過(guò)程控制工程課設(shè)置的目的和任務(wù)

緒論過(guò)程控制工程課設(shè)置的目的和任務(wù)Processcontrol（過(guò)程控制）課，是培養(yǎng)從事過(guò)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，及其在工程上予以實(shí)施的能力?？刂品桨傅男纬捎袃蓚€(gè)來(lái)源：一是來(lái)自控制原理的進(jìn)展，討論的核心問(wèn)題是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，如何提高系統(tǒng)的品質(zhì)；而另一來(lái)源是為了滿足工藝的特殊要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制方案。本課的基礎(chǔ)涉及到化工原理、控制原理和儀表計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識(shí)。過(guò)程控制的發(fā)展簡(jiǎn)史硬件第一階段：30-40年代，基地式儀表，就地控制第二階段：40-50年代，電氣動(dòng)單元組合儀表，車(chē)間、工段或全廠集中控制第三階段：60年代后，由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，全廠性、企管性控制過(guò)程控制手段40年代初：“黑箱子”時(shí)期50年代末：“灰箱子”時(shí)期，用反饋控制理論于生產(chǎn)過(guò)程50年代初、中：①對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模型的建立導(dǎo)致化工動(dòng)態(tài)學(xué)的發(fā)展②用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探討模型、系統(tǒng)辯識(shí)60年代：現(xiàn)代控制理論發(fā)展，我國(guó)75年后計(jì)算機(jī)控制較普遍，發(fā)展快過(guò)程控制設(shè)計(jì)從局部的設(shè)計(jì)到總體的設(shè)計(jì)，從單回路到多回路再到大系統(tǒng)從定值控制到浮動(dòng)控制事故出現(xiàn)硬停車(chē)到軟保護(hù)控制從離散控制（模擬儀表）到計(jì)算機(jī)控制學(xué)習(xí)方法及基本要求本課程上本專(zhuān)業(yè)的一門(mén)只要專(zhuān)業(yè)課，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及其他專(zhuān)業(yè)課知識(shí)，進(jìn)一步掌握過(guò)程控制工程理論和實(shí)踐知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具有解決過(guò)程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)及投運(yùn)的能力。本課程包括課堂教訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)四個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意自己的工程實(shí)際能力的培養(yǎng)。參考文獻(xiàn)1、《化工過(guò)程控制工程》祝和運(yùn)（浙江大學(xué)）化學(xué)工業(yè)出版社2、《過(guò)程控制系統(tǒng)及工程》翁維勤化學(xué)工業(yè)出版社3、《過(guò)程控制工程》莊興稼華中理工大學(xué)出版社4、《過(guò)程控制系統(tǒng)》F.G.shinskeg方崇智譯化工出版社5、《化工過(guò)程控制理論與工程》stephanopoluosG.關(guān)惕華譯化學(xué)工業(yè)出版社六、學(xué)時(shí)安排課堂教學(xué)40學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)?？傆?jì)48學(xué)時(shí)第1章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是指單回路控制系統(tǒng)，是最基本、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性。在計(jì)算機(jī)控制已占主流地位的今天，這類(lèi)控制仍占控制70％以上。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻能解決生產(chǎn)過(guò)程中的大量控制問(wèn)題，同時(shí)也是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。掌握了單回路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，將會(huì)給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及控制指標(biāo)1.1.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象（簡(jiǎn)稱對(duì)象）、測(cè)量變送裝置、控制器和控制閥。有時(shí)為了分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，把控制閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送裝置和在一起，稱為廣義對(duì)象。如圖1.1-1所示的水槽，控制要求是維持水槽液位L不變。為了控制液位，選擇相應(yīng)的變送器、控制器和控制閥，組成液位控制系統(tǒng)（即簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）。液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：在平衡狀態(tài)下，如果輸入流量端存有干擾，使輸入總流量增大，于是液位上升，隨著的上升，控制器將感受到偏差（給定與測(cè)量的比較值），從而控制器輸出將控制閥關(guān)小，使輸入流量減小，液位將下降回到給定值，達(dá)到新的平衡。圖1.1-1液位控制系統(tǒng)對(duì)于圖1.1-1所示的液位控制系統(tǒng)可以畫(huà)出它的方塊圖，如圖1.1-2所示圖1.1-2液位控制系統(tǒng)方框圖從以上的液位控制系統(tǒng)工作過(guò)程可看出：在該系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)輸出端引向輸入端的反饋線，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的?？刂谱饔檬羌m正偏差的，所以負(fù)反饋是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)根據(jù)其被控變量的不同，可以分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。雖然這些控制系統(tǒng)名稱不同，但是它們都具有相同的方塊圖和結(jié)構(gòu)組成。由于此類(lèi)控制系統(tǒng)從組成方塊圖上看，由一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和相應(yīng)的被控對(duì)象組成，并組成一個(gè)負(fù)反饋回路，因此簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)也常稱為單回路控制系統(tǒng)。1.1.對(duì)每一個(gè)控制回路來(lái)說(shuō)，在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量應(yīng)該平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。因此，通常在穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面提出各種單項(xiàng)控制指標(biāo)，把它們適當(dāng)?shù)亟M合起來(lái)，也可提出綜合性指標(biāo)。1.控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程單項(xiàng)指標(biāo)控制系統(tǒng)按其輸入方式不同可分為隨動(dòng)系統(tǒng)與定值系統(tǒng)，隨動(dòng)系統(tǒng)與定值系統(tǒng)控制要求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系統(tǒng)同樣必須穩(wěn)定，但定值系統(tǒng)的衰減比可以低一些，隨動(dòng)系統(tǒng)的衰減比應(yīng)該更高一些，隨動(dòng)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于跟蹤，要跟得穩(wěn)、跟得快、跟得準(zhǔn)；定值系統(tǒng)的關(guān)鍵在一個(gè)定字，要定得又穩(wěn)又快又準(zhǔn)。主要時(shí)域指標(biāo)包括衰減比、超調(diào)量（最大偏差）、余差、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率。這些指標(biāo)可從控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線上求取。圖1.1-3單位階躍響應(yīng)曲線衰減比在欠阻尼振蕩中，兩個(gè)相鄰的同方向幅值之比稱為衰減比，前一幅值作為分子，后一幅值作為分母。如圖1.1-3中的。衰減比是衡量穩(wěn)定性的指標(biāo)，≤1:1振蕩，不能容許。為保持足夠的穩(wěn)定性，定值系統(tǒng)的=4:1為宜。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)=10:1為宜，或采用過(guò)阻尼（ξ≥1）=0的形式。2）超調(diào)量與最大偏差在隨動(dòng)系統(tǒng)中，是一個(gè)反映超調(diào)情況，也是衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)。設(shè)被控變量的最終穩(wěn)定值為，最大瞬態(tài)偏差為，則超調(diào)量的表達(dá)公式為：在定值控制系統(tǒng)中，最終穩(wěn)態(tài)值是０或是很小的數(shù)值，仍用作為指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)的超調(diào)不合適了，通常改用最大偏差作為指標(biāo)反映系統(tǒng)超調(diào)量的大小。余差余差是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差。因?yàn)椋诙ㄖ登闆r下，，因此，余差是反映控制精度的一個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。4）回復(fù)時(shí)間和振蕩頻率過(guò)渡過(guò)程要絕對(duì)地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，然而要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近±5%或±2%以內(nèi)區(qū)域，并保持在該一區(qū)域之內(nèi)，需要的時(shí)間是有限的，這一時(shí)間稱為回復(fù)時(shí)間?；貜?fù)時(shí)間是反映控制快速性的一個(gè)指標(biāo)。在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大，則回復(fù)時(shí)間越短。同樣在同樣的衰減比下，振蕩頻率越高，則回復(fù)時(shí)間越短。因此，振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量控制快速性的指標(biāo)。圖1.1-4隨動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線圖1.1-5定植系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線[例1.1-1]某化學(xué)反應(yīng)器，工藝規(guī)定操作溫度為200±10℃，考慮安全因素，調(diào)節(jié)過(guò)程中溫度規(guī)定值最大不得超過(guò)15℃解：最大偏差：=230-200=30℃余差：=205-200=5℃衰減比：震蕩周期：=20-5=15min例1.1-1題圖過(guò)渡時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）：。再：工藝規(guī)定操作溫度為200±10℃，考慮安全因素，調(diào)節(jié)過(guò)程中溫度規(guī)定值最大不得超過(guò)15℃，而該調(diào)節(jié)系統(tǒng)=30℃2.控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程綜合性指標(biāo)綜合性指標(biāo)往往采用積分鑒定的形式一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)偏差越大，或是回復(fù)的越慢，則值將越大，表明控制品質(zhì)越差。但不宜直接用動(dòng)態(tài)偏差作為函數(shù)。是及的一個(gè)泛函值。通常采用以下形式：1)平方誤差積分準(zhǔn)則ISE(IntegralofSquaredErrorcriterion),2)絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則IAE(IntegralofAbsolutevalueofErrorcriterion),3)時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則ITAE(IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofErrorcriterion),對(duì)于存在余差的系統(tǒng)，不會(huì)最終趨于零，有存在，上面三種形式的積分鑒定值J都將成為無(wú)窮大，無(wú)從進(jìn)行比較。此時(shí)可用作為誤差項(xiàng)代入。一般地說(shuō)，ITAE為最小值的系統(tǒng)往往衰減比很大，ISE為最小值的系統(tǒng)回復(fù)時(shí)間很短，但過(guò)渡過(guò)程的振蕩比較劇烈。如下圖所示：圖1.1-6應(yīng)用不同偏差積分性能指標(biāo)下的閉環(huán)響應(yīng)在工作中，具體選何種指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)性能及工藝要求而定。1．2典型受控過(guò)程本節(jié)主要介紹幾種常見(jiàn)簡(jiǎn)單環(huán)節(jié)特性，然后列出由它們組成的一些實(shí)際過(guò)程。1．2．1純滯后過(guò)程 純滯后：指在輸入量變化后，看不到系統(tǒng)對(duì)其響應(yīng)的這段時(shí)間。當(dāng)物質(zhì)或能量沿著一條特定的路徑傳輸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)純滯后。路徑的長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度是決定純滯后大小的兩個(gè)因素。因此純滯后也稱為傳輸滯后。純滯后一般不單獨(dú)出現(xiàn)，同時(shí)不存在純滯后的生產(chǎn)過(guò)程也很少。任何對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的技術(shù)都會(huì)涉及純滯后問(wèn)題。圖1-7所示一個(gè)傳送純滯后例子：圖1.2-1純滯后過(guò)程示意圖傳遞函數(shù)：，L指距離，V指速度頻率特性：純滯后環(huán)節(jié)幅頻特性對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響，相頻特性對(duì)系統(tǒng)的影響大且隨頻率增加純滯后影響。1.2.2單容過(guò)程容積：指儲(chǔ)存物質(zhì)或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之間緩沖器。無(wú)自衡圖1-11無(wú)自衡單容過(guò)程基本方程：①輸入流量—輸出流量=單位時(shí)間容積的累積量變化②液位差/流阻=流出流量推導(dǎo)傳遞函數(shù)：∵∴拉氏變換式∵為常量其增量為0，即=0，則，則，其中為積分時(shí)間常數(shù)。寫(xiě)成一般形式：，為積分時(shí)間常數(shù)，頻率特性：特點(diǎn)：無(wú)自衡過(guò)程在沒(méi)有自動(dòng)控制系統(tǒng)情況下，不允許長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)人看管，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)。2．有自衡傳遞函數(shù)的推導(dǎo)：∵與的靜態(tài)特性為非線性關(guān)系,為比例系數(shù)（與手動(dòng)閥開(kāi)度有關(guān)）假定調(diào)節(jié)系統(tǒng)為定值控制（線性化）：圖1.2-2有自衡單容過(guò)程（為設(shè)定值，為液阻）則，，設(shè)取拉氏變換寫(xiě)成一般形式：（一階慣性環(huán)節(jié)）， （放大系數(shù)）；（時(shí)間常數(shù)）其頻率特性：，具有低通濾波器的作用。1．2．3多容過(guò)程1.沒(méi)有相互影響的雙容過(guò)程（如圖1-12所示）圖12-3沒(méi)有相互影響雙容過(guò)程傳遞函數(shù)的推導(dǎo)：（相當(dāng)于兩個(gè)二階環(huán)節(jié)串聯(lián)）A1、A2表示儲(chǔ)槽的橫截面積，R1、R2表示儲(chǔ)槽的液阻。令，，，則兩個(gè)極點(diǎn)、、負(fù)實(shí)極點(diǎn)、非震蕩自衡過(guò)程。2.具有相互影響的雙容過(guò)程圖1.2-4有相互影響雙容過(guò)程結(jié)論：①液位對(duì)輸入流量的響應(yīng)不再是一階過(guò)程，而是二階過(guò)程。②對(duì)流量的響應(yīng)s項(xiàng)多了項(xiàng)，可理解為相互影響因子。討論：以上傳遞函數(shù)的二個(gè)極點(diǎn)1）當(dāng)，則為兩個(gè)不同的實(shí)根，表明兩個(gè)相互影響的容積可等效為兩個(gè)不相互影響的容積。不過(guò)是時(shí)間常數(shù)需校正，過(guò)程總是呈過(guò)阻尼狀態(tài)（）。2)假定兩個(gè)儲(chǔ)槽具有相同的時(shí)間常數(shù)（），因此相互影響是改變了兩個(gè)儲(chǔ)槽的等效時(shí)間常數(shù)比例。一個(gè)儲(chǔ)槽的反應(yīng)變的快，而另一個(gè)反應(yīng)變的慢。由于時(shí)間響應(yīng)主要受慢作用的牽制，所以存在相互影響的時(shí)間響應(yīng)要比無(wú)相互影響時(shí)顯得緩慢（如圖1-14所示）。圖1.2-5液位儲(chǔ)槽的階躍響應(yīng)（1—相互無(wú)影響，2—相互有影響）3.多容過(guò)程1）沒(méi)有相互影響的多容過(guò)程變化特點(diǎn)，是可表示為由N個(gè)一階環(huán)節(jié)組成（串聯(lián)）的系統(tǒng)，如圖所示：圖1.2-6沒(méi)有相互影響的多容過(guò)程信號(hào)框圖設(shè)圖中：，，設(shè)整個(gè)過(guò)程的傳遞函數(shù)為：圖1.2-7無(wú)相互影響的多容過(guò)程階躍響應(yīng)圖特點(diǎn)：①當(dāng)T相同、V相等而又相互影響的若干個(gè)一階環(huán)節(jié)組成的過(guò)程，隨著N增加，它的影響接近一階環(huán)節(jié)加滯后的過(guò)程。②若干個(gè)T相同、V相等而又相互影響的環(huán)節(jié)，可分解為一個(gè)較大時(shí)間常數(shù)、其余較小，較大起主導(dǎo)作用，較小組成一個(gè)純滯后。結(jié)論：有無(wú)相互影響的多容過(guò)程均可作用來(lái)近似。這就是工業(yè)過(guò)程基本都可用了表示傳遞過(guò)程的原因。注意：有無(wú)相互影響的之比有很大差別，如n=10，無(wú)相互影響=1，而相互影響=0.1因此有相互影響的系統(tǒng)更易控制些。1．2．4具有反向響應(yīng)的過(guò)程反向響應(yīng)：指其階躍響應(yīng)在初始情況與最終情況方向相反。典型例子：鍋爐汽包水位h受蒸汽量干擾是的變化過(guò)程。圖1.2-8鍋爐汽包水位對(duì)給水的階躍時(shí)間響應(yīng)曲線圖在加入冷水過(guò)程中：汽包內(nèi)水泡受冷后收縮，水面下降=當(dāng)燃料量不變時(shí)，汽包內(nèi)水位應(yīng)隨冷上加入量而增大=兩種變化的迭加總特性為=結(jié)論：①當(dāng)時(shí)，在響應(yīng)初期，占主導(dǎo)，過(guò)程呈反向，如時(shí)，過(guò)程沒(méi)有反向特性。②呈反向特性時(shí)，傳遞函數(shù)總具有一個(gè)正的零點(diǎn)，傳遞函數(shù)存在正實(shí)部零點(diǎn)的過(guò)程屬于非最小相位過(guò)程，較難控制，應(yīng)考慮特殊方法（如后面講多沖量控制系統(tǒng)）。1.2.5不穩(wěn)定過(guò)程工業(yè)過(guò)程中，還存在具有不穩(wěn)定特性的過(guò)程，主要在化學(xué)反應(yīng)中，如吸熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度T是穩(wěn)定的，反應(yīng)器內(nèi)部存在負(fù)反饋。當(dāng)T受干擾增大時(shí)，吸熱量也相應(yīng)增大，從而使反應(yīng)溫度T減小，恢復(fù)到給定值；而對(duì)于放熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度T的變化，由于反應(yīng)器內(nèi)部存在正反饋因而反應(yīng)溫度是不穩(wěn)定的。當(dāng)T受干擾增大時(shí)，放熱量也相應(yīng)增大，從而使反應(yīng)溫度T更大，從而不能恢復(fù)到給定值。為開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。圖1.2-9不穩(wěn)定過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線1.3被控變量與操縱變量的選擇1.3.1被控變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，選擇得正確與否，會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定操作,產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動(dòng)條件的改善等。如果被控變量選擇不當(dāng)，不論采用何種控制儀表，組成什么樣的控制系統(tǒng)，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果，滿足不了生產(chǎn)的控制要求。為此，自控設(shè)計(jì)人員必須深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，只有在熟悉生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上才能正確的選擇出被控變量。對(duì)于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，就選擇溫度、壓力、流量、液位作為被控變量，這是很容易理解的，也無(wú)需多加討論。質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映，因此，選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量應(yīng)是首先要進(jìn)行考慮的。采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量，必然要設(shè)計(jì)到產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（如密度，粘度等）的測(cè)量問(wèn)題，這就需要用到成分分析儀表和物性參數(shù)測(cè)量?jī)x表。有關(guān)成分和物理參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外尚未得到很好的解決。一來(lái)因?yàn)楫a(chǎn)品品種類(lèi)型很不齊全，致使有些成分或物性參數(shù)目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和變送；二來(lái)這些儀表，特別是成分分析儀表具有較嚴(yán)重的測(cè)量滯后，不能及時(shí)地反映產(chǎn)品質(zhì)量變化的情況。當(dāng)直接選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接的指標(biāo)作為被控變量。但是必須注意，所選用的間接指標(biāo)必須與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且還需具有一定變化靈敏度，即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化，間接指標(biāo)必須有足夠大的變化。以苯、甲苯二元系統(tǒng)的精餾為例。在氣、液兩相并存時(shí)，塔頂易揮發(fā)組分的濃度、溫度和壓力三者之間有著如下函數(shù)關(guān)系：（1.3-1）這里是直接反映塔頂產(chǎn)品純度的，是直接的質(zhì)量指標(biāo)。如果成分分析儀表可以解決，那么，就可以選擇塔頂易揮發(fā)組分的濃度作為被控變量，組成成分控制系統(tǒng)。如果成分分析儀表不好解決，或因成分測(cè)量滯后太大，控制效果差，達(dá)不到質(zhì)量要求，則可以考慮選擇一間接指標(biāo)參數(shù)：塔頂溫度或塔壓作為被控變量，組成相應(yīng)的控制系統(tǒng)。圖1.3-1簡(jiǎn)單精餾過(guò)程示意圖在考慮選擇或其中之一作為被控變量時(shí)是有條件的。由式（1.3-1）可看出，它是一個(gè)二元函數(shù)關(guān)系，即與及都有關(guān)。只有當(dāng)或有一個(gè)不變時(shí)，式（1.3-1）才可簡(jiǎn)化成一元函數(shù)關(guān)系。即當(dāng)一定時(shí)：(1.3-2)當(dāng)一定時(shí)：(1.3-3)總之，對(duì)于某個(gè)給定的工藝過(guò)程，應(yīng)選擇哪幾個(gè)工藝函數(shù)為受控變量采用直接參數(shù)法即以工藝參數(shù)為受控變量（最好為溫度壓力流量液位四大參數(shù)）間接參數(shù)法原選定的受控變量受檢測(cè)儀表的約束，要尋找與受控變量有單一的線性函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)來(lái)作為受控變量。如蒸餾塔組分的檢測(cè)控制，一般用溫度代替，但壓力（塔壓）必須恒定，即。一個(gè)設(shè)備多個(gè)受控變量應(yīng)以自由度分析，找出獨(dú)立變量—組分?jǐn)?shù)—相數(shù)[例1.3-1]飽和蒸汽=1，=2，則自由度=1-1+2=1蒸汽質(zhì)量受控變量選一個(gè)（或）過(guò)熱蒸汽=1，=1，則自由度=1-1+2=2受控變量則選2個(gè)（、）1.3.2操縱變量的選擇為了正確地選擇操縱變量。首先要研究對(duì)象的特征。我們知道被控變量是被控對(duì)象的一個(gè)輸出。影響被控的外部因素則是被控對(duì)象的輸入。現(xiàn)在的任務(wù)是在影響被控變量的諸多輸入中。選擇其中某一個(gè)可控性良好的輸入量作為操縱變量。而其它未被選中的其他輸入量，則稱為系統(tǒng)的干擾。因此對(duì)操縱變量的選擇應(yīng)注意：工藝的合理性不能選工藝流程的主物料量（除非有中間儲(chǔ)槽）為調(diào)節(jié)參數(shù)，應(yīng)選輔助（側(cè)線）物料，如換熱器，只能選載熱體為調(diào)節(jié)量，而不能選物料加入量為調(diào)節(jié)參數(shù)，因后者在調(diào)節(jié)過(guò)程中引起生產(chǎn)波動(dòng)。②對(duì)受控變量有明顯的影響作用，即要求有放大系數(shù)大，時(shí)間常數(shù)快速。1.4過(guò)程可控程度分析過(guò)程可控程度：指對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制的難易程度。本節(jié)介紹一種度量過(guò)程程度的指標(biāo)。1.4.1度量過(guò)程可控程度（簡(jiǎn)稱可控性）的指標(biāo)的導(dǎo)出條件：相同的控制器、最佳整定，在相同的干擾作用下進(jìn)行不同過(guò)程的比較。假定控制器為純比例，參數(shù)整定目標(biāo)=4：1如圖1-17所示的二階系統(tǒng)：圖1.4-1二階系統(tǒng)方塊圖其傳遞函數(shù)為：當(dāng)=4：1時(shí)，（令）式中：——開(kāi)環(huán)系統(tǒng)總的靜態(tài)增益。利用偏差絕對(duì)值積分（IAE）指標(biāo)由于工作周期也是系統(tǒng)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)，則引入（）則上式寫(xiě)成∵=4:1震蕩時(shí)，工作頻率比臨界頻率約小10-30%，兩者有一定的比例關(guān)系對(duì)上式由于相同（相同的干擾）則若系統(tǒng)沒(méi)有較大的純滯后或分布參數(shù)，一般值大于10，這樣上式中的“1”可以忽略去。化簡(jiǎn)得，設(shè)，都是過(guò)程在純比例控制下，系統(tǒng)達(dá)到震蕩時(shí)的參數(shù)。此式說(shuō)明，于成反比，越大質(zhì)量越好。1.4.2廣義對(duì)象時(shí)間常數(shù)和純滯后對(duì)可控程度的影響以三階過(guò)程為例，時(shí)間常數(shù)對(duì)的影響，令與一般單回路系統(tǒng)的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)類(lèi)似?！煽闯蓪?duì)象時(shí)間常數(shù)，最大；—可看成調(diào)節(jié)閥時(shí)間常數(shù)，次之；—可看成對(duì)檢測(cè)變送時(shí)間常數(shù)，最小。下表為時(shí)間常數(shù)變化對(duì)的影響。表1.4-1列出、、不同變化下、與由表得出結(jié)論：①增大，、不變，及增大，質(zhì)量好②減小，、不變，、及增大，質(zhì)量好③存在極值點(diǎn)*，當(dāng)＞*或＜*時(shí)，及增大利用MATLAB仿真得到不同時(shí)間常數(shù)、、搭配的過(guò)渡過(guò)程曲線，也可得到同樣的結(jié)論。圖1。4-2不同的時(shí)間常數(shù)T搭配產(chǎn)生不同的過(guò)渡過(guò)程仿真試驗(yàn)曲線對(duì)于高階過(guò)程（四、五階純滯后過(guò)程）規(guī)律：①增大與減小，拉開(kāi)第一與第二時(shí)間常數(shù)距離，增大，質(zhì)量好最小時(shí)間常數(shù)減小，增大，質(zhì)量好從頻率特性分析，，，，純滯后的加入總是使減小，減小，減小。(如圖1.4-2所示)圖1。4-2用頻率特性表示純滯后的影響（1-無(wú)純滯后的影響；2-有純滯后的影響)1.5廣義對(duì)象各環(huán)節(jié)對(duì)可控程度的影響如圖示線性單回路系統(tǒng)圖1。5-1線性單回路控制系統(tǒng)1.5.1干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè)其中的、、為三個(gè)特性指標(biāo)1.放大倍數(shù)的影響假定所研究的系統(tǒng)方框圖如圖1.5-1所示。由圖1.5-1可直接求出在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（1.5-1）由式（1.5-1）可得（1.5-2）令；；并假定為單位階躍干擾，則將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入式（1.5-2），并運(yùn)用終值定理可得：（1.5-3）式中為控制器放大倍數(shù)與被控對(duì)象放大倍數(shù)的乘積，稱之該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。對(duì)于定值系統(tǒng)，即系統(tǒng)的余差。由式（1.5-3）可以看出，干擾通道的放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制靜態(tài)質(zhì)量越差（如圖1.5-2所示）。圖1.5-2干擾通道放大系數(shù)變化的影響結(jié)論：增大，差，干擾影響大。2.時(shí)間常數(shù)的影響未了研究問(wèn)題方便起見(jiàn)，令圖1.5-1中的各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)均為1，這樣系統(tǒng)在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為：（1.5-4）系統(tǒng)的特征方程為：（1.5-5）由式（1.5-5）可知，當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，與干擾通道為放大環(huán)節(jié)相比，系統(tǒng)的特征方程發(fā)生了變化，表現(xiàn)在根平面的負(fù)實(shí)軸上增加了一個(gè)附加極點(diǎn)。這個(gè)附加極點(diǎn)的存在，除了會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間外，還會(huì)影響到過(guò)渡過(guò)程的幅值，使其減小了倍，這樣過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差也將隨之減小。這對(duì)提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且隨著的增大，控制過(guò)程的品質(zhì)亦會(huì)提高。如果干擾通道階次增加，例如干擾通道傳遞函數(shù)為兩階的，那么，就有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)及。按照根平面的分析，系統(tǒng)將增加兩個(gè)附加極點(diǎn)及，這樣過(guò)渡過(guò)程的幅值將縮小倍。因此控制質(zhì)量將進(jìn)一步獲得提高（如圖1.5-3所示）。圖1.5-3干擾通道時(shí)間常數(shù)變化的影響結(jié)論：增大，對(duì)擾動(dòng)起濾波作用，增大使系統(tǒng)受干擾作用緩慢。有了上面的分析基礎(chǔ)，討論干擾從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)被控變量的影響就不困難了。圖1.5-4所示、及從不同的位置進(jìn)入系統(tǒng)，如果干擾的幅值和形式都是相同的，顯然，它們對(duì)控制質(zhì)量的影響程度依次為最大，次之，而為最小。下面用圖1.5-5來(lái)分析此結(jié)論。圖1.5-4干擾進(jìn)入位置圖由圖1.5-5可看出，對(duì)的影響依次要經(jīng)過(guò)、、三個(gè)環(huán)節(jié)，如果每一個(gè)環(huán)節(jié)都是一階慣性環(huán)節(jié)的，則對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行了三次濾波，它對(duì)被控變量的影響會(huì)削弱得多，對(duì)被控變量的實(shí)際影響就會(huì)很小。而只經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)就影響到，它的影響被削弱的較少，因此它對(duì)被控變量影響最大。圖1.5-5干擾進(jìn)入位置圖等效方框圖由上述分析可得出如下結(jié)論：干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，各數(shù)越多，或者說(shuō)干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥，干擾對(duì)被控變量的影響就越小，系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。3.純滯后的影響在上面的分析中干擾通道時(shí)間常數(shù)對(duì)被控變量影響時(shí)，沒(méi)有考慮到干擾通道具有純滯后的問(wèn)題，如果考慮干擾通道具有純滯后那么干擾通道的傳遞函數(shù)為：（1.5-6）這樣將（1-4）式改寫(xiě)成干擾通道具有純滯后的閉環(huán)傳遞函數(shù)：（1.5-7）求?。?-4）與（1-9）在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程與。由控制理論中的滯后定理可以得出、之間的關(guān)系為：如圖1.5-6所示圖1.5-6干擾通道純滯后的影響（1-無(wú)純滯后的影響；2-有純滯后的影響)結(jié)論：干擾通道具有純滯后對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)影響（指反饋系統(tǒng)，前饋系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償模型），只是將響應(yīng)推遲一段時(shí)間?？偨Y(jié)干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，如表1.5-1所示。表1.5-1調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響增加余差增加無(wú)影響增加無(wú)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減小，震蕩幅值減小增加無(wú)影響無(wú)影響1.5.2調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響設(shè)調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)為：討論中的、、三個(gè)特性指標(biāo)1.放大倍數(shù)的影響放大倍數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。從靜態(tài)方面分析，由式（1-6）可以看出，控制系統(tǒng)的余差與干擾通道放大倍數(shù)成正比，與調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)成反比，因此當(dāng)、不變時(shí)，調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)越大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的余差越小。放大倍數(shù)的變化不但會(huì)影響控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制質(zhì)量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量也產(chǎn)生影響。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）下，系統(tǒng)地開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是控制器放大倍數(shù)與廣義對(duì)象調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù)的乘積。也就是說(shuō)特定的系統(tǒng)衰減比必須與控制器放大倍數(shù)乘積的某特定數(shù)值對(duì)應(yīng)。在一定衰減要求之下，減小，必須增大；增大，必須減小。同時(shí)由于控制器與廣義對(duì)象相串聯(lián)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定是定值，因此從系統(tǒng)為穩(wěn)定性來(lái)講的大小無(wú)影響。2.調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)的影響由圖1-19可得出單回路控制系統(tǒng)的特征方程為：1+=0（1-10）為了便于分析起見(jiàn)，令，，將、代入式（1-10）得到：（1-11）將式（1-11）化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式，得：于是可得：，（1-12）由式（1-12）可求得：，（1-13）這里為系統(tǒng)的自然震蕩頻率。根據(jù)控制原理可知，系統(tǒng)工作頻率與其自然震蕩頻率有如下關(guān)系：（1-14）由式（1-14）可看出，在不變的情況下，與成正比，即∝（1-15）從式（1-15）關(guān)系可知，不論、哪一個(gè)增大，都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率降低。而系統(tǒng)工作頻率越低，則控制速度越慢。這就是說(shuō)調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)越大，系統(tǒng)的工作頻率越低，控制速度越慢。這樣就不能及時(shí)地克服干擾的影響，因而，系統(tǒng)地控制質(zhì)量會(huì)變差。但調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)也不是越小越好。時(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)的工作頻率過(guò)高，系統(tǒng)將變得過(guò)于靈敏，反而會(huì)影響控制系統(tǒng)地控制品質(zhì)，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動(dòng)的都比較厲害，就是由于流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較小的原因所致。圖1-23調(diào)節(jié)通道時(shí)間常數(shù)變化的影響3.調(diào)節(jié)通道純滯后的影響調(diào)節(jié)通道純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響可用圖1-24加以說(shuō)明。圖中的曲線C是沒(méi)有控制作用時(shí)系統(tǒng)在干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果未變送器的靈敏度，那么，當(dāng)調(diào)節(jié)通道沒(méi)有純滯后時(shí)，調(diào)節(jié)作用從時(shí)刻開(kāi)始就對(duì)干擾起抑制作用，控制曲線為。如果調(diào)節(jié)通道存在有純滯后時(shí)，調(diào)節(jié)作用從+時(shí)刻才開(kāi)始對(duì)干擾起抑制作用，而在此之前，系統(tǒng)由于得不到及時(shí)控制，因而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷上升(或下降)，其控制曲線為E。顯然，與調(diào)節(jié)通道沒(méi)有純滯后的情況相比，此時(shí)的動(dòng)態(tài)偏差將增大，系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。圖1-24純滯后影響示意圖同時(shí)，因?yàn)榧儨蟮拇嬖?，使得控制器不能及時(shí)獲得控制作用效果的反饋信息，因而控制器不能根據(jù)反饋信息來(lái)調(diào)整自己的輸出，當(dāng)需要增加控制作用時(shí)會(huì)使控制作用增加的太多，而一旦需要減少控制作用時(shí)則又會(huì)使控制作用減少得太多，控制器出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此控制系統(tǒng)純滯后的存在是系統(tǒng)的大忌,純滯后的存在會(huì)大大地惡化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定情況。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)盡量避免調(diào)節(jié)通道出現(xiàn)純滯后。圖1-25調(diào)節(jié)通道純滯后的影響總結(jié)調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，如表1-2所示。表1-3調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響增加余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于震蕩增加無(wú)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率變慢增加無(wú)影響穩(wěn)定程度大大降低1.6檢測(cè)變送環(huán)節(jié)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的任務(wù)是對(duì)被控變量或其它有關(guān)參數(shù)作正確測(cè)量，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號(hào)如（4~20mA），測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可表示為：一般→0，較小，為簡(jiǎn)化分析，有時(shí)也假設(shè)→0，這樣當(dāng)=1時(shí)，可將控制系統(tǒng)看成單位反饋系統(tǒng)（控制理論中經(jīng)常這樣描述）。檢測(cè)變送需注意的兩點(diǎn)：①，因變送器采用模擬單元組合儀表，輸出范圍為定值（如4-20mA）,則與測(cè)量范圍成反比，越大，測(cè)量范圍越小，測(cè)量精度越高。②變送器的輸出值與測(cè)量值的關(guān)系：線性變送時(shí)：變送器輸出=（測(cè)量值/測(cè)量范圍）（變送器輸出最大值-變送器輸出最小值）+變送器輸出最小值非線性變送（差壓法測(cè)流量）時(shí)：變送器輸出=（測(cè)量值/測(cè)量范圍）2（變送器輸出最大值-變送器輸出最小值）+變送器輸出最小值1.6.1關(guān)于測(cè)量誤差1.儀表本身誤差增大可減小測(cè)量誤差，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性受影響，應(yīng)與配合。2.安裝不當(dāng)引入誤差如，流量測(cè)量中，孔板裝反；直管道不夠；差壓計(jì)引壓管線有氣泡等。3.測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差如溫度測(cè)溫元件，應(yīng)盡量減小、，成份分析應(yīng)盡量減少。1.6.2測(cè)量信號(hào)的處理1.對(duì)呈同周期性的脈動(dòng)信號(hào)需進(jìn)行低通濾波2.對(duì)測(cè)量噪聲需進(jìn)行濾波3.線性化處理1.7執(zhí)行器環(huán)節(jié)1.7.1執(zhí)行器概述執(zhí)行器是過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的作用是接收控制器送來(lái)的控制信號(hào)，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。執(zhí)行器的動(dòng)作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過(guò)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，在用電信號(hào)作為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)中，目前廣泛應(yīng)用以下三種控制方式，如REF_Ref127009482\h圖0.1所示。圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11執(zhí)行器的構(gòu)成及控制形式調(diào)節(jié)器伺服放大器操作器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器電/氣轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器電/氣閥門(mén)定位器轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器有各種不同的分類(lèi)方法，其分類(lèi)如下：①按動(dòng)力能源分類(lèi)分為氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器。氣動(dòng)執(zhí)行器利用壓縮空氣作為能源，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，而且價(jià)格較低；它可以方便的與氣動(dòng)儀表配套使用，即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過(guò)電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門(mén)定位器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02~0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，仍然可用氣動(dòng)執(zhí)行器。②按動(dòng)作極性分類(lèi)分為正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器。③按動(dòng)作行程分類(lèi)分為角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器。④按動(dòng)作特性分類(lèi)分為比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器。在自控系統(tǒng)中，為使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出滿足一定精度的要求，在控制原理上常采用負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置輸出作為反饋信號(hào)，和電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作比較，將其差值經(jīng)過(guò)放大用于驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)向消除差值的方向運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置輸出和電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)成線性關(guān)系。在應(yīng)用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合下，采用電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套時(shí)，由于是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，只能用于控制精度要求不高的場(chǎng)合。當(dāng)需要精度較高時(shí)，一般都采用電/氣閥門(mén)定位器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相配套，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移通過(guò)凸輪杠桿反饋到閥門(mén)定位器內(nèi)，利用負(fù)反饋的工作原理，大大提高了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的位置精度。因此，目前在自控系統(tǒng)中應(yīng)用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥大多數(shù)都與閥門(mén)定位器配套使用。智能電動(dòng)執(zhí)行器將伺服放大器與操作器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路，而智能執(zhí)行器則將所有的環(huán)節(jié)集成，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線由變送器或操作站發(fā)來(lái)，可以取代調(diào)節(jié)器。由于石油、化工等過(guò)程工業(yè)中的安全問(wèn)題，所以大量使用的是氣動(dòng)執(zhí)行器。下面主要介紹氣動(dòng)執(zhí)行器的特性及應(yīng)用。1.7.2氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器又稱為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥(控制機(jī)構(gòu))組成。如下圖所示。執(zhí)行器上有標(biāo)尺，用以指示執(zhí)行器的動(dòng)作行程。1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩大類(lèi)。其中薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最為常用，它可以用作一般控制閥的推動(dòng)裝置，組成氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行器。氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力p作用于膜片，使其變形，帶動(dòng)膜片上的推桿移動(dòng)，使閥芯產(chǎn)生位移，從而改變閥的開(kāi)度。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維修方便，應(yīng)用廣泛。氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)使活塞在氣缸中移動(dòng)產(chǎn)生推力。顯然，活塞式的輸出力度遠(yuǎn)大于薄膜式，因此，薄膜式適用于輸出力較小、精度較高的場(chǎng)合；活塞式適用于輸出力較大的場(chǎng)合，如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動(dòng)裝置。除有薄膜式和活塞式之外，還有一種長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大，適于輸出角位移和大力矩的場(chǎng)合。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為0.02~0.1MPa。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的位移L與信號(hào)壓力p的關(guān)系為：(2.SEQ5-\*ARABIC1)圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12氣動(dòng)執(zhí)行器式中，A為波紋膜片的有效面積，K為彈簧的剛度。推桿受壓移動(dòng)，使彈簧受壓，當(dāng)彈簧的反作用力與推桿的作用力相等時(shí)，輸出的位移L與信號(hào)壓力p圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)來(lái)自控制器或閥門(mén)定位器的信號(hào)壓力增大時(shí)，閥桿向下動(dòng)作的叫正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)(ZMA型)；當(dāng)信號(hào)壓力增大時(shí)，閥桿向上動(dòng)作的叫反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)(ZMB型)。正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力是通入波紋膜片上方的薄膜氣室；反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力是通入波紋膜片下方的薄膜氣室。通過(guò)更換個(gè)別零件，兩者就能互相改裝。氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件為氣缸、活塞、推桿，氣缸內(nèi)活塞隨氣缸內(nèi)兩側(cè)壓差的變化而移動(dòng)。其特性有比例式和兩位式兩種。兩位式根據(jù)輸入活塞兩側(cè)操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)被推向低壓側(cè)。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加以閥門(mén)定位器，使推桿位移和信號(hào)壓力成比例關(guān)系。2.控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)即調(diào)節(jié)閥，實(shí)際上是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過(guò)閥桿上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)的改變，從而達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的。調(diào)節(jié)閥由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成。調(diào)節(jié)閥直接與被控介質(zhì)接觸，為適應(yīng)各種使用要求，閥芯、閥體的結(jié)構(gòu)、材料各不相同。圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)形式很多，如REF_Ref127009533\h圖0.3所示，主要有以下幾種：1)直通單座控制閥。這種閥的閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯與閥座。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄露量小，易于保證關(guān)閉，甚至完全切斷。但是在壓差大的時(shí)候，流體對(duì)閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡力會(huì)影響閥芯的移動(dòng)。這種閥一般用于小口徑、低壓差的場(chǎng)合。2)直通雙座控制閥。閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座，這是最常用的一種類(lèi)型。由于流體流過(guò)的時(shí)候，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄露量較大。根據(jù)閥芯與閥座的相對(duì)位置，這種閥可分為正作用式與反作用式(或稱正裝與反裝)兩種形式。當(dāng)閥體直立，閥桿下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積減小的稱為正作用式。如果閥芯倒裝，則當(dāng)閥桿下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積增大，稱為反作用式。3)隔膜控制閥。它采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。隔膜閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小、流通能力比同口徑的其它種類(lèi)的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無(wú)填料，介質(zhì)也不會(huì)泄露。這種閥耐腐蝕性強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。4）三通控制閥。三通閥共有三個(gè)出入口與工藝管道連接。其流通方式有合流(兩種介質(zhì)混合成一路)型和分流(一種介質(zhì)分成兩路)型兩種。這種閥可以用來(lái)代替兩個(gè)直通閥，適用于配比控制與旁路控制。SHAPESHAPE5）角形控制閥。角形閥的兩個(gè)接管成直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出。這種閥的流路簡(jiǎn)單、阻力較小，適用于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒的場(chǎng)合。6）套筒式控制閥。又名籠式閥，它的閥體與一般的直通單座閥相似。籠式閥內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒(籠子)。套筒壁上有幾個(gè)不同形狀的孔(窗口)，利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，由于這種移動(dòng)改變了籠子的節(jié)流孔面積，就形成了各種特性并實(shí)現(xiàn)流量控制。籠式閥的可調(diào)比大、振動(dòng)小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、套筒互換性好，更換不同的套筒(窗口形狀不同)即可得到不同的流量特性，閥內(nèi)部件所受的氣蝕小、噪音小，是一種性能優(yōu)良的閥，特別適用于要求低噪音及壓差較大的場(chǎng)合，但不適用高溫、高粘度及含有固體顆粒的液體。7）蝶閥。又名翻板閥。蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、價(jià)格便宜、流阻極小的優(yōu)點(diǎn)，但泄露量大，適用于大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。8）球閥。球閥的閥芯和閥體都呈球形體，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使其與閥體處于不同的相對(duì)位置時(shí)，就具有不同的流通面積，以達(dá)到流量控制的目的。9）凸輪撓曲閥。又名偏心旋轉(zhuǎn)閥。它的閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。凸輪撓曲閥的撓曲臂在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。同時(shí)它的重量輕、體積小、安裝方便，適用于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。除以上所介紹的閥以外，還有一些特殊的控制閥。例如小流量閥適用于小流量的精密控制，超高壓閥適用于高靜壓、高壓差的場(chǎng)合。同時(shí)如圖2.18所示的各種調(diào)節(jié)閥，其特性都不過(guò)零(即都有泄漏)，為此，常接入截止閥。3.調(diào)節(jié)閥口徑C值的選擇調(diào)節(jié)閥正常開(kāi)度處于15%—85%之間，〉90%大開(kāi)度（閥選小了）系統(tǒng)處于失控，非線性區(qū)；《10%小開(kāi)度（閥選大了）系統(tǒng)處于小開(kāi)度，易震蕩。閥口徑大小由流通能力C決定（C值具體計(jì)算由《自控工程程設(shè)計(jì)》課講）C值的定義：閥前后壓差為0.1Mpa，介質(zhì)密度為1g/cm3小時(shí)通過(guò)閥門(mén)的流體的重量流量T/h4.確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)與氣關(guān)形式依據(jù)：以調(diào)節(jié)閥失靈（膜頭信號(hào)斷開(kāi)）時(shí)，閥門(mén)處于位置能保證正常安全生產(chǎn)。圖1-25調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)氣關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖1.7.3調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥的流量特性主要有三種：等百分比、線性、快開(kāi)不同的流量特性用來(lái)克服系統(tǒng)的非線性問(wèn)題。調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移(即閥芯的相對(duì)開(kāi)度)l/L之間的關(guān)系，即(2.SEQ5-\*ARABIC2)1.固有流量特性（理想流量特性）流量特性：指通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量與閥門(mén)開(kāi)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式線性=C等百分比Q快開(kāi)閥門(mén)增益=等百分比、線性、快開(kāi)閥流量特性曲線上斜率為Kv，如圖2.19所示。由于調(diào)節(jié)閥閥開(kāi)度變化時(shí)，閥前后的壓差ΔP也會(huì)變，從而流量q也會(huì)變。為分析方便，稱閥前后的壓差不隨閥的開(kāi)度變化的流量特性為理想流量特性；閥前后的壓差隨閥的開(kāi)度變化的流量特性為工作流量特性。如圖1-26所示，不同的閥芯形狀，具有不同的理想流量特性：①圖STYLEREF1\s圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14理想流量特性②等百分比流量特性。放大倍數(shù)隨流量增大而增大，所以，開(kāi)度較小時(shí)，控制緩和平穩(wěn)；大開(kāi)度時(shí)，控制靈敏、有效。③拋物線流量特性。在拋物線流量特性中，有一種修正拋物線流量特性，這是為了彌補(bǔ)直線特性在小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)性能差的特點(diǎn)，在拋物線特性基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的。它在相對(duì)位移30%及相對(duì)流量20%以下為拋物線特性，在以上范圍為線性特性。④快開(kāi)流量特性?？扉_(kāi)特性的閥芯是平板形的。它的有效位移一般是閥座的1/4，位移再大時(shí)，閥的流通面積就不再增大，失去了控制作用。快開(kāi)閥適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。2.安裝流量特性（工作流量特性）由于通過(guò)調(diào)節(jié)閥流量變化引起阻力變化，從而使得閥上壓降也發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)的流量特性稱為安裝流量或工作流量特性。圖1-27圖調(diào)節(jié)閥流量特性畸變曲線圖當(dāng)閥門(mén)前后變小時(shí)，閥的流量特性發(fā)生畸變。畸變程度用S值來(lái)表示，S﹥0.6，基本無(wú)畸變?；円?guī)律是：特性曲線總是向左上方畸變，線性閥接近快開(kāi)，百分比接近線性。S值越小，畸變?cè)絿?yán)重?；兒螅钚×髁孔兇?，使可調(diào)比變小，。圖1-28具有串聯(lián)阻力的控制閥的工作流量特性圖在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥閥前后壓差總是變化的，如控制閥閥一般與工藝設(shè)備并用，也與管道串聯(lián)或并聯(lián)。壓差因阻力損失變化而變化，致使理想流量特性畸變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦浴＞C合串、并聯(lián)管道的情況，可得如下結(jié)論：串、并聯(lián)管道都會(huì)使閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴(yán)重。串、并聯(lián)管道都會(huì)使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加。串、并聯(lián)管道會(huì)使控制閥的放大系數(shù)減小，即輸入信號(hào)變化引起的流量變化值減少。1.7.4在實(shí)際系統(tǒng)中，電與氣兩種信號(hào)常是混合使用的，這樣可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。因而有各種電/氣轉(zhuǎn)換器及氣/電轉(zhuǎn)換器把電信號(hào)(0~10mADC或4~20mADC)與氣信號(hào)(0.02~0.1MPa)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電/氣轉(zhuǎn)換器可以把電動(dòng)變送器送來(lái)的信號(hào)變?yōu)闅庑盘?hào)，送到氣動(dòng)控制器或氣動(dòng)顯示儀表；也可把電動(dòng)控制器的輸出信號(hào)變?yōu)闅庑盘?hào)去驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，此時(shí)常用電/氣閥門(mén)定位器，它具有電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)閥門(mén)定圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15電/氣轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化原理圖電/氣轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化原理圖如REF_Ref127009656\h圖0.5所示。它是基于力矩平衡的工作原理。輸入信號(hào)為電動(dòng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4~20mA或0~10mA，轉(zhuǎn)換為0.02~0.1MPa氣動(dòng)信號(hào)再驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器。電流流過(guò)線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)將可動(dòng)鐵心磁化，磁化鐵心在永久磁鋼中受力，相對(duì)于支點(diǎn)產(chǎn)生力矩，帶動(dòng)鐵心上的擋板動(dòng)作，從而改變噴嘴擋板間的間隙，噴嘴擋板可變氣阻發(fā)生改變，使圖中氣阻與噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的分壓系數(shù)發(fā)生變化，有氣壓信號(hào)輸出,通過(guò)功率放大器放大，輸出氣動(dòng)執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)氣信號(hào)。輸出氣信號(hào)通過(guò)波紋管相對(duì)于支點(diǎn)給鐵心加一個(gè)反力矩，信號(hào)力矩與反力矩相等時(shí)，鐵心繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度達(dá)到平衡。電/氣閥門(mén)定位器具有電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門(mén)定位器的雙重功能，它接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA直流電流信號(hào)，輸出0.02~0.1MPa或0.04~0.2MPa(大功率)氣動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于電/氣閥門(mén)定位器具有追蹤定位的反饋功能，電信號(hào)的輸入與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移輸出之間的線性關(guān)系比較好，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16電/氣閥門(mén)定位器原理圖原理圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16電/氣閥門(mén)定位器原理圖原理圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17智能型電/氣閥門(mén)定位器的構(gòu)成智能型電/氣閥門(mén)定位器的構(gòu)成如REF_Ref127008683\h圖0.7所示。它以微處理器為核心，采用的是數(shù)字定位技術(shù)，即將從調(diào)節(jié)器傳來(lái)的控制信號(hào)(4~20mA)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入微處理器，同時(shí)將閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)也通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后反饋回微處理器，微處理器將這兩個(gè)數(shù)字信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定的性能、關(guān)系進(jìn)行比較，判斷閥門(mén)開(kāi)度是否與控制信號(hào)相匹配(即閥桿是否移動(dòng)到位)，如果正好匹配即偏差為零，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則切斷氣源，即使兩閥(可以是電磁閥或壓電閥)均處于切斷狀態(tài)（只有通和斷兩種狀態(tài))，否則，應(yīng)根據(jù)偏差的大小和類(lèi)別(正偏差或負(fù)偏差)決定兩閥的動(dòng)作，從而使閥芯準(zhǔn)確定位。智能型電/氣閥門(mén)定位器的先進(jìn)性在于：控制精度高、能耗低、調(diào)整方便、可任意選擇流量閥的流量特性、故障報(bào)警，并通過(guò)接口與其它現(xiàn)場(chǎng)總線用戶實(shí)現(xiàn)通信。1.7.5電動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器和氣動(dòng)執(zhí)行器一樣，是控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分。它接收來(lái)自控制器的4~20mA或0~10mA直流電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移，去操縱閥門(mén)、擋板等控制機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。電動(dòng)執(zhí)行器有直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式等類(lèi)型。角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力元件，將輸入的直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移(0?-90?)，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用于操縱蝶閥、擋板之類(lèi)的旋轉(zhuǎn)式控制閥。直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收輸入的直流電流信號(hào)后使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出，去操縱單座、雙座、三通等各種控制閥和其它直線式控制機(jī)構(gòu)。多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門(mén)，由于它的電機(jī)功率比較大，最大的有幾十千瓦，一般多用做就地操作和遙控。這三種類(lèi)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)，三者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要性能指標(biāo)：3端隔離輸入通道，輸入信號(hào)4~20mA(DC),輸入電阻250Ω；輸出力矩：40、100、250、600、1000N·m；基本誤差和變差小于±1.5%；靈敏度240μA。圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖電動(dòng)執(zhí)行器主要由伺服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，中間可以串接操作器，如REF_Ref127009733\h圖0.8所示。伺服放大器接收控制器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)(1-3路)，將其同電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移的反饋信號(hào)If進(jìn)行比較，若存在偏差，則差值經(jīng)過(guò)功率放大后，驅(qū)動(dòng)兩相伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。再經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)輸出軸改變轉(zhuǎn)角θ。若差值為正，則伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角增大；若差值為負(fù)，則伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角減小。當(dāng)差值為零時(shí)，伺服放大器輸出接點(diǎn)信號(hào)讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與該輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角位置上。這種位置式反饋結(jié)構(gòu)可使輸入電流與輸出位移的線性關(guān)系較好。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可以與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還可通過(guò)操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的相互切換。當(dāng)操縱器的切換開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)操作位置時(shí)，由正、反操作按鈕直接控制電機(jī)的電源，以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，進(jìn)行遙控手動(dòng)操作。1.伺服電機(jī)圖STYLEREF1\s0.圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19伺服放大器工作原理示意圖2.伺服放大器其工作原理如REF_Ref127008790\h圖0.9所示。伺服放大器主要包括放大器和兩組可控硅交流開(kāi)關(guān)Ⅰ和Ⅱ。放大器的作用是將輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到差值信號(hào)，并根據(jù)差值的極性和大小，控制可控硅交流開(kāi)關(guān)Ⅰ、Ⅱ的導(dǎo)通或截止?？煽毓杞涣鏖_(kāi)關(guān)Ⅰ、Ⅱ用來(lái)接通伺服電機(jī)的交流電源，分別控制伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)或停止不轉(zhuǎn)。3.位置發(fā)送器位置發(fā)送器的作用是將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移線性地轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)，反饋到伺服放大器的輸入端。位置發(fā)送器通常包括位移檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路兩部分。位移檢測(cè)元件用于將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)換成毫伏或電阻等信號(hào)，常用的位移檢測(cè)元件有差動(dòng)變壓器、塑料薄膜電位器和位移傳感器等；轉(zhuǎn)換電路用于將位移檢測(cè)元件輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服放大器所要求的輸入信號(hào)，如0~10mA或4~20mA直流電流信號(hào)。4.減速器減速器的作用是將伺服電機(jī)高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。直行程式的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，減速器還起到將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的直線運(yùn)動(dòng)的作用。減速器一般由機(jī)械齒輪或齒輪與皮帶輪構(gòu)成。1.8連續(xù)P、I、D控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程基本概念多年以來(lái),過(guò)程控制中,按偏差的比例(P)、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)和使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。PID控制是一種負(fù)反饋控制。在介紹它以前，有必要明確什么是負(fù)反饋，以及如何才能體現(xiàn)負(fù)反饋的效果。在反饋控制系統(tǒng)中，自動(dòng)調(diào)節(jié)器和被控對(duì)象構(gòu)成一個(gè)閉合回路。在連接成閉合回路時(shí)，可能出現(xiàn)兩種情況；正反饋和負(fù)反饋。正反饋?zhàn)饔眉觿”豢貙?duì)象流入量流出量的不平衡，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定；負(fù)反饋?zhàn)饔脛t是緩解對(duì)象中的不平衡，這樣才能正確地達(dá)到自動(dòng)控制的目的。圖2.1是一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖，其中是包括調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送元件在內(nèi)的廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)；虛線框內(nèi)部分是調(diào)節(jié)器。注意，按儀表制造業(yè)的規(guī)定，進(jìn)入調(diào)節(jié)器運(yùn)算部分的偏差信號(hào)定義為（2-1）式中為設(shè)定值，為被測(cè)量的實(shí)測(cè)值。圖2.1生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖為了適應(yīng)不同被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制的需要，工業(yè)調(diào)節(jié)器都設(shè)置有正、反作用開(kāi)關(guān)，以便根據(jù)需要將調(diào)節(jié)器置于正作用或者反作用方式。所謂正作用方式是指調(diào)節(jié)起的輸出信號(hào)隨著被控變量的增大而增大，此時(shí)稱整個(gè)調(diào)節(jié)器的增益為“+”。處于反作用方式下，隨著被控變量的增大而減小，此時(shí)稱整個(gè)調(diào)節(jié)器的增益為“-”。這樣負(fù)反饋控制就可以通過(guò)正確選定調(diào)節(jié)器的作用方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。假定被控對(duì)象是一個(gè)加熱過(guò)程，即利用蒸汽加熱某種介質(zhì)使之自動(dòng)保持在某一設(shè)定溫度上。如果蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度隨著的加大而加大，那么就廣義被控對(duì)象看，顯然介質(zhì)溫度將會(huì)隨著信號(hào)的加大而升高。如果介質(zhì)溫度降低了，自動(dòng)調(diào)節(jié)器就應(yīng)加大其輸出信號(hào)才能正確地起負(fù)反饋控制作用，因此調(diào)節(jié)器應(yīng)置于反作用工作方式下。反之，如果被控對(duì)象是一個(gè)冷卻過(guò)程，并假定冷卻劑調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度隨著信號(hào)的加大而加大，那么被冷卻介質(zhì)溫度將隨著信號(hào)的加大而降低。在這個(gè)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器應(yīng)置于正作用方式下。此外，調(diào)節(jié)器的正、反作用也可以借助控制系統(tǒng)方框圖加以確定。當(dāng)控制系統(tǒng)中包含很多串聯(lián)環(huán)節(jié)時(shí)，這個(gè)方法更為簡(jiǎn)便。在方框圖中，各個(gè)環(huán)節(jié)的增益有正有負(fù)，負(fù)反饋要求閉合回路上所有環(huán)節(jié)（包括調(diào)節(jié)器的運(yùn)算部分在內(nèi)）的增益之乘積是正數(shù)。圖2.2中畫(huà)出了上述加熱器溫度控制系統(tǒng)方框圖，其中、及分別代表被控過(guò)程、調(diào)節(jié)閥、和測(cè)量變送裝置的增益，代表調(diào)節(jié)器運(yùn)算部分的增益，為調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，為被調(diào)量的測(cè)量值。注意，調(diào)節(jié)器置于正作用方式時(shí)，為負(fù)，反之為正。在該例子中，、及都是正數(shù)，因此負(fù)反饋要求為正，即要求調(diào)節(jié)器置于反作用方式。圖2.2根據(jù)控制系統(tǒng)方框圖確定調(diào)節(jié)器正反作用下面分別討論P(yáng)ID控制中的各種調(diào)節(jié)規(guī)律。1．8．2比例調(diào)節(jié)1.比例調(diào)節(jié)規(guī)律在比例（P）調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例，即（2-2）式中稱為放大倍數(shù)（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）。需要注意的是，上式中的調(diào)節(jié)器輸出實(shí)際上是對(duì)其起始值的增量，因此，當(dāng)偏差為零因而時(shí)，并不意味著調(diào)節(jié)器沒(méi)有輸出，它只說(shuō)明此時(shí)有，的大小是可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變的。在工業(yè)上所使用的控制器，習(xí)慣上采用比例度（也稱比例帶），而不用放大倍數(shù)來(lái)衡量比例控制作用的強(qiáng)弱。所謂比例度就是指控制器輸入的相對(duì)變化量與相應(yīng)的輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)。用式子表示：（2-3）式中——調(diào)節(jié)器的輸入變化量（即偏差）——相應(yīng)于偏差為時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出變化量；——儀表的量程；——調(diào)節(jié)器輸出的工作范圍。具有重要的物理意義。如果直接代表調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化量，那么從式（2-3）可以看出，代表調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度改變100%，即從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)所需的被調(diào)量的變化范圍。只有當(dāng)調(diào)節(jié)量處于這個(gè)范圍以內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度（變化）才與偏差呈比例。超出這個(gè)比例度以外，調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開(kāi)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)器也暫時(shí)失去控制作用了。實(shí)際上，調(diào)節(jié)器的比例度習(xí)慣用它相對(duì)于被調(diào)量測(cè)量?jī)x表的量程的百分?jǐn)?shù)表示。例如，若測(cè)量?jī)x表的量程為100℃，則=50%就表示被調(diào)量需要改變50℃才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開(kāi)。那么比例度與放大倍數(shù)增益是什么關(guān)系呢？可將（2-3）式改寫(xiě)一下，寫(xiě)成：=（2-4）對(duì)于一只調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，是固定常數(shù)，特別是對(duì)于單元組合儀表，調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)是由變送器來(lái)的，而調(diào)節(jié)器與變送器的輸出信號(hào)都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此常數(shù)=1。所以在單元組合儀表中，比例度就和放大倍數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系，即（2-5）2.比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例控制作用是最基本的，也是最主要的控制規(guī)律。它能比較迅速的克服干擾。比例控制作用適合干擾變化幅度小，自衡能力強(qiáng)，對(duì)象滯后較小，控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。工業(yè)過(guò)程在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)發(fā)生負(fù)荷變化。所謂負(fù)荷是指物料流或能量流的大小。處于自動(dòng)控制下的被控過(guò)程在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，流入量與流出量之間總是達(dá)到平衡的，因此，人們常常根據(jù)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)衡量前負(fù)荷的大小。如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被測(cè)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。下面舉例說(shuō)明。圖2.3是一個(gè)水加熱的出口水溫控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中熱水的溫度是由傳感器和T獲取信號(hào)并送到調(diào)節(jié)器C的，調(diào)節(jié)器控制加熱蒸汽的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度以保持出口水溫恒定，加熱器的熱負(fù)荷既決定于熱水流量也決定于熱水溫度。假定現(xiàn)在采用比例調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)閥開(kāi)度直接視為調(diào)節(jié)器的輸出。圖2.4中的直線1是比例調(diào)節(jié)器的靜特性，即調(diào)節(jié)閥開(kāi)度隨水溫變化的情況。水溫愈高，調(diào)節(jié)器應(yīng)把調(diào)節(jié)閥開(kāi)的愈小，因此它在圖中是左高右低的直線，比例度愈大，則直線斜率愈大。圖中曲線2和3分別代表加熱器在不同的熱水流量下的靜特性。它們表示加熱器在沒(méi)有調(diào)節(jié)器控制時(shí)，在不同熱水流量下穩(wěn)態(tài)出口水溫與調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間的關(guān)系，可以通過(guò)單獨(dú)對(duì)加熱器進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)得到。直線1與曲線2的交點(diǎn)代表在熱水流量為，業(yè)已投入自動(dòng)控制并假定控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的情況下，最終要達(dá)到的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，那時(shí)的出口水溫度為，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為。如果假定就是水溫的設(shè)定值（這可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)做到），從這個(gè)運(yùn)行點(diǎn)開(kāi)始，如果熱水流量減少為，那么在調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)將移到直線1和曲線3的交點(diǎn)。這就出現(xiàn)了被調(diào)量殘差，它是比例調(diào)節(jié)規(guī)律所決定的。不難看出，殘差既隨著流量變化幅度也隨著比例度的加大而加大。比例調(diào)節(jié)器雖然不能準(zhǔn)確保持被調(diào)量恒定，但效果還是比不加自動(dòng)控制好，在圖2.4中可見(jiàn)，從運(yùn)行點(diǎn)開(kāi)始，如果不進(jìn)行自動(dòng)控制，那么熱水流量減小為后，水溫將根據(jù)其自平衡特性一直上升到為止。從熱量平衡觀點(diǎn)看，在加熱器中，蒸汽帶入的熱量是流入量，熱水帶走的熱量是流出量。在穩(wěn)態(tài)下，流出量與流入量保持平衡。無(wú)論是熱水流量還是熱水溫度的改變，都意味著流出量的改變，此時(shí)必須相應(yīng)地改變流入量才能重建平衡關(guān)系。因此，蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度必須有相應(yīng)的改變。從比例調(diào)節(jié)器看，這就要求水溫必須有殘差。加熱器是具有自衡特性的工業(yè)過(guò)程，另有一類(lèi)過(guò)程則不具有自橫特性，工業(yè)鍋爐的水位控制就是一個(gè)典型例子。這種非自衡過(guò)程本身沒(méi)有所謂的靜特性，但仍可以根據(jù)流入、流出量的平衡關(guān)系進(jìn)行無(wú)殘差的分析。為了保持水位的穩(wěn)定，給水量必須與蒸汽負(fù)荷取得平衡。一旦失去平衡關(guān)系，水位就會(huì)一直變化下去。因此當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變后，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度必須有相應(yīng)的改變，才能保持水位穩(wěn)定。如果采用比例調(diào)節(jié)器，這就意味著在新的穩(wěn)態(tài)下，水位必須具有殘差。還可以注意到，水位設(shè)定值的改變不會(huì)影響鍋爐的蒸汽負(fù)荷，因此在這種情況下水位也不會(huì)有殘差。3.比例調(diào)節(jié)對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響一個(gè)比例控制系統(tǒng)，由于對(duì)象特性的不同與比例控制器的比例度的不同，往往會(huì)得到各種不同的過(guò)渡過(guò)程形式。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)象特性因受工藝設(shè)備的限制，是不能任意改變的。那么如何通過(guò)改變比例度來(lái)獲得我們所希望的過(guò)渡過(guò)程形式呢？這就要分析比例度的大小對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖1.26所示。如前所述，比例度對(duì)余差的影響是：比例度越大，放大倍數(shù)越小，由于，要獲得同樣的控制作用，所需的偏差就越大，因此同樣的負(fù)荷變化下，控制過(guò)程終了時(shí)的余差就越大，最大偏差增大，調(diào)節(jié)周期增長(zhǎng)，穩(wěn)定性增加；反之，最大偏差減小，調(diào)節(jié)周期縮短，穩(wěn)定性變差，余差也隨著減少。圖1-29變化對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響曲線1．8．2比例積分調(diào)節(jié)1.積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)在積分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度與偏差信號(hào)成正比，即（2-5）或（2-6）式中稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。上式表明，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，與比例調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對(duì)比。式（2-5）表明，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，積分調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值上。這意味著被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量沒(méi)有殘差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開(kāi)度上。采用積分調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與當(dāng)時(shí)被調(diào)量的數(shù)值本身沒(méi)有直接關(guān)系，因此積分調(diào)節(jié)也稱浮動(dòng)調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)的另一特點(diǎn)是它的穩(wěn)定作用比比例調(diào)節(jié)差，對(duì)于同一個(gè)被控對(duì)象，采用積分調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過(guò)程的進(jìn)行總比采用比例調(diào)節(jié)時(shí)緩慢，表現(xiàn)在震蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的震蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用比例調(diào)節(jié)則被控對(duì)象須提供180°相角滯后。而采用積分調(diào)節(jié)則被控對(duì)象只需提供90°相角滯后。這說(shuō)明了為什么用積分調(diào)節(jié)取代比例調(diào)節(jié)就會(huì)降低系統(tǒng)的震蕩頻率。2.比例積分控制器的動(dòng)作規(guī)律比例積分控制器，由于引入積分作用，系統(tǒng)具有消除余差的能力。他的調(diào)節(jié)規(guī)律為（2-7）或（2-8）式中為比例度，可視情況取正值或負(fù)值；為積分時(shí)間。和是比例積分調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。圖2.9是比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為的階躍，然后以固定速度變化。當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為。這樣，就可以根據(jù)圖2.9確定和的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)時(shí)，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見(jiàn)，可以衡量積分部分在總輸出中所圖2.9PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)占的比重：愈小，積分部分所占的比例愈大。3.比例積分調(diào)節(jié)對(duì)于調(diào)節(jié)過(guò)程的影響當(dāng)工藝要求靜態(tài)無(wú)余差，控制對(duì)象容量滯后小，負(fù)荷變化幅度較大，但變化過(guò)程又較慢的場(chǎng)合，可采用比例積分作用控制規(guī)律的控制器。一般來(lái)說(shuō)，積分時(shí)間越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也相應(yīng)下降，消除余差能力增強(qiáng)。比例度的大小對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響前面已分析過(guò)，這里著重分析積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。這里必須區(qū)別兩種情況：調(diào)節(jié)器其它參數(shù)不變，僅僅變化時(shí)在同樣比例度下，積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖2.10（a）所示。當(dāng)縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分控制作用時(shí)，一方面克服余差的能力提高，最大偏差減?。徽{(diào)節(jié)周期縮短，這是有力的一面。但另一方面會(huì)使過(guò)渡過(guò)程震蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分時(shí)間越短，震蕩傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散震蕩，這是不利的一方面。以系統(tǒng)穩(wěn)定性保持不變?yōu)榍疤?，?dāng)變化后必須相應(yīng)調(diào)整比例度。在相同的衰減比的情況下，積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖2.10（b）所示。當(dāng)縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分控制作用時(shí)，克服余差的能力提高，但最大偏差增加；調(diào)節(jié)周期增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)檎{(diào)節(jié)器加入積分后，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，為保持原系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須將比例度增大，這樣出現(xiàn)了以上的結(jié)論。圖1-30Ti變化對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響曲線4.積分飽和及其防止具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會(huì)不停的變化。如果由于某種原因（如閥門(mén)關(guān)閉、泵故障等），被調(diào)量偏差一時(shí)無(wú)法消除，然而調(diào)節(jié)器還是要試圖校正這個(gè)偏差，結(jié)果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)器輸出將達(dá)到某個(gè)限制值并停留在該值上，這種情況稱為積分飽和。進(jìn)入積分飽和的調(diào)節(jié)器，要等被調(diào)量偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)退出來(lái)，重新恢復(fù)控制作用。積分飽和的限制一般要比使調(diào)節(jié)閥全開(kāi)～全關(guān)的信號(hào)范圍大得多。如氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入有效信號(hào)范圍為：0.02～0.1MPa，而氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的積分飽和上限約等于氣源壓力（0.14～0.16MPa），下限接近于大氣壓（即表壓0MPa）。積分飽和現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在間歇過(guò)程的控制中，如圖2.11的恒壓放空系統(tǒng)，壓力設(shè)定值為0.5MPa，從安全角度考慮調(diào)節(jié)閥選氣關(guān)式，調(diào)節(jié)器選反作用。假定該系統(tǒng)在停車(chē)時(shí)沒(méi)有切斷氣源，調(diào)節(jié)器一直在工作，則由于壓力測(cè)量值總是大大低于設(shè)定值。所以調(diào)節(jié)器的輸出將達(dá)到氣源壓力（如0.14MPa），這就是圖2.11中段的情況。在時(shí)，由于工藝開(kāi)車(chē)容器內(nèi)開(kāi)始升壓，壓力測(cè)量值隨之升高，但在達(dá)到設(shè)定前，偏差總是負(fù)值。如果積分作用強(qiáng)于比例作用，調(diào)節(jié)器的輸出不會(huì)下降。在時(shí)，壓力達(dá)到設(shè)定值，以后偏差反向，積分作用和比例作用均使調(diào)節(jié)器輸出減小，但在輸出氣壓未降到0.1MPa之前，閥門(mén)仍是關(guān)閉的。即在這段時(shí)間，調(diào)節(jié)器仍然不起作用。直到以后，閥門(mén)才逐漸開(kāi)啟。這一時(shí)間上的推遲，使工藝生產(chǎn)在每次開(kāi)車(chē)時(shí)，壓力的第一個(gè)偏差峰值會(huì)特別大。這有時(shí)會(huì)危及安全。為避免這種情況，應(yīng)采取防止由于積分作用而使信號(hào)超越“信號(hào)有效范圍”，這就是所謂“防積分飽和”。圖2.11恒壓放空系統(tǒng)圖2.12積分飽合的影響下面通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，說(shuō)明防積分飽和的基本原理。（2-10）改寫(xiě)為（2-11）或（2-12）當(dāng)時(shí)，（2-12）式是比例積分控制算式，調(diào)節(jié)器具有比例積分作用；當(dāng)時(shí)，控制器輸出與偏差成比例關(guān)系，這時(shí)由于積分控制作用不存在，就不會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。這種防止積分飽和的方法稱為積分外反饋，即積分信號(hào)來(lái)自外部的信號(hào)，自行進(jìn)行比例與比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律切換。下面以氣動(dòng)儀表為例，說(shuō)明用限幅器的方法，防積分飽和的基本原理。圖2.13是氣動(dòng)單元組合儀表的比例積分調(diào)節(jié)器，輸入輸出信號(hào)之間的運(yùn)算關(guān)系為（2-10）式中、組成一個(gè)節(jié)流盲室，其輸入輸出關(guān)系為（2-11）（2-11）式代入（2-10）式，得（2-12）這就是氣動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)器的算式，式中為比例增益，為積分時(shí)間。（2-12）式可用圖2.13的方塊圖表示，由圖可見(jiàn)，方框圖中存在正反饋。積分控制作用正是由這正反饋造成的。如果對(duì)正反饋進(jìn)行限幅（見(jiàn)圖中虛線方框），限幅上、下限分別為、。則在限幅上限時(shí)，比例積分調(diào)節(jié)器算式為（2-13）在限幅下限時(shí)，算式為（2-14）圖2.6氣動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)器圖2.7比例積分調(diào)節(jié)器方框圖利用限幅器切斷了正反饋，輸出不會(huì)一直增長(zhǎng)，從而避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。這里只介紹了用限幅器的方法防單回路積分飽和，以后在串級(jí)控制與選擇性控制章節(jié)中，我們還要用介紹外反饋法防積分飽和。1．8．3比例微分調(diào)節(jié)1.微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)前面介紹的比例積分控制規(guī)律，由于同時(shí)具有比例和積分控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)不同的對(duì)象，比例度和積分時(shí)間兩個(gè)參數(shù)均可調(diào)整，因此適用范圍較寬，工業(yè)上多數(shù)系統(tǒng)都采用。但當(dāng)對(duì)象滯后特別大時(shí)，可能控制時(shí)間較長(zhǎng)，最大偏差較大；當(dāng)對(duì)象負(fù)荷變化特別劇烈時(shí)，由于積分作用的遲緩性質(zhì)，使控制作用不夠及時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，在上述情況下，可以再增加微分作用，以提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。具有微分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，