第三章 过程控制仪表

第三章过程控制仪表第1页，课件共84页，创作于2023年2月3.1总体概述一、过程控制仪表的分类及特点1、按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。

导管、管路板导线、印刷电路板

接线气动元件

电子元器件

构成气压信号

电信号(电流、电压或数字)

传输信号气源（140kPa）

电源(220VAC，24VDC)能源气动仪表电动仪表第2页，课件共84页，创作于2023年2月2、按信号类型分类

模拟式数字式由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低

以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题第3页，课件共84页，创作于2023年2月3、按结构形式分类

单元组合式仪表基地式仪表集散型计算机控制系统现场总线控制系统

第4页，课件共84页，创作于2023年2月单元组合式仪表：将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(0

10mA)、III型(4

20mA,1

5v)的三个发展阶段。根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。第5页，课件共84页，创作于2023年2月单元组合仪表

变送单元

温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器

将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制

转换单元

直流毫伏转换器频率转换器电－气转换器气－电转换器

将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用

第6页，课件共84页，创作于2023年2月单元组合仪表

控制单元

运算单元

比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器

将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器加减器乘除器开方器

显示单元指示仪指示记录仪报警器

第7页，课件共84页，创作于2023年2月单元组合仪表

给定单元

执行单元

辅助单元输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。

角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀

按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量操作器：手动操作及手动/自动的切换作用

阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼

限幅器：限制信号的上、下限值

安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用

第8页，课件共84页，创作于2023年2月被控对象执行单元检测元件调节单元给定单元操作单元变送单元显示单元工艺介质阀门被调变量自动手动测量值给定值用电动单元组合仪表组成的控制系统

第9页，课件共84页，创作于2023年2月基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；性能价格比高，适用于单参数的控制系统。第10页，课件共84页，创作于2023年2月集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理控制站（下位机）操作站（上位机）过程通信网络数据采集、处理及控制由DCS系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成实现操作站与控制站的连接提供与企业管理网络的连接过程信息的集中显示、操作和管理由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成第11页，课件共84页，创作于2023年2月现场总线控制系统（FCS系统）现场控制和双向数字通信将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。第12页，课件共84页，创作于2023年2月二、信号制

信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。气动仪表的信号标准：20kPa100kPa电动仪表的信号标准：420mADCDDZII型电动仪表的信号标准：010mADC

第13页，课件共84页，创作于2023年2月1、检测元件和变送器的作用检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量等标准信号检测变送环节工作原理模拟仪表：标准信号通常采用4

20mA、0

10mA、15v电流或电压信号，20100kPa气压信号；将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检测、变送单元转换为标准的电或气信号。变送器输出的是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制。现场总线仪表：标准信号是数字信号3.2检测变送环节一、检测变送环节的性能第14页，课件共84页，创作于2023年2月2、对检测变送单元的基本要求准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速：及时反映被控或被测变量的变化；可靠：能在环境工况下长期稳定运行。3、选用时的基本考虑首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行；仪表精度和量程的选择选用仪表的精度要合适：应符合工业检测要求仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。考虑仪表和变送器的线性特性第15页，课件共84页，创作于2023年2月4、动态特性Km小，增大控制器的增益，有利于克服扰动对影响；Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关；选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km对Km的考虑：作为广义对象的组成，应考虑与Tp和Tv的匹配，及增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值；对Tm的考虑：第16页，课件共84页，创作于2023年2月相对于Tp，Tm是较小的。但有例外：成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动仪表要大；采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。应考虑时间常数随过程运行而变化的影响：保护套结垢，造成时间常数增大；保护套磨损，造成时间常数减小。减小Tm的措施：检测点位置的合理选择；选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小管径；正确使用微分单元；选用继动器或放大器等。第17页，课件共84页，创作于2023年2月对

m的考虑(m

=l/v)：与Tm一起考虑，应使

m/Tm小通常在温度、过程成分的检测变送中要考虑减小

m的途径：选择合适的检测点位置；减小传输距离l；选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度v；第18页，课件共84页，创作于2023年2月热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；二、对检测变送信号的处理1、信号补偿热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，连接导线的类型和规格不同，导致线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；气体流量检测时，由于检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制；当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿。第19页，课件共84页，创作于2023年2月2、线性化硬件组成非线性环节进行线性化处理，例如采用开方器对差压进行开方运算；也可用软件实现线性化处理。3、信号滤波目的：由于存在随机噪声，引起检测信号波动；计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入噪声方法：硬件滤波：RC电路、气阻气容等组成滤波线路数字滤波：数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有：一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波第20页，课件共84页，创作于2023年2月4、数学运算5、信号报警当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号报警和连锁处理。6、数字变换例如快速傅里叶变换、小波变换；在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。第21页，课件共84页，创作于2023年2月形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚”3.3执行器一、概述执行器安装在生产现场，直接与介质接触，常常在高压、高温等恶劣的状况下工作，因此，它是控制系统的薄弱环节作用：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。直接影响过程控制系统的质量。第22页，课件共84页，创作于2023年2月执行机构调节机构控制器输出p0,I0推力、位移操纵变量流量接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。第23页，课件共84页，创作于2023年2月根据执行机构使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、液动三种。气动执行器：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等优点电动执行器：能源取用方便，信号传输速度快和传输距离远，动作较快；缺点是结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所液动执行器：推力最大，但目前使用不多调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。第24页，课件共84页，创作于2023年2月1、气动执行器典型的气动执行器的结构示意图

p执行机构调节机构阀杆阀芯阀座膜片平衡弹簧气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。二、执行器结构第25页，课件共84页，创作于2023年2月调节机构（控制阀体）作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。流量方程调节原理当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。第26页，课件共84页，创作于2023年2月2、电动执行器

电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。最简单的电动执行器称为电磁阀其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将调节阀的信号转变为阀的开度

电动执行机构的构成框图伺服放大器伺服电动机减速器位置发生器+－其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，即使用电动机等电的动力启闭调节阀。第27页，课件共84页，创作于2023年2月气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关1、执行机构与调节机构的组合三、调节阀的气开和气关气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用第28页，课件共84页，创作于2023年2月正作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向下移动正作用执行机构反作用执行机构反作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向上移动第29页，课件共84页，创作于2023年2月正体阀反体阀正体阀：阀杆下移时流量减小反体阀：阀杆下移时流量增大第30页，课件共84页，创作于2023年2月气关型气开型气开型气关型第31页，课件共84页，创作于2023年2月2、选择原则基本原则：根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障（如气源中断，控制器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。第32页，课件共84页，创作于2023年2月1、理想流量特性调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：

：相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开流量之比：相对开度，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。

四、调节阀的流量特性理想流量特性：在阀前后压差为一定的情况下（

p=常数）得到的流量特性。第33页，课件共84页，创作于2023年2月取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。理想流量特性曲线1、快开2、直线3、抛物线4、对数1432第34页，课件共84页，创作于2023年2月直线流量特性曲线：K：常数，即执行器的放大系数调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数。边界条件：当l=0时，q=qmin 当l=L时，q=qmax调节阀的可调比，R=30第35页，课件共84页，创作于2023年2月调节阀的相对开度与相对流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3抛物线10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快开10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3对数10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直线10080706050403020100ba

a：l/L(%) b：q/qmax(%)第36页，课件共84页，创作于2023年2月只要阀芯位移量相同，则流量变化也总是相同的，即单位行程变换所引起的流量变化是相等的。

在10%开度时：

在50%开度时：

在80%开度时：

相对流量的相对于当前值的相对变化量为：直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易产生振荡；大开度时，调节缓慢，不够及时。

对过程控制系统来说，要求在小负荷时控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一些，这需要由调节阀的流量特性来补偿。直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的。第37页，课件共84页，创作于2023年2月对数（等百分比）流量特性：代入边界条件：

单位相对行程的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。在10%开度时：

在50%开度时：

在80%开度时：

从过程控制工程来看，利用对数（等百分比）流量特性是有利的。调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。

第38页，课件共84页，创作于2023年2月抛物线流量特性：将边界条件代入可得：

它介于直线流量特性和对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。

单位相对行程（开度）的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。快开流量特性：在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达到最大，故称为快开特性。当阀的行程大时，阀的流通面积不再增大，不能起控制作用。这种调节阀通常用于二位式控制或程序控制。第39页，课件共84页，创作于2023年2月2、工作流量特性

调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性。调节阀与管道设备串联时的工作流量特性pkpvp调节阀与管道设备串联 qvppkpvp压力分布第40页，课件共84页，创作于2023年2月令S为调节阀全开时的阀前后压差与管道系统的压差之比，即：

第41页，课件共84页，创作于2023年2月串联管道调节阀工作特性第42页，课件共84页，创作于2023年2月在S＝1时，管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，实际工作流量特性与理想特性是一样的；随着S值的减小，管道阻力损失增加，结果不仅调节阀全开时的流量减小，而且流量特性也发生了很大的畸变：直线特性趋向于快开特性；等百分比特性趋向于直线特性并且S值越小，影响越大。因此在实际使用中，S值不能太小，通常希望S值不低于0.3。第43页，课件共84页，创作于2023年2月调节阀与管道设备并联时的工作流量特性p调节阀与管道设备并联 QiQoQ1Q2并联的目的：冗余措施；增大产量(流量)令S’为调节阀全开流量与总管最大流量之比，即：第44页，课件共84页，创作于2023年2月S’=1.0S’=0.8S’=0.5S’=0.2l/L100%直线S’=1.0S’=0.8S’=0.5S’=0.2l/L100%对数当s’=1时，即关闭旁路，调节阀工作流量特性西即为理想流量特性。随着旁路阀打开，即s’值逐渐减小时，系统可调范围大大下降，这将使调节阀所能控制的流量变化很小。第45页，课件共84页，创作于2023年2月3、调节阀流量特性的选择考虑系统的控制品质：一个理想的控制系统，希望其总的放大系数在系统的整个操作范围内保持不变。

第46页，课件共84页，创作于2023年2月第47页，课件共84页，创作于2023年2月考虑工艺管道情况：等百分比等百分比等百分比直线理想特性等百分比直线等百分比直线工作特性S=0.3

0.5S=0.6

1配管情况工艺配管情况与流量特性关系调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。第48页，课件共84页，创作于2023年2月考虑负荷变化情况：调节阀流量特性的选择一般分两步进行：首先根据过程控制系统的要求，确定工作流量特性；然后根据流量特性曲线的基本情况，确定理想流量特性，以作为向生产厂家定货的内容。直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到损坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。由对象特性选工作特性推理想特性查厂家手册。第49页，课件共84页，创作于2023年2月五、阀门定位器第50页，课件共84页，创作于2023年2月气动执行器的主要附件利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和灵敏度实现准确定位；改善调节阀的动态特性；改变调节阀的流量特性；实现分程控制。第51页，课件共84页，创作于2023年2月一、基本控制算法分析控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。这个规律常称为控制器的特性。

3.4控制器的模拟控制算法原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性变化不太敏感。

控制作用的初始稳态值比例放大系数积分时间微分时间第52页，课件共84页，创作于2023年2月Kd：微分增益1、比例控制算法分析二、比例控制算法第53页，课件共84页，创作于2023年2月控制输出与偏差之间在一定范围内保持比例关系。有饱和区的比例特性局部：线性整体：非线性第54页，课件共84页，创作于2023年2月通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入(偏差)的范围，因此，比例度又称为比例带。当采用计算机控制装置或单元组合仪表，则有：第55页，课件共84页，创作于2023年2月如果u直接代表调节阀的开度，当调节阀开度改变100％，即从全关到全开，即：则可以看出，

就代表对应的被调量的相对变化范围。只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器也至少暂时失去其控制作用了。例如，若测量仪表的量程为100

C，则=50%就表示被调量需要改变50

C才能使调节阀从全关到全开。第56页，课件共84页，创作于2023年2月控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正负之分。当控制器的测量y增加时，控制器的输出u增加，正作用控制器当控制器的测量y增加时，控制器的输出u增加，反作用控制器由于：u=Kc(r－y)=Kce，则：正作用控制器，Kc为负号；反作用控制器，Kc为正号第57页，课件共84页，创作于2023年2月2、比例增益对控制系统的影响第58页，课件共84页，创作于2023年2月对余差的影响Kce()定值控制系统：当干扰是幅值为F的阶跃信号Kce()自衡非振荡过程随动控制系统：输入信号是幅值为R的阶跃信号，根据终值定理第59页，课件共84页，创作于2023年2月无自衡非振荡过程随动控制系统：e(

)=0定值控制系统：Gf(s)具有自衡特性时，e(

)=0Gf(s)具有无自衡特性，即第60页，课件共84页，创作于2023年2月对系统过渡过程的影响Kc增大随动控制系统衰减比，最大动态偏差，余差，振荡，周期第61页，课件共84页，创作于2023年2月定值控制系统Kc增大第62页，课件共84页，创作于2023年2月对控制系统稳定性的影响系统的开环频率特性曲线系统的开环频率特性曲线随比例增益的增加向(-1,j0)点移动，系统的稳定性变差。随着比例增益的增大，系统的稳定性变差。第63页，课件共84页，创作于2023年2月上述的结果适用于大多数工业过程被控对象的稳定性分析，但对具体被控对象和扰动通道还应具体分析。设开环不稳定对象：采用比例控制器，Kc增大时，控制系统的根轨迹Kc小时，系统不稳定，随着Kc的增大，系统的改善，直到系统阻尼第64页，课件共84页，创作于2023年2月1、比例积分控制算法分析Ti为积分时间Ki为积分增益积分控制的主要作用在于消除余差

u(t)物理上是不能实现三、比例积分控制算法第65页，课件共84页，创作于2023年2月2、对PI控制作用的分析PI控制作用是P作用和I作用之和比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用，直到余差消除，偏差为零时积分输出才停止。第66页，课件共84页，创作于2023年2月PI控制作用是比例增益不断调整的P作用PI控制作用是初始稳态值不断移动的P作用第67页，课件共84页，创作于2023年2月对系统过渡过程的影响Ti减小Ti对随动控制系统过渡过程的影响(Kc相同)第68页，课件共84页，创作于2023年2月Ti对定值控制系统过渡过程的影响(Kc相同)Ti减小第69页，课件共84页，创作于2023年2月当Kc不变时，减小Ti，积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加快，振荡频率升高。PI控制器中，保持Kc不变而减小Ti，或保持Ti不变而增大Kc，都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，超调量或最大偏差增大。积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。这是由于引入积分后，闭环系统阶数增大，并引入相位滞后所造成的。第70页，课件共84页，创作于2023年2月1、微分控制规律

比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，不管当时偏差的变化趋势。四、比例微分控制算法如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么控制的效果会更好，等于赋予控制器以某种程度的预见性，这种控制作用称为微分控制。此时控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的倒数成正比，即：第71页，课件共84页，创作于2023年2月理想比例控制算法为：2、比例微分控制算法写成增量式为：Td为微分时间Tdtteu微分时间Td是在斜坡信号输入下，达到同样输出值u，PD作用比纯比例P作用提前的时间。第72页，课件共84页，创作于2023年2月Kd称为微分增益严格按照上式动作的控制器在物理上是不能实现的；从数学上说，理想的微分作用在输入阶跃信号时，其输出为高度为无穷大、宽度为无穷小的脉冲。其单位阶跃响应为：第73页，课件共84页，创作于2023年2月1tetu1/

Kd/

Td/Kd第74页，课件共84页，创作于2023年2月3、比例微分控制的特点微分作用总是力图抑止被控量的振荡，它有利于控制系统稳定性，减小系统动态偏差，缩短回复时间。时间常数较大的温度、成分等控制系统，常引入微分控制作用莱改善系统的控制品质。适度引入微分作用可以允许稍许减少比例带，同时保持衰减率不变。微分调节动作也有一些不利之处。微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此以比例为主，微分为辅。开干扰能力差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，不用于流量和液位控制系统。微分能够克服容量滞后，对纯滞后无效。第75页，课件共84页，创作于2023年2月微分控制作用的强弱可以从阶跃输入信号下输出响应曲线的面积来衡量。PID测量值控制器输出Kd越大，面积越大，微分作用越强；Td越