仪表与自动化仪表与自动化电子教案-项目三-简单控制系统集成与调试课件

仪表与自动化

项目三简单控制系统集成与调试仪表与自动化项目三简单控制系统集成与调试（一）引领学生学习简单控制系统的组成及相关知识。（二）学生通过分组训练，会分析控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量、扰动因素等，能绘制规范的控制系统方框图和带控制点的流程图,会选择、使用差压变送器、调节器、执行器，能进行简单控制系统的调试与投运。（三）成果展示：学生写出项目报告。一、项目梗概一、项目梗概二、知识链接由一个测量元件（变送器）、一台控制器、一台执行器和一个被控对象组成的一个闭环控制回路在控制工程上称为简单控制系统，有时也称为单回路控制系统。（一）简单控制系统的人工控制图3-1所示为常见的生产蒸汽的锅炉设备的人工控制系统。锅炉汽包液位过低会影响蒸汽产量，并很容易将锅炉汽包中的水烧干而发生严重的生产事故；汽包水位过高将使蒸汽带水滴并有溢出的危险。因此，维持锅炉汽包液位在设定的标准高度值上是保证锅炉正常运行的首要条件。二、知识链接由一个测量元件（变送器）、一台控制器、一图3-1锅炉汽包液位人工控制图3-1锅炉汽包液位人工控制二、知识链接解决这个问题最简单的办法是：以锅炉汽包液位H为控制指标，以改变给水阀门的开度（即给水流量F）为操纵变量，维持汽包液位恒定。当锅炉汽包液位上升时，将给水阀门开度减小，液位上升越多，给水阀门开度小；反之，当锅炉汽包液位下降时，将给水阀门开度增大，液位下降越多，给水阀门开度越大。上述控制过程由人工操作被称为“人工控制”，完成步骤如下：1．检测变送：用（眼睛）将变量汽包液位H测量后送给控制器（大脑）。2．分析判断：控制器（大脑）分析判断决策后发出控制命令给执行器（手）。3．执行：执行器（手）动作最终使液位保持在设定的标准值上。二、知识链接解决这个问题最简单的办法是：以锅炉汽包液二、知识链接（二）简单控制系统的自动控制用自动化仪表代替人工操作生产过程即为自动控制系统，图3-2所示为锅炉的自动控制系统：

图3-2锅炉汽包液位自动控制二、知识链接（二）简单控制系统的自动控制图3-2二、知识链接（三）自动控制系统的组成方框图图3-3表示了一个简单自动控制系统的组成方框图。图3-3自动控制系统方框图二、知识链接（三）自动控制系统的组成方框图图3-3自动控二、知识链接（四）自动控制系统的稳定原理“负反馈”原理，所谓负反馈就是将系统的输出被控变量Y引入到系统的输入，并削弱系统输入，即构成“负反馈”系统，“负反馈”系统能使系统趋于稳定。二、知识链接（四）自动控制系统的稳定原理二、知识链接（五）自动控制系统的性能指标1．稳定性所谓稳定性，是指系统在受到外来扰动或设定值发生变化时，被控变量会偏离原来的稳定值后，借助内部反馈系统的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳定值或跟随设定值稳定的特性。2．准确性当控制系统受到扰动作用时，被控变量的稳定值与设定值之间保持的程度。3．快速性系统的输入对输出作用的响应程度。4．主要性能指标（1）最大偏差A（或超调量B）（2）衰减比n（3）上升时间、峰值时间和过渡时间（4）振荡周期（5）余差二、知识链接（五）自动控制系统的性能指标二、知识链接（六）带控制点流程图为便于技术人员了解对工艺过程中工艺参数的检测与控制方案安排，在工艺流程图的基础上，将控制系统和生产工艺过程结合起来，利用国家规定的文字符号和图形符号，将控制方案完整地表示出来即组成了“带控制点的工艺流程图”。二、知识链接（六）带控制点流程图二、知识链接（七）差压变送器差压变送器属于自动控制系统中的变送单元。变送单元在自动检测和控制系统中的作用，是将各种被测工艺变量，如压力、液位、流量、温度等物理变量变换成相应的统一标准信号，并传送到指示记录仪、运算器和调节器等，供指示、记录和控制。差压变送器不仅可用于测量设备内的压力（P）、差压（ΔP），而且还可以用于测量流量和液位。二、知识链接（七）差压变送器二、知识链接（八）控制规律与PID调节器1．常用控制规律所谓控制规律，是指调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。调节器的输入信号，就是检测变送仪表送来的“测量值”（被控变量的实际值）与“设定值”（工艺要求被控变量的预定值）之差——偏差。调节器的输出信号就是送到执行器并驱使其动作的控制信号。

二、知识链接（八）控制规律与PID调节器二、知识链接（1）比例（P）控制比例调节器的输出信号（指变化量）与输入偏差信号（假如设定值不变，偏差变化量就是输入变化量）之间成比例关系1）比例控制规律及时有力，但有余差存在；2）比例度与比例放大倍数是倒数关系。δ越小（Kp越大），比例控制作用就越强，调节及时，但系统稳定性变差，由于比例度不可能为零（即KP不可能为无穷大），所以，余差就不会为零。因此，也常常把比例控制作用叫“有差调节”。比例度太大，控制作用就越弱，系统稳定性变好，但余差变大，控制质量差。3）单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。比例控制规律更多是与其他控制规律组合使用。二、知识链接（1）比例（P）控制二、知识链接（2）比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的，应用最普遍的一种。其最大优点是控制及时、迅速。只要有偏差产生，调节器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用,构成比例积分（PI）调节器。这样，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力，因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。二、知识链接（2）比例积分（PI）控制二、知识链接（3）比例微分（PD）控制比例积分控制规律虽然既有比例作用的及时、迅速，又有积分作用的消除余差能力，但对于有较大时间滞后的被控对象使用不够理想。这里的“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，其被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，例如容量滞后。此时的比例积分控制作用就显得迟钝、不及时。微分控制规律的“超前”控制作用显然能解决上述问题。微分与比例作用合在一起，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动态偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。二、知识链接（3）比例微分（PD）控制二、知识链接（4）比例积分微分（PID）控制最为理想的控制当属于比例－积分－微分控制（简称PID控制）规律了。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。二、知识链接（4）比例积分微分（PID）控制二、知识链接2．常用PID调节器（1）电动模拟调节器（2）数字(智能)调节器二、知识链接2．常用PID调节器二、知识链接（九）执行器所谓“执行器”，就是用来执行调节器下达命令的仪表，以改变操纵变量实现对工艺变量的控制作用。执行器按其使用的能源，可以分为电动执行器、液动执行器和气动执行器三大类。目前应用最多的是气动执行器。气动执行器习惯上称气动调节阀，以纯净的压缩空气作为能源，具有结构简单、动作平稳可靠、输出推力较大、维修方便、防火防爆等特点，广泛应用于石油、化工等工业生产的过程控制中。气动执行器除了可以方便地与各种气动仪表配套使用外，还可以通过电/气转换器或电/气阀门定位器，与电动仪表或计算机控制装置联用。二、知识链接（九）执行器二、知识链接（十）简单控制系统集成与调试当自动控制系统按照设计要求，安装、验收完毕，标志系统硬件集成工作完成，将进入正常运行阶段，因关系该系统能否实现设计目的，故运行前的调试工作尤为重要。系统的调试内容较多，主要是检测回路和控制回路的调试工作，如：差压变送器的零点、量程、零点迁移的调整；执行器正、反作用的确定；调节器正、反作用的确定；调节器控制规律的选择和参数的整定等。

二、知识链接（十）简单控制系统集成与调试二、知识链接1.系统各环节正、反作用的确定（1）作用方向的选择原则（2）各环节作用方向的确定1）被控对象的正、反作用：被控对象的输入变量是操纵变量，输出变量是被控变量。当操纵变量增加时，被控变量增加，则被控对象是正作用方向；当操纵变量增加时，被控变量减少，则被控对象是反作用方向。2）测量变送器的正、反作用：测量变送器的输入变量是被控变量，输出变量是测量值。测量变送器一般都是正作用方向，因为被控变量增加时，测量变送器的测量值也相应增加。二、知识链接1.系统各环节正、反作用的确定二、知识链接3）控制阀的作用方向：调节阀的正、反作用方向取决于是气开阀还是气关阀。控制阀的输入信号是调节器的输出信号，控制阀的输出信号是操纵变量。当调节器的输出增加时，气开阀的开度增加，操纵变量增加。因此气开阀为正作用方向；当调节器的输出增加时，气关阀的开度减小，操纵变量减小，所以，气关阀是反作用方向。4）调节器的作用方向：调节器的作用方向选择，必须使控制回路各环节的总作用方向为“反”作用，在控制回路中构成负反馈，以满足自动控制系统的要求。在简单控制系统中，调节器是最后确定其正、反作用方向的环节，可以采用符号法“三正必有一反（负）或一正必有三反(负)”；也可以采用假设选择某种作用反向，然后进行分析，看能否实现负反馈的控制过程，能实现则说明选择对了，反之则必须重新选择另一种作用反向。

二、知识链接3）控制阀的作用方向：调节阀的正、反作用方向取决二、知识链接2.调节器的参数整定当控制系统方案已经确定，设备安装完毕后，控制系统的品质指标就主要取决于控制器参数的数值，即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td，以保证控制系统的质量就成为非常关键的工作。工程上将确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td的方法称为控制器的参数整定。控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。（1）经验试凑法；（2）衰减曲线法；（3）临界比例度法

二、知识链接2.调节器的参数整定二、知识链接3.系统投运（1）准备工作自控人员与工艺人员一样，系统投运前都要熟悉工艺过程，了解主要工艺流程、主要设备的功能、控制指标和要求以及各工艺参数之间的关联；熟悉自动控制方案，认真理解设计意图；熟悉系统中各控制回路的构成，熟悉工艺介质的性质、测量变送元件和控制阀的安装位置以及管线走向等。对于自控人员，还要熟悉各种自动化工具的工作原理、结构组成、性能特点，掌握必要的调校技术；投运前必须对检测元件、变送器、调节器、控制阀、其他仪器装置、电源、气源、线路、管路等等，进行全面检查，气动信号管路还要进行试漏检查。二、知识链接3.系统投运二、知识链接（2）仪表现场校验各种仪表虽然在安装前已经校验合格，投运前还应该在现场校验一次，在确认仪表工作正常后才可以考虑投运。（3）控制阀气开、气关型式及调节器正、反作用的检查控制阀的气开、气关型式和调节器的正、反作用直接关系到控制系统能否正常运行与安全操作，投运前必须认真进行检查。（4）控制阀的投运（5）调节器的投运（6）调节器参数的整定二、知识链接（2）仪表现场校验三、情境建立由教师（代表管理方）对学生（员工）根据实训现场（或校外实训基地）的生产设备，进行工作任务的布置与分配，明确“简单控制系统集成与调试”项目训练的目的、要求及内容，派发任务单。三、情境建立由教师（代表管理方）对学生（员表3-1任务单组别：组员：项目负责人：项目名称子项目内容要求备注简单控制系统集成与调试液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制学员按照人数分组训练：1.确定液位控制方案，能正确选择控制规律、执行器，并组成控制系统；2.能画出控制系统的方框图和控制流程图差压变送器使用学员按照人数分组训练：1.能正确识别变送器铭牌数据；2.学会变送器的调零、零点迁移、量程调整的操作；PID调节器使用学员按照人数分组训练：1.学会操作调节器面板上各可部件的功能，能进行手动/自动、内设定/外设定的无扰动切换；2.会正确选择控制规律。执行器使用学员按照人数分组训练：1.能识读调节阀铭牌数据；2.学会进行气（电）动调节阀的连接；进行气（电）动调节阀行程的简单测量与调整；3.会正确选择执行器。系统调试与投运学员按照人数分组训练：1.正确连接管路、气路、电路，会按负反馈原理正确投运、操作控制系统；2.学会用一种工程整定方法对系统进行PID参数的整定；3.能根据过渡过程曲线，分析系统的控制质量目标要求能读懂带控制点工艺流程图，学会调试投运简单控制系统实训环境校外实训基地、校内实训室表3-1任务单组别：组员：四、项目实施具体完成过程是：按情境建立、项目布置→学生个人准备→组内讨论、检查→发言代表汇报→评价→展示案例、问题指导→组内讨论、修改方案→第二次汇报→评价→问题指导→再讨论再修改→第三次汇报→评价、验收→拓展任务、巩固训练→师生共同归纳总结→新项目布置等程序，完成项目三的具体任务和拓展任务。四、项目实施具体完成过程是：按情境建立、项（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制训练步骤：1．在实训现场，针对实际的简单液位控制系统，由教师引领、学员自主观察，熟悉简单液位控制系统的组成、工作原理；2．以小组为单位，画出简单控制系统的方框图和带控制点的工艺流程图，指出被控对象、被控变量、操纵变量、扰动信号以及它们之间的制约关系。工作任务：图3-30所示，为某一热水锅炉，要求同学们以小组为单位，确定控制方案，画出带控制点的工艺流程图，写出分析报告并讨论答辩。（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制3-30热水锅炉工艺示意图（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制

3-30热水锅炉工艺示意图（一）子任务一：液位定值控制具体完成：a.被控变量、操纵变量、执行器的择；

b.扰动与变量之间关系分析；

c.画出带控制点的工艺流程图；

d.选择控制规律。（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制具体完成：（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流（二）子任务二：差压变送器使用

训练步骤：1.在实训现场，对差压变送器进行观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、各部件名称、安装及管（电）路的连接情况等；2.以小组为单位，进行差压变送器的校验及零点迁移操作。（二）子任务二：差压变送器使用训练步骤：（1）实训仪表及工具：减压阀2个、压力表1个、气动定值器1个、单管压力计1个、高压阀1个、电动差压变送器1个、毫安表1只、电阻箱1个、直流电源1个、气源1个、管件若干。（2）按照图3-31所示，进行系统安装，先将差压变送器固定好后，再按图连接好电气线路，气源经减压阀、气动定值器提供差压变送器正压室的气压信号，即作为差压信号输入（因为负压室放空）。调整气动定值器，观察标准压力表，可得输入差压信号的大小。（3）按照工作任务要求，通过各部件的调整，使输出电流表的指示值与标准值相比较而得到的误差控制在一定的范围内，使各项技术指标都满足差压变送器铭牌要求进行精度校验。（二）子任务二：差压变送器使用（1）实训仪表及工具：（二）子任务二：差压变送器使用图3-31差压变送器实训接线图

1—减压阀；2—压力表；3—气动定值器；4—单管压力计；5—减压阀；6—高压阀；7—平衡阀；8—差压变送器；9—0.2级直流毫安表；10—电阻箱（变送器负载为350欧姆）；11—24VDC电源箱（二）子任务二：差压变送器使用图3-31差压变送器实训接线图（二）子任务二：差压变送器1）差压变送器的检查a.检查各正、负压接口是否正确，电源线、信号线连接是否正确。b.关闭阀5，打开阀7和阀6，向差压变送器正、负压室同时通入额定工作压力，观察仪表有无泄漏，若有，应查找原因并进行消除。2）差压变送器的基本误差和变差校验a.零点调整关闭阀6，打开阀5和阀7，使得正、负压室都通大气，观察此时输出电流是否为4mA，如果不对，用调零装置进行调整。（二）子任务二：差压变送器使用1）差压变送器的检查（二）子任务二：差压变送器使用b.量程调整待差压变送器零位调整好以后，关闭阀7，打开阀5和阀6，用定值器逐渐加压增至量程上限5000Pa，此时差压变送器的输出电流应等于20mA。如果不等于20mA，应调整量程调整装置，使得差压变送器的输出电流为20mA。应当注意，零点调整和量程调整要反复进行调整，直到两者均合格为止。（二）子任务二：差压变送器使用b.量程调整（二）子任务二：差压变送器使用c.精度检验将差压测量范围平均分成5个测量点进行校验。其方法是：从0开始，改变定值器逐渐加压增至1250Pa、2500Pa、3750Pa、5000Pa，分别读取正行程时对应输出电流值，然后依次减小压力，读取反行程时对应的输出电流值，并根据测量数据算出基本误差和变差，从而确定仪表的精度。如果基本误差和变差不符合要求，要反复调整零位和量程直到满足要求为止。如果线性误差太大，应调整相应的装置。

（二）子任务二：差压变送器使用

c.精度检验（二）子任务二：差压变送器使用（4）会进行零点迁移调整，对测量范围为0-5000Pa的差压变送器进行零点正迁移，迁移量为2000Pa，使测量范围变为2000-7000Pa。在前面测量范围已调到0-5000Pa的基础上，输入的2000Pa差压信号，此时，只允许调整零点迁移装置，使输出电流为4mA。接着再输入7000Pa的差压信号，调整量程调整装置，使输出电流为20mA。将结果填入实验数据记录表。若不理想，则稍加调整即可。(5)注意事项1）严禁电接错；2）严格按照“没通电，不加压，先卸压，再断电”规则进行；（二）子任务二：差压变送器使用（4）会进行零点迁移调整，对测量范围为0-5000Pa的差压（三）子任务三：PID调节器使用训练步骤：1.在实训现场，结合实际的调节器产品，仔细阅读其使用说明书，对调节器进行认真地观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、面板示值、各操作部件名称与功能、与其他仪表的连接情况等；2.以小组为单位，熟悉调节器的操作方法，进行在线的手动/自动无扰动切换、内/外设定切换、正/反作用选择等操作，合理选择调节器的控制规律（P、I、D）。（三）子任务三：PID调节器使用训练步骤：（四）子任务四：执行器使用训练步骤：1.在实训现场，对执行器进行观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、各部件名称及其作用、电/气线路及管路的连接等；2.以小组为单位，进行气（电）动调节阀的管路、气（电）路的连接，调节阀的行程调整等相关操作。3.调节阀的选择与安装（四）子任务四：执行器使用训练步骤：（五）子任务五：系统调试与投运训练步骤：1.在实训现场，对液位控制系统进行综合观察、分析，行成整体概念；2.以小组为单位，在老师指导下，完成液位控制系统的投运及参数整定工作。正确连接管路、气路、电路，按安全原则和负反馈原理正确选择系统中调节阀和调节器的正、反作用方向，并按正确步骤投运、操作控制系统；选用一种工程整定方法对系统进行PID参数的整定；根据过渡过程曲线，分析系统的控制质量。（五）子任务五：系统调试与投运训练步骤：具体步骤：以图3-30所示锅炉对象组成“液位控制系统”。（1）选择汽包水位H作为被控变量Y；（2）给水流量F作为操纵变量；分析对象“作用方向”；当水流量F增加时，由于汽包水位H（被控变量Y），因此，对象作用方向为“正”。（3）变送器作用方向为“正”；（4）从安全角度显然选择“气关阀”作为系统执行器比较安全，因为在任何情况下，都可以保证汽包内有水，调节阀作用方向定为“反”。（五）子任务五：系统调试与投运具体步骤：（五）子任务五：系统调试与投运（5）根据“负反馈”原理“一反三正”（或者“一正三反”），最后选择调节器为“正”作用方向，将调节器作用方向置“正”方向。（6）根据控制规律选用原则，锅炉汽包“液位”控制系统显然选择P、PI控制规律都可以，一般选择PI较为合适。（7）选用“经验试凑发”进行PID参数整定。（8）写出投运报告及操作手册。（五）子任务五：系统调试与投运（5）根据“负反馈”原理“一反三正”（或者“一正三反”），最五、验收评价（一）项目实施过程考核与结果考核相结合由项目委托方代表（教师，也可以是学生）对项目——各项任务的完成结果进行验收、评分；学生进行“成果展示”，经验收合格后进行接收。五、验收评价（一）项目实施过程考核与结果考核相结合五、验收评价（二）考核方案设计：学生成绩的构成：A组项目（课内项目）完成情况累积分(占总成绩的75%)＋B组项目（自选项目）成绩（占总成绩的25%）。其中B组项目的内容是由学生自己根据市场的调查情况，完成一个与A组项目相关的具体项目。具体的考核内容：A组项目（课内项目）主要考核项目完成的情况作为考核能力目标、知识目标、拓展目标的主要内容，具体包括：完成项目的态度、项目报告质量、资料查阅情况、问题的解答、团队合作、应变能力、表述能力、辩解能力、外语能力等。B组项目（自选项目）主要考核项目确立的难度与适用性、报告质量、面试问题回答等内容。

五、验收评价（二）考核方案设计：评分内容评分标准配分得分简单控制系统集成与调试简单控制系统投运：采取方法错误扣5-30分

30PID参数整定：不合适扣10-30分30成果展示：（报告）错误扣10-20分20团结协作小组成员分工协作不明确扣5分，成员不积极参与扣5分10安全文明生产违反安全文明操作规程扣5-10分10项目成绩合计开始时间结束时间所用时间评语1．A组项目（课内项目）完成情况考核评分表：

评分内容评分标准配分得分简单控制系统集成与调试简单控制系统投评分内容评分标准配分得分自选项目系统选择：采取方法错误扣5-30分30操作规范：不合适扣10-30分30成果展示：（报告）错误扣10-20分20团结协作小组成员分工协作不明确扣5分，成员不积极参与扣5分10安全文明生产违反安全文明操作规程扣5-10分10项目成绩合计开始时间结束时间所用时间评语2．B组项目（自选项目）完成情况考核评分表：评分内容评分标准配分得分自选项目系统选择：30操作规范：30五、验收评价（三）成果展示（实物或报告）：写出本项目完成报告（主题是系统连接图及硬件操作规程、实训报告）。（四）师生互动（学生汇报、教师点评）。

五、验收评价（三）成果展示（实物或报告）：写出本项目完成报告六、拓展内容（一）到工厂（或校外基地），观察、认知生产中的自动控制系统，熟悉系统的组成、控制方案、控制原理，参与系统的调试、投运、日常维护管理等工作。（二）讨论题1．自动控制系统由哪几部分组成?各组成部分在控制系统中的作用是什么?2．自动控制系统为何又称反馈控制系统或闭环控制系统?六、拓展内容（一）到工厂（或校外基地），观察、认知生产中的自六、拓展内容3．图3-34所示为一个水箱水位控制系统。试说明系统的工作原理,画出相应的方框图，并指出该系统的被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量和测量仪表各是什么？当水位升高时，请说明系统的控制过程。

图3-34水位控制系统原理图六、拓展内容3．图3-34所示为一个水箱水位控制系统。试说明六、拓展内容4.按设定值的变化与否，可以将自动控制系统分为哪三类？试分别举例说明之。5．控制系统的过度过程有哪四种基本形式？哪些属于稳定的过渡过程、哪些属于不稳定的过渡过程？生产中希望出现哪种过渡过程？为什么？6.衡量自动控制系统品质的指标主要有哪些？这些指标分别表征了系统的哪些性能？应该如何对这些指标进行取值？六、拓展内容4.按设定值的变化与否，可以将自动控制系统分为哪六、拓展内容7.某反应器工艺规定操作温度为900℃±10℃，考虑安全因素，控制过程中温度偏离设定值最大不得超过30℃。现设计运行的温度定值控制系统，在最大干扰作用下的过渡过程曲线如图3-35所示。试求该控制系统的过渡过程品质指标的最大偏差、超调量、余差、衰减比和振荡周期各是多少？并问该控制系统是否满足题中所给的工艺要求？图3-35过渡过程曲线六、拓展内容7.某反应器工艺规定操作温度为900℃±10℃六、拓展内容8.什么叫带控制点的工艺流程图？对自控人员而言，图中传递了哪些重要信息？9.举例说明差压变送器的各种用途。10.为什么差压变送器在用于流量测量时，往往要在变送器后接一开方器？11.差压变送器在进行液位测量时，为什么会有零点迁移问题出现？六、拓展内容8.什么叫带控制点的工艺流程图？对自控人员而言，六、拓展内容12.如图3-36所示的液位测量系统，当用密度为1200kg/m3的封液进行隔离时，试求差压变送器的量程和零点迁移量，并说明迁移方向。已知=1100kg/m3，=1.6m，=1.2m，=3m。

图3-36液位测量系统

六、拓展内容12.如图3-36所示的液位测量系统，当用密度六、拓展内容13.智能型差压变送器与模拟式差压变送器相比，有哪些特点？14.什么叫调节器的控制规律？基本控制规律有哪些？各有何特点？常用的控制规律有哪些？各适用于什么场合？15.PID控制规律中的三个重要参数分别是什么？试述它们的大小对控制作用强弱的影响。16.分别画出实际的P、PI、PD、PID控制规律的阶跃响应特性。17.为什么调节器的手动/自动切换要求无扰动？六、拓展内容13.智能型差压变送器与模拟式差压变送器相比，有六、拓展内容18.简述调节器PID控制下的参数整定过程。19.智能调节器与模拟调节器比较有哪些特点？20.执行器有什么作用？执行器按能源的不同分为哪几种？21.调节阀的工作方式有哪两种？依据什么决定其工作方式？22.调节阀的安装要注意哪些问题？23.如何确定自动控制系统中各环节的正、反作用方向？24.简述自动控制系统的投运步骤。六、拓展内容18.简述调节器PID控制下的参数整定过程。仪表与自动化

项目三简单控制系统集成与调试仪表与自动化项目三简单控制系统集成与调试（一）引领学生学习简单控制系统的组成及相关知识。（二）学生通过分组训练，会分析控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量、扰动因素等，能绘制规范的控制系统方框图和带控制点的流程图,会选择、使用差压变送器、调节器、执行器，能进行简单控制系统的调试与投运。（三）成果展示：学生写出项目报告。一、项目梗概一、项目梗概二、知识链接由一个测量元件（变送器）、一台控制器、一台执行器和一个被控对象组成的一个闭环控制回路在控制工程上称为简单控制系统，有时也称为单回路控制系统。（一）简单控制系统的人工控制图3-1所示为常见的生产蒸汽的锅炉设备的人工控制系统。锅炉汽包液位过低会影响蒸汽产量，并很容易将锅炉汽包中的水烧干而发生严重的生产事故；汽包水位过高将使蒸汽带水滴并有溢出的危险。因此，维持锅炉汽包液位在设定的标准高度值上是保证锅炉正常运行的首要条件。二、知识链接由一个测量元件（变送器）、一台控制器、一图3-1锅炉汽包液位人工控制图3-1锅炉汽包液位人工控制二、知识链接解决这个问题最简单的办法是：以锅炉汽包液位H为控制指标，以改变给水阀门的开度（即给水流量F）为操纵变量，维持汽包液位恒定。当锅炉汽包液位上升时，将给水阀门开度减小，液位上升越多，给水阀门开度小；反之，当锅炉汽包液位下降时，将给水阀门开度增大，液位下降越多，给水阀门开度越大。上述控制过程由人工操作被称为“人工控制”，完成步骤如下：1．检测变送：用（眼睛）将变量汽包液位H测量后送给控制器（大脑）。2．分析判断：控制器（大脑）分析判断决策后发出控制命令给执行器（手）。3．执行：执行器（手）动作最终使液位保持在设定的标准值上。二、知识链接解决这个问题最简单的办法是：以锅炉汽包液二、知识链接（二）简单控制系统的自动控制用自动化仪表代替人工操作生产过程即为自动控制系统，图3-2所示为锅炉的自动控制系统：

图3-2锅炉汽包液位自动控制二、知识链接（二）简单控制系统的自动控制图3-2二、知识链接（三）自动控制系统的组成方框图图3-3表示了一个简单自动控制系统的组成方框图。图3-3自动控制系统方框图二、知识链接（三）自动控制系统的组成方框图图3-3自动控二、知识链接（四）自动控制系统的稳定原理“负反馈”原理，所谓负反馈就是将系统的输出被控变量Y引入到系统的输入，并削弱系统输入，即构成“负反馈”系统，“负反馈”系统能使系统趋于稳定。二、知识链接（四）自动控制系统的稳定原理二、知识链接（五）自动控制系统的性能指标1．稳定性所谓稳定性，是指系统在受到外来扰动或设定值发生变化时，被控变量会偏离原来的稳定值后，借助内部反馈系统的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳定值或跟随设定值稳定的特性。2．准确性当控制系统受到扰动作用时，被控变量的稳定值与设定值之间保持的程度。3．快速性系统的输入对输出作用的响应程度。4．主要性能指标（1）最大偏差A（或超调量B）（2）衰减比n（3）上升时间、峰值时间和过渡时间（4）振荡周期（5）余差二、知识链接（五）自动控制系统的性能指标二、知识链接（六）带控制点流程图为便于技术人员了解对工艺过程中工艺参数的检测与控制方案安排，在工艺流程图的基础上，将控制系统和生产工艺过程结合起来，利用国家规定的文字符号和图形符号，将控制方案完整地表示出来即组成了“带控制点的工艺流程图”。二、知识链接（六）带控制点流程图二、知识链接（七）差压变送器差压变送器属于自动控制系统中的变送单元。变送单元在自动检测和控制系统中的作用，是将各种被测工艺变量，如压力、液位、流量、温度等物理变量变换成相应的统一标准信号，并传送到指示记录仪、运算器和调节器等，供指示、记录和控制。差压变送器不仅可用于测量设备内的压力（P）、差压（ΔP），而且还可以用于测量流量和液位。二、知识链接（七）差压变送器二、知识链接（八）控制规律与PID调节器1．常用控制规律所谓控制规律，是指调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。调节器的输入信号，就是检测变送仪表送来的“测量值”（被控变量的实际值）与“设定值”（工艺要求被控变量的预定值）之差——偏差。调节器的输出信号就是送到执行器并驱使其动作的控制信号。

二、知识链接（八）控制规律与PID调节器二、知识链接（1）比例（P）控制比例调节器的输出信号（指变化量）与输入偏差信号（假如设定值不变，偏差变化量就是输入变化量）之间成比例关系1）比例控制规律及时有力，但有余差存在；2）比例度与比例放大倍数是倒数关系。δ越小（Kp越大），比例控制作用就越强，调节及时，但系统稳定性变差，由于比例度不可能为零（即KP不可能为无穷大），所以，余差就不会为零。因此，也常常把比例控制作用叫“有差调节”。比例度太大，控制作用就越弱，系统稳定性变好，但余差变大，控制质量差。3）单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。比例控制规律更多是与其他控制规律组合使用。二、知识链接（1）比例（P）控制二、知识链接（2）比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的，应用最普遍的一种。其最大优点是控制及时、迅速。只要有偏差产生，调节器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用,构成比例积分（PI）调节器。这样，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力，因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。二、知识链接（2）比例积分（PI）控制二、知识链接（3）比例微分（PD）控制比例积分控制规律虽然既有比例作用的及时、迅速，又有积分作用的消除余差能力，但对于有较大时间滞后的被控对象使用不够理想。这里的“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，其被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，例如容量滞后。此时的比例积分控制作用就显得迟钝、不及时。微分控制规律的“超前”控制作用显然能解决上述问题。微分与比例作用合在一起，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动态偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。二、知识链接（3）比例微分（PD）控制二、知识链接（4）比例积分微分（PID）控制最为理想的控制当属于比例－积分－微分控制（简称PID控制）规律了。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。二、知识链接（4）比例积分微分（PID）控制二、知识链接2．常用PID调节器（1）电动模拟调节器（2）数字(智能)调节器二、知识链接2．常用PID调节器二、知识链接（九）执行器所谓“执行器”，就是用来执行调节器下达命令的仪表，以改变操纵变量实现对工艺变量的控制作用。执行器按其使用的能源，可以分为电动执行器、液动执行器和气动执行器三大类。目前应用最多的是气动执行器。气动执行器习惯上称气动调节阀，以纯净的压缩空气作为能源，具有结构简单、动作平稳可靠、输出推力较大、维修方便、防火防爆等特点，广泛应用于石油、化工等工业生产的过程控制中。气动执行器除了可以方便地与各种气动仪表配套使用外，还可以通过电/气转换器或电/气阀门定位器，与电动仪表或计算机控制装置联用。二、知识链接（九）执行器二、知识链接（十）简单控制系统集成与调试当自动控制系统按照设计要求，安装、验收完毕，标志系统硬件集成工作完成，将进入正常运行阶段，因关系该系统能否实现设计目的，故运行前的调试工作尤为重要。系统的调试内容较多，主要是检测回路和控制回路的调试工作，如：差压变送器的零点、量程、零点迁移的调整；执行器正、反作用的确定；调节器正、反作用的确定；调节器控制规律的选择和参数的整定等。

二、知识链接（十）简单控制系统集成与调试二、知识链接1.系统各环节正、反作用的确定（1）作用方向的选择原则（2）各环节作用方向的确定1）被控对象的正、反作用：被控对象的输入变量是操纵变量，输出变量是被控变量。当操纵变量增加时，被控变量增加，则被控对象是正作用方向；当操纵变量增加时，被控变量减少，则被控对象是反作用方向。2）测量变送器的正、反作用：测量变送器的输入变量是被控变量，输出变量是测量值。测量变送器一般都是正作用方向，因为被控变量增加时，测量变送器的测量值也相应增加。二、知识链接1.系统各环节正、反作用的确定二、知识链接3）控制阀的作用方向：调节阀的正、反作用方向取决于是气开阀还是气关阀。控制阀的输入信号是调节器的输出信号，控制阀的输出信号是操纵变量。当调节器的输出增加时，气开阀的开度增加，操纵变量增加。因此气开阀为正作用方向；当调节器的输出增加时，气关阀的开度减小，操纵变量减小，所以，气关阀是反作用方向。4）调节器的作用方向：调节器的作用方向选择，必须使控制回路各环节的总作用方向为“反”作用，在控制回路中构成负反馈，以满足自动控制系统的要求。在简单控制系统中，调节器是最后确定其正、反作用方向的环节，可以采用符号法“三正必有一反（负）或一正必有三反(负)”；也可以采用假设选择某种作用反向，然后进行分析，看能否实现负反馈的控制过程，能实现则说明选择对了，反之则必须重新选择另一种作用反向。

二、知识链接3）控制阀的作用方向：调节阀的正、反作用方向取决二、知识链接2.调节器的参数整定当控制系统方案已经确定，设备安装完毕后，控制系统的品质指标就主要取决于控制器参数的数值，即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td，以保证控制系统的质量就成为非常关键的工作。工程上将确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td的方法称为控制器的参数整定。控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。（1）经验试凑法；（2）衰减曲线法；（3）临界比例度法

二、知识链接2.调节器的参数整定二、知识链接3.系统投运（1）准备工作自控人员与工艺人员一样，系统投运前都要熟悉工艺过程，了解主要工艺流程、主要设备的功能、控制指标和要求以及各工艺参数之间的关联；熟悉自动控制方案，认真理解设计意图；熟悉系统中各控制回路的构成，熟悉工艺介质的性质、测量变送元件和控制阀的安装位置以及管线走向等。对于自控人员，还要熟悉各种自动化工具的工作原理、结构组成、性能特点，掌握必要的调校技术；投运前必须对检测元件、变送器、调节器、控制阀、其他仪器装置、电源、气源、线路、管路等等，进行全面检查，气动信号管路还要进行试漏检查。二、知识链接3.系统投运二、知识链接（2）仪表现场校验各种仪表虽然在安装前已经校验合格，投运前还应该在现场校验一次，在确认仪表工作正常后才可以考虑投运。（3）控制阀气开、气关型式及调节器正、反作用的检查控制阀的气开、气关型式和调节器的正、反作用直接关系到控制系统能否正常运行与安全操作，投运前必须认真进行检查。（4）控制阀的投运（5）调节器的投运（6）调节器参数的整定二、知识链接（2）仪表现场校验三、情境建立由教师（代表管理方）对学生（员工）根据实训现场（或校外实训基地）的生产设备，进行工作任务的布置与分配，明确“简单控制系统集成与调试”项目训练的目的、要求及内容，派发任务单。三、情境建立由教师（代表管理方）对学生（员表3-1任务单组别：组员：项目负责人：项目名称子项目内容要求备注简单控制系统集成与调试液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制学员按照人数分组训练：1.确定液位控制方案，能正确选择控制规律、执行器，并组成控制系统；2.能画出控制系统的方框图和控制流程图差压变送器使用学员按照人数分组训练：1.能正确识别变送器铭牌数据；2.学会变送器的调零、零点迁移、量程调整的操作；PID调节器使用学员按照人数分组训练：1.学会操作调节器面板上各可部件的功能，能进行手动/自动、内设定/外设定的无扰动切换；2.会正确选择控制规律。执行器使用学员按照人数分组训练：1.能识读调节阀铭牌数据；2.学会进行气（电）动调节阀的连接；进行气（电）动调节阀行程的简单测量与调整；3.会正确选择执行器。系统调试与投运学员按照人数分组训练：1.正确连接管路、气路、电路，会按负反馈原理正确投运、操作控制系统；2.学会用一种工程整定方法对系统进行PID参数的整定；3.能根据过渡过程曲线，分析系统的控制质量目标要求能读懂带控制点工艺流程图，学会调试投运简单控制系统实训环境校外实训基地、校内实训室表3-1任务单组别：组员：四、项目实施具体完成过程是：按情境建立、项目布置→学生个人准备→组内讨论、检查→发言代表汇报→评价→展示案例、问题指导→组内讨论、修改方案→第二次汇报→评价→问题指导→再讨论再修改→第三次汇报→评价、验收→拓展任务、巩固训练→师生共同归纳总结→新项目布置等程序，完成项目三的具体任务和拓展任务。四、项目实施具体完成过程是：按情境建立、项（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制训练步骤：1．在实训现场，针对实际的简单液位控制系统，由教师引领、学员自主观察，熟悉简单液位控制系统的组成、工作原理；2．以小组为单位，画出简单控制系统的方框图和带控制点的工艺流程图，指出被控对象、被控变量、操纵变量、扰动信号以及它们之间的制约关系。工作任务：图3-30所示，为某一热水锅炉，要求同学们以小组为单位，确定控制方案，画出带控制点的工艺流程图，写出分析报告并讨论答辩。（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制3-30热水锅炉工艺示意图（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制

3-30热水锅炉工艺示意图（一）子任务一：液位定值控制具体完成：a.被控变量、操纵变量、执行器的择；

b.扰动与变量之间关系分析；

c.画出带控制点的工艺流程图；

d.选择控制规律。（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流程图绘制具体完成：（一）子任务一：液位定值控制方案确定及带控制点的流（二）子任务二：差压变送器使用

训练步骤：1.在实训现场，对差压变送器进行观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、各部件名称、安装及管（电）路的连接情况等；2.以小组为单位，进行差压变送器的校验及零点迁移操作。（二）子任务二：差压变送器使用训练步骤：（1）实训仪表及工具：减压阀2个、压力表1个、气动定值器1个、单管压力计1个、高压阀1个、电动差压变送器1个、毫安表1只、电阻箱1个、直流电源1个、气源1个、管件若干。（2）按照图3-31所示，进行系统安装，先将差压变送器固定好后，再按图连接好电气线路，气源经减压阀、气动定值器提供差压变送器正压室的气压信号，即作为差压信号输入（因为负压室放空）。调整气动定值器，观察标准压力表，可得输入差压信号的大小。（3）按照工作任务要求，通过各部件的调整，使输出电流表的指示值与标准值相比较而得到的误差控制在一定的范围内，使各项技术指标都满足差压变送器铭牌要求进行精度校验。（二）子任务二：差压变送器使用（1）实训仪表及工具：（二）子任务二：差压变送器使用图3-31差压变送器实训接线图

1—减压阀；2—压力表；3—气动定值器；4—单管压力计；5—减压阀；6—高压阀；7—平衡阀；8—差压变送器；9—0.2级直流毫安表；10—电阻箱（变送器负载为350欧姆）；11—24VDC电源箱（二）子任务二：差压变送器使用图3-31差压变送器实训接线图（二）子任务二：差压变送器1）差压变送器的检查a.检查各正、负压接口是否正确，电源线、信号线连接是否正确。b.关闭阀5，打开阀7和阀6，向差压变送器正、负压室同时通入额定工作压力，观察仪表有无泄漏，若有，应查找原因并进行消除。2）差压变送器的基本误差和变差校验a.零点调整关闭阀6，打开阀5和阀7，使得正、负压室都通大气，观察此时输出电流是否为4mA，如果不对，用调零装置进行调整。（二）子任务二：差压变送器使用1）差压变送器的检查（二）子任务二：差压变送器使用b.量程调整待差压变送器零位调整好以后，关闭阀7，打开阀5和阀6，用定值器逐渐加压增至量程上限5000Pa，此时差压变送器的输出电流应等于20mA。如果不等于20mA，应调整量程调整装置，使得差压变送器的输出电流为20mA。应当注意，零点调整和量程调整要反复进行调整，直到两者均合格为止。（二）子任务二：差压变送器使用b.量程调整（二）子任务二：差压变送器使用c.精度检验将差压测量范围平均分成5个测量点进行校验。其方法是：从0开始，改变定值器逐渐加压增至1250Pa、2500Pa、3750Pa、5000Pa，分别读取正行程时对应输出电流值，然后依次减小压力，读取反行程时对应的输出电流值，并根据测量数据算出基本误差和变差，从而确定仪表的精度。如果基本误差和变差不符合要求，要反复调整零位和量程直到满足要求为止。如果线性误差太大，应调整相应的装置。

（二）子任务二：差压变送器使用

c.精度检验（二）子任务二：差压变送器使用（4）会进行零点迁移调整，对测量范围为0-5000Pa的差压变送器进行零点正迁移，迁移量为2000Pa，使测量范围变为2000-7000Pa。在前面测量范围已调到0-5000Pa的基础上，输入的2000Pa差压信号，此时，只允许调整零点迁移装置，使输出电流为4mA。接着再输入7000Pa的差压信号，调整量程调整装置，使输出电流为20mA。将结果填入实验数据记录表。若不理想，则稍加调整即可。(5)注意事项1）严禁电接错；2）严格按照“没通电，不加压，先卸压，再断电”规则进行；（二）子任务二：差压变送器使用（4）会进行零点迁移调整，对测量范围为0-5000Pa的差压（三）子任务三：PID调节器使用训练步骤：1.在实训现场，结合实际的调节器产品，仔细阅读其使用说明书，对调节器进行认真地观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、面板示值、各操作部件名称与功能、与其他仪表的连接情况等；2.以小组为单位，熟悉调节器的操作方法，进行在线的手动/自动无扰动切换、内/外设定切换、正/反作用选择等操作，合理选择调节器的控制规律（P、I、D）。（三）子任务三：PID调节器使用训练步骤：（四）子任务四：执行器使用训练步骤：1.在实训现场，对执行器进行观察、解读，包括其铭牌数据、型号规格、各部件名称及其作用、电/气线路及管路的连接等；2.以小组为单位，进行气（电）动调节阀的管路、气（电）路的连接，调节阀的行程调整等相关操作。3.调节阀的选择与安装（四）子任务四：执行器使用训练步骤：（五）子任务五：系统调试与投运训练步骤：1.在实训现场，对液位控制系统进行综合观察、分析，行成整体概念；2.以小组为单位，在老师指导下，完成液位控制系统的投运及参数整定工作。正确连接管路、气路、电路，按安全原则和负反馈原理正确选择系统中调节阀和调节器的正、反作用方向，并按正确步骤投运、操作控制系统；选用一种工程整定方法对系统进行PID参数的整定；根据过渡过程曲线，分析系统的控制质量。（五）子任务五：系统调试与投运训练步骤：具体步骤：以图3-30所示锅炉对象组成“液位控制系统”。（1）选择汽包水位H作为被控变量Y；（2）给水流量F作为操纵变量；分析对象“作用方向”；当水流量F增加时，由于汽包水位H（被控变量Y），因此，对象作用方向为“正”。（3）变送器作用方向为“正”；（4）从安全角度显然选择“气关阀”作为系统执行器比较安全，因为在任何情况下，都可以保证汽包内有水，调节阀作用方向定为“反”。（五）子任务五：系统调试与投运具体步骤：（五）子任务五：系统调试与投运（5）根据“负反馈”原理“一反三正”（或者“一正三反”），最后选择调节器为“正”作用方向，将调节器作用方向置“正”方向。（6）根据控制规律选用原则，锅炉汽包“液位”控制系统显然选择P、PI控制规律都可以，一般选择PI较为合适。（7）选用“经验试凑发”进行PID参数整定。（8）写出投运报告及操作手册。（五）子任务五：系统调试与投运（5）根据“负反馈”原理“一反三正”（或者“一正三反”），最五、验收评价（一）项目实施过程考核与结果考核相结合由项目委托方代表（教师，也可以是学生）对项目——各项任务的完成结果进行验收、评分；学生进行“成果展示”，经验收合格后进行接收。五、验收评价（一）项目实施过程考核与结果考核相结合五、验收评价（二）考核方案设计：学生成绩的构成：A组项目（课内项目）完成情况累积分(占总成绩的75%)＋B组项目（自选项目）成绩（占总成绩的25%）。其中B组项目的内容是由学生自己