仪表自动化专业培训教材

1、仪表专业培训教材编写：审核：批准： 2012年6月前 言 此教材是专为中煤鄂尔多斯能源化工有限公司200万吨/年产合成氨、350万吨/年产尿素项目编制的仪表专业培训教材，该项目是以煤为原料，采用先进的bgl气化炉和横向合成塔技术生产合成氨，采用海德鲁大颗粒造粒技术生产尿素，节能环保。控制系统分别采用dcs、ccs、esd、plc系统，实现控制、管理、经营一体化，全厂生产装置、公用工程及辅助装置系统的自动控制具有国内先进水平。本工程于2011年6月开始建设，将在2013年建成投产，历时2年半，也将创造中煤煤化工的标杆工程，为中煤挺进煤化工开创了美好局面。本培训教材分自动化控制基本概念、被控过程特

2、性、调节器、单回路控制系数、检测仪表及变送器、流量液位及分析仪、化工过程计算机控制、集散控制系统、集散控制系统的构成共九章内容，涵盖了化工工艺生产的大部分仪表专业知识，作为员工培训工作的技术资料，能起到很好的抛砖引玉的效果；同时也是员工自学的有益教材，为员工尽快掌握仪表专业技术提供了第一手资料。由于水平有限，时间紧张，难免发生错误，请更正指出。 二一二年六月目录第一章自动控制系统基本概念.7 第一节自动控制系统概述.7 第二节定值控制系统的过渡过程及其品质指标.14第二章被控过程特性.17 第一节描述被控过程特性的参数.17 第二节被控过程特性的实验测定.24第三章调节器.26 第一节调节器的

3、控制规律.26第四章单回路控制系数.40 第一节单回路控制系数的设计.40 第二节单回路控制系统的整定.48 第三节单回路控制系统的投运.53第五章检测仪表及变送器.58 第一节概述.58 第二节温度检测仪表及变送器.61第六章流量液位及分析仪.78 第一节压力检测仪表及变送器.78 第二节流量检测仪表及变送器.85 第三节液位检测仪表及变送器.93 第四节自动成分分析仪器.99第七章化工过程计算机控制.111 第一节计算机控制系统的组成.111 第二节计算机控制系统的类型.113第八章集散控制系统.117第一节集散控制系统的基本概念.117 第二节集散控制系统的特点.122第三节集散控制系统

4、的展望.125第九章集散控制系统的构成.130 第一节集散控制系统的构成方式.130 第二节集散控制系统的构成要素.134 第三节i/as系统.141第一章 自动控制系统基本概念第一节 自动控制系统概述1化工生产过程的控制化工生产过程都必须在工艺所规定的工艺变量（温度、压力、流量、液位、浓度等）条件下进行操作，才能保证生产安全、高效地进行。但是，在生产过程中，由于某些因素的影响往往使得各种表征生产过程进行状况的变量偏离工艺指标。若要达到稳定操作，必须对那些工艺变量进行控制。为了实现控制要求，可采用两种方式：一是人工控制；二是自动控制。自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。因此，下面先介绍人工

5、控制，在此基础上来理解自动控制。给水蒸汽阀门汽包加热室玻璃管液位计液位变送器蒸汽ltlc执行器液位调节器给水(a) (b)图11锅炉汽包水位控制示意图图11所示为生产蒸汽的锅炉汽包示意图。锅炉是化工、炼油等工厂中常见的重要设备。在锅炉正常运行中，汽包水位是一个十分重要的变量，它的高低直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。水位过高，由于汽包上部空间减小，从而影响汽水分离效果，使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至损坏后续设备；而水位过低时，轻则影响汽水平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。要使锅炉水位保质在规定的数值上（或在规定值上下某一范围内变动），必须使蒸汽耗汽量与锅炉给水量相适应。如果锅炉给水量不

6、变，蒸汽负荷突然增加或减小时，就会使水位下降或上升；相反，蒸汽负荷不变而给水压力发生变化，水位同样也会偏离规定的数值。因此，必须通过控制使水位维持在规定的数值上。如图11（a）所示，人工控制时首先用眼睛观察安装在锅炉汽包上的玻璃管液位计所反映的水位数值，经大脑思考，将观察到的水位值与规定的水位值相比较计算偏差，再根据偏差的大小及变化均势，决定如何开大或关小阀门，然后，用手把给水阀门按思考的结果开大或关小。上述过程不断重复下去，直到水位回到规定的数值为止。人工控制不仅劳动强度大而且对某些变量变化快、操作条件又较严格的生产过程来说是很难满足要求的。假如用一套自动化装置来代替上述人工操作，使过程的控

7、制自动进行，这就实现了自动控制。如图11（b）所示的锅炉水位自动控制系统图中，首先用液位变送器lt替代人眼对水位进行检测，并把测得的水位数值转换成相应的标准信号送往液位调节器lc，调节器代替人的大脑，接受变送器送来的测量信号，把它与预先规定的水位高度信号相比较，如果两个信号相等，表示实际水位值正好为规定的水位值；如果两个信号不相等，表示实际水位值与规定水位值有偏差，这是工艺所不允许的，于是调节器根据偏差的大小输出相应控制信号送往执行器，执行器代替人手和阀门，其调节阀开度变化，使进入锅炉的给水量变化，经过反复调节，最后使水位回到规定的高度上，从而完成对汽包水位的自动控制。图11（b）所示的自动控

8、制系统图，称为锅炉汽包水位带控制点工艺流程示意图。除此之外，化工生产还经常对温度、压力、流量等其他变量进行自动控制。对于带控制点的模拟流程示意图上的各种自控系统常用符号，请参阅附录一。根据锅炉水位控制的例子，可归引出几个控制系统中常用的术语：1.1 被控过程（简称过程或称被控对象）：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，例如锅炉汽包。1.2 被控变量：被控过程内要求保质设定数值的工艺变量称为被控变量，例如锅炉汽包内的水位。1.3 操纵变量：通常是指受控于调节阀，用以克服扰动的影响，使被控变量保质设定值的物料量或能量，称为操纵变量。例如锅炉给水。1.4 扰动（干扰）：除操纵

9、变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素，称为扰动。例如蒸汽负荷的变化。1.5 设定值：被控变量的预定值称为设定值。例如锅炉汽包中预先设定的水位值。1.6 偏差：是被控变量的设定值与实际之差。但是，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值。因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差作为偏差。2控制系统的分类按控制系统的基本结构，自动控制系统可分为闭环控制系统和开环控制系统。2.1闭环控制系统tctt蒸汽冷流体热流体图1-2 蒸汽加热器控制点工艺流程示意图例如，图11（b）所示的锅炉汽包水位自动控制系统就是一个闭环控制系统。当锅炉中水位值与设定值有偏差时，液位调节器根据偏差的情况，

10、按一定的控制规律发出控制信号去调整给水阀门的开度，改变给水量，最终使水位回到设定值上。又例如，图12所示为加热器温度自动控制系统。图中温度变送器tt用来检测热流体出口温度。当出口温度偏离设定值时，温度调节器tc根据偏差的情况去调整蒸汽阀门的开度，以改变蒸汽量，使热流体出口温度回到设定值上。从图11（b）和图12的例子可以看出，操纵变量（给水量和蒸汽量）通过被控过程（锅炉汽包和换热器）去影响被控变量（水位和温度），而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。从信息的传递关系来看，构成了一个闭合回路，所以称为闭环控制系统。由于被控变量的信息要送回到自动控制装置的输入端，所以又称为反馈控制系统。在分

11、析闭环控制系统特性时，常将控制系统按照工艺需要控制的变量（即设定值）是否变化和如何变化来分类。这样可将闭环控制系统分为以下三种类型。2.1.1定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统，例如锅炉汽包水位控制系统。按照要求应使锅炉汽包内的水位保质在一定数值上，这就需要采用定值控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量最终回到设定值或其附近。2.1.2动控制系统随动控制系统又称自动跟踪系统。这类系统的设定值是不断变化的，而且这种变化不是预先规定好的，是随机变化的。这类系统的主要任务是使被控变量能够尽快地、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。在化工自动化中，有些比值控

12、制系统就属随动控制系统，例如要求甲流体的流量与乙流体的流量保持一定的比值，当甲流体的流量变化时，乙流体的流量能按一定的比例随之变化。2.1.3程序（顺序）控制系统这类系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。例如食品加工中杀菌釜温度控制和锦纶生产中的熟化罐温度控制系统都属于程序控制系统。2.2开环控制系统操纵变量通过被控过程影响被控变量，但是被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，这种系统从信息传递关系来看，未构成闭合回路，所以称为开环控制系统。开环控制系统分为两种，一种是按设定值进行控制。如图13（a）所示。换热器的蒸汽量与设定值保持一定的函数关系。

13、当设定值变化时，操纵变量（蒸汽量）随之变化去影响被控变量（冷物体流量）变化是主要扰动时，前馈控制装置按扰动情况去改变操纵变量，从而影响被控变量。控制装置设定值蒸汽ft控制装置蒸汽（a）按设定值而控制的开环系统（b）按设定值而控制的开环系统图13开环控制系统的基本结构总的来说，化工生产领域里用得最多的是闭环控制系统中的定值控制系统。因此，本教材以后所讨论的控制系统，若未加特别说明，都是指定值控制系统。3自动控制系统的组成一个自动控制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动化装置。对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、调节器、执行器等；另一部分是自动化装置控制下的被控过程。3.1

14、被控过程自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机器称为被控过程。化工生产中各类塔器、反应器、泵与压缩机以及各种容器、贮槽（罐），甚至一段输送流体的管道或者复杂塔器（如精馏塔）的一部分都可以是被控过程。3.2 检测元件及变送器它的作用是感受工艺变量的变化并将它转换成一种特定信号（如气压信号或电流信号）。检测元件及变送器在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，它时刻监视着生产的进行情况，又为自动控制系统提供进行控制的依据。3.3 调节器调节器又称控制器。它把检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后

15、，输出想方设法的控制作用（如气压或电流信号）给执行器。3.4 执行器它接受调节器送来的信号，相应地去改变操纵变量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。化工生产中最常用的执行是气动薄膜调节阀。一个自动控制系统，除上述四部分是不可缺少的外，还有一些附属（辅助）装置，例如设定装置、转换装置、显示仪表等。其中，显示仪表可以是单独的仪表，也可以是测量仪表、变送器或调节器附带的显示部分。因此，显示仪表将放在检测元件及变送器一章内讨论。而在自动控制系统的方块图上，一般都不画出附属装置。4自动控制系统的方块图在研究自动控制系统时，为了能够更清楚地表示出系统中各个组成部分以及它们之间相互影响和信号联系，便于对系统

16、进行分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成和作用。单回路控制系统的方块图如图14所示。f控制作用c操纵变量m扰动被控变量偏差比较机构e调节器执行器被控对象检测元件变送器广义对象图14自动控制系统方块图给定值ysym测量值+y图中每一个方块代表系统中的一个组成部分称为“环节”。两个方块之间用一条带箭头的线段相联表示信号的流向。作用于方块上的信号称为该环节的输入信号，它送出的信号称为该环节的输出信号。上一环节的输出信号就是下一环节的输入信号。对每一个环节而言，其输出信号与输入信号之间的关系取决于该环节自身的特性。现仍以图11（b）为例来加以说明。其中锅炉汽包可用一个“被控过程”方块来表示，锅

17、炉汽包水位就是被控变量y。在方块图中被控变量y就是过程的输出信号。引起被控变量偏离设定值ys的外来因素可能是蒸汽负荷的变化或给水压力的改变等扰动f，因此，扰动是作用于被控过程的输入信号。此外，给水流量的改变是由于执行器动作引起的，改变给水流量可以克服扰动对被控变量的影响，使被控变量回到设定值。所以对“执行器”方块而言，给水流量就是变量m，它是执行器的输出信号又是被控过程的输入信号。同样，对“检测元件及变送器”方块而言，其输入信号是汽包水位高度y，输出信号是水位高度的测量值ym。对“调节器”方块来说，输入信号是水位设定值y，与测量值ym之差即偏差，输出信号是送给执行器的控制作用c，它使执行器动作

18、，改变操纵变量的大小，克服扰动影响，最终使被控变量回到设定值上。图14所示自动控制系统方块图，可适用于以各种工艺变量为被控变量的单回路控制系统。例如图11（b）的锅炉汽包水位自动控制系统，图12所示换热器温度控制系统以及压力、流量等定值控制系统。通过分析上述自动控制系统方块图可以得出：4.1 方块图上每一个方块代表一个具体的实物。方块之间带箭头的线段表示它们之间信号的联系及流向，与工艺设备间物料的流向无关。例如图15所示的两上液位控制系统。它们都可用图14的方块图来表示。在执行器与被控过程两方块之间，带箭头的线段所表示的信号流向都是由执行器指向被控过程的。但是图15（a）中，执行器控制下的操纵

19、变量是被控过程（贮槽）的流入物料；图15（b）中，执行器控制下的操纵变量则是被控过程的流出物料。从物料流动方向来看，前者进，后者出；但从信号流向来看，它们都是作用于被控过程，使液位发生变化的输入信号。ltlc（a）ltlc（b）图15两个液位控制系统图4.2 从方块图上可以看出，任何一个信号只要沿着箭头方向前进，最后仍会回到原来的起点。所以自动控制系统是闭环系统。闭环控制系统的闭合回路是通过检测元件及变送器将被控变量的测量值ym送回到系统的输入端与设定值ys进行比较而形成的。这种把系统的输出信号重新返回系统的输入端的作法叫做“反馈”。在图14中，反馈信号ym相对于设定值ys取负值，所以叫负反馈

20、。整个系统称为具有负反馈的闭环控制系统，设定值和扰动是系统的输入信号，被控变量是系统的输出信号。4.3 一个自动控制系统还可以看作由调节器和广义对象（包括被控过程、执行器、检测仪表及变送器）组成。在方块图上为了更清楚地表明调节器的比较机构的比较作用，故将它单独画出，实际上比较机构不是独立的元件，而是调节器的一个组成部分。5系统的静态和动态在自动化领域中，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动控制系统的输入（设定值和扰动）及输出（被控变量）都保持不变时，整个系统就处于一种相对稳定状态，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们

21、的输入、输出信号的变化率为零。但生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出，所以系统的静态反映的是相对平衡状态。原先处于相对平衡状态的系统，一旦受到扰动的影响，平衡就会受到破坏，被控变量随时间发生变化，调节器等自动化装置就会改变原来的状态。在这一段时间内，整个系统都处于变动状态中，这种状态叫做动态。一个自动控制系统投入运行后，不可避免地有扰动作用于被控过程，以致破坏正常生产状态，因此，必须通过自动控制装置不断地施加控制作用去消除扰动作用的影响，使被控变量保持在生产所规定的工艺技术指标上。可见从控制的角度了解系统的动态比了解系统的静态更为重要。第二节定值控制系统的过渡过程及其品质指标1定值控制系统的过

22、渡过程 处于相对平衡状态的自动控制系统在受到扰动作用时，被控变量就会发生变化，系统进入动态。于是自动控制装置产生控制作用克服扰动的影响，使被控变量重新稳定下来，系统再次建立平衡。系统在自动控制作用下，从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为定值控制系统的过渡过程。一个自动控制系统经常受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异，幅度和周期也各不相同，对被控变量的影响也各不相同，其中以图16所示的阶跃扰动对控制系统的被控变量影响最大，且阶跃扰动最为多见，例fat图16阶跃扰动如负荷的改变、电路的突然接通或断开、阀门开度的突然变化等。因此，本教材只讨论阶跃扰动对控制系统的影响。 在阶跃扰动和控制

23、作用下，被控变量随时间的变化有如图17所示的几种基本形式。1.1 衰减振荡过程和非振荡衰减过程如图17（a）和（b）所示。它表明被控变量经过一段时间后最终能稳定下来。由于衰减振荡过程能较快地使系统稳定下来，因此过程控制中多数情况都希望得到曲线（a）所示的过渡过程；而非振荡的衰减过程虽然也是稳定过程，但由于被控变量达到新的稳态值的进程太慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当工艺生产不允许被控变量振荡时才考虑采用曲线（b）所示的过渡过程。1.2 等幅振荡过程如图17（c）所示。它表明系统受到扰动和控制作用时，被控变量作振幅恒定的振荡而不能稳定下来。等幅振荡过程生产上一般是不采用的

24、，但对于某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动的、控制质量要求不高的场合，这种形式的过程曲线还是可以采用的。1.3 发散振荡过程和非振荡发散过程如图17（d）和（e）所示。它表明系统受到扰动作用时，不但不能使被控变量回到设定值，反而使其越来越偏离设定值，以yt(a)y(b)ty(c)ty(d)ty(e)t图17被控变量随时间变化的几种形式至超越工艺许可范围，严重时会引起事故，这是生产上绝不允许的，应竭力避免。2过渡过程的品质指标既然在工业生产中大多数情况下都希望得到衰减振荡的过渡过程。因此如何根据这一过渡过程来评价控制系统的质量，就需要规定一些指标。如果控制系统设计合理，调节器参数选择得当，这

25、些指标就会符合一定要求，从而使控制系统的质量满足工艺的需要。图18所示是一个自动控制系统在阶跃扰动作用下，被控变量随时间变化的衰减振荡的过渡过程。根据这一过程曲线衡量定值控制系统质量时，一般采用下列几个单项指标：2.1 衰减比衰减比是衡量控制系统稳定程度的指标。过渡过程曲线上第一个波的峰值与同方向第二个波的峰值之比称为衰减比。在图18中衰减比nb:b。对衰减振荡过渡过程而言，n总是大于1。若n接近1时，控制系统的过程曲线接近等幅振荡过程；若n小于1，则为发散振荡过程；n越大系统越稳定，但是n趋于无穷大时，系统接近非振荡单调过程，这也不是生产上所欢迎的。因此，根据实际操作经验，通常取n410之间

26、为宜。图18就是一个衰减比接近于4:1的过渡过程曲线。y图18过渡过程品质指标示意图tabbc2.2 最大偏差最大偏差是描述被控变量偏离设定值最大程度的指标。在衰减振荡过渡过程中最大偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差，在图18中以a表示。最大偏差愈大，被控变量瞬时偏离设定值就越远，这对地某些工艺条件要求较高的生产过程就十分不利。例如化学反应器的化合物爆炸极限；触媒烧结温度极限等就需要限制最大偏差的允许值。所以必须根据工艺要求，对最大偏差的允许值慎重考虑，以确保生产安全进行。2.3 余差余差又称静差，是控制系统过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的偏差，图18中以c表示

27、。余差是反映控制准确程度的一个重要指标，一般希望它为零或不超过预定的范围，但不是所有的控制系统对余差都有很高的要求，例如一般贮槽的液位控制对余差的要求就不高，而允许液位在一定范围内波动。2.4 过渡时间过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值的5%或3%的范围内所需要的时间。过渡时间短表示系统能很快稳定下来，即使扰动频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长表示系统稳定慢，在几个同向扰动作用下，被控变量就会大超过设定值而不满足工艺生产的要求。可见过渡时间还是短些好。2.5 振荡周期或频率过渡过程同向两波峰之间的间隔时间称为振荡周期（或称工作周期），其倒数称为振荡频率

28、。在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短些好。必须指出，以上指标在不同的控制系统中各有其重要性且相互之间又有着内在联系。同时对这几个指标要求过高是不合适的。因此，我们只能根据工艺生产的具体要求，有选择地优先保证那些对生产过程有着决定性意义的指标。第二章被控过程特性第一节描述被控过程特性的参数 从图14所示自控系统方块图来看，被控过程是指在自动控制系统中反映操纵变量、扰动与被控变量之间关系的环节。因此，被控过程可以是某个化工设备或机器，例如化工生产中的各种塔器、反应釜、泵与压缩机或一段输送流体的管道；也可以是某塔器的一部分，例如，精馏塔塔项部分的压力或温度自动控制系统，其

29、“被控过程”这一环节就是指其操纵变量、扰动与被控变量之间有关系的环节，并不是精馏塔的整体。 自动控制系统的控制质量与组成系统的各个环节有关，其中过程的特性是确定自动控制系统方案、分析质量指标及整定调节器参数的重要依据。 各种被控过程有着各不相同的特性，有的过程很稳定，容易操作；而另一些过程却很难操作，稍不留意就会使工艺变量超越工艺允许范围，轻则影响生产，严重时还可能造成事故。因此，在人工控制时，要想使生产在最佳状态下进行。操作人员就必须充分了解和熟习那些被控过程。同样，在自动控制系统中，当采用自动控制装置来模拟操作人员的操作时，也必须充分了解被控过程的特性，掌握它们的内在规律，才能选用合适的调

30、节器，选择合理的调节器参数在，设计符合工艺要求的控制系统。特别是一些比较复杂的控制方案设计，例如前馈控制、计算机最优控制等，更离不开对被控过程特性的研究。 所谓被控过程的特性，是指被控过程的输入量发生变化时，过程的输出量是如何变化的、变化的快慢及最终变化的数值等。对一个被控过程来说，输入量是扰动和操纵变量，而输出量是被控变量。扰动和操纵变量都是引起被控变量变化的因素。被控过程的输入量与输出量之间的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动至被控变量的信号联系称为扰动通道。在研究被控过程特性时，应预先指明它的输入量是什么，输出量是什么，因为对于同一被控过程，不同通道的特性不

31、一定相同。 描述简单被控过程特性的参数有放大系数k、时间常数t和时滞。这三个用来表示被控过程特性的物理量称为过程的特性参数。1放大系数k 图21（a）所示为一个蒸汽直接加热器。冷物料从加热器底部流入，蒸汽直接加热至一定温度后，由加热器上部流出。这里，加热器就是被控过程，热物料出口温度即为被控变量y，加热蒸汽即为控制作用操作下的操纵变量m，而冷物料入口温度或冷物料流量的变化量即为扰动f。热物料冷物料蒸汽mtmy()yt(a)(b)图21蒸汽直接加热器及被控变量变化曲线 输入 输出 由于热物料出口温度受到控制作用（通过控制通道）和扰动作用（通过扰动通道）的影响，因此，被控过程的放大系数以及其它特性

32、参数都将从这两个方面来加以分析讨论。1.1 控制通道放大系数k 当被控过程处于稳定状态时，单位时间内输入过程的热量必然等于单位时间内从过程输出的热量，也即由加热蒸汽和冷物料输入过程的热量等于由热物料从过程中带走的热量（忽略热损失）。于是被控变量（热物料出口温度）保持在一定数值上不变。假设冷物料的温度及流量不变，由于操纵变量（加热蒸汽）发生幅值为m的阶跃变化，从而使被控变量即热物料出口温度变化，其变化过程如图21（b）所示。当重新达到稳定状态时，被控变量的最终变化量y（）与操纵变量的变化量m之比，即为控制通道的放大系数，其数学表达式为kp（21）或改写为y（）kpm。可以这样来理解它的物理意义：

33、如果有一定的输入变化量m作用于过程，通过过程后就被放大了kp倍，变为输出变化量y（）。由于这一变化的作用途径是经控制通道进行的，所以称kp为控制通道的放大系数。2.2 扰动通道放大系数kf 同理，在操纵变量m不变的情况下，过程受到幅值为f的阶跃扰动作用（例如进入加热器的冷物料流量变化）时，过程从原有稳定状态达到新的稳定状态时被控变量的最终变化量y（）与阶跃扰动变化量f之比称为扰动通道的放大系数，其数学表达式为kf=或y（）kff（22）由式（21）及式（22）可知，放大系数kp和kf与被控变量的变化过程无关，只与被控变量变化的起点与终点有关。因此，放大系数是被控过程的静态特性参数。一般说来，通

34、道不同，被控过程放大系数的大小就不同，因而对控制质量的影响也不一样。对控制通道而言，如果kp大，单位操纵变量的变化对被控变量的影响就大，这表示控制作用对扰动补偿的能力强，有利于克服扰动的影响，余差也就小。为了使被控变量不会发生太大的波动，控制作用的变化应相应和缓一些；反之，kp小，控制作用的影响不显著，被控变量变化迟缓，应增强控制作用。对扰动通道而言，如果kf较小，即使扰动量较大，对被控变量仍然不会产生多大影响；反之，若kf很大，当扰动幅度较大而又频繁出现时，被控变量的波动就会很大，致使组成系统后过渡过程的最大偏差增大，因此，kf大，对控制很不利，应当设法排队扰动影响，使扰动对被控变量的影响降

35、到尽可能低的程度，确保控制系统的控制质量。例如图21（a）所示直接蒸汽加热器中，假如冷物料量的波动（即扰动）对被控变量的影响极为严重，就应在冷物料的管道上设置一套流量定值控制系统，使冷物料的扰动对被控变量的影响降到尽可能低的程度。2时间常数t hh蒸汽蒸汽htht温度t图22不同时间常数时的响应曲线t温度(a)(b) 时间常数t是表征被控变量变化快慢的参数，它是被控过程的一个重要的动态参数。以图22所示过程为例，可以看出，不同的过程其时间常数不同，即过程受到阶跃输入作用时，被控变量的变化快慢不同，反映在响应曲线上也有区别。图22（a）中截面大的水槽与截面小的水槽相比，当进口流量改变同样一个数值

36、时，截面积小的水槽液位变化很快，并迅速趋向新的稳态值，而截面积大的水槽液位变化慢，须经过较长时间才能稳定。因此，截面积大的水槽时间常数大，截面积小的水槽时间常数小。同理，直接蒸汽加热的反应器与夹套蒸汽加热的反应器相比，如图22（b）所示，当蒸汽流量变化同样一个数值时，直接蒸汽加热反应器内反应物的温度变化速度比夹套加热的反应器内反应物的温度变化速度来得快，这就说明直接蒸汽加热反应器的时间常数比夹套加热的反应器的时间常数小些。 总的说来，时间常数小的被控过程惯性小，被控变量变化速度快；相反，被控变量变化速度慢。 通道不同，被控过程的时间常数t对控制的影响不一样。控制通道的时间常数t大，被控变量的变

37、化比较缓和，一般而言，这种过程比较稳定，容易进行控制，但是过渡过程时间较长；若控制通道时间常数t小，则被控变量变化速度快，不易控制。因此，对控制通道而言，过程的时间常数太大或太小对控制都不利。可是对扰动通道而言，照章常数t大些就有明显的好处，这时扰动的作用显得比较和缓，被控变量变化较平稳，过程比较容易控制。12q1q2图23简单液位对象rh为了加深对放大系数k和时间常数t物理意义的理解，现再以图23所示贮槽为例进一步加以说明。流体经过阀门1不断流入贮槽，贮槽内的流体经阀门2不断流出。当工艺上要求贮槽液位h保持一定高度时，在控制系统中，贮槽是被控过程，液位h是被控变量。如果阀门2的开度保持不变，

38、以阀门1开度变化引起的流入量的变化作为过程的输入量。那么，这里所指的被控过程特性，就是指当阀门1的开度变化时，液位h是如何变化的。在这里被控过程的输入量是流入贮槽的流量q1，被控过程的输出量是液位h。下面来推导表征h与q1之间关系的数学表达式或称被控过程的动态议程。设贮槽的横截面积为a，当流入贮槽的流体流量q1等于流出贮槽的流体流量q2时，即q1q2q0。被控过程处于相对平衡状态（即静态），这时液位h保持不变。假若时间t0时，阀门1突然开大，使得流入贮槽的流量增加q1，这时，q1q2，液位h上升，流出量q2也相应增加。根据物料平衡方程式，即过程物料储存量的变化率等于单位时间流入过程的物料量与单

39、位时间流出过程的物料量之差，就可找出输出量h与输入量q1之间的关系，列出描述它们之间关系的微分方程式，即q1q2（23）式中，v为贮槽物料储存量的变化量，因贮槽的横截面为a（常数），故有vah；t为时间；q1为单位时间内流体的流入量，q1q0+q1；q2为单位时间内流体的流出量，q2q0+q2（因液位h变化而引起的流出量的增量）。根据上式又可得aq1q2（24）由式（24）还不能明了地看出输出量h与输入量q1的关系，因此必须将q2转换成h的函数，若兴位h与流量q2的变化量都很小，可近似地认为q2与成正比，与出口阀门的阻力r成反比，即 q2 将q2之值代入式（24），得aq1移项并整理之，可行r

40、a+hrq1令tra，t为液位过程的时间常数；kr，k为液位过程的放大系数。则得t +hkq1（25）式中（25）是液位过程特性的数学表达式，它是一个一阶常系数线性微分方程。如果把q1作为操纵变量，则式（25）为过程控制通道的特性方程；如果把q1作为扰动作用，则式（25）为过程扰动通道的特性方程。现在具体求出在q1作用下h的变化规律，以便进一步了解过程特性参数的意义，对微分方程式（25）求解得hkq1（1e- ）（26）式（26）反映了过程在受到q1的阶跃作用后，被控变量随时间变化的规律。根据式（26）画出的h随时间变化的曲线称为响应曲线，如图24（b）所示。从响应曲线可以看出，过程受到阶跃输

41、入q1作用后，被控变量按指数未分选随时间逐渐变化，当t时，被控变量不再变化而达到了新稳态值h（），这时由式（26）可得q1t(a)q1ht(b)h()图24响应曲线h（）kq1则k 这里，k是过程受到阶跃输入作用后，被控变量新的稳态值与阶跃输入量之比，所以k是过程的放大系数。对于图23的贮槽来说，kr，即放大系数为阀门2的阻力r。所以当出口阀门2开度一定时，放大系数就是一个常数。下面再来讨论式（25）中t的物理意义。令tt，代入式（26）可得h（t）kq1（1e1）0.632kq1或 h（t）0.632h（）因此，时间常数可定义为：在阶跃输入作用下，被控变量达到新的稳态值的63.2%时所需要的

42、时间。显然，时间常数越大被控变量的变化速度越慢，达到新的稳态值所需要的时间越长。因此，时间常数大的过程，也可以认为它的惯性要大一些。对于图23所示的贮槽来说，时间常数tar。显然，贮槽的横截面积a越大，阀门2的阻力r越大，t也越大；反之，t小。此外，如果将式（26）对时间t求导可得 e-由上式也可以看出，被控变量的变化速度随时间的增长而逐渐变慢。在t=0时，则有 t0 h()0.632h()tt图25时间常数t的求法t0表示t0时，液位变化的初始速度，从图25所示响应曲线看，它就是曲线在起始点处切线的斜率，在数值上等于最终稳态值h与时间常数t之比。因此，可以这样来理解时间常数t的物理意义：当过

43、程受到阶跃输入作用后，被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间就是时间常数t。然而事实上被控变量变化速度是越来越慢，所以到达新的稳态值所需的时间比t长得多。理论上说，只有当时间t时，被控变量才能达到稳态值，但是当t（35）t时，h（0.950.993）h（），即从加入输入作用后，经过（35）t的时间，液位已经变化了全部变化范围的95%99.3%，这时可以认为动态过程基本结束。3时滞 不少被控过程，在受到输入信号作用后，被控变量不能立即随之变化，而需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。时滞是描述过程滞后现象的动态参数，分为纯滞后和容量滞后。第二节被控过程特性的实验测定前面介

44、绍了简单（即单容量）被控过程特性的求取方法。它是利用过程的物料（或能量）平衡关系，在作了一些假设和近似的基础上，得到了表征被控特性的一阶微分方程式。实际上化工生产中很多过程是很复杂的，往往很难通过内在机理的分析直接得到描述过程特性的微分方程式，即使得到一般都为高阶微分方程式或偏微分方程式，求解也十分困难，何况在获取这些施工的过程中，还作了不少的简化和假定，因此，求得的结果也是近似的。可见，要直接利用理论推导得到的过程性作为合理设计自动控制系统的依据，往往是困难的。在很多情况下，用实验方法测取过程的特性是行之有效的。过程特性的实验测取法，就是在所要测取的被控过程上，人为的施加一个扰动作用（输入量

45、），再用仪表测量并记录被控变量（输出量）随时间变化的曲线。若进一步进行分析整理，可得到描述过程特性的数学表达式。过程特性的实验测取方法有多种，这些方法往往是以所加扰动的形式不同来区分的。下面作一些简单介绍。1响应曲线法响应曲线法又称阶跃扰动法。当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录过程输出变量的数值，就可画出输出变量随时间变化的曲线即响应曲线。响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量是流量，只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了阶跃扰动，同时还可利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来，既不需要增加仪器设备，测试工作量也不大。但由于一般的被控较为

46、复杂，扰动因素较多，因此在测定过程中，不可避免地会受到许多其它扰动因素的影响而使测试精度不高。为了提高精度就必须加大输入量的幅值，这往往又是工艺上不允许的。因此，响应曲线法是一种简易但精度不高的过程特性测定方法。2矩形脉冲法用矩形脉冲扰动来测试过程特性时，由于加在过程上的扰动经过一段时间后即被除去，因此，扰动的幅值可取得较大，提高了实验的精确度，同时，过程的输出量又不会长时间的偏离给定值，因而对正常工艺生产影响较小。所以，这种方法也是测定过程特性常用的一种方法。此外，还可以采用矩形脉冲波信号和正弦波信号等作为过程的输入信号来测取过程的特性，分别称为矩形脉冲波法和频率特性法。上述各种方法的共同点

47、是，都要在过程上人为地加上一定的扰动作用，由于所加扰动量不大，时间也不长，生产上一般是允许的，只要工艺人员与自动化人员密切配合，根据现场实际情况，合理地选择其中的一种方法，就可得到过程特性。近年来，对于一些不适合加入人为扰动来测取特性的过程，可根据在正常生产情况下长期积累的各种变量的记录数据或曲线，经过理论分析和计算，来求取过程的特性。这是在自动化技术工具及计算工具进一步发展的基础上，出现的一种研究过程特性的有效方法。应该注意的是，在用实验方法测取过程特性时，实际上已将检测元件及变送器甚至调节阀的特性都包括在内，因而测取的是除调节器以外的广义对象的特性，整个控制系统就可看作是由广义对象和调节器

48、组成。第三章调节器第一节调节器的控制规律一个自动控制系统，在扰动作用和控制作用下，被控质量能否回到设定值上，或以什么样的途径、经过多长时间回到设计值上来，这不仅与过程的特性有关，也与调节器的特性有关。所谓调节器的特性，是指调节器的输出与输入之间的关系。调节器的输入是比较机构送来的偏差信号e，它是被控变量的设定值信号ys与测量值信号ym之差。在分析自动化系统时，把偏差定义为（ysym），在单独分析调节器时把（ymys）作为偏差，两者的符合相反。调节器的输出是送往执行器控制信号c。因此，调节器的特性，也就是调节器接受了输入的偏差信号后，调节器的输出随时间变化的规律，这个规律又称调节器的控制规律。用

49、数学式表示为：c调节器的基本控制规律有位式、比例、积分、微分等四种类型。实际应用的控制规律，是这些基本规律之间的不同组合，即有位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等。其中，除位式是断续式的以外，其他的均属连续式控制规律。不同的控制规律，适用于不同要求和特性的工艺生产过程，调节器的控制规律如果选得不当，不是徒然增加投资，就是不能满足工艺要求，甚至造成严重的生产事故。因此，必须首先了解调节器控制规律的特点及其适用的条件，然后根据工艺生产对控制系统品质指标的各种要求，结合具体过程以及控制系统其他环节的特性，才能作出正确的选择。1位式控制1.1 双位控制规律双位控制是位式控制中最简单的形式。双

50、位控制的规律是：当被控变量的测量值小于设定值时，调节器的输出最大；测量值大于设定值时则输出为最小（也可以相反）。其数学表达式为：c因此，双位控制只有两个输出值，执行器相应的也只有“开”或“关”两个极限位置，而且从一个位置到另一个位置变化极为迅速，如图31所示。ccmaxcmin图 3-1理想的双位控制特性 图32理想双位控制示例图32是一个理想的双位控制系统。被控变量是贮槽的液位，槽内的电极作为液位的检测装置，它的一端与继电器j的线圈相接，另一端调整在液位设定值h0的位置，执行器是电磁阀，安装在流体的进口管理线上，流体是导电的，贮槽外壳接地。当液位低于设定值ho时，流体与电极不接触，继电器断路，电磁代v全开，流体注入贮槽使液位上升。当液位上升至大于设定值时，流体与电极接触，于是继电器接通，从而使电磁阀全