化工自动化仪表课件

化工測量儀錶一、測量過程與測量誤差

1、測量過程參數檢測就是用專門的技術工具，依靠能量的變換、實驗和計算找到被測量的值。被測變數感測器參數檢測的基本過程被測對象變送器顯示裝置

感測器又稱為檢測元件或敏感元件，它直接回應被測變數，經能量轉換並轉化成一個與被測變數成對應關係的便於傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0～10mA、4～20mA等標準統一的模擬量信號或者滿足特定標準的數字量信號，這種檢測儀錶稱為變送器。有些時候，感測器可以不經過變送環節，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。

測量儀錶基本知識2、測量誤差測量誤差——儀錶測得的測量值與被測真值之差

由於真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀錶（精度較低）和標準表（精度較高）在同一時刻對同一被測變數進行測量所得到的2個讀數之差。即：x0——標準表讀數測量誤差的幾種表示形式：絕對誤差實際相對誤差標稱相對誤差相對百分誤差二、測量儀錶的品質指標1、測量儀錶的準確度（精確度）一臺測量範圍0～1000kPa的壓力測量儀錶，其最大絕對誤差10kPa(在整个量程范围内)，另一臺測量範圍0～400kPa的壓力測量儀錶，其最大絕對誤差5kPa，請問哪一臺壓力檢測儀錶的精度更高？雖然後者的最大絕對誤差較小，但這並不說明後者較前者精度高。在自動化儀錶中，通常是以最大相對百分誤差來衡量儀錶的精確度，定義儀錶的精度等級。

由於儀錶的絕對誤差在測量範圍內的各點上是不相同的，因此在工業上通常將絕對誤差中的最大值，即把最大絕對誤差折合成測量範圍的百分數表示，稱為最大相對百分誤差:儀錶的精度等級（精確度等級）是指儀錶在規定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。

☆☆儀錶的精確度等級☆☆儀錶的精度等級（精確度等級）是指儀錶在規定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。把儀錶允許的最大相對百分誤差去掉“±”號和“％”號，便可以用來確定儀錶的精度等級。目前，按照國家統一規定所劃分的儀錶精度等級有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級儀錶，表示該儀錶允許的最大相對百分誤差為±0.5％，以此類推。精度等級一般用一定的符號形式表示在儀錶面板上：1.51.0儀錶的精度等級是衡量儀錶品質優劣的重要指標之一。精度等級數值越小，表示儀錶的精確度越高。精度等級數值小於等於0.05的儀錶通常用來作為標準表，而工業用表的精度等級數值一般大於等於0.5。☆☆儀錶的精確度等級☆☆例：某壓力變送器測量範圍為0～400kPa，在校驗該變送器時測得的最大絕對誤差為—5kPa，請確定該儀錶的精度等級。解：先求最大相對百分誤差去掉

和%為1.25，因此該變送器精度等級為1.5級

例：根據工藝要求選擇一測量範圍為0~40m3/h的流量計，要求測量誤差不超過

0.5m3/h，請確定該儀錶的精度等級。

解：同樣，先求最大相對百分誤差因此該流量計必須選擇1.0級的流量計

結論：工藝要求的允許誤差≥儀錶的允許誤差

≥

校驗所得到的相對百分誤差

2、非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀錶的輸出量和輸入量之間呈線性對應關係。測量儀錶的非線性誤差就是用來表徵儀錶的輸出量和輸入量的實際對應關係與理論直線的吻合程度。

通常非線性誤差用實際測得的輸入－輸出特性曲線（也稱為校準曲線）與理論直線的之間的最大偏差和測量儀錶量程之比的百分數來表示：被測變數儀錶輸出理論實際3、變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀錶對被測變數在全量程範圍內進行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，對應於同一被測值的儀錶輸出可能不等，二者之差的絕對值即為變差。變差的大小，根據在同一被測值下正反特性間儀錶輸出的最大絕對誤差和測量儀錶量程之比的百分數來表示：被測變數儀錶輸出下行程上行程4、靈敏度和分辨力靈敏度是表徵檢測儀錶對被測量變化的靈敏程度，它是指儀錶輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱為靈敏限，是儀錶輸出能回應和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對數字式儀錶來說，分辨力就是數字顯示儀錶變化一個LSB（二進位最低有效位）時輸入的最小變化量。

5、動態誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩態（靜態）誤差。動態誤差是指檢測系統受外擾動作用後，被測變數處於變動狀態下儀錶示值與參數實際值之間的差異。引起該誤差的原因是由於檢測元件和檢測系統中各種運動慣性以及能量形式轉換需要時間所造成的。衡量各種運動慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常採用時間常數T和傳遞滯後時間（純滯後時間）τ兩個參數表示（這兩個參數的含義與上一章中對象數學模型中的時間常數T和純滯後時間τ的數學含義是一致的）它們的存在會降低檢測過程的動態性能，其中純滯後時間τ的不利影響會遠遠超過時間常數T的影響。

三、測量系統中的常見信號類型

作用於測量裝置輸入端的被測信號，要轉換成以下幾種便於傳輸和顯示的信號類型：1、位移信號：是一種機械信號，包括直線位移和角位移。在測量力、壓力、品質、振動等物理量時，要先把它們轉換成位移量再處理。2、壓力信號：包括氣壓信號和液壓信號，工業檢測中主要應用氣壓信號。3、電氣信號：有電壓信號、電流信號、阻抗信號和頻率信號等。傳送快、滯後小、可遠距離傳遞、便於和電子電腦聯接。4、光信號：包括光通量信號、干涉條紋信號、衍射條紋信號、莫爾條紋信號等。可是連續得，也可是斷續（脈衝）式的。四、測量系統中信號的傳遞形式

從傳遞信號的連續性的觀點來分，在檢測系統中傳遞信號的形式可以分為模擬信號、數字信號和開關信號：1、模擬信號：模擬信號：在時間上是連續變化的，在任何暫態都可以確定其數值的信號。可以變換為電信號，即是平滑地、連續地變化的電壓或電流信號。例如：連續變化的溫度信號可以利用熱電偶轉換為與之成比例的連續變化的電勢信號。

2、數字信號：數字信號：是一種以離散形式出現的不連續信號，通常用二進位數“0”和“1”組合的代碼序列來表示。數字信號變換成電信號就是一連串的窄脈衝和高低電平交替變化的電壓信號。連續變化的工藝參數（模擬信號）可以通過數字式感測器直接轉換成數字信號。然而，大多數情況是首先把這些參數變換成電形式的模擬信號，然後再利用模擬-數字（A/D）轉換技術把電模擬量轉換成數字量。將一個模擬信號轉換為數字信號時，必須用一定的計量單位使連續參數整量化，即用最接近的離散值（數字量）來近似表示連續量的大小。由於數字量只能增大或減小一個單位，所以，計量單位越小，整量化所造成的誤差也就越小。3、開關信號：開關信號：用兩種狀態或用兩個數值範圍表示的不連續信號。例如：用水銀觸點溫度計來檢測溫度的變化時，可利用水銀觸點的“斷開”與“閉合”來判斷溫度是否達到給定值。在自動檢測技術中，利用開關式感測器（如幹簧管、電觸點式感測器）可以將模擬信號變換成開關信號。五、測量儀錶的分類

1、根據所測參數的不同，分成壓力（差壓、負壓）測量儀錶、流量測量儀錶、物位（液位）測量儀錶、溫度測量儀錶、物質成分分析儀表及物性檢測儀錶等。2、按表達示數的方式不同，分成指示型、記錄型、訊號型、遠傳指示型、累積型等。3、按精度等級及使用場合的不同，分成實用儀錶、範型儀錶和標準儀錶，分別使用在現場、實驗室、標定室。六、化工檢測的發展趨勢

由於化工生產過程中被測介質形態多樣（氣態、液態、固態及混合體）；有時還具有特殊性質（強腐蝕、強輻射、高溫、高壓、深冷、真空、高粘度等）；檢測環境比較惡劣，存在眾多的影響和干擾，如電源電壓、頻率波動，溫度、壓力變化，水汽、濕度、光照、輻射、鹽霧、煙霧、粉塵等，這些情況都要求化工檢測儀錶有穩定的工作特性、高的抗干擾能力和相應的防護措施。檢測技術及儀器儀錶的發展：1、檢測技術的現代化：隨著科學技術的發展，新技術、新材料、新工藝不斷湧現，新的檢測方法不斷得到開發。2、檢測儀錶的集成化、數位化、智能化：感測器、積體電路、電子技術、數位化技術、微機技術的應用例題分析2、某臺測溫儀錶的測溫範圍為200~1000○C，工藝上要求測溫誤差不能大於±5○C，試確定應選儀錶的準確度等級。解：工藝上允許的相對百分誤差為：δ允=±5/（1000-200）×100%=±0.625%要求所選的儀錶相對百分誤差不能大於工藝上的δ允，才能保證測溫誤差不大於±5○C，所以所選儀錶的準確度等級應為0.5級。儀錶的準確度等級越高，能使測溫誤差越小，但為了不增加投資費用，不宜選用過高準確度的儀錶。第2章壓力測量壓力：化工生產中，由氣體或液體均勻垂直地作用於單位面積上的力。化工生產中，通常遇到壓力和真空度的測量。若壓力不符合要求，不僅會影響生產效率，降低產品品質，還會造成嚴重生產事故。化學反應中，壓力既影響物料平衡關係，也影響化學反應速度。所以，壓力的測量與控制，對保證生產過程正常進行，達到高產、優質、低消耗和安全是十分重要的三種壓力錶示方法絕對壓力pa表壓力p負壓或真空度ph第一節壓力單位及測壓儀錶pa絕對壓力零線pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對壓力是指物體所受的實際壓力。

表壓是指一般壓力錶所測得的壓力，它是高於大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低於大氣壓的絕對壓力之差，有時也稱為負壓，即由於各種工藝設備和檢測儀錶通常是處於大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常採用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀錶所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以後所提及的壓力均指表壓。

壓力檢測儀錶的分類

目前工業上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀錶很多，根據敏感元件和轉換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般採用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成位移進行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測

它是利用敏感元件將被測壓力直接轉換成各種電量進行測量的儀錶，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測

它是根據液壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞面積上所加平衡砝碼的品質來進行測量。活塞式壓力計的測量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標準儀器對壓力檢測儀錶進行檢定。

液柱式壓力檢測

液柱式壓力檢測是以液體靜力學原理為基礎的，它們一般採用水銀或水為工作液，用U型管進行測量，常用於較低壓力、負壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)

特點：直觀、可靠、準確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便於讀數，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進行現場指示。用U形管進行壓力檢測，其誤差來源主要有：①溫度誤差——由使用環境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個方面：一是尺規長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度係數極小）；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當溫度從10℃變到20℃時，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15％。②安裝誤差——當U形管安裝不垂直時將會產生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數誤差約0.38％。第二節彈性式壓力計彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法。

平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產生位移，可直接帶動傳動機構指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉換元件合起來使用，通過膜片和轉換元件把壓力轉換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動機構，帶動指針直接讀數。其特點是靈敏高（特別是在低壓區），常用於檢測較低的壓力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5級；彈簧管結構簡單、使用方便、價格低廉，它使用範圍廣，測量範圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應用十分廣泛。根據製造的要求，儀錶精度最高可達0.15級。——彈簧管和彈簧管壓力錶彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。被測壓力介質從開口端進入並充滿彈簧管的整個內腔，由於彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形並伴有伸直的趨勢而產生力矩，其結果使彈簧管的自由端產生位移，同時改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數關係：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓後中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。1－彈簧管2－拉杆3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－遊絲8－調節螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力錶彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機構才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可採用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力錶是工業現場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀錶（也有電接點輸出的彈簧管壓力錶）彈簧管壓力錶結構簡單、使用方便、價格低廉、測量範圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業用彈簧管壓力錶的精度等級為1.5級或2.5級，但根據製造的要求，其精度等級最高可達0.15級。——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測元件——膜盒或膜片

杠杆系統則有單杠杆、雙杠杆和向量機構

膜盒式差壓變送器構成

△P測量部分Fi杠杆系統△M放大器回饋部分FfIo一、電容式差壓變送器電容式差壓變送器採用差動電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉換電路調零、零遷電路電流放大器回饋電路ΔpΔCIiIf＋＋Iz－Io測量部分轉換放大部分第三節電氣式壓力計ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動電容測量原理電容式差壓變送器測量原理電容式壓力變送器，目前在工業生產中應用非常廣泛，其輸出信號也是標準4～20mADC電流信號。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然後進行測量的。電容式差壓變送器的原理圖可見感測器有左右固定極板，在兩個固定極板之間是彈性材料製成的測量膜片，作為電容的中央動極板，在測量膜片兩側的空腔中充滿矽油。電容式差壓變送器的結構可以有效地保護測量膜片，當差壓過大並超過允許測量範圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式沒有杠杆傳動機構，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應提高，可達0.2級。二、應變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導體材料製成的電阻體的阻值可表示為：

當電阻體受外力作用時，電阻體的長度、截面積或電阻率會發生變化，即其阻值也會發生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應變效應。應變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)感測器1－外殼2－彈性筒3－膜片應變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應變片r1和r2用膠合劑貼緊在應變筒的外壁，與筒體之間不發生相對滑動。r1沿應變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補償片。

圖中應變片r1、r2的靜態性能完全相同。當膜片受到外力作用時，彈性筒軸向受壓，使應變片r1產生軸向應變，阻值變小；而應變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補償。

是應變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測量電橋不受壓時r1=r2=r0R3=R4=r若應變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見，由壓力作用時，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當環境溫度發生變化時，r1、r2同時增減，不影響電橋的平衡。如果儀錶能把電橋輸出電壓Ui進一步轉換為標準信號輸出，則該儀錶即可稱為應變式壓力變送器。

結論：應變片式壓檢測儀錶具有較大的測量範圍，被測壓力可達幾百MPa，並具有良好的動態性能，适用于快速变化的压力测量。但是，儘管測量電橋具有一定的溫度補償的作用，應變片式壓力檢測儀錶仍有比較明顯的溫漂和時漂，因此，這種壓力檢測儀錶較多地用於一般要求的動態壓力檢測，測量精度一般在0.5～1.0％左右。

三、壓阻式（擴散矽）壓力/差壓變送器因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。用作壓阻式感測器的基片材料主要為矽片和鍺片，由於單晶矽材料純、功耗小、滯後和蠕變極小、機械穩定性好，而且感測器的製造工藝和矽積體電路工藝有很好的相容性，以擴散矽壓阻感測器作為檢測元件的壓力檢測儀錶得到了廣泛的使用。

p2p1矽杯圖3-30壓阻式感測器示意圖正壓側隔離膜片引出線負壓側隔離膜片矽油構成框圖：擴散矽壓阻感測器前置放大器調零電路V－I轉換△PUSU01UZIO檢測部分電磁放大部分測量部分——擴散矽壓阻感測器——把被測差壓ΔP成比例地轉換為不平衡電壓US

1.負壓室2.正壓室3.矽杯4.引線5.矽片Ri1Ri2Ri3Ri4測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R測量部分——電壓轉換＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時，流經2橋臂的電流始終相等結論：壓阻式壓力感測器的主要優點是體積小，結構簡單，其核心部分就是一個既是彈性元件又是壓敏元件的單晶矽膜片。擴散電阻的靈敏係數是金屬應變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力感測器還具有良好的動態回應，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。因此，這是一種發展比較迅速，應用十分廣泛的一類壓力感測器。這種感測器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應，容易受環境溫度的影響，有些廠家在感測器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉換等電路集成在同一塊單晶矽膜片上，從而可以大大提高感測器的基本性能。第四節壓力計的選用和安裝

選用＋安裝其他儀錶也基本適應一、壓力計的選用三個方面——選用時應根據生產工藝對壓力檢測的要求、被測介質的特性、現場使用的環境等條件本著節約的原則合理地考慮儀錶的量程、精度、類型（材質）等。

⑴量程儀錶的量程是指該儀錶可按規定的精確度對被測量進行測量的範圍關鍵：根據操作中需要測量的參數的大小來確定。同時必須考慮到被測對象可能發生的異常超壓情況，對儀錶的量程選擇必須留有足夠的餘地。測量穩定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4

測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低於上限值Pmax的1/3

儀錶的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀錶量程時，應採用相應規程或者標準中的數值。

這只是一个一般经验要求，不是绝对的！！⑵儀錶精度——根據生產允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應小於儀錶的基本誤差。——在選擇時應堅持節約的原則，只要測量精度能滿足生產的要求，就不必追求用過高精度的儀錶。

例：有一壓力容器在正常工作時壓力範圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力錶進行檢測，並使測量誤差不大於被測壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級。解：

由題意可知，被測對象的壓力比較穩定，設儀錶量程為0～AMPa，則根據工作壓力的要求：根據儀錶的量程系列，可選用量程範圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力錶。由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀錶的相對百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀錶的精度等級，可選擇1．5級的壓力錶。⑶儀錶類型正確選用儀錶類型是保證儀錶正常工作及安全生產的前提。主要應考慮以下幾個方面:儀錶的材料

壓力檢測(檢測儀錶)的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質直接接觸，因此在選擇儀錶材料的時候要綜合考慮儀錶的工作條件。輸出信號類型只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力錶、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀錶；如需將壓力信號遠傳到控制室或其他電動儀錶，則可選用電氣式壓力檢測儀錶或其他具有電信號輸出的儀錶；如果要檢測快速變化的壓力信號，則可選用電氣式壓力檢測儀錶，如壓阻式壓力感測器；如果控制系統要求能進行數字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀錶。例如：對腐蝕性較強的介質應使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。

使用環境對爆炸性較強的環境，在使用電氣壓力儀錶時，應選擇防爆型壓力儀錶；對於溫度特別高或特別低的環境，應選擇溫度係數小的敏感元件以及其他變換元件。上述選型原則也適用於差壓、流量、液位等其他檢測儀錶的選型二、壓力計的安裝分三種情況介紹：一般壓力檢測儀錶的安裝特殊壓力檢測儀錶的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）壓力變送器的安裝一般壓力測量儀錶的安裝無論選用何種壓力儀錶和採用何種安裝方式，在安裝過程中都應注意以下幾點：壓力儀錶必須經檢驗合格後才能安裝壓力儀錶的連接處，應根據被測壓力的高低和被測介質性質，選擇適當的材料作為密封墊圈，以防洩漏壓力儀錶盡可能安裝在室溫，相對濕度小於80％，振動小，灰塵少，沒有腐蝕性物質的地方，對於電氣式壓力儀錶應盡可能避免受到電磁干擾壓力儀錶應垂直安裝。一般情況下，安裝高度應與人的視線齊平，對於高壓壓力儀錶，其安裝高度應高於一般人的頭部測量液體或蒸汽介質壓力時，應避免液柱產生的誤差，壓力儀錶應安裝在與取壓口同一水準的位置上，否則必須對壓力儀錶的示值進行修正導壓管的粗細合適，一般為6～10mm，長度盡可能短，否則會引起測量遲緩压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修測量特殊介質時的壓力測量儀錶安裝測量高溫（60℃以上）流體介質的壓力時，為防止熱介質與彈性元件直接接觸，壓力儀錶之前應加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度和彈性元件產生的影響。如圖(a)、(b)

(a)(b)測量高壓流體介質的壓力時，安裝時壓力儀錶表殼應朝向牆壁或者無人通過之處，以防發生以外。測量腐蝕性介質的壓力時，除選擇具有防腐能力的壓力儀錶之外，還應加裝隔離裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測介質和彈性元件隔離開來，如圖(c)、(d)

(c)(d)112233測量波動劇烈（如泵、壓縮機的出口壓力）的壓力時，應在壓力儀錶之前加裝針形閥和緩沖器，必要時還應加裝阻尼器，如圖(e)(e)4測量粘性大或易結晶的介質壓力時，應在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內和導壓管內充滿隔離液，必要時可採取保溫措施，如圖(f)(f)蒸汽測量含塵介質壓力時，最好在取壓裝置後安裝一個除塵器，如圖(g)。(g)5總之，針對被測介質的不同性質，要採取相應的防熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施差壓變送器的安裝三個方面的內容：取壓口的選擇引壓管的安裝變送器本身的安裝差壓變送器取壓口的選擇液體、氣體、蒸汽？？

被測介質為液體時，取壓口應位於管道下半部與管道水平線成0～45°角內，目的是保證引壓管內沒有氣泡，兩根引壓管內液柱產生的附加壓力可以相互抵消；問：能否從底部引出？為什麼？

45°45°(a)液體

被測介質為氣體時，取壓口應位於管道上半部與管道垂直中心線成0～45°角內，其目的時為了保證引壓管中不積聚和滯留液體。45°45°(b)氣體

被測介質為蒸汽時，取壓口應位於管道上半部與管道水平線成0～45°角內。最常見的接法是從管道水準位置接出，並分別安裝凝液罐，這樣兩根引壓管內部都充滿冷凝液，而且液位高度相同。45°45°(c)蒸汽差壓變送器引壓管的安裝引壓管應按最短距離敷設，引壓管的彎曲處應該是均勻的圓角，曲率半徑一般不小於引壓管外徑的10倍。引壓管的管路應保持垂直，或者與水平線之間不小於1:10的傾斜度，必要時要加裝氣體、凝液、微粒收集器等設備，並定期排除收集物。引壓管內徑與引壓管長度引壓管內徑引壓管mm長度m被測介質＜1.61.6～4.54.5～9水、水蒸氣、幹氣體7～91013濕氣體131313低中粘度油品131925髒液體252533在測量液體介質時，變送器只能安裝在取樣口之上時，在引壓管的管路中應有排氣裝置，如圖(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。在測量氣體介質時，如果差壓變送器只能安裝在取樣口之下時，必須加裝如圖(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。測量蒸汽時的引壓管管路則如圖(c)所示。－+－+－+11223311445516655777(a)(b)(c)1－取壓口2－放空閥3－貯氣罐4－貯液罐5－排放閥6－凝液罐7－差壓變送器差壓變送器本身的安裝差壓變送器通常必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，構成三閥組－+2131、2－切斷閥3－平衡閥差壓變送器是用來測量差壓的，但如果正、負引壓管上的兩個切斷閥不能同時打開或者關閉時，就會造成差壓變送器單向受很大的靜壓力，有時會使儀錶產生附加誤差，嚴重時會使儀錶損壞。為了防止差壓計單向受很大的靜壓力，必須正確使用平衡閥。在啟用差壓變送器時，應先開平衡閥3，使正、負壓室連通，受壓相同，然後再打開切斷閥1、2，最後再關閉平衡閥3，變送器即可投入運行。差壓變送器需要停用檢修時，應先打開平衡閥，然後再關閉切斷閥1、2。當切斷閥1、2關閉，平衡閥3打開時，即可以對儀錶進行零點校驗。

對象特性和建模對象特性——是指對象輸入量與輸出量之間的關係(數學模型)即對象受到輸入作用後，被控變數是如何變化的、變化量為多少……

輸入量？？控制變數＋各種各樣的干擾變數由對象的輸入變數至輸出變數的信號聯繫稱為通道控制變數至被控變數的信號聯繫通道稱控制通道干擾至被控變數的信號聯繫通道稱干擾通道對象輸出為控制通道輸出與各干擾通道輸出之和

控制通道干擾通道干擾變數控制變數被控變數被控對象數學模型的表示方法：參量模型：通過數學方程式表示常用的描述形式：微分方程(組)*、傳遞函數*、頻率特性等參量模型的微分方程的一般運算式：y(t)表示輸出量，x(t)表示輸入量，通常輸出量的階次不低與輸入量的階次(n≥m)當n=m時，稱對象是正則的；當n>m時，稱對象是嚴格正則的；n<m的對象是不可實現的。通常n=1，稱該對象為一阶对象模型；n=2，稱二阶对象模型。

非參量模型：採用曲線、表格等形式表示。特點：形象、清晰，缺乏數學方程的解析性質（必要時須進行數學處理獲得參量模型）。

建模的方法：機理建模、實驗建模、混合建模

機理建模——根據物料、能量平衡、化學反應、傳熱傳質等基本方程，從理論上來推導建立數學模型。

由於工業對象往往都非常複雜，物理、化學過程的機理一般不能被完全瞭解，而且線性的並不多，再加上分佈元件參數（即參數是時間與位置的函數）較多，一般很難完全掌握系統內部的精確關係式。另外，在機理建模過程中，往往還需要引入恰當的簡化、假設、近似、非線性的線性化處理等，而且機理建模也僅適用於部分相對簡單的系統。實驗建模——在所要研究的對象上，人為的施加一個輸入作用，然後用儀錶記錄表徵對象特性的物理量隨時間變化的規律，得到一系列實驗數據或曲線。這些數據或曲線就可以用來表示對象特性。

這種應用對象輸入輸出的實測數據來決定其模型的方法，通常稱為系統辨識。其主要特點是把被研究的對象視為一個黑箱子，不管其內部機理如何，完全從外部特性上來測試和描述對象的動態特性。有時，為進一步分析對象特性，可對這些數據或曲線進行處理，使其轉化為描述對象特性的解析運算式。混合建模——將機理建模與實驗建模結合起來，稱為混合建模。

混合建模是一種比較實用的方法，它先由機理分析的方法提出數學模型的結構形式，把被研究的對象視為一個灰箱子，然後對其中某些未知的或不確定的參數利用實驗的方法給予確定。這種在已知模型結構的基礎上，通過實測數據來確定數學運算式中某些參數的方法，稱為參數估計。對象機理數學模型的建立問題：處於平衡狀態的對象加入干擾以後，不經控制系統能否自行達到新的平衡狀態？

左圖：假設初始為平衡狀態qi=qo，水箱水位保持不變。當發生變化時(qi＞qo)，此時水箱的水位開始升高根據流體力學原理，水箱出口流量與H是存在一定的對應關係的：

因此，qi

H

qo

，直至qi=qo可見該系統受到干擾以後，即使不加控制，最終自身是會回到新的平衡狀態，這種特性稱為“自衡特性”。

右圖：如果水箱出口由泵打出，其不同之處在於：qi當發生變化時，qo不發生變化。如果qi＞qo

，水位H將不斷上升，直至溢出，可見該系統是無自衡能力。絕大多數對象都有自衡能力，一般而言有自衡能力的系統比無自衡能力的系統容易控制。·一階線性對象問題：求右圖所示的對象模型（輸入輸出模型）。

解：該對象的輸入量為qi

被控變數為液位h根據物料平衡方程：

單位時間內水槽體積的改變＝輸入流量—輸出流量

由於出口流量可以近似地表示為：(i)式是針對完全量的輸入輸出模型，(ii)式是針對變化量的輸入輸出模型，二者的結構形式完全相同。由於在控制領域中，特性的分析往往是針對變化量而言的，為了書寫方便在以後的運算式中不寫出變化量符號。對上式作拉氏變換：對象的傳遞函數：該對象的階躍回應：如果qi為幅值為A的階躍輸入，則

這是最典型的一階對象的傳遞函數·一階線性對象（總結）典型的微分方程典型的傳遞函數典型的階躍回應函數典型的階躍回應曲線h(

)h(t)T0.632h(

)qita從微分方程的解析解來看

K――放大係數，在階躍輸入作用下，對象輸出達到新的穩定值時，輸出變化量與輸入變化量之比，也稱靜態增益。K越大，表示輸入量對輸出量的影響越大。T――時間常數，在階躍輸入作用下，對象輸出達到最終穩態變化量的63.2％所需要的時間，時間常數T是反映回應變化快慢或回應滯後的重要參數。用T表示的回應滯後稱阻容滯後（容量滯後）。

T大，反應慢，難以控制；T小，反應塊。·二階線性對象問題：求右圖所示的對象模型（輸入輸出模型）。

解：該對象的輸入量為qi

被控變數為液位h2（同樣利用物料平衡方程）槽1：槽2：聯立方程求解：傳遞函數：另解：根據一階對象的傳遞函數，有傳遞函數：槽1：且槽2：階躍回應函數：·二階線性對象（總結）典型的微分方程典型的傳遞函數典型的階躍回應函數典型的階躍回應曲線qita不相關雙容·二階線性對象(相關和不相關）若各特性参数不变，则二者的阶跃响应曲线示意图如下：qita不相關雙容

回應曲線比較單容相關雙容·純滯後一階對象在工業過程中常有一些輸送物料的中間過程，如圖所示，qi為操縱變數，但需要經過導流槽才送入水箱。如果把水箱入口的進料量記為qf，並設：導流槽長度l，流體平均速度v，流體流經導流槽所需的時間τ，所以當qi發生改變以後，經過

時間以後qf才有變化：對於qf與h來說，根據前面的推導，可知：傳遞函數為：·純滯後對象（總結）典型的微分方程典型的傳遞函數典型的階躍回應函數典型的階躍回應曲線qita

h(

)

hT0.632

h(

)純滯後產生的主要原因：

物料輸送等中間過程產生純滯後（大時間常數表現出來的等效滯後）由於純滯後的出現，控制作用必須經歷一定的時間延遲（滯後）才能在被控變數上得到體現，致使當被控變數的回饋反映出控制作用時，可能會輸入過多的控制量，導致系統嚴重超調甚至失穩。

Conclusionqita一階對象一階純滯後對象二階對象二階純滯後對象不相關雙容一階相關雙容/多容

回應曲線比較一階不相關雙容相關雙容/多容既然多數對象為相關多容的，那這類對象的特性如何獲取？？哪條曲線最有普遍適用性？對象特性的實驗建模——在被控對象上人為加入輸入量，記錄表徵對象特性的輸出量隨時間的變化規律。被控對象輸入量輸出量系統辨識對象模型階躍信號脈衝信號偽隨機信號……表格數據回應曲線……階躍輸入t0At0A矩形脈衝t1加測試信號前，要求系統盡可能保持穩定狀態，否則會影響測試結果；輸入量/輸出量的起始時間是相同的，起始時間是輸入量的加入時間，輸出量的回應曲線可能滯後於輸入量的回應，其原因是純滯後或容量滯後；在測試過程中盡可能排除其他干擾的影響，以提高測量精度；在相同條件下重複測試多次，以抽取其共性；在測試和記錄的過程中，應持續到輸出量達到新的穩態值；許多工業對象不是真正的線性對象，由於非線性關係，對象的放大倍數是可變的，所以作為測試對象的工作點應該選擇正常的工作狀態（一般要求運行在額定負荷、正常干擾等條件下）。對象特性的混合建模由於機理建模和實驗建模各優特點，目前比較實用的方法是將二者結合起來，成為混合建模。混合建模的過程：先通過機理建模獲取數學模型的結構形式，通過實驗建模（辨識）來求取（估計）模型的參數。廣義對象特性的實驗測定由於實際對象的複雜性，對象模型一般不能直接用機理建模的方法來獲取，通常採用實驗（辨識）的方法求取；另外對象模型絕大多數都是多階（多容），利用多階系統直接來描述和處理非常困難和複雜，針對這個特點通常採用一階慣性（滯後）模型來描述：

實

驗：在被控對象上加入一個輸入信號

u，記錄被控對象的輸出回應。輸出回應：廣義對象包含多個環節，是一個多容過程，回應曲線為S型；

如果廣義對象包含純滯後環節，曲線起點不是從原點開始。

在被控對象上加入的輸入信號為

u

TCAy(0)0y(

)

yy(t)DB

1

2一階滯後環節包含三個參數：K、T、

，如何確定這三個參數？(a)在S型回應曲線上選擇拐點A（二階導數+

—或—

+）；(b)曲線在拐點A作切線，交y(0)於D點，交y(

)於C點；(c)OD為純滯後時間

，

=

1+

2，而

1是系統真正純滯後，是

2容量滯後引起的等效滯後；(d)DC為時間常數T；(e)增益K=

y/

u。

對象特性對過渡過程的影響對象模型由三個基本參數決定：K、T、τK對過渡過程的影響階躍輸入作用下，對象輸出達到新的穩定值時，輸出變化量與輸入變化量之比，稱為靜態增益（輸出靜態變化量與輸入靜態變化量之比）。

u廣義對象

f

yK

其他參數不變控制通道放大係數

干擾通道放大係數

KO越大

控制變數

u對被控變數

y的影響越靈敏

控制能力強Kf

越大

干擾

f對被控變數

y的影響越靈敏。在設計控制系統時，應合理地選擇KO使之大些，抗干擾能力強，太大會引起系統振盪。T對過渡過程的影響時間常數：在階躍輸入作用下，對象輸出達到最終穩態變化量的63.2％所需要的時間。一般情況希望TO小些，但不能太小，Tf大些。T

（其他參數不變）時間常數T是反映回應變化快慢或回應滯後的重要參數。用T表示的回應滯後稱阻容滯後（容量滯後），T大反應慢，難以控制；T小反應塊。

控制通道TO大

回應慢、控制不及時、過渡時間tp長、超調量

大控制通道TO小

回應快、控制及時、過渡時間tp短、超調量

小控制通道TO太小

回應過快、容易引起振盪、降低系統穩定性。干擾通道的時間常數對被控變數輸出的影響也是相類似的。τ對過渡過程的影響產生純滯後的原因：物料輸送等中間過程產生大時間常數對象所表現出來的等效純滯後。物料輸送產生的純滯後比較容易理解，實際對象由於多容的存在也會使回應速度變慢，尤其是初始回應被大大延遲，在動態特性上也可近似作為純滯後看待。事實上，廣義等效的等效純滯後就包括了以上二個部分之和。控制通道純滯後

對控制肯定不利，純滯後增大

控制品質惡化、超調量

大干擾通道的純滯後對系統回應影響不大，因為干擾本身是不確定的，可以在任何時間出現。在工藝設計時，應儘量減少或避免純滯後時間。如：簡化工藝、減少不必要的環節，以利於減少控制通道的滯後時間，在選擇控制閥與檢測點的安裝位置時，應選取靠近控制對象的有利位置。測量變送環節特性及其對過渡過程的影響

測量、變送環節一般由測量元件及變送器組成，其特性也可以表示程由K、T、τ三個參數組成的一階滯後環節，它對過渡過程的影響與被控對象相仿。通常要求，K在整個測量範圍內保持恒定，T、τ越小越好。事實上，測量、變送環節本身的時間常數和純滯後時間都很小，可以略去不計。所以實際上它相當於一個放大環節。因此，放大倍數K在整個測量範圍內保持恒定是最關鍵的。但是，有些測量元件在安裝使用時需要安裝保護套管等其他設備，如熱電阻、熱電偶等，此時，由於保護套管的存在，會影響測量變送環節的時間常數和純滯後時間。溫度121-無套管熱電阻對介質真實溫度的回應曲線2-有套管熱電阻對介質真實溫度的回應曲線時間實際溫度接線盒保護套管絕緣管熱電偶安裝法蘭引線口圖3-45普通型熱電偶的典型結構第8章基本控制規律基本的控制規律調節器執行器對象感測器、變送器+－SPxzeuqyf

在該控制系統中，被控變數由於受擾動f（如生產負荷的改變，上下工段間出現的生產不平衡現象等）的影響，常常偏離給定值，即被控變數產生了偏差：

控制器接受了偏差信號e後，按一定的控制規律使其輸出信號u發生變化，通過執行器改變操縱變數q，以抵消干擾對被控變數y的影響，從而使被控變數回到結定值上來。問題：被控變數能否回到給定值上，或者以什麼樣的途徑、經過多長時間回到給定值上來？這不僅與被控對象特性有關，而且還與控制器的特性有關。只有熟悉了控制器的特性，才能達到自動控制的目的。控制規律f（·）＋－z(t)x(t)e(t)u(t)控制規律：控制器的輸出信號隨輸入信號(偏差)變化的規律也稱為調節規律強調：如果

，則控制器稱正作用控制器；反之，，則稱反作用控制器基本控制規律：位式控制（雙位控制較常用）比例作用(Proportional)

積分作用(Intergral)

微分作用(Derivative)工業上（最）常用的控制規律：雙位控制純比例控制P

比例積分控制PI

比例微分控制PD

比例積分微分控制PID。

一個控制系統主要包括二類基本環節：調節器和廣義對象。廣義對象在控制系統中屬於固定因素，當系統設計好以後，廣義對象特性也就被確定下來；在整個控制系統中的控制作用主要是通過調節器來實現的，而調節器真正實現控制的本質在於選擇合適的調節規律。不同的控制規律適應不同的生產要求，必須根據生產要求來選用適當的控制規律。如選用不當，不但不能起到好的作用，反而會使控制過程惡化，甚至造成事故。基本的控制規律雙位控制是自動控制系統中最簡單也很實用的一種控制規律，調節器輸出只有2個固定的數值，即只有2個極限位置，其基本的控制規律可描述為：

這是一種理想的雙位控制，請問這種理想的雙位控制策略能否直接由於實際工業現場的控制？一、雙位控制第一節位式控制－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumineu二、具有中間區的雙位控制控制器罐壓力變送器排放電磁閥例如：某壓力控制系統，控制設定值為100KPa，當罐內壓力剛好達到100KPa時，調節器輸出為0，電磁閥關；罐內壓力稍稍大於100KPa時，調節器輸出為1，電磁閥開，排除氣體降低系統壓力，此時罐內壓力馬上又小於設定值100KPa，電磁閥關，內部壓力馬上又會重新升高，大於100KPa，調節器輸出為1，電磁閥開······，這樣調節器輸出在0與1之間不斷變化，電磁閥也在“開”和“關”二個狀態上不停的動作。

這種現象在實際工業系統中是絕對不允許的，因為任何一種設備都有一定的使用壽命，電磁閥的使用壽命一般在10萬～50萬次。

如果把雙位特性調整為

u－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△ue雙位控制——總結由於位式控制的執行器是從一個固定位置到另一個固定位置所以整個系統不可能保持在一個平衡狀態被控變數總在設定值的附近波動，其過渡過程是持續的等幅振盪滯回區間的大小影響振盪頻率。振盪頻率低，控制品質差；振盪頻率高，影響執行器的使用壽命。

位式控制的特點：簡單、過渡過程是振盪的位式控制的適用範圍：時間常數大純滯後小負荷變化不大也不激烈控制要求不高。u純比例控制PabOOabeu

由此可見，在該控制系統中，閥門開度的改變量與被控變數(液位)的偏差值成比例，這就是比例控制規律，其輸出信號的變化量與輸入信號(指偏差，當給定值不變時，偏差就是被控變數測量值的變化量)的變化量之間成比例關係，這種控制規律稱為“純比例控制”

純比例控制也是一種最基本的控制規律，從上面這個例子可以看出來，純比例控制至少能克服位式控制振盪、不穩定的缺點。第二節比例控制比例調節規律運算式：一、比例控制規律及其特點或u0是偏差e=0時的調節器的穩定輸出值KP是調節器的比例增益或放大倍數（與對象增益的區別）KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)AKp*A根據上述回應曲線，可以明顯地看出比例調節器的一個特點：控制及時。一旦偏差不為0，調節器的輸出即刻發生改變。

比例增益KP是比例調節器輸出變化量u与偏差e之比：比例增益KP和比例度

KP越大，比例作用越強，KP越小比例作用越弱。但是，在工業現場，一般都習慣於用比例度

來表示比例作用的強弱比例度

的定義：輸入信號的相對變化量占輸出信號的相對變化量的百分數。

其中：C——儀錶常數，當輸入輸出是統一信號時，儀錶常數C＝1，在沒有特定指明的情況下，C＝1，因為在一個系統中所選用儀錶的信號制一般都是統一的。KP越大

越小

比例作用越強。二、比例度及其對控制過程的影響某控制系統的方塊圖如右圖所示，求設定值、干擾分別發生階躍變化時的穩態變化量。先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設定值發生單位階躍變化：則：存在餘差令干扰发生单位阶跃变化：則：對被控變數有影響，產生餘差。Kp增大，餘差減小。結論：·純比例控制系統，過渡過程結束以後必定存在餘差。

·KP越大或

越小

餘差越小KP越大或

越小

控制作用越強

餘差越小、最大偏差越小KP太大或

太小

控制作用太強

穩定性降低、甚至造成系統不穩定純比例調節系統的特點：控制及時控制結果有餘差純比例控制適用場合：

干擾幅度較小純滯後較小負荷變化不大控制要求不太高

一般來說，若對象滯後較小、時間常數較大以及放大倍數較小時，比例度可以選得小些，以提高系統的靈敏度，使反應快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩定。

比例積分控制PI比例控制最大的優點是反應快，控制作用及時

最大的缺點是控制結果存在餘差當工藝對控制品質有更高要求，不允許控制結果存在餘差時，就需要在比例控制的基礎上，再加上能消除餘差的積分控制作用。比例積分控制就是由比例作用和積分作用二種控制作用組合而成

第三節積分控制積分作用是指調節器的輸出與輸入（偏差）對時間的積分成比例的特性。運算式為：一、積分控制規律及其特點：積分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(t)ATi：積分時間，因為Ti在分母底下，所以Ti越大積分作用越小。只要有偏差存在，調節器輸出會不斷變化，直到偏差為0――消除餘差調節器的輸出是偏差隨時間的積分，當t較小時，調節器輸出u(t)很小，控制作用很弱，不能及時克服干擾作用，

所以一般不單獨採用積分作用，而與比例作用配合使用。

uI(t)e(t)A二、比例積分控制規律與積分時間：比例積分(PI)控制由比例和積分二種控制作用組合而成

比例作用項積分作用項如果加入幅值為A的階躍信號：積分時間的定義：在階躍輸入下，積分作用的輸出變化到比例作用的輸出所經歷的時間。

A圖3-9比例積分控制器特性PI調節器輸入一個方波信號，幅值為＋10％調節器的初始輸出為0，畫出調節器輸出的波形。（KP＝1，Ti＝1min）－5％10％0%30％20％20％15％10％15％u(t)mine(t)10％2431min注意：PI調節器可以穩定在任何一個值上調節器的輸入輸出單位改為實際的mA時，輸出波形應該注意座標單位％

實際單位mA（之間的對應關係）三、積分作用對過渡過程的影響某控制系統的方塊圖如圖所示，求設定值、干擾分別發生階躍變化時的穩態變化量先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設定值發生單位階躍變化：則：無餘差令干扰发生单位阶跃变化：則：無餘差積分作用能消除餘差！！！

採用比例積分控制作用時，積分時間對過渡過程的影響具有兩重性。在同樣的比例度下，縮短積分時間Ti，將使積分調節作用加強，容易消除餘差，這是有利的一面。但縮短積分時間，加強積分調節作用後，會使系統振盪加劇，有不易穩定的傾向。積分時間越短，振盪傾向越強烈，甚至會成為不穩定的發散振盪，這是不利的一面。由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。Ti過大，積分作用不明顯，餘差消除很慢，見曲線3，Ti過小，過渡過程振盪太劇烈，穩定程度降低，見曲線1。

積分作用的特點：消除餘差，會降低系統穩定性；注意事項：★引入積分作用以後，能消除餘差，但系統的穩定性必然會降低，所以在使用過程中應適當降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）★當對象滯後很大時，可能控制時間較長、最大偏差也較大；負荷變化過於劇烈時，由於積分動作緩慢，使控制作用不及時，此時可增加微分作用比例微分控制PD積分控制最大的優點是消除餘差

最大的缺點是動作緩慢、產生相位滯後、穩定性降低

比例控制規律和積分控制規律，都是根據已經形成的被控變數與給定值的偏差而進行動作。但對於慣性較大的對象，為了使控制作用及時，常常希望能根據被控變數變化的快慢來控制。在人工控制時，雖然偏差可能還小，但看到參數變化很快，估計到很快就會有更大偏差，此時會先改變閥門開度以克服干擾影響，它是根據偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的變化一露頭，就立即動作，這樣控制的效果將會更好。微分作用就是模擬這一實踐活動而採用的控制規律。微分控制主要用來克服被控對象的容量滯後(時間常數T)，但不能克服純滯後。比例微分控制就是由比例作用和微分作用二種控制作用組合而成

第四節微分控制微分作用是指調節器的輸出與輸入變化率成比例關係，成比例的特性。運算式為：一、微分控制規律及其特點：微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分時間，Td越大微分作用越強。微分作用的目的：克服對象滯後大的影響，改善過渡過程品質。微分作用的原理：根據偏差信號變化速度來確定調節器的輸出，改變操作變數（超前控制）。

e(t)u(t)00+AtTdAe(t)u(t)t0t0二、比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二種控制作用組合而成

比例作用項微分作用項e(t)Ae(t)0At

從(b)圖中可以看出，當輸入為斜坡曲線時存在：u(t)＝e(t＋Td)，所以微分控制起到了超前的作用，即：調節器輸出比輸入超前TD時間從(a)圖上可得出，當加入階躍輸入時，微分作用產生了一個

函數，當t>0時，u(t)＝e(t)，很顯然這種控制作用在實際應用中沒有什麼態大的意義根據這2個特點不難理解：微分作用不能作為一種單獨的調節規律來使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用於對象時間常數較大的系統之中。u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)三、實際的比例微分控制作用

從前面的波形圖中可以看到，如果調節器的輸入為階躍信號，理想PD調節器的輸出為脈衝信號，而脈衝信號不可能被其他環節（執行器）所接收到。在工業應用現場時不採用理想的PD作用，而採用實際的PD作用。實際的PD作用運算式為：式中，Kd為微分增益，它反映了實際微分特性與理想微分特性接近的程度

Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般為5～10。另外還有一類Kd<1的單元，稱為反微分器，它具有遲緩信號變換的作用。實際比例微分控制作用的階躍回應e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPaτd當t=0+時u＝KdKPa當t

時u＝Kpa當t=τd時

u＝KPa＋0.368（Kd－1）KPaKp的測定：u()/aKd的測定：u(0)/u()Td的測定：測出τd後乘以Kd微分作用對過渡過程的影響從圖看出，微分時間太大及太小均不合適，應取適當的數值。由於增加微分作用，可以減小比例度，因而微分時間越大，餘差也就越小。一般溫度調節系統常需加微分作用，其他系統需要較少。有些系統由於反應太快，可加“反微分”，以降低系統的靈敏度。

微分作用的特點：對於有過渡滯後的對象，採用PD控制能明顯改善過渡過程的品質；

PD控制有超前作用

Td

，微分作用加強，系統穩定性提高，表現為：

衰減比增大；過渡過程最大偏差減少emax

；過渡時間tp

；

Td太大，微分作用太強，導致反應速度過快，引起系統振盪引入微分作用以後，不能消除餘差，但餘差會有所減少微分作用對純滯後的對象不起作用。微分作用適用於過渡滯後強的對象，如：溫度對象(其他系統較少用

)微分作用對高頻雜訊非常敏感，在流量控制系統總流量測量信號通常包含脈衝干擾，象這類對象一般不加微分作用。有些系統由於反應太快，可加“反微分”，以降低系統的靈敏度。現場控制系統中用比例微分作用的不多，較常見的是比例積分微分三作用控制規律（通常稱為PID控制）。

四、比例積分微分控制PID在工業生產中，常將比例、積分、微分三種作用規律結合起來，可以得到較為滿意的控制品質，包括這三種控制規律的控制器稱為比例積分微分三作用控制器，習慣上稱為PID控制規律，其理想的輸出與輸入的關係為：理想PID演算法實際PID演算法Ki——積分增益，一般較大，

III型模擬調節器約104～105Kd——微分增益，一般為5～10PID控制的階躍回應uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI常見對象特點及其常用調節器類型液位——滯後不大，一般控制要求不高，常用P或PI調節器；流量——滯後很小，回應快，測量信號有脈動信號，常用PI調節器（一般不能加D）；壓力——液體介質：滯後小，氣體介質：滯後適中，常用P或PI調節器，有時可用位式控制；溫度——滯後較大，回應較慢，常用PID調節器。

复杂控制系统第一節串級控制系統FC進料塔底采出12蒸汽方案2：控制蒸汽流量恒定TC進料塔底采出12蒸汽方案1：控制塔釜溫度恒定單回路控制的局限性目標：控制塔釜溫度穩定方案1優點：將所有對溫度的干擾都概括在控制回路內。缺點：當蒸汽壓力波動較大時，由於溫度對象滯後較大，控制品質不理想。方案2優點：能及時克服蒸汽壓力的干擾對溫度的影響缺點：不能克服進料流量、物料溫度等其他因素對溫度的影響。蒸汽TC進料塔底采出12FC方案3：串級控制系統FCTC進料塔底采出12蒸汽希望在塔釜溫度不變時蒸汽流量能保持設定值，而當塔釜溫度在外來干擾的作用下偏離給定值時，又要求蒸汽流量能作相應的變化，使塔釜溫度保持在設定值上。

O流量控制器TC2執行器

流量對象溫度T設定值干擾f1精餾塔控制系統方塊圖溫度對象溫度控制器TC1－+－+干擾f2測量、變送y1測量、變送y2F副控制器執行器

副對象主變數設定值主幹擾串級控制系統方塊圖主對象主控制器＋－+＋－+副干擾主測量、變送副測量、變送副變數副回路主回路－－常用的名詞主變數副變數主對象副對象主控制器副控制器主回路副回路串級控制系統方塊圖串級控制系統的工作過程在串級控制系統中，由於引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用於副回路的干擾，而且對作用於主對象上的干擾也能加速克服。副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具有後調、細調、慢調的特點，並對於副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統中，由於主、副回路相互配合、相互補充，充分發揮了控制作用，大大提高了控制品質。

干擾作用於副對象由於副回路控制通道短，時間常數小，所以當干擾進入副回路時，可以獲得比單回路控制系統超前的控制作用，有效地克服蒸汽壓力變化對塔釜溫度的影響干擾作用於主對象由於副回路的存在，可以及時改變副變數的數值，以達到穩定主變數的目的。

串級控制系統的特點及應用範圍

(1)從系統結構來看，串級控制系統有主、副兩個閉合回路；有主、副兩個控制器；有分別測量主變數和副變數的兩個測量變送器。在串級控制系統中，主回路是定值控制系統，而副回路是隨動控制系統。(2)在串級控制系統中，有兩主、副兩個變數。主變數是反映產品品質或生產過程運行情況的主要工藝變數。控制的目的在於使這一變數等於工藝規定的給定值。(3)從系統特性來看，串級控制系統由於副回路的引入，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯後，提高了控制品質。適用範圍：當對象的滯後和時間常數很大，干擾作用強而且頻繁、負荷變化大，簡單控制系統滿足不了控制品質的要求時，可採用串級控制系統。串級控制系統主、副回路的選擇主變數的選擇與單回路控制時被控變數的選擇原則是一樣的，能直接或間接地表征生產過程品質的參數都可以作為控制系統的被控變數。

副變數的選擇

副變數的變化應在很大程度上影響主變數的變化副回路應將生產過程中的主要干擾包圍在內在可能的情況下，應使副環包圍更多的次要干擾副變數的選擇應考慮到主、副對象時間常數的匹配，以防發生“共振”。當對象具有較大的純滯後而影響控制品質時，在選擇副變數時應使副環儘量少包含純滯後或不包含純滯後。

主副控制器控制規律的選擇

串級控制系統的目的是為了高精度地穩定主變數。主變數是生產工藝的主要控制指標，它直接關係到產品的品質或生產的正常，工藝上對它的要求比較嚴格。一般來說，主變數不允許有餘差。所以，主控制器通常都選用比例積分控制規律，以實現主變數的無餘差控制。

在串級控制系統中，穩定副變數並不是目的，設置副變數的目的就在於保證和提高主變數的控制品質。副變數的