过程控制教程课件

主要內容

過程控制目的過程控制定義過程控制與運動控制的關係過程控制認識過程控制系統組成過程控制系統框圖過程控制常用術語過程控制儀錶位號過程控制分類

過程控制目的

抑制外界擾動的影響；確保過程的穩定性；使生產過程的工況最優化。從而達到：保證產品品質；提高產品產量；節能降耗；實現安全運行；改善勞動條件；保護環境衛生；提高管理水準等。過程控制定義

過程控制系統一般指工業生產過程中自動控制系統的被控變數是溫度壓力流量液位成份等這樣一些變數的系統。

過程控制與運動控制的關係

自動控制專業課：過程控制運動控制過程控制研究冶金、化工、石油、電力等工業過程中的溫度、壓力、流量、液位、成份等的控制。

運動控制研究速度、位置控制，如航太、機器人等。

過程控制認識

磨礦工藝中，每個球磨系列由給礦機給礦，以前由人工觀察給礦量，靠機械調整給礦口大小控制礦量，給礦量波動較大，難以穩定。

為穩定入磨礦量，在給礦皮帶上安裝皮帶秤，根據皮帶秤檢測的礦量對給礦機進行變頻調節。

球磨過程控制過程控制認識過程控制認識主要參考資料邵裕森，

過程控制系統及儀錶[M]，機械工業出版社，1993徐春山，過程控制儀錶[M]，冶金工業出版社，1995劉迎春，感測器原理設計與應用（第四版），國防科技大學出版社，2002張曉華，控制系統數字仿真與CAD，機械工業出版社，1999CurtisJohnson，

ProcessControlInstrumentationTechnology(6th)，PearsonEducation預修課程模擬電路檢測與轉換技術電力電子電機拖動自動控制原理微機介面技術電腦控制原理過程控制系統組成

過程控制系統組成：被控過程（Process）過程檢測控制儀錶（Instrumentation）被控過程是指運行中的多種多樣的工藝生產設備；過程檢測控制儀錶包括：測量變送元件（Measurement）控制器（Controller）執行機構（ControlElement）過程控制系統框圖

過程控制常用術語

被控過程（Process)：工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器等。被控參數（ControlledVariable)：被控過程內要求保持設定數值的工藝參數。控制參數（ManipulatingVariable)：受控制器操縱的，使被控參數保持設定值的物料量或能量。擾動量（Interference)：作用於被控過程並引起被控參數變化的因素。過程控制常用術語設定值（SetPoint:SP)：被控參數的預定值。當前值（PresentValue:PV)：被控參數的當前實際值。偏差（Error)：被控參數的設定值與當前實際值之差。過程控制儀錶位號

控制系統中，構成一個回路的每一個儀錶（或元件）都有自己的儀錶位號。儀錶位號由字母代號組合和回路編號兩部分組成。儀錶位號中的第一位字母表示被測變數，後續字母表示儀錶的功能。回路編號中第一位數表示工序號，後續數字（二位或三位）表示順序號如TI-101，T表示被測參數是溫度；I表示儀錶具有指示功能；101表示第一工序第01個檢測回路。

過程控制儀錶位號幾個常用字母代號：F（Flow）：流量L（Level）：物位P（Pressure）：壓力T（Temperature）：溫度W（Weight）：重量過程控制系統的分類

按系統的結構特點來分

回饋控制系統

前饋控制系統

複合控制系統（前饋-回饋控制系統）

按給定值信號的特點來分

定值控制系統

隨動控制系統

順序控制系統

回饋控制系統

又稱為閉環控制系統根據系統被控量與給定值的偏差進行工作，偏差值是控制的依據，最後達到減小或消除偏差的目的回饋信號可能有多個，從而可以構成多回路控制系統（如串級控制系統）。

前饋控制系統

也稱為開環控制系統。根據擾動量的大小進行工作擾動是控制的依據在實際生產中不能單獨採用。

複合控制系統（前饋-回饋控制系統）

定值控制系統

定值控制系統是工業生產過程中應用最多的一種過程控制系統。在運行時，系統被控量（溫度、壓力、流量、液位、成份等）的給定值是固定不變的。有時在規定的小範圍附近不變。

隨動控制系統

隨動控制系統是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統。它的主要作用是克服一切擾動，使被控量隨時跟蹤給定值。

過程控制的主要特點

被控過程的多樣性

控制方案的多樣性

有單回路、串級、前饋-回饋、比值、均勻、分程、選擇性、時滯、數字和電腦過程控制系統等。

控制過程屬慢過程、多半屬參量控制

定值控制是主要控制形式

過程控制的品質指標

決定過程控制系統品質的環節：控制系統結構被控過程特性過程檢測、控制儀錶性能良好的過程控制系統，在受到外來擾動作用或給定值發生變化後，應平穩、準確、迅速地回復（或趨近）到給定值上。

過程控制的品質指標過程控制系統的評價指標可概括為：

系統必須是穩定的；（平穩）系統應能提供盡可能好的穩態調節；（準確）

系統應能提供盡可能好的過渡過程。（迅速）控制性能指標應根據生產工藝過程的實際需要確定，通常採用系統階躍回應曲線的性能指標和偏差積分性能指標。

階躍回應性能指標

餘差（靜態偏差）C

描述系統穩態特性的唯一指標指系統過渡過程終了時給定值與被控參數穩態值之差。一般要求餘差不超過預定值或為零。

階躍回應性能指標衰減率ψ衡量系統過渡過程穩定性的一個動態指標。

一般取衰減率ψ=0.75～0.9。其中1/4衰減率（ψ=0.75）作為評價過渡過程的一個重要指標。

階躍回應性能指標階躍回應性能指標階躍回應性能指標最大偏差A（或超調量σ）最大偏差A是指被控參數第一個波的峰值與給定值的差

超調量：階躍回應性能指標過渡過程時間ts

指系統從受擾動作用時起，直到被控參數進入新的穩態值±5%（或±2%）的範圍內所經歷的時間。一般要求ts愈短愈好。

性能指標之間的關係有些是相互矛盾的（如超調量與過渡過程時間）對於不同的控制系統，這些性能指標各有其重要性。應根據工藝生產的具體要求，分清主次，統籌兼顧，保證優先滿足主要的品質指標要求。

偏差積分性能指標

偏差絕對值積分（IntegralofAbsoluteError:IAE）

適用於衰減和無靜差系統偏差積分性能指標偏差絕對值與時間乘積的積分（ITAE）

用以降低初始大誤差對性能指標的影響；同時強調了過渡過程後期的誤差對指標的影響。偏差積分性能指標偏差平方值積分（IntegralofSquaredError:ISE）同IAE偏差積分性能指標時間乘偏差平方積分（ITSE）同ITAE過程控制的發展簡況

手工操作狀態（20世紀40年代前後）

儀錶化與局部自動化階段（50～60年代）

綜合自動化（60-70年代中期）階段

全盤自動化階段（70年代中期至今）

儀錶化與局部自動化階段（50～60年代）

系統結構大多為單輸入-單輸出的單回路定值控制系統。

過程檢測控制儀錶為基地式儀錶和部分單元組合式儀錶。基地式儀錶

一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內同時具有檢測、控制與顯示的功能結構簡單、價格低廉、使用方便通用性差，信號不易傳遞一般應用於簡單控制系統中。

單元組合式儀錶將儀錶按其功能分成若干單元各個單元之間以統一的標準信號相互聯繫具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當組合，也可與電腦等設備配合，組合各種複雜的、新型的控制系統。

有氣動組合儀錶和電動單元組合儀錶（QDZ和DDZ儀錶）兩類。

氣動單元組合儀錶（QDZ）採用140kPa壓縮空氣為能源，以20～100kPa標準統一信號輸出結構簡單、價格便宜、性能穩定、工作可靠、安全防火防爆特別適用於石油、化工等易燃易爆場合電動單元組合儀錶（DDZ）採用0-10mA或4-20mA標準統一信號體積小、重量輕、安裝維護方便、便於電腦介面部分儀錶（如DDZ-Ⅲ型）採取了先進的安全防爆措施，能構成本質安全防爆系統，同樣能應用於易燃易爆場合。

綜合自動化階段（60-70年代中期）

工業生產過程出現了一個車間甚至於一個工廠的綜合自動化過程檢測控制儀錶是單元組合儀錶和組裝式儀錶逐步採用數字電腦以及以微處理器為基礎的集散控制系統。

數字控制儀錶積木式結構部分單元採用微電腦技術，可進行數字運算可編程數字調節器（如KMM儀錶）是其中最具代表性的單元儀錶，特點有：內部結構微機化；運算數位化；編程方法簡單；自整定、自診斷的功能；通訊功能。全盤自動化階段（70年代中期至今）

實現了全車間、全廠、甚至全企業無人或很少人參與操作管理實現了過程控制最優化與現代化的集中調度管理相結合

檢測儀錶功能及組成

功能：確定被測參數的量值組成：感測器（含敏感元件）：檢測儀錶中的首要部件，它直接與被測對象發生聯繫（但不一定直接接觸）。感受被測參數的變化，併發出與之相適應的信號（壓力變化、電阻變化等）。

變送器：能輸出標準信號的感測器。氣動、電動儀錶信號標準

電動儀錶：4-20mA，DC（遠距離）；1-5V，DC（櫃內傳輸）

氣動儀錶：20-100Kpa對感測器的三個要求

高準確性，感測器的輸出信號與被測參數成嚴格的單值函數關係。

高穩定性，不受時間或環境溫度變化等因素的影響。

高靈敏度，被測參數微小變化時，輸出量變化明顯。

測量誤差與真值

測量誤差：測量值與真實值之間存在的差別真值：一個變數本身所具有的真實值，它是一個理想的概念，一般是無法得到的。在計算誤差時，一般用約定真值或相對真值來代替。

約定真值與相對真值

約定真值：一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。相對真值：指當高一級標準器的誤差僅為低一級的1/3以下時，可認為高一級的標準器或儀錶示值為低一級的相對真值。

儀錶讀數誤差

讀數誤差的實質，是儀錶讀數與被測參數真實值之差。儀錶的讀數誤差只能是讀數與約定真值或相對真值之差。

△=M-A△——讀數絕對誤差；

M——儀錶讀數；

A——約定真值或相對真值。

儀錶絕對誤差與相對誤差

絕對誤差：在測量範圍內，各讀數誤差的最大值。相對誤差：儀錶的絕對誤差與真值的百分比。引用誤差：絕對誤差與儀錶量程的百分比儀錶基本誤差

這是指在儀錶製造廠保證的條件下儀錶的相對誤差值，即規定使用條件下的相對誤差。規定使用條件：包括溫度、相對濕度、電源電壓、安裝方式等。

儀錶的附加誤差

附加誤差是儀錶在非規定的參比工作條件下使用時另外產生的誤差。如電源波動附加誤差，溫度附加誤差等。

儀錶精度等級

又稱準確度級，是按國家統一規定的允許誤差大小劃分成的等級。我國儀錶精度等級有：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級數越小，精度（準確度）就越高。科學實驗用的儀錶精度等級在0.05級以上；工業檢測用儀錶多在0.1～4.0級，其中校驗用的標準表多為0.1或0.2級，現場用多為0.5～4.0級。

儀錶的靈敏度

儀錶的靈敏度是表達儀錶對被測參數變化的靈敏程度。它是指儀錶在達到穩定狀態以後，儀錶輸出信號變化△α與引起此輸出信號變化的被測參數（輸入信號）變化量△x之比，用S表示靈敏度

儀錶的靈敏限

指能夠引起儀錶指示值（輸出信號）發出變化（動作）的被測參數（輸入信號）的最小（極限）變化量。與靈敏度是不同的概念。測量變送中的幾個主要問題

純滯後問題

由於測量元件安裝位置不當及測量儀錶本身特性等容易引入純滯後。

測量滯後問題

主要由測量元件本身的特性造成。在系統設計中可選用快速測量元件。信號傳送滯後問題

主要是指QDZ儀錶氣壓信號在管路傳送過程中所造成的滯後。

測量信號的處理

測量信號的校正

測量信號雜訊（干擾）的濾波

低通高通帶通對測量信號進行線性化處理

例題1某壓力錶刻度0～100kPa，在50kPa處測量值為49.5kPa，求在50kPa處儀錶示值的絕對誤差、示值相對誤差和示值引用誤差？例題1儀錶示值的絕對誤差：儀錶示值的相對誤差：儀表示值的引用誤差：

例題2下圖是乙烯裂解氣溫度控制系統。採用液態丙烯，使其汽化吸收熱量以冷卻乙烯裂解氣。調節氣態丙烯流量使溫度控制在（15±1.5）℃。例題2指出系統中被控對象、被控變數和操縱變數各是什麼？

試畫出該控制系統的組成方塊圖。

試比較示意圖和方塊圖，說明操縱變數的信號流向與物料的實際流動方向不同。

例題2被控對象為丙烯冷卻器；被控變數為乙烯裂解氣的出口溫度；操縱變數為氣態丙烯的流量。在示意圖中，氣態丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。而在方塊圖中，氣態丙烯作為操縱變量，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。

例題3某換熱器的溫度控制系統方塊圖如下圖。系統的被控變數為出口物料溫度，要求保持在（200±20）℃，操縱變數為加熱蒸汽的流量。

例題3說明圖中R、E、Q、C、F所代表的專業術語內容。

說明Z、I、P的信號範圍。

氣動執行器的輸入、輸出各是什麼物理量？

電流二線制

檢測回路串入電源，電源一般為24VDC線路簡單，但抗擾、防爆性能差。

電流四線制

電源與檢測回路相互獨立儀錶的工作電源可為直流，也可為交流

容易實現電源隔離、輸入/輸出隔離

電阻三線制

為防止由於遠距離接線而造成橋臂不平衡接兩根電橋線和一根電源線（左圖）或接三根電橋線（右圖）電阻四線制

該接線可有效抑制由於調零電位器接觸電阻變化而破壞電橋的平衡和正常工作狀態。

運算放大器

理想集成運放主要特徵：輸入失調電壓VIO為零；

輸入偏置電流IIB、失調電流IIO均為零；

開環差模輸入電阻為無限大；輸出電阻Ro＝0；

開環差模電壓增益為無限大；

共模輸入電阻及共模抑制比為無限大。

虛短與虛斷反相比例運算電路

同相比例運算電路

反相加法電路

同相加法電路

減法（差分放大）電路

測量放大電路

積分電路

微分電路

電壓跟隨器

V/I轉換電路和

I/V轉換電路

V/I轉換電路將1-5VDC轉換成4-20mADCI/V轉換電路將4-20mADC轉換成1-5VDC安全防爆基礎知識

易燃易爆的固體粉塵、氣體或蒸汽，與空氣混合成為具有火災或爆炸危險的混合物安裝在這類場所的檢測儀錶和執行器，如果產生的火花具有點燃這些危險混合物的能量，則產生火災或爆炸。

危險場所的分類

第一類

含有可燃性氣體或蒸汽的爆炸性混合物的場所，稱為Q類場所。

第二類

含有可燃性粉塵或纖維混合物的場所，稱為G類場所。

第三類火災危險場所，稱為H類場所。Q類場所第一類危險程度最高，將其又分為三級：Q-1級

在正常情況下能形成爆炸性混合物的場所

Q-2級

僅在不正常情況下形成爆炸性混合物的場所

Q-3級

在不正常情況下，只能在局部地區形成爆炸性混合物的場所儀錶防爆要求

用於危險區的控制系統中，一部分儀錶安裝在控制室內，無防爆要求；一部分安裝在現場，如電動儀錶中的變送器、執行器、電氣轉換器等，有防爆要求；兩部分儀錶需經防爆安全柵聯接；當兩部分距離較遠時，還要採用防爆聯接電纜。

隔離式安全柵

通過隔離、限壓和限流等措施，限制注入危險場所的能量來保證安全火花性能。危險側設備與安全側設備的一切聯繫（如供能、信號傳遞等）都是通過電磁轉換方式進行的。利用符合要求的非線性特性的電路，把危險側的電源、電壓值限制在安全值以下。

隔離式安全柵的主要指標

輸入信號輸入式4～20mA，DC輸出式4～20mA，DC。

輸出信號輸入式1～5V，DC；4～20mA，DC輸出式4～20mA，DC。

負載電阻輸入式電流負載電阻0～100Ω；

輸出式負載電阻為250～750Ω。

防爆額定電壓

220V，DC/AC。

隔離式安全柵特點通用性強，使用時不需要特別本安接地，系統可以在危險區或安全區認為合適的任何一方接地，使用方便；

電源、信號輸入、信號輸出均通過變壓耦合，實現信號的輸入、輸出完全隔離，使安全柵的工作更加安全可靠。

電源隔離處理採用變壓器隔離，輸入電源經DC/AC變換器變成交流方波；再經變壓器耦合、AC/DC、濾波得到直流穩壓電源；通過電流、電壓限制電路，給現場提供隔離電源。輸入隔離式安全柵接受變送器的輸出電流，經調製變成交流方波信號；通過信號變壓器耦合到安全側，經解調放大還原為直流信號輸出，實現危險側輸入信號與安全側輸出信號隔離。

輸出隔離式安全柵安全側的輸入直流信號通過調製變成交流方波信號；經信號變壓器耦合到危險側，送入解調放大器，輸出直流信號。在危險側信號輸出端通過快速熔絲、限壓電路、限流電路組成齊納式限壓限流電路，把通往現場的電壓和電流限制在一個安全值內。

二進位

最容易邏輯實現，分別用“1”和“0”的表示電腦中用電壓的高低表示半導體工藝，CMOS電路

十六進制

4位二進位數的組合0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。例如：8：1000C：1100F：1111BCD碼

用二進位數表示十進位例如：9：10017：011197：10010111若用16進制：97：01100001每位最大數1001原碼

A=an-1an-2…...a1a0最高位an-1為符號位，0表示正，1表示負其他位an-2…...a1a0表示數值

特點：易於理解；不便於電腦的運算，因為在運算中要單獨處理其符號。要將符號位與其它位一樣處理就用補數表示數據。補數

A=an-1an-2…...a1a0表示(-2n-1an-1+an-2…...a1a0)an-1=0時，補數和原碼一樣，A表示正an-2…...a1a0。

an-1=1時，A表示(-2n-1+an-2…...a1a0)特點：不便理解；計算方便，可輕易實現減法到加法的轉換；電腦是以補數形式存放数据的。原碼與補數的轉換

正數的補數：與原碼相同負數的補數：符號位為1，數值位是對該數的原碼的相應位取反，然後整個數再加1。例如：+7的補數：00000111-7的補數：寫出原碼10000111數值位取反11111000加1

11111001，即-7的補數是11111001TTL電平

0：0V≤V≤0.4V

1：2.4V≤V≤5V高阻：0.4V

≤

V≤

2.4V與門、或門、非門、三態門、緩衝器光電耦合器

輸入與輸出在電氣上完全隔離；無觸點、體積小、壽命長、抗擾性能強可用於隔離電路、負載介面及各種控制電路中ADC實現電腦過程控制中模擬量到數字量的轉換只有將被控量（模擬量）轉換成數字量，才能送到電腦中運算處理ADCADC的主要技術指標

解析度：以輸出二進位數的位數表示解析度，位數越多，誤差越小，轉換精度越高。

轉換速度：指完成一次轉換所需的時間，低速的一般為1-30mS，高速的一般約50nS。DAC必須將處理得出的數字量轉換成模擬量送執行器才能實現被控量的控制

數字濾波

數字濾波即程式濾波，通過電腦軟體（運算與判斷）濾去干擾信號，提高信號的真實性。

在電腦中常採用數字濾波消除低頻干擾常用的數字濾波有如下幾種：算術平均值濾波、程式判斷濾波、中位值法濾波和一階慣性濾波等。

算術平均值濾波

又稱為遞推平均濾波，對週期性等幅振盪的干擾有較明顯的濾波效果。

程式判斷濾波

當時，則Xi為輸入電腦的採樣值。

當時，應將Xi-1採樣值作為第i次採樣值輸入電腦。B值的選擇主要決定於對象的被測參數的變化速度

中位值法濾波

連續採樣三次以上的被測值，從中選擇大小居中的那個值作為有效的測量信號適用場合：對變化速度不太快的參數，去掉其干擾脈衝。

溫標及換算關係

溫度：表徵物體冷熱程度的一個物理量。溫標：將溫度數值化的一套規則和方法，溫標有起點、單位和方向。溫標有華氏、攝氏及開氏溫標（熱力學溫標）。華氏與攝氏溫標換算公式

接觸式測溫

接觸測量，簡單、可靠、精度高；測溫元件有時可能破壞被測介質的溫度場或與被測介質發生化學反應；因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。

非接觸式測溫

通過熱輻射來測溫，不會破壞被測介質的溫度場，誤差小，反應速度快；測溫上限原則上不受限制；易受被測物體熱輻射率及環境因素（物體與儀錶間的距離、煙塵和水汽等）的影響。

熱電偶特點

熱電動勢與溫度在小範圍內基本上呈單值、線性關係；穩定性和複現性較好；回應時間較快；測溫範圍寬，高溫熱電偶測溫上限可達2800℃，低溫熱電偶可達4K；測溫精度高；使用範圍廣。工業常用熱電偶

標準型熱電偶：按國家規定定型生產、有標準化分度表的熱電偶。主要有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分度號B）；鉑銠10-鉑電偶（分度號S）；鎳鉻-鎳矽（鎳鉻-鎳鋁，分度號K）熱電偶；鎳鉻-康銅（鎳鉻-銅鎳，分度號E）熱電偶。鎧裝熱電偶

將熱電極、絕緣材料和金屬保護套管加工成一個堅實的整體，經複合拉伸後形成的熱電偶；細：一般直徑為1～8mm；長：長度一般為1～20m；具有體積小、精度高、動態回應快、可靠性高、可撓性好、通常不用補償導線等特點，特別適合於溫度控制系統。熱電偶冷端補償

只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數：E（T，0）=E（T，Tn）+E（Tn，0）熱電偶的冷端溫度補償：只有將冷端溫度保持為0℃，或者進行一定的修正才能得到準確的測量結果。熱電偶冷端補償方法冷端溫度保持為0℃；冷端溫度修正法，包括溫度修正法T=T’+kT和熱電勢修正法（查表法）；冷端溫度自動補償法，包括補償電橋法和pn結補償法；補償熱電偶法，即補償導線法。熱電阻

在中、低溫區，熱電偶輸出的熱電動勢很小；而在中、低溫區，用熱電阻比用熱電偶做為測溫元件時的測量精確度更高；熱電阻特點：性能穩定、測量精度高，一般可在-270～900℃範圍內使用（推薦在150℃以下時選用）。熱電阻的材料要求一般要求工業熱電阻的材料應具有：電阻溫度係數大；電阻率大；熱容量小；在測溫範圍內具有穩定的物理和化學性能；良好的複製性；電阻隨溫度的變化呈線性關係等。常用熱電阻材料目前世界上用作熱電阻的材料主要有鉑、銅及鎳；我國鎳儲量較少，故只採用鉑、銅兩種金屬熱電阻。

集成溫度感測器利用pn結的伏安特性與溫度之間的關係研製的一種固態感測器。特點：體積小；熱慣性小、反應快；測溫精度高；穩定性好；價格低等。分電壓型和電流型兩種，電壓型溫度係數約10mV/0C；電流型溫度係數約1μA/0C。

AD590兩端元件；供電電壓：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）輸出；00C時輸出273.2μA；溫度係數1μA/0C；測溫範圍-55~+1500C；使用範圍廣泛。接觸測溫元件的安裝原則

測量流動介質（管道內）溫度時，應保證感測器與介質充分接觸，與被測介質成逆流狀態（至少呈正交式）安裝。

感溫點應處於管道中流速最大的地方。

盡可能增大感測器的插入深度，溫度計應斜插或在管道彎頭處插入。

當測溫管道過細（直徑小於80㎜）時，安裝測溫元件需加裝擴充管。

接觸測溫元件的安裝原則熱電偶及熱電阻在安裝時，應使其接線盒的面蓋向下，以免雨水或其他汙物滲漏。

安裝在負壓管道上的溫度計，必須要保證良好的密封性，以防外界冷空氣進入。

用熱電偶測量爐膛溫度時，應避免與火焰直接接觸；避免把熱電偶安裝在爐門旁或與熱物體距離過近之處。接線盒不應碰到被測介質的器壁，以免熱電偶冷端溫度過高。

測溫元件的選型原則

儀錶的精度等級應根據生產工藝對參數允許偏差的大小確定。

儀錶選型應力求操作方便、運行可靠、經濟、合理等。在同一工程中，應儘量減小儀錶的品種和規格。

一般取實測最高溫度為儀錶上限值的90%，而30%以下的刻度原則上最好不用。測溫元件的選型原則熱電偶測溫反應速度快、適於遠距離傳送、便於與電腦聯用、價廉，故只在測量範圍低於150℃時才選用熱電阻。熱電偶、補償導線及顯示儀錶的分度號要一致。

保護套管的耐壓等級應不低於所在管線或設備的耐壓等級。材料應根據最高使用溫度及被測介質的特性來選擇。

例題用分度號為K的鎳鉻-鎳矽熱電偶測量溫度，在沒有採取冷端溫度補償的情況下，顯示儀錶指示值為500℃，而這時冷端溫度為60℃。試問：實際溫度應為多少？如果熱端溫度不變，設法使冷端溫度保持在20℃，此時顯示儀錶的指示值應為多少？

例題顯示儀錶指示值為500時，查表可得此時顯示儀錶的實際輸入電勢為20.64mV，由於這個電勢是由熱電偶產生的，即

同樣，查表可得：

=20.64+2.463=23.076mV由23.076mV查表可得：t=557℃。即實際溫度為557℃。

執行器

作用：控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現對過程參數的自動控制。執行器組成：執行機構（驅動）調節機構（閥芯）接受調節器輸出的控制信號，轉換成直線位移或角位移，來改變調節閥的流通截面積。執行器安裝在生產現場，直接與介質接觸；通常在高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、易結晶、易燃易爆、劇毒等場合下工作；直接影響過程控制系統的控制品質。

執行器分類分為三大類：以壓縮空氣為能源的氣動執行器（即氣動調節閥），氣動執行器的輸入信號為20～100kPa；以電為能源的電動執行器（即電動調節閥），電動執行器的輸入信號為4～20mADC；以高壓液體為能源的液動執行器（即液動調節閥）。

電動執行器

執行機構包括：永磁低速同步電動機、位置發送器和減速器等。氣動執行器

執行機構由膜片、推杆和平衡彈簧等部分組成；接受調節器或電-氣閥門定位器輸出的氣壓信號，經膜片轉換成推力，使推杆（閥杆）產生位移，同時帶動閥心動作；氣動執行器的執行機構可看成一階慣性環節（而電動執行器可看成比例環節）。

調節閥

局部阻力可變的節流元件；通過改變閥芯的行程可以改變調節閥的阻力係數，達到控制流量的目的。調節閥的主要結構形式調節閥的流量特性

指介質流過閥門的相對流量與相對開度之間的關係

qv/qvmax——相對流量，即調節閥某一開度流量與全開流量之比；

l/L——相對開度，即調節閥某一開度行程與全行程之比。

理想流量特性

調節閥前後壓差不變時，得到的流量特性；流量特性完全取決於閥芯的形狀；理想流量特性有：直線對數拋物線快開直線流量特性

調節閥的相對流量與閥心的相對開度成直線關係，即調節閥相對開度變化所引起的相對流量變化是常數。

R為調節閥的可調範圍，R=qvmax/qvmin

直線流量特性特點閥心相對開度變化所引起的流量變化是相等的流量相對變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同的：在小開度時，流量相對變化量大；在大開度時，其流量相對變化最小。直線流量特性調節閥在小開度時，控制作用強，易引起振盪；在大開度時，控制作用弱，控制緩慢。

對數（等百分比）流量特性

其數學運算式

行程變化相同的百分數，流量在原來基礎上變化的相對百分數是相等的，即具有等百分比流量特性。對數（等百分比）流量特性特點：調節閥在小開度時，控制緩和平穩調節閥在大開度時，控制及時有效。拋物線流量特性

相對流量與閥杆的相對開度成拋物線關係，即相對流量與相對開度成平方關係。它介於直線與對數流量特性之間，通常可用對數流量性來代替。

快開流量特性

在小開度時流量就比較大，隨著開度的增大流量很快就達到最大主要適用於位式控制。

工作流量特性

實際應用時，調節閥兩端的壓差是變化的，此時調節閥的相對流量與相對開度之間的關係稱為工作流量特性。為衡量調節閥實際工作流量特性相對於理想流量特性的變化程度，用阻力比係數S來表示：調節閥S值串聯管道，流量特性發生兩個變化一是調節閥全開時流量減小，即調節閥可調範圍變小；另一個是流量特性曲線向上拱，理想直線特性變成快開特性。S值越小，畸變越嚴重。並聯工作時，根據現場使用經驗，旁路流量只能為總流量的百分之十幾，S值不能低於0.8。

調節閥的空化及其避免

閃蒸：

流體流經節流件（閥芯）時，在節流件後某處靜壓下降到最低，當靜壓力下降到甚至低於該液體所在工況下的飽和蒸汽壓時，部分液體就會汽化成氣體，形成汽液混合的兩相流體。空化：閃蒸發生後，隨著流體的流動，其靜壓力又要上升。當靜壓力回升到該液體所在工況下的飽和蒸汽壓以上時，閃蒸形成的氣泡會破裂重新轉化為液體，這種氣泡形成和破裂的過程稱為空化。

調節閥的空化及其避免空化的破壞作用：材質的損壞；振動；雜訊。避免空化和汽蝕的方法

主要從壓差的選擇、材料、結構上考慮。最根本的方法是使調節閥前後壓差不大於最大允許壓差：可採用多級閥芯的高壓調節閥；用兩個以上的調節閥相串聯。選擇調節閥的氣開、氣關形式

所謂氣開式，即當信號壓力增加時，閥門開大；氣關式則相反，即信號壓力增加時，閥門關小。

考慮事故狀態時人身、工藝設備的安全；考慮在事故狀態下減少經濟損失，保證產品品質。閥門定位器

氣動執行器的主要附件。利用負回饋原理來改善調節閥的定位精度和靈敏度。

實現準確定位；改善調節閥的動態特性；改變調節閥的流量特性；實現分程式控制制。例題已知閥的最大流量Qmax=100m3/h，可調範圍R=30。試分別計算在理想情況下閥的相對行程為=0.1、0.2、0.8、0.9時的流量值Q，並比較不同理想流量特性的控制閥在小開度與大開度時的流量變化情況。

直線流量特性；

等百分比流量特性。

例題根據直線流量特性的相對流量與相對行程之間的關係：分別在公式中代入數據Qmax=100m3/h，R=30，l/L=0.1、0.2、0.8、0.9等數據，得：Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.67m3/hQ0.9=90.33m3/h例題根據等百分比流量特性的相對流量與相對行程之間的關係：得：Q0.1=4.68m3/hQ0.2=6.58m3/h

Q0.8=50.65m3/hQ0.9=71.17m3/h

例題對於直線流量特性的控制閥，相對行程由10%變化到20%時，流量變化的相對值為：相對行程由80%變化到90%時，流量變化的相對值為

例題可見，對於直線流量特性的控制閥，在小開度時（10%處），行程變化10%，流量增加74.4%；在大開度時（80%處），行程同樣變化了10%，流量只在原有基礎上增加12%，控制作用很弱，控制不夠及時、有力。

例題對於等百分比流量特性的控制閥，相對行程由10%變為20%時，流量變化的相對值為相對行程由80%變到90%時，流量變化的相對值為

電力電子元件

SCR、GTO、GTR、IGBT、MOS、MCT等；IGBT是電力MOSFET和GTR的有機結合，具有MOSFET驅動功率小、開關頻率高和GTR工作電流大的特點；MCT（門控晶閘管）是MOSFET和SCR的有機結合。

變頻器原理

將頻率、電壓固定的交流電變換成頻率、電壓連續可調的三相交流電源。

變頻時應保持每極磁通Фm為額定值不變。由於，故要求V/f不變。轉矩提升：低壓時，人為地把電壓V抬高一些，以便近似地補償定子壓降。

變頻器主回路示意圖主電路整流器將電網的交流電變為直流電。濾波器將整流器輸出的脈動直流變成平穩的直流電。逆變器將直流電變成交流電供給負載。輸入點模擬量輸入點頻率的給定；輸入PID回饋信號等。開關量輸入點給出正轉／反轉命令；設定多種命令信號等。輸出點模擬量輸出點輸出模擬監視信號；脈衝輸出輸出脈衝監視信號；開關量輸出點輸出各種開關量監視信號；輸出總報警信號等。設計電路舉例變頻器應用

變頻器與籠型電動機的結合是交流電動機調速系統的最佳選擇。特點：顯著的節能效果；較高的控制精度及較寬的調速範圍；便於使用和維護；易於實現自動控制及遠程控制等性能。變頻在泵流量控制中的應用風機、水泵的特點：負載轉矩與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。以前的電機以定速運轉，用擋板閥門調節風量、水量。改用根據所需要的風量、水量調節轉速就可獲得大量節電效果。應用表明，一般節約動力達40%以上。

流量、揚程、軸功率與轉速關係流量：揚程：軸功率：變頻高次諧波與諧波抑制

高次諧波：基頻（通常為電源頻率）倍數的頻率。變頻高次諧波與諧波抑制畸波：單個基波與幾個高次諧波組合在一起。n=pk

1（p=脈衝數，k=1，2，3…），通用變頻器中三相整流器產生5次，7次，11次，13次…高次諧波。它的諧波含量（諧波內容）為1/n，諧波級數增加，諧波量值減少。在變頻器電源側連接AC電抗器或在DC電路中安裝DC電抗器或同時進行，可抑制諧波電流。高次諧波與雜訊的區別

變頻雜訊與雜訊衰減

雜訊的空中傳播

變頻器產生的雜訊在空中輻射和傳播的3種路徑：

變頻器輻射；變頻器輸入側電源電線的輻射；

變頻器輸出側到電機連接電線的輻射。

電磁感應雜訊

變頻器輸入/輸出的電流產生的磁場，感應到周圍設備的電流側和信號側，使周圍設備受到雜訊的影響。當平行佈線或成束佈線時，走線範圍越大，感應雜訊也就越大。

靜電感應雜訊、電回路傳播雜訊

變頻器輸入輸出側由電流產生的磁場通過靜電容耦合到信號線端，並傳播到受影響的設備。

變頻器產生的高頻雜訊通過電源線傳播到周圍設備。

被控過程數學模型

過程在輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其輸出量（被控量）隨輸入量變化的數學函數關係運算式。被控過程輸入量與輸出量之間的信號聯繫稱為通道。控制通道：控制作用與被控變數之間的信號聯繫通道。擾動通道：擾動作用與被控變數之間的信號聯繫通道。建立過程數學模型的目的

設計過程控制系統；整定調節器參數；

指導生產工藝設備設計；進行試驗研究等。過程數學模型的求取方法

方法一：數學分析法，即根據過程的內在機理，通過靜態與動態物料平衡和能量平衡關係求取過程的數學模型。方法二：過程辨識法，即根據過程輸入、輸出數據，通過過程辨識與參數估計的方法建立被控過程的數學模型。

物料（或能量）平衡關係靜態物料（或能量）平衡關係：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）等於單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）。

動態物料（或能量）平衡關係：單位時間內進入被控過程的物料（或能量）減去單位時間內從被控過程流出的物料（或能量）等於被控過程內物料（或能量）存儲量的變化率。被控過程數學模型的幾個參數

放大係數K：

在數值上等於對象處於穩定狀態時輸出變化量與輸入變化量之比：放大係數是描述對象靜態特性的參數。

被控過程數學模型的幾個參數時間常數T：指當對象受到階躍輸入作用後，被控變數如果保持初始速度變化，達到新的穩態值所需的時間。或：當對象受到階躍輸入作用後，被控變數達到新的穩態值的63.2%所需時間。反映被控變數變化快慢的一個重要動態參數。

被控過程數學模型的幾個參數滯後時間τ：是純滯後時間τ0和容量滯後τC的總和。

純滯後的產生一般是由於介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。容量滯後一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。滯後時間τ是反映對象動態特性的另一個重要參數。

自衡能力

當擾動發生後，被控量變化最後達到新的平衡。該過程具有自衡能力，稱自衡過程。當擾動發生後，被控量不斷變化，最後不再平衡下來，該過程無自衡能力，稱非自衡過程。如液位系統，出口閥不控，入口流量變化後，液位為自衡過程；若出口加泵，為非自衡過程。

自衡過程單容、雙容及純滯後對象

數學模型

無自衡過程單容、雙容及純滯後對象

數學模型

回應曲線法

階躍回應曲線法

通常取階躍信號值為正常輸入信號的5～15%，以不影響生產為准；

在相同的測試條件下重複幾次；正、反方向變化時分別測出其回應曲線；

被控過程必須處於穩定的工作狀態。回應曲線法矩形脈衝回應曲線法

適用於不允許長時間偏離正常操作條件的被控過程；

當階躍進信號幅值受生產條件限制而影響過程的模型精度時採用。

由階躍回應曲線獲取特徵參數

確定一階慣性環節的參數

過程的靜態放大係數

過程的時間常數：過O點作階躍回應曲線的切線，交穩態的漸近線y（∞）於A點，其投影OB即為過程的時間常數T0。或作63.2%線求取。確定有時滯的一階環節的參數

K0求法同前。

過程時間常數T0和滯後時間τ的求法：τ可直接讀出；時間常數T0求法同前。

確定二階環節的參數

K0求法同前。

T1、T2可根據階躍回應曲線上兩個點的位置來確定：作y（t）穩態值的漸近線y（∞）；

讀取曲線y（t1）=0.4y（∞）所對應的時間t1值；

讀取曲線y（t2）=0.48y（∞）所對應的時間t2值；

確定二階環節的參數當時：當時：相當於一階環節。確定二階環節的參數當時：當t1/t2>0.46

時：n為階次。單回路控制系統結構單回路控制系統特點結構簡單、投資少、易於整定和投運；可滿足一般生產過程的工藝要求；

占控制回路的85%以上，應用廣泛；適用於被控過程的純滯後與慣性不大、負荷與干擾變化比較平穩或者工藝要求不太高的場合。

系統設計的方法

首先全面瞭解被控過程；深入分析工藝過程設備；應用自動控制理論和技術，擬定一個合理正確的控制方案。

系統設計的主要內容

包括：方案設計；工程設計；工程安裝與儀錶調校；調節器參數整定等。核心內容：控制方案設計；調節器參數整定。被制參數選擇

選擇起決定性作用、並且可以測量的直接參數；可以選用間接參數作為被控參數，但它必須與直接參數有單值一一對應關係；

對控制作用的反應具有足夠的靈敏度；應考慮到工藝生產的合理性；儀錶的供應情況。

被控參數選擇的一般原則

代表一定的工藝操作指標或是反映工藝操作狀態的重要變數；

應是工藝生產過程中經常變化，因而需要頻繁加以控制的變數；

應盡可能選擇工藝生產過程的直接控制指標；應是能測量的，並具有較大靈敏度的變數；

應是獨立可控的；應考慮工藝的合理性與經濟性。

控制參數選擇

應是工藝上允許加以控制的可控變數；

應是對被控參數影響的諸因素中比較靈敏的變數，即：控制通道的放大係數要大一些；時間常數要小一些；純滯後時間要儘量小等。應考慮工藝的合理性和生產的經濟性。

過程靜態特性對控制品質的影響

指過程的靜態放大係數對控制品質的影響。擾動通道的靜態放大系統Kf大對控制不利；控制通道的放大係數K0愈大，表示控制作用愈靈敏；但K0太大，會使控制作用對被控變數的影響過強，使系統的穩定性下降；選擇控制通道的K0適當大一些，可由Kc來補償。

擾動通道對動態特性的影響擾動通道的容積愈多、愈大，則擾動對被控參數的影響愈小，控制品質愈好；

擾動通道的純滯後不影響系統的控制品質；應使擾動作用點位置遠離被控參數。

控制通道對動態特性的影響時間常數較小；反應靈敏；純滯後時間小。選擇控制參數的一般原則

選擇過程控制通道的放大系Ko要大一些；時間常數To要小一些；純滯後時間τo愈小愈好；過程擾動通道的放大係數Kf應盡可能小；時間常數Tf要大；引入系統的位置要遠離被控參數；應儘量設法把廣義過程的幾個時間常數錯開，使其中一個時間常數比其他時間常數大得多；注意工藝操作的合理性、經濟性。控制系統投運投運：在控制系統方案設計、儀錶安裝調校就緒後，或者經過停車檢修之後，再將系統投入生產使用的過程。操作人員在系統投運之前，必須對構成系統的各種儀器儀錶、聯接管線、供電、供氣情況等進行全面檢查和準備。控制系統投運步驟投運步驟：檢測系統投入運行；調節閥手動遙控；調節器投運。待回路工況穩定後，可投入自動：把調節器PID參數值設置合適位置，當其偏差接近零時，即將調節器由手動切換到自動；若還不夠理想，則繼續整定調節器參數，直到滿意為止。

單回路控制系統設計方案舉例

磨礦工藝中，每個球磨系列由擺式給礦機下礦，經集礦皮帶和給礦皮帶送入球磨機；以前由人工觀察給礦量，靠調整下礦口或起停給礦機來控制礦量，給礦量波動往往較大，難以穩定。為穩定入磨礦量，需設計球磨給礦自動控制系統。單回路控制系統設計方案舉例單回路系統？或其他系統？干擾量？靜態和動態指標要求？儀錶選型？控制器選型？控制規律（演算法）確定？單回路控制系統設計方案舉例被控參數：給礦量；控制參數：下礦口開度？給礦機頻率？測量儀錶：皮帶秤（電子式？放射源式？）測量儀錶安裝位置：（集礦皮帶？給礦皮帶？）執行器：開度控制器（推杆）？變頻器？單回路控制系統設計方案舉例採用單回路控制系統；在給礦皮帶上安裝電子皮帶秤，根據皮帶秤檢測的礦量對給礦機進行變頻調節；控制器選用西門子S7-300PLC；控制演算法採用PI控制。單回路控制系統設計方案舉例常用調節規律

位式控制，即兩位式邏輯開或關（ON/OFF）控制；

比例(proportional)積分(integral)微分(derivative)控制，簡稱PID控制；模糊（Fuzzy）控制；神經網路（NeuralNetwork）控制；專家系統等。可編程邏輯控制器（PLC）簡介

可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller：PLC）是一種數字式的電子裝置，早期專用於順序邏輯和程式控制。使用可編程序的記憶體來存儲指令，實現邏輯運算、順序控制、計數、計時和算術運算等功能，用來對各種機械或生產過程進行控制。

PLC特點高可靠性和較強的適應惡劣環境的能力；結構緊湊；速度快；功能強；靈活通用；編程容易；維護方便。PLC發展採用高性能的處理器，在保證快速完成順序邏輯運算的前提下，普遍增加：回路調節功能、代數運算功能、高速通訊網絡等。當今的PLC已成為一個集邏輯控制、調節控制、網路通訊和圖形監視於一體的綜合自動化系統。

常用PLC西門子（Siemens）S7-200/300/400、S5系列；歐姆龍（Omron）CS1、C200H、CPM系列；三菱FX系列；GEFanuc系列等。比例積分微分（PID）控制

過程控制中應用最廣泛的一種控制規律。電腦控制系統中首先採用的控制算式。

實際運行經驗及理論分析充分證明，這種控制規律在對相當多的工業對象（一階、二階）進行控制時能夠得到較滿意的結果。模擬的PID算式

u：輸出Kp：比例係數e：偏差Ti：積分時間常數Td：微分時間常數差分的PID算式（位置式）ek：第k次採樣所獲得的偏差信號

△ek：本次和上次測量值偏差的差

差分的PID算式（增量式）

積分係數

微分係數

增量式控制演算法特點

電腦只輸出增量，把累計工作交給執行機構承擔，誤動作小；

手動切換到自動時衝擊小；

算式中不需要累加運算，增量只與最近幾次採樣值有關。

改進的PID控制演算法

積分分離的PID演算法

在啟動階段或具有設定值大幅度變化的時刻，在短時間內將存在很大的偏差，運算式中的積分項取值很大；在消除偏差過程中，必然導致系統出現較大的超調及長時間的振盪，而且會產生嚴重的積分飽和現象，甚至損壞設備。

積分分離的PID演算法N——邏輯判斷係數

N=0E（k）＞M

；N=1E（k）≤M

。M——預先設定的門限值。

帶有死區的PID控制

只要測量值與給定值的差值在死區範圍內，調節器輸出無變化。

Y（k）=0

當調節器輸出不變Y（k）=Y（k）當調節器輸出變化微分先行的PID演算法

調節器採用PI規律，而將微分作用移到回饋回路上去；微分作用直接對被控量進行微分，對被控量的變化速度進行運算；在給定值變化頻繁的情況下，優先選擇微分先行控制方案。

選擇調節器的控制規律

根據τo/To比值來選擇調節器的控制規律即當時，選用比例或比例積分控制規律；當時，選用比例積分或比例積分微分控制規律；當時，採用單回路控制系統往往已不能滿足工藝要求，應根據具體情況採用其他控制方式，如串級、前饋、採樣等控制方式。

比例帶（度）

反映比例控制器的比例控制作用強弱的一個參數。數值上比例度等於輸入偏差變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數

比例帶（度）可以理解為使控制器的輸出變化滿刻度（也就是使控制閥從全關到全開或相反）時，相應所需的輸入偏差變化量占儀錶測量範圍的百分數。

比例度δ越大，表示比例控制作用越弱。(δ=1/Kp）減小比例度，會使系統的穩定性和動態性能變差，但可相應地減小餘差，提高靜態精度。

例題一臺DDZ-Ⅲ型溫度比例控制器，測溫範圍為200～1200℃。當溫度給定值由800℃變動到850℃，其輸出由12mA變化到16mA。試求該控制器的比例度及放大係數。例題根據比例度的定義：

=20%PID參數對系統動靜態特性的影響

比例度過小，即比例放大係數過大時，比例控制作用很強，系統有可能產生振盪；積分時間過小時，積分控制作用很強，易引起振盪；微分時間過大時，微分控制作用過強，易產生振盪。

PID參數對系統動靜態特性的影響

比例（P）控制PID參數對系統動靜態特性的影響

比例積分（PI）控制PID參數對系統動靜態特性的影響

比例微分（PD）控制PID參數對系統動靜態特性的影響

比例積分微分（PID）控制控制器參數整定

指決定調節器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD和採樣週期Ts的具體數值。整定的實質是通過改變調節器的參數，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統的動態和靜態指標，取得最佳的控制效果。

整定方法整定調節器參數的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法：理論計算整定法有對數頻率特性法、根軌跡法等；工程整定法有經驗法、衰減曲線法、監界比例度法和回應曲線法等。

工程整定法特點不需要事先知道過程的數學模型，直接在過程控制系統中進行現場整定方法簡單；計算簡便；易於掌握。現場湊試法

按照先比例（P）、再積分（I）、最後微分（D）的順序。

置調節器積分時間TI=∞，微分時間TD=0，在比例度δ按經驗設置的初值條件下，將系統投入運行，整定比例度δ。求得滿意的4：1過渡過程曲線。

引入積分作用（此時應將上述比例度δ加大1.2倍）。將TI由大到小進行整定。

若需引入微分作用時，則將TD按經驗值或按TD=（1/3～1/4）TI設置，並由小到大加入。

臨界比例度法

在閉合的控制系統裏，將調節器置於純比例作用下，從大到小逐漸改變調節器的比例度，得到等幅振盪的過渡過程。此時的比例度稱為臨界比例度δk，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振盪週期Tk。

臨界比例度法步驟將調節器的積分時間TI置於最大（TI=∞），微分時間置零（TD=0），比例度δ適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動運行。

將比例度δ逐漸減小，得到等幅振盪過程，記下臨界比例度δk和臨界振盪週期Tk值。

根據δk和Tk值，採用經驗公式，計算出調節器各個參數，即δ、TI、TD的值。

按“先P後I最後D”的操作程式將調節器整定參數調到計算值上。若還不夠滿意，可再作進一步調整。

臨界比例度法整定注意事項

有的過程控制系統，臨界比例度很小，使系統接近兩式控制，調節閥不是全關就是全開，對工業生產不利。

有的過程控制系統，當調節器比例度δ調到最小刻度值時，系統仍不產生等幅振盪，對此，就把最小刻度的比例度作為臨界比例度δk進行調節器參數整定。

衰減曲線法

選把過程控制系統中調節器參數置成純比例作用（TI=∞，TD=0）使系統投入運行。再把比例度δ從大逐漸調小，直到出現4：1衰減過程曲線。此時的比例度為4：1衰減比例度δc，兩個相鄰波峰間的時間間隔，稱為4：1衰退減振盪週期Ts。

衰減曲線法根據δc和Ts，使用公式，即可計算出調節器的各個整定參數值。

按

“先P後I最後D”的操作程式，將求得的整定參數設置在調節器上。再觀察運行曲線，若不太理想，還可作適當調整。

衰減曲線法注意事項反應較快的控制系統，要認定4：1衰減曲線和讀出Ts比較困難，此時，可用記錄指針來回擺動兩次就達到穩定作為4：1衰減過程。

在生產過程中，負荷變化會影響過程特性。當負荷變化較大時，必須重新整定調節器參數值。

若認為4：1衰減太慢，宜應用10：1衰減過程。對於10：1衰減曲線法整定調節器參數的步驟與上述完全相同，僅僅採用計算公式有些不同。

採樣週期的選擇

香農（Shannon）採樣定律：為不失真地複現信號的變化，採樣頻率至少應大於或等於連續信號最高頻率分量的二倍。根據採樣定律可以確定採樣週期的上限值。實際采樣周期的選擇還要受到多方面因素的影響。不同的系統采樣周期應根據具體情況來選擇。

採樣週期的選擇通常按照過程特性與干擾大小適當來選取採樣週期：即對於回應快、（如流量、壓力）波動大、易受干擾的過程，應選取較短的採樣週期；反之，當過程回應慢（如溫度、成份）、滯後大時，可選取較長的採樣週期。採樣週期的選取應與PID參數的整定進行綜合考慮。

採樣週期的選擇採樣週期應遠小於過程的擾動信號的週期。

在執行器的回應速度比較慢時，過小的採樣週期將失去意義，因此可適當選大一點。

在電腦運算速度允許的條件下，採樣週期短，則控制品質好。

當過程的純滯後時間較長時，一般選取採樣週期為純滯後時間的1/4～1/8。

串級控制系統的結構

串級控制系統是改善控制品質的有效方法之一，在過程控制中得到了廣泛地應用。

串級控制系統的名詞術語

主被控參數——起主導作用的被控參數。

副被控參數——為穩定主參數而引入的中間輔助參數。

主被控過程——由主被控參數表徵其特性的生產過程。其輸入量為副被控參數，輸出量為主被控參數。

副被控過程——由副被控參數作為輸出的生產過程，其輸入量為控制參數。

串級控制系統的名詞術語主調節器——按主被控參數的測量值與給定值的偏差進行工作的調節器，其輸出作為副調節器的給定值。副調節器——按副被控參數的測量值與主調節器輸出的偏差進行工作的調節器，其輸出控制調節閥動作。副回路——由副調節器、副被控過程和副測量變送器組成的閉合回路。一

次

擾動——不包括在副回路內的擾動。

二

次

擾動——包括在副回路內的擾動。

串級控制系統主要特點

1.改善了被控過程的動態特性；

2.提高了系統的工作頻率；

3.具有較強的抗擾動能力；

4.具有一定的自適應能力。

串級控制系統的應用場合

用於克服被控過程較大的容量滯後；

用於克服被控過程的純滯後；

用於抑制變化劇烈而且幅度大的擾動；

用於克服被控過程的非線性。

串級控制系統的設計原則

副回路應包括盡可能多的擾動；

應使主、副過程的時間常數適當匹配。原則上，主副過程時間常數之比應在3到10範圍內；

副回路設計應考慮工藝上的合理性；

副回路設計應考慮經濟性原則。

串級主和副調節器的選擇

主調節器一般選PI或PID控制規律；副調節器一般只要選P控制規律即可：若採用積分規律，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。若引入微分規律會使調節閥動作過大，對控制不利。串級控制系統的整定

串級控制系統主回路是一個定值控制系統，要求主參數有較高的控制精度，其品質指標與單回路定值控制系統一樣。副回路是一個隨動系統，只要求副參數能快速而準確地跟隨主調節器的輸出變化即可。

在工程實踐中，串級控制系統常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法等。

逐步逼近法

主回路斷開，把副回路按單回路控制系統的參數整定，求取副調節器的整定參數值[W2（S）]1。

副調節器參數置於[W2（S）]1上，閉合主回路，副回路作為一個等效環節。按單回路整定方法，求取主調節器的整定參數值[W1（S）]1。

主調節器參數置於[W1（S）]1上，閉合主回路，再按上述方法求取副調節器的整定參數值[W2（S）]2。完成一次逼近迴圈後，可迴圈下去，逐步逼近，直到達到滿意的品質指標要求為止。

兩步整定法

工況穩定時，閉合主回路，主、副調節器都在純比例作用的條件下，主調節器的比例度置於100%，用單回路控制系統的衰減曲線法整定，求取副調節器的比例度δ2s和操作週期T2s。

將副調節器的比例度置於所求得的數值上，把副回路作為主回路中的一個環節，用同樣方法整定主回路，求取主調節器的比例度和操作週期。兩步整定法根據求得的δ2s、T2s數值，按單回路系統衰減曲線法整定，計算主、副調節器的比例度、積分時間和微分時間的數值。按先副後主、先比例後積分最後微分的整定程式，設置主、副調節器的參數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統品質達到最佳為止。

串級控制系統設計舉例

在冶金行業選礦工藝中，大量使用礦石破碎機對礦石進行破碎。破碎系統的主體設備是破碎機，NordbergHP系列礦石破碎機要求擠滿給礦。

下礦量的波動（如粒度、粘度發生變化）是系統中的一個主要擾動，若僅以機腔料位作為被控參數構成單回路控制系統，當擾動發生後，由於給礦皮帶的傳輸需要一定的時間，即存在純滯後，單回路控制系統已不能滿足要求。

串級控制系統設計舉例為了克服系統的純滯後，決定採用串級控制：即在給礦皮帶上安裝皮帶秤，以給礦量為副參數、以機腔料位為主參數構成串級控制系統。由於給礦串級控制系統多了一個副回路，不等它影響到機腔料位，副回路立刻進行調節。這樣，大大減小了擾動對機腔料位的影響，從而提高了主參數的控制品質和系統的動態特性，系統具有較強的抗擾動能力。

串級控制系統設計舉例前饋控制結構

Wm(s):前饋控制器；

Wo(s):過程控制通道傳遞函數；

Wf(s):過程擾動通道傳遞函數。前饋與回饋控制特點比較

回饋控制的特點：基於偏差來消除偏差；

“不及時”的控制；存在穩定性問題；對各種擾動均有校正作用；

控制規律通常是P、PI、PD或PID等典型規律。前饋與回饋控制特點比較前饋控制的特點：基於擾動來消除擾動對被控量的影響；

動作“及時”；只要系統中各環節是穩定的，則控制系統必然穩定；具有指定性補償的局限性；

控制規律取決於被控對象的特性。

前饋控制器設計原理

不變性原理是實現前饋控制的理論基礎。

“不變性”是指控制系統的被控量與擾動量完全無關，或在一定準確度下無關。

前饋模型

由不變性原理決定的動態前饋控制器，是由被過程擾動通道與控制通道特性之比決定的，即：因實現了完全補償，達到了被控量不受擾動影響的控制效果。前饋模型的結構有時比較複雜，甚至難以實現。

前饋控制系統的幾種結構形式

靜態前饋控制系統：

控制器採用比例控制，是前饋模型中最簡單的形式。

動態前饋控制系統：

動態前饋的實現基於不變性原理；動態前饋控制方案雖能顯著地提高系統的控制品質，但結構往往比較複雜；需要專門的控制裝置，系統運行、整定也比較複雜；只有當工藝上對控制精度要求很高，其他控制方案難以滿足、且存在一個“可測不可控”的主要擾動時，才考慮使用動態前饋方案。

前饋控制的局限性

前饋控制屬於開環控制方式；完全補償難以滿足，因為：要準確掌握過程擾動通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；

即使前饋模型Wm（s）能準確求出，有時工程上也難以實現；對每一個擾動至少使用一套測量變送儀錶和一個前饋控制器，這將會使控制系統龐大而複雜。前饋-回饋複合控制系統

將前饋和回饋結合起來，既發揮了前饋作用及時克服主要擾動對被控量影響的優點，又保持了回饋控制能克服多個擾動影響的長處；降低了系統對前饋補償器的要求，使其在工程上更易於實現。

前饋控制的設計原則

實現前饋控制的必