過程控制與自動(dòng)化儀表

1、第一章 緒論1、過程控制概述過程控制是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的簡(jiǎn)稱。它泛指石油、化工、電力、冶金、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。過程控制通常是對(duì)生產(chǎn)過程中的壓力、液位、流量、溫度、PH值、成分和物性等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，并使生產(chǎn)過程按最優(yōu)化目標(biāo)自動(dòng)盡行。2、過程控制的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)由被控過程和檢測(cè)控制儀表組成；（2）被控過程復(fù)雜多樣

2、，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)；（3）控制方案豐富多彩，控制要求越來越高；（4）控制過程大多屬于慢變過程與參量控制；（5）定值控制是過程控制的主要形式。3、過程控制的要求與任務(wù)要求：（1）安全性：針對(duì)易燃易爆特點(diǎn)設(shè)計(jì)；參數(shù)越線報(bào)警、鏈鎖保護(hù)；故障診斷，容錯(cuò)控制。（2）穩(wěn)定性：抑制外界干擾，保證正常運(yùn)行。（3）經(jīng)濟(jì)性：降低成本提高效率。掌握工藝流程和被控對(duì)象靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用控制理論和一定的技術(shù)手段（計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化儀表）設(shè)及合理系統(tǒng)。任務(wù)：指在了解、掌握工藝流程和被控過程的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制理論分析和設(shè)計(jì)符合上述三項(xiàng)要求的過程控制系統(tǒng)，并采用適宜的技術(shù)手段（如自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)）加以實(shí)現(xiàn)

3、。4、過程控制的功能測(cè)量變送與執(zhí)行功能；操作安全與環(huán)境保護(hù)功能；常規(guī)控制與高級(jí)控制功能；實(shí)時(shí)優(yōu)化功能；決策管理與計(jì)劃調(diào)度功能。5、過程控制系統(tǒng)的組成被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；干擾量f(t)：作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；反饋值z(mì)(t)：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送后的實(shí)際測(cè)量值；偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；控制作用u(t)：控制器的輸出值。6、過程控制系統(tǒng)的分類（1）按結(jié)構(gòu)分類：a.反饋控制系統(tǒng)：是將系統(tǒng)的輸出量反饋到輸入端

4、構(gòu)成閉合回路，所以也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最后達(dá)到消除或減小偏差的目的。b.前饋控制系統(tǒng)：直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。c.前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：前饋控制的主要作用是及時(shí)地克服主要干擾對(duì)被控量的影響，反饋控制則負(fù)責(zé)檢查控制的最終效果。（2）按設(shè)定值分類：a.定值控制系統(tǒng)；b.隨動(dòng)控制系統(tǒng)；c.順序控制系統(tǒng)。7、過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化或受到外界干擾時(shí)，要求被控量能平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。因此，通常在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三個(gè)方面提出各種單項(xiàng)性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)。（1）

5、單項(xiàng)性能指標(biāo)：a.衰減比n：是衡量系統(tǒng)振蕩過程衰減程度的指標(biāo)，它定義為兩個(gè)相鄰的，同向波峰值之比，即，衡量衰減程度的另一指標(biāo)是衰減率，它定義為一個(gè)周期后波動(dòng)幅度衰減的程度，即。b.最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量：最大動(dòng)態(tài)偏差是指在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，系統(tǒng)過渡過程的第一個(gè)峰值超出穩(wěn)態(tài)值的幅度。最大動(dòng)態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比成為超調(diào)量，即 。對(duì)于二階振蕩系統(tǒng)，超調(diào)量與衰減比n有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，即。c.殘余偏差：是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值r之間的差值，它是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，即，在定值控制系統(tǒng)中，由于r=0，從而有。d.調(diào)節(jié)時(shí)間ts、峰值時(shí)間tp和振蕩頻率：調(diào)節(jié)時(shí)間是指系統(tǒng)從干擾開始到被控

6、量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的±5% （或±2%）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。峰值時(shí)間是指系統(tǒng)從干擾開始到被控量達(dá)到最大值時(shí)所需要的時(shí)間。它們均是衡量控制系統(tǒng)快速性的重要指標(biāo)。（2）綜合性能指標(biāo)：a.偏差絕對(duì)值積分IAE b.偏差平方積分ISE c.偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積積分ITAE d.時(shí)間乘偏差平方積分ITSE8、自動(dòng)化儀表的分類（1）按安裝場(chǎng)地分：現(xiàn)場(chǎng)類儀表（一次儀表）、控制室類儀表（二次儀表）； （2）按能源形式分：氣動(dòng)控制儀表、電動(dòng)控制儀表、液動(dòng)控制儀表 （少）；（3）按信號(hào)形式分：模擬式儀表、數(shù)字式儀表；（4）結(jié)構(gòu)形式分：基地式儀表、單元組合式儀表、組裝式儀表、集中/分散式儀表。9、單

7、元組合式儀表單元組合式儀表是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求制成的模塊化儀表（稱為單元）的總稱。各個(gè)單元模塊之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。有電動(dòng)單元組合儀表(DDZ型)和氣動(dòng)單元組合儀表(QDZ型)兩大類型。單元組合儀表分為：變送單元、給定單元、控制單元、執(zhí)行單元、轉(zhuǎn)換單元、運(yùn)算單元、顯示單元和輔助單元。其中，變送單元是將各種被測(cè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量的大小變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)傳送給指示、記錄和控制裝置等。10、模擬儀表的信號(hào)制模擬儀表的信號(hào)可分為氣動(dòng)儀表的模擬信號(hào)和電動(dòng)儀表的模擬信號(hào)。氣動(dòng)儀表的輸入/輸出模擬信號(hào)統(tǒng)一使用0.02M Pa -0.1M Pa 的

8、氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表的輸入/輸出模擬信號(hào)有直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓四種，各國(guó)都以直流電流和直流電壓作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。按IEC規(guī)定，過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號(hào)為420mA（II型為010mA）DC，負(fù)載電阻為250；模擬直流電壓信號(hào)為15V DC。我國(guó)的DDZ-III型電動(dòng)單元組合儀表也采用了這一國(guó)際統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。第二章 過程參數(shù)的檢測(cè)與變送1、檢測(cè)儀表過程參數(shù)檢測(cè)儀表通常由傳感器和變送器組成。（1）傳感器：國(guó)標(biāo)GB7665-87規(guī)定：“能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。（2）變送器：將輸出信號(hào)變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

9、的傳感器。早期的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有010mA DC的模擬電流信號(hào)、02V DC的模擬電壓信號(hào)和20100kPa的模擬氣壓信號(hào)等（II型標(biāo)準(zhǔn)）。目前統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)即各儀表之間的通信協(xié)議：420mA、15V、數(shù)字信號(hào)。2、檢測(cè)誤差（1）真值：即被測(cè)物理量的真實(shí)（或客觀）取值。（2）最大絕對(duì)誤差：儀表的實(shí)測(cè)示值x與“真值”xa的最大差值，記為，即。（3）相對(duì)誤差（或標(biāo)稱相對(duì)誤差）：。（4）引用誤差：引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法，它是相對(duì)儀表滿量程的一種誤差，一般也用百分?jǐn)?shù)表示，記為，即。（5）基本誤差：指儀表在國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所出現(xiàn)的誤差。使用標(biāo)準(zhǔn)：交流220V±5、電網(wǎng)

10、頻率（50±2）Hz、環(huán)境溫度（20±5）、濕度（65±5）。（6）附加誤差：指儀表的使用條件偏離了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件所出現(xiàn)的誤差。（溫度附加、頻率附加、電源電壓附加）3、檢測(cè)誤差的規(guī)律性（1）系統(tǒng)誤差：對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，按一定規(guī)律出現(xiàn)的誤差。克服系統(tǒng)誤差的辦法是利用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。（2）隨機(jī)誤差或統(tǒng)計(jì)誤差。（3）粗大誤差（疏忽誤差），應(yīng)先判斷其存在否，再將其剔除。4、儀表的固有特性及性能指標(biāo)（1）精確度及其等級(jí)：儀表的精確度（簡(jiǎn)稱精度）是儀表檢測(cè)誤差的一種工程表示，是用來衡量?jī)x表測(cè)量結(jié)果可靠性程度最重要的指標(biāo)。當(dāng)儀表的測(cè)量范圍一定，最大絕對(duì)誤差越小，則最

11、大引用誤差也越小，儀表的精度就越高；同樣，當(dāng)儀表的最大絕對(duì)誤差一定，測(cè)量范圍越大，則最大引用誤差就越小，儀表的精確度就越高。因此，用儀表的最大引用誤差來度量?jī)x表的測(cè)量精度是科學(xué)的、合理的。度量辦法：去掉最大引用誤差中的“±”和“”表示：0.001級(jí)、0.005級(jí)、0.02級(jí)、0.05級(jí)、0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.4級(jí)、0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)、2.5級(jí)。等級(jí)數(shù)越小，精度越高。（2）非線性誤差：，其中為實(shí)際測(cè)得的輸入/輸出特性曲線與理論直線之間的最大偏差。（3）變差：指在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)在測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行正、反方向（即逐漸由小到大或逐漸由大到?。y(cè)量時(shí)所產(chǎn)生

12、的最大差值與儀表測(cè)量范圍之比的百分?jǐn)?shù)，記為，即。（4）靈敏度與分辨力：靈敏度是指儀表輸出量的增量與引起輸出增量的輸入增量的比值，即。分辨力又稱靈敏限，是指儀表輸出能響應(yīng)和分辨輸入的最小變化量，數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)二進(jìn)制最低有效位時(shí)輸入的最小變化量。（5）漂移：時(shí)漂（隨時(shí)間變化出現(xiàn)的漂移）與溫漂（隨溫度變化出現(xiàn)的漂移）。（6）動(dòng)態(tài)誤差：指被測(cè)參數(shù)在干擾作用下處于變動(dòng)狀態(tài)時(shí)儀表的輸出值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。5、檢測(cè)儀表的工作特性（1）工作特性：。（2）零點(diǎn)調(diào)整與遷移：零點(diǎn)是指被測(cè)參數(shù)的下限值，而使=0的過程稱為“零點(diǎn)調(diào)整”；使的過程稱為“零點(diǎn)遷移”。（3）量程調(diào)整：量程是指與檢測(cè)儀表規(guī)定的輸出范

13、圍相對(duì)應(yīng)的輸入范圍，量程調(diào)整是指在零點(diǎn)不變時(shí)將輸出上限值與輸入上限值相對(duì)應(yīng)。6、變送器的構(gòu)成原理由于傳感器的輸出信號(hào)種類多且比較微弱，所以必須由變送器將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。其分為模擬式變送器和數(shù)字式變送器。7、四線制和二線制傳輸方式8、溫度檢測(cè)方法從測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)接觸與否可分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類。9、接觸式測(cè)溫測(cè)溫元件測(cè)溫原理測(cè)溫范圍/主要特點(diǎn)熱電偶熱電效應(yīng)01600測(cè)溫范圍廣，測(cè)量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制，應(yīng)用廣泛；需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，低溫測(cè)量精度低。鉑電阻熱阻效應(yīng)200600測(cè)溫范圍廣，測(cè)量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制，應(yīng)用廣泛；不能測(cè)

14、高溫。銅電阻50150半導(dǎo)體熱敏電阻50150靈敏度高，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；互換性較差，測(cè)量范圍有一定限制。10、熱電阻的接線方式接線方式有二線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大， 用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。11、熱電偶及其測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)，即只要熱電偶兩端的溫度不同，則在熱電偶閉合回路中就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就成為熱電效應(yīng)。熱電偶回路中的熱電勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)（很小，一般不考慮）兩部分組成。12、非

15、接觸式測(cè)溫（1）常用元件及共性：高溫輻射溫度計(jì)、低溫輻射溫度計(jì)、光電溫度計(jì)。（2）測(cè)溫儀表的選用：儀表的測(cè)溫范圍（即量程）應(yīng)大于工藝要求的實(shí)際測(cè)溫范圍，但也不能太大。工程上一般要求實(shí)際測(cè)溫范圍為儀表的測(cè)溫范圍的90%左右比較適宜。13、壓力的概念壓力指垂直作用于單位面積上的力（1Pa=1N/mm）。（1）差壓(p)：指兩個(gè)壓力之間的相對(duì)差值。（2）絕對(duì)壓力/大氣壓（）：指相對(duì)于絕對(duì)真空所測(cè)得的壓力，如大氣壓力。（3）表壓（）：指絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ睿?）負(fù)壓（又稱真空度，）：指當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差。14、容積式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)要求流體不含固體雜質(zhì)，但對(duì)流體

16、粘度無(wú)要求，所以特別適用于高粘度流體的檢測(cè)，而且測(cè)量精度高，這是它最大的優(yōu)。15、差壓式流量計(jì)采用的節(jié)流元件主要有標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴擋板和文丘里管等。第三章 過程控制儀表1、調(diào)節(jié)器的功能（1）偏差顯示；（2）輸出顯示 ；（3）內(nèi)、外給定的選擇 ；（4）正、反作用的選擇；（5）手動(dòng)切換操作；（6）其它功能，如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗漂移、停電對(duì)策等。2、執(zhí)行器的作用執(zhí)行器在過程控制中的作用是接受來自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變其閥門開度，從而達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。執(zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，是過程控制系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。若執(zhí)行器是采用電動(dòng)式的，則無(wú)需電/氣轉(zhuǎn)換器；若執(zhí)行器是采用

17、氣動(dòng)式的，則電/氣轉(zhuǎn)換器是必不可少的。3、安全柵安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，其作用一方面保證信號(hào)的正常傳輸；另一方面則控制流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下，以確保過程控制系統(tǒng)的安全火花性能。4、比例調(diào)節(jié)用比例度表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。它定義為：調(diào)節(jié)器輸入偏差的相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比，用百分?jǐn)?shù)表示為：比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時(shí)，反應(yīng)靈敏。當(dāng)偏差一旦出現(xiàn)，就能及時(shí)產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。5、比例積分調(diào)節(jié)式中，稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。特點(diǎn)：當(dāng)有偏差

18、存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。6、比例微分調(diào)節(jié)式中，稱為PD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。特點(diǎn)：微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。7、PID調(diào)節(jié)PID控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。8

19、、執(zhí)行器的構(gòu)成原理執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的自動(dòng)控制。按照工作所用能源形式分類如下，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號(hào)傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動(dòng)力，推力最大；但安裝、維護(hù)麻煩，使用不多。（1）氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式等。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)閥桿向下移動(dòng)時(shí)稱正作用；當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)閥桿

20、向上移動(dòng)時(shí)稱反作用?？趶捷^大的調(diào)節(jié)閥通常采用正作用方式。 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性表示平衡狀態(tài)時(shí)輸入的氣壓p與閥桿位移l的關(guān)系，即 ，A為膜片的有效面積；K為平衡彈簧的彈性系數(shù)。（2）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)配用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不同，其輸出方式有直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式三種類型，其電氣原理完全相同，僅減速器不一樣。（3）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：也稱作調(diào)節(jié)閥，按不同的使用要求，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式有直通雙座閥、直通單座閥、三通閥、隔膜閥、角型閥、蝶閥等。它是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。在過程控制中，通過改變閥心的行程來改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，以達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。9、調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑

21、dg表示，它們的確定是合理應(yīng)用執(zhí)行器的前提條件。確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調(diào)節(jié)閥全開、閥前后壓差為0.1MPa、流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體流量（m3或kg）。當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的體積流量為 。為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊(cè)查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。依據(jù)流通能力的定義，則有，這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)。 10、執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體作用方式執(zhí)行器氣開、氣關(guān)形式a正正氣關(guān)b正反氣開c反正氣開d反反氣關(guān)所謂“氣開”，是指當(dāng)氣壓信號(hào)p>0.

22、02MPa時(shí)，閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開；“氣關(guān)”則相反，即當(dāng)氣壓信號(hào)p>0.02MPa時(shí)，閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。一般加熱器應(yīng)選用“氣開”式，這樣當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不致因溫度過高而發(fā)生事故或危險(xiǎn)；又如，鍋爐進(jìn)水的執(zhí)行器應(yīng)選用“氣關(guān)”式，即當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于打開狀態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干或爆炸事故。11、調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即。式中，相對(duì)流量 是控制閥某一開度流量q與全開時(shí)流量之比；相對(duì)開度l/L 是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。12、理想流量特性在將

23、控制閥前后壓差固定時(shí)得到的流量特性稱為理想（固有）流量特性。它僅取決于閥芯的形狀，不同的閥心曲面可有不同的流量特性。在目前常用的調(diào)節(jié)閥中，有三種代表性的理想流量特性：（1）直線流量特性：指控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為，積分得。（2）對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性：指單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。（3）快開流量特性：指開度較小時(shí)就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開特性。13、執(zhí)行端安全柵執(zhí)行端安全柵把來自安全場(chǎng)所的電流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣隔離的電流輸出信號(hào)，送至危險(xiǎn)場(chǎng)所。其用于控制室中調(diào)

24、節(jié)器和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間，是420mA調(diào)節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場(chǎng)的安檢通道。與檢測(cè)端安全柵的區(qū)別： 信號(hào)傳輸方向相反 不需給現(xiàn)場(chǎng)供電。第四章 被控過程的數(shù)學(xué)模型1、被控過程的數(shù)學(xué)模型及其作用過程的數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型（是過程在穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系）和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型（是過程在輸入變量改變以后輸出量的變化情況）。指被控過程的數(shù)學(xué)模型是指過程的輸入變量與輸出變量之間定量關(guān)系的描述，這種關(guān)系既可以用各種參數(shù)模型（如微分方程、差分方程、狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)等）表示，也可以用非參數(shù)模型（如曲線、表格等）表示。過程的輸入變量至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為通道；控制作用至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為控制通道；干擾作用

25、至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為干擾通道；過程的輸出為控制通道與干擾通道的輸出之和。2、有自衡特性和無(wú)自衡特性當(dāng)原來處于平衡狀態(tài)的過程出現(xiàn)干擾時(shí)，其輸出量在無(wú)人或無(wú)控制裝置的干預(yù)下，能夠自動(dòng)恢復(fù)到原來或新的平衡狀態(tài)，則稱該過程具有自衡特性，否則，該過程則被認(rèn)為無(wú)自衡特性。3、過程建模方法主要有三種：（1）機(jī)理演繹法，又稱解析法，它是根據(jù)被控過程的內(nèi)部機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，用數(shù)學(xué)解析的方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型。（2）試驗(yàn)辨識(shí)法，又稱系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)法，其主要思路是先給被控過程人為地施加一個(gè)輸入作用，然后記錄過程的輸出變化量，得到一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，最后再根據(jù)輸入輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其模型

26、的結(jié)構(gòu)（包括模型形式、階次與純滯后時(shí)間等）與模型的參數(shù)。（3）機(jī)理演繹法與試驗(yàn)辨識(shí)法相結(jié)合的混合法，是機(jī)理演繹法與試驗(yàn)辯識(shí)法的相互交替使用的一種方法。第五章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)概述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。是最基本的過程控制系統(tǒng)。是構(gòu)成復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2、簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)主要由被控過程、過程檢測(cè)和控制儀表組成。過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就在于如何確定合理的控制方案、選擇正確的參數(shù)檢測(cè)方法與檢測(cè)儀表以及過程控制儀表的選型和調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定等等。其中，控制方案的確定、儀表的選型和調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。3、過程控制系統(tǒng)

27、開發(fā)的主要步驟（1）熟悉控制系統(tǒng)的技術(shù)要求或性能指標(biāo)；（2）建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；（3）確定控制方案；（4）根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性進(jìn)行分析與綜合；（5）系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究；（6）工程化設(shè)計(jì)；（7）工程安裝；（8）控制器的參數(shù)調(diào)整。4、控制方案的確定主要包括系統(tǒng)被控參數(shù)的選擇、測(cè)量信息的獲取及變送、控制參數(shù)的選擇、調(diào)節(jié)規(guī)律的選取、調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）的選擇和調(diào)節(jié)器正、反作用的確定等內(nèi)容。5、被控參數(shù)的選取當(dāng)難以用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)選取與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的所謂間接參數(shù)作為被控參數(shù)。6、過程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）干擾通道的影響：由式（式2）可知當(dāng)越大，由干擾引起的輸出也越大，被控參

28、數(shù)偏離給定值就越多。當(dāng)無(wú)法被改變時(shí)，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)控制作用或采用干擾補(bǔ)償?shù)姆椒?。?）干擾通道的影響：由式2可以看出為慣性環(huán)節(jié)，對(duì)干擾F（s）具有“濾波”作用，越大，“濾波”效果越明顯，因此干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，干擾對(duì)被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響就越小，因而越有利于系統(tǒng)控制質(zhì)量的提高。（3）干擾通道的影響：的存在，僅僅使干擾引起的輸出推遲了一段時(shí)間，因此，的存在并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。（4）干擾進(jìn)入系統(tǒng)位置的影響：干擾多經(jīng)過一次濾波才對(duì)被控參數(shù)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。從動(dòng)態(tài)看，這對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾性能是有利的。因此干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量越有利。但從靜態(tài)看，這會(huì)使干擾引起被控參數(shù)偏離給定

29、值的偏差相對(duì)增大，這對(duì)系統(tǒng)的控制品質(zhì)又是不利的。因此需要權(quán)衡它們的利弊。7、控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響（1）控制通道的影響：在調(diào)節(jié)器增益一定的條件下，當(dāng)控制通道靜態(tài)增益越大時(shí)，則控制作用越強(qiáng)，克服干擾的能力也越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就越??；與此同時(shí)，當(dāng)越大，被控參數(shù)對(duì)控制作用的反應(yīng)就越靈敏，響應(yīng)越迅速。但是，當(dāng)調(diào)節(jié)器靜態(tài)增、越大時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)增益也越大，這對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性是不利的。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和穩(wěn)態(tài)誤差三方面的要求。（2）控制通道的影響：如果控制通道的時(shí)間常數(shù)太大，則調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)變化的調(diào)節(jié)作用就不夠及時(shí)，系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致控制質(zhì)量下降

30、；但當(dāng)太小，則調(diào)節(jié)過程又過于靈敏，容易引起振蕩，同樣難以保證控制質(zhì)量。（3）控制通道的影響：控制通道純滯后時(shí)間產(chǎn)生的原因：一是由信號(hào)傳輸滯后所致；一是由信號(hào)傳輸滯后所致；三是執(zhí)行器的動(dòng)作滯后所致。總之，控制通道的純滯后，都會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差增大，超調(diào)量增加，最終導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。從系統(tǒng)的頻率特性分析可知，控制通道純滯后的存在，會(huì)增加開環(huán)頻率特性的相角滯后，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，無(wú)論如何，應(yīng)減小控制通道的純滯后，以利于提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。（4）控制通道時(shí)間常數(shù)匹配的影響：在保持穩(wěn)定性相同的情況下，時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開得越多，系統(tǒng)開環(huán)增益就允許增大得越多，因而對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越有利。8、控制參數(shù)的確定（1) 選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道的靜態(tài)增益盡可能大，時(shí)間常數(shù)選擇適當(dāng)。（2）控制通道的純時(shí)延時(shí)間應(yīng)盡可能小，和的比值一般應(yīng)小于0.3。（3）干擾通道的靜態(tài)增益應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能大，其個(gè)數(shù)盡可能多；擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。這樣選擇對(duì)抑制擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響均有利。（4）當(dāng)廣義被控過程由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法使幾個(gè)時(shí)間常數(shù)中的最大與最小的比值盡可能大，以便盡可能提高系統(tǒng)的可控性。（5）在確定控制參數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮工藝操作的合