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、運算器、可編程控制器等分類：根據(jù)信號類型分：模擬式：傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量數(shù)字式：傳輸信號為斷續(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算機為核心，功能完善、性能優(yōu)越供應(yīng)基地式氣動液位

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

對電動控制儀表：國際電工委員會（IEC）規(guī)定Ⅱ型電動儀表：0～10mA(DC)Ⅲ型電動儀表：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，經(jīng)執(zhí)行機構(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，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）組成：氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器一、氣動執(zhí)行器1氣動執(zhí)行機構(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：氣動執(zhí)行機構(gòu)的正作用和反作用：正作用：當輸入氣壓信號增加時，執(zhí)行機構(gòu)的閥桿向下移動；反作用：當輸入氣壓信號增加時，執(zhí)行機構(gòu)的閥桿向上移動；2調(diào)節(jié)機構(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。直行程電動套筒調(diào)節(jié)閥氣動蝶閥電動調(diào)節(jié)蝶閥電動三通合流(分流)調(diào)節(jié)閥三通球閥電動Ｖ型球閥b流通能力C對于不可壓縮流體的流量，有：——差壓流量計中已作介紹根據(jù)計算所得調(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：當氣源一旦中斷時，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)流過閥門的相對流量與閥芯相對位移之間的關(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)閥的相對流量與閥芯的相對位移成線性關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)對上式求解，得：特點：閥芯位移變化量相同，則流量變化量也相同；

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

相對位移

相對流量

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，其相對流量的變化率太大，控制作用太強，易引起超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；而在大開度工作時，相對流量的變化率較小，控制作用太弱，造成控制作用不夠及時。（P117）所引起的相對流量的變化率為（以下面幾點為例）：對上式求積分，并代入邊界條件得：②對數(shù)（等百分比）流量特性特點：閥芯位移變化量相同時，對應(yīng)的流量變化量不同；

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

很快就達到最大。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—對數(shù)（等百分比）流量特性⑵工作流量特性在實際使用時，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，此時的流量特性稱為工作流量特性。①串聯(lián)管道時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，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際使用中，一般希望S不低于0.3?0.5。串聯(lián)管道時直線閥與對數(shù)閥的工作特性見下圖。②并聯(lián)管道時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)管道時直線閥與對數(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負荷變化情況負荷變化較大或調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開度的場合，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、電動執(zhí)行器使用電動機等電的動力來啟閉調(diào)節(jié)閥1、電動執(zhí)行機構(gòu)比例式電動執(zhí)行器電磁閥比例式電動執(zhí)行機構(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）：將被控變量的測量值與給定值進行比較，得到偏差信號，然后對得到的偏差信號進行比例、積分、微分等運算，并將運算結(jié)果以一定的信號形式送到執(zhí)行器，進而實現(xiàn)對被控變量的自動控制。比例P：proportional

積分I：integrational

微分D：derivativePID控制的優(yōu)點：⑴原理簡單，使用方便；⑵適應(yīng)性強，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，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。PID控制：是上世紀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，如欲得到與純比例作用相同的穩(wěn)定性，當引入積分作用后，應(yīng)適當減小，以補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大而頻繁的系統(tǒng)！控制律：合理整定調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)，才能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)動作應(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、延遲時間、負荷變化、主要擾動等）；對系統(tǒng)控制質(zhì)量的要求?；驹瓌t：（參見P169）對象特點性能要求調(diào)節(jié)器類型廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化不大。工藝要求不高比例（P）同上不允許有余差比例積分調(diào)（PI）廣義對象控制通道時間常數(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）廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容量滯后較大，負荷變化也很大。復(fù)雜控制方式選擇控制規(guī)律的經(jīng)驗法（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、前饋等復(fù)雜控制方式。返回用軟件來實現(xiàn)PID控制算法非常簡單；進行邏輯運算或算法改進非常靈活；運行可靠，運算精度高?！?.4數(shù)字PID控制算法模擬PID調(diào)節(jié)器：用硬件實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字PID調(diào)節(jié)器：用數(shù)字計算機實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字調(diào)節(jié)器的優(yōu)點：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控制算法對上式進行離散化處理，得：比例系數(shù)積分時間常數(shù)微分時間常數(shù)采樣時間積分系數(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：⑴減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性；（后面進一步介紹）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)采用步進電機去控制執(zhí)行機構(gòu)：數(shù)字機步進電機說明：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1、積分算法的改進（1）積分分離PID算法（PD-PID選擇算法）基本思路：當被控量與設(shè)定值偏差較大時，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；當被控量接近給定值時，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：

當系統(tǒng)存在一個方向的偏差，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)行機構(gòu)達到極限位置（如閥門開度達到最大），若調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大。此時計算機輸出控制量超出了正常運行范圍進入了飽和區(qū)。（2）過限削弱積分法當系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差，逐漸從飽和區(qū)退出，進入飽和愈深，則退出飽和區(qū)所需時間愈長。在這段時間內(nèi)，執(zhí)行機構(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，以提高積分項的運算精度，減小余差。（3）積分項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（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）為例進行說明（只考慮微分作用）經(jīng)