第四章 過程控制儀表及裝置

§4.1概述§4.2執(zhí)行器§4.3PID調(diào)節(jié)器§4.4數(shù)字PID控制算法第四章過程控制儀表與裝置返回如控制系統(tǒng)：§4.1概述過程控制儀表與裝置包括：

控制器、執(zhí)行器、運(yùn)算器、可編程控制器等分類：根據(jù)信號(hào)類型分：模擬式：傳輸信號(hào)為連續(xù)變化的模擬量數(shù)字式：傳輸信號(hào)為斷續(xù)變化的數(shù)字量基地式、單元組合式、組建組裝式以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善、性能優(yōu)越供應(yīng)基地式氣動(dòng)液位

指示調(diào)節(jié)儀供應(yīng)基地式氣動(dòng)溫度指示調(diào)節(jié)儀根據(jù)動(dòng)力能源形式的不同，分三大類：氣動(dòng)執(zhí)行儀表：（以壓縮空氣為能源）電動(dòng)執(zhí)行儀表：（以電為能源）液動(dòng)執(zhí)行儀表：（以高壓液體為能源）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價(jià)格便宜，防火防爆。優(yōu)點(diǎn)：能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，便于信號(hào)處理。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推力小，不太適用于防爆場(chǎng)合（Ⅲ型儀表已采用了安全防爆措施）。優(yōu)點(diǎn)：推力最大，動(dòng)作可靠，精度高。缺點(diǎn)：高壓液源價(jià)格高。信號(hào)：過程控制儀表均采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)返回供電方式：對(duì)氣動(dòng)控制儀表：國際統(tǒng)一使用0.02～0.1MPa的模擬氣壓信號(hào)。

對(duì)電動(dòng)控制儀表：國際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定Ⅱ型電動(dòng)儀表：0～10mA(DC)Ⅲ型電動(dòng)儀表：4～20mA(DC)

和1～5V(DC)

交流供電和直流集中供電體積大、安全性差直流低電壓電源箱§4.2執(zhí)行器作用：接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，來改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）的流通截面積，以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。執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）組成：氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器一、氣動(dòng)執(zhí)行器1氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、上蓋；2、膜片；3、平衡彈簧；4、閥桿；5、閥體；6、閥座；7、閥芯；工作原理：閥桿的受力平衡其中：氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正作用和反作用：正作用：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥桿向下移動(dòng)；反作用：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥桿向上移動(dòng)；2調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）a分類局部阻力可變的節(jié)流元件

大口徑的調(diào)節(jié)閥一般選用雙座閥，其所需推力較小，動(dòng)作靈活，但泄漏較大。小口徑的調(diào)節(jié)閥一般選用單座閥，其泄漏較小。直行程電動(dòng)套筒調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)蝶閥電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥電動(dòng)三通合流(分流)調(diào)節(jié)閥三通球閥電動(dòng)Ｖ型球閥b流通能力C對(duì)于不可壓縮流體的流量，有：——差壓流量計(jì)中已作介紹根據(jù)計(jì)算所得調(diào)節(jié)閥的流通能力確定其尺寸參數(shù)公稱直徑與閥座直徑。（參見P114表4-2）c閥的氣開、氣關(guān)方式正裝閥與反裝閥氣開閥與氣關(guān)閥氣開式：氣關(guān)式：氣開、氣關(guān)方式的選擇原則：保證工藝生產(chǎn)的安全。即：當(dāng)氣源一旦中斷時(shí)，閥門處于全開還是全關(guān)狀態(tài)，要依首先能夠保證設(shè)備和人身安全的原則而定。冷水閥：燃料閥：氣關(guān)式氣開式以加熱爐為例（見右圖）實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的四種方式：d調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性：指介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥芯相對(duì)位移之間的關(guān)系。式中：理想流量特性工作流量特性⑴

理想流量特性調(diào)節(jié)閥前后壓差一定的情況下得到的流量特性，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性僅取決于閥芯的形狀。①直線流量特性指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥芯的相對(duì)位移成線性關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)對(duì)上式求解，得：特點(diǎn)：閥芯位移變化量相同，則流量變化量也相同；

但相對(duì)流量的變化率卻不同。例：某調(diào)節(jié)閥的相對(duì)位移與相對(duì)流量的關(guān)系如下表（R=30）

相對(duì)位移

相對(duì)流量

0102030405060708090100直線流量特性3.313.022.732.342.051.761.371.080.690.3100等百分比流量特性3.34.676.589.2613.018.325.636.250.871.2100快開流量特性3.321.738.152.665.275.884.591.396.1399.03100拋物線流量特性3.37.31218263545577084100[說明]：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度工作時(shí)，其相對(duì)流量的變化率太大，控制作用太強(qiáng)，易引起超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；而在大開度工作時(shí)，相對(duì)流量的變化率較小，控制作用太弱，造成控制作用不夠及時(shí)。（P117）所引起的相對(duì)流量的變化率為（以下面幾點(diǎn)為例）：對(duì)上式求積分，并代入邊界條件得：②對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性特點(diǎn)：閥芯位移變化量相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量變化量不同；

但相對(duì)流量的變化率卻相同。指閥芯的單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比。[說明]：對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)小，控制緩和平穩(wěn)；在大開度時(shí)大，控制及時(shí)有效。（P118）仍以上面三點(diǎn)為例，計(jì)算其相對(duì)流量的變化率：③拋物線流量特性指閥芯的單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量的平方根成正比。④快開流量特性特點(diǎn)：行程較小時(shí)，流量就比較大，隨著行程的增大，流量

很快就達(dá)到最大。適于要求快速開、閉的控制系統(tǒng)。四種理想流量特性曲線如右圖所示：1—快開流量特性；

2—直線流量特性；

3—拋物線流量特性；

4—對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性⑵工作流量特性在實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥安裝在管道上，或串聯(lián)或有并聯(lián)旁路，調(diào)節(jié)閥前后的壓差是變化的，此時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。①串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性隨著閥門開度的增大，調(diào)節(jié)閥前后的壓差將逐漸減小。理想流量特性。分析調(diào)節(jié)閥的流量特性（與理想流量特性相比）調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，流量減小，即調(diào)節(jié)范圍變??；流量特性曲線呈向上拱形式，直線流量特性快開流量特性等百分比流量特性直線流量特性在實(shí)際使用中，一般希望S不低于0.3?0.5。串聯(lián)管道時(shí)直線閥與對(duì)數(shù)閥的工作特性見下圖。②并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性理想流量特性。調(diào)節(jié)閥所能控制的流量范圍減小，控制效果不好。并聯(lián)管道時(shí)直線閥與對(duì)數(shù)閥的工作特性見下圖。⑵調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇最常用的調(diào)節(jié)閥流量特性是直線特性和等百分比特性。合理選擇調(diào)節(jié)閥的特性，以補(bǔ)償過程的非線性，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，其選擇原則為：①過程控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量指標(biāo)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)過程的放大系數(shù)②配管情況③負(fù)荷變化情況負(fù)荷變化較大或調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度的場(chǎng)合，宜選擇等百分比特性調(diào)節(jié)閥；具體參見P121表4-6、表4-7（參見P120表4-5）二、電動(dòng)執(zhí)行器使用電動(dòng)機(jī)等電的動(dòng)力來啟閉調(diào)節(jié)閥1、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比例式電動(dòng)執(zhí)行器電磁閥比例式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：通常采用伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。返回§4.3PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器（控制器）：將被控變量的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，然后對(duì)得到的偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送到執(zhí)行器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制。比例P：proportional

積分I：integrational

微分D：derivativePID控制的優(yōu)點(diǎn)：⑴原理簡單，使用方便；⑵適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油、以及造紙、建材等各類生產(chǎn)行業(yè)；⑶魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。PID控制：是上世紀(jì)40年代以前除開關(guān)控制外的唯一控制方式，也是目前應(yīng)用最廣泛、最簡單、最基本的控制方式。使用比例：80%～90%

1、比例調(diào)節(jié)器控制律：影響：一、PID調(diào)節(jié)器類型2、比例積分調(diào)節(jié)器控制律：影響：在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，如欲得到與純比例作用相同的穩(wěn)定性，當(dāng)引入積分作用后，應(yīng)適當(dāng)減小，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。3、比例微分調(diào)節(jié)器控制律：影響：很大4、比例積分微分調(diào)節(jié)器比例積分+比例微分微分作用不適用于擾動(dòng)大而頻繁的系統(tǒng)！控制律：合理整定調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，才能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)動(dòng)作應(yīng)有的作用二、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇選擇依據(jù)：被控過程的特性（容量大小、延遲時(shí)間、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)等）；對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的要求?；驹瓌t：（參見P169）對(duì)象特點(diǎn)性能要求調(diào)節(jié)器類型廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大。工藝要求不高比例（P）同上不允許有余差比例積分調(diào)（PI）廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大。允許有余差比例微分（PD）不允許有余差比例積分微分（PID）廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大，負(fù)荷變化也很大。復(fù)雜控制方式選擇控制規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)法（參見P169）假設(shè)被控過程的數(shù)學(xué)模型可近似描述為：選擇比例或比例積分控制；選擇比例積分或比例積分微分控制；單回路控制已經(jīng)不能滿足控制要求，應(yīng)采用串級(jí)、前饋等復(fù)雜控制方式。返回用軟件來實(shí)現(xiàn)PID控制算法非常簡單；進(jìn)行邏輯運(yùn)算或算法改進(jìn)非常靈活；運(yùn)行可靠，運(yùn)算精度高。§4.4數(shù)字PID控制算法模擬PID調(diào)節(jié)器：用硬件實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字PID調(diào)節(jié)器：用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：60年代日本恒河公司一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：其微分方程為：1、位置式PID控制算法對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，得：比例系數(shù)積分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)采樣時(shí)間積分系數(shù)微分系數(shù)2、增量式PID控制算法與位置式PID算法相比，增量式算法有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性；（后面進(jìn)一步介紹）⑵增量只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果。目前許多控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：數(shù)字機(jī)步進(jìn)電機(jī)說明：雖然采用增量式控制算法，但仍用控制全量去控制。二、PID算法的改進(jìn)1、積分算法的改進(jìn)（1）積分分離PID算法（PD-PID選擇算法）基本思路：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以消除積分作用導(dǎo)致的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量加大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，投入積分作用，以消除靜差，提高控制精度。算式為：位置式：增量式：其中：積分飽和現(xiàn)象：

當(dāng)系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID調(diào)節(jié)器的輸出由于積分作用的不斷積累而加大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置（如閥門開度達(dá)到最大），若調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大。此時(shí)計(jì)算機(jī)輸出控制量超出了正常運(yùn)行范圍進(jìn)入了飽和區(qū)。（2）過限削弱積分法當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差，逐漸從飽和區(qū)退出，進(jìn)入飽和愈深，則退出飽和區(qū)所需時(shí)間愈長。在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即作出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)好象失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象，或稱積分失控現(xiàn)象。（下頁圖所示）過限削弱積分法：采用增量式PID算法時(shí)的算法流程如下：①④②③反向積分飽和在離散PID算法中，將矩形積分改為梯形積分，以提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度，減小余差。（3）積分項(xiàng)采用梯形積分離散化適用于采樣周期較長的系統(tǒng)（4）變速積分的PID算法可設(shè)：

與積分分離算法類似，這里積分項(xiàng)采用的是緩慢變化，而前者采用的是“開關(guān)”控制。2、微分算法的改進(jìn)（1）不完全微分PID算法目的：克服微分作用所引起的高頻干擾以圖（a）為例進(jìn)行說明（只考慮微分作用）經(jīng)