化工自動(dòng)化儀表課件

化工測量儀錶一、測量過程與測量誤差

1、測量過程參數(shù)檢測就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測量的值。被測變數(shù)感測器參數(shù)檢測的基本過程被測對(duì)象變送器顯示裝置

感測器又稱為檢測元件或敏感元件，它直接回應(yīng)被測變數(shù)，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換並轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測變數(shù)成對(duì)應(yīng)關(guān)係的便於傳送的輸出信號(hào)，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于傳感器的輸出信號(hào)種類很多，而且信號(hào)往往很微弱，一般都需要經(jīng)過變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號(hào)或者滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號(hào)，這種檢測儀錶稱為變送器。有些時(shí)候，感測器可以不經(jīng)過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。

測量儀錶基本知識(shí)2、測量誤差測量誤差——儀錶測得的測量值與被測真值之差

由於真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀錶（精度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對(duì)同一被測變數(shù)進(jìn)行測量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。即：x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)測量誤差的幾種表示形式：絕對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱相對(duì)誤差相對(duì)百分誤差二、測量儀錶的品質(zhì)指標(biāo)1、測量儀錶的準(zhǔn)確度（精確度）一臺(tái)測量範(fàn)圍0～1000kPa的壓力測量儀錶，其最大絕對(duì)誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺(tái)測量範(fàn)圍0～400kPa的壓力測量儀錶，其最大絕對(duì)誤差5kPa，請(qǐng)問哪一臺(tái)壓力檢測儀錶的精度更高？雖然後者的最大絕對(duì)誤差較小，但這並不說明後者較前者精度高。在自動(dòng)化儀錶中，通常是以最大相對(duì)百分誤差來衡量儀錶的精確度，定義儀錶的精度等級(jí)。

由於儀錶的絕對(duì)誤差在測量範(fàn)圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對(duì)誤差中的最大值，即把最大絕對(duì)誤差折合成測量範(fàn)圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱為最大相對(duì)百分誤差:儀錶的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀錶在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。

☆☆儀錶的精確度等級(jí)☆☆儀錶的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀錶在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。把儀錶允許的最大相對(duì)百分誤差去掉“±”號(hào)和“％”號(hào)，便可以用來確定儀錶的精度等級(jí)。目前，按照國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀錶精度等級(jí)有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級(jí)儀錶，表示該儀錶允許的最大相對(duì)百分誤差為±0.5％，以此類推。精度等級(jí)一般用一定的符號(hào)形式表示在儀錶面板上：1.51.0儀錶的精度等級(jí)是衡量儀錶品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級(jí)數(shù)值越小，表示儀錶的精確度越高。精度等級(jí)數(shù)值小於等於0.05的儀錶通常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級(jí)數(shù)值一般大於等於0.5?！睢顑x錶的精確度等級(jí)☆☆例：某壓力變送器測量範(fàn)圍為0～400kPa，在校驗(yàn)該變送器時(shí)測得的最大絕對(duì)誤差為—5kPa，請(qǐng)確定該儀錶的精度等級(jí)。解：先求最大相對(duì)百分誤差去掉

和%為1.25，因此該變送器精度等級(jí)為1.5級(jí)

例：根據(jù)工藝要求選擇一測量範(fàn)圍為0~40m3/h的流量計(jì)，要求測量誤差不超過

0.5m3/h，請(qǐng)確定該儀錶的精度等級(jí)。

解：同樣，先求最大相對(duì)百分誤差因此該流量計(jì)必須選擇1.0級(jí)的流量計(jì)

結(jié)論：工藝要求的允許誤差≥儀錶的允許誤差

≥

校驗(yàn)所得到的相對(duì)百分誤差

2、非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀錶的輸出量和輸入量之間呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)係。測量儀錶的非線性誤差就是用來表徵儀錶的輸出量和輸入量的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)係與理論直線的吻合程度。

通常非線性誤差用實(shí)際測得的輸入－輸出特性曲線（也稱為校準(zhǔn)曲線）與理論直線的之間的最大偏差和測量儀錶量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變數(shù)儀錶輸出理論實(shí)際3、變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀錶對(duì)被測變數(shù)在全量程範(fàn)圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到?。y量時(shí)，對(duì)應(yīng)於同一被測值的儀錶輸出可能不等，二者之差的絕對(duì)值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測值下正反特性間儀錶輸出的最大絕對(duì)誤差和測量儀錶量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變數(shù)儀錶輸出下行程上行程4、靈敏度和分辨力靈敏度是表徵檢測儀錶對(duì)被測量變化的靈敏程度，它是指儀錶輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱為靈敏限，是儀錶輸出能回應(yīng)和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對(duì)數(shù)字式儀錶來說，分辨力就是數(shù)字顯示儀錶變化一個(gè)LSB（二進(jìn)位最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。

5、動(dòng)態(tài)誤差相對(duì)百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。動(dòng)態(tài)誤差是指檢測系統(tǒng)受外擾動(dòng)作用後，被測變數(shù)處於變動(dòng)狀態(tài)下儀錶示值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。引起該誤差的原因是由於檢測元件和檢測系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)慣性以及能量形式轉(zhuǎn)換需要時(shí)間所造成的。衡量各種運(yùn)動(dòng)慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常採用時(shí)間常數(shù)T和傳遞滯後時(shí)間（純滯後時(shí)間）τ兩個(gè)參數(shù)表示（這兩個(gè)參數(shù)的含義與上一章中對(duì)象數(shù)學(xué)模型中的時(shí)間常數(shù)T和純滯後時(shí)間τ的數(shù)學(xué)含義是一致的）它們的存在會(huì)降低檢測過程的動(dòng)態(tài)性能，其中純滯後時(shí)間τ的不利影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過時(shí)間常數(shù)T的影響。

三、測量系統(tǒng)中的常見信號(hào)類型

作用於測量裝置輸入端的被測信號(hào)，要轉(zhuǎn)換成以下幾種便於傳輸和顯示的信號(hào)類型：1、位移信號(hào)：是一種機(jī)械信號(hào)，包括直線位移和角位移。在測量力、壓力、品質(zhì)、振動(dòng)等物理量時(shí)，要先把它們轉(zhuǎn)換成位移量再處理。2、壓力信號(hào)：包括氣壓信號(hào)和液壓信號(hào)，工業(yè)檢測中主要應(yīng)用氣壓信號(hào)。3、電氣信號(hào)：有電壓信號(hào)、電流信號(hào)、阻抗信號(hào)和頻率信號(hào)等。傳送快、滯後小、可遠(yuǎn)距離傳遞、便於和電子電腦聯(lián)接。4、光信號(hào)：包括光通量信號(hào)、干涉條紋信號(hào)、衍射條紋信號(hào)、莫爾條紋信號(hào)等。可是連續(xù)得，也可是斷續(xù)（脈衝）式的。四、測量系統(tǒng)中信號(hào)的傳遞形式

從傳遞信號(hào)的連續(xù)性的觀點(diǎn)來分，在檢測系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的形式可以分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和開關(guān)信號(hào)：1、模擬信號(hào)：模擬信號(hào)：在時(shí)間上是連續(xù)變化的，在任何暫態(tài)都可以確定其數(shù)值的信號(hào)?？梢宰儞Q為電信號(hào)，即是平滑地、連續(xù)地變化的電壓或電流信號(hào)。例如：連續(xù)變化的溫度信號(hào)可以利用熱電偶轉(zhuǎn)換為與之成比例的連續(xù)變化的電勢信號(hào)。

2、數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)：是一種以離散形式出現(xiàn)的不連續(xù)信號(hào)，通常用二進(jìn)位數(shù)“0”和“1”組合的代碼序列來表示。數(shù)字信號(hào)變換成電信號(hào)就是一連串的窄脈衝和高低電平交替變化的電壓信號(hào)。連續(xù)變化的工藝參數(shù)（模擬信號(hào)）可以通過數(shù)字式感測器直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然而，大多數(shù)情況是首先把這些參數(shù)變換成電形式的模擬信號(hào)，然後再利用模擬-數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換技術(shù)把電模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。將一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，必須用一定的計(jì)量單位使連續(xù)參數(shù)整量化，即用最接近的離散值（數(shù)字量）來近似表示連續(xù)量的大小。由於數(shù)字量只能增大或減小一個(gè)單位，所以，計(jì)量單位越小，整量化所造成的誤差也就越小。3、開關(guān)信號(hào)：開關(guān)信號(hào)：用兩種狀態(tài)或用兩個(gè)數(shù)值範(fàn)圍表示的不連續(xù)信號(hào)。例如：用水銀觸點(diǎn)溫度計(jì)來檢測溫度的變化時(shí)，可利用水銀觸點(diǎn)的“斷開”與“閉合”來判斷溫度是否達(dá)到給定值。在自動(dòng)檢測技術(shù)中，利用開關(guān)式感測器（如幹簧管、電觸點(diǎn)式感測器）可以將模擬信號(hào)變換成開關(guān)信號(hào)。五、測量儀錶的分類

1、根據(jù)所測參數(shù)的不同，分成壓力（差壓、負(fù)壓）測量儀錶、流量測量儀錶、物位（液位）測量儀錶、溫度測量儀錶、物質(zhì)成分分析儀表及物性檢測儀錶等。2、按表達(dá)示數(shù)的方式不同，分成指示型、記錄型、訊號(hào)型、遠(yuǎn)傳指示型、累積型等。3、按精度等級(jí)及使用場合的不同，分成實(shí)用儀錶、範(fàn)型儀錶和標(biāo)準(zhǔn)儀錶，分別使用在現(xiàn)場、實(shí)驗(yàn)室、標(biāo)定室。六、化工檢測的發(fā)展趨勢

由於化工生產(chǎn)過程中被測介質(zhì)形態(tài)多樣（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)及混合體）；有時(shí)還具有特殊性質(zhì)（強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射、高溫、高壓、深冷、真空、高粘度等）；檢測環(huán)境比較惡劣，存在眾多的影響和干擾，如電源電壓、頻率波動(dòng)，溫度、壓力變化，水汽、濕度、光照、輻射、鹽霧、煙霧、粉塵等，這些情況都要求化工檢測儀錶有穩(wěn)定的工作特性、高的抗干擾能力和相應(yīng)的防護(hù)措施。檢測技術(shù)及儀器儀錶的發(fā)展：1、檢測技術(shù)的現(xiàn)代化：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷湧現(xiàn)，新的檢測方法不斷得到開發(fā)。2、檢測儀錶的集成化、數(shù)位化、智能化：感測器、積體電路、電子技術(shù)、數(shù)位化技術(shù)、微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用例題分析2、某臺(tái)測溫儀錶的測溫範(fàn)圍為200~1000○C，工藝上要求測溫誤差不能大於±5○C，試確定應(yīng)選儀錶的準(zhǔn)確度等級(jí)。解：工藝上允許的相對(duì)百分誤差為：δ允=±5/（1000-200）×100%=±0.625%要求所選的儀錶相對(duì)百分誤差不能大於工藝上的δ允，才能保證測溫誤差不大於±5○C，所以所選儀錶的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)為0.5級(jí)。儀錶的準(zhǔn)確度等級(jí)越高，能使測溫誤差越小，但為了不增加投資費(fèi)用，不宜選用過高準(zhǔn)確度的儀錶。第2章壓力測量壓力：化工生產(chǎn)中，由氣體或液體均勻垂直地作用於單位面積上的力。化工生產(chǎn)中，通常遇到壓力和真空度的測量。若壓力不符合要求，不僅會(huì)影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品品質(zhì)，還會(huì)造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故?；瘜W(xué)反應(yīng)中，壓力既影響物料平衡關(guān)係，也影響化學(xué)反應(yīng)速度。所以，壓力的測量與控制，對(duì)保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗和安全是十分重要的三種壓力錶示方法絕對(duì)壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph第一節(jié)壓力單位及測壓儀錶pa絕對(duì)壓力零線pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對(duì)壓力是指物體所受的實(shí)際壓力。

表壓是指一般壓力錶所測得的壓力，它是高於大氣壓力的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低於大氣壓的絕對(duì)壓力之差，有時(shí)也稱為負(fù)壓，即由於各種工藝設(shè)備和檢測儀錶通常是處於大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常採用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀錶所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以後所提及的壓力均指表壓。

壓力檢測儀錶的分類

目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀錶很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般採用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測

它是利用敏感元件將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測量的儀錶，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測

它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的品質(zhì)來進(jìn)行測量。活塞式壓力計(jì)的測量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)壓力檢測儀錶進(jìn)行檢定。

液柱式壓力檢測

液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，它們一般採用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測量，常用於較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)

特點(diǎn)：直觀、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便於讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場指示。用U形管進(jìn)行壓力檢測，其誤差來源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個(gè)方面：一是尺規(guī)長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度係數(shù)極?。欢枪ぷ饕好芏入S溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對(duì)變化量為0.15％。②安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會(huì)產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。第二節(jié)彈性式壓力計(jì)彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法。

平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級(jí)。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；波紋管的位移相對(duì)較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用於檢測較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級(jí)；彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用範(fàn)圍廣，測量範(fàn)圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)製造的要求，儀錶精度最高可達(dá)0.15級(jí)?！獜椈晒芎蛷椈晒軌毫﹀l彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。被測壓力介質(zhì)從開口端進(jìn)入並充滿彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，由於彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形並伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)係：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓後中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－遊絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力錶彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可採用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力錶是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀錶（也有電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力錶）彈簧管壓力錶結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉、測量範(fàn)圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力錶的精度等級(jí)為1.5級(jí)或2.5級(jí)，但根據(jù)製造的要求，其精度等級(jí)最高可達(dá)0.15級(jí)。——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測元件——膜盒或膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和向量機(jī)構(gòu)

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

△P測量部分Fi杠桿系統(tǒng)△M放大器回饋部分FfIo一、電容式差壓變送器電容式差壓變送器採用差動(dòng)電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器回饋電路ΔpΔCIiIf＋＋I(xiàn)z－Io測量部分轉(zhuǎn)換放大部分第三節(jié)電氣式壓力計(jì)ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動(dòng)電容測量原理電容式差壓變送器測量原理電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC電流信號(hào)。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然後進(jìn)行測量的。電容式差壓變送器的原理圖可見感測器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料製成的測量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在測量膜片兩側(cè)的空腔中充滿矽油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測量膜片，當(dāng)差壓過大並超過允許測量範(fàn)圍時(shí)，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。二、應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導(dǎo)體材料製成的電阻體的阻值可表示為：

當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，電阻體的長度、截面積或電阻率會(huì)發(fā)生變化，即其阻值也會(huì)發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)感測器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片r1和r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。r1沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。

圖中應(yīng)變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變?。欢鴳?yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補(bǔ)償。

是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測量電橋不受壓時(shí)r1=r2=r0R3=R4=r若應(yīng)變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見，由壓力作用時(shí)，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。如果儀錶能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，則該儀錶即可稱為應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測儀錶具有較大的測量範(fàn)圍，被測壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，並具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，儘管測量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑧?yīng)變片式壓力檢測儀錶仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測儀錶較多地用於一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.5～1.0％左右。

三、壓阻式（擴(kuò)散矽）壓力/差壓變送器因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式感測器的基片材料主要為矽片和鍺片，由於單晶矽材料純、功耗小、滯後和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且感測器的製造工藝和矽積體電路工藝有很好的相容性，以擴(kuò)散矽壓阻感測器作為檢測元件的壓力檢測儀錶得到了廣泛的使用。

p2p1矽杯圖3-30壓阻式感測器示意圖正壓側(cè)隔離膜片引出線負(fù)壓側(cè)隔離膜片矽油構(gòu)成框圖：擴(kuò)散矽壓阻感測器前置放大器調(diào)零電路V－I轉(zhuǎn)換△PUSU01UZIO檢測部分電磁放大部分測量部分——擴(kuò)散矽壓阻感測器——把被測差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US

1.負(fù)壓室2.正壓室3.矽杯4.引線5.矽片Ri1Ri2Ri3Ri4測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R測量部分——電壓轉(zhuǎn)換＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等結(jié)論：壓阻式壓力感測器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡單，其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶矽膜片。擴(kuò)散電阻的靈敏係數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力感測器還具有良好的動(dòng)態(tài)回應(yīng)，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動(dòng)壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類壓力感測器。這種感測器的缺點(diǎn)則是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家在感測器組件中提供了若干校正用的溫度補(bǔ)償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)換等電路集成在同一塊單晶矽膜片上，從而可以大大提高感測器的基本性能。第四節(jié)壓力計(jì)的選用和安裝

選用＋安裝其他儀錶也基本適應(yīng)一、壓力計(jì)的選用三個(gè)方面——選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀錶的量程、精度、類型（材質(zhì)）等。

⑴量程儀錶的量程是指該儀錶可按規(guī)定的精確度對(duì)被測量進(jìn)行測量的範(fàn)圍關(guān)鍵：根據(jù)操作中需要測量的參數(shù)的大小來確定。同時(shí)必須考慮到被測對(duì)象可能發(fā)生的異常超壓情況，對(duì)儀錶的量程選擇必須留有足夠的餘地。測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4

測量脈動(dòng)壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低於上限值Pmax的1/3

儀錶的量程等級(jí)：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀錶量程時(shí)，應(yīng)採用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。

這只是一個(gè)一般經(jīng)驗(yàn)要求，不是絕對(duì)的?。、苾x錶精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小於儀錶的基本誤差。——在選擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀錶。

例：有一壓力容器在正常工作時(shí)壓力範(fàn)圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力錶進(jìn)行檢測，並使測量誤差不大於被測壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級(jí)。解：

由題意可知，被測對(duì)象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)儀錶量程為0～AMPa，則根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀錶的量程系列，可選用量程範(fàn)圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力錶。由題意，被測壓力的允許最大絕對(duì)誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀錶的相對(duì)百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀錶的精度等級(jí)，可選擇1．5級(jí)的壓力錶。⑶儀錶類型正確選用儀錶類型是保證儀錶正常工作及安全生產(chǎn)的前提。主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:儀錶的材料

壓力檢測(檢測儀錶)的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀錶材料的時(shí)候要綜合考慮儀錶的工作條件。輸出信號(hào)類型只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力錶、液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀錶；如需將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動(dòng)儀錶，則可選用電氣式壓力檢測儀錶或其他具有電信號(hào)輸出的儀錶；如果要檢測快速變化的壓力信號(hào)，則可選用電氣式壓力檢測儀錶，如壓阻式壓力感測器；如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀錶。例如：對(duì)腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕性極強(qiáng)；又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

使用環(huán)境對(duì)爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀錶時(shí)，應(yīng)選擇防爆型壓力儀錶；對(duì)於溫度特別高或特別低的環(huán)境，應(yīng)選擇溫度係數(shù)小的敏感元件以及其他變換元件。上述選型原則也適用於差壓、流量、液位等其他檢測儀錶的選型二、壓力計(jì)的安裝分三種情況介紹：一般壓力檢測儀錶的安裝特殊壓力檢測儀錶的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）壓力變送器的安裝一般壓力測量儀錶的安裝無論選用何種壓力儀錶和採用何種安裝方式，在安裝過程中都應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：壓力儀錶必須經(jīng)檢驗(yàn)合格後才能安裝壓力儀錶的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和被測介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛槊芊鈮|圈，以防洩漏壓力儀錶盡可能安裝在室溫，相對(duì)濕度小於80％，振動(dòng)小，灰塵少，沒有腐蝕性物質(zhì)的地方，對(duì)於電氣式壓力儀錶應(yīng)盡可能避免受到電磁干擾壓力儀錶應(yīng)垂直安裝。一般情況下，安裝高度應(yīng)與人的視線齊平，對(duì)於高壓壓力儀錶，其安裝高度應(yīng)高於一般人的頭部測量液體或蒸汽介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)避免液柱產(chǎn)生的誤差，壓力儀錶應(yīng)安裝在與取壓口同一水準(zhǔn)的位置上，否則必須對(duì)壓力儀錶的示值進(jìn)行修正導(dǎo)壓管的粗細(xì)合適，一般為6～10mm，長度盡可能短，否則會(huì)引起測量遲緩壓力儀表與取壓口之間應(yīng)安裝切斷閥，以便維修測量特殊介質(zhì)時(shí)的壓力測量儀錶安裝測量高溫（60℃以上）流體介質(zhì)的壓力時(shí)，為防止熱介質(zhì)與彈性元件直接接觸，壓力儀錶之前應(yīng)加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對(duì)測量精度和彈性元件產(chǎn)生的影響。如圖(a)、(b)

(a)(b)測量高壓流體介質(zhì)的壓力時(shí)，安裝時(shí)壓力儀錶表殼應(yīng)朝向牆壁或者無人通過之處，以防發(fā)生以外。測量腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，除選擇具有防腐能力的壓力儀錶之外，還應(yīng)加裝隔離裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測介質(zhì)和彈性元件隔離開來，如圖(c)、(d)

(c)(d)112233測量波動(dòng)劇烈（如泵、壓縮機(jī)的出口壓力）的壓力時(shí)，應(yīng)在壓力儀錶之前加裝針形閥和緩沖器，必要時(shí)還應(yīng)加裝阻尼器，如圖(e)(e)4測量粘性大或易結(jié)晶的介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內(nèi)和導(dǎo)壓管內(nèi)充滿隔離液，必要時(shí)可採取保溫措施，如圖(f)(f)蒸汽測量含塵介質(zhì)壓力時(shí)，最好在取壓裝置後安裝一個(gè)除塵器，如圖(g)。(g)5總之，針對(duì)被測介質(zhì)的不同性質(zhì)，要採取相應(yīng)的防熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施差壓變送器的安裝三個(gè)方面的內(nèi)容：取壓口的選擇引壓管的安裝變送器本身的安裝差壓變送器取壓口的選擇液體、氣體、蒸汽？？

被測介質(zhì)為液體時(shí)，取壓口應(yīng)位於管道下半部與管道水平線成0～45°角內(nèi)，目的是保證引壓管內(nèi)沒有氣泡，兩根引壓管內(nèi)液柱產(chǎn)生的附加壓力可以相互抵消；問：能否從底部引出？為什麼？

45°45°(a)液體

被測介質(zhì)為氣體時(shí)，取壓口應(yīng)位於管道上半部與管道垂直中心線成0～45°角內(nèi)，其目的時(shí)為了保證引壓管中不積聚和滯留液體。45°45°(b)氣體

被測介質(zhì)為蒸汽時(shí)，取壓口應(yīng)位於管道上半部與管道水平線成0～45°角內(nèi)。最常見的接法是從管道水準(zhǔn)位置接出，並分別安裝凝液罐，這樣兩根引壓管內(nèi)部都充滿冷凝液，而且液位高度相同。45°45°(c)蒸汽差壓變送器引壓管的安裝引壓管應(yīng)按最短距離敷設(shè)，引壓管的彎曲處應(yīng)該是均勻的圓角，曲率半徑一般不小於引壓管外徑的10倍。引壓管的管路應(yīng)保持垂直，或者與水平線之間不小於1:10的傾斜度，必要時(shí)要加裝氣體、凝液、微粒收集器等設(shè)備，並定期排除收集物。引壓管內(nèi)徑與引壓管長度引壓管內(nèi)徑引壓管mm長度m被測介質(zhì)＜1.61.6～4.54.5～9水、水蒸氣、幹氣體7～91013濕氣體131313低中粘度油品131925髒液體252533在測量液體介質(zhì)時(shí)，變送器只能安裝在取樣口之上時(shí)，在引壓管的管路中應(yīng)有排氣裝置，如圖(a)所示，這樣，即使有少量氣泡，也不會(huì)對(duì)測量精度造成影響。在測量氣體介質(zhì)時(shí)，如果差壓變送器只能安裝在取樣口之下時(shí)，必須加裝如圖(b)所致的貯液罐和排放閥，克服因滯留液對(duì)測量精度產(chǎn)生影響。測量蒸汽時(shí)的引壓管管路則如圖(c)所示。－+－+－+11223311445516655777(a)(b)(c)1－取壓口2－放空閥3－貯氣罐4－貯液罐5－排放閥6－凝液罐7－差壓變送器差壓變送器本身的安裝差壓變送器通常必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，構(gòu)成三閥組－+2131、2－切斷閥3－平衡閥差壓變送器是用來測量差壓的，但如果正、負(fù)引壓管上的兩個(gè)切斷閥不能同時(shí)打開或者關(guān)閉時(shí)，就會(huì)造成差壓變送器單向受很大的靜壓力，有時(shí)會(huì)使儀錶產(chǎn)生附加誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使儀錶損壞。為了防止差壓計(jì)單向受很大的靜壓力，必須正確使用平衡閥。在啟用差壓變送器時(shí)，應(yīng)先開平衡閥3，使正、負(fù)壓室連通，受壓相同，然後再打開切斷閥1、2，最後再關(guān)閉平衡閥3，變送器即可投入運(yùn)行。差壓變送器需要停用檢修時(shí)，應(yīng)先打開平衡閥，然後再關(guān)閉切斷閥1、2。當(dāng)切斷閥1、2關(guān)閉，平衡閥3打開時(shí)，即可以對(duì)儀錶進(jìn)行零點(diǎn)校驗(yàn)。

對(duì)象特性和建模對(duì)象特性——是指對(duì)象輸入量與輸出量之間的關(guān)係(數(shù)學(xué)模型)即對(duì)象受到輸入作用後，被控變數(shù)是如何變化的、變化量為多少……

輸入量？？控制變數(shù)＋各種各樣的干擾變數(shù)由對(duì)象的輸入變數(shù)至輸出變數(shù)的信號(hào)聯(lián)繫稱為通道控制變數(shù)至被控變數(shù)的信號(hào)聯(lián)繫通道稱控制通道干擾至被控變數(shù)的信號(hào)聯(lián)繫通道稱干擾通道對(duì)象輸出為控制通道輸出與各干擾通道輸出之和

控制通道干擾通道干擾變數(shù)控制變數(shù)被控變數(shù)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表示方法：參量模型：通過數(shù)學(xué)方程式表示常用的描述形式：微分方程(組)*、傳遞函數(shù)*、頻率特性等參量模型的微分方程的一般運(yùn)算式：y(t)表示輸出量，x(t)表示輸入量，通常輸出量的階次不低與輸入量的階次(n≥m)當(dāng)n=m時(shí)，稱對(duì)象是正則的；當(dāng)n>m時(shí)，稱對(duì)象是嚴(yán)格正則的；n<m的對(duì)象是不可實(shí)現(xiàn)的。通常n=1，稱該對(duì)象為一階對(duì)象模型；n=2，稱二階對(duì)象模型。

非參量模型：採用曲線、表格等形式表示。特點(diǎn)：形象、清晰，缺乏數(shù)學(xué)方程的解析性質(zhì)（必要時(shí)須進(jìn)行數(shù)學(xué)處理獲得參量模型）。

建模的方法：機(jī)理建模、實(shí)驗(yàn)建模、混合建模

機(jī)理建?！鶕?jù)物料、能量平衡、化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)等基本方程，從理論上來推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型。

由於工業(yè)對(duì)象往往都非常複雜，物理、化學(xué)過程的機(jī)理一般不能被完全瞭解，而且線性的並不多，再加上分佈元件參數(shù)（即參數(shù)是時(shí)間與位置的函數(shù)）較多，一般很難完全掌握系統(tǒng)內(nèi)部的精確關(guān)係式。另外，在機(jī)理建模過程中，往往還需要引入恰當(dāng)?shù)暮喕?、假設(shè)、近似、非線性的線性化處理等，而且機(jī)理建模也僅適用於部分相對(duì)簡單的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)建?！谒芯康膶?duì)象上，人為的施加一個(gè)輸入作用，然後用儀錶記錄表徵對(duì)象特性的物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表示對(duì)象特性。

這種應(yīng)用對(duì)象輸入輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)來決定其模型的方法，通常稱為系統(tǒng)辨識(shí)。其主要特點(diǎn)是把被研究的對(duì)象視為一個(gè)黑箱子，不管其內(nèi)部機(jī)理如何，完全從外部特性上來測試和描述對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。有時(shí)，為進(jìn)一步分析對(duì)象特性，可對(duì)這些數(shù)據(jù)或曲線進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)化為描述對(duì)象特性的解析運(yùn)算式?；旌辖！獙C(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模結(jié)合起來，稱為混合建模。

混合建模是一種比較實(shí)用的方法，它先由機(jī)理分析的方法提出數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)形式，把被研究的對(duì)象視為一個(gè)灰箱子，然後對(duì)其中某些未知的或不確定的參數(shù)利用實(shí)驗(yàn)的方法給予確定。這種在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測數(shù)據(jù)來確定數(shù)學(xué)運(yùn)算式中某些參數(shù)的方法，稱為參數(shù)估計(jì)。對(duì)象機(jī)理數(shù)學(xué)模型的建立問題：處於平衡狀態(tài)的對(duì)象加入干擾以後，不經(jīng)控制系統(tǒng)能否自行達(dá)到新的平衡狀態(tài)？

左圖：假設(shè)初始為平衡狀態(tài)qi=qo，水箱水位保持不變。當(dāng)發(fā)生變化時(shí)(qi＞qo)，此時(shí)水箱的水位開始升高根據(jù)流體力學(xué)原理，水箱出口流量與H是存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)係的：

因此，qi

H

qo

，直至qi=qo可見該系統(tǒng)受到干擾以後，即使不加控制，最終自身是會(huì)回到新的平衡狀態(tài)，這種特性稱為“自衡特性”。

右圖：如果水箱出口由泵打出，其不同之處在於：qi當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，qo不發(fā)生變化。如果qi＞qo

，水位H將不斷上升，直至溢出，可見該系統(tǒng)是無自衡能力。絕大多數(shù)對(duì)象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系統(tǒng)比無自衡能力的系統(tǒng)容易控制。·一階線性對(duì)象問題：求右圖所示的對(duì)象模型（輸入輸出模型）。

解：該對(duì)象的輸入量為qi

被控變數(shù)為液位h根據(jù)物料平衡方程：

單位時(shí)間內(nèi)水槽體積的改變＝輸入流量—輸出流量

由於出口流量可以近似地表示為：(i)式是針對(duì)完全量的輸入輸出模型，(ii)式是針對(duì)變化量的輸入輸出模型，二者的結(jié)構(gòu)形式完全相同。由於在控制領(lǐng)域中，特性的分析往往是針對(duì)變化量而言的，為了書寫方便在以後的運(yùn)算式中不寫出變化量符號(hào)。對(duì)上式作拉氏變換：對(duì)象的傳遞函數(shù)：該對(duì)象的階躍回應(yīng)：如果qi為幅值為A的階躍輸入，則

這是最典型的一階對(duì)象的傳遞函數(shù)·一階線性對(duì)象（總結(jié)）典型的微分方程典型的傳遞函數(shù)典型的階躍回應(yīng)函數(shù)典型的階躍回應(yīng)曲線h(

)h(t)T0.632h(

)qita從微分方程的解析解來看

K――放大係數(shù)，在階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到新的穩(wěn)定值時(shí)，輸出變化量與輸入變化量之比，也稱靜態(tài)增益。K越大，表示輸入量對(duì)輸出量的影響越大。T――時(shí)間常數(shù)，在階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2％所需要的時(shí)間，時(shí)間常數(shù)T是反映回應(yīng)變化快慢或回應(yīng)滯後的重要參數(shù)。用T表示的回應(yīng)滯後稱阻容滯後（容量滯後）。

T大，反應(yīng)慢，難以控制；T小，反應(yīng)塊?！ざA線性對(duì)象問題：求右圖所示的對(duì)象模型（輸入輸出模型）。

解：該對(duì)象的輸入量為qi

被控變數(shù)為液位h2（同樣利用物料平衡方程）槽1：槽2：聯(lián)立方程求解：傳遞函數(shù)：另解：根據(jù)一階對(duì)象的傳遞函數(shù)，有傳遞函數(shù)：槽1：且槽2：階躍回應(yīng)函數(shù)：·二階線性對(duì)象（總結(jié)）典型的微分方程典型的傳遞函數(shù)典型的階躍回應(yīng)函數(shù)典型的階躍回應(yīng)曲線qita不相關(guān)雙容·二階線性對(duì)象(相關(guān)和不相關(guān)）若各特性參數(shù)不變，則二者的階躍響應(yīng)曲線示意圖如下：qita不相關(guān)雙容

回應(yīng)曲線比較單容相關(guān)雙容·純滯後一階對(duì)象在工業(yè)過程中常有一些輸送物料的中間過程，如圖所示，qi為操縱變數(shù)，但需要經(jīng)過導(dǎo)流槽才送入水箱。如果把水箱入口的進(jìn)料量記為qf，並設(shè)：導(dǎo)流槽長度l，流體平均速度v，流體流經(jīng)導(dǎo)流槽所需的時(shí)間τ，所以當(dāng)qi發(fā)生改變以後，經(jīng)過

時(shí)間以後qf才有變化：對(duì)於qf與h來說，根據(jù)前面的推導(dǎo)，可知：傳遞函數(shù)為：·純滯後對(duì)象（總結(jié)）典型的微分方程典型的傳遞函數(shù)典型的階躍回應(yīng)函數(shù)典型的階躍回應(yīng)曲線qita

h(

)

hT0.632

h(

)純滯後產(chǎn)生的主要原因：

物料輸送等中間過程產(chǎn)生純滯後（大時(shí)間常數(shù)表現(xiàn)出來的等效滯後）由於純滯後的出現(xiàn)，控制作用必須經(jīng)歷一定的時(shí)間延遲（滯後）才能在被控變數(shù)上得到體現(xiàn)，致使當(dāng)被控變數(shù)的回饋反映出控制作用時(shí)，可能會(huì)輸入過多的控制量，導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重超調(diào)甚至失穩(wěn)。

Conclusionqita一階對(duì)象一階純滯後對(duì)象二階對(duì)象二階純滯後對(duì)象不相關(guān)雙容一階相關(guān)雙容/多容

回應(yīng)曲線比較一階不相關(guān)雙容相關(guān)雙容/多容既然多數(shù)對(duì)象為相關(guān)多容的，那這類對(duì)象的特性如何獲?。?？哪條曲線最有普遍適用性？對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)建?！诒豢貙?duì)象上人為加入輸入量，記錄表徵對(duì)象特性的輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律。被控對(duì)象輸入量輸出量系統(tǒng)辨識(shí)對(duì)象模型階躍信號(hào)脈衝信號(hào)偽隨機(jī)信號(hào)……表格數(shù)據(jù)回應(yīng)曲線……階躍輸入t0At0A矩形脈衝t1加測試信號(hào)前，要求系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定狀態(tài)，否則會(huì)影響測試結(jié)果；輸入量/輸出量的起始時(shí)間是相同的，起始時(shí)間是輸入量的加入時(shí)間，輸出量的回應(yīng)曲線可能滯後於輸入量的回應(yīng)，其原因是純滯後或容量滯後；在測試過程中盡可能排除其他干擾的影響，以提高測量精度；在相同條件下重複測試多次，以抽取其共性；在測試和記錄的過程中，應(yīng)持續(xù)到輸出量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值；許多工業(yè)對(duì)象不是真正的線性對(duì)象，由於非線性關(guān)係，對(duì)象的放大倍數(shù)是可變的，所以作為測試對(duì)象的工作點(diǎn)應(yīng)該選擇正常的工作狀態(tài)（一般要求運(yùn)行在額定負(fù)荷、正常干擾等條件下）。對(duì)象特性的混合建模由於機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模各優(yōu)特點(diǎn)，目前比較實(shí)用的方法是將二者結(jié)合起來，成為混合建模?；旌辖５倪^程：先通過機(jī)理建模獲取數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)形式，通過實(shí)驗(yàn)建模（辨識(shí)）來求?。ü烙?jì)）模型的參數(shù)。廣義對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測定由於實(shí)際對(duì)象的複雜性，對(duì)象模型一般不能直接用機(jī)理建模的方法來獲取，通常採用實(shí)驗(yàn)（辨識(shí)）的方法求取；另外對(duì)象模型絕大多數(shù)都是多階（多容），利用多階系統(tǒng)直接來描述和處理非常困難和複雜，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)通常採用一階慣性（滯後）模型來描述：

實(shí)

驗(yàn)：在被控對(duì)象上加入一個(gè)輸入信號(hào)

u，記錄被控對(duì)象的輸出回應(yīng)。輸出回應(yīng)：廣義對(duì)象包含多個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)多容過程，回應(yīng)曲線為S型；

如果廣義對(duì)象包含純滯後環(huán)節(jié)，曲線起點(diǎn)不是從原點(diǎn)開始。

在被控對(duì)象上加入的輸入信號(hào)為

u

TCAy(0)0y(

)

yy(t)DB

1

2一階滯後環(huán)節(jié)包含三個(gè)參數(shù)：K、T、

，如何確定這三個(gè)參數(shù)？(a)在S型回應(yīng)曲線上選擇拐點(diǎn)A（二階導(dǎo)數(shù)+

—或—

+）；(b)曲線在拐點(diǎn)A作切線，交y(0)於D點(diǎn)，交y(

)於C點(diǎn)；(c)OD為純滯後時(shí)間

，

=

1+

2，而

1是系統(tǒng)真正純滯後，是

2容量滯後引起的等效滯後；(d)DC為時(shí)間常數(shù)T；(e)增益K=

y/

u。

對(duì)象特性對(duì)過渡過程的影響對(duì)象模型由三個(gè)基本參數(shù)決定：K、T、τK對(duì)過渡過程的影響階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到新的穩(wěn)定值時(shí)，輸出變化量與輸入變化量之比，稱為靜態(tài)增益（輸出靜態(tài)變化量與輸入靜態(tài)變化量之比）。

u廣義對(duì)象

f

yK

其他參數(shù)不變控制通道放大係數(shù)

干擾通道放大係數(shù)

KO越大

控制變數(shù)

u對(duì)被控變數(shù)

y的影響越靈敏

控制能力強(qiáng)Kf

越大

干擾

f對(duì)被控變數(shù)

y的影響越靈敏。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)合理地選擇KO使之大些，抗干擾能力強(qiáng)，太大會(huì)引起系統(tǒng)振盪。T對(duì)過渡過程的影響時(shí)間常數(shù)：在階躍輸入作用下，對(duì)象輸出達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)變化量的63.2％所需要的時(shí)間。一般情況希望TO小些，但不能太小，Tf大些。T

（其他參數(shù)不變）時(shí)間常數(shù)T是反映回應(yīng)變化快慢或回應(yīng)滯後的重要參數(shù)。用T表示的回應(yīng)滯後稱阻容滯後（容量滯後），T大反應(yīng)慢，難以控制；T小反應(yīng)塊。

控制通道TO大

回應(yīng)慢、控制不及時(shí)、過渡時(shí)間tp長、超調(diào)量

大控制通道TO小

回應(yīng)快、控制及時(shí)、過渡時(shí)間tp短、超調(diào)量

小控制通道TO太小

回應(yīng)過快、容易引起振盪、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。干擾通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)被控變數(shù)輸出的影響也是相類似的。τ對(duì)過渡過程的影響產(chǎn)生純滯後的原因：物料輸送等中間過程產(chǎn)生大時(shí)間常數(shù)對(duì)象所表現(xiàn)出來的等效純滯後。物料輸送產(chǎn)生的純滯後比較容易理解，實(shí)際對(duì)象由於多容的存在也會(huì)使回應(yīng)速度變慢，尤其是初始回應(yīng)被大大延遲，在動(dòng)態(tài)特性上也可近似作為純滯後看待。事實(shí)上，廣義等效的等效純滯後就包括了以上二個(gè)部分之和?？刂仆ǖ兰儨?/p>

對(duì)控制肯定不利，純滯後增大

控制品質(zhì)惡化、超調(diào)量

大干擾通道的純滯後對(duì)系統(tǒng)回應(yīng)影響不大，因?yàn)楦蓴_本身是不確定的，可以在任何時(shí)間出現(xiàn)。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)儘量減少或避免純滯後時(shí)間。如：簡化工藝、減少不必要的環(huán)節(jié)，以利於減少控制通道的滯後時(shí)間，在選擇控制閥與檢測點(diǎn)的安裝位置時(shí)，應(yīng)選取靠近控制對(duì)象的有利位置。測量變送環(huán)節(jié)特性及其對(duì)過渡過程的影響

測量、變送環(huán)節(jié)一般由測量元件及變送器組成，其特性也可以表示程由K、T、τ三個(gè)參數(shù)組成的一階滯後環(huán)節(jié)，它對(duì)過渡過程的影響與被控對(duì)象相仿。通常要求，K在整個(gè)測量範(fàn)圍內(nèi)保持恒定，T、τ越小越好。事實(shí)上，測量、變送環(huán)節(jié)本身的時(shí)間常數(shù)和純滯後時(shí)間都很小，可以略去不計(jì)。所以實(shí)際上它相當(dāng)於一個(gè)放大環(huán)節(jié)。因此，放大倍數(shù)K在整個(gè)測量範(fàn)圍內(nèi)保持恒定是最關(guān)鍵的。但是，有些測量元件在安裝使用時(shí)需要安裝保護(hù)套管等其他設(shè)備，如熱電阻、熱電偶等，此時(shí)，由於保護(hù)套管的存在，會(huì)影響測量變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和純滯後時(shí)間。溫度121-無套管熱電阻對(duì)介質(zhì)真實(shí)溫度的回應(yīng)曲線2-有套管熱電阻對(duì)介質(zhì)真實(shí)溫度的回應(yīng)曲線時(shí)間實(shí)際溫度接線盒保護(hù)套管絕緣管熱電偶安裝法蘭引線口圖3-45普通型熱電偶的典型結(jié)構(gòu)第8章基本控制規(guī)律基本的控制規(guī)律調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象感測器、變送器+－SPxzeuqyf

在該控制系統(tǒng)中，被控變數(shù)由於受擾動(dòng)f（如生產(chǎn)負(fù)荷的改變，上下工段間出現(xiàn)的生產(chǎn)不平衡現(xiàn)象等）的影響，常常偏離給定值，即被控變數(shù)產(chǎn)生了偏差：

控制器接受了偏差信號(hào)e後，按一定的控制規(guī)律使其輸出信號(hào)u發(fā)生變化，通過執(zhí)行器改變操縱變數(shù)q，以抵消干擾對(duì)被控變數(shù)y的影響，從而使被控變數(shù)回到結(jié)定值上來。問題：被控變數(shù)能否回到給定值上，或者以什麼樣的途徑、經(jīng)過多長時(shí)間回到給定值上來？這不僅與被控對(duì)象特性有關(guān)，而且還與控制器的特性有關(guān)。只有熟悉了控制器的特性，才能達(dá)到自動(dòng)控制的目的?？刂埔?guī)律f（·）＋－z(t)x(t)e(t)u(t)控制規(guī)律：控制器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)(偏差)變化的規(guī)律也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律強(qiáng)調(diào)：如果

，則控制器稱正作用控制器；反之，，則稱反作用控制器基本控制規(guī)律：位式控制（雙位控制較常用）比例作用(Proportional)

積分作用(Intergral)

微分作用(Derivative)工業(yè)上（最）常用的控制規(guī)律：雙位控制純比例控制P

比例積分控制PI

比例微分控制PD

比例積分微分控制PID。

一個(gè)控制系統(tǒng)主要包括二類基本環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器和廣義對(duì)象。廣義對(duì)象在控制系統(tǒng)中屬於固定因素，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以後，廣義對(duì)象特性也就被確定下來；在整個(gè)控制系統(tǒng)中的控制作用主要是通過調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的，而調(diào)節(jié)器真正實(shí)現(xiàn)控制的本質(zhì)在於選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律。不同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，必須根據(jù)生產(chǎn)要求來選用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律。如選用不當(dāng)，不但不能起到好的作用，反而會(huì)使控制過程惡化，甚至造成事故?；镜目刂埔?guī)律雙位控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最簡單也很實(shí)用的一種控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器輸出只有2個(gè)固定的數(shù)值，即只有2個(gè)極限位置，其基本的控制規(guī)律可描述為：

這是一種理想的雙位控制，請(qǐng)問這種理想的雙位控制策略能否直接由於實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的控制？一、雙位控制第一節(jié)位式控制－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumineu二、具有中間區(qū)的雙位控制控制器罐壓力變送器排放電磁閥例如：某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為100KPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為0，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力稍稍大於100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開，排除氣體降低系統(tǒng)壓力，此時(shí)罐內(nèi)壓力馬上又小於設(shè)定值100KPa，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會(huì)重新升高，大於100KPa，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開······，這樣調(diào)節(jié)器輸出在0與1之間不斷變化，電磁閥也在“開”和“關(guān)”二個(gè)狀態(tài)上不停的動(dòng)作。

這種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許的，因?yàn)槿魏我环N設(shè)備都有一定的使用壽命，電磁閥的使用壽命一般在10萬～50萬次。

如果把雙位特性調(diào)整為

u－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△ue雙位控制——總結(jié)由於位式控制的執(zhí)行器是從一個(gè)固定位置到另一個(gè)固定位置所以整個(gè)系統(tǒng)不可能保持在一個(gè)平衡狀態(tài)被控變數(shù)總在設(shè)定值的附近波動(dòng)，其過渡過程是持續(xù)的等幅振盪滯回區(qū)間的大小影響振盪頻率。振盪頻率低，控制品質(zhì)差；振盪頻率高，影響執(zhí)行器的使用壽命。

位式控制的特點(diǎn)：簡單、過渡過程是振盪的位式控制的適用範(fàn)圍：時(shí)間常數(shù)大純滯後小負(fù)荷變化不大也不激烈控制要求不高。u純比例控制PabOOabeu

由此可見，在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變數(shù)(液位)的偏差值成比例，這就是比例控制規(guī)律，其輸出信號(hào)的變化量與輸入信號(hào)(指偏差，當(dāng)給定值不變時(shí)，偏差就是被控變數(shù)測量值的變化量)的變化量之間成比例關(guān)係，這種控制規(guī)律稱為“純比例控制”

純比例控制也是一種最基本的控制規(guī)律，從上面這個(gè)例子可以看出來，純比例控制至少能克服位式控制振盪、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。第二節(jié)比例控制比例調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算式：一、比例控制規(guī)律及其特點(diǎn)或u0是偏差e=0時(shí)的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值KP是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對(duì)象增益的區(qū)別）KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)AKp*A根據(jù)上述回應(yīng)曲線，可以明顯地看出比例調(diào)節(jié)器的一個(gè)特點(diǎn)：控制及時(shí)。一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。

比例增益KP是比例調(diào)節(jié)器輸出變化量u與偏差e之比：比例增益KP和比例度

KP越大，比例作用越強(qiáng)，KP越小比例作用越弱。但是，在工業(yè)現(xiàn)場，一般都習(xí)慣於用比例度

來表示比例作用的強(qiáng)弱比例度

的定義：輸入信號(hào)的相對(duì)變化量占輸出信號(hào)的相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)。

其中：C——儀錶常數(shù)，當(dāng)輸入輸出是統(tǒng)一信號(hào)時(shí)，儀錶常數(shù)C＝1，在沒有特定指明的情況下，C＝1，因?yàn)樵谝粋€(gè)系統(tǒng)中所選用儀錶的信號(hào)制一般都是統(tǒng)一的。KP越大

越小

比例作用越強(qiáng)。二、比例度及其對(duì)控制過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如右圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量。先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：存在餘差令干擾發(fā)生單位階躍變化：則：對(duì)被控變數(shù)有影響，產(chǎn)生餘差。Kp增大，餘差減小。結(jié)論：·純比例控制系統(tǒng)，過渡過程結(jié)束以後必定存在餘差。

·KP越大或

越小

餘差越小KP越大或

越小

控制作用越強(qiáng)

餘差越小、最大偏差越小KP太大或

太小

控制作用太強(qiáng)

穩(wěn)定性降低、甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：控制及時(shí)控制結(jié)果有餘差純比例控制適用場合：

干擾幅度較小純滯後較小負(fù)荷變化不大控制要求不太高

一般來說，若對(duì)象滯後較小、時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩(wěn)定。

比例積分控制PI比例控制最大的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，控制作用及時(shí)

最大的缺點(diǎn)是控制結(jié)果存在餘差當(dāng)工藝對(duì)控制品質(zhì)有更高要求，不允許控制結(jié)果存在餘差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除餘差的積分控制作用。比例積分控制就是由比例作用和積分作用二種控制作用組合而成

第三節(jié)積分控制積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入（偏差）對(duì)時(shí)間的積分成比例的特性。運(yùn)算式為：一、積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)：積分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(t)ATi：積分時(shí)間，因?yàn)門i在分母底下，所以Ti越大積分作用越小。只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器輸出會(huì)不斷變化，直到偏差為0――消除餘差調(diào)節(jié)器的輸出是偏差隨時(shí)間的積分，當(dāng)t較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出u(t)很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，

所以一般不單獨(dú)採用積分作用，而與比例作用配合使用。

uI(t)e(t)A二、比例積分控制規(guī)律與積分時(shí)間：比例積分(PI)控制由比例和積分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)積分作用項(xiàng)如果加入幅值為A的階躍信號(hào)：積分時(shí)間的定義：在階躍輸入下，積分作用的輸出變化到比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

A圖3-9比例積分控制器特性PI調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)方波信號(hào)，幅值為＋10％調(diào)節(jié)器的初始輸出為0，畫出調(diào)節(jié)器輸出的波形。（KP＝1，Ti＝1min）－5％10％0%30％20％20％15％10％15％u(t)mine(t)10％2431min注意：PI調(diào)節(jié)器可以穩(wěn)定在任何一個(gè)值上調(diào)節(jié)器的輸入輸出單位改為實(shí)際的mA時(shí)，輸出波形應(yīng)該注意座標(biāo)單位％

實(shí)際單位mA（之間的對(duì)應(yīng)關(guān)係）三、積分作用對(duì)過渡過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：無餘差令干擾發(fā)生單位階躍變化：則：無餘差積分作用能消除餘差?。?！

採用比例積分控制作用時(shí)，積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響具有兩重性。在同樣的比例度下，縮短積分時(shí)間Ti，將使積分調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除餘差，這是有利的一面。但縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作用後，會(huì)使系統(tǒng)振盪加劇，有不易穩(wěn)定的傾向。積分時(shí)間越短，振盪傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振盪，這是不利的一面。由圖可以看出，積分時(shí)間過大或過小均不合適。Ti過大，積分作用不明顯，餘差消除很慢，見曲線3，Ti過小，過渡過程振盪太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見曲線1。

積分作用的特點(diǎn)：消除餘差，會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；注意事項(xiàng)：★引入積分作用以後，能消除餘差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然會(huì)降低，所以在使用過程中應(yīng)適當(dāng)降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）★當(dāng)對(duì)象滯後很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長、最大偏差也較大；負(fù)荷變化過於劇烈時(shí)，由於積分動(dòng)作緩慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用比例微分控制PD積分控制最大的優(yōu)點(diǎn)是消除餘差

最大的缺點(diǎn)是動(dòng)作緩慢、產(chǎn)生相位滯後、穩(wěn)定性降低

比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變數(shù)與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作。但對(duì)於慣性較大的對(duì)象，為了使控制作用及時(shí)，常常希望能根據(jù)被控變數(shù)變化的快慢來控制。在人工控制時(shí)，雖然偏差可能還小，但看到參數(shù)變化很快，估計(jì)到很快就會(huì)有更大偏差，此時(shí)會(huì)先改變閥門開度以克服干擾影響，它是根據(jù)偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的變化一露頭，就立即動(dòng)作，這樣控制的效果將會(huì)更好。微分作用就是模擬這一實(shí)踐活動(dòng)而採用的控制規(guī)律。微分控制主要用來克服被控對(duì)象的容量滯後(時(shí)間常數(shù)T)，但不能克服純滯後。比例微分控制就是由比例作用和微分作用二種控制作用組合而成

第四節(jié)微分控制微分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入變化率成比例關(guān)係，成比例的特性。運(yùn)算式為：一、微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)：微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分時(shí)間，Td越大微分作用越強(qiáng)。微分作用的目的：克服對(duì)象滯後大的影響，改善過渡過程品質(zhì)。微分作用的原理：根據(jù)偏差信號(hào)變化速度來確定調(diào)節(jié)器的輸出，改變操作變數(shù)（超前控制）。

e(t)u(t)00+AtTdAe(t)u(t)t0t0二、比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)微分作用項(xiàng)e(t)Ae(t)0At

從(b)圖中可以看出，當(dāng)輸入為斜坡曲線時(shí)存在：u(t)＝e(t＋Td)，所以微分控制起到了超前的作用，即：調(diào)節(jié)器輸出比輸入超前TD時(shí)間從(a)圖上可得出，當(dāng)加入階躍輸入時(shí)，微分作用產(chǎn)生了一個(gè)

函數(shù)，當(dāng)t>0時(shí)，u(t)＝e(t)，很顯然這種控制作用在實(shí)際應(yīng)用中沒有什麼態(tài)大的意義根據(jù)這2個(gè)特點(diǎn)不難理解：微分作用不能作為一種單獨(dú)的調(diào)節(jié)規(guī)律來使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用於對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)之中。u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)三、實(shí)際的比例微分控制作用

從前面的波形圖中可以看到，如果調(diào)節(jié)器的輸入為階躍信號(hào)，理想PD調(diào)節(jié)器的輸出為脈衝信號(hào)，而脈衝信號(hào)不可能被其他環(huán)節(jié)（執(zhí)行器）所接收到。在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場時(shí)不採用理想的PD作用，而採用實(shí)際的PD作用。實(shí)際的PD作用運(yùn)算式為：式中，Kd為微分增益，它反映了實(shí)際微分特性與理想微分特性接近的程度

Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般為5～10。另外還有一類Kd<1的單元，稱為反微分器，它具有遲緩信號(hào)變換的作用。實(shí)際比例微分控制作用的階躍回應(yīng)e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPaτd當(dāng)t=0+時(shí)u＝KdKPa當(dāng)t

時(shí)u＝Kpa當(dāng)t=τd時(shí)

u＝KPa＋0.368（Kd－1）KPaKp的測定：u()/aKd的測定：u(0)/u()Td的測定：測出τd後乘以Kd微分作用對(duì)過渡過程的影響從圖看出，微分時(shí)間太大及太小均不合適，應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。由於增加微分作用，可以減小比例度，因而微分時(shí)間越大，餘差也就越小。一般溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常需加微分作用，其他系統(tǒng)需要較少。有些系統(tǒng)由於反應(yīng)太快，可加“反微分”，以降低系統(tǒng)的靈敏度。

微分作用的特點(diǎn)：對(duì)於有過渡滯後的對(duì)象，採用PD控制能明顯改善過渡過程的品質(zhì)；

PD控制有超前作用

Td

，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)為：

衰減比增大；過渡過程最大偏差減少emax

；過渡時(shí)間tp

；

Td太大，微分作用太強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，引起系統(tǒng)振盪引入微分作用以後，不能消除餘差，但餘差會(huì)有所減少微分作用對(duì)純滯後的對(duì)象不起作用。微分作用適用於過渡滯後強(qiáng)的對(duì)象，如：溫度對(duì)象(其他系統(tǒng)較少用

)微分作用對(duì)高頻雜訊非常敏感，在流量控制系統(tǒng)總流量測量信號(hào)通常包含脈衝干擾，象這類對(duì)象一般不加微分作用。有些系統(tǒng)由於反應(yīng)太快，可加“反微分”，以降低系統(tǒng)的靈敏度?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)中用比例微分作用的不多，較常見的是比例積分微分三作用控制規(guī)律（通常稱為PID控制）。

四、比例積分微分控制PID在工業(yè)生產(chǎn)中，常將比例、積分、微分三種作用規(guī)律結(jié)合起來，可以得到較為滿意的控制品質(zhì)，包括這三種控制規(guī)律的控制器稱為比例積分微分三作用控制器，習(xí)慣上稱為PID控制規(guī)律，其理想的輸出與輸入的關(guān)係為：理想PID演算法實(shí)際PID演算法Ki——積分增益，一般較大，

III型模擬調(diào)節(jié)器約104～105Kd——微分增益，一般為5～10PID控制的階躍回應(yīng)uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI常見對(duì)象特點(diǎn)及其常用調(diào)節(jié)器類型液位——滯後不大，一般控制要求不高，常用P或PI調(diào)節(jié)器；流量——滯後很小，回應(yīng)快，測量信號(hào)有脈動(dòng)信號(hào)，常用PI調(diào)節(jié)器（一般不能加D）；壓力——液體介質(zhì)：滯後小，氣體介質(zhì)：滯後適中，常用P或PI調(diào)節(jié)器，有時(shí)可用位式控制；溫度——滯後較大，回應(yīng)較慢，常用PID調(diào)節(jié)器。

復(fù)雜控制系統(tǒng)第一節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)FC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進(jìn)料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目標(biāo)：控制塔釜溫度穩(wěn)定方案1優(yōu)點(diǎn)：將所有對(duì)溫度的干擾都概括在控制回路內(nèi)。缺點(diǎn)：當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，由於溫度對(duì)象滯後較大，控制品質(zhì)不理想。方案2優(yōu)點(diǎn)：能及時(shí)克服蒸汽壓力的干擾對(duì)溫度的影響缺點(diǎn)：不能克服進(jìn)料流量、物料溫度等其他因素對(duì)溫度的影響。蒸汽TC進(jìn)料塔底采出12FC方案3：串級(jí)控制系統(tǒng)FCTC進(jìn)料塔底采出12蒸汽希望在塔釜溫度不變時(shí)蒸汽流量能保持設(shè)定值，而當(dāng)塔釜溫度在外來干擾的作用下偏離給定值時(shí)，又要求蒸汽流量能作相應(yīng)的變化，使塔釜溫度保持在設(shè)定值上。

O流量控制器TC2執(zhí)行器

流量對(duì)象溫度T設(shè)定值干擾f1精餾塔控制系統(tǒng)方塊圖溫度對(duì)象溫度控制器TC1－+－+干擾f2測量、變送y1測量、變送y2F副控制器執(zhí)行器

副對(duì)象主變數(shù)設(shè)定值主幹?jǐn)_串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖主對(duì)象主控制器＋－+＋－+副干擾主測量、變送副測量、變送副變數(shù)副回路主回路－－常用的名詞主變數(shù)副變數(shù)主對(duì)象副對(duì)象主控制器副控制器主回路副回路串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由於引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用於副回路的干擾，而且對(duì)作用於主對(duì)象上的干擾也能加速克服。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有後調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，並對(duì)於副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由於主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制品質(zhì)。

干擾作用於副對(duì)象由於副回路控制通道短，時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時(shí)，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制作用，有效地克服蒸汽壓力變化對(duì)塔釜溫度的影響干擾作用於主對(duì)象由於副回路的存在，可以及時(shí)改變副變數(shù)的數(shù)值，以達(dá)到穩(wěn)定主變數(shù)的目的。

串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用範(fàn)圍

(1)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，串級(jí)控制系統(tǒng)有主、副兩個(gè)閉合回路；有主、副兩個(gè)控制器；有分別測量主變數(shù)和副變數(shù)的兩個(gè)測量變送器。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。(2)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩主、副兩個(gè)變數(shù)。主變數(shù)是反映產(chǎn)品品質(zhì)或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝變數(shù)?？刂频哪康脑陟妒惯@一變數(shù)等於工藝規(guī)定的給定值。(3)從系統(tǒng)特性來看，串級(jí)控制系統(tǒng)由於副回路的引入，改善了對(duì)象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯後，提高了控制品質(zhì)。適用範(fàn)圍：當(dāng)對(duì)象的滯後和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁、負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制品質(zhì)的要求時(shí)，可採用串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的選擇主變數(shù)的選擇與單回路控制時(shí)被控變數(shù)的選擇原則是一樣的，能直接或間接地表征生產(chǎn)過程品質(zhì)的參數(shù)都可以作為控制系統(tǒng)的被控變數(shù)。

副變數(shù)的選擇

副變數(shù)的變化應(yīng)在很大程度上影響主變數(shù)的變化副回路應(yīng)將生產(chǎn)過程中的主要干擾包圍在內(nèi)在可能的情況下，應(yīng)使副環(huán)包圍更多的次要干擾副變數(shù)的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，以防發(fā)生“共振”。當(dāng)對(duì)象具有較大的純滯後而影響控制品質(zhì)時(shí)，在選擇副變數(shù)時(shí)應(yīng)使副環(huán)儘量少包含純滯後或不包含純滯後。

主副控制器控制規(guī)律的選擇

串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變數(shù)。主變數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，它直接關(guān)係到產(chǎn)品的品質(zhì)或生產(chǎn)的正常，工藝上對(duì)它的要求比較嚴(yán)格。一般來說，主變數(shù)不允許有餘差。所以，主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)主變數(shù)的無餘差控制。

在串級(jí)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變數(shù)並不是目的，設(shè)置副變數(shù)的目的就在於保證和提高主變數(shù)的控制品質(zhì)。副變數(shù)的