《化工自動化及儀表》期末復(fù)習(xí)資料

《化工自動化儀表》期末復(fù)習(xí)摘要

第一章自動控制系統(tǒng)概述

1.單元組合儀表之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)系：①氣動儀表(QDZ系列):20-100kPa氣壓信號;

②電動儀表信號：(A)DDZII系列：0-10mA直流電流信號;(B)DDZIII系列：4-20mA

(1-5V)直流電流信號。

2.專用術(shù)語：①被控過程(被控對象)：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、

設(shè)備或機器。②被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。③操縱變量：受控制器

操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。④擾動：除操縱變量

外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素。

實例被控過程：鍋爐汽包

被控變量：汽包液位

操縱變量：水的流量

擾動：水壓力、蒸汽流量

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖

⑤設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。⑥偏差：被控變量實際值與設(shè)定值之差。⑦負反饋:

將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減

3.閉環(huán)控制與開環(huán)控制：

①閉環(huán)控制：在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進行比較，根據(jù)偏

差進行控制，控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(優(yōu)點)：

按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設(shè)定值一致的目的。閉環(huán)控制的缺點

控制不夠及時;如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控

制。

②開環(huán)控制：根據(jù)擾動信號的變化來進行控制。開環(huán)控制的特點(優(yōu)點):不需要對被控變

量進行測量，只根據(jù)輸入信號進行控制，控制很及時。環(huán)控制的缺點：由于不測量被控變量,

也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到其他擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，

這是開環(huán)控制的缺點。

4.★閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

比較/廣義對象(P5)：

機構(gòu)

設(shè)定值e(t)被控變量

控制裝置執(zhí)行器過程

r(t)u(t)c(t)e(t):偏差

u(t):控制作用(控制器輸出)

測量值

檢測元件、變送器q(t):操縱變量

y(t)

c(t):被控變量

閉環(huán)控制系統(tǒng)組成y(t)：測量值

r(t):設(shè)定值

控制器:比較機構(gòu)和控制裝置的組合；廣義對象：過程、執(zhí)行器、檢測變送的組合。

5.自動控制系統(tǒng)的分類：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。

6.★自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標：

①★定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式(階躍擾動)：

發(fā)散振蕩

單調(diào)發(fā)散

等幅振蕩

衰減振蕩

單調(diào)衰減

(e)單調(diào)衰減

②自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標：

(1)最大動態(tài)偏差(emax):對于定值控制系統(tǒng)，F(xiàn)

過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個振B，I

z

y(^)幺一、Lyix；1T.

蕩波的峰值與設(shè)定值之差。即：圖中的0

A士穩(wěn)態(tài)…特性1

(2)衰減比n:第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。即：〃=O

B

注：n>l:衰減振蕩；n=l:等幅振蕩；n<l:發(fā)散振蕩。為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希

望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。

(3)余差(es):控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。即：

0=r-y(°°)；上圖中，%=?y(co)=C。

(4)回復(fù)時間(過渡時間)(Ts):控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值

達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的±2%的范圍內(nèi)且不再

越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。

(5)振蕩頻率(或振蕩周期)(3)：渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工

作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。

豳某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求

出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間(設(shè)定值為200℃\

(1)最大偏差：emax=230-200=30(℃)

⑵余差：eM=200-205=-5(℃)

(3)衰減比:n=(230-205):(210-205)=25:5=5:l

(4)過渡時間：Ts=22min

溫度℃

-

-

十

+

_L

2022

5

第二章過程特性

1.過程特性的類型：

①通道的概念：控制通道：操縱變量q⑴對被控變量c(t)的作用途徑。擾動通道：擾動變

量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑

②響應(yīng)曲線有四種(P13):有自衡的非振蕩過程、無自衡的非振蕩過程、有自衡的振蕩過

程、具有反向特性的過程。

2.★過程的數(shù)學(xué)描述：

①一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：7；也也+Ac⑺=K0Aq?)

at

②一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：7；也殳+Ac⑺=KN(t)

Jdt

注：如果有純滯后：AqQ-70)。其中，幾、Tf、K。、Kf分別為控制通道、擾動通道的時間

常數(shù)和放大系數(shù)。

3.過程特性的一般分析：描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和時

滯T。

①放大系數(shù)K:希望K。稍大，希望Kf小一些。

控制通道的放大系數(shù)K。：K。=A但="⑹一。⑼；

△qNq

田.IZ。Ac(oo)c(8)-C(0)

擾動通道的放大系數(shù)Kf：Kn---=~O

2Af

定義2在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達到新的穩(wěn)態(tài)值

所需要的時間。（如何求得T的方法，參見右圖）

③時滯T:在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而

是需要間隔一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯

放大系數(shù)K=B/A

后（時滯）現(xiàn)象。（定義中的純滯后包括了兩種滯后:時間常數(shù)T

純滯后,

純滯后、容量滯后，即：T=T0+Tc）其中：純滯后

是由于信息的傳輸需要時間而引起的；容量滯后Tc是

多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。

【關(guān)于時間常數(shù)T和時滯T的圖解，參見P19圖2-13】

4.過程特性的實驗測定方法：最常用的是階躍擾動法（反應(yīng)曲線法1其它還有：矩形脈沖

擾動法、周期擾動法、統(tǒng)計相關(guān)法。

第三章檢測變送

+AY

1.★測量誤差：相對誤差（儀表弓用誤差）：八=Xl。。％,-小最大弓I

用誤差又稱為允許誤差bmax。（一般儀表量程上限Ymax在被測變量的4/3-3/2倍）

2.儀表的性能指標：

（1）精確度（精度）：儀表的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等

級的。精度等級：允許誤差去掉"土"號及"%"后，系列化圓整后的數(shù)值。目前我國生產(chǎn)

的儀表的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,051.0,1.525,4.0等。

★關(guān)于選表與校表的區(qū)別：選表往精度等級小的靠；校表往精度等級大的靠。

實例

某臺測溫儀表的量程是600-1100℃,其最大絕對誤差為±4℃,試確定該儀表的精

度等級。

+4

儀表的允許誤差為Sa=x100%=±0.8%

11UU—oUU

,這臺儀表的精度等級應(yīng)定為L0級（校表）

某臺測溫儀表的量程是600--110（FC,工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃,

應(yīng)選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。

+4

根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為4mx=—^—-xlOO%=±0.8%

所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%,即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝

要求。（選表）

（2）變差（回差）：外界條件不變的情況下，使用同一臺儀表對某一變量進行正反行程測

量時對應(yīng)于同一測量值所得的儀表讀數(shù)之間的差異。（儀表的變差不能超出儀表的允許誤差）

(3)靈敏度和分辨率:

靈敏度：儀表的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量的比值，即：靈敏度=AY“X

(靈敏度反映了儀表對被測量變化的靈敏程度)

分辨率(儀表靈敏限):儀表輸出能分辨和響應(yīng)的最小輸入變化量。

(4)動態(tài)誤差：由于儀表動作的慣性延遲和測量傳遞滯后，當被測量突然變化后必須經(jīng)過

一段時間才能準確顯示出來，這樣造成的誤差。

(5)線性度：衡量儀表實際特性偏離線性程度的指標。線性度差就要降低儀表精度。

3.溫度檢測：

熱電偶名分度號特點

①溫度檢測方法：接觸式和非接觸式。鋁錠‘而鋸’B熱電勢小，精度高，價格高

粕鏤W粕S熱電勢小，精度高，線性差，價格高

②★熱電偶：

7八銀銘■銀硅K熱電勢大，線性好，價格低

E熱電勢大，線性差，價格低

(1)測溫原理——熱電效應(yīng)鎮(zhèn)智康銅

(2)分度號：與分度表所對應(yīng)的熱電偶的代號：B、S、K、E等。(參見右圖)

(3)★補償導(dǎo)線：解決參比端溫度的恒定問題。

(4)★熱電偶參比端溫度補償(測量的準確性)：

補償原理：工作端溫度e,參比端仇,熱電勢為E(e,o)=石⑹％)+E(%,O)

參比端溫度補償方法：(A)計算法(B)冰浴法(C)機械調(diào)零法(D)補償電橋法(常用x

③★熱電阻：

(1)分類：金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻。

(2)采用三線制接法：消除連接導(dǎo)線阻值變化帶來的誤差。

(3)分度號:Pt50、PtlOO、Cu50等。

④★熱電偶與熱電阻的選擇：高溫T熱電偶；低溫(500℃以下)T熱電阻

(1)熱電偶：

(A)參比端溫度補償；

(B)補償導(dǎo)線的極性不能接反；

(C)分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號一致；

(D)在與采用補償電橋法進行參比端溫度補償?shù)膬x表(如電子電位差計、溫度變送器等)

配套測溫時，熱電偶的參比端要與補償電阻感受相同溫度。

(2)熱電阻：

(A)分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號一致；

(B)采用三線制接法；

(C)配套使用儀器：電子自動平衡電橋。

4.流量檢測：

(1)三種流量表示：

質(zhì)量流量(qm)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的質(zhì)量。單位：(kg/s)

體積流量(qv):單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。(工作狀態(tài))單位：(mVs);qm=qv

P

體積流量(qvn):折算到標準的壓力和溫度下的體積流量。(標準狀態(tài)下：一個大氣壓，20℃)

(2)★流量檢測的主要方法：

①測體積流量：

(A)容積法(不用直管段恒流)：如：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮膜式流量計等。

（B）速度法：有差壓式、電磁式、漩渦式、聲學(xué)式、熱學(xué)式、渦輪式。

②測質(zhì)量流量：間接法（測出體積流量和密度，經(jīng)過計算得到。主要有壓力溫度補償式質(zhì)量

流量計）和直接法（如：科里奧利力式流量計、量熱式流量計、角動量式流量計）

5.差壓式流量傳感器：

（1）節(jié)流裝置（前后要有一定長度的直管段）：

★流量方程式（差壓與流量的關(guān)系）：體積流量%=質(zhì)量流量心=KJ2A%

（2）靶式流量計；（3）渦輪流量計;（4）電磁流量計；（5）轉(zhuǎn)子流量計；（6）旋渦流量計；

（7）超聲波流量計。

6.★壓力檢測：

（1）壓力定義：定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。

（2）壓力的三種表示：絕對壓力（PX表壓力p（又稱相對壓力，是指絕對壓力與大氣壓

力（Po）之差1負壓/真空度（負的表壓）?

7.物位檢測：

★常用物位檢測儀表——差壓式液位計（關(guān)于遷移問題）：

（1）取壓點與液位零面在同一水平面：\液位零面

圖3-41差壓傳感

設(shè)被測介質(zhì)的密度為P,容器頂部為氣相介質(zhì)，氣相壓力為器測量液位原理圖

PA,PB是液位零面的壓力，P1是取壓口的壓力，根據(jù)靜力學(xué)原理可得

P?=PA，PiPA+Pgh~P=P「Pz=Pgh

因此，差壓變送器正負壓室的壓力差為

圖3.42液位測

量的正遷移

.■液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。

(2)取壓口低于容器底部：

..A=PA

PI=PB+耳Qg=PA+hPg+KPS

二A。=PI-P2=Pgh+Pg%

在無遷移情況下，實際測量范圍是0~(hopg+hmaxpg)o原因是這種安裝方法使AP

多出一項hopg。當h=0時，AP=hopg,因此Po>20KPa。為了遷移掉hopg,即在h=0

時仍然使Po=2OKPa,可以調(diào)整儀表的遷移彈簧張力。.遷移量hopg>0,是正遷移。量程

遷移后，測量范圍為O~hmaxpg,再通過零點遷移，使差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為h0

pg~(hopg+hmaxpg)。

8.★變送器：作用：將檢測元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號送往顯示儀表或控制儀表進

行顯示、記錄或控制。常見的變送器有：溫度變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送

器等。工作原理：負反饋原理。

★變送器的量程、零點遷移：(y為標準輸出信號；x為被測參數(shù))

(1)量程遷移(調(diào)整斜率)：目的是使變送器輸出信號的上限值與測量范圍的上限值相對

應(yīng)。

因為y='((4+z0),所以改變反饋系數(shù)F的大小可以實現(xiàn)量程調(diào)整，F(xiàn)大則量程大。

F

(2)零點遷移(平移)：目的是使變送器輸出信號的下限值與測量范圍的下限值相對應(yīng)。

①零點調(diào)整：Xmin—0②零點遷移：Xmin衣0(A)正遷移：Xmin>0(B)負遷移：Xmin

<0

★調(diào)節(jié)次序：先量程調(diào)節(jié)，后零點調(diào)節(jié)。

使用溫度變送器時應(yīng)注意的問題

(1)使用前都要進行量程遷移和零點遷移。

(2)溫度變送器要與輸入信號類型相符，分度號的匹配、接線等。

★此外：熱電偶溫度變送器：熱電偶的參比端要與變送器上的補償電阻感受相同溫度。

熱電阻溫度變送器：金屬熱電阻采用三線制接法，半導(dǎo)體熱敏電阻不用。

第四章顯示儀表

1.模擬式顯示儀表：

(1)★電子電位差計——配熱電偶(熱電偶短路一指針指向參比端溫度)

功能：與溫度、流量、壓力、差壓、成分等變送器配接，可以測量和顯示能轉(zhuǎn)換成毫伏及直

流電壓信號的工藝變量。

原理：電壓補償原理。用已知電壓來補償未知電壓，使測量線路的電流等于零。用這種方法

測量電壓比較精確，因為沒有電流通過測量線路，也就不存在線路電阻影響問題?！綛ZZ】

型號：用XW系列來命名，X表示顯示儀表，W表示直流電位差計。XW-

類型：小型長圖顯示、大型長圖顯示、圓圖顯示等。

(2)★電子自動平衡電橋——配熱電阻

功能：對能轉(zhuǎn)換成電阻值的各種變量進行測量、顯示、記錄。

原理：電橋平衡原理。

型號：根據(jù)輸出電壓：XD系列——交流平衡電橋；XQ系列——直流平衡電橋

2.數(shù)字式顯示儀表：

★數(shù)顯儀表的組成框圖(右圖):

工藝變量非線性校

T信號變換唐維小i正或開方「HA/D轉(zhuǎn)換卜d標度變換一數(shù)字顯示

（熱電勢）運算

（熱電阻）fv/i轉(zhuǎn)換卜A電流信號

繼電器觸點動作

“或電流信號

T光柱電平驅(qū)動卜A光柱顯示

第五章執(zhí)行器

1.★組成：執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是指根據(jù)控制器控制信號產(chǎn)生推

力或位移的裝置。調(diào)節(jié)機構(gòu)：調(diào)節(jié)機構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機構(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。

2.分類：液動、氣動、電動。

3.執(zhí)行機構(gòu)：氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是統(tǒng)一的整體。氣動執(zhí)行機構(gòu)主要分為薄膜

式和活塞式。

4.控制閥：調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。執(zhí)行器如氣動薄膜控制閥的執(zhí)行機

構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組合起來可以實現(xiàn)氣開和氣關(guān)式兩種調(diào)節(jié)。

5.★氣動薄膜控制閥的流量特性：

（1）定義：流量特性是指流過閥門的調(diào)節(jié)介質(zhì)的相對流量與閥桿的相對行程（閥門的相對

開度）之間的關(guān)系。

（2）理想流量特性：控制閥的前后壓差不變時得到的流量特性。特點：

0孕

完全取決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)；主要有三種類型：線性、對數(shù)、快開。

以g(%)

線性閥：是指控制閥的相對流量與相對開度成線性關(guān)系。閥桿單位行程變化所引起的相對流

量變化是常數(shù)。

對數(shù)閥(等百分比流量特性)：是指單位行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量

成正比關(guān)系。

快開閥：在開度較小時就有較大流量，隨著開度的增大，流量很快就達到最大，隨后在增大

開度時流量的變化很小，故稱為快開特性。

(3)工作流量特性：實際上控制閥的前后壓差是變化的。酉己管系

數(shù)S：控制閥全開時，控制閥上壓差A(yù)Pv與系統(tǒng)總壓差A(yù)P之比。

選擇原則：

S>0.6：認為工作特性與

即：S=A&/Ap。S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，

理想特性相同。

0.3<S<0.6：

工作流量特性就表現(xiàn)為理想流量特性。一般希望S值最小不低于

S<0.3(流量特性畸變很

大)：節(jié)能運行，可以進

0.3。

行靜態(tài)非線性補償。

(4)動態(tài)特性：氣動薄膜控制閥膜頭是一個空間，它可以看作為

一個氣容，從控制器到氣動薄膜控制閥膜頭間的引壓管線有氣容和氣阻，所以管線和膜頭是

一個由氣阻和氣容組成的一階滯后環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)的大小取決于氣阻和氣容。

(5)控制閥口徑的確定：依據(jù)：流通能力。

6.閥門定位器(了解)：

功能：接受控制器的輸出信號，然后將該信號成比例地輸出到執(zhí)行機構(gòu)，當閥桿移動以后，

其位移量又通過機械裝置負反饋作用于閥門定位器，它與執(zhí)行機構(gòu)組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

采用閥門定位器，可以增加執(zhí)行機構(gòu)的輸出功率，改善控制閥的性能。

目前較多使用電動控制器，控制閥較多使用氣動控制閥。

閥門定位器的作用：

(1)改善閥的靜態(tài)特性

(2)改善閥的動態(tài)特性：改變了閥原來的一階滯后特性，減小時間常數(shù)，使之成為比例特

性。一般地，氣壓傳送管線超過60m時，應(yīng)采用閥門定位器。

(3)改善閥的流量特性——通過改善反饋凸輪的形狀

(4)用于分程控制

(5)用于閥門的反向動作——可改變閥的氣開、氣關(guān)特性

7.控制閥流量特性的選擇：選擇原則：使整個廣義對象具有線性特征。

8.控制閥氣開、氣關(guān)的選擇：選擇原則：安全原則。

第六章控制器(調(diào)節(jié)器)

1.概述：控制器是控制系統(tǒng)的核心。作用：控制執(zhí)行器，改變操縱變量，使被控變量符合生

產(chǎn)要求。分類：按能源形式分類：氣動、電動；按信號類型分類：模擬式、數(shù)字式；按結(jié)構(gòu)

形式：基地式、單元組合式、組裝式、集散控制系統(tǒng)。

2.基本控制規(guī)律：定義：是指控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系?？刂破鞯妮斎胄盘?/p>

e(t):是測量值y(t)與被控變量的設(shè)定值之差，即e(t)=y(t)-r(t);控制器的輸出信號u(t):

是送往執(zhí)行機構(gòu)的控制命令?？刂埔?guī)律就是控制器的輸出信號u⑴隨輸入信號e⑴變化的規(guī)

律。

3.PID控制算法:

(1)★比例度b:定義：控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分數(shù),

Z—Z1[/—7/1

表達式為：8=3i一迎X100%=------照一嘰X100%=Cx——X100%（必記）

一______A___M______KcZmax-ZminKc

（其中，c為儀表系數(shù)）（具體而言：使控制器的輸出變化滿刻度時，輸入信號必須改變?nèi)?/p>

量程的百分之幾）。對于單元組合儀表，有

（Zmax-Zmin）=（Mmax-"min）=^=gX100%。

★比例度5對系統(tǒng)過渡過程的影響：①在擾動（如負荷）及設(shè)定值變化時有余差存在。②比

例度愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，余差也愈大。比例度愈小，過渡過程曲線振蕩愈厲害。當

最大偏差就大。（參見右圖）

（2）比例控制特點（存在余差）：是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍，

它能迅速克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快穩(wěn)定。適用場合：擾動幅度較

小、負荷變化不大、過程時滯較小或控制要求不高的場合。

（3）積分作用特點：（A）消除余差，卻降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（B）落

后性：積分控制作用總是滯后于偏差的存

在。積分時間「定義：在階躍偏差作用下，

控制器的輸出達到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷

的時間，就是積分時間Ti。積分時間Ti越

大，直線越平坦，說明積分作用越弱。隨著Ti減小，則積分作用增強，消除余差較快，但

控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。積分飽和：積分飽和指的是一種積分過量現(xiàn)象。

解決積分飽和問題的常用方法是采用PI-P控制規(guī)律。另外，還有積分限幅法，變速積分法

等。

（4）微分作用特點（超前控制）：理想微分器在階躍偏差信號作用下的開環(huán)輸出特性是一

個幅度無窮大、脈寬趨于零的尖脈沖，輸出只與偏差的變化速度有關(guān)。微分時間TD越大，

微分作用越強。由于微分在輸入偏差變化的瞬間就有較大的輸出響應(yīng)，因此微分控制被認為

是超前控制，適用于容量滯后。

（5）★實際PID控制:=K,A1+上+（勺—1）exp（—凡）（必記）

式中第一項為比例（P）部分，第二項為積分（I）部分，第三項為微分（D）部分。心為比

例增益，KD為微分增益；下為積分時間；TD為微分時間，A為階躍信號。

適當?shù)奈⒎肿饔茫涸谪摵勺兓瘎×?、擾動幅度較大或過程容量滯后較大的系統(tǒng)中，適當引入

微分作用，可在一定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

如右圖所示：

TD太?。簩ο到y(tǒng)的控制指標沒有影響或影響甚微,

如曲線1；

TD適當：系統(tǒng)的控制指標將得到全面的改善，如

曲線2；

TD過大：引入的微分作用太強，可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振蕩，如曲線3。

如果要求引入微分作用后仍然保持原來的衰減比n,則可適當減小控制器的比例度。

適用場合：用于時滯大的場合，特別是在溫度控制系統(tǒng),

e(%

階躍偏差作用下的比例

階躍偏差下的積分控制器開

控制器的開環(huán)輸出特性

環(huán)輸出特性

(6)★「、I、D開環(huán)輸出特性：

實例某臺PID控制器偏差為1mA時,輸出表達式為A"=2+8e'(t單位為分鐘\試

問：(1)這是什么控制規(guī)律？(J)求出控制器各個軍制參數(shù)。(3)畫出其于階躍偏差作用下的

理想微分器在階躍偏實際比例微分開環(huán)

解：刈=2+8二；又有A"⑺差信號作用下的開環(huán)。―i)exp(-9)。輸出特性

輸出特性

TD

(1)PD控制規(guī)津

KCA=2

(2)\KCA(KD-1)=8解之得：Kc=2,KD=5,TD=5。

(3)開環(huán)輸出特性曲線：為KcA=2,KCKDA=10曲線如右圖所示：

4.模擬式控制器：

(1)DDZ-m型電動單元控制器：輸入信號為來自變送器或轉(zhuǎn)換器的1~5V直流測量信號,

設(shè)定信號為1~5V直流信號，兩者相比較得到偏差信號，然后對此信號進行PID運算后，

輸出1~5V或4~20mA直流控制信號給執(zhí)行器，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。

(2)控制器的工作狀態(tài)有"自動"、"軟手動"、"硬手動"及"保持"四種：軟手動一微調(diào)；

硬手動一粗調(diào)；保持一無擾動切換(輸出值保持不變)。

(3)★控制器的"內(nèi)""外"設(shè)定開關(guān)：內(nèi)一定值控制；外一隨動控制。

(4)★控制器的"正"、"反"作用開關(guān)：由u和e的方向決定，同向為正作用。當控制器

置于"正"作用時，控制器的輸出隨著正偏差的增加而增加?？刂破?正"、"反"作用開關(guān)

不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關(guān)情況來一

決定，保證控制系統(tǒng)為負反饋。彳

豳如圖所示的液位控制系統(tǒng)，如果閥的氣開、氣關(guān)特性發(fā)「以一

生改變，控制器的正、反作用也應(yīng)該發(fā)生改變。

①假設(shè)閥門選用氣天閥：

假設(shè)液位上升：LTfyTfeT

要使液位下降：LJ一閥開度〃T

和山同向(箭頭同向)二選正作用控制器。

②假設(shè)閥門選用氣狂閥：

假設(shè)液位上升：LTfyTfeT

要使液位下降：LJ一閥開度J—〃J

■「ef和ul反向(箭頭反向)二選反作用控制器。

畫如圖蒸汽加熱反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高,

試確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。

解：

(1)確定控制閥的氣開、氣關(guān)特性:

蒸汽加熱反應(yīng)釜

???工藝要求釜內(nèi)溫度不得過高，也就是說，供氣中斷時熱源關(guān)斷

，應(yīng)選氣開閥。

(2)確定調(diào)節(jié)器的正、反作用:

TTfyeT

二控制器應(yīng)選反作用

T—閥口開度—uJ

第七章簡單控制系統(tǒng)

1.★被控變量的選擇原則：

(1)合理性與獨立性：盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為被控變量。

(2)直接指標與間接指標：所選被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全、高效的要求。

(3)可測與可控：必須考慮自動化儀表及裝置的現(xiàn)狀。

2.★操縱變量的選則原則：

(1)操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。

(2)操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中所有被控變量的輸入變量中對被控變量影響最大的一個。控制

通道的放大系數(shù)K要盡量大一些，時間常數(shù)T適當小些，滯后時間盡量小。

(3)不宜選擇代表生產(chǎn)負荷的變量作為操縱變量。

(4)工藝上的合理性和方便性。

3.選擇控制規(guī)律時注意：

(1)微分作用對過程的容量滯后有效，而對過程控制通道存在純滯后無效。

(2)積分控制可以消除余差，但會帶來積分飽和。

4.★控制器的參數(shù)整定：

(1)臨界比例度法：先將控制器設(shè)置為純比例作用，比例度5放在較大位置，將系統(tǒng)投入

閉環(huán)控制，然后逐步減小比例度8并施加干擾作用，直至控制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩的過渡過

程。求得臨界比例度8k，臨界振蕩周期Tk。根據(jù)8和Tk查表找控制器應(yīng)該采用的參數(shù)值。

(注：控制系統(tǒng)工作在非線性區(qū)，不適用)

(2)衰減曲線法：將控制器先設(shè)置為純比例作用，并將比例度8放在較大的位置上。將系

統(tǒng)投入閉環(huán)控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例度，改變設(shè)定值以加入階躍干擾，觀察過渡

過程的曲線，直至衰減比n為4:lo這時的比例度為6S,衰減周期為Ts,最后，查表得出

控制器應(yīng)該采用的參數(shù)值。(注：加干擾前，控制系統(tǒng)必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)；階躍干擾的幅

值不能大；不可以過渡過程波動頻繁)

(3)經(jīng)驗整定法：經(jīng)驗法整定控制器參數(shù)的關(guān)鍵是"看曲線，調(diào)參數(shù)、(A)比例度8:

比例度越大，過渡過程越平緩，余差越大；比例度越小，過渡過程振蕩越激烈，余差越小，

S過小，甚至成為發(fā)散振蕩的不穩(wěn)定系統(tǒng)。(B)積分時間Ti:積分時間越大(積分作用越弱),

過渡過程越平緩，消除余差越慢；積分時間越小(積分作用越強)，過渡過程振蕩越激烈，

消除余差快。(C)微分時間TD:微分時間越大，微分作用越強。

第八章復(fù)雜控制系統(tǒng)

1.常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)有：串級、均勻、比值、分程、選擇性、前饋、多沖量等。

2.★串級控制系統(tǒng)(只有一個執(zhí)行器)：

(1)串級控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)：思想：把時間常數(shù)較大的被控對象分解為兩個時間

常數(shù)較小的被控對象。

例如：加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)[P171]

(2)組成原理：

①將原被控對象分解為兩個串聯(lián)的被控對

②以分解后的兩個被控對象的中間變量作為副被控變量，構(gòu)成一個副回路(簡單控制系統(tǒng)\

③將原被控變量作為主被控變量構(gòu)成主回路。

④主控制系統(tǒng)控制器的輸出信號作為副控制系統(tǒng)控制器的設(shè)定值，副控制系統(tǒng)的輸出信號作

為主被控對象的輸入信號。

(3)系統(tǒng)的工作方式：副環(huán)既是隨動又是定值控制系統(tǒng)；主環(huán)是定值控制系統(tǒng)。

(4)副被控變量的選擇原則：必須保證它是操縱變量到主被控變量通道中的一個適當中間

變量；使主要擾動作用于副對象上，使副對象包含適當多的擾動；主、副對象的時間常數(shù)不

能太接近。副控制器控制規(guī)律一般選擇P控制，而且比例度選的較小。

(5)正、反作用選擇：副控制器正、反作用的選擇根據(jù)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式來確定。

★主控制器正、反作用的選擇根據(jù)副雌變量對圭被控變量的影響關(guān)系來確定(與氣開、氣

關(guān)無關(guān)工

(1)閥的氣開、氣關(guān)特性：

依據(jù)安全原則，當供氣中斷時，應(yīng)使控制閥處于全關(guān)閉狀態(tài)，不致燒壞加熱爐，所以應(yīng)選氣

開閥。

(2)副控制器的正、反作用：

PTfTfeT

P燃料量J―閥開度J―“J

，選擇反作用。

(3)★主控制器的正、反作用：

T要求PJ才能使TJ

二主控制器應(yīng)選反作用(TT與PI反向)。

結(jié)論：副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要依據(jù)閥門的氣開、氣關(guān)特性；主調(diào)節(jié)器正、反作用的選

擇與閥門的氣開、氣關(guān)形式無關(guān)。

(6)★系統(tǒng)投運：將主控制器設(shè)定為內(nèi)設(shè)定方式，副控制器設(shè)定為外設(shè)定方式。參數(shù)整定：

①兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器。②一步整定法：只整定主控制器，副控

制器的參數(shù)按經(jīng)驗值設(shè)定。

(7)串級控制系統(tǒng)適用場合：

采用簡單控制質(zhì)量較差，或要求被控變量的誤差范圍很小，簡單控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。

當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁的情況。

復(fù)雜控制系統(tǒng)中用的最多的一種。

3.均勻控制系統(tǒng)(與簡單定值系統(tǒng)外形一致)：

(1)均勻控制的目的：從控制方案出發(fā)，解決前后工序供求矛盾，達到前后兼顧協(xié)調(diào)工作

(如使液位和流量均勻變化)

(2)采用均勻控制的前提條件：系統(tǒng)需要控制的兩個或多個變量的要求不是很高，可以在

一定范圍內(nèi)波動。

(3)均勻控制的特點：

①表征前后供求矛盾的兩個變量在控制過程中都應(yīng)該是緩慢變化的。

②前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應(yīng)保持在所允許的范圍內(nèi)波動。

(4)實現(xiàn)方法：通過控制器的參數(shù)整定來實現(xiàn)。

(5)★注意：微分作用與均勻矛盾，故不能采用微分作用。

(6)★與定值控制系統(tǒng)區(qū)別：區(qū)別在于控制器的控制規(guī)律選擇和參數(shù)整定。均勻控制系統(tǒng)

要求：不選擇微分作用，參數(shù)整定上一般比例度大于100%,積分時間要長，才能滿足均勻

控制。均勻控制系統(tǒng)所控制的變量允許有一定波動，對余差無要求。

4.比值控制系統(tǒng)：

(1)目的：是為了實現(xiàn)幾種物料按一定比例混合，使生產(chǎn)安全、正常地進行。

(2)定義：實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。

(3)主動量與從動量：主動量(主流量):在需要保持比值關(guān)系的兩種物料中，必有一種

物料處于主導(dǎo)地位，稱此物料為主動量(FM)。從動量(從流量):另一種物料按主物料進行

配比，在控制過程中隨主物料而變化，因此稱為從動量(FS)。

(4)比值控制系統(tǒng)分類：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。

(5)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的區(qū)別：

結(jié)構(gòu)上：沒有主對象、主控制器；

本質(zhì)區(qū)別：串級中，副變量是操縱變量到主被控變量之間的一個中間變量，會影響主被控變

量，在比值中，從動量不會影響主動量。

(6)特點：從動量控制系統(tǒng)既是一個隨動控制系統(tǒng)又是一個定值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)比值控

制系統(tǒng)能克服從動量的波動，使其隨主動量的變化而變化，使它們保持比值關(guān)系。

(7)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實際上是由一個定值控制系統(tǒng)和一個隨動控制

系統(tǒng)組成，它不僅能保持兩個流量之間的比值，而且能保證總流量不變。適用場合：主要應(yīng)

用于總流量需要調(diào)整的場合。

5.分程控制系統(tǒng)(需要閥門定位器)：

叫廠t執(zhí)行器］r、“八

閥門

“」執(zhí)行器21開度

(%)

惻融送卜

(1)分程控制系統(tǒng)方塊圖及其特性:

(2)分程控制系統(tǒng)的特點：

簡單控制系統(tǒng)：一個控制器的輸出信號只控制一個執(zhí)行器。

分程控制系統(tǒng)：一個控制器的輸出信號同時控制幾個工作范圍不同的執(zhí)行器。

(3)分程的實現(xiàn)：是通過閥門定位器或電氣閥門定位器來實現(xiàn)的，將調(diào)節(jié)器的輸出信號分

為幾段，每段控制一個閥門動作。

(4)分程控制的應(yīng)用：①提高控制閥的可調(diào)比；②交替使用不同的控制方式；③滿足生產(chǎn)

過程不同階段的需要。

控制閥max流通能力

(5)★控制閥的可調(diào)范圍R的計算：R=

控制閥min流通能力

畫設(shè)大、小兩個調(diào)節(jié)閥的最大流通能力分別為CAmax=100,CBmax=4,可調(diào)范圍

RA=RB=30,兩個閥均為氣開閥，試求兩個閥并聯(lián)后的可調(diào)范圍。

解：?.?R=*cL

Cmin

c4

，可得小閥的最小流通能力為Qmin=—詈=—?0.133

RB30

當大、小閥并聯(lián)組合在一起時，閥的最小流通能力為0.133,最大流通能力為104,所

以調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍為

RT=Jmax+08max