第三章 過程控制儀表

第三章過程控制儀表第一頁，共八十四頁，2022年，8月28日3.1總體概述一、過程控制儀表的分類及特點(diǎn)1、按能源形式分類可分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)和機(jī)械式等幾種。工業(yè)上普遍使用電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表。

導(dǎo)管、管路板導(dǎo)線、印刷電路板

接線氣動(dòng)元件

電子元器件

構(gòu)成氣壓信號(hào)

電信號(hào)(電流、電壓或數(shù)字)

傳輸信號(hào)氣源（140kPa）

電源(220VAC，24VDC)能源氣動(dòng)儀表電動(dòng)儀表第二頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、按信號(hào)類型分類

模擬式數(shù)字式由模擬元件構(gòu)成傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量，如電流信號(hào)，電壓信號(hào)，氣壓信號(hào)等線路較簡(jiǎn)單，操作方便，使用靈活，價(jià)格較低

以微處理器、單片機(jī)等大規(guī)模集成電路芯片為核心傳輸信號(hào)通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量，如脈沖信號(hào)可以進(jìn)行各種數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷，其功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題第三頁，共八十四頁，2022年，8月28日3、按結(jié)構(gòu)形式分類

單元組合式儀表基地式儀表集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

第四頁，共八十四頁，2022年，8月28日單元組合式儀表：將各種單元進(jìn)行不同組合，可以構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場(chǎng)合需要的自動(dòng)檢測(cè)或控制系統(tǒng)。有電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）和氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）兩大類。都經(jīng)歷了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三個(gè)發(fā)展階段。根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成能實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表（稱為單元），各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。第五頁，共八十四頁，2022年，8月28日單元組合儀表

變送單元

溫度變送器壓力變送器差壓變送器流量變送器液位變送器

將各種被測(cè)參數(shù)變換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)傳送到接收儀表或裝置，以供顯示、記錄或控制

轉(zhuǎn)換單元

直流毫伏轉(zhuǎn)換器頻率轉(zhuǎn)換器電－氣轉(zhuǎn)換器氣－電轉(zhuǎn)換器

將電壓、頻率等電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，或者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以使不同信號(hào)在同一控制系統(tǒng)中使用

第六頁，共八十四頁，2022年，8月28日單元組合儀表

控制單元

運(yùn)算單元

比例積分微分控制器比例積分控制器比例微分控制器具有特種功能的控制器

將變送單元的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)比較，按偏差給出控制信號(hào)，去控制執(zhí)行器加減器乘除器開方器

顯示單元指示儀指示記錄儀報(bào)警器

第七頁，共八十四頁，2022年，8月28日單元組合儀表

給定單元

執(zhí)行單元

輔助單元輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為被控變量的給定值送到控制單元，實(shí)現(xiàn)定值控制。給定單元的輸出也可以供給其他儀表作為參考基準(zhǔn)值。

角行程電動(dòng)執(zhí)行器直線行程電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥

按控制器輸出的控制信號(hào)和手動(dòng)操作信號(hào)，改變控制變量操作器：手動(dòng)操作及手動(dòng)/自動(dòng)的切換作用

阻尼器：壓力或流量等信號(hào)的平滑、阻尼

限幅器：限制信號(hào)的上、下限值

安全柵：將危險(xiǎn)場(chǎng)所與非危險(xiǎn)場(chǎng)所隔開，起安全防爆作用

第八頁，共八十四頁，2022年，8月28日被控對(duì)象執(zhí)行單元檢測(cè)元件調(diào)節(jié)單元給定單元操作單元變送單元顯示單元工藝介質(zhì)閥門被調(diào)變量自動(dòng)手動(dòng)測(cè)量值給定值用電動(dòng)單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)

第九頁，共八十四頁，2022年，8月28日基地式控制儀表相當(dāng)于把單元組合儀表的幾個(gè)單元組合在一起，構(gòu)成一個(gè)儀表。通常以指示、記錄儀表為主體，附加控制、測(cè)量、給定等部件而構(gòu)成；其控制信號(hào)輸出一般為開關(guān)量，也可以是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)；一個(gè)基地式儀表具有多種功能，與執(zhí)行器聯(lián)用或與變速器聯(lián)用，便可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)；性能價(jià)格比高，適用于單參數(shù)的控制系統(tǒng)。第十頁，共八十四頁，2022年，8月28日集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）：分散控制、集中管理控制站（下位機(jī)）操作站（上位機(jī)）過程通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、處理及控制由DCS系統(tǒng)的基本控制器（包括控制卡、信號(hào)輸入輸出卡、電源等）構(gòu)成或由可編程序控制器PLC（包括CPU、I/O、電源等模塊）或帶有微處理器的數(shù)字式控制儀表構(gòu)成實(shí)現(xiàn)操作站與控制站的連接提供與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的連接過程信息的集中顯示、操作和管理由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤、通信網(wǎng)卡等組成第十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）現(xiàn)場(chǎng)控制和雙向數(shù)字通信將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通信。第十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日二、信號(hào)制

信號(hào)制即信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，是指儀表之間采用的傳輸信號(hào)的類型和數(shù)值。氣動(dòng)儀表的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：20kPa100kPa電動(dòng)儀表的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：420mADCDDZII型電動(dòng)儀表的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：010mADC

第十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、檢測(cè)元件和變送器的作用檢測(cè)元件變送器過程變量位移、壓力差壓、電量等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)工作原理模擬儀表：標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用420mA、010mA、15v電流或電壓信號(hào)，20100kPa氣壓信號(hào)；將工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)(流量、壓力、溫度、物位、成分等)經(jīng)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電或氣信號(hào)。變送器輸出的是被控變量的測(cè)量值，它被送到顯示和控制裝置，用于顯示和控制?，F(xiàn)場(chǎng)總線儀表：標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)3.2檢測(cè)變送環(huán)節(jié)一、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的性能第十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、對(duì)檢測(cè)變送單元的基本要求準(zhǔn)確：檢測(cè)元件和變送器能正確反映被控或被測(cè)變量，誤差??；迅速：及時(shí)反映被控或被測(cè)變量的變化；可靠：能在環(huán)境工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行。3、選用時(shí)的基本考慮首先考慮元件能否適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程中的高低溫、高壓、腐蝕性、粉塵和爆炸性環(huán)境，能否長期穩(wěn)定運(yùn)行；儀表精度和量程的選擇選用儀表的精度要合適：應(yīng)符合工業(yè)檢測(cè)要求儀表測(cè)量誤差：儀表本身誤差、環(huán)境工況引入的誤差、動(dòng)態(tài)誤差量程選擇：量程的改變會(huì)引起最大讀數(shù)誤差變化和增益變化。考慮儀表和變送器的線性特性第十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日4、動(dòng)態(tài)特性Km小，增大控制器的增益，有利于克服擾動(dòng)對(duì)影響；Km的線性度與整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入輸出的線性度有關(guān)；選擇合適的測(cè)量范圍可改變檢測(cè)變送環(huán)節(jié)Km對(duì)Km的考慮：作為廣義對(duì)象的組成，應(yīng)考慮與Tp和Tv的匹配，及增大最大時(shí)間常數(shù)與次大時(shí)間常數(shù)之間的比值；對(duì)Tm的考慮：第十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日相對(duì)于Tp，Tm是較小的。但有例外：成分檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯會(huì)很大；氣動(dòng)儀表的時(shí)間常數(shù)較電動(dòng)儀表要大；采用保護(hù)套溫度計(jì)檢測(cè)溫度要比直接與被測(cè)介質(zhì)接觸檢測(cè)溫度有更大的時(shí)間常數(shù)。應(yīng)考慮時(shí)間常數(shù)隨過程運(yùn)行而變化的影響：保護(hù)套結(jié)垢，造成時(shí)間常數(shù)增大；保護(hù)套磨損，造成時(shí)間常數(shù)減小。減小Tm的措施：檢測(cè)點(diǎn)位置的合理選擇；選用小慣性檢測(cè)元件；縮短氣動(dòng)管線長度，減小管徑；正確使用微分單元；選用繼動(dòng)器或放大器等。第十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)m的考慮(m

=l/v)：與Tm一起考慮，應(yīng)使m/Tm小通常在溫度、過程成分的檢測(cè)變送中要考慮減小m的途徑：選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)位置；減小傳輸距離l；選用增壓泵、抽氣泵等裝置，提高傳輸速度v；第十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日熱電偶檢測(cè)溫度時(shí)，由于產(chǎn)生的熱電偶不僅與熱端溫度有關(guān)，也與冷端溫度有關(guān)，因此需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償；二、對(duì)檢測(cè)變送信號(hào)的處理1、信號(hào)補(bǔ)償熱電阻到檢測(cè)變送儀表之間的距離不同，連接導(dǎo)線的類型和規(guī)格不同，導(dǎo)致線路電阻不同，因此需要進(jìn)行線路電阻補(bǔ)償；氣體流量檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)點(diǎn)溫度、壓力與設(shè)計(jì)值不一致，因此需要進(jìn)行溫度和壓力的補(bǔ)償；精餾塔內(nèi)介質(zhì)成分與溫度、塔壓有關(guān)，正常操作時(shí)，塔壓保持恒定，可直接用溫度進(jìn)行控制；當(dāng)塔壓變化時(shí)，需要用塔壓對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。第十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、線性化硬件組成非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行線性化處理，例如采用開方器對(duì)差壓進(jìn)行開方運(yùn)算；也可用軟件實(shí)現(xiàn)線性化處理。3、信號(hào)濾波目的：由于存在隨機(jī)噪聲，引起檢測(cè)信號(hào)波動(dòng)；計(jì)算機(jī)控制時(shí)，由于信號(hào)是采樣輸入，因此，引入噪聲方法：硬件濾波：RC電路、氣阻氣容等組成濾波線路數(shù)字濾波：數(shù)字低通、高通、帶通等濾波程序。算法有：一階低通濾波、一階高通濾波、遞推平均濾波、程序判別濾波第二十頁，共八十四頁，2022年，8月28日4、數(shù)學(xué)運(yùn)算5、信號(hào)報(bào)警當(dāng)檢測(cè)信號(hào)與被控變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得實(shí)際的被控變量數(shù)值。如果檢測(cè)變送信號(hào)超出工藝過程的運(yùn)行范圍，就要進(jìn)行信號(hào)報(bào)警和連鎖處理。6、數(shù)字變換例如快速傅里葉變換、小波變換；在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)經(jīng)常使用的。第二十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日形象地稱執(zhí)行器為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“手腳”3.3執(zhí)行器一、概述執(zhí)行器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，直接與介質(zhì)接觸，常常在高壓、高溫等惡劣的狀況下工作，因此，它是控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)作用：控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的自動(dòng)控制。直接影響過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量。第二十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制器輸出p0,I0推力、位移操縱變量流量接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積。第二十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的能源種類，執(zhí)行器可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種。氣動(dòng)執(zhí)行器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、防火防爆等優(yōu)點(diǎn)電動(dòng)執(zhí)行器：能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快和傳輸距離遠(yuǎn)，動(dòng)作較快；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、價(jià)格貴，適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場(chǎng)所液動(dòng)執(zhí)行器：推力最大，但目前使用不多調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有單座、雙座、偏心旋轉(zhuǎn)、套筒、蝶閥等。第二十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、氣動(dòng)執(zhí)行器典型的氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖

p執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥桿閥芯閥座膜片平衡彈簧氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種。二、執(zhí)行器結(jié)構(gòu)第二十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）作用：是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。流量方程調(diào)節(jié)原理當(dāng)口徑A和差壓(P1-P2)一定時(shí)，流量Q僅隨阻尼的變化而變化。改變閥門的開啟程度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。第二十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器也由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。最簡(jiǎn)單的電動(dòng)執(zhí)行器稱為電磁閥其它連續(xù)動(dòng)作的電動(dòng)執(zhí)行器都使用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力元件，將調(diào)節(jié)閥的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的開度

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成框圖伺服放大器伺服電動(dòng)機(jī)減速器位置發(fā)生器+－其中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行器是通用的，不同的只是電動(dòng)執(zhí)行器使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即使用電動(dòng)機(jī)等電的動(dòng)力啟閉調(diào)節(jié)閥。第二十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣開閥：在有信號(hào)壓力輸入時(shí)閥打開、無信號(hào)壓力時(shí)閥全關(guān)1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組合三、調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)氣關(guān)閥：在有信號(hào)壓力時(shí)閥關(guān)閉，無信號(hào)壓力時(shí)閥全開從控制系統(tǒng)角度出發(fā)，氣開閥為正作用，氣關(guān)閥為反作用第二十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增大時(shí)，閥桿向下移動(dòng)正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增大時(shí)，閥桿向上移動(dòng)第二十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日正體閥反體閥正體閥：閥桿下移時(shí)流量減小反體閥：閥桿下移時(shí)流量增大第三十頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣關(guān)型氣開型氣開型氣關(guān)型第三十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、選擇原則基本原則：根據(jù)安全生產(chǎn)的要求選擇調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障（如氣源中斷，控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了）時(shí)，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全?？紤]事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量?？紤]介質(zhì)的性質(zhì)。對(duì)裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥需選用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，使其處于全開狀態(tài)，以防止物料結(jié)晶、凝固和堵塞給重新開工帶來麻煩，甚至損壞設(shè)備。第三十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、理想流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度之間的關(guān)系，即：

：相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度時(shí)流量與全開流量之比：相對(duì)開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度行程與全開行程之比。

四、調(diào)節(jié)閥的流量特性理想流量特性：在閥前后壓差為一定的情況下（p=常數(shù)）得到的流量特性。第三十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日取決于閥芯的形狀。不同的閥芯曲面得到不同的理想流量特性。理想流量特性曲線1、快開2、直線3、拋物線4、對(duì)數(shù)1432第三十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日直線流量特性曲線：K：常數(shù)，即執(zhí)行器的放大系數(shù)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是一個(gè)常數(shù)。邊界條件：當(dāng)l=0時(shí)，q=qmin 當(dāng)l=L時(shí)，q=qmax調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，R=30第三十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度與相對(duì)流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3拋物線10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快開10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3對(duì)數(shù)10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直線10080706050403020100ba

a：l/L(%) b：q/qmax(%)第三十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日只要閥芯位移量相同，則流量變化也總是相同的，即單位行程變換所引起的流量變化是相等的。

在10%開度時(shí)：

在50%開度時(shí)：

在80%開度時(shí)：

相對(duì)流量的相對(duì)于當(dāng)前值的相對(duì)變化量為：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)，控制作用強(qiáng)，易產(chǎn)生振蕩；大開度時(shí)，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時(shí)。

對(duì)過程控制系統(tǒng)來說，要求在小負(fù)荷時(shí)控制作用小一些，大負(fù)荷時(shí)控制作用加強(qiáng)一些，這需要由調(diào)節(jié)閥的流量特性來補(bǔ)償。直線流量特性調(diào)節(jié)閥時(shí)不能滿足這一要求的。第三十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性：代入邊界條件：

單位相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。在10%開度時(shí)：

在50%開度時(shí)：

在80%開度時(shí)：

從過程控制工程來看，利用對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性是有利的。調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和；調(diào)節(jié)閥在大開度時(shí)，其放大系數(shù)大，控制作用靈敏有效。

第三十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日拋物線流量特性：將邊界條件代入可得：

它介于直線流量特性和對(duì)數(shù)流量特性之間，通?？捎脤?duì)數(shù)流量特性來代替。

單位相對(duì)行程（開度）的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量的平方根成正比關(guān)系?？扉_流量特性：在小開度時(shí)流量就已很大，隨著行程的增大，其流量就很快達(dá)到最大，故稱為快開特性。當(dāng)閥的行程大時(shí)，閥的流通面積不再增大，不能起控制作用。這種調(diào)節(jié)閥通常用于二位式控制或程序控制。第三十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、工作流量特性

調(diào)節(jié)閥前后壓差變化時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備串聯(lián)時(shí)的工作流量特性pkpvp調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備串聯(lián) qvppkpvp壓力分布第四十頁，共八十四頁，2022年，8月28日令S為調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的閥前后壓差與管道系統(tǒng)的壓差之比，即：

第四十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作特性第四十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日在S＝1時(shí)，管道阻力損失為零，系統(tǒng)的總壓差全部降在調(diào)節(jié)閥上，實(shí)際工作流量特性與理想特性是一樣的；隨著S值的減小，管道阻力損失增加，結(jié)果不僅調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的流量減小，而且流量特性也發(fā)生了很大的畸變：直線特性趨向于快開特性；等百分比特性趨向于直線特性并且S值越小，影響越大。因此在實(shí)際使用中，S值不能太小，通常希望S值不低于0.3。第四十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備并聯(lián)時(shí)的工作流量特性p調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備并聯(lián) QiQoQ1Q2并聯(lián)的目的：冗余措施；增大產(chǎn)量(流量)令S’為調(diào)節(jié)閥全開流量與總管最大流量之比，即：第四十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日S’=1.0S’=0.8S’=0.5S’=0.2l/L100%直線S’=1.0S’=0.8S’=0.5S’=0.2l/L100%對(duì)數(shù)當(dāng)s’=1時(shí)，即關(guān)閉旁路，調(diào)節(jié)閥工作流量特性西即為理想流量特性。隨著旁路閥打開，即s’值逐漸減小時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)范圍大大下降，這將使調(diào)節(jié)閥所能控制的流量變化很小。第四十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日3、調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇考慮系統(tǒng)的控制品質(zhì)：一個(gè)理想的控制系統(tǒng)，希望其總的放大系數(shù)在系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。

第四十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日第四十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日考慮工藝管道情況：等百分比等百分比等百分比直線理想特性等百分比直線等百分比直線工作特性S=0.30.5S=0.61配管情況工藝配管情況與流量特性關(guān)系調(diào)節(jié)閥在串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與S值的大小有關(guān)，即與工藝配管情況有關(guān)。第四十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日考慮負(fù)荷變化情況：調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇一般分兩步進(jìn)行：首先根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性；然后根據(jù)流量特性曲線的基本情況，確定理想流量特性，以作為向生產(chǎn)廠家定貨的內(nèi)容。直線特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)流量相對(duì)變化值大，控制過于靈敏，易引起振蕩，且閥芯、閥座也易受到損壞，因此在S值小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，不宜采用。等百分比特性調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥行程增加而增大，流量相對(duì)變化值是恒定不變的，因此它對(duì)負(fù)荷變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性。由對(duì)象特性選工作特性推理想特性查廠家手冊(cè)。第四十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日五、閥門定位器第五十頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣動(dòng)執(zhí)行器的主要附件利用負(fù)反饋原理來改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性；改變調(diào)節(jié)閥的流量特性；實(shí)現(xiàn)分程控制。第五十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日一、基本控制算法分析控制器的控制規(guī)律就是控制器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)（偏差）變化的規(guī)律。這個(gè)規(guī)律常稱為控制器的特性。

3.4控制器的模擬控制算法原理簡(jiǎn)單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性變化不太敏感。

控制作用的初始穩(wěn)態(tài)值比例放大系數(shù)積分時(shí)間微分時(shí)間第五十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日Kd：微分增益1、比例控制算法分析二、比例控制算法第五十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日控制輸出與偏差之間在一定范圍內(nèi)保持比例關(guān)系。有飽和區(qū)的比例特性局部：線性整體：非線性第五十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日通常用比例度表示控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入(偏差)的范圍，因此，比例度又稱為比例帶。當(dāng)采用計(jì)算機(jī)控制裝置或單元組合儀表，則有：第五十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日如果u直接代表調(diào)節(jié)閥的開度，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度改變100％，即從全關(guān)到全開，即：則可以看出，就代表對(duì)應(yīng)的被調(diào)量的相對(duì)變化范圍。只有當(dāng)被調(diào)量處在這個(gè)范圍以內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的開度(變化)才與偏差成比例。超出這個(gè)“比例帶”以外，調(diào)節(jié)閥已處于全開或全關(guān)的狀態(tài)，此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持比例關(guān)系，而調(diào)節(jié)器也至少暫時(shí)失去其控制作用了。例如，若測(cè)量?jī)x表的量程為100C，則=50%就表示被調(diào)量需要改變50C才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。第五十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正負(fù)之分。當(dāng)控制器的測(cè)量y增加時(shí)，控制器的輸出u增加，正作用控制器當(dāng)控制器的測(cè)量y增加時(shí)，控制器的輸出u增加，反作用控制器由于：u=Kc(r－y)=Kce，則：正作用控制器，Kc為負(fù)號(hào)；反作用控制器，Kc為正號(hào)第五十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、比例增益對(duì)控制系統(tǒng)的影響第五十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)余差的影響Kce()定值控制系統(tǒng)：當(dāng)干擾是幅值為F的階躍信號(hào)Kce()自衡非振蕩過程隨動(dòng)控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)是幅值為R的階躍信號(hào)，根據(jù)終值定理第五十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日無自衡非振蕩過程隨動(dòng)控制系統(tǒng)：e()=0定值控制系統(tǒng)：Gf(s)具有自衡特性時(shí)，e()=0Gf(s)具有無自衡特性，即第六十頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響Kc增大隨動(dòng)控制系統(tǒng)衰減比，最大動(dòng)態(tài)偏差，余差，振蕩，周期第六十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日定值控制系統(tǒng)Kc增大第六十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線隨比例增益的增加向(-1,j0)點(diǎn)移動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。隨著比例增益的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。第六十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日上述的結(jié)果適用于大多數(shù)工業(yè)過程被控對(duì)象的穩(wěn)定性分析，但對(duì)具體被控對(duì)象和擾動(dòng)通道還應(yīng)具體分析。設(shè)開環(huán)不穩(wěn)定對(duì)象：采用比例控制器，Kc增大時(shí)，控制系統(tǒng)的根軌跡Kc小時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著Kc的增大，系統(tǒng)的改善，直到系統(tǒng)阻尼第六十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、比例積分控制算法分析Ti為積分時(shí)間Ki為積分增益積分控制的主要作用在于消除余差u(t)物理上是不能實(shí)現(xiàn)三、比例積分控制算法第六十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、對(duì)PI控制作用的分析PI控制作用是P作用和I作用之和比例控制起粗調(diào)作用，積分作用起細(xì)調(diào)作用，直到余差消除，偏差為零時(shí)積分輸出才停止。第六十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日PI控制作用是比例增益不斷調(diào)整的P作用PI控制作用是初始穩(wěn)態(tài)值不斷移動(dòng)的P作用第六十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響Ti減小Ti對(duì)隨動(dòng)控制系統(tǒng)過渡過程的影響(Kc相同)第六十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日Ti對(duì)定值控制系統(tǒng)過渡過程的影響(Kc相同)Ti減小第六十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日當(dāng)Kc不變時(shí)，減小Ti，積分控制作用增強(qiáng)，衰減比減小，振蕩加劇，隨動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的超調(diào)量增大。調(diào)節(jié)過程加快，振蕩頻率升高。PI控制器中，保持Kc不變而減小Ti，或保持Ti不變而增大Kc，都會(huì)增強(qiáng)積分控制作用，使衰減比減小，振蕩加劇，超調(diào)量或最大偏差增大。積分控制作用除了用于消除閉環(huán)系統(tǒng)余差外，它也降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩頻率，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)變慢。這是由于引入積分后，閉環(huán)系統(tǒng)階數(shù)增大，并引入相位滯后所造成的。第七十頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、微分控制規(guī)律

比例控制和微分控制都是根據(jù)當(dāng)時(shí)偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，不管當(dāng)時(shí)偏差的變化趨勢(shì)。四、比例微分控制算法如果控制器能夠根據(jù)被控變量的變化速度來移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動(dòng)作，那么控制的效果會(huì)更好，等于賦予控制器以某種程度的預(yù)見性，這種控制作用稱為微分控制。此時(shí)控制器的輸出與被控變量或其偏差對(duì)時(shí)間的倒數(shù)成正比，即：第七十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日理想比例控制算法為：2、比例微分控制算法寫成增量式為：Td為微分時(shí)間Tdtteu微分時(shí)間Td是在斜坡信號(hào)輸入下，達(dá)到同樣輸出值u，PD作用比純比例P作用提前的時(shí)間。第七十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日Kd稱為微分增益嚴(yán)格按照上式動(dòng)作的控制器在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的；從數(shù)學(xué)上說，理想的微分作用在輸入階躍信號(hào)時(shí)，其輸出為高度為無窮大、寬度為無窮小的脈沖。其單位階躍響應(yīng)為：第七十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日1tetu1/Kd/Td/Kd第七十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日3、比例微分控制的特點(diǎn)微分作用總是力圖抑止被控量的振蕩，它有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)動(dòng)態(tài)偏差，縮短回復(fù)時(shí)間。時(shí)間常數(shù)較大的溫度、成分等控制系統(tǒng)，常引入微分控制作用萊改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。適度引入微分作用可以允許稍許減少比例帶，同時(shí)保持衰減率不變。微分調(diào)節(jié)動(dòng)作也有一些不利之處。微分太強(qiáng)容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和，因此以比例為主，微分為輔。開干擾能力差，只能應(yīng)用于被調(diào)量變化非常平穩(wěn)的過程，不用于流量和液位控制系統(tǒng)。微分能夠克服容量滯后，對(duì)純滯后無效。第七十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日微分控制作用的強(qiáng)弱可以從階躍輸入信號(hào)下輸出響應(yīng)曲線的面積來衡量。PID測(cè)量值控制器輸出Kd越大，面積越大，微分作用越強(qiáng)；Td越大，下降越慢，面積越大，微