化工自動化及儀表本科

化工自動化及儀表

內(nèi)容輔導(dǎo)

（二）1本輔導(dǎo)主要內(nèi)容第四章：執(zhí)行器第五章：控制器第六章：簡單控制系統(tǒng)2第四章執(zhí)行器3

作用：接受控制器的輸出信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按照預(yù)定要求運(yùn)行執(zhí)行器直接控制工藝介質(zhì)，若使用或選型不當(dāng)，會影響自控系統(tǒng)功能發(fā)揮。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)控制器信號產(chǎn)生推力或位移的裝置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥4按照工作能源分為：氣動，廣泛使用電動，有一定使用液動，現(xiàn)較少使用5

電動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是分開的，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，都是以兩相交流電機(jī)為動力的伺服機(jī)構(gòu)，作用是將輸入的直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換為位移量。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全防爆性能差，電機(jī)動作不夠迅速，在行程受阻或閥桿被軋住時(shí)電機(jī)容易受損。6

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式?；钊叫谐涕L，適用于要求有較大推力的場合。薄膜式行程小，只能帶動閥桿。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作平穩(wěn)可靠、本質(zhì)安全防爆，因此氣動薄膜控制閥在化工、煉油生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。71－上蓋，2－薄膜，3－托板，4－閥桿，5－閥座6－閥體，7－閥芯，8－推桿，9－平衡彈簧，10－下蓋圖4－1氣動薄膜控制閥外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)8§1執(zhí)行機(jī)構(gòu)9一、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、薄膜式傳統(tǒng)型側(cè)裝式(增力式執(zhí)行機(jī)構(gòu))

采用杠杠傳動，把力矩放大，擴(kuò)大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力。10圖4－2氣動動薄薄膜膜執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)（（傳傳統(tǒng)統(tǒng)型型正正作作用用））1－上上膜膜蓋蓋2－波波紋紋薄薄膜膜3－下下膜膜蓋蓋4－支支架架5－推推桿桿6－壓壓縮縮彈彈簧簧7－彈彈簧簧座座8－調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)件件9－螺螺母母10－行行程程標(biāo)標(biāo)尺尺11當(dāng)信信號號壓壓力力增增加加時(shí)時(shí)，，閥閥桿桿向向下下移移動動，，稱稱為為正正作作用用，，稱稱為為ZMA型。。當(dāng)信信號號壓壓力力增增加加時(shí)時(shí)，，閥閥桿桿向向上上移移動動，，稱稱為為反反作作用用，，稱稱為為ZMB型。。通常常正正作作用用的的執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)信信號號壓壓力力是是通通入入薄薄膜膜片片上上方方的的氣氣室室，，而而反反作作用用的的執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)信信號號是是通通入入薄薄膜膜片片下下方方的的氣氣室室。。12圖4－3氣動動薄薄膜膜控控制制閥閥執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)13圖4－4氣動動薄薄膜膜執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)（（側(cè)側(cè)裝裝式式正正作作用用））1－推推桿桿2－搖搖板板3－連連接接板板4－連連桿桿5－絲絲桿桿6－滑滑塊塊7－手手輪輪142、活活塞塞式式屬于于強(qiáng)強(qiáng)力力氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)。。其其氣氣缸缸允允許許操操作作壓壓力力高高達(dá)達(dá)0.5MPa，且且無無彈彈簧簧抵抵消消推推力力，，因因此此輸輸出出推推力力大大，，特特別別適適合合高高靜靜壓壓、、高高壓壓差差、、大大口口徑徑場場合合。。輸出出特特性性有有兩兩位位式式和和比比例例式式。。15圖4－5活塞塞式式行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖1－活活塞塞2－氣氣缸缸16在防防爆爆要要求求不不高高且且無無合合適適氣氣源源時(shí)時(shí)可可用用電電動動執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)。。電電動動執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)都都是是由由電電機(jī)機(jī)帶帶動動減減速速裝裝置置，，在在電電信信號號作作用用下下產(chǎn)產(chǎn)生生直直線線運(yùn)運(yùn)動動和和角角度度旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動動。?？煽煞址譃闉椋海褐毙行谐坛蹋海狠斴敵龀龈鞲鞣N種大大小小不不同同的的直直線線位位移移角行行程程：：輸輸出出角角位位移移，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動角角度度小小于于360度多轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式：：輸輸出出各各種種大大小小不不等等的的有有效效圈圈數(shù)數(shù)，，通通常常用用于于推推動動閘閘閥閥或或執(zhí)執(zhí)行行電電動動機(jī)機(jī)帶帶動動旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)，，如如各各種種泵泵。。二、、電電動動執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)17§2控制制閥閥18一、、控控制制閥閥結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)從流流體體力力學(xué)學(xué)看看，，控控制制閥閥是是一一個(gè)個(gè)局局部部阻阻力力可可以以改改變變的的節(jié)節(jié)流流元元件件。。由由于于閥閥芯芯在在閥閥體體內(nèi)內(nèi)移移動動，，改改變變了了閥閥芯芯與與閥閥座座間間的的流流通通面面積積，，即即改改變變了了閥閥的的阻阻力力系系數(shù)數(shù)，，從從而而達(dá)達(dá)到到控控制制工工藝藝變變量量的的目目的的。。常用用的的控控制制閥閥有有直直通通雙雙座座控控制制閥閥。。19圖4－6控制制閥閥機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖（（直直通通雙雙座座））控制制閥閥桿桿上上端端通通過過螺螺母母與與執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)推推桿桿相相連連，，推推桿桿帶帶動動閥閥桿桿及及閥閥桿桿下下端端的的閥閥芯芯上上、、下下移移動動，，流流體體從從左左側(cè)側(cè)進(jìn)進(jìn)入入控控制制閥閥，，然然后后經(jīng)經(jīng)閥閥芯芯與與閥閥座座之之間間的的間間隙隙從從右右側(cè)側(cè)流流出出20圖4－7控制制閥閥正正、、反反作作用用（a）正正作作用用（（b）、、反反作作用用21執(zhí)行行器器如如氣氣動動薄薄膜膜控控制制閥閥的的執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)和和調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)組組合合起起來來，，可可以以實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)氣氣開開和和氣氣關(guān)關(guān)兩兩種種調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)。。由由于于執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)有有兩兩種種調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)，，控控制制閥閥也也有有兩兩種種作作用用方方式式，，因因此此，，就就可可以以有有四四種種組組合合方方式式可可以以組組成成氣氣開開或或氣氣關(guān)關(guān)形形式式。。氣開開式式是輸輸入入氣氣壓壓越越高高，，開開度度越越大大，，氣氣失失時(shí)全全關(guān)關(guān)，，稱稱為為FC型。。氣關(guān)關(guān)式式是輸輸入入氣氣壓壓越越高高，，開開度度越越小小。。氣氣失失時(shí)全全開開，，稱稱為為FO型。。22圖4－8氣動動控控制制閥閥氣氣開開、、氣氣關(guān)關(guān)組組合合方方式式圖圖23控制制閥閥的的氣氣開開與與氣氣關(guān)關(guān)選選擇擇主主要要從從工工藝藝生生產(chǎn)產(chǎn)安安全全要要求求出出發(fā)發(fā)，考考慮慮原原則則是是：：信信號號中中斷斷時(shí)時(shí)，，應(yīng)應(yīng)該該保保證證設(shè)設(shè)備備和和操操作作人人員員的的安安全全。。如如果果閥閥處處于于打打開開位位置置危危害害小小，，應(yīng)應(yīng)選選擇擇氣氣關(guān)關(guān)式式，，這這樣樣，，即即使使氣氣源源故故障障（（氣氣源源中中斷斷時(shí)時(shí)）），，閥閥門門能能自自動動打打開開，，保保證證安安全全，，反反之之，，應(yīng)應(yīng)該該選選擇擇氣氣開開式式。。如加加熱熱爐爐燃燃?xì)鈿饣蚧蛉既加陀蛻?yīng)應(yīng)該該選選擇擇氣氣開開閥閥；；24二、控制制閥類型型1、直通單單座控制制閥2、直通雙雙座控制制閥3、角型控控制閥4、隔膜控控制閥5、三通控控制閥25§2氣動薄膜膜控制閥的的流量特特性26控制閥的的流量特特性是指指流過閥閥門的調(diào)調(diào)節(jié)介質(zhì)質(zhì)的相對對流量與與閥桿的的相對行行程（即即閥門對對應(yīng)的開開度）之之間的關(guān)關(guān)系。表示控制制閥某一一開度的的流量與與全開時(shí)時(shí)流量之之比，表表示控控制閥某某開度下下閥桿行行程與全全開時(shí)閥閥桿行程程之比，，稱為相相對開度度。(4-1)27流量特性性通常用用兩種形形式表示示1、理想特特性即在閥的的前后壓壓差固定定的條件件下，流流量與閥閥桿位移移之間的的關(guān)系，，它完全全取決于于閥的結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)。2、工作特特性即在工作作條件下下，閥門門兩端壓壓差變化化時(shí)，流流量與閥閥桿位移移之間的的關(guān)系。。28閥門是整整個(gè)管路路中的一一部分，，在不同同流量下下，管路路系統(tǒng)的的阻力不不一樣，，因此分分配給閥閥門的壓壓降也不不同。工工作特性性不僅與與閥門本本身的結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)有關(guān)，，也與配配管情況況有關(guān)。。29一、理想想特性曲曲線控制閥的的前后壓壓差保持持不變時(shí)時(shí)得到的的流量特特性就是是理想流流量特性性，閥門門廠提供供的就是是這種特特性。理理想流量量特性有有：線性流量量特性對數(shù)流量量特性（（等百分分比）快開特性性這三種特特性完全全取決于于閥芯的的形狀，，不同的的閥芯曲曲面可以以得到不不同的流流量特性性。30圖4－9閥芯曲面面形狀311、線性流流量特性性線性流量量特性是是指控制制閥的相相對流量量與相對對開度成成直線關(guān)關(guān)系。流流過閥門門的相對對流量與與閥桿相相對行程程的關(guān)系系可以表表示成：：R表示控制制閥所能能控制的的最大流流量與最最小流量量之比，，稱為控控制閥的的可調(diào)比比，它反反映了控控制閥調(diào)調(diào)節(jié)能力力的大小小。國產(chǎn)產(chǎn)R=30。(4-2)32當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，，它反映出控制閥的最小流量是其所能控制的最小流量，而不是控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量。線性控制閥的放大系數(shù)也是一個(gè)常數(shù)，即不論閥桿在什么位置，只要閥桿作相同的變化，流量的數(shù)值也作相同的變化。因此，在不同的開度時(shí)流量的相對變化值不同，導(dǎo)致在小開度或大開度控制閥性能較差。33指單位行行程相對對變化所所引起的的相對流流量變化化，與此此點(diǎn)的相相對流量量成正比比關(guān)系。?？梢员肀硎緸椋海呵蠼獾茫海?、對數(shù)流流量特性性（等百百分比））(4-3)(4-4)34對數(shù)閥放放大系數(shù)數(shù)隨相對對開度的的增加而而增加，，因此，，有利于于自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)在小開度度時(shí)控制制閥放大大系數(shù)小小，控制制平穩(wěn)緩和，在大開度度時(shí)放大大系數(shù)大大，控制制靈敏有有效353、快開特特性這種流量量特性在在開度較較小時(shí)就就有較大大流量，，隨開度度的增加加，流量量很快就就達(dá)到最最大，隨隨后再增增加開度度時(shí)流量量變化甚甚小，故故稱為快快開特性性。主要用于于迅速啟啟閉的切切斷閥或或雙位控控制系統(tǒng)統(tǒng)中。36圖4－10控制閥的的理想流流量特性性37二、工作作特性曲曲線理想流量量特性是是在假定定控制閥閥前后壓壓差不變變的情況況下得到到的。然然而，實(shí)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)過程中中，控制制閥前后后壓差總總是變化化的。在在這樣的的情況下下，控制制閥的相相對開度度與相對對流量之之間的關(guān)關(guān)系稱為為工作流流量特性性。設(shè)串連管管道上的的系統(tǒng)總總的壓差差等于管管道壓差差與閥門門壓差之之和。串連管道道上的阻阻力損失失與流速速的平方方成正比比。38圖4－11串連管道道情況39圖4－12串連管道道上控制制閥壓差差變化40若以S表示控制閥全開時(shí)，控制閥上壓差與系統(tǒng)總壓差之比，即以表示理想流量特性下（閥門壓差為系統(tǒng)總壓差，管道壓差為0）控制閥全開流量。可以得到串連管道時(shí)以作為參比值的工作流量特性。(4-5)41圖4－13串連管道道上控制制閥特性性曲線（理想特特性為線線性）42圖4－14串連管道道上控制制閥特性性曲線（理想特特性為對對數(shù)型））43工作特性性分析S＝1表示理理想特特性曲曲線。。S減小，，即管管道阻阻力增增加。。系統(tǒng)總總壓差差不變變，管管道阻阻力增增加，，閥門前后后壓差差減小小，全全開時(shí)時(shí)的流流量也也小，控控制閥閥的可可調(diào)范范圍R也變小小?？刂崎y閥的流流量特特性發(fā)發(fā)生畸畸變，，理想想線性特性性趨向向快開開；理理想對對數(shù)特特性趨趨向線性。。44S的選擇擇過大大或過過小都都不合合適。。S過大，，在流流量相相同的的情況況下，，管路路阻力力損耗耗不變變，但但是閥閥上壓壓降很很大，，消耗耗能量量過多多。S過小，，則對對控制制不利利。一一般希希望S不低于于0.3。當(dāng)S>0.6時(shí)，認(rèn)認(rèn)為工工作特特性與與理想想特性性接近近。45三、動動態(tài)特特性氣動薄薄膜控控制閥閥膜頭頭是一一個(gè)空空間，，它可可以看看成是是一個(gè)個(gè)氣容容，從從控制制器到到氣動動薄膜膜控制制閥膜膜頭見見的引引壓管管線有有氣容容和氣氣阻，，所以以管線線和膜膜頭是是一個(gè)個(gè)由氣氣阻和和氣容容組成成的一一階滯滯后環(huán)環(huán)節(jié)，，其時(shí)時(shí)間常常數(shù)取取決于于氣阻阻和氣氣容。。當(dāng)信信號管管線太太長或或太粗粗，膜膜頭氣氣室太太大時(shí)時(shí)，控控制閥閥的時(shí)時(shí)間常常數(shù)太太大，，增加加了系系統(tǒng)廣廣義對對象容容量滯滯后，，對控控制不不利。。46通常通通過減減小時(shí)時(shí)間常常數(shù)的的措施施有：：盡量縮縮短引引壓管管線的的長度度，如如采用用電動動控制制器時(shí)時(shí)，電電氣轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器應(yīng)該該安裝裝在氣氣動薄薄膜控控制閥閥附近近。選用合合適口口徑的的氣動動管線線：管管線過過細(xì)，，氣容容小，，但氣氣阻大大；管管線過過粗，，氣阻阻小，，但氣氣容大大。加裝傳傳輸滯滯后補(bǔ)補(bǔ)償器器47§3閥門定定位器器48閥門定定位器器是氣氣動控控制閥閥的主主要附附件，，它與與氣動動控制制閥配配套使使用。。閥門門定位位器接接受控控制器器輸出出信號號，然然后將將控制制器的的輸出出信號號成比比例地地輸出出到執(zhí)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)，，當(dāng)閥閥桿移移動以以后，，其位位移量量又通通過機(jī)機(jī)械裝裝置負(fù)負(fù)反饋饋?zhàn)饔糜糜陂y閥門定定位器器，因因此它與執(zhí)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)組組成一一個(gè)閉閉環(huán)系系統(tǒng)。采用閥閥門定定位器器，能能夠增增強(qiáng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的的輸出出功率率，改改善控控制閥閥的性性能。49閥門定定位器器的工工作原原理如如圖4－16所示，，當(dāng)輸輸入電電流對對主杠杠杠的的電磁磁力矩矩與反反饋力力矩相相等時(shí)時(shí)，閥閥桿就就穩(wěn)定定在某某個(gè)位位置，，從而而使得得閥桿桿位移移與輸輸入電電流成成比例例關(guān)系系。即即閥門門定位位器是是按照照力矩矩平衡衡原理理工作作的。。一、電電－氣氣閥門門定位位器50圖4－15電－氣氣閥門門定位位器原原理圖圖51二、閥閥門定定位器器的作作用改善閥閥的靜靜態(tài)特特性采用閥閥門定定位器器后，，只要要控制制器輸輸出信信號稍稍有變變化，，經(jīng)過過噴嘴嘴－擋擋板系系統(tǒng)及及放大大器的的作用用，就就可使使通往往控制制閥膜膜頭的的氣壓壓有大大的變變化，，以克克服閥閥桿的的摩擦擦和消消除控控制閥閥不平平衡力力的影影響，，從而而保證證閥門門位置置按照照控制制器發(fā)發(fā)出的的信號號正確確定位位。52改善閥閥的動動態(tài)特特性定位器器改變變了原原來閥閥的一一階滯滯后特特性，，減小小時(shí)間間常數(shù)數(shù)，使使之成成為比比例特特性。。一般般說來來，若若氣壓壓傳輸輸管線線超過過60米時(shí)，，應(yīng)采采用閥閥門定定位器器。改善閥閥的流流量特特性通過改改變定定位器器的凸凸輪的的形狀狀，可可使控控制閥閥的線線性、、對數(shù)數(shù)、快快開流流量特特性互互換。。53用于分分程控控制用一個(gè)個(gè)控制制器控控制兩兩個(gè)以以上的的控制制閥，，使它它們分分別在在信號號的某某一個(gè)個(gè)區(qū)段段內(nèi)完完成全全行程程移動動。如如使兩兩個(gè)控控制閥閥分別別在（（4～12mADC）和(12～20mADC)的信號號范圍圍內(nèi)完完成全全行程程移動動。實(shí)現(xiàn)方方式是是通過過零位位調(diào)整整和反反饋彈彈簧的的調(diào)整整。使使定位位器在在這兩兩個(gè)信信號范范圍內(nèi)內(nèi)，輸輸出都都是20－100KPa。54用于閥閥門的的反向向動作作閥門定定位器器有正正、反反作用用之分分。正正作用用時(shí)，，輸入入信號號增加加，輸輸出氣氣壓也也增大大；反反作用用時(shí)，，輸入入信號號增加加，輸輸出氣氣壓減減小。。采用反反作用用式定定位器器可以以使氣氣開閥閥變成成氣關(guān)關(guān)閥，，氣關(guān)關(guān)閥變變成氣氣開閥閥。55§4控制閥閥口徑徑的確確定56一、控控制閥閥流量量系數(shù)數(shù)的的計(jì)算算控制閥閥的流流量系系數(shù)直直接反反映了了流體體通過過控制制閥的的最大大能力力，它它是控控制閥閥的一一個(gè)重重要參參數(shù)。。定義：：控制制閥全全開時(shí)時(shí)，閥閥前后后壓差差為100KPa時(shí)、流流體密密度為為1000Kg/m3時(shí)(即假設(shè)設(shè)流體體為水水)，每小小時(shí)流流經(jīng)控控制閥閥的流流量值值(m3/h)。57控制閥閥是一一個(gè)可可以改改變局局部阻阻力的的節(jié)流流元件件，對對不可可壓縮縮流體體，可可推導(dǎo)導(dǎo)出流流經(jīng)控控制閥閥的體體積流流量式中：：A為控制制閥接接管的的截面面積，，Dg為接管管直徑徑（公公稱通通徑））采用如如下單單位(4-6)58可得：：流量系系數(shù)流量系系數(shù)取取決于于控制制閥的的公稱稱通徑徑和阻阻力系系數(shù)。。(4-7)(4-8)59當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)工藝藝中流流體性性質(zhì)（（密度度）一一定、、所需需流量量qv和閥前前后差差壓確確定后后，只只要計(jì)計(jì)算出出Kv的大小小，就就可確確定閥閥的口口徑尺尺寸，，即公公稱通通徑Dg和閥座座直徑徑dg國外采采用Cv表示流流量系系數(shù)，，兩者者之間間關(guān)系系為：：(4-9)60二、控控制閥閥口徑徑的確確定（1）根據(jù)據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)能力力、設(shè)設(shè)備負(fù)負(fù)荷決決定最最大流流量qvmax(2)根據(jù)所所選的的流量量特性性及系系統(tǒng)特特點(diǎn)選選定S值，然然后求求出計(jì)計(jì)算壓壓差（（即閥閥門全全開時(shí)時(shí)壓差差）（3）根據(jù)據(jù)流通通能力力計(jì)算算公式式，計(jì)計(jì)算最最大流流量時(shí)時(shí)的Kvmax（4）根據(jù)據(jù)得到到的Kvmax，在所所用產(chǎn)產(chǎn)品型型號的的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)系列列中選選擇大大于該該值并并與其其最接接近的的Kv值，從從而選選取閥閥門口口徑.61（5）驗(yàn)證證閥門門開度度與可可調(diào)比比，一一般要要求最最大流流量時(shí)時(shí)閥門門開度度不超超過90％，最最小流流量時(shí)時(shí)閥門門開度度不超超過10％。驗(yàn)證合合格后后，根根據(jù)Kv確定控控制閥閥的公公稱公公徑與與閥座座直徑徑。62§5氣動薄薄膜控控制閥閥的選選用63了解控制系系統(tǒng)對對控控制閥的要要求。操作性能可靠性、安安全性控制閥結(jié)構(gòu)構(gòu)形式及材材質(zhì)氣開、氣關(guān)關(guān)的選擇控制閥的流流量特性選選擇64一、控制閥閥結(jié)構(gòu)和材材質(zhì)選擇從工藝條件件和介質(zhì)特特性考慮當(dāng)控制閥前前后壓差較較小，要求求泄漏量也也小時(shí)，選選用直通單單座閥當(dāng)控制閥前前后壓差較較大，允許許有較大泄泄漏量時(shí)，，選用直通通雙座閥當(dāng)介質(zhì)為高高粘度，含含有懸浮顆顆粒時(shí)，為為避免堵塞塞，選用容容易清洗的的角型控制制閥65二、控制閥閥流量特性性選擇（1）根據(jù)過程程特性，選選擇閥的工工作特性常規(guī)控制器器的控制規(guī)規(guī)律是線性性的，因此此，參數(shù)整整定后，希希望能適應(yīng)應(yīng)一定的工工作范圍，，因此，希希望廣義對對象也是線線性的，即即在遇到負(fù)負(fù)荷、閥前前后壓力變變化或設(shè)定定值變化后后，廣義對對象特性基基本保持不不變。因此此，控制閥閥的特性要要能夠補(bǔ)償償廣義對象象特性使得得過程輸入入和輸出為為線性，如如圖4－17所示。66圖4－16控制閥特性性補(bǔ)償示意意圖67（2）根據(jù)配管管情況，從從所需的工工作特性出出發(fā)，推斷斷理想特性性（制造廠廠標(biāo)明的特特性是理想想特性）。。如果工藝藝配管不能能精確確定定時(shí)，一般般選取對數(shù)數(shù)閥，因?yàn)闉閷?shù)閥適適應(yīng)性較強(qiáng)強(qiáng)。68三、氣動薄薄膜控制閥閥的安裝使使用執(zhí)行器能否否在控制系系統(tǒng)中起到到良好作用用，一方面面取決于控控制閥結(jié)構(gòu)構(gòu)類型，流流量特性及及口徑的選選擇；另一一方面還與與控制閥的的安裝使用用有關(guān)。69控制閥安裝裝時(shí)應(yīng)該考考慮如下因因素：（1）最好垂直直安裝，水水平安裝要要加支撐。。（2）環(huán)境溫度度不能太高高或太低，，要遠(yuǎn)離震震動設(shè)備和和腐蝕嚴(yán)重重的地方。。（3）應(yīng)該安裝裝在容易維維護(hù)檢修的的地方。（4）控制閥安安裝到管道道時(shí)，應(yīng)使使流體流動動方向與控控制閥體箭箭頭方向一一致。（5）控制閥的的公稱直徑徑與管道直直徑不一致致時(shí)，應(yīng)該該加一異徑徑管。（6）控制閥在在安裝時(shí)，，應(yīng)設(shè)置旁旁路。70第五章控控制器器71§1控制器概述述72控制器在控控制系統(tǒng)中中處于重要要地位：根據(jù)偏差按按照一定的的控制規(guī)律律進(jìn)行運(yùn)算算，將輸出作作用于操縱縱變量，使使過程輸出出（被控變變量）穩(wěn)定定在期望的的數(shù)值。種類很多：：常規(guī)控制器器以微處理器器為基礎(chǔ)的的控制器73按照工作能源：氣動電動按照信號形式：模擬式數(shù)字式按照結(jié)構(gòu)形式：基地式單元組合組裝式集散控制系系統(tǒng)74§2控制器的基基本控制規(guī)規(guī)律75時(shí)間連續(xù)PID控制規(guī)律時(shí)間離散PID控制規(guī)律理想PID控制器的運(yùn)運(yùn)算規(guī)律數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式式：其傳遞函數(shù)數(shù)形式：一、連續(xù)PID控制規(guī)律(5－1)(5－2)767778控制器運(yùn)算算規(guī)律通常常用增量形形式表示，，若用實(shí)際際值表示，，則為：式中u(0)為控制器初初始輸出，，即t＝0瞬間偏差為為0時(shí)的輸出。。(5－3)(5－4)791、比例控制制（P）分析（1）比例控制制規(guī)律控制器輸出出變化與輸輸入偏差成成正比。在時(shí)間上沒沒有延遲。。在相同的偏偏差下，Kc越大，輸出出也越大，，因此Kc是衡量比例例作用強(qiáng)弱弱的參數(shù)。。工業(yè)上用比比例度來表表示比例作作用的強(qiáng)弱弱。(5－5)80傳遞函數(shù)形形式：圖5－2階躍偏差作作用下比例例控制器的的開環(huán)輸出出特性(5－6)81(2)、比例度(5－7)82(3)、比例度對對系統(tǒng)過渡渡過程影響響（a）在擾動（或負(fù)荷）變化及設(shè)定值變化時(shí)有余差存在。因?yàn)樵谶@幾種情況下，控制器必有輸出以改變閥門開度，力圖使過程的物料和能量能夠達(dá)到新的平衡。但又正比于偏差e，因此此時(shí)控制器的輸入信號必然不是0。當(dāng)比例度較小時(shí)，對應(yīng)同樣的變化的e較?。灰虼擞嗖钚?。83（b）比例度越越大，過渡渡過程曲線線越平穩(wěn)；；隨著比例例度減小，，系統(tǒng)振蕩蕩程度加劇劇。當(dāng)比例例度減小到到某數(shù)值時(shí)時(shí)，，系統(tǒng)出現(xiàn)現(xiàn)等幅振蕩蕩，再減小小系統(tǒng)將發(fā)發(fā)散。因此此控制系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)設(shè)置置不當(dāng)，也也達(dá)不到控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)的效果果應(yīng)該根據(jù)系系統(tǒng)各個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)的特性性，特別是是過程特性性選擇合適適的控制器器參數(shù)，，才能獲獲得理想的的控制指標(biāo)標(biāo)。84（c）最大偏差在兩類外作用下不一樣在擾動作用下，越小，最大偏差越小在設(shè)定作用且系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)，越小，最大偏差也越大。因?yàn)樽畲笃钊Q于余差與超調(diào)量。在擾動作用下，最大偏差取決于余差，小，余差小。在設(shè)定作用下，則取決于超調(diào)量，小，則超調(diào)量大，所以最大偏差大。85圖5－3不同比例度度下過渡過過程(a)擾動作用(b)設(shè)定作用86（d）如果小小，則則振蕩頻率率提高，因因此把被控控變量拉回回到設(shè)定值值所需的時(shí)時(shí)間就短。。87一般而言：：當(dāng)廣義對象象的放大系系數(shù)較小，，時(shí)間常數(shù)數(shù)較大、時(shí)時(shí)滯較小時(shí)時(shí)，控制器器的比例度度可選較小小，以提高高系統(tǒng)的靈靈敏度。當(dāng)廣義對象象的放大系系數(shù)較大，，時(shí)間常數(shù)數(shù)較小而時(shí)時(shí)滯較大時(shí)時(shí)，需要適適當(dāng)增大控控制器的比比例度，以以增加系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)定性性。工業(yè)生產(chǎn)中中定值控制制系統(tǒng)通常常要求控制制系統(tǒng)具有有振蕩不太太劇烈，余余差不太大大的過渡過過程，衰減減比定在4:1~10:1,而隨動系統(tǒng)統(tǒng)一般衰減減比在10:1以上。88比例控制小小結(jié)：比例控制是是最基本、、最主要也也是應(yīng)用最最普遍的控控制規(guī)律，，它能夠迅迅速地克服服擾動的影影響，使系系統(tǒng)很快地地穩(wěn)定下來來。比例控控制通常適適用于擾動動幅度小，，負(fù)荷變化化不大，過過程時(shí)滯較較小（））或者控控制要求不不高的情況況下。89負(fù)荷變化大大，余差大大，負(fù)荷變變化小，余余差小。(分析見前面面比例度對對過渡過程程影響(c))過程的的越大，，振蕩越厲厲害，如果果此時(shí)把比比例度增大大以提高系系統(tǒng)穩(wěn)定性性，則余差差就會增大大，如果較較小小，則比例例度可以小小些，余差差也就減小小?？刂埔蟛徊桓叩膱龊虾希阂何豢乜刂浦?，往往往只要求求液位穩(wěn)定定在一定的的范圍內(nèi)，，沒有嚴(yán)格格的要求，，只有當(dāng)比比例控制的的控制指標(biāo)標(biāo)滿足不了了工藝要求求時(shí)，才需需引入其他他控制作用用。902、比例積分分控制（PI）分析（1）積分控制制規(guī)律KI表示積分速速度?？刂破鬏敵龀鲂盘柕拇蟠笮?，不僅僅與偏差大大小有關(guān)，，還取決于于偏差存在在的時(shí)間長長短。只要有偏差差存在，控控制器的輸輸出就不斷斷變化。偏偏差存在時(shí)時(shí)間越長，，輸出信號號的變化量量越大，直直到達(dá)到輸輸出極限。。(5－8)91只有余差為為0，控制器的的輸出才穩(wěn)穩(wěn)定。力圖消除余余差是積分分作用的重重要特性。。在幅度為A的階躍作用用下，積分分控制器的的開環(huán)輸出出如圖5－4所示。輸出出直線的斜斜率為KIA。92圖5－4階躍偏差作作用下積分分輸出93（2）積分控制制規(guī)律分析析積分控制作作用總是滯滯后于偏差差的存在，，因此它不不能有效地地克服擾動動的影響，，難以使得得控制系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定下來來，因此積積分控制作作用很少單單獨(dú)使用。。如圖5－5分析，引入入積分作用用會使系統(tǒng)統(tǒng)容易振蕩蕩。比例作用的的輸出與偏偏差同步，，偏差大，，輸出大，，偏差小，，輸出小，，因此控制制及時(shí)。而而積分作用用則不是。。94在第一個(gè)前前半周期內(nèi)內(nèi)，測量值值一直低于于設(shè)定值，，出現(xiàn)負(fù)偏偏差，所以以按同一方方向累積。。從t1到t2時(shí)間段，偏偏差還是為為負(fù)，但數(shù)數(shù)值在減小小，因此，，積分輸出出仍然在增增加，但增增加的量在在減小。顯顯然，在這這個(gè)時(shí)間段段，積分輸輸出增加是是不合理的的，因?yàn)槠钜呀?jīng)在在減小。這這就暴露了了積分控制制的弱點(diǎn)：：控制作用的的落后性。這往往會會導(dǎo)致超調(diào)調(diào)，并引起起被控變量量波動厲害害。工業(yè)上常將將比例作用用與積分作作用組合成成比例積分分控制規(guī)律律。95圖5－5積分作用的的落后性96（2）比例積分分控制規(guī)律律比例積分控控制器的傳傳遞函數(shù)是是：(5－9)(5－10)97在階躍偏差差作用下，，比例積分分控制器的的開環(huán)輸出出如圖5－6所示。在在偏差幅度度為A的階躍作用用下，比例例輸出立即即跳變到KCA，然后積分分輸出隨時(shí)時(shí)間線性增增加。在KC和A確定時(shí)，直直線的斜率率取決于積積分時(shí)間TI的大小。TI越大，直線線越平坦，，積分作用用越弱。TI越小，直線線越陡，表表示積分作作用越強(qiáng)TI趨向無窮大大時(shí)，比例例積分控制制器蛻變?yōu)闉楸壤刂浦破鳌?8TI是描述積分分作用強(qiáng)弱弱的物料量量，其定義義為：在階階躍偏差作作用下，控控制器的輸輸出達(dá)到比比例輸出的的兩倍所經(jīng)經(jīng)歷的時(shí)間間，就是積積分時(shí)間TI。因?yàn)樵谌稳我鈺r(shí)間，，控制器的的輸出為：：。當(dāng)t=TI時(shí)，，輸輸出出即即為為2KCA。99圖5－6階躍躍偏偏差差作作用用下下比比例例積積分分控控制制器器的的輸輸出出100比例例積積分分控控制制器器在在投投運(yùn)運(yùn)前前，，需需對對和和積積分分時(shí)時(shí)間間TI進(jìn)行行校校驗(yàn)驗(yàn)。積積分分時(shí)時(shí)間間測測定定時(shí)時(shí)，，一一般般先先將將比比例例度度置置于于100%，然然后后對對控控制制器器輸輸入入一一個(gè)個(gè)幅幅度度為為A的階階躍躍偏偏差差，，測測出出控控制制器器的的跳跳變變KCA，同同時(shí)時(shí)按按住住秒秒表表，，待待到到積積分分輸輸出出與與比比例例輸輸出出相相同同時(shí)時(shí)，，所所經(jīng)經(jīng)歷歷的的時(shí)時(shí)間間就就是是積積分分時(shí)時(shí)間間TI。如如圖圖5－7所示示。。101圖5－7積分分時(shí)時(shí)間間測測定定102比例例積積分分控控制制器器，，工工作作點(diǎn)點(diǎn)不不斷斷變變化化的的比比例例控控制制器器：：比例例控控制制器器可可以以看看成成是是粗粗調(diào)調(diào)的的比比例例作作用用與與細(xì)細(xì)調(diào)調(diào)的的積積分分作作用用的的組組合合。。如如果果比比例例控控制制器器的的輸輸出出增增量量與與偏偏差差信信號號一一一一對對應(yīng)應(yīng)，，則則比比例例積積分分控控制制器器可可以以理理解解為為比比例例度度不不斷斷減減小小，，即即比比例例增增益益不不斷斷放放大大的的比比例例控控制制器器，，如如圖圖5－6所示示。。103（3）積積分分時(shí)時(shí)間間TI對過過渡渡過過程程影影響響在一一個(gè)個(gè)純純比比例例的的閉閉環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中引引入入積積分分作作用用時(shí)時(shí)，，若若不變變，，則則可可從從圖圖5－8所示示的的曲曲線線看看出出，，隨隨著著TI的減減小小，，積積分分作作用用增增強(qiáng)強(qiáng)，，消消除除余余差差快快，，但但控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的振振蕩蕩加加劇劇，，系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性下下降降；；TI過小小，，可可能能導(dǎo)導(dǎo)致致系系統(tǒng)統(tǒng)不不穩(wěn)穩(wěn)定定。。TI小，，擾擾動動作作用用下下的的最最大大偏偏差差小小，，振振蕩蕩頻頻率率增增加加。。104圖5－8比例例度度不不變變時(shí)時(shí)積積分分時(shí)時(shí)間間對對過過渡渡過過程程影影響響(a)擾動動作作用用(b)設(shè)定定作作用用105在比比例例控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中引引入入積積分分作作用用可可以以消消除除余余差差，，但但是是系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性降降低低。。若若要要保保持持系系統(tǒng)統(tǒng)原原有有的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性，，就就要要加加大大控控制制器器的的比比例例度度，，但但這這又又會會使使系系統(tǒng)統(tǒng)的的其其他他控控制制指指標(biāo)標(biāo)下下降降。。因因此此，，如如果果余余差差不不是是系系統(tǒng)統(tǒng)的的主主要要控控制制指指標(biāo)標(biāo)，，就就沒沒有有必必要要引引入入積積分分作作用用。。106由于于比比例例積積分分控控制制器器具具有有比比例例和和積積分分控控制制的的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，，有有比比例例度度和和積積分分時(shí)時(shí)間間兩兩個(gè)個(gè)參參數(shù)數(shù)可可調(diào)調(diào)，，因因此此適適用用范范圍圍較較廣廣，，多多數(shù)數(shù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)都都可可采采用用。。只只有有在在過過程程的的容容量量滯滯后后大大，，時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)大大，，或或者者負(fù)負(fù)荷荷變變化化劇劇烈烈時(shí)時(shí)，，由由于于積積分分作作用用較較為為遲遲緩緩，，系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制指指標(biāo)標(biāo)不不能能滿滿足足工工藝藝要要求求，，才才考考慮慮在在系系統(tǒng)統(tǒng)中中增增加加微微分分作作用用。。107（4）積積分分飽飽和和及及防防止止積分分飽飽和和是是指指一一種種積積分分過過量量現(xiàn)現(xiàn)象象。。在在通通常常的的控控制制回回路路中中，，由由于于積積分分作作用用能能一一直直消消除除偏偏差差，，因因此此能能達(dá)達(dá)到到?jīng)]沒有有余余差差的的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)值值，，但但在在有有些些場場合合卻卻并并非非如如此此。。如圖圖5－9(a)所示示的的保保證證壓壓力力不不超超限限的的安安全全放放空空系系統(tǒng)統(tǒng)，，設(shè)設(shè)定定值值為為壓壓力力的的容容許許限限值值，，在在正正常常操操作作情情況況下下，，放放空空閥閥是是全全關(guān)關(guān)的的，，然然而而實(shí)實(shí)際際壓壓力力總總是是低低于于此此設(shè)設(shè)定定值值，，偏偏差差長長期期存存在在。。108其他他積積分分飽飽和和情情況況一些些簡簡單單控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)也也會會出出現(xiàn)現(xiàn)積積分分飽飽和和情情況況，，如如在在間間歇歇式式反反應(yīng)應(yīng)釜釜的的溫溫度度控控制制回回路路中中，，進(jìn)進(jìn)料料的的溫溫度度較較低低，，遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離設(shè)設(shè)定定值值，，因因此此在在初初始始階階段段正正偏偏差差較較大大，，控控制制器器輸輸出出會會達(dá)達(dá)到到積積分分極極限限，，把把加加熱熱蒸蒸汽汽開開足足。。而而當(dāng)當(dāng)釜釜內(nèi)內(nèi)溫溫度度達(dá)達(dá)到到和和開開始始超超過過設(shè)設(shè)定定值值后后，，蒸蒸汽汽閥閥仍仍不不能能及及時(shí)時(shí)關(guān)關(guān)小小，，其其結(jié)結(jié)果果是是溫溫度度大大大大超超過過設(shè)設(shè)定定值值，，使使動動態(tài)態(tài)偏偏差差加加大大，，控控制制質(zhì)質(zhì)量量變變差差。。凡是長期存在在偏差的系統(tǒng)統(tǒng)容易出現(xiàn)積積分飽和。有有些復(fù)雜控制制系統(tǒng)積分飽飽和甚至?xí)鼑?yán)重。109防止積分飽和和措施積分飽和引起起控制作用的的延遲甚至失失靈，對控制制系統(tǒng)造成危危害，嚴(yán)重時(shí)時(shí)會發(fā)生事故故。一種解決辦法法就是使得控控制器實(shí)現(xiàn)PI-P控制規(guī)律，即即當(dāng)控制器的的輸出在某范范圍之內(nèi)時(shí)，，是PI作用，能消除除余差；而當(dāng)當(dāng)輸出超過某某限值時(shí)，是是P作用。110（1）微分控制規(guī)規(guī)律。其輸出正比于于輸入對時(shí)間間的導(dǎo)數(shù)。TD為微分時(shí)間常常數(shù)。傳遞函數(shù)：3、比例微分控控制（PD）分析(5－11)(5－12)111理想微分控制制器在階躍偏偏差信號作用用下的開環(huán)輸輸出特性如圖圖5－10所示。微分控控制器的輸出出只與偏差的的變化速度有有關(guān)，而與偏偏差存在與否否無關(guān)。因此此，純粹的微微分控制作用用是無意義的的，一般都將將微分控制作作用與比例控控制結(jié)合起來來使用。112圖5－10理想微分開環(huán)環(huán)輸出特性113理想的比例微微分控制規(guī)律律是：傳遞函數(shù)為：：其中：TD為微分時(shí)間（2）比例微分控控制規(guī)律(5－13)(5－14)114理想的比例微微分控制器的的開環(huán)輸出特特性如圖5－11所示：圖5－11理想比例微分分開環(huán)輸出特特性115理想的比例微微分控制器在在制造上很困困難（不能實(shí)實(shí)現(xiàn)），工業(yè)業(yè)上都是使用用實(shí)際比例微微分控制規(guī)律律，其數(shù)學(xué)表表示為：傳遞函數(shù)為（KD為微分增益））（3）實(shí)際比例微微分控制規(guī)律律(5－15)(5－16)116在幅度為A的階躍偏差作作用下，實(shí)際際PD控制器的輸出出為：其中T=TD/KD。其開環(huán)輸出特特性如圖5－12所示。(5－17)117圖5－12階躍偏差作用用下時(shí)間比例例微分開環(huán)輸輸出118在偏差跳變瞬瞬間，輸出跳跳變幅度為比比例輸出的KD倍，即KDKCA，然后按指數(shù)數(shù)規(guī)律下降，，最后當(dāng)t趨向無窮大時(shí)時(shí)，僅有比例例輸出KCA。因此決定微微分作用的有有兩個(gè)因素:一個(gè)是開始跳跳變幅度的倍倍數(shù)，用KD來衡量另一個(gè)是降下下來所需要的的時(shí)間，用微微分時(shí)間TD來衡量。輸出跳得越高高，或降得越越慢，表示微微分作用越強(qiáng)強(qiáng)。119微分增益KD是固定不變的的，只與控制制器的類型有有關(guān)。電動控控制器的KD一般是5~10。如果KD=1，則等同于比比例控制。KD<1稱為反微分器器，它的控制制作用反而減減弱。這種反反微分控制器器運(yùn)用于噪聲聲較大的系統(tǒng)統(tǒng)中，會取較較好的濾波效效果。120微分時(shí)間TD是可調(diào)的。測測定微分時(shí)間間時(shí)，先測階階躍信號A作用下比例微微分輸出從KDKCA下降到KCA+0.368KCA(KD-1)所經(jīng)歷的時(shí)間間t，此時(shí)t=TD/KD，再將該時(shí)間間乘以微分增增益KD即可。由于微分在輸輸入偏差變化化的瞬間就有有較大的輸出出響應(yīng)，因此此微分控制被被認(rèn)為是超前前控制。實(shí)際使用中，，微分作用往往往與比例積積分組合成PID控制規(guī)律。121圖5－13實(shí)際比例微分分控制器微分分時(shí)間測定1224、比例例積分分微分分控制制（PID）（1）PID控制規(guī)規(guī)律理想的的PID控制規(guī)規(guī)律見見公式式（5－1）和（（5－2），實(shí)實(shí)際的的PID控制規(guī)規(guī)律較較復(fù)雜雜。在幅度度為A的階躍躍偏差差作用用下，，實(shí)際際的PID控制可可看作作是比比例、、積分分、微微分三三部分分作用用的疊疊加：：其開環(huán)環(huán)特性性如圖圖5－14所示。。123圖5－14階躍偏偏差作作用下下PID控制器器開環(huán)環(huán)輸出出124（2）微分分時(shí)間間TD對系統(tǒng)統(tǒng)過渡渡過程程的影影響在負(fù)荷荷變化化劇烈烈、擾擾動幅幅度較較大或或過程程容量量滯后后較大大的系系統(tǒng)中中，適適當(dāng)引引入微微分作作用，，可在在一定定程度度上提提高系系統(tǒng)的的控制制質(zhì)量量。因因?yàn)楫?dāng)當(dāng)控制制器在在感受受到偏偏差后后再進(jìn)進(jìn)行控控制，，過程程已經(jīng)經(jīng)受到到較大大幅度度擾動動的影影響，，或擾擾動已已經(jīng)進(jìn)進(jìn)入系系統(tǒng)一一段時(shí)時(shí)間，，而引引入微微分作作用后后，當(dāng)當(dāng)被控控變量量一有有變化化，根根據(jù)變變化趨趨勢適適當(dāng)加加大控控制器器的輸輸出，，有利利于克克服擾擾動對對被控控變量量的影影響，，抑制制偏差差的增增長，，從而而提高高系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定性性。125如果要要求引引入微微分作作用后后仍然然保持持原來來的衰衰減比比，則則可適適當(dāng)減減小控控制器器的比比例度度，一一般可可減小小15%左右，，從而而使得得系統(tǒng)統(tǒng)的控控制指指標(biāo)得得到全全面的的改善善。但但是若若微分分作用用太強(qiáng)強(qiáng)，即即TD太大，，反會會引起起系統(tǒng)統(tǒng)振蕩蕩，必必須注注意這這一點(diǎn)點(diǎn)。測量中中有顯顯著噪噪聲時(shí)時(shí)，如如流量量測量量信號號中常常有不不規(guī)則則的高高頻噪噪聲，，則不不宜引引入微微分作作用，，有時(shí)時(shí)反而而需要要反微微分作作用。。126微分時(shí)時(shí)間TD對系統(tǒng)統(tǒng)過渡渡過程程的影影響如如圖5－15所示。。若TD太小，，則對對系統(tǒng)統(tǒng)的控控制指指標(biāo)沒沒有或或影響響很小小，如如圖中中曲線線1選取適適當(dāng)?shù)牡腡D，系統(tǒng)統(tǒng)的控控制指指標(biāo)將將得到到全面面的改改善，，如曲曲線2所示。。若TD過大，，即引引入太太強(qiáng)的的微分分作用用，反反而可可能導(dǎo)導(dǎo)致系系統(tǒng)劇劇烈振振蕩，，如曲曲線3所示。。127圖5－15不同TD下的控控制過過程128PID控制規(guī)規(guī)律的的應(yīng)用用PID控制器器有比比例度度、、積分分時(shí)間間TI和微分分時(shí)間間TD三個(gè)參參數(shù)可可供調(diào)調(diào)整，，因此此適用用范圍圍廣，，在溫溫度和和成分分分析析系統(tǒng)統(tǒng)的控控制中中得到到更為為廣泛泛的應(yīng)應(yīng)用。。PID控制規(guī)規(guī)律綜綜合了了各種種控制制規(guī)律律的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，，具有有較好好的控控制性性能，，但這這并不不意味味著它它在任任何情情況下下都適適用，，必須須根據(jù)據(jù)工藝藝要求求，選選擇最最為合合適的的控制制規(guī)律律。129各類類化化工工過過程程常常用用的的控控制制規(guī)規(guī)律律。。液位位：：一一般般要要求求不不高高，，用用P或PI控制制規(guī)規(guī)律律。。流量量：：時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)小小，，測測量量信信號號中中有有噪噪聲聲，，用用PI或加加反反微微分分控控制制規(guī)規(guī)律律。。壓力力：：介介質(zhì)質(zhì)為為液液體體的的時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)小小，，介介質(zhì)質(zhì)為為氣氣體體的的時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)中中等等，，用用P或PI控制制規(guī)規(guī)律律。。溫度度：：容容量量滯滯后后大大，，用用PID控制制規(guī)規(guī)律律。。130（3）PID控制制器器的的構(gòu)構(gòu)成成PID的構(gòu)構(gòu)成成有有幾幾種種方方式式：：電動動Ⅱ型控控制制器器中中，，將將P、I、D環(huán)節(jié)節(jié)直直接接在在反反饋饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中中串串接接。。電動動Ⅲ型控控制制器器以以及及數(shù)數(shù)字字式式控控制制器器中中采采用用PD或PI電路路相相串串接接的的形形式式。。在在串串接接中中，，一一般般認(rèn)認(rèn)為為PD接在在PI之前前較較為為合合適適。131圖5－16(a)的接接法法可可以以適適當(dāng)當(dāng)減減輕輕積積分分飽飽和和程程度度，，因因?yàn)闉槲⑽⒎址肿髯饔糜门c與偏偏差差極極性性無無關(guān)關(guān)，，只只要要有有偏偏差差變變化化，，它它總總能能使使輸輸出出變變化化，，由由正正值值變變?yōu)闉樨?fù)負(fù)值值或或反反之之，，使PI單元元早早一一些些起起變變化化（（積積分分作作用用有有滯滯后后性性，，而而微微分分作作用用有有超超前前性性））。而而積積分分作作用用則則不不然然，，其其輸輸出出變變化化與與極極性性有有關(guān)關(guān)，，當(dāng)當(dāng)達(dá)達(dá)到到積積分分飽飽和和后后，，雖雖然然偏偏差差有有變變化化，，若若極極性性不不變變，，控控制制器器輸輸出出仍仍然然處處于于最最大大或或最最小小，，對對控控制制不不利利。。見見圖圖5－9和5－17分析析。。132圖5－16部分分PID單元元接接法法示示意意圖圖(a)(b)133圖5－17減小小積積分分飽飽和和的的PID接法法分分析析134圖5－16(b)是將將PD單元元接接在在變變送送器器之之后后而而在在比比較較機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)之之前前，，即即只只對對測測量量值值y有微微分分作作用用，，而而對對設(shè)設(shè)定定值值r不直直接接進(jìn)進(jìn)行行微微分分。。這這種種方方式式稱稱為為微微分分先先行行。當(dāng)當(dāng)設(shè)設(shè)定定值值改改變變時(shí)時(shí)，，不不會會使使控控制制器器輸輸出出產(chǎn)產(chǎn)生生跳跳變變，，避避免免了了設(shè)設(shè)定定值值擾擾動動，，有有利利于于系系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定定，，如如圖圖5－18分析析所所示示。。135圖5－18微分分作作用用在在不不同同通通道道時(shí)時(shí)控控制制差差異異（（設(shè)設(shè)定定值值變變化化））(a)微分分加加在在偏偏差差通通道道(a)微分分加加在在測測量量通通道道136二、、離離散散PID控制制算算法法數(shù)字字式式控控制制器器和和計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，對對每每個(gè)個(gè)控控制制回回路路的的被被控控變變量量處處理理在在時(shí)時(shí)間間上上是是離離散散（（斷斷續(xù)續(xù)））進(jìn)進(jìn)行行的的，，其其特特點(diǎn)點(diǎn)是是采采樣樣控控制制，如如圖圖5－19所示示。。每每個(gè)個(gè)被被控控變變量量的的測測量量值值與與設(shè)設(shè)定定值值比比較較一一次次，，按按照照預(yù)預(yù)定定的的控控制制算算法法得得到到輸輸出出，，通通常常把把它它保保持持到到下下一一個(gè)個(gè)采采樣樣時(shí)時(shí)刻刻。。因因此此連連續(xù)續(xù)PID控制制算算法法要要改改成成離離散散PID控制制算算法法。。137圖5－19通過過采采樣樣器器和和A/D進(jìn)行行數(shù)數(shù)字字化化138（1）位位置置算算法法式中中，，KC為比比例例增增益益，，KI為積積分分系系數(shù)數(shù)，，KD為微微分分系系數(shù)數(shù)1、離離散散PID算法基本本形式139積分系數(shù)數(shù)KI=KCTS/TI，TI為微分時(shí)時(shí)間。微分系數(shù)數(shù)KD=KCTD/TS,TD為積分時(shí)時(shí)間。TS為采樣周周期（即即采樣間間隔時(shí)間間））k為采樣序序號。140式中對對應(yīng)于在在兩采樣樣時(shí)間間間隔內(nèi)控控制閥開開度的變變化。（2）增量算算法141（3）速度算算法式中，v(k)是輸出變變化率，，由于采采樣周期期確定后后，TS是常數(shù)，，因此速速度算法法與增量量算法無無本質(zhì)上上的區(qū)別別。數(shù)字控制制器與計(jì)計(jì)算機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，增增量算法法是用的的最多的的。1422、離散PID算法與連連續(xù)PID算法比較較模擬式控控制器采采用連續(xù)續(xù)PID算法，它它對擾動動的響應(yīng)應(yīng)是及時(shí)時(shí)的；而而數(shù)字式式控制器器采用離離散PID算法，它它需要等等待一個(gè)個(gè)采樣周周期才響響應(yīng)，控控制作用用不夠及及時(shí)。信號通過過采樣離離散化后后，難免免受到某某種程度度的曲解解，因此此若采用用等效的的PID參數(shù)，則則離散PID控制質(zhì)量量不及連連續(xù)PID控制質(zhì)量量。采樣樣周期越越長，控控制質(zhì)量量下降越越明顯。。143數(shù)字式控控制器及及計(jì)算機(jī)機(jī)控制采采用離散散PID時(shí)可以通通過對PID算法的改改進(jìn)來改改善控制制質(zhì)量，，并且P、I、D參數(shù)調(diào)整整范圍大大，它們們相互之之間無關(guān)關(guān)聯(lián)，沒沒有干擾擾，因此此也能獲獲得較好好的控制制效果。。144§3模擬