過程控制系統與儀表課件

過程控制系統與儀表

第1章緒論過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領域的自動控制系統，都屬于過程控制系統。連續(xù)生產過程的特征是：生產過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理化學反應、物質能量的轉換或傳遞。例如室內溫度的控制。圖1為人工控制室溫。假設在冬季，室內加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風回風恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當的控制。

過程控制系統的定義：

為實現對某個工藝參數的自動控制，由相互聯系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統，自動化儀表代替了人。回風恒溫室23送風熱水M回水41圖2室溫自動控制系統示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT在討論控制系統工作原理時，為清楚地表示自動控制系統各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統。如圖2的室溫控制系統是由溫度變送器、控制器、電動調節(jié)閥和加熱器及房間組成。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統的主要任務是：對生產過程中的重要參數（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統原理方框圖基本概念：被控對象：需要實現控制的設備、機械或生產過程稱為被控對象。被控變量：對象內要求保持一定數量（或按一定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量?？刂谱兞浚菏軋?zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數值的物料或能量稱為控制變量。干擾量：除控制變量以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。當控制變量確定以后，其他所有未被選中的變量均稱為干擾量。設定值：工藝規(guī)定被控變量所要保持數值的。偏差：偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差，但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值。在控制系統中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。1.1過程控制的特點過程控制系統具有以下特點：1．控制對象復雜、控制要求多樣明顯區(qū)別于運動控制系統2．控制方案豐富3．控制對象大多屬于慢過程4．大多數工藝要求定值控制5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置1.2過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統的發(fā)展過程1．局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現場生產設備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統?？刂苾x表集中在控制室，生產現場各處的參數通過統一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產流程各處的狀況。適用于生產規(guī)模較大的多回路控制系統。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）巴基斯坦賈姆肖羅電廠

3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現，大大簡化了控制功能的實現。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現直接數字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統的故障危險高度集中，一旦計算機出現故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產過程風險加大。因此，DDC系統并未得到廣泛應用。

80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現了內裝CPU的數字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數字控制儀表和計算機與網絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現了數字化、智能化。控制系統也出現了由智能儀表構成的現場總線控制系統（FCS，FieldbusControlSystem)。FCS系統把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能儀表便可實現生產過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網絡——現場總線，將分散在現場的控制系統的通信連接起來，實現信息集中管理。1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。以經典控制理論為基礎的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善。現代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產物。3、系統的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內外著名儀表生產企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。西安儀表廠渭河電廠巴基斯坦古杜電廠

核電廠

新疆煉油廠

武鋼

哈爾濱伊蘭煤氣

哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠

渭河化肥廠揚子石化揚子石化揚子石化

蘭州石化

蘭州石化學生在揚子石化實習測控專業(yè)學生在蘭州石化實習自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內部控制柜內PLC過程控制實驗室1.3過程控制系統分類及其性能指標1.3.1過程控制系統的分類過程控制系統有多種分類方法。按所控制的參數來分，有溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統等；按控制系統所處理的信號方式來分，有模擬控制系統與數字控制系統；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統與計算機控制系統等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統的結構特點分類。1.按設定值的形式分類1）定值控制系統——設定值恒定不變。2）隨動控制系統——設定值隨時可能變化。3）程序控制系統——設定值按預定的時間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－2.按系統的結構特點分類1）反饋控制系統（閉環(huán)控制系統）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統是過程控制最基本的結構形式。2）前饋控制系統（開環(huán)控制系統）控制系統沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統原理框圖3）復合控制系統

前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復合控制系統原理框圖1.3.2過程控制系統的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統的性能指標。控制系統的性能指標是根據工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。t0y1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統的輸入和輸出均恒定不變時，系統就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統的動態(tài)。即控制系統從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產生控制作用來使系統恢復平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系。1.3.2.2控制系統的過渡過程控制系統的輸入變化后，系統從原來的平衡狀態(tài)，經過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統的過渡過程。系統的過渡響應受內部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－1、內部因素：系統特性系統的特性是由系統中各環(huán)節(jié)的特性和系統的結構所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統的輸入信號。生產中，出現的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統時，為了充分體現系統的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統過渡過程有四種形式：①單調衰減過程被控變量在給定值的一側作單調變化，最后穩(wěn)定在某一數值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數值上。①t0θa②0θa③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調衰減過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經常采用。單調過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產上不允許被控變量有波動的情況下才采用。（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。

1.3.2.3控制系統的性能指標對控制系統的性能評價，是根據工藝對控制過程和結果的要求來衡量的?？刂葡到y的過渡過程曲線是評價控制系統品質的樣本。最典型的控制性能測試是給系統輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統的性能指標是一致的。干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－干擾階躍響應t0y給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－給定階躍響應0ty1.系統階躍響應的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。

控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類單項性能指標以控制系統被控參數過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統的品質指標。1）衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ

是表示系統穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動態(tài)偏差是控制系統動態(tài)準確性指標。2）最大動態(tài)偏差A和超調量σ最大動態(tài)偏差表示系統瞬間偏離給定值的最大程度。即:A

=ymax

-r

圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有時也采用超調量σ來表示被控參數偏離設定值的程度，σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt3）余差C過渡過程結束后，被控參數的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C=

y(∞)-r圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內，就認為過渡過程結束。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統快速性的指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T，其倒數稱為振蕩頻率f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統快速性的指標。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

[例]

某換熱器的溫度控制系統給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=

5:1

控制系統的單項品質指標小結穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好各品質指標之間既有聯系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據具體工藝情況分清主次，對生產過程有決定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。2.系統階躍響應的綜合性能指標——偏差積分單項指標雖然清晰明了，但如何統籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統的品質。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTttyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達余差e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無窮大偏差積分指標有以下幾種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保證系統是衰減振蕩。②絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt排除了正負偏差抵消的可能。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對大偏差敏感

④時間與絕對偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對調節(jié)時間敏感圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt自動調節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：電動調節(jié)閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸；但推力較小。氣動調節(jié)閥：結構簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調節(jié)閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動調節(jié)閥和電動調節(jié)閥。4.1.1氣動調節(jié)閥氣動調節(jié)閥是由氣壓信號控制的閥門。氣動薄膜室推桿閥門閥位指示標牌閥桿4.1.1.1氣動調節(jié)閥的結構與分類氣動調節(jié)閥由執(zhí)行機構和控制機構（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。

1.執(zhí)行機構執(zhí)行機構按調節(jié)器輸出的控制信號，驅動調節(jié)機構動作。氣動執(zhí)行機構的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

直行程輸出的氣動執(zhí)行機構有兩類。氣動活塞式執(zhí)行機構薄膜式執(zhí)行機構P正作用執(zhí)行機構反作用執(zhí)行機構（1）直通單座閥流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。結構簡單、泄漏量小。2．調節(jié)機構調節(jié)機構就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據不同的使用要求，閥門的結構型式很多。正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減?。?）直通雙座閥

閥體內有兩個閥芯和閥座。流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進側出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。適用于現場管道要求直角連接，介質為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。（4）三通控制閥

有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥

采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填料，介質也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內開孔。轉動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。（8）籠式閥閥內有一個圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個或幾個不同形狀的孔（窗口），利用套筒導向，閥芯在套筒內上下移動，改變閥的節(jié)流孔面積?？烧{比大，不平衡力小，更換開孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不適于高粘度或帶有懸浮物的介質流量控制。（9）凸輪撓曲閥又名偏心旋轉閥。其閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉動軸上。閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。適用于高粘度或帶有懸浮物的介質流量控制。調節(jié)閥除了結構類型的不同外，其它的主要技術參數是流量特性和口徑。4.1.1.2調節(jié)閥的流量特性調節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關系，對控制系統的調節(jié)品質有很大影響。流量特性的定義：被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系稱為調節(jié)閥的流量特性。Q/Qmax—相對流量

l/L—相對開度相對流量Q/Qmax

是控制閥某一開度流量Q與全開時流量Qmax之比；相對開度l/L

是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。調節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。LQ為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。321343

142（1）直線特性（2）等百分比特性（3）快開特性（4）拋物線特性（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數。用數學式表示為：3

1

42(l/L)/%

R—調節(jié)閥的可調比系數?？烧{比R為調節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中Qmin不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調比R=30。R=Qmax/Qmin31

42控制力：閥門開度改變時，相對流量的改變比值。

例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[（20-10）/10]×100%=100%50％時：[（60-50）/50]×100%=20%80％時：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數在任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。（2）等百分比（對數）流量特性單位相對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系：3

1

42曲線斜率（放大系數）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。等百分比閥在各流量點的放大系數不同，但對流量的控制力卻是相同的。10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%

同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數曲線之間，使用較少。（3）快開特性31

42開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統。2、調節(jié)閥的工作流量特性實際使用時，調節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。例：管道串聯時的工作流量特性如圖，管道系統總壓力ΔP等于管路系統的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P從串聯管道中調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調節(jié)閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統總壓力；調節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥阻比S表示調節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。S=PTmin

/△

P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以Qmax表示串聯管道阻力為零時(S=1)，閥全開時達到的最大流量。可得串聯管道在不同S值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對數閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥S↓結論串聯管道使調節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯管道使調節(jié)閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯管道會使調節(jié)閥的放大系數減小，調節(jié)能力降低，S值低于0.3時，調節(jié)閥能力基本喪失。4.1.1.2調節(jié)閥的選擇選用調節(jié)閥時，一般應考慮以下幾個方面。1．調節(jié)閥結構的選擇通常根據工藝條件，如使用溫度、壓力，介質的物理、化學特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調節(jié)閥的結構形式。例如，一般介質條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質選用高壓閥；強腐蝕介質采用隔膜閥等。氣動薄膜三通調節(jié)閥氣動薄膜精小型調節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥V型O型對夾薄型氣動調節(jié)球閥氣動法蘭調節(jié)蝶閥氣動對夾式調節(jié)蝶閥氣動精小型調節(jié)閥2．氣開式與氣關式的選擇氣動調節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關小的稱為氣關式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱為氣開式。如氣動薄膜調節(jié)閥的氣開式與氣關式：氣關式氣關式氣開式氣開式

給水閥燃氣閥蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：

給水閥應選氣關式

燃氣閥應選氣開式閥門氣開氣關式的選擇原則：當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)。氣開閥與氣關閥

*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。氣開閥與氣關閥的選擇原則

*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。3.調節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質的重要因素之一是：保持控制系統的總放大倍數在工作范圍內盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控對象的放大倍數，在不同的工藝點不同。如熱水加熱器的熱水流量與送風溫度的靜特性MTT熱水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%K由圖可見，隨著熱水流量增大，對送風的加熱效果越來越差。因為熱交換需要時間，熱水很快流走，不能充分熱交換所致。但若用蒸汽加熱，由于冷凝放熱很快，該特性為直線特性。很多對象在工作區(qū)域內穩(wěn)態(tài)放大倍數K不是常數，在不同的工藝負荷點，K不相同。因此希望調節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性使調節(jié)閥的特性與過程特性乘積為一常數。（1）若調節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負荷變化又大，用等百分比特性補償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。（2）若調節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負荷變化不大，用直線閥。4.調節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調節(jié)閥的尺寸。如果調節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經常工作在小開度位置，造成調節(jié)質量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產的正常進行。調節(jié)閥的口徑決定了調節(jié)閥的流通能力。

調節(jié)閥的流通能力用流量系數C值表示。流量系數C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調節(jié)閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經閥的水流量為20m3/h，則該調節(jié)閥的流量系數為：C=20。

在調節(jié)閥技術手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg將流量系數的定義條件代入基本流量公式：實際應用中閥門兩端壓差不一定是100kPa，流經閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數C值的計算根據基本流量公式兩式相除得QDg?P

（2）氣體、蒸汽C值的計算氣體、蒸汽都具有可壓縮性，其C值的計算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問題，計算時進行相應的修正。根據實際的工藝流量和管道壓力換算出C值后，查閥門手冊確定口徑。QDg?P例

某供暖系統，流過加熱盤管的水流量為Q=31m3/h熱水為80℃，Pm-Pr=1.7×100kPa，所裝閥門取多大？解：Pm-Pr是管網入口壓差，設配管S=0.5～0.7，

?P=（0.5～0.7）×1.7×100kPa≈100kPa80℃熱水的密度ρ=971Kg/m3代入給水泵熱水鍋爐盤管PmPrM得C≈31

，取標準C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。調節(jié)閥流量特性總結

線性閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50~70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對數閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少，Kv漸近于常數。

選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60以上（即調節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。4.1.2電/氣轉換器為了使氣動調節(jié)閥能夠接收電動調節(jié)器的輸出信號，必須把標準電流信號轉換為標準氣壓信號。電/氣轉換器作用：I↑

吸力Fi↑

杠桿偏轉

擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡

P∝I工作原理負反饋磁鐵調零FiFf背壓4.1.3閥門定位器氣動調節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。解決措施在調節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。

4.1.4

電/氣閥門定位器實際應用中，常把電/氣轉換器和閥門定位器結合成一體，組成電/氣閥門定位器。I↑

杠桿上端右移

擋板靠近噴嘴

P壓力↑

閥桿下移

反饋凸輪右轉

反饋彈簧右拉

杠桿平衡氣動薄膜單座(套筒)調節(jié)閥氣動薄膜雙座調節(jié)閥

氣動調節(jié)閥氣動調節(jié)蝶閥4.1.5電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥接受來自調節(jié)器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調。電磁閥也接受來自調節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調節(jié)。執(zhí)行機構如直動式電磁閥：線圈通電時，產生電磁力，吸引閥芯柱上移，閥門打開。線圈斷電后，電磁力消失，閥芯落下。在彈簧壓力下閥門緊閉。電磁閥是位式閥，只有全開和全關兩個位置。電動調節(jié)閥也由執(zhí)行機構和閥門兩部分組成。執(zhí)行機構是調節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信號轉換成相應的動力，帶動控制機構動作。閥門是調節(jié)閥的控制機構，它與氣動調節(jié)閥的閥門是通用的。執(zhí)行機構控制機構電動執(zhí)行機構用控制電機作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機轉動經減速器后輸出。直行程：電機轉動經減速器減速并轉換為直線位移輸出。多轉式：轉角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉式閥門。這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。電動執(zhí)行機構

輸入信號與位置反饋信號進行比較，將差值放大。驅動電機經減速輸出，帶動閥門直到位置發(fā)送器檢測到的位置信號與輸入信號相等時，放大器輸出為零。電動執(zhí)行機構原理方框圖

兩相電機伺服驅動電路

＋－

線圈Ⅱ、CF例

a（+）b（-）時

觸發(fā)電路1工作

SCR1導通c、d間短接線圈Ⅰ

電機正轉220V通路

90o

相移4.1.6智能式調節(jié)閥隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到調節(jié)閥中，出現了智能式調節(jié)閥。主要功能如下：1．控制及執(zhí)行功能2．補償及校正功能3．通信功能4．診斷功能5．保護功能智能電動執(zhí)行機構電動V形球閥電動O形球閥電動三通球閥電動蝶閥電動高溫蝶閥智能電動蝶閥電動小型調節(jié)閥電動直角調節(jié)閥電動雙座調節(jié)閥電動漿液閥電動刀型閘閥電動閘閥給定值被控量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器和執(zhí)行器的特性一般是比例關系、控制器的特性由控制規(guī)律決定。本章討論被控對象的特性。被控對象Xri(s)Xci(s)

5.1被控過程數學模型的作用與要求被控對象大都是生產中的工藝設備，它是控制系統的重要環(huán)節(jié)。無論是設計、還是操作控制系統，都需要了解被控對象的特性。在經典控制理論中：用單輸入、輸出的數學模型動態(tài)數學模型：輸入變量與輸出變量之間動態(tài)關系的數學描述。靜態(tài)數學模型：系統運行在穩(wěn)定的平衡工況下，輸入變量與輸出變量之間的數學關系。數學模型的作用：1、設計過程控制系統及整定控制參數的重要依據；2、指導生產工藝及其設備的設計與操作；3、對被控過程進行仿真研究；4、培訓運行操作人員；5、工業(yè)過程的故障檢測與診斷。數學模型的要求：盡量簡單，正確可靠最常用的是傳遞函數。

傳遞函數是指用拉氏變換式表示的對象特性。模型的階次一般不高于3階，主要采用具有純滯后的一階和二階模型，帶純滯后的一階最常用。被控對象xr(t)xc(t)Xc(s)Xr(s)W

(s)=5.2建立被控過程數學模型的基本方法求對象的數學模型有兩條途徑：機理法：根據生產過程的內部機理，列寫出有關的平衡方程，從而獲取對象的數學模型。測試法：通過實驗測試，來識別對象的數學模型。由于影響生產過程的因素較多，單純用機理法建模較困難，一般用機理法的分析結論，指導測試結果的辨識。5.3機理法建模5.3.1機理法建模的基本原理通過分析生產過程的內部機理，找出變量之間的關系。如物料平衡方程、能量平衡方程、化學反應定律、電路基本定律等，從而導出對象的數學模型。5.3.2單容過程建模當對象的輸入輸出可以用一階微分方程式來描述時，稱為單容過程或一階特性對象。大部分工業(yè)對象可以用一階特性描述。典型代表是水槽的水位特性。

5.3.2.1單容貯液箱液位過程I如圖是一個水槽，水經過閥門l不斷地流入水槽，水槽內的水又通過閥門2不斷流出。工藝上要求水槽的液位h保持一定數值。在這里，水槽就是被控對象，液位h就是被控變量。如果想通過調節(jié)閥門1來控制液位，就應了解進水流量Q1變化時，液位h是如何變化的。此時，對象的輸入量是流入水槽的流量Q1，對象的輸出量是液位h。W(S)Q1h機理建模步驟：從水槽的物料平衡關系考慮，找出表征h與Q1關系的方程式。設水槽的截面積為A

Ql0=Q20時，系統處于平衡狀態(tài)，即靜態(tài)。這時液位穩(wěn)定在h0h0閥門1閥門2Q10Q20假定某一時刻，閥門1突然開大?μ1，

則Q1突然增大，不再等于Q2，于是h也就開始變化。

Q1與Q2之差被囤積在水槽中，造成液位上升。（

?Ql-

?Q2）/A=d?h/dtRS——閥門2阻力系數；Kμ——閥門1比例系數；μ1——閥門1的開度；式中：h0閥門1閥門2Q10Q20?h?Q1=Kμ?μ1即解得寫成標準形式令：T=ARs——時間常數；K=KμRs——放大倍數。

進行拉氏變換TSH(S)+H(S)=Kμ1(S)傳遞函數為：

階躍響應（飛升）曲線輸入量μ1作一階躍變化（Δμ1）時，其輸出（Δh）隨時間變化的曲線。1Δμ1ttΔhKT因則時域表達式又稱一階慣性特性或單容特性因為工藝過程就是能量或物質的交換過程，在此過程中，肯定存在能量的儲存和阻力。（1）容量系數——反映對象存儲能量的能力。

如水槽面積A，它影響時間常數T的大小。（2）阻力系數——反映對象對物料或能量傳遞的阻力。如閥門阻力系數RS，它影響放大系數K的大小。

T=ARSK=RS對象的特性參數K、T反映了對象的物理本質。5.3.2.2被控過程的自衡特性與單容貯液箱液位過程II從一階慣性特性曲線可以看出，對象在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，在沒有人工干預或調節(jié)器干預下，能自動達到新的平衡狀態(tài)，這種特性稱為“自衡特性”。

用自衡率ρ表征對象自衡能力的大小1Δμ1ttΔhKT并不是所有被控過程都具有自衡特性。同樣的單容水槽如果出水用泵抽出，則成為無自衡特性。與放大系數K互為倒數如果ρ大，說明對象的自衡能力大。即對象能以較小的自我調整量Δh（∞），來抵消較大的擾動量Δμ1。1Δμ1ttΔhKTΔQ2

=0

令h0閥門1Q10Q20h單容無自衡特性若閥門1突然開大?μ1，

則Q1增大，Q2不變化。

?Q1=Kμ?μ1—稱飛升速度則：傳函：即：

Δh（t）=∫εΔμ1dt—又稱積分特性h0閥門1Q10Q20h若閥門1階躍增大?μ1，

則Δh（t）持續(xù)增長。

tΔμ1h0tΔh圖5.5非自衡單容液位控制過程階躍響應曲線μ05.3.2.3單容溫度過程建模及其他單容過程某電容電加熱過程，容器內液體的總熱容為C，液體的比熱容為Cp，流體流量（流入、流出相等）為q，液體以溫度Ti流入加熱容器，以溫度Tp流出加熱容器。求電加熱電壓u和液體輸出溫度Tp之間的關系單電容電加熱熱力過程把加熱器看作一個獨立的隔離體，設容器所在的環(huán)境溫度為Tc。根據能量平衡關系，單位時間進入容器的熱量Q1與單位時間流出的熱量Q2之差等于容器內熱量儲存的變化率。而式中為流入液體帶走的熱量。式中為容器向周圍散發(fā)的熱量。當加熱處于穩(wěn)態(tài)時，即Tp保持不變，此時，從加熱器輸出的熱量等于從外部輸入的熱量用增量表示變量對于穩(wěn)態(tài)值的變化量可得：假設q，Ti，Tc不變，所以有綜合上述各式可得在工作點附近進行線性化處理可得代入上式可得進行拉氏變換可得其中5.3.3多容過程建模有一個以上貯蓄容量的過程稱為多容過程。5.3.3.1多容液位過程如圖所示為雙容對象。由兩個一階慣性環(huán)節(jié)串聯起來，操縱變量是Δμ1，被控變量是第二個水槽的水位h2。Δμ1C2可以求出傳遞函數：由兩個一階慣性特性乘積而成。又稱二階慣性。式中：T1＝A1R2T2＝A2R3K＝KμR3Δμ1C2A1A2R2R3Kμ當輸入量是階躍增量Δμ1

時，被控變量Δh2的反應（飛升）曲線呈S型。

所謂滯后是指被控變量的變化落后于擾動變化的時間。0tΔh2（∞）Δh2為簡化數學模型，可以用帶滯后的單容過程來近似。0tΔh2（∞）Δh2τ0

Δh2（∞）0tτcT0在S形曲線的拐點上作一切線，若將它與時間軸的交點近似為反應曲線的起點，則曲線可表達為帶滯后的一階特性：?h2(t)=K0?μ1

(1－e)t≥τc

-(t－τc)T00t<τc被控過程的容量系數C越大，τc越大；容量個數越多（階數n越多），階躍響應曲線上升越慢。Δh(∞)OtΔhn=1n=2n=3n=4n=5切線在時間軸上截出的時間段τc為容量滯后。5.3.3.2容量滯后與純滯后1.容量滯后0tτcT02.純滯后由信號或能量的傳輸時間造成的滯后現象，稱為純滯后。下圖是一個具有純滯后的單容液位過程。流入的流量Q1要經過長度為

l的

水槽延遲。0tτ0

Δhv——水的流速；

0tτ0

Δh純滯后時間有些對象容量滯后與純滯后同時存在，很難嚴格區(qū)分。常把兩者合起來，統稱為滯后時間τ

τ=τo+τct0τcT0Δh2（∞）τ05.4測試法建模根據工業(yè)過程中某因果變量的實測數據，進行數學處理后得到的數學模型。測定對象特性的實驗方法主要有三種：（1）時域法——輸入階躍或方波信號，測對象的飛升曲線或方波響應曲線。（2）頻域法——輸入正弦波或近似正弦波，測對象的頻率特性。（3）統計相關法——輸入隨機噪音信號，測對象參數的變化。5.4.1階躍響應曲線法建模給對象輸入一階躍信號或方波信號測其輸出響應。1．階躍響應曲線的直接測定1Δμ1ttΔhKT在被控過程處于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)時，將選定的輸入量做一階躍變化（如將閥門開大），測試記錄輸出量的變化數據，所得到的記錄曲線就是被控過程的階躍響應曲線。有些工藝對象不允許長時間施加較大幅度的擾動，那么施加脈寬為△t的方波脈沖，得到的響應曲線稱為“方波響應”。２．矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應曲線

一個是在t=0時加入的正階躍信號x1（t）另一個是在t=Δt

時加入的負階躍信號x2（t）x（t）=x1（t）+x2（t）其中，x2（t）=-x1（t-Δt）方波響應可以轉換成飛升曲線。原理：方波信號是兩個階躍信號的代數和。＋ΔtΔttttxxxx0x0x0根據此式，方波響應可逐點拆分為飛升曲線y1（t）和y2（t）。對應的響應也為兩個階躍響應之和：y（t）=y1（t）+y2（t）=y1（t）-y1（t-Δt）ty2(t)OtxOO

tΔtΔtx1(t)x2(t)=—x1(t-Δt)Δtxy1(t)y(t)y(t)5.4.1.2由階躍響應曲線確定被控過程傳遞函數大多數工業(yè)對象的特性可以用具有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)來近似描述：1xtty0tyττ00對于少數無自衡特性的對象，可用帶滯后的積分特性近似描述：

xtty0tyττ00由對象的階躍響應曲線基本可以辨識對象的特性模型結構和特性參數。一階對象的特性參數都具有明顯的物理意義：由階躍響應曲線確定一階慣性加滯后環(huán)節(jié)模型ttx0y(∞)yx放大倍數K的物理意義K表明了穩(wěn)態(tài)時，輸出對輸入的放大倍數。求法：

K=y(∞)/

x0K越大，表示對象的輸入對輸出的影響越大。時間常數的物理意義對象受到階躍輸入后，輸出達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2％所需的時間，就是時間常數T?；驅ο笫艿诫A躍輸入后，輸出若保持初始速度變化到新的穩(wěn)態(tài)值所需時間就是時間常數。tT0.632y∞)求法：在相同的階躍輸入作用下，對象的時間常數不同時，被控變量的響應曲線如圖所示。

T反映了對象輸出對輸入的響應速度T越大，響應越慢。如水槽對象中T=ARS

，說明水槽面積越大，水位變化越慢。T也反映了過渡過程時間被控變量變化到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間理論上需要無限長。當t→∞時，才有y＝Kx0，但是當t=3T時，便有：

即：經過3T時間，輸出已經變化了滿幅值的95％。這時，可以近似地認為動態(tài)過程基本結束。tTy∞)3T例：被控過程的單位階躍響應是一條S形單調曲線，用有純滯后的一階環(huán)節(jié)近似描述該過程的特性。作圖法：0tTy（∞）τ

1）在響應曲線的拐點處作一條切線，該切線與時間軸的交點切出τ；2）以τ為起點，與y(∞)的交點切出的時間段為T；3）K=y(∞)/x0由于階躍響應曲線的拐點不易找準，切線的方向也有較大的隨意性，因而作圖法求得的T、τ值誤差較大?？梢杂糜嬎惴▉砬筇匦詤?。計算法的原理是根據曲線上的已知兩點解方程。兩點法：先將y（t）轉換成無量綱的形式y*（t）。0t1y*(t)有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，單位階躍響應為：

0t<τ

t≥τy*(t)=y*(t2)y*(t1)

t1

t20t1y*(t)在無量綱飛升曲線上，選取t1、t2兩時刻的響應y*（t）的坐標值：

解方程組

得

y*（t1）=0.39y*（t2）=0.63τ=2t1–t2T=2（t1-t2）y*(t2)y*(t1)

t1

t20t1y*(t)為計算方便，取特殊兩點：則2、由階躍響應曲線確定二階及高階模型特性參數K，若用0tTy（∞）τ來近似如圖所示的階躍響應曲線。放大倍數K為：

K=y(∞)/

x0純滯后時間可根據階躍響應曲線開始出現變化的時刻來確定。y(t)在時間軸上截去純滯后，化為無量綱形式的階躍響應截去純滯后并化為無量綱形式后可得到：與上式對應的單位階躍響應為：可利用階躍響應曲線上兩個點的數據確定T1和T2，一般選取，兩點，再從曲線上確定對應的t1和t2可得到方程組：可求出近似解：當時，被控過程可近似為二階慣性環(huán)節(jié)；當時，被控過程可近似為一階慣性環(huán)節(jié)；當時，被控過程可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數為：當時，被控過程可近似為時間常數為：當時，被控過程應采用高于二階的環(huán)節(jié)近似，即時間常數為：式中的n可根據查表。3、由階躍響應曲線確定無自衡被控過程數學模型的特性參數無自衡被控過程的階躍響應隨時間將無限增大，但其變化率會趨于一個常數。若用來近似右圖的階躍響應曲線，為了確定時間常數T

，作階躍響應曲線的漸近線與時間軸交于，與時間軸的夾角為。可得到則有上述方法比較簡單，但在到A這一段誤差較大。若要求保證這一段的精確度，可采用來近似被控過程的傳遞函數。在之間，可取純滯后。在階躍響應達到穩(wěn)態(tài)時主要是積分作用為主，則有在時間段，慣性環(huán)節(jié)起作用，可取檢驗，設階躍輸入為，則在之間，y(t)=0;當時，當時，5.4.2測定動態(tài)特性的頻域法被控過程的動態(tài)特性也可用頻率特性來表示：方法：在對象的輸入端加特定頻率的正弦信號，同時記錄輸入和輸出的穩(wěn)定波形（幅度與相位）。在選定范圍的各個頻率點上重復上述測試，便可測得該對象的頻率特性。y（t）x（t）優(yōu)點：能直接從記錄曲線上求得頻率特性。頻率特性測試裝置的工作原理：對激勵輸入信號進行波形變換，得到幅值恒定的正余弦參考信號，把參考信號與被測信號進行相關處理，所得常值部分保存了被測信號基波的幅值和相角信息。被測過程頻率特性的同相分量

正交分量幅值相角5.4.3測定動態(tài)特性的統計相關分析法相關分析法是在生產正常進行中，向被控過程輸入一種對正常生產過程影響不大的特殊信號——偽隨機測試信號，通過對被控過程的輸入、輸出數據進行相關分析得到被控過程的數學模型；有時也可以不加專門信號，直接利用生產過程正常運行時所記錄的輸入、輸出數據，進行相關分析得到數學模型。這種方法對系統運行干擾程度低。若系統備有計算機在線工作，整個試驗可由計算機完成。5.4.4最小二乘法建立被控過程的數學模型前面討論的方法都是建立連續(xù)時間數學模型。為了適應計算機控制技術的發(fā)展，需要建立被控過程的離散時間數學模型。如果對被控過程的輸入信號u(t)、輸出信號y(t)進行采樣，則可得到一組輸入序列u(k)和輸出序列y(k)：線性定常對象U(t)y(t)······輸入序列和輸出序列之間的關系總可用差分方程進行描述（純滯后時間已剔除）。y(k)+a1y(k－1)+a2y(k－2)+???+any(k－n)＝b1u(k－1)+b2u(k－2)+???+bnu(k－n)式中:k——采樣次數；n——模型階數在確定了模型的階數n后；還需要確定上述模型中的參數ai、bi。最小二乘法就是在n和τ0已知的前提下，根據輸入、輸出數據，推算模型參數a1,a2,…,an及b1,b2…

bn

的方法。說明：常規(guī)儀表圖形符號是直徑為12mm(或10mm)的細實線圓圈上下有分隔直線的表示控制室儀表（集中盤面安裝）

中間無分隔直線的為現場儀表（就地安裝）

后續(xù)字母表示儀表功能第1位數字表示工段號TC206后續(xù)數字表示儀表序號第1位字母表示被控參數TC206控制系統原理方框圖給定值＋－測量變送器控制器執(zhí)行器對象操作量被控變量干擾熱物料載熱介質冷物料熱交換器TTTC控制系統工藝流程圖6.2簡單控制系統設計過程控制系統方案設計的基本要求生產過程對過程控制系統的要求可簡要歸納為安全性、穩(wěn)定性和經濟性三個方面。安全性：整個生產過程中，確保人員設備的安全。穩(wěn)定性：指系統在一定外界干擾下，在系統參數、工藝條件一定的變化范圍內能長期穩(wěn)定運行的能力。經濟性：指提高產品質量、產量的同時，降耗節(jié)能，提高經濟效益與社會效益。2.過程控制系統設計的主要內容方案設計：是系統設計的核心

工程設計：是在控制方案正確設計的基礎上進行工程安裝：是保證系統正常運行的前提儀表調校、調節(jié)器參數整定：是系統運行在最佳狀態(tài)的重要保證

3.過程控制系統設計的步驟1）掌握生產工藝對控制系統的技術要求2）建立被控過程的數學模型傳統的基于模型的控制，首先解決數學建模的問題：包括機理法建模和測試法建模。有一些情況下，由于被控過程的復雜性，實施起來有一定的難度。無模型控制技術正在成為研究熱點。3）確定控制方案：包括控制方式和系統組成結構的確定，是系統設計的關鍵步驟。必須深入了解生產工藝情況，結合控制要求，根據過程特性、擾動情況以及限制條件等運用控制理論和控制技術才能設計一個工藝上合理的正確控制方案。4）控制設備選型（選擇傳感器、變送器、控制器與執(zhí)行器）5）實驗（或仿真）驗證：6.2.2被控參數與控制變量的選擇6.2.2.1被控參數的選擇被控變量—生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量。合理選擇被控變量，關系到生產工藝能否達到穩(wěn)定操作、保證質量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據：1、根據生產工藝的要求，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量例1儲槽液位控制系統工藝要求儲槽液位穩(wěn)定。那么設計的控制系統就應以儲槽液位為被控變量。LCTTh例2換熱器出口溫度控制系統工藝要求出口溫度為定值。那么設計的控制系統就應以出口溫度為被控變量。熱物料載熱介質冷物料熱交換器TTTC2、當不能用直接工藝參數作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數有單值函數關系的間接工藝參數作為被控變量。例3化工的精餾物純度控制系統精餾工藝是利用被分離物中各組分的揮發(fā)溫度不同，將各組分分離。如圖將苯—甲苯混合液進行分離。苯—甲苯苯甲苯

該精餾塔的工藝要求是要使塔頂（或塔底）餾出物達到規(guī)定的純度。按照被控變量的選擇原則1，塔頂（或塔底）餾出物的組分應作為被控變量。但是，沒有合適的儀表在線檢測餾出物的純度，則不能直接作為被控變量。苯甲苯

苯—甲苯只好在與餾出物的純度有單值關系的工藝參數中，找出合適的變量作為被控變量，進行間接參數控制。經工藝分析發(fā)現，塔內壓力和塔內溫度都對餾出物純度有影響。需要對二者進行比較試驗，選出一個合適的變量。苯甲苯

苯—甲苯間接控制參數的確定經試驗得出，塔頂餾出物苯的濃度分別與壓力和溫度有單值對應關系。（塔底餾出物甲苯也一樣）從工藝合理性考慮，選擇溫度作為被控變量。

3、被控變量必須有足夠大的靈敏度被控變量必須靈敏，容易被測量。4、選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性上例中，選擇塔內溫度作被控變量，就是考慮了工藝上，塔內壓力是最佳分離效率控制系統的被控變量，要求保持恒定。上例中，若塔頂、塔底的產品純度都分別設置溫控系統，會相互干擾，存在關聯。因此，若采用簡單控制系統，只能設置一個溫控系統，保證塔頂或塔底一端的產品質量。補充原則：選取獨立變量例1：對鍋爐產生的飽和蒸汽質量進行控制，提出了三種方案：（1）壓力P與溫度T皆為被控變量（2）溫度T為被控變量（3）壓力P為被控變量原則：遵循相律關系，F=C-P+2,其中F自由度,C為組分數,P為相數F=1-2+2=1,表示獨立變量只有一個，選取壓力或溫度即可（一般選擇壓力，考慮測量元件時間常數，簡單，可靠）思考：若是過熱蒸汽？6.2.2.2控制變量選擇把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質的流量，也有以轉速、電壓等作為操縱變量的。LCTTh控制變量的確定被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于控制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統的干擾。被控變量影響變量對象特性對控制品質影響的分析：1．過程（通道）靜態(tài)特性對控制品質的影響如圖所示為單回路控制系統的等效框圖。Gc(s)—控制器的傳遞函數；Go(s)—廣義控制通道（包括執(zhí)行器和變送器）的傳遞函數；Gf(s)—擾動通道的傳遞函數。Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－被控參數y(t)受到設定信號x(t)和干擾信號f(t)的共同影響：干擾通道控制通道Gc(s)Gf(s)Go(s)X(s)Y(s)＋F(s)＋＋－代入系統偏差公式中：將可見，控制通道偏差和干擾通道偏差的傳函分母是一樣的。將Gc(s)、Go(s)代入：K0越大，控制作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越??；K0越大，被調參數對控制作用的反應越靈敏。Kf越大，干擾作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越大。一般