化工自动化及仪表2(本科)课件

化工自动化及仪表

内容辅导

（二）1化工自动化及仪表

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（二）1本辅导主要内容第四章：执行器第五章：控制器第六章：简单控制系统2本辅导主要内容第四章：执行器2第四章执行器3第四章执行器3

作用：接受控制器的输出信号，改变操纵变量，使生产过程按照预定要求运行执行器直接控制工艺介质，若使用或选型不当，会影响自控系统功能发挥。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是根据控制器信号产生推力或位移的装置调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀4作用：接受控制器的输出信号，改变操纵变量，使生产过程按照预按照工作能源分为：气动，广泛使用电动，有一定使用液动，现较少使用5按照工作能源分为：5

电动执行器的执行机构和调节机构是分开的，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行机构安全防爆性能差，电机动作不够迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机容易受损。6电动执行器的执行机构和调节机构是分开的，其执行

气动执行机构的执行机构和调节机构是统一的整体。执行机构有薄膜式和活塞式。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合。薄膜式行程小，只能带动阀杆。气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠、本质安全防爆，因此气动薄膜控制阀在化工、炼油生产中得到广泛应用。7气动执行机构的执行机构和调节机构是统一的整体。1－上盖，2－薄膜，3－托板，4－阀杆，5－阀座6－阀体，7－阀芯，8－推杆，9－平衡弹簧，10－下盖图4－1气动薄膜控制阀外形和内部结构81－上盖，2－薄膜，3－托板，4－阀杆，5－阀座图4－1§1执行机构9§1执行机构9一、气动执行机构1、薄膜式传统型侧装式(增力式执行机构)

采用杠杠传动，把力矩放大，扩大执行机构的输出力。10一、气动执行机构1、薄膜式10图4－2气动薄膜执行机构（传统型正作用）1－上膜盖2－波纹薄膜3－下膜盖4－支架5－推杆6－压缩弹簧7－弹簧座8－调节件9－螺母10－行程标尺11图4－2气动薄膜执行机构（传统型正作用）1－上膜盖11

当信号压力增加时，阀杆向下移动，称为正作用，称为ZMA型。当信号压力增加时，阀杆向上移动，称为反作用，称为ZMB型。通常正作用的执行机构信号压力是通入薄膜片上方的气室，而反作用的执行机构信号是通入薄膜片下方的气室。12当信号压力增加时，阀杆向下移动，称为正作用，图4－3气动薄膜控制阀执行机构13图4－3气动薄膜控制阀执行机构13图4－4气动薄膜执行机构（侧装式正作用）1－推杆2－摇板3－连接板4－连杆5－丝杆6－滑块7－手轮14图4－4气动薄膜执行机构（侧装式正作用）1－推杆142、活塞式属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力高达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因此输出推力大，特别适合高静压、高压差、大口径场合。

输出特性有两位式和比例式。152、活塞式15图4－5活塞式行机构结构图1－活塞2－气缸16图4－5活塞式行机构结构图1－活塞16

在防爆要求不高且无合适气源时可用电动执行机构。电动执行机构都是由电机带动减速装置，在电信号作用下产生直线运动和角度旋转运动。可分为：直行程：输出各种大小不同的直线位移角行程：输出角位移，转动角度小于360度多转式：输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推动闸阀或执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵。二、电动执行机构17在防爆要求不高且无合适气源时可用电动执行机构。§2控制阀18§2控制阀18一、控制阀结构

从流体力学看，控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，从而达到控制工艺变量的目的。常用的控制阀有直通双座控制阀。19一、控制阀结构19图4－6控制阀机构结构图（直通双座）

控制阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上、下移动，流体从左侧进入控制阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出20图4－6控制阀机构结构图（直通双座）控制阀杆图4－7控制阀正、反作用（a）正作用（b）、反作用21图4－7控制阀正、反作用（a）正作用

执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来，可以实现气开和气关两种调节。由于执行机构有两种调节，控制阀也有两种作用方式，因此，就可以有四种组合方式可以组成气开或气关形式。

气开式是输入气压越高，开度越大，气失时全关，称为FC型。

气关式是输入气压越高，开度越小。气失时全开，称为FO型。22执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合图4－8气动控制阀气开、气关组合方式图23图4－8气动控制阀气开、气关组合方式图23

控制阀的气开与气关选择主要从工艺生产安全要求出发，考虑原则是：信号中断时，应该保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置危害小，应选择气关式，这样，即使气源故障（气源中断时），阀门能自动打开，保证安全，反之，应该选择气开式。如加热炉燃气或燃油应该选择气开阀；24控制阀的气开与气关选择主要从工艺生产安全要求出发二、控制阀类型1、直通单座控制阀2、直通双座控制阀3、角型控制阀4、隔膜控制阀5、三通控制阀25二、控制阀类型25§2气动薄膜控制阀的流量特性26§2气动薄膜控制阀的流量特性26

控制阀的流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程（即阀门对应的开度）之间的关系。表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比，表示控制阀某开度下阀杆行程与全开时阀杆行程之比，称为相对开度。(4-1)27控制阀的流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流流量特性通常用两种形式表示

1、理想特性即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。2、工作特性即在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。28流量特性通常用两种形式表示28

阀门是整个管路中的一部分，在不同流量下，管路系统的阻力不一样，因此分配给阀门的压降也不同。工作特性不仅与阀门本身的结构参数有关，也与配管情况有关。29阀门是整个管路中的一部分，在不同流量下，管路系一、理想特性曲线

控制阀的前后压差保持不变时得到的流量特性就是理想流量特性，阀门厂提供的就是这种特性。理想流量特性有：线性流量特性对数流量特性（等百分比）快开特性这三种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的流量特性。30一、理想特性曲线控制阀的前后压差保持不变时得到图4－9阀芯曲面形状31图4－9阀芯曲面形状311、线性流量特性

线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。流过阀门的相对流量与阀杆相对行程的关系可以表示成：R表示控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比，称为控制阀的可调比，它反映了控制阀调节能力的大小。国产R=30。(4-2)321、线性流量特性线性流量特性是指控制阀的相对流当时，当时，，它反映出控制阀的最小流量是其所能控制的最小流量，而不是控制阀全关时的泄漏量。线性控制阀的放大系数也是一个常数，即不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。因此，在不同的开度时流量的相对变化值不同，导致在小开度或大开度控制阀性能较差。33当时，33

指单位行程相对变化所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。可以表示为：求解得：2、对数流量特性（等百分比）(4-3)(4-4)34指单位行程相对变化所引起的相对流量变化，与此点的

对数阀放大系数随相对开度的增加而增加，因此，有利于自动控制系统在小开度时控制阀放大系数小，控制平稳缓和，在大开度时放大系数大，控制灵敏有效35对数阀放大系数随相对开度的增加而增加，因此，有3、快开特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增加，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量变化甚小，故称为快开特性。主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统中。363、快开特性这种流量特性在开度较小时就有较大流图4－10控制阀的理想流量特性37图4－10控制阀的理想流量特性37二、工作特性曲线

理想流量特性是在假定控制阀前后压差不变的情况下得到的。然而，实际生产过程中，控制阀前后压差总是变化的。在这样的情况下，控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为工作流量特性。设串连管道上的系统总的压差等于管道压差与阀门压差之和。串连管道上的阻力损失与流速的平方成正比。38二、工作特性曲线理想流量特性是在假定控制阀前后图4－11串连管道情况39图4－11串连管道情况39图4－12串连管道上控制阀压差变化40图4－12串连管道上控制阀压差变化40若以S表示控制阀全开时，控制阀上压差与系统总压差之比，即以表示理想流量特性下（阀门压差为系统总压差，管道压差为0）控制阀全开流量。可以得到串连管道时以作为参比值的工作流量特性。(4-5)41若以S表示控制阀全开时，控制阀上压差与系统总压差之比，即(4图4－13串连管道上控制阀特性曲线（理想特性为线性）42图4－13串连管道上控制阀特性曲线42图4－14串连管道上控制阀特性曲线（理想特性为对数型）43图4－14串连管道上控制阀特性曲线43工作特性分析S＝1表示理想特性曲线。S减小，即管道阻力增加。系统总压差不变，管道阻力增加，阀门前后压差减小，全开时的流量也小，控制阀的可调范围R也变小。控制阀的流量特性发生畸变，理想线性特性趋向快开；理想对数特性趋向线性。44工作特性分析S＝1表示理想特性曲线。44S的选择过大或过小都不合适。

S过大，在流量相同的情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多。

S过小，则对控制不利。一般希望S不低于0.3。当S>0.6时，认为工作特性与理想特性接近。45S的选择过大或过小都不合适。45三、动态特性

气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看成是一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头见的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，控制阀的时间常数太大，增加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。46三、动态特性气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看成通常通过减小时间常数的措施有：尽量缩短引压管线的长度，如采用电动控制器时，电气转换器应该安装在气动薄膜控制阀附近。选用合适口径的气动管线：管线过细，气容小，但气阻大；管线过粗，气阻小，但气容大。加装传输滞后补偿器47通常通过减小时间常数的措施有：47§3阀门定位器48§3阀门定位器48

阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动控制阀配套使用。阀门定位器接受控制器输出信号，然后将控制器的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，因此它与执行机构组成一个闭环系统。

采用阀门定位器，能够增强执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。49阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动控制阀配套

阀门定位器的工作原理如图4－16所示，当输入电流对主杠杠的电磁力矩与反馈力矩相等时，阀杆就稳定在某个位置，从而使得阀杆位移与输入电流成比例关系。即阀门定位器是按照力矩平衡原理工作的。一、电－气阀门定位器50阀门定位器的工作原理如图4－16所示，当输入电流对主图4－15电－气阀门定位器原理图51图4－15电－气阀门定位器原理图51二、阀门定位器的作用

改善阀的静态特性采用阀门定位器后，只要控制器输出信号稍有变化，经过喷嘴－挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压有大的变化，以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按照控制器发出的信号正确定位。52二、阀门定位器的作用改善阀的静态特性52

改善阀的动态特性定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般说来，若气压传输管线超过60米时，应采用阀门定位器。改善阀的流量特性通过改变定位器的凸轮的形状，可使控制阀的线性、对数、快开流量特性互换。53改善阀的动态特性53

用于分程控制用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。如使两个控制阀分别在（4～12mADC）和(12～20mADC)的信号范围内完成全行程移动。实现方式是通过零位调整和反馈弹簧的调整。使定位器在这两个信号范围内，输出都是20－100KPa。54用于分程控制54

用于阀门的反向动作阀门定位器有正、反作用之分。正作用时，输入信号增加，输出气压也增大；反作用时，输入信号增加，输出气压减小。采用反作用式定位器可以使气开阀变成气关阀，气关阀变成气开阀。55用于阀门的反向动作55§4控制阀口径的确定56§4控制阀口径的确定56一、控制阀流量系数的计算

控制阀的流量系数直接反映了流体通过控制阀的最大能力，它是控制阀的一个重要参数。定义：控制阀全开时，阀前后压差为100KPa时、流体密度为1000Kg/m3时(即假设流体为水)，每小时流经控制阀的流量值(m3/h)。57一、控制阀流量系数的计算控制阀的流量系数直接反

控制阀是一个可以改变局部阻力的节流元件，对不可压缩流体，可推导出流经控制阀的体积流量式中：A为控制阀接管的截面积，Dg为接管直径（公称通径）采用如下单位

(4-6)58控制阀是一个可以改变局部阻力的节流元件，对不可压缩流可得：流量系数流量系数取决于控制阀的公称通径和阻力系数。(4-7)(4-8)59可得：(4-7)(4-8)59

当生产工艺中流体性质（密度）一定、所需流量qv和阀前后差压确定后，只要计算出Kv的大小，就可确定阀的口径尺寸，即公称通径Dg和阀座直径dg

国外采用Cv表示流量系数，两者之间关系为：(4-9)60当生产工艺中流体性质（密度）一定、所需流量qv和阀前二、控制阀口径的确定（1）根据生产能力、设备负荷决定最大流量qvmax(2)根据所选的流量特性及系统特点选定S值，然后求出计算压差（即阀门全开时压差）（3）根据流通能力计算公式，计算最大流量时的Kvmax（4）根据得到的Kvmax

，在所用产品型号的标准系列中选择大于该值并与其最接近的Kv值，从而选取阀门口径.61二、控制阀口径的确定（1）根据生产能力、设备负荷决定最大流量（5）验证阀门开度与可调比，一般要求最大流量时阀门开度不超过90％，最小流量时阀门开度不超过10％。

验证合格后，根据Kv确定控制阀的公称公径与阀座直径。62（5）验证阀门开度与可调比，一般要求最大流量时阀门开度不超过§5气动薄膜控制阀的选用63§5气动薄膜控制阀的选用63

了解控制系统对对控制阀的要求。操作性能可靠性、安全性控制阀结构形式及材质气开、气关的选择控制阀的流量特性选择64了解控制系统对对控制阀的要求。64一、控制阀结构和材质选择从工艺条件和介质特性考虑当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也小时，选用直通单座阀当控制阀前后压差较大，允许有较大泄漏量时，选用直通双座阀当介质为高粘度，含有悬浮颗粒时，为避免堵塞，选用容易清洗的角型控制阀65一、控制阀结构和材质选择从工艺条件和介质特性考虑65二、控制阀流量特性选择（1）根据过程特性，选择阀的工作特性常规控制器的控制规律是线性的，因此，参数整定后，希望能适应一定的工作范围，因此，希望广义对象也是线性的，即在遇到负荷、阀前后压力变化或设定值变化后，广义对象特性基本保持不变。因此，控制阀的特性要能够补偿广义对象特性使得过程输入和输出为线性，如图4－17所示。66二、控制阀流量特性选择（1）根据过程特性，选择阀的工作特性6图4－16控制阀特性补偿示意图67图4－16控制阀特性补偿示意图67（2）根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理想特性（制造厂标明的特性是理想特性）。如果工艺配管不能精确确定时，一般选取对数阀，因为对数阀适应性较强。68（2）根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理想特性（制造三、气动薄膜控制阀的安装使用

执行器能否在控制系统中起到良好作用，一方面取决于控制阀结构类型，流量特性及口径的选择；另一方面还与控制阀的安装使用有关。69三、气动薄膜控制阀的安装使用执行器能否在控制系统

控制阀安装时应该考虑如下因素：（1）最好垂直安装，水平安装要加支撑。（2）环境温度不能太高或太低，要远离震动设备和腐蚀严重的地方。（3）应该安装在容易维护检修的地方。（4）控制阀安装到管道时，应使流体流动方向与控制阀体箭头方向一致。（5）控制阀的公称直径与管道直径不一致时，应该加一异径管。（6）控制阀在安装时，应设置旁路。70控制阀安装时应该考虑如下因素：70第五章控制器71第五章控制器71§1控制器概述72§1控制器概述72

控制器在控制系统中处于重要地位：根据偏差按照一定的控制规律进行运算，将输出作用于操纵变量，使过程输出（被控变量）稳定在期望的数值。种类很多：常规控制器以微处理器为基础的控制器73控制器在控制系统中处于重要地位：根据偏差按照一按照工作能源：气动电动按照信号形式：模拟式数字式按照结构形式：基地式单元组合组装式集散控制系统74按照工作能源：74§2控制器的基本控制规律75§2控制器的基本控制规律75时间连续PID控制规律时间离散PID控制规律理想PID控制器的运算规律数学表达式：其传递函数形式：一、连续PID控制规律(5－1)(5－2)76时间连续PID控制规律一、连续PID控制规律(5－1)(5－77777878控制器运算规律通常用增量形式表示，若用实际值表示，则为：式中u(0)为控制器初始输出，即t＝0瞬间偏差为0时的输出。(5－3)(5－4)79控制器运算规律通常用增量形式表示，若用实际值表示，则为：(51、比例控制（P）分析（1）比例控制规律控制器输出变化与输入偏差成正比。在时间上没有延迟。在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度来表示比例作用的强弱。(5－5)801、比例控制（P）分析（1）比例控制规律(5－5)80传递函数形式：图5－2阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性(5－6)81传递函数形式：图5－2阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出(2)、比例度(5－7)82(2)、比例度(5－7)82(3)、比例度对系统过渡过程影响（a）在扰动（或负荷）变化及设定值变化时有余差存在。因为在这几种情况下，控制器必有输出以改变阀门开度，力图使过程的物料和能量能够达到新的平衡。但又正比于偏差e，因此此时控制器的输入信号必然不是0。当比例度较小时，对应同样的变化的e较小；因此余差小。83(3)、比例度对系统过渡过程影响（a）在扰动（或负荷）变化及（b）比例度越大，过渡过程曲线越平稳；随着比例度减小，系统振荡程度加剧。当比例度减小到某数值时，系统出现等幅振荡，再减小系统将发散。因此控制系统参数设置不当，也达不到控制系统设计的效果应该根据系统各个环节的特性，特别是过程特性选择合适的控制器参数，才能获得理想的控制指标。84（b）比例度越大，过渡过程曲线越平稳；随着比例度减小，系统振（c）最大偏差在两类外作用下不一样在扰动作用下，越小，最大偏差越小在设定作用且系统处于衰减振荡时，越小，最大偏差也越大。因为最大偏差取决于余差与超调量。在扰动作用下，最大偏差取决于余差，小，余差小。在设定作用下，则取决于超调量，小，则超调量大，所以最大偏差大。85（c）最大偏差在两类外作用下不一样85图5－3不同比例度下过渡过程(a)扰动作用(b)设定作用86图5－3不同比例度下过渡过程(a)扰动作用(b)设定作用（d）如果小，则振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。87（d）如果小，则振荡频率提高，因此把被控变量拉回到设定一般而言：当广义对象的放大系数较小，时间常数较大、时滞较小时，控制器的比例度可选较小，以提高系统的灵敏度。当广义对象的放大系数较大，时间常数较小而时滞较大时，需要适当增大控制器的比例度，以增加系统的稳定性。工业生产中定值控制系统通常要求控制系统具有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，衰减比定在4:1~10:1,而随动系统一般衰减比在10:1以上。88一般而言：88比例控制小结：

比例控制是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能够迅速地克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制通常适用于扰动幅度小，负荷变化不大，过程时滞较小（）或者控制要求不高的情况下。89比例控制小结：比例控制是最基本、最主要也是应用负荷变化大，余差大，负荷变化小，余差小。(分析见前面比例度对过渡过程影响(c))过程的越大，振荡越厉害，如果此时把比例度增大以提高系统稳定性，则余差就会增大，如果较小，则比例度可以小些，余差也就减小。控制要求不高的场合：液位控制中，往往只要求液位稳定在一定的范围内，没有严格的要求，只有当比例控制的控制指标满足不了工艺要求时，才需引入其他控制作用。90负荷变化大，余差大，负荷变化小，余差小。(分析见前面比例度对2、比例积分控制（PI）分析（1）积分控制规律KI表示积分速度。控制器输出信号的大小，不仅与偏差大小有关，还取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差存在，控制器的输出就不断变化。偏差存在时间越长，输出信号的变化量越大，直到达到输出极限。(5－8)912、比例积分控制（PI）分析（1）积分控制规律(5－8)91只有余差为0，控制器的输出才稳定。力图消除余差是积分作用的重要特性。在幅度为A的阶跃作用下，积分控制器的开环输出如图5－4所示。输出直线的斜率为KIA。92只有余差为0，控制器的输出才稳定。92图5－4阶跃偏差作用下积分输出93图5－4阶跃偏差作用下积分输出93（2）积分控制规律分析积分控制作用总是滞后于偏差的存在，因此它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，因此积分控制作用很少单独使用。如图5－5分析，引入积分作用会使系统容易振荡。比例作用的输出与偏差同步，偏差大，输出大，偏差小，输出小，因此控制及时。而积分作用则不是。94（2）积分控制规律分析94在第一个前半周期内，测量值一直低于设定值，出现负偏差，所以按同一方向累积。从t1到t2时间段，偏差还是为负，但数值在减小，因此，积分输出仍然在增加，但增加的量在减小。显然，在这个时间段，积分输出增加是不合理的，因为偏差已经在减小。这就暴露了积分控制的弱点：控制作用的落后性。这往往会导致超调，并引起被控变量波动厉害。工业上常将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律。95在第一个前半周期内，测量值一直低于设定值，出现负偏差，所以按图5－5积分作用的落后性96图5－5积分作用的落后性96（2）比例积分控制规律

比例积分控制器的传递函数是：(5－9)(5－10)97（2）比例积分控制规律(5－9)(5－10)97

在阶跃偏差作用下，比例积分控制器的开环输出如图5－6所示。在偏差幅度为A的阶跃作用下，比例输出立即跳变到KCA，然后积分输出随时间线性增加。在KC和A确定时，直线的斜率取决于积分时间TI的大小。TI越大，直线越平坦，积分作用越弱。TI越小，直线越陡，表示积分作用越强TI趋向无穷大时，比例积分控制器蜕变为比例控制器。98在阶跃偏差作用下，比例积分控制器的开环输出如图

TI是描述积分作用强弱的物料量，其定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI。因为在任意时间，控制器的输出为：。当t=TI时，输出即为2KCA。99TI是描述积分作用强弱的物料量，其定义为：在阶图5－6阶跃偏差作用下比例积分控制器的输出100图5－6阶跃偏差作用下比例积分控制器的输出100

比例积分控制器在投运前，需对和积分时间TI进行校验。积分时间测定时，一般先将比例度置于100%，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的跳变KCA，同时按住秒表，待到积分输出与比例输出相同时，所经历的时间就是积分时间TI。如图5－7所示。101比例积分控制器在投运前，需对图5－7积分时间测定102图5－7积分时间测定102

比例积分控制器，工作点不断变化的比例控制器：比例控制器可以看成是粗调的比例作用与细调的积分作用的组合。如果比例控制器的输出增量与偏差信号一一对应，则比例积分控制器可以理解为比例度不断减小，即比例增益不断放大的比例控制器，如图5－6所示。103比例积分控制器，工作点不断变化的比例控制器：（3）积分时间TI对过渡过程影响

在一个纯比例的闭环控制系统中引入积分作用时，若

不变，则可从图5－8所示的曲线看出，随着TI的减小，积分作用增强，消除余差快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；TI过小，可能导致系统不稳定。TI小，扰动作用下的最大偏差小，振荡频率增加。104（3）积分时间TI对过渡过程影响在一个纯比例图5－8比例度不变时积分时间对过渡过程影响(a)扰动作用(b)设定作用105图5－8比例度不变时积分时间对过渡过程影响(a)扰动作用

在比例控制系统中引入积分作用可以消除余差，但是系统的稳定性降低。若要保持系统原有的稳定性，就要加大控制器的比例度，但这又会使系统的其他控制指标下降。因此，如果余差不是系统的主要控制指标，就没有必要引入积分作用。106在比例控制系统中引入积分作用可以消除余差，但

由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，有比例度和积分时间两个参数可调，因此适用范围较广，多数控制系统都可采用。只有在过程的容量滞后大，时间常数大，或者负荷变化剧烈时，由于积分作用较为迟缓，系统的控制指标不能满足工艺要求，才考虑在系统中增加微分作用。107由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，（4）积分饱和及防止

积分饱和是指一种积分过量现象。在通常的控制回路中，由于积分作用能一直消除偏差，因此能达到没有余差的稳态值，但在有些场合却并非如此。如图5－9(a)所示的保证压力不超限的安全放空系统，设定值为压力的容许限值，在正常操作情况下，放空阀是全关的，然而实际压力总是低于此设定值，偏差长期存在。108（4）积分饱和及防止积分饱和是指一种积分过量其他积分饱和情况

一些简单控制系统也会出现积分饱和情况，如在间歇式反应釜的温度控制回路中，进料的温度较低，远离设定值，因此在初始阶段正偏差较大，控制器输出会达到积分极限，把加热蒸汽开足。而当釜内温度达到和开始超过设定值后，蒸汽阀仍不能及时关小，其结果是温度大大超过设定值，使动态偏差加大，控制质量变差。凡是长期存在偏差的系统容易出现积分饱和。有些复杂控制系统积分饱和甚至会更严重。109其他积分饱和情况一些简单控制系统也会出现积分防止积分饱和措施

积分饱和引起控制作用的延迟甚至失灵，对控制系统造成危害，严重时会发生事故。一种解决办法就是使得控制器实现PI-P控制规律，即当控制器的输出在某范围之内时，是PI作用，能消除余差；而当输出超过某限值时，是P作用。110防止积分饱和措施积分饱和引起控制作用的延迟甚（1）微分控制规律。其输出正比于输入对时间的导数。TD为微分时间常数。传递函数：3、比例微分控制（PD）分析(5－11)(5－12)111（1）微分控制规律。3、比例微分控制（PD）分析(5－11)

理想微分控制器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性如图5－10所示。微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。112理想微分控制器在阶跃偏差信号作用下的开环输出图5－10理想微分开环输出特性113图5－10理想微分开环输出特性113

理想的比例微分控制规律是：传递函数为：其中：TD为微分时间（2）比例微分控制规律(5－13)(5－14)114理想的比例微分控制规律是：（2）比例微分控制

理想的比例微分控制器的开环输出特性如图5－11所示：图5－11理想比例微分开环输出特性115理想的比例微分控制器的开环输出特性如图5－1

理想的比例微分控制器在制造上很困难（不能实现），工业上都是使用实际比例微分控制规律，其数学表示为：传递函数为（KD为微分增益）（3）实际比例微分控制规律(5－15)(5－16)116理想的比例微分控制器在制造上很困难（不能实现

在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PD控制器的输出为：其中T=TD/KD。其开环输出特性如图5－12所示。(5－17)117在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PD控制器的图5－12阶跃偏差作用下时间比例微分开环输出118图5－12阶跃偏差作用下时间比例微分开环输出118

在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍，即KDKCA，然后按指数规律下降，最后当t趋向无穷大时，仅有比例输出KCA。因此决定微分作用的有两个因素:一个是开始跳变幅度的倍数，用KD来衡量另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。119在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD

微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。电动控制器的KD一般是5~10。如果KD=1，则等同于比例控制。KD<1称为反微分器，它的控制作用反而减弱。这种反微分控制器运用于噪声较大的系统中，会取较好的滤波效果。120微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有

微分时间TD是可调的。测定微分时间时，先测阶跃信号A作用下比例微分输出从KDKCA下降到KCA+0.368KCA(KD-1)所经历的时间t，此时t=TD/KD，再将该时间乘以微分增益KD即可。

由于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制。实际使用中，微分作用往往与比例积分组合成PID控制规律。121微分时间TD是可调的。测定微分时间时，先测阶图5－13实际比例微分控制器微分时间测定122图5－13实际比例微分控制器微分时间测定1224、比例积分微分控制（PID）（1）PID控制规律

理想的PID控制规律见公式（5－1）和（5－2），实际的PID控制规律较复杂。在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际的PID控制可看作是比例、积分、微分三部分作用的叠加：其开环特性如图5－14所示。1234、比例积分微分控制（PID）（1）PID控制规律123图5－14阶跃偏差作用下PID控制器开环输出124图5－14阶跃偏差作用下PID控制器开环输出124（2）微分时间TD对系统过渡过程的影响

在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。因为当控制器在感受到偏差后再进行控制，过程已经受到较大幅度扰动的影响，或扰动已经进入系统一段时间，而引入微分作用后，当被控变量一有变化，根据变化趋势适当加大控制器的输出，有利于克服扰动对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统的稳定性。125（2）微分时间TD对系统过渡过程的影响在负荷

如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比，则可适当减小控制器的比例度，一般可减小15%左右，从而使得系统的控制指标得到全面的改善。但是若微分作用太强，即TD太大，反会引起系统振荡，必须注意这一点。测量中有显著噪声时，如流量测量信号中常有不规则的高频噪声，则不宜引入微分作用，有时反而需要反微分作用。126如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比，

微分时间TD对系统过渡过程的影响如图5－15所示。若TD太小，则对系统的控制指标没有或影响很小，如图中曲线1选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如曲线2所示。若TD过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统剧烈振荡，如曲线3所示。127微分时间TD对系统过渡过程的影响如图5－15图5－15不同TD下的控制过程128图5－15不同TD下的控制过程128PID控制规律的应用PID控制器有比例度、积分时间TI和微分时间TD三个参数可供调整，因此适用范围广，在温度和成分分析系统的控制中得到更为广泛的应用。

PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都适用，必须根据工艺要求，选择最为合适的控制规律。129PID控制规律的应用PID控制器有比例度

各类化工过程常用的控制规律。液位：一般要求不高，用P或PI控制规律。流量：时间常数小，测量信号中有噪声，用PI或加反微分控制规律。压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律。温度：容量滞后大，用PID控制规律。130各类化工过程常用的控制规律。130（3）PID控制器的构成PID的构成有几种方式：电动Ⅱ型控制器中，将P、I、D环节直接在反馈网络中串接。电动Ⅲ型控制器以及数字式控制器中采用PD或PI电路相串接的形式。在串接中，一般认为PD接在PI之前较为合适。131（3）PID控制器的构成PID的构成有几种方

图5－16(a)的接法可以适当减轻积分饱和程度，因为微分作用与偏差极性无关，只要有偏差变化，它总能使输出变化，由正值变为负值或反之，使PI单元早一些起变化（积分作用有滞后性，而微分作用有超前性）。而积分作用则不然，其输出变化与极性有关，当达到积分饱和后，虽然偏差有变化，若极性不变，控制器输出仍然处于最大或最小，对控制不利。见图5－9和5－17分析。132图5－16(a)的接法可以适当减轻积分饱和程图5－16部分PID单元接法示意图(a)(b)133图5－16部分PID单元接法示意图(a)(b)133图5－17减小积分饱和的PID接法分析134图5－17减小积分饱和的PID接法分析134

图5－16(b)是将PD单元接在变送器之后而在比较机构之前，即只对测量值y有微分作用，而对设定值r不直接进行微分。这种方式称为微分先行。当设定值改变时，不会使控制器输出产生跳变，避免了设定值扰动，有利于系统稳定，如图5－18分析所示。135图5－16(b)是将PD单元接在变送器之后而图5－18微分作用在不同通道时控制差异（设定值变化）(a)微分加在偏差通道(a)微分加在测量通道136图5－18微分作用在不同通道时控制差异（设定值变化）(a二、离散PID控制算法

数字式控制器和计算机控制系统中，对每个控制回路的被控变量处理在时间上是离散（断续）进行的，其特点是采样控制，如图5－19所示。每个被控变量的测量值与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出，通常把它保持到下一个采样时刻。因此连续PID控制算法要改成离散PID控制算法。137二、离散PID控制算法数字式控制器和计算机控图5－19通过采样器和A/D进行数字化138图5－19通过采样器和A/D进行数字化138（1）位置算法式中，KC为比例增益，KI为积分系数，KD为微分系数1、离散PID算法基本形式139（1）位置算法1、离散PID算法基本形式139积分系数KI=KCTS/TI，TI为微分时间。微分系数KD=KCTD/TS,TD为积分时间。TS为采样周期（即采样间隔时间）k为采样序号。140积分系数KI=KCTS/TI，TI为微分时间。140式中对应于在两采样时间间隔内控制阀开度的变化。（2）增量算法141式中对应于在两采样时间间隔内控制阀开度的（3）速度算法式中，v(k)是输出变化率，由于采样周期确定后，TS是常数，因此速度算法与增量算法无本质上的区别。数字控制器与计算机控制系统中，增量算法是用的最多的。142（3）速度算法式中，v(k)是输出变化率，由于采样周期确定后2、离散PID算法与连续PID算法比较

模拟式控制器采用连续PID算法，它对扰动的响应是及时的；而数字式控制器采用离散PID算法，它需要等待一个采样周期才响应，控制作用不够及时。信号通过采样离散化后，难免受到某种程度的曲解，因此若采用等效的PID参数，则离散PID控制质量不及连续PID控制质量。采样周期越长，控制质量下降越明显。1432、离散PID算法与连续PID算法比较模拟式控制器采用连续

数字式控制器及计算机控制采用离散PID时可以通过对PID算法的改进来改善控制质量，并且P、I、D参数调整范围大，它们相互之间无关联，没有干扰，因此也能获得较好的控制效果。144数字式控制器及计算机控制采用离散PID时可以通过对PID算§3模拟式控制器145§3模拟式控制器145一、模拟式控制器基本结构

比较环节：控制器中首先要进行测量值与设定值的比较，电动控制器中比较环节是在输入电路中进行电压或电流信号比较。反馈环节：控制器PID控制规律是通过反馈环节进行的。在电动控制器中输出信号通过电阻与电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器：是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运放。146一、模拟式控制器基本结构比较环节：控制器中首先要进行测量值二、DDZ-Ⅲ型电动单元控制器

是常用的一种模拟控制器，以来自变送器的标准1~5V直流信号作输入，与1~5V直流设定值比较得到偏差，进行PID运算后输出1~5V或4~20mA信号。147二、DDZ-Ⅲ型电动单元控制器是常用的一种模拟特点：

采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。在基型控制器的基础上可增加各种功能，如非线性控制器可解决严重非线性过程的控制，前馈控制器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，还可增加偏差报警、输出双向限幅及其它功能。148特点：采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表的精度

整套仪表可以构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元－安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。有软、硬两种手动操作方式，软手动和自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可保持长期不变，即使有偏差存在，也能实现无扰切换。149整套仪表可以构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元－安全两个概念：（1）无平衡切换：指在自动－手动切换时，无须事先平衡，可以随时切换至所需位置。（2）无扰动切换：是指在自动－手动切换时，控制器的输出不会发生变化，因此生产过程不会有扰动注意：当从自动或软手动切换到硬手动时，需要预先讲硬手动操作杆对准自动或软手动输出指示值，这样才能无扰动。150两个概念：150

采用国际标准信号制：现场传输信号4~20mA控制室联络信号：1~5V信号电流与电压转换电阻250欧由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送－电压接受的并联方式，即进出控制室的信号为电流信号，将此电流信号转换为电压信号，并以并联形式传输给控制室各仪表。151采用国际标准信号制：151基型控制器

基型控制器由控制单元与指示单元两部分组成，如图5－20所示。控制器的工作状态有：（1）自动：测量信号与设定值通过输入电路比较。（2）软手动：当控制器处于“保持”时，若同时将控制器切换到软手动，输出可以按照快或慢两种速度作线性增加或减小，以对工艺工程进行手动控制（3）保持：输出保持切换前状态（4）硬手动：控制器输出与手操电压成比例152基型控制器基型控制器由控制单元与指示单元两部分组成，图5－20基型控制器方框图153图5－20基型控制器方框图153控制器的“正”“反”作用

控制器设有“正”“反”作用开关供选择，以满足控制系统要求(实现闭环负反馈)。偏差定义＝测量值－设定值（e=y-r）。正偏差：测量值大于设定值负偏差：测量值小于设定值154控制器的“正”“反”作用控制器设有“正”“反”作用开正作用：控制器的输出随正偏差的增加而增加反作用：控制器的输出随正偏差的增加而减小若是负偏差，其控制器的输出在“正”、“反”作用下的输出与上述正偏差相反。155正作用：控制器的输出随正偏差的增加而增加155使用基型控制器时注意问题正确设置“内”“外”设定开关。定值控制系统中，控制器应该置于“内”设定，随动控制系统应该置于“外”设定。一般在刚刚开车或工况不正常时采用手动控制，待系统正常才无扰切换到自动控制。正确设置P、I、D参数。这些参数通过参数整定，选择一组合适的PID参数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥正确作用。156使用基型控制器时注意问题正确设置“内”“外”设定开关。定值控控制器的“正”“反”开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来定，保证系统为负反馈。如图5－21的分析。157控制器的“正”“反”开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀§4数字式控制器158§4数字式控制器158数字式控制器概述

功能强大、灵活方便的操作手段、清晰直观的数字显示以及安全可靠、性价比高特点，广泛使用。以CPU为核心，可由用户编制程序，组成各种控制规律。单回路控制器：只有一个控制回路，如引进的KMM、SLPC、PMK和Micro760/761。159数字式控制器概述功能强大、灵活方便的操作手段、清晰直一、数字式控制器特点采用数字技术，以CPU为核心；而模拟式控制器采用模拟技术，以运算放大器等模拟电子器件为基本部件。实现了模拟仪表与计算机一体化。具有丰富的运算控制功能。使用灵活，通用性强。具有通讯功能，便于系统扩展。可靠性高，维护方便。160一、数字式控制器特点采用数字技术，以CPU为核心；而模拟式控二、数字式控制器组成硬件部分主机电路（CPU、存储器、I/O、）。过程输入/输出通道人机界面通讯组件软件部分。系统软件用户软件161二、数字式控制器组成硬件部分161第六章简单控制系统162第六章简单控制系统162

过程控制系统中绝大多数是简单控制系统简单控制系统是复杂控制系统与先进控制系统的基础本章主要讨论简单控制系统的设计、投运与整定。163过程控制系统中绝大多数是简单控制系统163§1系统组成原理及分析164§1系统组成原理及分析164一、系统组成简单控制系统组成是：一个控制器一个变送器（测量仪表）一个执行器（控制阀）一个被控对象由于控制系统信号流只有一个回路，也称单回路控制系统。如图6－1所示。图6－2是该系统方框图。165一、系统组成简单控制系统组成是：165图6－1换热器温度控制系统TC：温度控制器TT：温度变送器执行器：气动控制阀被控对象：换热器166图6－1换热器温度控制系统TC：温度控制器166图6－2换热器温度控制系统方框图本例：控制器：E上升，U上升，E下降，U下降。温度检测、变送器：T上升，Y上升，T下降，Y下降。执行器：U上升，Q上升，U下降，Q下降。167图6－2换热器温度控制系统方框图本例：1671、被控对象

从图6－2可以看出系统有一个被控变量:加热炉出口温度T。一个被控对象：换热器一个操纵变量（控制变量）：蒸汽流量操纵变量是对象的输入，被控变量是对象的输出。对被控变量有影响作用的其他因素都看作干扰，即干扰也是对象的输入。1681、被控对象从图6－2可以看出1682、控制器

实际的控制器包括方框图中的比较部分和控制器两个方框。控制器可以是电动控制器，甚至是计算机，输出是电信号。可通过电/气转换器将信号送到气动阀，也可直接送到带电气阀门定位器的气动控制阀。控制器的输入是设定值与测量值的偏差。控制器实现各种控制规律。1692、控制器实际的控制器包括方框图中的比较部分和3、测量及变送单元对应不同的变量，仪表种类众多，见第三章过程检测仪表的介绍。从输入－输出关系看，很简单，完成从非电量到电量的转换，而且多数接近线性过程。被控变量真实值T无法得到，只能得到其测量值Y。1703、测量及变送单元对应不同的变量，仪表种类众多，见第三章过程4、执行器过程控制中气动执行器最多，而电动执行器较少。执行器接收控制器输出，使阀门开度变化，影响过程的状态，改变操纵变量，最终对被控变量产生影响。可根据控制系统要求改变执行器的特性和作用方向。1714、执行器过程控制中气动执行器最多，而电动执行器较少。171二、控制过程分析（平衡状态）若蒸汽、冷流体的量和及品质不变，流入系统的蒸汽传递给冷流体的热量使被加热物出口温度维持不变。控制系统处于平衡状态。若有扰动，或工艺要求新的出口温度，上述平衡被破坏。172二、控制过程分析（平衡状态）若蒸汽、冷流体的量和及品质不变，二、控制过程分析（扰动分析）扰动：蒸汽的压力和温度，冷流体的流量及品质。扰动具有随机性质。扰动影响系统平衡，改变被控变量。控制系统要克服扰动的影响。173二、控制过程分析（扰动分析）扰动：蒸汽的压力和温度，冷流体的二、控制过程分析（控制过程）扰动使被控温度T增加时，控制系统克服扰动，使T减小并回复到设定值。扰动使被控温度减小时，控制系统克服干扰，使得T增加并回复到设定值。174二、控制过程分析（控制过程）扰动使被控温度T增加时，控制系统若负反馈变成正反馈，控制系统将不能克服扰动，即被控变量不能再回复到设定值。而且控制系统会使得被控变量更加偏离设定值。控制器或执行器的方向选错，也不能克服扰动。175若负反馈变成正反馈，控制系统将不能克服扰动，即被控变量不能再§2简单控制系统设计176§2简单控制系统设计176一、控制系统设计概述1、基本要求控制系统设计人员有全面的自动化知识，同时熟悉工艺装置对象。自动化与工艺人员相互交流，确定控制方案。切忌盲目追求系统先进性和仪表装置先进性。设计要遵守有关的标准、行规。177一、控制系统设计概述1、基本要求1772、基本内容（1）确定控制方案

这是整个设计工作的核心，包括：被控变量的选择和确认、操纵变量的选择与确认、检测点的选择、绘制带控制点的工艺流程图，写出初步控制方案设计说明等文档。1782、基本内容178（2）仪表和装置选型根据已经确定的控制方案进行选型，考虑因素：产品质量、价格、可靠性、精度、供货方便程度、技术支持、维护等。（3）相关工程内容设计包括控制室设计、供电和供气系统设计、仪表配管和配线设计及连锁保护系统设计等，提供相关图表。179（2）仪表和装置选型1793、基本步骤（1）初步设计：目的是上报审批，并为订货作准备。（2）施工图设计：项目和方案批准后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。（3）设计文件和责任签字：包括设计、校核、审核、审定、各相关负责人签字等。（4）参与施工与试车。（5）设计回访。1803、基本步骤180二、被控变量的选择

被控变量选择是控制系统设计中关键问题。应该以工艺人员为主（因为对控制要求是从工艺要求提出的），并与自控人员讨论。为了实现预期的工艺目标，往往有多个工艺变量或参数可以选择，此时应遵循以下原则：181二、被控变量的选择被控变量选择是控制系统设计中

（1）尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量（2）所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全和高效的要求。（3）必须考虑自动化仪表及装置的现状。182（1）尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量182三、操纵变量的选择

选定被控变量后，要进一步确定控制系统的操纵变量（调节变量）。实际上，被控变量与操纵变量是要求一起综合考虑的。操纵变量选择应该遵循一些原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量（2）操纵变量应该是系统中所有被控对象的输入变量中对被控变量影响最大的一个，控制通道的放大倍数K要尽量大，时间常数T适当小，滞后时间尽量小。183三、操纵变量的选择选定被控变量后，要进一步确定（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。如对于换热器，通常选择蒸汽流量作为操纵变量。如果不控制蒸汽流量，而是控制冷流体的流量，理论上可以使得出口温度稳定，但冷流体流量是生产负荷，一般不宜进行控制。184（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波四、控制器及控制规律选择

控制系统中，仪表选型确定后：对象特性是固定的，不好改变。测量及变送器的特性比较简单，一般也不好改变。执行器加上阀门定位器可有一定程度的调整，但灵活性不大。能够改变的参数就是控制器，系统设置控制器目的，是通过它改变整个控制系统的动态特性，达到控制的目的。185四、控制器及控制规律选择控制系统中，仪表选型确

控制器的控制规律对控制质量影响很大。根据不同过程特性和要求，选择相应的控制规律，以获得较高的控制质量。确定控制器的作用方向，以满足系统要求，也是系统设计的重要内容。186控制器的控制规律对控制质量影响很大。根据不同过1、控制规律选择

控制规律主要根据过程特性和要求来选：（1）位式控制常见的位式控制有双位和三位两种。一般适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制等。1871、控制规律选择控制规律主要根据过程特性和要求（2）比例控制

是最基本的控制规律，当负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但过渡过程结束时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。比例控制作用于控制通道滞后较小、时间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。188（2）比例控制是最基本的控制规律，当负荷变化时（3）比例积分控制

引入积分作用能够消除余差，因此比例积分控制是使用最多、应用最广泛的控制规律，但是，加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加长。对于控制通道滞后小、负荷变化不太大、工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制，采用该规律可获得较好的控制质量。189（3）比例积分控制引入积分作用能够消除余差，因（4）比例微分

引入微分，会有超前作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量，适用于过程滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。190（4）比例微分引入微分，会有超前作用，能使系统（5）比例积分微分

微分作用对于克服容量滞后有显著效果，对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，如再加上积分作用消除余差，又有，TI，TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。191（5）比例积分微分微分作用对于克服容量滞后有显2、控制作用方向选择（1）方框的正反作用方向方框的正作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号增加；输入信号减小，输出信号减小。方框的负作用方向，是指该方框的输入信号增加，输出信号减小；输入信号减小，输出信号增加。在控制系统方框图中，每一个方框都有作用方向问题。如作用方向为正，标注“＋”；如作用方向为负，标注“－”。1922、控制作用方向选择（1）方框的正反作用方向192

对于测量仪表方框，由于测量值Y总是随被控变量的增加而增加，被控变量减小而减小。所以该方框总是正作用方向，可标为“＋”。对被控对象模块，则可能为正作用方向，也可能为反作用方向。对于执行器，由于执行器中有改变作用方向的装置，因此它可能为正作用，也可能为反作用。它的选择取决于系统安全性。193对于测量仪表方框，由于测量值Y总是随被控变量的图6－3正作用液位槽系统及方框图Qi增加，h增加，对象为正作用194图6－3正作用液位槽系统及方框图Qi增加，h增加，对象为图6－4反作用液位槽系统及方框图Qo增加，h减小，对象为反作用195图6－4反作用液位槽系统及方框图Qo增加，h减小，对象为

因此，控制系统中，只有控制器的正、反作用可以改变，以保证整个控制系统是负反馈控制系统。（2）控制器方框的正反作用选择控制器方框的正、反作用选择依据是使整个控制系统为负反馈，图6－3所示的控制系统的方框图如图6－5所示。196因此，控制系统中，只有控制器的正、反作用可以改图6－5控制系统方框图根据前面的讨论，可以标出各方框的作用方向。197图6－5控制系统方框图根据前面的讨论，可以标出各方框的作

假设执行器也是正作用，此时，来确定控制器的作用方向。如果h受到扰动而增加，则有：另一方面，h增加了，要使h减小，需要Qi减小，而Qi减小要求U减小。因此，控制规律方框应该是正作用。198假设执行器也是正作用，此时，来确定控制器的作用(3)正作用控制器与反作用控制器

由于控制器是由比较点和控制规律方框两部分组成，所以它的作用方向也由两个部分综合。比较点中测量信号前有一个“－”，将这个符号与控制规律方框的作用方向相乘，就是控制器整机的作用方向。如上例子中，控制器就是反作用控制器。如果两部分相乘为正，就是正作用控制器。199(3)正作用控制器与反作用控制器由于控制器是由五、执行器的选择1、控制阀结构类型及材质的选择。根据操纵介质的工艺条件（温度、压力、流量等）及其特性（粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等）和控制系统的不同要求来选用。200五、执行器的选择1、控制阀结构类型及材质的选择。200表6－1不同结构形式控制阀特点及适用场合201表6－1不同结构形式控制阀特点及适用场合2012、控制阀气开、气关形式的选择

考虑到阀的气源信号中断或者控制系统某环节失灵时，阀处于全开的位置安全还是处于全关的位置安全，具体由工艺确定。以下几条原则可以考虑：（1）从生产安全出发如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水阀，为保证发生故障时不把锅炉烧坏，应采用气关阀门。2022、控制阀气开、气关形式的选择考虑到阀的气源信（2）从保证产品质量出发当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应该降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀采用气关式，一旦发生故障，控制阀处于全开状态，防止不合格产品蒸出，从而保证塔顶产品质量。203（2）从保证产品质量出发203（3）从降低原料、成品、动力损耗来考虑如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式，一旦控制阀失去能源就处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。204（3）从降低原料、成品、动力损耗来考虑204（4）从介质特点考虑精馏塔釜加热蒸汽控制阀一般选用气开式，以保证控制阀在失去能源时处于关闭状态，从而避免能源浪费。但如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀应选用气关式以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。205（4）从介质特点考虑2053、控制阀流量特性选择

控制阀的流量特性直接影响到系统的控制质量和稳定性，需要进行选择。选择控制阀的流量特性时，既要依据过程特性，还要结合系统配管情况。控制阀的工作特性应根据过程特性来选择，其目的是使广义过程为线性。2063、控制阀流量特性选择控制阀的流量特性直接影响

若变送器的特性为线性，过程特性也近似线性，应选择线性工作特性的控制阀。若变送器的特性为线性，而过程特性的放大倍数K是随操纵变量的增加而减小，则应选对数工作特性。207