过程控制工程课设置的目的和任务

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第48页 共48页 绪 论一、 过程控制工程课设置的目的和任务Process control（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上予以实施的能力。 控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的控制方案。本课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。二、 过程控制的发展简史1、 硬件第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制2、 过程控制手段40年代初：“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程50年代初、中：对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展 用实验方法来探讨模型、系统辩识60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快三、 过程控制设计1、 从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统2、 从定值控制到浮动控制3、 事故出现硬停车到软保护控制4、 从离散控制（模拟仪表）到计算机控制四、 学习方法及基本要求 本课程上本专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及其他专业课知识，进一步 掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制系统的分析、设计及投运的能力。 本课程包括课堂教训、实验教学、课程设计、生产实习四个环节。学习本课程应注意自己的工程实际能力的培养。五、 参考文献 1、化工过程控制工程祝和运（浙江大学）化学工业出版社 2、过程控制系统及工程翁维勤 化学工业出版社 3、过程控制工程庄兴稼 华中理工大学出版社 4、过程控制系统 F.G.shinskeg 方崇智译 化工出版社 5、化工过程控制理论与工程stephanopoluos G. 关惕华译 化学工业出版社六、学时安排 课堂教学40学时；实验教学8学时。总计48学时第1章 简单控制系统简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70以上。简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。11 简单控制系统结构组成及控制指标1.1.1简单控制系统结构组成简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）、测量变送装置、控制器和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置和在一起，称为广义对象。如图1.1-1所示的水槽，控制要求是维持水槽液位L不变。为了控制液位，选择相应的变送器、控制器和控制阀，组成液位控制系统（即简单控制系统）。液位控制系统的工作过程：在平衡状态下，如果输入流量端存有干扰，使输入总流量增大，于是液位上升，随着的上升，控制器将感受到偏差（给定与测量的比较值），从而控制器输出将控制阀关小，使输入流量减小，液位将下降回到给定值，达到新的平衡。 图1.1-1 液位控制系统对于图1.1-1所示的液位控制系统可以画出它的方块图，如图1.1-2所示图1.1-2 液位控制系统方框图 从以上的液位控制系统工作过程可看出：在该系统中存在着一条从系统输出端引向输入端的反馈线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。控制作用是纠正偏差的，所以负反馈是简单控制系统的一个特点。简单控制系统根据其被控变量的不同，可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但是它们都具有相同的方块图和结构组成。由于此类控制系统从组成方块图上看，由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象组成，并组成一个负反馈回路，因此简单控制系统也常称为单回路控制系统。1.1.2简单控制系统的控制指标对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。1.控制系统过渡过程单项指标控制系统按其输入方式不同可分为随动系统与定值系统，随动系统与定值系统控制要求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统同样必须稳定，但定值系统的衰减比可以低一些，随动系统的衰减比应该更高一些，随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳、跟得快、跟得准；定值系统的关键在一个定字，要定得又稳又快又准。主要时域指标包括衰减比、超调量（最大偏差）、余差、调节时间和振荡频率。这些指标可从控制系统的过渡过程曲线上求取。图1.1-3单位阶跃响应曲线1） 衰减比在欠阻尼振荡中，两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比，前一幅值作为分子，后一幅值作为分母。如图1.1-3中的。衰减比是衡量稳定性的指标，1:1振荡，不能容许。为保持足够的稳定性，定值系统的=4:1为宜。对随动系统=10:1为宜，或采用过阻尼（1）=0的形式。2）超调量与最大偏差在随动系统中， 是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最终稳定值为，最大瞬态偏差为，则超调量的表达公式为： 在定值控制系统中，最终稳态值是或是很小的数值，仍用作为指标来衡量系统的超调不合适了，通常改用最大偏差作为指标反映系统超调量的大小。 3） 余差余差是系统的最终稳态偏差。因为，在定值情况下，因此，余差是反映控制精度的一个稳态指标。4）回复时间和振荡频率过渡过程要绝对地达到新的稳态，需要无限长的时间，然而要进入稳态值附近5%或2%以内区域，并保持在该一区域之内，需要的时间是有限的，这一时间称为回复时间。回复时间是反映控制快速性的一个指标。在同样的振荡频率下，衰减比越大，则回复时间越短。同样在同样的衰减比下，振荡频率越高，则回复时间越短。因此，振荡频率在一定程度上也可作为衡量控制快速性的指标。图1.1-4随动系统过渡过程曲线 图1.1-5定植系统过渡过程曲线例1.1-1 某化学反应器，工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、超调量、余差、衰减比和震荡周期），并问该调节系统是否满足工艺要求。解：最大偏差：=230-200=30 余差： =205-200=5 衰减比： 震荡周期：=20-5=15min 例1.1-1题图过渡时间（调节时间）：。 再：工艺规定操作温度为20010，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15，而该调节系统=30，不满足工艺要求。2.控制系统过渡过程综合性指标综合性指标往往采用积分鉴定的形式一般来说，过渡过程中的动态偏差越大，或是回复的越慢，则值将越大，表明控制品质越差。但不宜直接用动态偏差作为函数。是及的一个泛函值。通常采用以下形式：1) 平方误差积分准则ISE(Integral of Squared Error criterion) , 2) 绝对误差积分准则IAE (Integral of Absolute value of Error criterion) , 3) 时间乘绝对误差积分准则ITAE (Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error criterion) ,对于存在余差的系统，不会最终趋于零，有存在，上面三种形式的积分鉴定值J都将成为无穷大，无从进行比较。此时可用作为误差项代入。一般地说，ITAE为最小值的系统往往衰减比很大，ISE为最小值的系统回复时间很短，但过渡过程的振荡比较剧烈。如下图所示： 图1.1-6 应用不同偏差积分性能指标下的闭环响应在工作中，具体选何种指标，应根据控制系统性能及工艺要求而定。12 典型受控过程本节主要介绍几种常见简单环节特性，然后列出由它们组成的一些实际过程。121 纯滞后过程纯滞后：指在输入量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后。路径的长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。因此纯滞后也称为传输滞后。纯滞后一般不单独出现，同时不存在纯滞后的生产过程也很少。任何对控制系统设计有关的技术都会涉及纯滞后问题。图1-7所示一个传送纯滞后例子： 图1.2-1纯滞后过程示意图传递函数： ， L指距离， V 指速度频率特性：纯滞后环节幅频特性对系统无影响，相频特性对系统的影响大且随频率增加纯滞后影响。1.2.2 单容过程容积：指储存物质或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之间缓冲器。1. 无自衡 图1-11 无自衡单容过程基本方程：输入流量输出流量=单位时间容积的累积量变化 液位差/流阻=流出流量推导传递函数： 拉氏变换式 为常量其增量为0，即= 0，则，则，其中为积分时间常数。写成一般形式：， 为积分时间常数，频率特性： 特点：无自衡过程在没有自动控制系统情况下，不允许长时间没人看管，应设置自动控制系统。2有自衡传递函数的推导：与的静态特性为非线性关系 , 为比例系数（与手动阀开度有关） 假定调节系统为定值控制（线性化）： 图1.2-2 有自衡单容过程（为设定值，为液阻） 则，设 取拉氏变换 写成一般形式： （一阶惯性环节），（放大系数）；（时间常数）其频率特性： ，具有低通滤波器的作用。123 多容过程1. 没有相互影响的双容过程（如图1-12所示） 图12-3 没有相互影响双容过程传递函数的推导：（相当于两个二阶环节串联）A1、A2表示储槽的横截面积，R1、R2表示储槽的液阻。令，则两个极点 、负实极点、非震荡自衡过程。 2. 具有相互影响的双容过程 图1.2-4 有相互影响双容过程结论： 液位对输入流量的响应不再是一阶过程，而是二阶过程。对流量的响应s项多了项，可理解为相互影响因子。讨论：以上传递函数的二个极点1）当，则为两个不同的实根，表明两个相互影响的容积可等效为两个不相互影响的容积。不过是时间常数需校正，过程总是呈过阻尼状态（）。2) 假定两个储槽具有相同的时间常数（），因此相互影响是改变了两个储槽的等效时间常数比例。一个储槽的反应变的快，而另一个反应变的慢。由于时间响应主要受慢作用的牵制，所以存在相互影响的时间响应要比无相互影响时显得缓慢（如图1-14所示）。 图1.2-5液位储槽的阶跃响应（1相互无影响，2相互有影响） 3.多容过程1）没有相互影响的多容过程变化特点，是可表示为由N个一阶环节组成（串联）的系统，如图所示：图1.2-6 没有相互影响的多容过程信号框图设图中：， 设整个过程的传递函数为： 图1.2-7无相互影响的多容过程阶跃响应图特点：当T相同、V相等而又相互影响的若干个一阶环节组成的过程，随着N增加，它的影响接近一阶环节加滞后的过程。若干个T相同、V相等而又相互影响的环节，可分解为一个较大时间常数、其余较小，较大起主导作用，较小组成一个纯滞后。结论：有无相互影响的多容过程均可作用来近似。这就是工业过程基本都可用了表示传递过程的原因。注意：有无相互影响的之比有很大差别，如n=10，无相互影响=1，而相互影响=0.1因此有相互影响的系统更易控制些。124 具有反向响应的过程反向响应：指其阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。典型例子：锅炉汽包水位h受蒸汽量干扰是的变化过程。 图1.2-8 锅炉汽包水位对给水的阶跃时间响应曲线图在加入冷水过程中：1) 汽包内水泡受冷后收缩，水面下降=2) 当燃料量不变时，汽包内水位应随冷上加入量而增大=3) 两种变化的迭加总特性为=结论：当时，在响应初期，占主导，过程呈反向， 如时，过程没有反向特性。呈反向特性时，传递函数总具有一个正的零点，传递函数存在正实部零点的过程属于非最小相位过程，较难控制，应考虑特殊方法（如后面讲多冲量控制系统）。1.2.5 不稳定过程工业过程中，还存在具有不稳定特性的过程，主要在化学反应中，如吸热反应的反应温度T是稳定的，反应器内部存在负反馈。当 T受干扰增大时 ，吸热量也相应增大，从而使反应温度T减小，恢复到给定值；而对于放热反应的反应温度T的变化，由于反应器内部存在正反馈因而反应温度是不稳定的。当 T受干扰增大时 ，放热量也相应增大，从而使反应温度T更大，从而不能恢复到给定值。为开环不稳定系统 。 图1.2-9 不稳定过程的阶跃响应曲线 1.3被控变量与操纵变量的选择 1.3.1被控变量的选择 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作,产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的控制要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确的选择出被控变量。 对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是很容易理解的，也无需多加讨论。 质量指标是产品质量的直接反映，因此，选择质量指标作为被控变量应是首先要进行考虑的。 采用质量指标作为被控变量，必然要设计到产品成分或物性参数（如密度，粘度等）的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物理参数的测量问题，目前国内外尚未得到很好的解决。一来因为产品品种类型很不齐全，致使有些成分或物性参数目前尚无法实现在线测量和变送；二来这些仪表，特别是成分分析仪表具有较严重的测量滞后，不能及时地反映产品质量变化的情况。当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标作为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且还需具有一定变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。以苯、甲苯二元系统的精馏为例。在气、液两相并存时，塔顶易挥发组分的浓度、温度和压力三者之间有着如下函数关系： （1.3-1） 这里是直接反映塔顶产品纯度的，是直接的质量指标。如果成分分析仪表可以解决，那么，就可以选择塔顶易挥发组分的浓度作为被控变量，组成成分控制系统。如果成分分析仪表不好解决，或因成分测量滞后太大，控制效果差，达不到质量要求，则可以考虑选择一间接指标参数：塔顶温度或塔压作为被控变量，组成相应的控制系统。 图1.3-1简单精馏过程示意图在考虑选择或其中之一作为被控变量时是有条件的。由式（1.3-1）可看出，它是一个二元函数关系，即与及都有关。只有当或有一个不变时，式（1.3-1）才可简化成一元函数关系。 即当一定时： (1.3-2) 当一定时： (1.3-3)总之，对于某个给定的工艺过程，应选择哪几个工艺函数为受控变量 采用直接参数法即以工艺参数为受控变量（最好为温度压力流量液位四大参数） 间接参数法原选定的受控变量受检测仪表的约束，要寻找与受控变量有单一的线性函数关系的间接参数来作为受控变量。如蒸馏塔组分的检测控制，一般用温度代替，但压力（塔压）必须恒定，即。 一个设备多个受控变量应以自由度分析，找出独立变量组分数 相数例1.3-1 饱和蒸汽 =1，=2，则自由度=1-1+2=1蒸汽质量受控变量选一个（或）过热蒸汽 =1，=1，则自由度=1-1+2=2受控变量则选2个（、）1.3.2 操纵变量的选择 为了正确地选择操纵变量。首先要研究对象的特征。我们知道被控变量是被控对象的一个输出。影响被控的外部因素则是被控对象的输入。现在的任务是在影响被控变量的诸多输入中。选择其中某一个可控性良好的输入量作为操纵变量。而其它未被选中的其他输入量，则称为系统的干扰。因此对操纵变量的选择应注意： 工艺的合理性不能选工艺流程的主物料量（除非有中间储槽）为调节参数，应选辅助（侧线）物料，如换热器，只能选载热体为调节量，而不能选物料加入量为调节参数，因后者在调节过程中引起生产波动。 对受控变量有明显的影响作用，即要求有放大系数大，时间常数快速。1.4 过程可控程度分析过程可控程度：指对过程进行控制的难易程度。本节介绍一种度量过程程度的指标。1.4.1 度量过程可控程度（简称可控性）的指标的导出 条件：相同的控制器、最佳整定，在相同的干扰作用下进行不同过程的比较。假定控制器为纯比例，参数整定目标 = 4：1如图1-17所示的二阶系统：图1.4-1 二阶系统方块图 其传递函数为：当=4：1时， （令）式中：开环系统总的静态增益。利用偏差绝对值积分（IAE）指标 由于工作周期也是系统过程的品质指标，则引入（）则上式写成=4:1 震荡时，工作频率比临界频率约小10-30%，两者有一定的比例关系对上式由于相同（相同的干扰）则若系统没有较大的纯滞后或分布参数，一般值大于10，这样上式中的“1”可以忽略去。化简得 ，设，都是过程在纯比例控制下，系统达到震荡时的参数。此式说明，于成反比，越大质量越好。1.4.2 广义对象时间常数和纯滞后对可控程度的影响1. 以三阶过程为例，时间常数对的影响，令与一般单回路系统的广义对象传递函数类似。可看成对象时间常数，最大；可看成调节阀时间常数，次之；可看成对检测变送时间常数，最小。下表为时间常数变化对的影响。表1.4-1列出、不同变化下、与由表得出结论：增大，、不变，及增大，质量好减小，、不变，、及增大，质量好存在极值点*，当*或*时，及增大 利用MATLAB仿真得到不同时间常数、搭配的过渡过程曲线，也可得到同样的结论。图1。4-2 不同的时间常数T搭配产生不同的过渡过程仿真试验曲线对于高阶过程（四、五阶纯滞后过程）规律：增大与减小，拉开第一与第二时间常数距离，增大，质量好 最小时间常数减小，增大，质量好2. 从频率特性分析，纯滞后的加入总是使减小，减小，减小。(如图1.4-2所示) 图1。4-2 用频率特性表示纯滞后的影响（1 -无纯滞后的影响；2 -有纯滞后的影响)1.5 广义对象各环节对可控程度的影响 如图示线性单回路系统图1。5-1 线性单回路控制系统1.5.1干扰通道特性对控制质量的影响 设其中的、为三个特性指标1.放大倍数的影响假定所研究的系统方框图如图1.5-1所示。由图1.5-1可直接求出在干扰作用下的闭环传递函数为： （1.5-1）由式（1.5-1）可得 （1.5-2）令；并假定为单位阶跃干扰，则将各环节传递函数代入式（1.5-2），并运用终值定理可得： （1.5-3）式中为控制器放大倍数与被控对象放大倍数的乘积，称之该系统的开环放大倍数。对于定值系统，即系统的余差。由式（1.5-3）可以看出，干扰通道的放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制静态质量越差（如图1.5-2所示）。 图1.5-2 干扰通道放大系数变化的影响结论：增大，差，干扰影响大。2.时间常数的影响 未了研究问题方便起见，令图1.5-1中的各环节放大倍数均为1，这样系统在干扰作用下的闭环传递函数应为： （1.5-4）系统的特征方程为： （1.5-5）由式（1.5-5）可知，当干扰通道为一阶惯性环节时，与干扰通道为放大环节相比，系统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上增加了一个附加极点。这个附加极点的存在，除了会影响过渡过程时间外，还会影响到过渡过程的幅值，使其减小了倍，这样过渡过程的最大动态偏差也将随之减小。这对提高系统的品质是有利的。而且随着的增大，控制过程的品质亦会提高。如果干扰通道阶次增加，例如干扰通道传递函数为两阶的，那么，就有两个时间常数及。按照根平面的分析，系统将增加两个附加极点及，这样过渡过程的幅值将缩小倍。因此控制质量将进一步获得提高（如图1.5-3所示）。 图1.5-3 干扰通道时间常数变化的影响结论：增大，对扰动起滤波作用，增大使系统受干扰作用缓慢。有了上面的分析基础，讨论干扰从不同位置进入系统对被控变量的影响就不困难了。图1.5-4所示、及从不同的位置进入系统，如果干扰的幅值和形式都是相同的，显然，它们对控制质量的影响程度依次为最大，次之，而为最小。下面用图1.5-5来分析此结论。 图1.5-4 干扰进入位置图由图1.5-5可看出，对的影响依次要经过、三个环节，如果每一个环节都是一阶惯性环节的，则对干扰信号进行了三次滤波，它对被控变量的影响会削弱得多，对被控变量的实际影响就会很小。而只经过一个环节就影响到，它的影响被削弱的较少，因此它对被控变量影响最大。 图1.5-5干扰进入位置图等效方框图 由上述分析可得出如下结论：干扰通道的时间常数越大，各数越多，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响就越小，系统的质量则越高。3.纯滞后的影响在上面的分析中干扰通道时间常数对被控变量影响时，没有考虑到干扰通道具有纯滞后的问题，如果考虑干扰通道具有纯滞后那么干扰通道的传递函数为： （1.5-6） 这样将（1-4）式改写成干扰通道具有纯滞后的闭环传递函数： （1.5-7）求取（1-4）与（1-9）在干扰作用下的过渡过程与。由控制理论中的滞后定理可以得出、之间的关系为： 如图1.5-6所示 图1.5-6 干扰通道纯滞后的影响（1 -无纯滞后的影响；2 -有纯滞后的影响)结论：干扰通道具有纯滞后对系统质量无影响（指反馈系统，前馈系统无法实现补偿模型），只是将响应推迟一段时间。总结干扰通道特性对控制质量的影响，如表1.5-1所示。表1.5-1调节通道特性对控制质量的影响特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响增加余差增加无影响增加无影响过渡过程时间减小，震荡幅值减小增加无影响无影响1.5.2 调节通道特性对控制质量的影响 设调节通道传递函数为：讨论中的、三个特性指标1.放大倍数的影响放大倍数对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行分析。从静态方面分析，由式（1-6）可以看出，控制系统的余差与干扰通道放大倍数成正比，与调节通道的放大倍数成反比，因此当、不变时，调节通道的放大倍数越大，调节系统的余差越小。放大倍数的变化不但会影响控制系统的静态控制质量，同时对系统的动态控制质量也产生影响。对一个控制系统来说，在一定的稳定程度（即一定的衰减比）下，系统地开环放大倍数是一个常数。系统的开环放大倍数是控制器放大倍数与广义对象调节通道放大倍数的乘积。也就是说特定的系统衰减比必须与控制器放大倍数乘积的某特定数值对应。在一定衰减要求之下，减小，必须增大；增大，必须减小。同时由于控制器与广义对象相串联，对系统稳定是定值，因此从系统为稳定性来讲的大小无影响。2. 调节通道的时间常数的影响由图1-19可得出单回路控制系统的特征方程为： 1+=0 （1-10）为了便于分析起见，令，将、代入式（1-10）得到： （1-11）将式（1-11）化为标准二阶系统形式，得：于是可得： ， （1-12）由式（1-12）可求得： ， （1-13）这里为系统的自然震荡频率。根据控制原理可知，系统工作频率与其自然震荡频率有如下关系： （1-14）由式（1-14）可看出，在不变的情况下，与成正比，即 （1-15）从式（1-15）关系可知，不论、哪一个增大，都将会导致系统的工作频率降低。而系统工作频率越低，则控制速度越慢。这就是说调节通道的时间常数越大，系统的工作频率越低，控制速度越慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统地控制质量会变差。但调节通道的时间常数也不是越小越好。时间常数太小，系统的工作频率过高，系统将变得过于灵敏，反而会影响控制系统地控制品质，会使系统的稳定性下降。大多数流量控制系统的流量记录曲线波动的都比较厉害，就是由于流量对象时间常数比较小的原因所致。图1-23 调节通道时间常数变化的影响3.调节通道纯滞后的影响调节通道纯滞后对控制质量的影响可用图1-24加以说明。图中的曲线C是没有控制作用时系统在干扰作用下的反应曲线。如果未变送器的灵敏度，那么，当调节通道没有纯滞后时，调节作用从时刻开始就对干扰起抑制作用，控制曲线为。如果调节通道存在有纯滞后时，调节作用从+时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此之前，系统由于得不到及时控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断上升(或下降)，其控制曲线为E。显然，与调节通道没有纯滞后的情况相比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。 图1-24 纯滞后影响示意图同时，因为纯滞后的存在，使得控制器不能及时获得控制作用效果的反馈信息，因而控制器不能根据反馈信息来调整自己的输出，当需要增加控制作用时会使控制作用增加的太多，而一旦需要减少控制作用时则又会使控制作用减少得太多，控制器出现失控现象，因此导致系统的震荡，使系统的稳定性降低。因此控制系统纯滞后的存在是系统的大忌, 纯滞后的存在会大大地恶化系统的调节质量，甚至会出现不稳定情况。因此，工程实践中应当尽量避免调节通道出现纯滞后。 图1-25 调节通道纯滞后的影响总结调节通道特性对控制质量的影响，如表1-2所示。表1-3调节通道特性对控制质量的影响特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于震荡增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢增加无影响稳定程度大大降低1.6 检测变送环节 检测变送环节的任务是对被控变量或其它有关参数作正确测量，并将它转换成统一信号如（420mA），测量变送环节的传递函数可表示为：一般0，较小，为简化分析，有时也假设0 ，这样当=1时，可将控制系统看成单位反馈系统（控制理论中经常这样描述）。检测变送需注意的两点：，因变送器采用模拟单元组合仪表，输出范围为定值（如4-20mA）,则与测量范围成反比，越大，测量范围越小，测量精度越高。变送器的输出值与测量值的关系： 线性变送时：变送器输出=（测量值/测量范围）（ 变送器输出最大值 - 变送器输出最小值）+ 变送器输出最小值 非线性变送（差压法测流量）时：变送器输出=（测量值/测量范围）2（变送器输出最大值-变送器输出最小值）+变送器输出最小值1.6.1 关于测量误差1.仪表本身误差 增大可减小测量误差，但调节系统稳定性受影响，应与配合。2.安装不当引入误差 如，流量测量中，孔板装反；直管道不够；差压计引压管线有气泡等。3.测量的动态误差 如温度测温元件，应尽量减小、，成份分析应尽量减少。1.6.2 测量信号的处理1.对呈同周期性的脉动信号需进行低通滤波2.对测量噪声需进行滤波3.线性化处理1.7 执行器环节1.7.1 执行器概述执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式，如图 0.1所示。图 0.1 执行器的构成及控制形式调节器伺服放大器操作器电动执行机构调节阀调节器电/气转换器气动执行机构调节阀调节器电/气阀门定位器转换器气动执行机构调节阀执行器有各种不同的分类方法，其分类如下： 按动力能源分类 分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.020.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器。 按动作极性分类 分为正作用执行器和反作用执行器。 按动作行程分类 分为角行程执行器和直行程执行器。 按动作特性分类 分为比例式执行器和积分式执行器。在自控系统中，为使执行机构的输出满足一定精度的要求，在控制原理上常采用负反馈闭环控制系统，将执行机构的位置输出作为反馈信号，和电动调节器的输出信号作比较，将其差值经过放大用于驱动和控制执行机构的动作，使执行机构向消除差值的方向运动，最终达到执行机构的位置输出和电动调节器的输出信号成线性关系。在应用气动执行机构的场合下，采用电/气转换器和气动执行机构配套时，由于是开环控制系统，只能用于控制精度要求不高的场合。当需要精度较高时，一般都采用电/气阀门定位器和气动执行机构相配套，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位器内，利用负反馈的工作原理，大大提高了气动调节阀的位置精度。因此，目前在自控系统中应用的气动调节阀大多数都与阀门定位器配套使用。智能电动执行器将伺服放大器与操作器转换成数字电路，而智能执行器则将所有的环节集成，信号通过现场总线由变送器或操作站发来，可以取代调节器。由于石油、化工等过程工业中的安全问题，所以大量使用的是气动执行器。下面主要介绍气动执行器的特性及应用。1.7.2气动执行器气动执行器又称为气动调节阀，由气动执行机构和调节阀(控制机构)组成。如下图所示。执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程。1.气动执行机构常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力p作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。气动活塞执行机构使活塞在气缸中移动产生推力。显然，活塞式的输出力度远大于薄膜式，因此，薄膜式适用于输出力较小、精度较高的场合；活塞式适用于输出力较大的场合，如大口径、高压降控制或蝶阀的推动装置。除有薄膜式和活塞式之外，还有一种长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适于输出角位移和大力矩的场合。气动执行机构接收的信号标准为0.020.1MPa。气动薄膜执行机构输出的位移L与信号压力p的关系为： (2.1)图 0.2 气动执行器式中，A为波纹膜片的有效面积，K为弹簧的刚度。推杆受压移动，使弹簧受压，当弹簧的反作用力与推杆的作用力相等时，输出的位移L与信号压力p成正比。执行机构的输出(即推杆输出的位移)也称行程。气动薄膜执行机构的行程规格有10mm、16mm、25mm、60mm、100mm。气动薄膜执行机构的输入、输出特性是非线性的，且存在正反行程的变差。实际应用中常用上阀门定位器，可减小一部分误差。气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构(ZMA型)；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构(ZMB型)。正作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室。通过更换个别零件，两者就能互相改装。气动活塞执行机构的主要部件为气缸、活塞、推杆，气缸内活塞随气缸内两侧压差的变化而移动。其特性有比例式和两位式两种。两位式根据输入活塞两侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加以阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。2.控制机构控制机构即调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应的改变，从而达到控制工艺参数的目的。调节阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。调节阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同。图 0.3 调节阀的结构形式调节阀的阀芯有直行程阀芯与角行程阀芯。常见的直行程阀芯有：平板形阀芯，具有快开特性，可作两位控制；柱塞型阀芯，可上下倒装，以实现正反调节作用；窗口形阀芯，有合流型与分流型，适宜作三通阀；多级阀芯，将几个阀芯串联，起逐级降压作用。角行程阀芯通过阀芯的旋转运动改变其与阀座间的流通截面。常见的角行程阀芯形式有：偏心旋转阀芯、蝶形阀芯、球形阀芯。根据不同的使用要求，控制阀的结构形式很多，如图 0.3所示，主要有以下几种：1)直通单座控制阀。这种阀的阀体内只有一个阀芯与阀座。其特点是结构简单、泄露量小，易于保证关闭，甚至完全切断。但是在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。这种阀一般用于小口径、低压差的场合。2) 直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座，这是最常用的一种类型。由于流体流过的时候，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄露量较大。根据阀芯与阀座的相对位置，这种阀可分为正作用式与反作用式(或称正装与反装)两种形式。当阀体直立，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减小的称为正作用式。如果阀芯倒装，则当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大，称为反作用式。3)隔膜控制阀。它采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。隔膜阀结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其它种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄露。这种阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱等腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。 4）三通控制阀。三通阀共有三个出入口与工艺管道连接。其流通方式有合流(两种介质混合成一路)型和分流(一种介质分成两路)型两种。这种阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。5）角形控制阀。角形阀的两个接管成直角形，一般为底进侧出。这种阀的流路简单、阻力较小，适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。6）套筒式控制阀。又名笼式阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似。笼式阀内有一个圆柱形套筒(笼子)。套筒壁上有几个不同形状的孔(窗口)，利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，由于这种移动改变了笼子的节流孔面积，就形成了各种特性并实现流量控制。笼式阀的可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒(窗口形状不同)即可得到不同的流量特性，阀内部件所受的气蚀小、噪音小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪音及压差较大的场合，但不适用高温、高粘度及含有固体颗粒的液体。7）蝶阀。又名翻板阀。蝶阀具有结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小的优点，但泄露量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。8）球阀。球阀的阀芯和阀体都呈球形体，转动阀芯使其与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。9）凸轮挠曲阀。又名偏心旋转阀。它的阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。凸轮挠曲阀的挠曲臂在压力作用下会产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。同时它的重量轻、体积小、安装方便，适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。除以上所介绍的阀以外，还有一些特殊的控制阀。例如小流量阀适用于小流量的精密控制，超高压阀适用于高静压、高压差的场合。同时如图2.18所示的各种调节阀，其特性都不过零(即都有泄漏)，为此，常接入截止阀。3.调节阀口径C值的选择调节阀正常开度处于15%85%之间，90%大开度（阀选小了）系统处于失控，非线性区；10%小开度（阀选大了）系统处于小开度，易震荡。阀口径大小由流通能力C决定（C值具体计算由自控工程程设计课讲）C值的定义：阀前后压差为0.1Mpa，介质密度为1g/cm3小时通过阀门的流体的重量流量T/h4.确定调节阀的气开与气关形式依据：以调节阀失灵（膜头信号断开）时，阀门处于位置能保证正常安全生产。 图1-25 调节阀气开气关结构示意图1.7.3调节阀流量特性和阀门增益调节阀的流量特性主要有三种：等百分比、线性、快开不同的流量特性用来克服系统的非线性问题。调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移(即阀芯的相对开度)l/L之间的关系，即 (2.2)1.固有流量特性（理想流量特性）流量特性：指通过调节阀的流量与阀门开度之间的数学关系式1） 线性 =C2） 等百分比 Q3） 快开 4） 阀门增益=等百分比、线性、快开阀流量特性曲线上斜率为Kv，如图2.19所示。由于调节阀阀开度变化时，阀前后的压差P也会变，从而流量q也会变。为分析方便，称阀前后的压差不随阀的开度变化的流量特性为理想流量特性；阀前后的压差随阀的开度变化的流量特性为工作流量特性。如图1-26所示，不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：图 0.4 理想流量特性直线流量特性。虽为线性，但小开度时，流量相对变化值大、灵敏度高、控制作用强、易产生振荡；大开度时，流路相对变化值小、灵敏度低、控制作用弱、控制缓慢。等百分比流量特性。放大倍数随流量增大而增大，所以，开度较小时，控制缓和平稳；大开度时，控制灵敏、有效。抛物线流量特性。在抛物线流量特性中，有一种修正抛物线流量特性，这是为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的特点，在抛物线特性基础上衍生出来的。它在相对位移30%及相对流量20%以下为抛物线特性，在以上范围为线性特性。快开流量特性。快开特性的阀芯是平板形的。它的有效位移一般是阀座的1/4，位移再大时，阀的流通面积就不再增大，失去了控制作用。快开阀适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。2.安装流量特性（工作流量特性）由于通过调节阀流量变化引起阻力变化，从而使得阀上压降也发生相应的变化，此时的流量特性称为安装流量或工作流量特性。图1-27图 调节阀流量特性畸变曲线图当阀门前后变小时，阀的流量特性发生畸变。畸变程度用S值来表示，S0.6，基本无畸变。畸变规律是： 特性曲线总是向左上方畸变，线性阀接近快开，百分比接近线性。 S值越小，畸变越严重。 畸变后，最小流量变大，使可调比变小，。 图1-28 具有串联阻力的控制阀的工作流量特性图在实际生产中，控制阀阀前后压差总是变化的，如控制阀阀一般与工艺设备并用，也与管道串联或并联。压差因阻力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变为工作流量特性。综合串、并联管道的情况，可得如下结论：串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。 1.7.4电/气转换器和电/气阀门定位器在实际系统中，电与气两种信号常是混合使用的，这样可以取长补短。因而有各种电/气转换器及气/电转换器把电信号(010mA DC或420mA DC)与气信号(0.020.1MPa)进行转换。电/气转换器可以把电动变送器送来的信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动调节阀，此时常用电/气阀门定位器，它具有电/气转换器和气动阀门定图 0.5 电/气转换器简化原理图位器两种作用。电/气转换器简化原理图如图 0.5所示。它是基于力矩平衡的工作原理。输入信号为电动控制系统的标准信号420mA或010mA，转换为0.020.1MPa气动信号再驱动气动执行器。电流流过线圈产生电磁场，电磁场将可动铁心磁化，磁化铁心在永久磁钢中受力，相对于支点产生力矩，带动铁心上的挡板动作，从而改变喷嘴挡板间的间隙，喷嘴挡板可变气阻发生改变，使图中气阻与喷嘴挡板机构的分压系数发生变化，有气压信号输出,通过功率放大器放大，输出气动执行器的标准气信号。输出气信号通过波纹管相对于支点给铁心加一个反力矩，信号力矩与反力矩相等时，铁心绕支点旋转的角度达到平衡。电/气阀门定位器具有电/气转换器与阀门定位器的双重功能，它接收电动调节器输出的420mA直流电流信号，输出0.020.1MPa或0.040.2MPa(大功率)气动信号驱动执行机构。由于电/气阀门定位器具有追踪定位的反馈功能，电信号的输入与执行机构的位移输出之间的线性关系比较好，从而保证调节阀的正确定位。 图 0.6 电/气阀门定位器原理图原理图 0.7 智能型电/气阀门定位器的构成电/气阀门定位器原理如图 0.6所示。来自调节器或输出式安全栅的420mA直流电流信号送入输入绕组，使杠杆极化，极化杠杆在永久磁钢中受力，对应于杠杆支点产生一个电磁力矩，杠杆逆时针旋转。杠杆上的挡板靠近喷嘴，使放大器背压升高，放大后的气压作用在执行机构上，使执行机构的输出阀杆下移。阀杆的位移通过反馈拉杆转换为反馈轴与反馈压板间的角位移，以量程调节件为支点，作用于反馈弹簧。反馈弹簧对应于杠杆支点产生一个反馈力矩，当反馈力矩与电磁力矩平衡时，阀杆就稳定在某一位置，从而实现了阀杆位移与输入信号电流之间的线性关系。普通定位器的定位精度约为全行程的20%，显然还不够高。目前，国外一些大公司(如西门子、费希尔罗斯蒙特等)相继推出了智能型电/气阀门定位器，使定位精度优于全行程的0.5%，且符合现场总线标准，同时，其它性能也有提高。智能型电/气阀门定位器的构成如图 0.7所示。它以微处理器为核心，采用的是数字定位技术，即将从调节器传来的控制信号(420mA)转换成数字信号后送入微处理器，同时将阀门开度信号也通过A/D转换后反馈回微处理器，微处理器将这两个数字信号按照预先设定的性能、关系进行比较，判断阀门开度是否与控制信号相匹配(即阀杆是否移动到位)，如果正好匹配即偏差为零，系统处于稳定状态，则切断气源，即使两阀(可以是电磁阀或压电阀)均处于切断状态（只有通和断两种状态)，否则，应根据偏差的大小和类别(正偏差或负偏差)决定两阀的动作，从而使阀芯准确定位。智能型电/气阀门定位器的先进性在于：控制精度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警，并通过接口与其它现场总线用户实现通信。1.7.5电动执行器电动执行器和气动执行器一样，是控制系统中的一个重要部分。它接收来自控制器的420mA或010mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。电动执行器有直行程、角行程