩過程，控制質(zhì)量低。15二、比例控制1.比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差成比例關(guān)系，一般用字母P表示。

比例控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：

u=KPe

式中u―控制器的輸出變化量；

e―控制器的輸入，即被控變量測量值與控制器的給定值之差；

KP―比例控制的放大倍數(shù)，又稱為比例增益。16比例控制規(guī)律的開環(huán)階躍響應(yīng)特性如圖:euttAKPA顯然，在輸入偏差相同的情況下，KP越大，控制器的輸出變化量也越大，控制作用就越強。17

在過程控制中習(xí)慣于采用比例度(也稱比例帶)來衡量比例控制作用的強弱。比例度的定義可以用下式來表示:18比例度就是指控制器的輸入相對變化量與對應(yīng)的輸出相對變化量的百分比。物理意義：

代表使控制器的輸出全范圍變化時，所需要的被控變量的變化范圍。只有當(dāng)被控變量在這一范圍內(nèi)變化時，控制器的輸出才與偏差成比例，如果超出了“比列帶”，控制器的輸出將暫時失去比例控制作用。19例：在一個電動比例控制器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)中，被控變量檢測儀表的量程范圍為：200-300℃，控制器的輸出范圍為0-10mA，當(dāng)溫度從250℃變化到270℃，相應(yīng)的控制器輸出信號從4mA變化到9mA，控制器的比例度？比例度40%說明：只要溫度變化40%(40℃)，就可以使控制器的輸出信號從0mA變化到10mA.20

在用單元組合儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，由于變送器和控制器都是采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號：4-20mA，1-5V。這說明兩者互為例數(shù)關(guān)系，即δ越小，KP越大，比例控制作用越強；δ越大，KP越小，比例控制作用越弱。比例度δ和放大倍數(shù)KP的關(guān)系可進一步簡化為：212．比例控制的特點顯著特點：有差控制，只有當(dāng)偏差出現(xiàn)，才產(chǎn)生控制動作，偏差越大，控制器輸出變化也越大?？焖偌皶r。缺點：有余差。比例控制系統(tǒng)適用于干擾較小、不頻繁，對象滯后較小而時間常數(shù)較大，控制精確度要求不高的場合。22例:水加熱器溫度控制系統(tǒng)曲線3：Q1Q0>Q1設(shè)定值閥門開度曲線2：流量為Q0，閥開度變化對應(yīng)溫度變化溫度O點至B點至A點，有余差233．比例度對控制過程的影響比例度影響可從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面考慮：比例度對系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響是：比例度越大（即放大倍數(shù)KP越?。?，控制過程達到穩(wěn)態(tài)時的余差就越大。對動態(tài)特性的影響：減小比例度雖然有利于減小系統(tǒng)達到新穩(wěn)態(tài)時的余差，但卻影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。24對動態(tài)特性的影響：可由圖所示的在干擾作用下的閉環(huán)響應(yīng)曲線來描述：25三、比例積分控制1．積分控制規(guī)律及其特點積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的積分成比例關(guān)系，一般用字母I表示。積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：式中Ti―積分時間常數(shù)，是一個可調(diào)的常數(shù)。26積分控制作用的特性可用在階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)曲線來說明。當(dāng)控制器輸入偏差e為常數(shù)A時：27積分控制規(guī)律的特點：積分作用能夠消除余差，這是積分控制規(guī)律最顯著的特點，也是它的突出優(yōu)點；主要缺點：不能及時克服干擾，會使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；積分控制規(guī)律一般不單獨使用。282．比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律是由比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律結(jié)合而成，一般用字母Pl表示。比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：PI控制規(guī)律結(jié)合了比例控制與積分控制的優(yōu)點，既能快速克服干擾，又能消除系統(tǒng)的余差。29當(dāng)輸入偏差是一幅值為A的階躍變化時，比例積分控制器的輸出變化特性曲線如圖4-10所示。303．積分時間對過渡過程的影響比例積分（PI）控制器，比例度δ（或比例增益KP）和積分時間Ti

都是可調(diào)參數(shù)。討論：積分時間Ti過大和過小對控制效果的影響。31

積分時間過大，積分作用太弱，消除余差的過程很慢（見曲線b)；只有當(dāng)Ti適當(dāng)時，過渡過程能較快地衰減，而且沒有余差（見曲線c）；積分時間太小，控制器的輸出變化太快，使過渡過程振蕩太劇烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大下降（見曲線d)。P型控制器32四、比例微分控制

1．微分控制規(guī)律及其特點微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的變化速度成比例，一般用字母D表示。微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：33當(dāng)輸入偏差信號為幅值A(chǔ)的階躍變化時，微分控制特性響應(yīng)曲線如圖所示。34實際上的工業(yè)控制器采用的都是采用一種近似的微分作用，它在階躍輸入作用下的開環(huán)響應(yīng)特性如圖所示。在階躍輸入的瞬間，輸出突然升到一個較大的值，然后按指數(shù)規(guī)律衰減至零。變化特性可用下面的數(shù)學(xué)表達式描述：35微分控制規(guī)律的特點：微分作用是依據(jù)偏差的變化速度來進行控制，偏差變化速度越大，控制器輸出越大。對固定不變的偏差，控制器輸出為零。由于微分作用總是力圖抑制被控變量的變化，所以它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。不能消除余差。微分控制規(guī)律一般不單獨使用。362．比例微分控制規(guī)律理想的比例微分控制規(guī)律，可以用下式表示：當(dāng)輸入偏差信號為幅值A(chǔ)的階躍變化時，實際比例微分控制開環(huán)輸出響應(yīng)特性如圖所示。37五、比例積分微分控制比例積分微分控制規(guī)律是由比例、積分和微分三種控制作用組合而成，一般用字母PID表示。理想的比例積分微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：38PID39PID控制特點：比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。由于在PID控制器中，比例度δ、積分時間Ti

，和微分時間TD三個參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只要這三個參數(shù)選擇的合適，就可以獲得良好的控制質(zhì)量。PID控制選用通用的控制器，可實現(xiàn)三作用控制規(guī)律。若將微分時間調(diào)至零，就成一臺比例積分控制器；若將積分時間調(diào)至最大，就成一臺比例微分控制器；若將微分時間至零，積分時間至無窮大，就是一臺比例控制器．40模擬式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器可編程控制器控制儀表DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器KMM可編程調(diào)節(jié)器41一、主要功能接收信號：1-5VDC信號。實現(xiàn)偏差檢測：將接收信號與給定值信號進行比較，得到偏差信號。PID計算：將偏差信號進行PID運算，產(chǎn)生相應(yīng)的4-20mA控制信號。具備相應(yīng)值的指示功能?！?-2DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器42二、構(gòu)成原理由兩大部分構(gòu)成43控制單元：由自動操作和手動操作組成。44控制單元的內(nèi)外給定值功能：45控制器的正反作用功能：4647一、構(gòu)成§4-3KMM可編程調(diào)節(jié)器硬件部分：

主機部分模擬量輸入-輸出通道數(shù)字量輸入-輸出通道通信接口正面板，側(cè)面板軟件部分：系統(tǒng)程序和用戶程序4849KMM正面板上控制方式選擇:手動方式（M）自動方式（A）串級方式（C)5051課程小結(jié)過程控制儀表：

了解位式控制規(guī)律。掌握PID三種基本控制規(guī)律、特點。掌握理想PID控制器的控制算式，KP、TI、TD與控制輸出的關(guān)系。掌握DDZ-III調(diào)節(jié)器的特點及主要功能。了解KMM可編程調(diào)節(jié)器特點。52電信學(xué)院自動化系先進控制技術(shù)研究所ThankYou!5354內(nèi)容簡介《過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)》內(nèi)容簡介：過程控制系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計需要較多的數(shù)學(xué)知識，自動化儀表在設(shè)計制造方面也有許多技術(shù)問題值得探討。但是，對于工藝技術(shù)人員來說，主要關(guān)心的問題是控制系統(tǒng)和儀表的基本原理及其應(yīng)用特性。因此，《過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)》盡量避免繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，力求用簡明扼要的文字和插圖使讀者對所學(xué)知識有更多的定性了解，通俗易懂，這是《過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)》的另一個特色。

過程控制系統(tǒng)和儀表涉及的領(lǐng)域十分廣闊，研究內(nèi)容也極其豐富。本著理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的原則，《過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)》在取材方面，不追求包羅萬象、面面俱到，而是力爭把最基本、最常用的內(nèi)容都包含進來。突出重點，注重實用是《過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)》的第三個特色。第3版2010-07第2版出版日期：2006-08-015455目錄{第1篇}過程控制基礎(chǔ)知識

第1章緒論

1.1生產(chǎn)過程自動化概述

1.1.1生產(chǎn)過程及其特點

1.1.2生產(chǎn)過程對控制的要求

1.1.3生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程

1.2過程控制系統(tǒng)的組成及分類

1.2.1過程控制系統(tǒng)的組成

1.2.2過程控制系統(tǒng)的分類

1.3過程控制系統(tǒng)的方塊圖與工藝控制流程圖

1.3.1過程控制系統(tǒng)的方塊圖

1.3.2過程控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖

1.4過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(biāo)

1.4.1過程控制系統(tǒng)的過渡過程

1.4.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

習(xí)題

第2章被控對象的特性

2.1概述

2.1.1基本概念

2.1.2被控對象的階躍響應(yīng)特性

2.2被控對象特性的數(shù)學(xué)描述

2.2.1一階對象的機理建模及特性分析

2.2.2二階對象的機理建模及特性分析

2.2.3純滯后對象的機理建模及特性分析

2.3被控對象的實驗測試建模

2.3.1階躍響應(yīng)曲線的獲取

2.3.2一階純滯后對象特性參數(shù)的確定

2.3.3二階對象特性參數(shù)的確定習(xí)題

{第2篇}過程自動化裝置

第3章過程測量儀表

3.1測量儀表中的基本概念

3.1.1測量過程及測量儀表

3.1.2檢測系統(tǒng)的基本特性及性能指標(biāo)

3.2溫度測量

3.2.1概述

3.2.2熱電偶溫度計

3.2.3熱電阻溫度計

3.2.4溫度測量儀表的選用

3.2.5溫度交迭器

3.2.6一體化溫度變送器

3.2.7智能溫度變送器

3.3壓力測量

3.3.1概述

3.3.2彈性式壓力表

3.3.3電容武壓力變送器

3.3.4擴散硅壓力變送器

3.3.5智能差壓變送器

3.3.6壓力表的選擇和使用

3.4流量測量

3.4.1概述

3.4.2差壓式流量計

3.4.3容積式流量計

3.4.4浮子式流量計

3.4.5電磁流量計

3.4.6渦街流量計

55563.5物位測量

3.5.1概述

3.5.2靜壓式液位計

3.5.3磁浮子式液位計

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