第四章 过程控制仪表及装置

§4.1概述§4.2执行器§4.3PID调节器§4.4数字PID控制算法第四章过程控制仪表与装置返回如控制系统：§4.1概述过程控制仪表与装置包括：

控制器、执行器、运算器、可编程控制器等分类：根据信号类型分：模拟式：传输信号为连续变化的模拟量数字式：传输信号为断续变化的数字量基地式、单元组合式、组建组装式以微型计算机为核心，功能完善、性能优越供应基地式气动液位

指示调节仪供应基地式气动温度指示调节仪根据动力能源形式的不同，分三大类：气动执行仪表：（以压缩空气为能源）电动执行仪表：（以电为能源）液动执行仪表：（以高压液体为能源）特点：结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆。优点：能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远，便于信号处理。缺点：结构复杂，推力小，不太适用于防爆场合（Ⅲ型仪表已采用了安全防爆措施）。优点：推力最大，动作可靠，精度高。缺点：高压液源价格高。信号：过程控制仪表均采用统一、标准的联络信号返回供电方式：对气动控制仪表：国际统一使用0.02～0.1MPa的模拟气压信号。

对电动控制仪表：国际电工委员会（IEC）规定Ⅱ型电动仪表：0～10mA(DC)Ⅲ型电动仪表：4～20mA(DC)

和1～5V(DC)

交流供电和直流集中供电体积大、安全性差直流低电压电源箱§4.2执行器作用：接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。执行器执行机构调节机构（调节阀）组成：气动执行器、电动执行器、液动执行器一、气动执行器1气动执行机构1、上盖；2、膜片；3、平衡弹簧；4、阀杆；5、阀体；6、阀座；7、阀芯；工作原理：阀杆的受力平衡其中：气动执行机构的正作用和反作用：正作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向下移动；反作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向上移动；2调节机构（调节阀）a分类局部阻力可变的节流元件

大口径的调节阀一般选用双座阀，其所需推力较小，动作灵活，但泄漏较大。小口径的调节阀一般选用单座阀，其泄漏较小。直行程电动套筒调节阀气动蝶阀电动调节蝶阀电动三通合流(分流)调节阀三通球阀电动Ｖ型球阀b流通能力C对于不可压缩流体的流量，有：——差压流量计中已作介绍根据计算所得调节阀的流通能力确定其尺寸参数公称直径与阀座直径。（参见P114表4-2）c阀的气开、气关方式正装阀与反装阀气开阀与气关阀气开式：气关式：气开、气关方式的选择原则：保证工艺生产的安全。即：当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备和人身安全的原则而定。冷水阀：燃料阀：气关式气开式以加热炉为例（见右图）实现调节阀气开、气关的四种方式：d调节阀的流量特性调节阀的流量特性：指介质流过阀门的相对流量与阀芯相对位移之间的关系。式中：理想流量特性工作流量特性⑴

理想流量特性调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性，调节阀的理想流量特性仅取决于阀芯的形状。①直线流量特性指调节阀的相对流量与阀芯的相对位移成线性关系。调节阀的放大系数对上式求解，得：特点：阀芯位移变化量相同，则流量变化量也相同；

但相对流量的变化率却不同。例：某调节阀的相对位移与相对流量的关系如下表（R=30）

相对位移

相对流量

0102030405060708090100直线流量特性3.313.022.732.342.051.761.371.080.690.3100等百分比流量特性3.34.676.589.2613.018.325.636.250.871.2100快开流量特性3.321.738.152.665.275.884.591.396.1399.03100抛物线流量特性3.37.31218263545577084100[说明]：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量的变化率太大，控制作用太强，易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，相对流量的变化率较小，控制作用太弱，造成控制作用不够及时。（P117）所引起的相对流量的变化率为（以下面几点为例）：对上式求积分，并代入边界条件得：②对数（等百分比）流量特性特点：阀芯位移变化量相同时，对应的流量变化量不同；

但相对流量的变化率却相同。指阀芯的单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。[说明]：对数（等百分比）流量特性调节阀在小开度时小，控制缓和平稳；在大开度时大，控制及时有效。（P118）仍以上面三点为例，计算其相对流量的变化率：③抛物线流量特性指阀芯的单位相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量的平方根成正比。④快开流量特性特点：行程较小时，流量就比较大，随着行程的增大，流量

很快就达到最大。适于要求快速开、闭的控制系统。四种理想流量特性曲线如右图所示：1—快开流量特性；

2—直线流量特性；

3—抛物线流量特性；

4—对数（等百分比）流量特性⑵工作流量特性在实际使用时，调节阀安装在管道上，或串联或有并联旁路，调节阀前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作流量特性。①串联管道时的工作流量特性随着阀门开度的增大，调节阀前后的压差将逐渐减小。理想流量特性。分析调节阀的流量特性（与理想流量特性相比）调节阀全开时，流量减小，即调节范围变小；流量特性曲线呈向上拱形式，直线流量特性快开流量特性等百分比流量特性直线流量特性在实际使用中，一般希望S不低于0.3〜0.5。串联管道时直线阀与对数阀的工作特性见下图。②并联管道时的工作流量特性理想流量特性。调节阀所能控制的流量范围减小，控制效果不好。并联管道时直线阀与对数阀的工作特性见下图。⑵调节阀流量特性的选择最常用的调节阀流量特性是直线特性和等百分比特性。合理选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，提高系统的控制质量，其选择原则为：①过程控制系统的控制质量指标调节阀的放大系数过程的放大系数②配管情况③负荷变化情况负荷变化较大或调节阀经常工作在小开度的场合，宜选择等百分比特性调节阀；具体参见P121表4-6、表4-7（参见P120表4-5）二、电动执行器使用电动机等电的动力来启闭调节阀1、电动执行机构比例式电动执行器电磁阀比例式电动执行机构：通常采用伺服系统的结构方案。返回§4.3PID调节器PID调节器（控制器）：将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送到执行器，进而实现对被控变量的自动控制。比例P：proportional

积分I：integrational

微分D：derivativePID控制的优点：⑴原理简单，使用方便；⑵适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸、建材等各类生产行业；⑶鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。PID控制：是上世纪40年代以前除开关控制外的唯一控制方式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控制方式。使用比例：80%～90%

1、比例调节器控制律：影响：一、PID调节器类型2、比例积分调节器控制律：影响：在调节器参数整定时，如欲得到与纯比例作用相同的稳定性，当引入积分作用后，应适当减小，以补偿积分作用造成的稳定性下降。3、比例微分调节器控制律：影响：很大4、比例积分微分调节器比例积分+比例微分微分作用不适用于扰动大而频繁的系统！控制律：合理整定调节器的三个参数，才能发挥各种调节动作应有的作用二、调节器控制规律的选择选择依据：被控过程的特性（容量大小、延迟时间、负荷变化、主要扰动等）；对系统控制质量的要求。基本原则：（参见P169）对象特点性能要求调节器类型广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大。工艺要求不高比例（P）同上不允许有余差比例积分调（PI）广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大。允许有余差比例微分（PD）不允许有余差比例积分微分（PID）广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大，负荷变化也很大。复杂控制方式选择控制规律的经验法（参见P169）假设被控过程的数学模型可近似描述为：选择比例或比例积分控制；选择比例积分或比例积分微分控制；单回路控制已经不能满足控制要求，应采用串级、前馈等复杂控制方式。返回用软件来实现PID控制算法非常简单；进行逻辑运算或算法改进非常灵活；运行可靠，运算精度高。§4.4数字PID控制算法模拟PID调节器：用硬件实现PID调节规律数字PID调节器：用数字计算机实现PID调节规律数字调节器的优点：60年代日本恒河公司一、数字PID调节器PID调节器的传递函数为：其微分方程为：1、位置式PID控制算法对上式进行离散化处理，得：比例系数积分时间常数微分时间常数采样时间积分系数微分系数2、增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，增量式算法有如下优点：⑴减小超调，提高稳定性；（后面进一步介绍）⑵增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。目前许多控制系统采用步进电机去控制执行机构：数字机步进电机说明：虽然采用增量式控制算法，但仍用控制全量去控制。二、PID算法的改进1、积分算法的改进（1）积分分离PID算法（PD-PID选择算法）基本思路：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以消除积分作用导致的稳定性降低，超调量加大；当被控量接近给定值时，投入积分作用，以消除静差，提高控制精度。算式为：位置式：增量式：其中：积分饱和现象：

当系统存在一个方向的偏差，PID调节器的输出由于积分作用的不断积累而加大，从而导致执行机构达到极限位置（如阀门开度达到最大），若调节器输出继续增大，阀门开度不可能再增大。此时计算机输出控制量超出了正常运行范围进入了饱和区。（2）过限削弱积分法当系统出现反向偏差，逐渐从饱和区退出，进入饱和愈深，则退出饱和区所需时间愈长。在这段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差反向立即作出相应的改变，这时系统好象失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象，或称积分失控现象。（下页图所示）过限削弱积分法：采用增量式PID算法时的算法流程如下：①④②③反向积分饱和在离散PID算法中，将矩形积分改为梯形积分，以提高积分项的运算精度，减小余差。（3）积分项采用梯形积分离散化适用于采样周期较长的系统（4）变速积分的PID算法可设：

与积分分离算法类似，这里积分项采用的是缓慢变化，而前者采用的是“开关”控制。2、微分算法的改进（1）不完全微分PID算法目的：克服微分作用所引起的高频干扰以图（a）为例进行说明（只考虑微分作用）经