【有容乃大苦守寒窖系列】過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用復(fù)習(xí)指導(dǎo).ppt

過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用,機(jī)械工程學(xué)院：馮小康,前言過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用課程是經(jīng)全國高等學(xué)校化工類及相關(guān)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會化工裝備教學(xué)指導(dǎo)組討論決定，確定為“過程裝備與控制工程”專業(yè)的核心課程之一。本專業(yè)學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，可以將過程機(jī)械、計算機(jī)自動測試、控制、自動化等方面的知識有機(jī)地結(jié)合在一起，培養(yǎng)學(xué)生成為掌握多學(xué)科知識與技能的復(fù)合型人才。該課程教材全書共分七章，理論課講授學(xué)時為48學(xué)時，由于學(xué)時的限制，第七章的內(nèi)容為選修內(nèi)容，所以本課件中沒有包括第七章的內(nèi)容。本書內(nèi)容豐富，涉及面廣。在各章中選編了一些實例，并附有習(xí)題與思考題，有利于對過程控制基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)較少的讀者掌握與應(yīng)用，也有利于學(xué)生對本課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)、理解和掌握。,目錄第一章控制系統(tǒng)的基本概念第二章過程裝備控制基礎(chǔ)第三章過程檢測技術(shù)第四章過程控制裝置第五章計算機(jī)控制系統(tǒng)第六章典型過程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案,第一章控制系統(tǒng)的基本概念1.1概述1.2控制系統(tǒng)的組成1.3控制系統(tǒng)的方框圖1.4控制系統(tǒng)的分類1.5控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)附錄一：本章的重點和難點附錄二：思考題與習(xí)題,1.1概述,過程裝備控制是指在過程設(shè)備上，配上一些自動化裝置以及適合的自動控制系統(tǒng)來代替操作人員的部分或全部直接勞動，使設(shè)計、制造、裝配、安裝等在不同程度上自動地進(jìn)行。這種利用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動化。因此，過程裝備控制是生產(chǎn)過程自動化最重要的一個分支。生產(chǎn)過程自動化是提高社會生產(chǎn)力的有力工具之一。它在確保生產(chǎn)正常運行，提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低能耗，降低勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度等方面具有巨大的作用。自20世紀(jì)30年代以來，隨著自動控制理論的不斷發(fā)展以及電子計算機(jī)的出現(xiàn)，自動化技術(shù)已取得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起到關(guān)鍵的作用。當(dāng)前，自動化裝置已成為大型設(shè)備不可分割的重要組成部分。可以說，如果不配置合適的自動控制系統(tǒng)，大型生產(chǎn)過程是根本無法運行的。實際上，生產(chǎn)過程自動化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。,1.1.1生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)所包含的內(nèi)容,生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)包含如下四個部分的內(nèi)容：（1）自動檢測系統(tǒng)：要控制不斷進(jìn)行著各種物理化學(xué)變化的生產(chǎn)過程，首先必須隨時了解生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)的變化情況。為此，必須采用各種檢測儀表（如熱電偶、熱電阻、壓力傳感器等）自動連續(xù)地對各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）進(jìn)行測量，并將結(jié)果用儀表（如動圈儀表、電子電位差計等）指示記錄下來供操作人員觀察、分析或?qū)y量到的“信息”傳送給控制系統(tǒng)，作為自動控制的依據(jù)。（2）信號連鎖系統(tǒng)：信號連鎖系統(tǒng)是一種安全裝置。在生產(chǎn)過程中，有時由于一些偶然因素的影響會導(dǎo)致某些工業(yè)變量超出允許的范圍，使生產(chǎn)過程不能正常運行，嚴(yán)重時甚至?xí)鹑紵?，爆炸等事故。為了確保安全生產(chǎn)，常對這些關(guān)鍵性變量設(shè)置信號報警或連鎖保護(hù)裝置。其作用是在事故發(fā)生前，自動地發(fā)出聲光報警信號，引起操作員的注意以便及早采取措施。如工況已接近危險狀態(tài)，信號連鎖系統(tǒng)將啟動：打開安全閥，切斷某些通路或緊急停車，從而防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大。,（3）自動操縱系統(tǒng)：這是一種根據(jù)預(yù)先規(guī)定的程序，自動的對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作，極大地減輕操作人員的繁重或重復(fù)性體力勞動的裝備。例如，合成氨造氣車間煤氣發(fā)生爐的操作就是按照程序自動地進(jìn)行的，如自動進(jìn)行吹氣、上吹、下吹制氣、吹凈等步驟，周期性地接通空氣與水蒸氣實現(xiàn)自動操縱。（4）自動控制系統(tǒng)：利用一些自動控制儀表及裝置，對生產(chǎn)過程中某些重要的工藝變量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使它們在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后，能夠自動地重新回復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)，從而保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。,1.1.2過程裝備控制的任務(wù)和要求,過程裝備控制是工藝生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分，它主要是針對過程裝備的主要參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位（或物位）、成分和物性等參數(shù)進(jìn)行控制。工藝生產(chǎn)過程裝備控制的要求是多方面的，最終可以歸納為三項要求：即安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。安全性，是指在整個生產(chǎn)過程中，確保人身和設(shè)備的安全，這是最重要也是最基本的要求。通常是采用越限報警，事故報警和連鎖保護(hù)等措施加以保證。經(jīng)濟(jì)性，是指在生產(chǎn)同樣質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)品所消耗的能量和原材料最少。也就時要求生產(chǎn)成本低而效率高。隨著市場競爭加劇和能源的匱乏，經(jīng)濟(jì)性已越來越受到各方面的重視。穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗外部干擾，保持生產(chǎn)過程長期穩(wěn)定運行的能力。過程裝備控制的任務(wù)就是在了解，掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上敘三項要求，應(yīng)用理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用合適的技術(shù)手段加以實現(xiàn)。因此可以說，過程裝備控制是控制理論、工藝知識、計算機(jī)技術(shù)和儀表儀器等相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)。,工業(yè)生產(chǎn)過程都是在一定的溫度、壓力、濃度、物位等工藝條件下進(jìn)行的。為此，必須對這些工藝變量進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定在保證生產(chǎn)正常運行的范圍之內(nèi)。為了實現(xiàn)控制要求，通常有兩種方式可以選擇：人工控制和自動控制。下面以鍋爐汽包水位控制為例，說明人工控制與自動控制的執(zhí)行過程。圖11所示為鍋爐汽包水位控制的示意圖。鍋爐是化工、煉油等生產(chǎn)過程中必不可少的動力設(shè)備，由它產(chǎn)生的高壓蒸汽，既可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、大型泵類的動力源；又可以作為蒸餾、化學(xué)反應(yīng)、干燥和蒸發(fā)等過程的熱源。要保證鍋爐的正常的運行，將鍋爐的汽包水位穩(wěn)定在一定的高度非常重要：如果汽包水位過低，由于汽包內(nèi)的水量較少而蒸汽的需求量卻很大，加上水的汽化速度很快，使得汽包內(nèi)的水量變化迅速，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高，則影響汽包內(nèi)的汽水分離，使蒸汽夾帶水分，對后續(xù)生產(chǎn)設(shè)備造成影響和破壞。因此，要維持汽包水位在規(guī)定的值上，根據(jù)物料平衡原理，就必須保證鍋爐的給水量和蒸汽的排出量相等。當(dāng)蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化而給水量不變時，鍋爐水位將會發(fā)生變化；或當(dāng)給水壓力發(fā)生變化而負(fù)荷不變時，鍋爐水位也將會偏離規(guī)定的數(shù)值。,1.2控制系統(tǒng)的組成1.2.1過程裝備的控制,圖11鍋爐水位控制示意圖（a）人工控制（b）自動控制,在圖11（a）的人工控制系統(tǒng)中，首先眼睛觀察安裝在鍋爐汽包上的玻璃管液位計中的水位數(shù)值，經(jīng)大腦思考，將觀測到的數(shù)據(jù)與規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比較，得到偏差，并根據(jù)此差值的大小及變化趨勢決定如何操作給水閥門，最后按思考的結(jié)果用手開大或關(guān)小給水閥門。當(dāng)過程參數(shù)變化較快或操作條件要求苛刻的時候，這種控制方法就很難滿足控制要求。與人工控制不同,圖1-1(b)的鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)中,采用過程測量儀表(本圖為差壓變送器的測量器)代替人眼的觀測得到水位數(shù)據(jù),通過信號轉(zhuǎn)換及傳輸裝置(本圖為差壓變送器)將該數(shù)據(jù)送到過程控制儀表(本圖為液位調(diào)節(jié)器)。控制儀表（也稱調(diào)節(jié)儀表）相當(dāng)于人工控制中人的大腦，將變送器送來的信號與預(yù)定的水位信號進(jìn)行比較得到兩者的偏差，然后根據(jù)一定的控制算法（即調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律）對該偏差加以計算得到相應(yīng)的控制信號，將該信號傳送到執(zhí)行器（一般為自動調(diào)節(jié)閥），執(zhí)行器根據(jù)控制信號的大小調(diào)節(jié)給水閥，改變給水量的大小。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到水位回復(fù)到規(guī)定的高度上，完成水位的自動控制。,比較自動控制與人工控制：在自動控制系統(tǒng)中，測量儀表,控制儀表，自動調(diào)節(jié)閥分別代表了人工控制中人的觀察，思考和手動操作，因而大大降低了人的勞動強(qiáng)度；同時由于儀表的信號測量、運算、傳輸、動作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人的觀察，思考和操作過程，因此自動控制可以滿足信號變化速度快，控制要求高的場合。1.2.2控制系統(tǒng)的組成從上面鍋爐汽包水位的自動控制系統(tǒng)中可以看出，一個自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套自動控制系統(tǒng)，它包括測量儀表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動控制裝置下的生產(chǎn)設(shè)備，即被控對象如鍋爐、反應(yīng)器、換熱器等。圖11（b）中，鍋爐、差壓便送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等構(gòu)成了一個完整的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)各部分的作用如下。被控對象：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器稱為被控對象，簡稱對象。在化工生產(chǎn)中，各種塔器、反應(yīng)器、泵、壓縮機(jī)以及各種容器。貯罐、貯槽、甚至一段輸送流體的管道或復(fù)雜塔器（如精餾塔）的某一部分都可以是被控對象。圖11的鍋爐即為汽包水位控制系統(tǒng)中的被控對象。,測量元件和變送器：測量需控制的工藝參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為一種特定信號（電流信號或氣壓信號）的儀器，在自動控制系統(tǒng)中起著“眼睛”的作用，因此要求準(zhǔn)確、及時、靈敏。調(diào)節(jié)器：又稱控制器，它將檢測元件或變送器送來的信號與其內(nèi)部的工藝參數(shù)給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號；根據(jù)這個偏差的大小按一定的運算規(guī)律計算出控制信號，并將控制信號傳送給執(zhí)行器。執(zhí)行器：接受調(diào)節(jié)器送來的信號，自動地改變閥門的開度，從而改變輸送給被控對象的能量或物料。最常用的執(zhí)行器是氣動薄膜調(diào)節(jié)器。當(dāng)采用電動調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)閥上還需增加一個電氣轉(zhuǎn)換器。在一個自動控制系統(tǒng)中，上述四個部分是必不可少的。除此之外，還有一些輔助裝置，例如給定裝置、轉(zhuǎn)換裝置、顯示儀表等。其中顯示儀表可以是單獨的儀表，有時也可以是測量儀表、變送器和調(diào)節(jié)器里附有的顯示部分?？刂葡到y(tǒng)中一般不單獨說明輔助裝置。,1.3控制系統(tǒng)的方框圖在研究控制系統(tǒng)時，為了能夠更清楚表示出控制系統(tǒng)中各個組成部分之間的相互影響和信息聯(lián)系，一般用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成和作用。如圖12所示為一簡單控制系統(tǒng)的方框圖。,圖中的每一個方框代表系統(tǒng)的一個組成部分，稱為“環(huán)節(jié)”。環(huán)節(jié)具有單向性，即任何環(huán)節(jié)只能由輸入得到輸出，不能逆行。連接兩個環(huán)節(jié)的帶箭頭的線條表示控制系統(tǒng)中傳遞的信息，也就是系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入輸出的變量。箭頭指出了信息的作用方向：箭頭送入的信息為該環(huán)節(jié)的輸入信號，箭頭送出的信息為該環(huán)節(jié)的輸出信號。每一個環(huán)節(jié)輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅取決于該環(huán)節(jié)的自身特性。從整個系統(tǒng)來看，給定值信號和干擾信號是輸入信號，被控變量或其測量值是系統(tǒng)的輸出信號。方框圖中的圓圈稱為“加法器”，用于信號相加或相減，當(dāng)兩個信號相減，即e=Ys-Ym，又成為比較元件。下面對方框圖中出現(xiàn)的一些控制系統(tǒng)常用術(shù)語加以解釋說明。被控變量y：指需要控制的工藝參數(shù)，如鍋爐汽包的水位、反應(yīng)器的溫度、燃料流量等。它是被控對象的輸出信號。在控制系統(tǒng)方框圖中，它也是自動控制系統(tǒng)的輸出信號。但它是理論上的真實值，由測量變送器輸出的信號是被控變量的測量值Ym。,給定值（或設(shè)定值）Ys：對應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值。當(dāng)其值由工業(yè)調(diào)節(jié)器內(nèi)部給出時稱為內(nèi)給定值。最常見的內(nèi)給定值是一個常數(shù)，它對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值；當(dāng)其值產(chǎn)生于外界某一裝置，并輸入至調(diào)節(jié)器時稱為外給定值。測量值Ym：由檢測元件得到的被控變量的實際值。操縱變量（或控制變量）m：受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量，它是調(diào)節(jié)閥的輸出信號。在圖11所示的例子中，就是鍋爐的給水流量?；ぁ捰偷裙S流過調(diào)節(jié)閥的各種物料或能量，或者由觸發(fā)器控制的電壓或電流都可以作為操縱變量。干擾（或外界干擾）f：引起被控變量偏離給定值的，除操縱變量以外的各種因素。最常見的干擾因素是負(fù)荷改變，電壓、電流的波動，氣候變化等。鍋爐水位控制中，蒸汽用量的變化就是一種干擾。偏差信號e：在理論上應(yīng)該是被控變量的實際值與給定值之差，,自動控制系統(tǒng)的分類方法有很多。例如，按被控變量的不同，可以分為溫度控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)等。按調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來分類，可分為比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)、比例微分控制系統(tǒng)、比例微分積分控制系統(tǒng)等。但是，在分析自動控制系統(tǒng)的特性時，常常采用下述幾種分類方法。,而能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值。因此，通常把給定值與測量值的差作為偏差，即e=ysym。在反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號的大小去控制操縱變量?？刂菩盘杣控制器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。1.4控制系統(tǒng)系統(tǒng)的分類,1.4.1按給定值的特點劃分,定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng)的給定值是恒定不變的，因此稱為“定值”。控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）應(yīng)穩(wěn)定在與給定值相對應(yīng)的工藝指標(biāo)上，或在規(guī)定工藝的上下一定范圍內(nèi)變化。在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)場合要求被控變量保持恒定或在給的給定值附近。因此，定值控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程控制中最常見的。隨動控制系統(tǒng)：隨動控制系統(tǒng)的給定值是一個不斷變化的信號，而且這種變化不是預(yù)先規(guī)定好的，也就是說給定值的變化是隨機(jī)的。這類系統(tǒng)的主要任務(wù)是使被控變量能夠迅速地、準(zhǔn)確無誤地跟蹤給定值的變化，因此這類系統(tǒng)又稱為自動跟蹤系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，多見于復(fù)雜控制系統(tǒng)中。程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)的給定值也是一個不斷變化的信號，但這種變化是一個已知的時間函數(shù)，即給定值按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間隙生產(chǎn)中的應(yīng)用比較廣泛，食品工業(yè)中的罐頭溫度控制、造紙工業(yè)中制漿蒸煮溫度控制等，它們要求的溫度指標(biāo)不是一個恒定的數(shù)值，而是一個按工藝規(guī)程規(guī)定好的時間函數(shù)，具有一定的升溫時間、保溫時間、降溫時間等。,1.4.2按系統(tǒng)輸出信號對操縱變量影響劃分,閉環(huán)控制：在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號的改變會返回影響操縱變量，所以操縱變量不是獨立的變量，它依賴于輸出變量。閉環(huán)控制系統(tǒng)的最常見形式是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)操縱變量使系統(tǒng)的輸出信號增大時，反饋影響操縱變量的結(jié)果使輸出信號減小。負(fù)反饋是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本條件。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)節(jié)器進(jìn)入“自動”運行時，就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。如前所述，圖12所示的自動控制系統(tǒng)無需操作者干預(yù)其運行即可自動克服干擾作用的影響，使被控變量保持在給定值的附近。其控制作用依賴于對被控變量的測量。自動控制通過調(diào)節(jié)器輸出的控制信號實現(xiàn)：調(diào)節(jié)器根據(jù)被控變量偏差信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，改變操縱變量，克服干擾作用的影響。開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)的操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號的影響。為了使系統(tǒng)的輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而準(zhǔn)確的計算操縱本來的變化規(guī)律。一個工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)反饋回路斷開或調(diào)節(jié)器置于“手操”位置時，就成為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖11（a）中所示的人工控制即為開環(huán)控制系統(tǒng)。,1.4.3按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分,簡單控制系統(tǒng)：一般稱圖12所示的控制系統(tǒng)為簡單控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)只有一個簡單的反饋回路，所以也可稱為單回路控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)：工程上的控制系統(tǒng)常常比較復(fù)雜，它們可表現(xiàn)為在系統(tǒng)中包含多個調(diào)節(jié)器、檢測變送器或執(zhí)行器，從而形成系統(tǒng)中存在有多個回路或者在系統(tǒng)中存在有多個輸入信號和多個輸出信號。為了和簡單控制系統(tǒng)相區(qū)別，稱其為復(fù)雜控制系統(tǒng)。圖13所示的夾套式反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)就是具有兩個回路的控制系統(tǒng)。該反應(yīng)器的溫度T1通過進(jìn)入夾套的蒸汽量加以控制。圖中TC為溫度調(diào)節(jié)器，TT為溫度測量變送器。圖14為該控制系統(tǒng)的方框圖。,圖1-4夾套式反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)方框圖,從圖14中可以看出，這是具有兩個反饋回路的控制系統(tǒng)，工程上又稱為串級控制系統(tǒng)。此外，還可以有更多的回路或更為復(fù)雜的形式。,1.4.4按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分反饋控制系統(tǒng)：如圖15所示，當(dāng)干擾f使系統(tǒng)被控變量發(fā)生改變時，被控變量反饋至系統(tǒng)輸入端與給定值相比較并得到偏差信號，經(jīng)調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)閥影響操縱變量以減弱或消除被控變量的變化。,前饋控制系統(tǒng)：如圖16所示。當(dāng)干擾f引起被控對象的輸出y2改變時，控制系統(tǒng)測得干擾信號的大小，并輸入前饋補(bǔ)償器（或稱前饋控制器），由前饋補(bǔ)償器的輸出去控制操縱變量m，引起被控對象輸出y1的改變，并且y1與y2的方向相反，由此減弱或消除被控變量y受干擾影響而產(chǎn)生的變化。當(dāng)前饋完全補(bǔ)償時，有yy1y20。,前饋反饋控制系統(tǒng)：當(dāng)以上兩種控制系統(tǒng)復(fù)合到一起時，就構(gòu)成了前饋反饋控制系統(tǒng)，如圖17所示。這種系統(tǒng)當(dāng)受到干擾f的影響時，可以通過前饋控制器使被控變量不變，若前饋補(bǔ)償不完全，還可以通過反饋控制系統(tǒng)加以修正?？刂葡到y(tǒng)受其他因素影響，或系統(tǒng)的給定值發(fā)生改變時，則由反饋控制系統(tǒng)加以控制。,1.5控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo),處于平衡狀態(tài)下的自動控制系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量會發(fā)生變化而偏離給定值，系統(tǒng)進(jìn)入過渡過程。自動控制系統(tǒng)的作用就是檢測變化、計算偏差并消除偏差。在這一過程中，被控變量的變化情況、偏離給定值的最大程度以及系統(tǒng)消除偏差的速度、精度等都是衡量自動化控制系統(tǒng)質(zhì)量的依據(jù)。,1.5.1控制系統(tǒng)的過渡過程,從被控對象受到干擾作用使被控變量偏離給定值時起，調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用，使被控變量回復(fù)到給定值附近范圍內(nèi)。然而這一回復(fù)并不是瞬間完成的，而是要經(jīng)歷一個過程，這個過程就是控制系統(tǒng)的過渡過程。它是控制系統(tǒng)在閉環(huán)情況下，在干擾和自動控制的共同作用下形成的。,圖1-8階躍干擾,在生產(chǎn)過程中，干擾的形成是多種多樣的，而且大部分都屬于隨機(jī)性質(zhì)的，其中階躍干擾（圖18）對控制系統(tǒng)的影響最大，且最為多見。例如負(fù)荷的變化、直流電路的突然斷開或者接通、閥門的突然變化等。因此，本書只討論在階躍干擾影響下控制系統(tǒng)的過渡過程。在階躍干擾的作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程有如圖19所示的幾種基本形式。,圖1-9過渡過程的幾種基本形式（a）發(fā)散振蕩；（b）等幅振蕩（c）衰減振蕩；（d）單調(diào)過程,發(fā)散振蕩過程：如圖19（a）所示，它表示系統(tǒng)在受到階躍干擾的作用后，不但不能使被控變量回到給定值，反而越來越偏離給定值，以至超出生產(chǎn)的規(guī)定限度，嚴(yán)重時引起事故。這是一種不穩(wěn)定的過渡過程，因此要盡量避免。,等幅振蕩過程：如圖19（b）所示，被控變量在某穩(wěn)定值附近振蕩，而振蕩幅度恒定不變。這意味著系統(tǒng)在受到階躍干擾作用后，就不能再穩(wěn)定下來，一般不采用。對于某些工藝上允許被控變量在一定范圍內(nèi)附近上下波動的、控制質(zhì)量要求不高的場合，這種形式的過渡過程還是可以接受的。衰減振蕩過程：如圖19(c)所示，被控變量在穩(wěn)定值附近上下波動，經(jīng)過二三個周期就穩(wěn)定下來。這是一種穩(wěn)定的過渡過程，在控制過程中，多數(shù)情況下都希望得到這樣的過渡過程。非振蕩的單調(diào)過程：如圖19（d）所示，它表明被控變量最終穩(wěn)定下來了，是一個穩(wěn)定的過渡過程。但與衰減振蕩相比，其回復(fù)到平衡狀態(tài)的速度慢、時間長，因此一般不采用。綜上所述，一個自動控制系統(tǒng)的過渡過程，首先應(yīng)是一個漸趨穩(wěn)定的過程，這是滿足輸生產(chǎn)要求的基本保證；其次，在大多數(shù)場合下，應(yīng)是一個衰減振蕩的過程。,1.5.2控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),衰減振蕩的過渡過程是人們所希望得到的一種穩(wěn)定過程。它能使被控變量在受到干擾作用后重新趨于穩(wěn)定，并且控制速度快、回復(fù)時間短。但每一個衰減振蕩過程的控制質(zhì)量并不完全相同。要評價和討論一個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，就必須建立某些統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。取什么樣的指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)使根據(jù)工藝過程的實際需要而定的。不過，通常采用如下的兩大類標(biāo)準(zhǔn)。一類是以系統(tǒng)受到單位階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線（又稱為過渡過程曲線）的形式給出的，如最大偏差（或超調(diào)量）、衰減比、余差、回復(fù)時間等，稱為過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)；另一類是偏差積分性能指標(biāo)，一般是希望輸出與系統(tǒng)實際輸出之間誤差的某個函數(shù)的積分，常用的有平方誤差積分指標(biāo)（ISE）、時間乘平方誤差的積分指標(biāo)（ITSE）、絕對誤差積分指標(biāo)（IAE）以及時間乘絕對誤差的積分指標(biāo)（ITAE）等，這些值達(dá)到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。.,下面對這些指標(biāo)分別進(jìn)行討論。(1)以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo)最大偏差A(yù)（或超調(diào)量）：對一個給定值控制系統(tǒng)來說，最大偏差是指過渡過程中被控變量第一個波的峰值與給定值的差，如圖110(a)中的A；在隨動控制系統(tǒng)中，通常采用另一個指標(biāo)超調(diào)量。,（11）,衰減比n：是過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比，即B1：B2，一般用n：1表示。顯然n愈小，衰減程度愈小，當(dāng)n1時，過渡過程為等幅振蕩；n1時，過渡過程為衰減振蕩；當(dāng)n時，過渡過程為單調(diào)過程。n值究竟多大為合適，沒有嚴(yán)格的規(guī)定。從便于操作管理，過程進(jìn)行又有適當(dāng)?shù)乃俣冗@兩方面結(jié)合考慮，一般希望衰減比在4：110：1之間為好，中國多習(xí)慣采用4：1。雖然4：1的衰減過程并不是最優(yōu)過程，但卻是操作人員所希望的過程。,回復(fù)時間ts：也稱過渡時間，是指被控變量從過渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的時間間隔，即整個過渡過程所經(jīng)歷的時間，如圖中的ts。從理論上講，被控變量完全達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長的時間，但通常在被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的正負(fù)5的范圍內(nèi)不再超出時，就認(rèn)為被控變量已達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。因此，實際的過渡時間是從擾動開始作用之時起，直至被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的正負(fù)5的范圍內(nèi)所經(jīng)過的時間。余差e（）：是指過程終了時，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差，即e（）=y（）ys。它雖然不是過渡過程的動態(tài)指標(biāo)，但卻是很重要的質(zhì)量指標(biāo)。在控制系統(tǒng)中，余差反映了系統(tǒng)的控制精度：余差越小，精度越高，控制質(zhì)量就越好。振蕩周期T：過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期（或稱工作周期），其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在相同的衰減比條件下，振蕩周期與過渡時間成正比。因此，振蕩周期短些為好。,附錄一：本章的重點和難點一、重點1、第三節(jié)控制系統(tǒng)的方框圖；2、第五節(jié)控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)。二、難點本章講述的是本門課程的基本概念，即本課程的基礎(chǔ)知識，沒有太難的知識內(nèi)容。主要是要求準(zhǔn)確地理解和掌握在這一章中出現(xiàn)的一些概念的定義，同時掌握控制系統(tǒng)方框圖的繪制，掌握評價控制系統(tǒng)的過渡過程的性能指標(biāo)。,附錄二：,第二章過程裝備控制基礎(chǔ)本章主要講述簡單過程控制系統(tǒng)的設(shè)計以及一些工業(yè)常用復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用。所謂簡單控制系統(tǒng)是指單輸入單輸出的線性控制系統(tǒng)，這是控制系統(tǒng)的基本形式，也是應(yīng)用最廣泛的形式。所謂復(fù)雜控制系統(tǒng)就很難下定義了，它們是在后來的所謂先進(jìn)控制系統(tǒng)發(fā)展以前，有別于簡單控制系統(tǒng)的各種控制系統(tǒng)的總稱。它們中的多數(shù)仍只有一個（或一個主要的）被控變量，仍參照簡單控制系統(tǒng)的基本原理來分析和設(shè)計，仍是經(jīng)典控制理論發(fā)展的產(chǎn)物。,2.1被控對象的特性2.2單回路控制系統(tǒng)2.3復(fù)雜控制系統(tǒng)附錄一：本章的重點和難點附錄二：思考題與習(xí)題,2.1被控對象的特性控制質(zhì)量的優(yōu)劣是過程控制中最重要的問題，它主要取決于自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各個環(huán)節(jié)的特性。其中，被控對象的特性是由生產(chǎn)工藝過程和工藝設(shè)備決定的，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中是無法改變的。因此，必須深刻了解被控對象的特性，才能設(shè)計出合適的控制方案，取得良好的控制質(zhì)量。所謂被控對象的特性，就是當(dāng)被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律(包括變化的大小、速度等)。對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用。被控對象輸入變量與輸出變量之間的聯(lián)系稱為通道；操縱變量與被控變量之間的聯(lián)系稱為控制通道；干擾作用與被控變量之間的聯(lián)系稱為干擾通道。通常所講的對象特性是指控制通道的對象特性。,2.1.1被控對象的數(shù)學(xué)描述在靜態(tài)條件下，單位時間流入對象的物料（或能量）等于從系統(tǒng)中流出的物料（或能量）；在動態(tài)條件下，單位時間流入對象的物料（或能量）與單位時間從系統(tǒng)中流出的物料（或能量）之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料（或能量）貯存量的變化率。被控對象的數(shù)學(xué)描述就是由這兩種關(guān)系推導(dǎo)出的微分方程式。（1）單容液位對象有自衡特性的單容對象圖21所示為一個簡單的水槽液位被控對象，輸出變量為液位H，水槽的流入量qV1由管路上的閥1來調(diào)節(jié)，水槽的流出量qV2決定于管道上閥2的開度，qV1、qV2均為體積流量。顯然在任何時刻水位的變化均滿足下面的物料平衡關(guān)系式中V水槽內(nèi)液體的貯存量（液體的體積）；t時間；dv/dt貯存量的變化率。,（21）,設(shè)水槽的橫截面積為A，而A是一個常數(shù)，則因為V=AH(2-2)所以(2-3)在靜態(tài)情況時，dV/dt=0，qV1=qV2當(dāng)qv1發(fā)生變化時,液位H隨之變化,流出量qV2也發(fā)生變化.假設(shè)其變化量很小,可以近似認(rèn)為流出量與液位H成正比關(guān)系，與水閥的水阻Rs(常數(shù))成反比關(guān)系,即(2-4)在討論被控對象的特性時，出水閥開度不變，故Rs為常數(shù)。將式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，經(jīng)整理得(2-5),令T=ARs,K=Rs,代入式(2-5)，得式(2-6)是用來描述單容水槽被控對象的微分方程式，它是一個一階常系數(shù)微分方程式。因此，通常將這樣的被控對象叫做一階被控對象。其中，T稱為時間常數(shù)，K稱為被控對象的放大系數(shù)，它們反映了被控對象的特性。圖2-1所示水槽的液位被控對象，在初始平衡狀態(tài)時，流入量qv!等于流出量qv2，液位穩(wěn)定在H0上。在t0時刻，若流入量突然有一階躍變化量qV1，則由式(2-5)求出相應(yīng)的液位變化量根據(jù)式（27）畫出圖21水槽液位被控對象在階躍輸入作用下的特性曲線如圖22所示。從曲線上可以看出,由于qV1突然增加而流出量還沒有變化,因此液位H上升速度很快;隨著液位的上升,（26）,（27）,水槽出口處的靜壓增大,因而qV2隨之增加,qV1與qV2的差值就越來越小,液位H的上升速度就越來越慢，當(dāng)t時K和qV1都是常數(shù)。所以液位又重新回到平衡狀態(tài)。此時,qV1=qV2這就是被控對象的自衡特性，即當(dāng)輸入變化量發(fā)生了變化破壞了被控對象的平衡而引起輸出變量變化時，在沒有人為干預(yù)的情況下，被控對象自身能重新恢復(fù)平衡的特性。自衡特性有利于控制。,（28）,無自衡特性的單容對象參見圖2-3。由于泵的出口流量不隨液位變化而變化，因此對象的動態(tài)方程為：(2-9)在t0時刻之前，被控對象處于平衡狀態(tài),qV1=qV2。假定在t0時刻，水槽的流入量突然有一個階躍變化qV1,由式(2-9)得(2-10)它的特性曲線如圖24所示。從它的特性曲線可以看出，由于水槽的流出量不變，液位H將隨時間t的推移恒速上升，不會穩(wěn)定下來直至從水槽頂部溢出。這就是無自衡特性。無自衡特性的被控對象在受到擾動作用后不能重新恢復(fù)平衡，因此控制要求較高。對這類被控對象除必須施加控制外，還常常設(shè)有自動報警系統(tǒng)。,(2)雙容液位對象雙容水槽如圖2-5所示。它有兩個串聯(lián)在一起的水槽，兩水槽之間的連通管具有阻力，因此兩者的水位是不同的。來水qV1首先進(jìn)入水槽1，然后再通過水槽2流出。被控變量是水槽2的液位h2。下面分析h2在閥1開度擾動下的動態(tài)特性。根據(jù)物料平衡方程可以寫出兩個關(guān)系式水槽1的動態(tài)平衡關(guān)系為(2-11)水槽2的動態(tài)平衡關(guān)系為(2-12)式（2-11）和式（2-12）相加得(2-13),同理，在qV2、qV3變化量很小時，水流出量與液位的關(guān)系近似為將式（214）和式（215）代入式（212），并求微分后，經(jīng)整理得到（216）再將式（215）和式（216）代入式（213），經(jīng)整理得到,（214）,（215）,（217）,令T1=A1RS1，T2=A2RS2，K=RS2，則式（218）就是描述圖25所示雙容水槽被控對象的二階微分方程方程式。通常，這樣的被控對象叫做二階被控對象。式中T1為水槽1的時間常數(shù)，T2為水槽2的時間常數(shù)，K為被控對象的放大倍數(shù)。圖26顯示了雙容水槽在階躍輸入作用下的響應(yīng)曲線。以上介紹了液位被控對象的數(shù)學(xué)描述形式的推導(dǎo)，即數(shù)學(xué)模型的建立。對于其他類型比較簡單的被控對象，如壓力罐的壓力被控對象、熱交換器的溫度被控對象等等，都可以用這種方法建立其數(shù)學(xué)模型。對于復(fù)雜的被控對象，直接用數(shù)學(xué)方法來建立模型是比較困難的。另外，數(shù)學(xué)模型除了用方程式表示外，還可以用圖形、表格等形式來表示。,（218）,2.1.2被控對象的特性參數(shù)描述被控對象參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和滯后時間。（1）放大系數(shù)式（26）及式（218）中的K就是對象的放大系數(shù)。放大系數(shù)又稱靜態(tài)增益，是被控對象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。放大系數(shù)的一般性結(jié)論放大系數(shù)K表達(dá)了被控對象在干擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時間變化的參數(shù)。所以K是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。在相同的輸入變化量作用下，被控對象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩(wěn)定性越差；反之，K越小，被控對象的穩(wěn)定性越好。K在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對象稱為線性對象。輸入不同的變化量其放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對象，稱為非線性對象。非線性對象是比較難控制的。,處于不同通道的放大系數(shù)K對控制質(zhì)量的影響是不一樣的。對控制通道，如果K值大，即使調(diào)節(jié)器的輸出變化不大，對被控變量的影響也會很大，控制很靈敏。反之，K小，會使被控變量變化遲緩。對干擾通道，如果K較小，即使干擾幅度很大，也不會對被控變量產(chǎn)生很大的影響。若K很大，則當(dāng)干擾幅度較大而又頻繁出現(xiàn)時，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定，應(yīng)排除干擾或采用復(fù)雜控制系統(tǒng)，否則很難保證控制質(zhì)量。（2）時間常數(shù)式（26）及式（218）中的T、T1、T2都叫時間常數(shù)。它反映了被控對象受到輸入作用后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短。它是被控對象的動態(tài)特性參數(shù)。處于不同通道的時間常數(shù)對控制系統(tǒng)的影響也是不一樣的。對于控制通道，若時間常數(shù)T大，則被控變量的變化比較緩和，這種對象比較穩(wěn)定，容易控制，缺點是控制過于緩慢；若時間常數(shù)T小，則被控變量的變化速度快，不易控制。因此，時間常數(shù)太大或太小，對過程控制都不利。,對于干擾通道，時間常數(shù)大則有明顯的好處，此時階躍干擾對系統(tǒng)的影響會變的比較緩和，被控變量的變化平穩(wěn)，對象容易控制。（3）滯后時間有不少化工對象，在受到輸入變量的作用后，其被控變量并不立即發(fā)生變化，而是過一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后時間是描述對象滯后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。根據(jù)滯后性質(zhì)可分為傳遞滯后和容量滯后兩種。傳遞滯后又叫純滯后，是由于信號的傳輸、介質(zhì)的輸送或熱的傳遞要經(jīng)過一段時間而產(chǎn)生的。容量滯后一般是由于物料或能量的傳遞過程中受到一定的阻力而引起的，或者說是由于容量數(shù)目多而產(chǎn)生的。其主要特征是當(dāng)輸入階躍作用后，被控對象的輸出變量開始變化很慢，然后逐漸加快，接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。如圖2-5及其響應(yīng)曲線圖2-6。,容量滯后就是在響應(yīng)曲線的拐點處作切線，切線與時間軸的交點與被控變量開始變化的起點之間的時間間隔就是容量滯后時間。當(dāng)傳遞滯后和容量滯后兩者同時存在時，通常把兩種滯后時間加在一起，統(tǒng)稱為滯后時間，用表示，即=。,2.1.3對象特性的實驗測定對象的求取方法通常有兩種：一種就是上面所介紹的公式法,即數(shù)學(xué)方法；另一種是通過對被控對象的實驗測試求出其特性參數(shù),即所謂的實驗測定法。被控對象的實驗測定方法有很多種，它們主要區(qū)別于所加入的輸入變量的信號形式。常用的方法有兩種：響應(yīng)曲線法和脈沖響應(yīng)法。（1）響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法就是用實驗的方法測定對象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。單容水槽液位對象的動態(tài)特性曲線圖如圖2-9所示。將測得的反應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化成近似的數(shù)學(xué)表達(dá)式有三個步驟：求純滯后時間：從t0時刻起到輸出開始變化的這段時間，即輸入變化而輸出不發(fā)生變化的這段時間為純滯后時間。,求靜態(tài)放大倍數(shù)：（2-20）求時間常數(shù)T：在反應(yīng)曲線上找到輸出量變化至終值63.2%時的坐標(biāo)點，它所對應(yīng)的時刻與輸出量開始變化時的時刻之差就是時間常數(shù)T。此法精度較差，通常允許輸入量變化為額定值的5%10%。（2）脈沖響應(yīng)法脈沖響應(yīng)法就是用實驗的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，其輸入量隨時間的變化規(guī)律。當(dāng)對象處于穩(wěn)定工況下，在t0時刻突然加入一個階躍輸入量，作用一段時間后，在t1時刻再突然撤除該階躍信號，測出輸出量從t0時刻起隨時間的變化規(guī)律，如圖210所示。用矩形脈沖干擾來測取對象特性時，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，因此干擾的幅度可取的較大，以提高實,驗的精度；同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產(chǎn)影響較小。該方法是測定對象特性常用的方法之一。,2.2單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。其方框圖如圖12所示。2.2.1單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）被控變量的選擇合理選擇被控變量是單回路控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步，同時也是關(guān)系到控制方案成敗的關(guān)鍵。被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值的過程參數(shù)。作為被控變量,它應(yīng)是對提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能等具有決定作用的工藝變量。合理選擇被控變量的基本原則：作為被控變量，其信號最好是能夠直接測量獲得，并且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要較小。,若被控變量信號無法直接獲取，可選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量。作為被控變量，必須是獨立變量。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀能否滿足要求。（2）操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油生產(chǎn)過程度中，最常見的操縱變量是流量，也有電壓、轉(zhuǎn)速等。如圖211所示換熱器，已知被控變量是被加熱介質(zhì)的溫度，是選擇載熱體流量作為操縱變量，還是選擇被加熱介質(zhì)的流量作為操縱變量呢？這主要應(yīng)從工藝合理性以及被控對象的特性方面考慮?？紤]工藝合理性從工藝合理性考慮，應(yīng)選擇載熱體流量作為操縱變量。因為載熱體是用來加熱介質(zhì)的，不直接影響生產(chǎn)所需物,料量，因而不會影響生產(chǎn)工藝過程的負(fù)荷，不會影響正常的生產(chǎn)?？紤]被控對象特性由于操縱變量與被控變量之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對象的控制通道特性；干擾與被控對象之間的關(guān)系構(gòu)成了被控對象的干擾通道特性。由此可得出操縱變量選擇的一般原則為：使被控對象控制通道的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，純滯后時間越小越好。使被控對象干擾通道的放大系數(shù)盡可能小，時間常數(shù)越大越好。,（3）檢測變送環(huán)節(jié)的影響檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起著獲得信息和傳遞信息的作用。純滯后在過程控制中，由于檢測元件安裝位置的不適當(dāng)將會產(chǎn)生純滯后。如圖214所示為一pH控制系統(tǒng)，由于檢測電極不能放置在流速較大的主管道，只能安裝在流速較小的支管道上，使得pH的測量引入純滯后,（221）純滯后使測量信號不能及時地反映被控變量的實際值，從而降低了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。測量滯后測量滯后是由測量元件本身特性所引起的動態(tài)誤差。當(dāng)測量元件感受被控變量的變化時，要經(jīng)過一個變化過程，才能反映被控變量的實際值，這時測量元件本身就構(gòu)成了一個具有一定時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。例如測溫元件測量溫度時，由于存在傳熱阻力和熱容，元件本身具有一定時間常數(shù)Tm，因而測溫元件的輸出總是滯后于被控變量的變化。克服測量滯后的方法通常有兩種：一是盡量選用快速測量元件;二是在測量元件之后引入微分作用。傳遞滯后即信號傳輸滯后，主要是由于氣壓信號在管路傳送過程中引起的滯后。克服或減小信號傳遞滯后的方法有：盡量縮短信號管線的長度；改用電信號傳遞；在氣壓管線上加氣動繼動器，或在執(zhí)行器上加氣動閥門定位器，以增大輸出功率，減小傳遞滯后的影響。,(4)執(zhí)行器的影響執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，其作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號，調(diào)節(jié)管道中的介質(zhì)的流量（調(diào)節(jié)操縱變量），從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。執(zhí)行器通常為調(diào)節(jié)閥，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩個部分。如果執(zhí)行器選擇不當(dāng)或維護(hù)不善，常常會使整個系統(tǒng)不能可靠工作，或嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的質(zhì)量。有關(guān)內(nèi)容在第四章中介紹。2.2.2調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的心臟。它的作用是將測量變送信號與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號，然后按一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行器，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號隨輸入信號變化的規(guī)律。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律可歸為四種：位式、比例、積分、微分。其中，位式是斷續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律，其他三種均是連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。（1）位式調(diào)節(jié)規(guī)律雙位式調(diào)節(jié)是位式調(diào)節(jié)規(guī)律中最簡單的形式。,理想的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為當(dāng)e0（或e0）時相應(yīng)調(diào)節(jié)器的特性曲線見圖2-16。雙位調(diào)節(jié)規(guī)律是一種典型的非線性調(diào)節(jié)規(guī)律，當(dāng)測量值大于或小于給定值時，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大或最小兩個極限位置。與調(diào)節(jié)器相連的執(zhí)行器相應(yīng)也只有“開”和“關(guān)”兩個極限工作狀態(tài)。,圖217所示為一個最簡單的溫度雙位控制系統(tǒng)。其中，加熱爐1為被控對象，爐溫是被控變量，熱電偶2是檢測元件，3為雙位調(diào)節(jié)器，繼電器4是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電熱器5是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱裝置。溫度的給定值用雙位調(diào)節(jié)器上的給定值指針由人工設(shè)置。爐溫由熱電偶測量并送至雙位調(diào)節(jié)器。雙位調(diào)節(jié)器根據(jù)溫度測量與給定值的偏差大小發(fā)出使繼電器通、斷電的控制信號，從而控制加熱爐內(nèi)部的溫度。位式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用方便、對配用的調(diào)節(jié)閥無任何特殊的要求。其主要缺點是被控變量總在波動，控制質(zhì)量不高。當(dāng)被控對象純滯后較大時，被控變量波動幅度較大。因此，在控制質(zhì)量要求稍高的場合，不宜使用。在圖217所示的理想雙位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（繼電器）的啟停過于頻繁，系統(tǒng)中的運動部件（繼電器觸頭）容易損壞，這樣就很難保證控制系統(tǒng)安全可靠地運行。因此，實際應(yīng)用的雙位調(diào)節(jié)器都有一個中間區(qū)域。具有中間區(qū)域的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律如圖218所示。從圖中可以看出，只有當(dāng)偏差達(dá)到一定數(shù)值（或）時，調(diào)節(jié)器的輸出才會變化，而在中間區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)器的輸出將取決于它原來所處的狀態(tài)。采用具有中間區(qū)的雙位調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如圖219所示。,由圖2-19可以看出，該過程是一種斷續(xù)作用下的等幅振蕩過程。對于雙位控制的質(zhì)量不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的性能指標(biāo)來衡量，而是用振幅和周期作為其品質(zhì)指標(biāo)。顯然，振幅小、周期長，控制品質(zhì)就高。然而，對一個雙位控制系統(tǒng)，振幅小，周期必然短；周期長，則振幅必然大。只有通過合理地選擇中間區(qū)，才能達(dá)到最佳效果。,（2）比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）比例放大系數(shù)（K）：在比例調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號變化量u（t）與輸入信號e（t）成比例關(guān)系u（t）=Kpe（t）（222）式中Kp稱為比例增益或比例放大倍數(shù)。在調(diào)節(jié)器中是可以改變的。在階躍輸入作用下，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性如圖220所示。,A,e（t）,KpA,u（t）,圖220比例調(diào)節(jié)開環(huán)特性,圖2-21是一個簡單的比例控制系統(tǒng)的例子。被控變量是水槽液位，O為杠桿的支點，杠桿的一端固定著浮球，另一端與調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。通過浮球和杠桿的作用，調(diào)整閥門開度使液位保持在適當(dāng)?shù)母叨壬?。?dāng)進(jìn)水量大于出水量時，水槽液位將升高，浮球也隨之升高，通過杠桿的作用使進(jìn)水閥關(guān)??；當(dāng)進(jìn)水量小于出水量時，也可作類似分析。在這里，浮球是測量元件，杠桿是一個具有比例作用的簡單調(diào)節(jié)器。,設(shè)圖2-21中的虛線位置代表新的平衡狀態(tài)，則調(diào)節(jié)器輸出變化量u（t）（即閥門開度）與輸入變化量e（t）（即液位偏差）之間的關(guān)系，可由相似三角形的關(guān)系得到u（t）=e（t）（223）式中的b/a即比例放大倍數(shù)，改變杠桿支點O的位置即可改變該調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。從例子中可以得到以下結(jié)論。（a）比例調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對應(yīng)的比例關(guān)系，因此比例控制具有控制及時、克服偏差有力的特點。（b）在系統(tǒng)的平衡遭到破壞后，要改變進(jìn)入水槽的物料建立起新的平衡，這就要求調(diào)節(jié)器有輸出作用。而要使調(diào)節(jié)器有輸出，就必須有偏差存在，即e（t）0，因此比例控制必然有余差存在。,比例度：所謂比例度是指調(diào)節(jié)器輸入變化量與相應(yīng)輸出的相對變化量之比的百分?jǐn)?shù)。工業(yè)用調(diào)節(jié)器，常采用比例度（而不是放大倍數(shù)）來表示比例作用的強(qiáng)弱。（2-24）e調(diào)節(jié)器輸入信號的變化量；u調(diào)節(jié)器輸出信號的變化量；調(diào)節(jié)器輸入信號的變化范圍；調(diào)節(jié)器輸出信號的變化范圍；調(diào)節(jié)器的比例度可以理解為：要使輸出信號作全范圍的變化，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮?，即輸入與輸出的比例范圍。比例度的表達(dá)式可改寫為：（2-25）,由上式可以看出：對于輸入輸出信號都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的調(diào)節(jié)器（如單元組合儀表系列），比例度與比例放大倍數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系，即調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例放大倍數(shù)越大，比例控制作用越強(qiáng)。比例度對過渡過程的影響在比例控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的比例度不同，其過渡過程的形式也不同。比例度對系統(tǒng)過渡過程的影響，其結(jié)果如圖2-22所示（a）比例度對余差的影響:比例度越大,放大倍數(shù)越小,由于C=Kpe（t）,要獲得同樣大小的C的變化量所需的偏差就越大，因此在相同的干擾作用下，系統(tǒng)再次平衡時的余差就越大。反之，比例度減小，系統(tǒng)的余差也隨之減小。（b）比例度對最大偏差、振蕩周期的影響：在相同大小的干擾下，調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)器的輸出越大，使被控變量偏離給定值越小，被控變量被拉回到給定值所需的時間越短。所以，比例度越小，最大偏差越小，振蕩周期也越短，工作頻率提高。,（c）比例度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：比例度越大，則調(diào)節(jié)器的輸出變化越小，被控變量變化越緩慢，過渡過程越平穩(wěn)。隨著比例度的減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低，其過渡過程逐漸從衰減振蕩走向臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。在調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律中，比例調(diào)節(jié)是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍的規(guī)律，它能較為迅速的克服干擾的影響，使系統(tǒng)很快的穩(wěn)定下來。通常適用于干擾少、擾動幅度小、負(fù)荷變化不大、滯后較小或者控制要求精度不高的場合。,（3）比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）積分調(diào)節(jié)規(guī)律（I）在積分調(diào)節(jié)規(guī)律中，調(diào)節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的積分成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為（227）式中為積分速度，為積分時間對積分調(diào)節(jié)器，輸出信號的大小不僅與輸入偏差信號的大小有關(guān)，而且還取決于偏差存在時間的長短。只要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷變化。偏差存在的時間越長，輸出信號的變化量也越大。只有在偏差等于零的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出才能相對穩(wěn)定。因此可以說，積分控制作用是力圖消除余差。在幅值為A的階躍偏差輸入作用下，積分調(diào)節(jié)器的開環(huán)輸出特性如圖223所示。將e（t）=A代入式（2-27）可得（228）,顯然，該式所描述的是一條斜率為定值的直線，其斜率正比于調(diào)節(jié)器的積分速度。越大（即越?。?，直線越陡峭，積分作用越強(qiáng)。純積分控制的缺點在于，它不像比例控制那樣輸出u與輸入e保持同步、反應(yīng)較快，而是其輸出變化總要滯后于偏差的變化。這樣就不能及時有效地克服擾動的影響，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來。因此，在工業(yè)過程控制中，通常不單獨使用積分調(diào)節(jié)規(guī)律。比例積分控制規(guī)律（PI）是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（229）PI規(guī)律將比例控制反應(yīng)快積分控制能消除余差的優(yōu)點結(jié)合在一起，因而在生產(chǎn)得到了廣泛使用。在幅值為A的階躍偏差輸入作用下，比例積分調(diào)節(jié)器的開環(huán)輸出特性如圖224所示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,（2-30）顯然，在T=時，有輸出。因此可將積分時間定義為：在階躍偏差輸入作用下，調(diào)節(jié)器的輸出到達(dá)比例輸出兩倍時所經(jīng)歷的時間。,積分時間表征出積分作用的強(qiáng)弱。越小，則積分速度越大，積分控制作用越強(qiáng)；反之，越大，積分作用越弱。積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響在比例積分控制系統(tǒng)中若保持調(diào)節(jié)的比例度不變，則積分時間對過渡過程的影響如圖2-25所示。由圖可以看出，積分時間對過渡過程的影響有雙重性：隨著積分時間的減小，積分作用不斷增強(qiáng)，在相同的干擾作用下，調(diào)節(jié)器