化工自动化及仪表
过程控制基本概念
教学要求：了解过程控制的发展概况及特点；
掌握过程控制系统各部分作用，系统的组成；
掌握管道及仪表流程图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；
学会绘制简单系统的管道及仪表流程图；
掌握控制系统的基本控制要求（稳定、快速、准确）；
掌握静态、动态及过渡过程概念；
掌握品质指标的定义，学会计算品质指标。
重 点：自动控制系统的组成及各部分的功能；
负反馈概念；
控制系统的基本控制要求及质量指标。
难 点：常用术语物理意义（操纵变量与扰动量区别）；
根据控制系统要求绘制方框图；
静态，过渡过程概念。
自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。
生产过程自动控制（简称过程控制）-------自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
§1.1 过程控制的发展概况及特点
一、过程控制的发展概况
在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：
20世纪40年代：
手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。
20世纪40年代末～50年代：
过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统
过程检测：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）；部分生产过程实现了仪表化和局部自动化
控制理论：以反馈为中心的经典控制理论
20世纪60年代：
过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。
自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品
60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。
控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论,传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域， 、型、型
20世纪70～80年代：
微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（80年代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是32位微处理器问世），微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展。
过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制
自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器 (PLC) 、工业PC机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。
集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集中。
控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。模糊控制、专家系统控制、模式识别技术
20世纪90年代至今：信息技术飞速发展
过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。
自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪
人工智能、神经网络控制
二、自动化技术的应用范畴
1.宇航方面：（现代控制理论）
同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）
卫星的发射与回收（神州3号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统
2.军事方面：
火炮自动点火、巡航导弹
3.其他方面：农业（病虫害防治、专家系统）
社会科学（计划生育，人口增长模型）
4.现代管理：办公自动化（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。
5.工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐
三、过程控制系统的特点
过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：
1.生产过程的连续性
在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备中被控变量不断的受到各种扰动的影响。
2.被控过程的复杂性
过程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。
被控对象较复杂：动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和时变特性。
3.控制方案的多样性
被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同， 过程控制系统的控制方案非常丰富。
包括：常规PID控制、改进PID控制、串级控制、前馈-反馈控制、解耦控制；
为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；
新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。
四、过程控制的主要内容
1.自动检测系统
———利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录
如：加热炉温度、压力检测
2.自动信号和联锁保护系统
自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号
联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车
如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀
3.自动操纵及自动开停车系统
自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作
如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等
步骤周期性地接通空气和水蒸汽
自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车
4.自动控制系统：
利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。（本书介绍的重点内容）
§1.2 过程控制系统的组成
利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些工艺参数能自动按照预定的规律变化。
过程控制系统实例
锅炉汽包水位控制。
在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质及锅炉的安全。水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。
（a） (b)
图1.1 锅炉汽包水位控制示意图
眼 检测元件（变送器）
要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况
脑 控制器
控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号，
手 执行器
执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。
发酵罐温度控制（参见教材P 4）
发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。发酵罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的温度下才能具有高的活性。温度还会影响发酵产物的组成。因此，按一定的规律控制发酵罐的温度就显得非常重要。
(a) (b)
图1.2 发酵罐温度控制系统示意图
影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温度保持工艺要求的数值。对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。如图1.2（a）,然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。如果两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而达到控制发酵罐温度的目的。
二、 过程控制系统的组成
一个过程控制系统一般由两部分组成。
需要控制的工艺设备或机器(被控过程) + 自动控制装置
（反应器、精馏塔、换热器、压力罐 （控制器、执行器、测量元件及变送器）
储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）
几个常用术语：
被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。如锅炉汽包，发酵罐。
被控变量 被控对象中要求保持设定值的工艺参数。如汽包水位、发酵温度。
操纵变量 受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量。如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。
扰动量 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。
设定值 被控变量的预定值。
偏 差(e) 被控变量的设定值与实际值之差。在实际控制系统中，能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。
§1.3 过程控制系统的两种表示形式
一、 方 框 图
方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。
方框图组成
方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特性的数学表达式或文字说明；
信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。
比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“-”号表示相减；
引出点----表示信号引出， 从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。
带有输入输出信号的方框 比较点 分支点
图1.3方框的组成单元示意图
系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、控制器和执行器。每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。
图1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图
负反馈概念：
反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和
反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-” 号表示
正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。
在绘制方框图时应注意
1. 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。
2. 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。例如冷水流量会使汽包水位改变，但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。
3. 比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。为了清楚的表示控制器比较机构的作用，故将比较点单独画出。
二、管道及仪表流程图
管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。该图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。由工艺人员和自控人员共同研究绘制。在管道及仪表流程图的绘制过程中所采用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。下面结合化工部《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92，介绍一些常用的图形符号和文字代号。
1．图形符号
过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。
⑴测量点
（2）连接线
(a) (b) (c)
（3）仪表
常规仪表图形符号是直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈。
⑷执行器
执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。
2. 仪表位号
在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表（或元件）都用仪表位号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一个字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序
号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示：
顺序号（一般用两位数字，也可以用三位数字）
工序号（一般用一位数字，也可以用两位数字）
功能字母代号
被测变量字母代号
在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中。
(a)就地安装 （b）集中盘面安装
字母代号
仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见P9表1.3。
管道及仪表流程图实例
图1.8和图1.9为简化的锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图。图1.10 为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及仪表流程图。
表示为第一工序第01个流量控制回路（带累计指示），累计指示仪及控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01个带指示的手动控制回路，手动控制器（手操器）安装在控制室。
表示为第一工序第01个带指示的液位控制回路，液位指示控制器安装在控制室。
表示为第一工序第01、02个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。
表示为第一工序第01、02个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。
§1.4过程控制系统的主要类型
按系统功能---温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等；
按系统性能--线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统；
按被控变量的数量---单变量控制系统和多变量控制系统；
按采用的控制装置----常规仪表控制系统、计算机控制系统；
按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。
闭环控制系统 优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。
缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。
定值控制系统
特点：设定值是固定不变
作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上
随动控制系统
特点：设定值是一个未知的变化量
作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
3. 程序控制系统
特点：设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数
作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化而变化。
如：机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控制系统。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。
开环控制系统
开环控制系统-----控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
按设定值进行控制
控制方式的原理：需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。如图1.12(a)所示的换热器。换热器的工作原理是：冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。因此，系统中被控变量为冷物料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。
(a) (b)
图1.12 按设定值控制的开环控制系统
按扰动进行控制
控制方式的原理----需要控制的仍然是被控对象中的被控变量，而测量的是破坏系统正常进行的扰动量。利用扰动信号产生控制作用，以补偿扰动对被控变量的影响，故称按扰动进行控制。
由于测量的是扰动量，这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影响，系统自身无法控制。因此控制精度仍然受到原理上的限制。
§1.5. 过程控制系统的性能指标及要求
过程控制系统的过渡过程
静态-----被控变量不随时间而变化的平衡状态
在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，其输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此静态反映的是相对平衡状态。
动态-----被控变量随时间而变化的不平衡状态
当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量去克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。
过渡过程-----在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，系统将从原来的平衡状态经历一个过程进入另一个新的平衡状态。
一般来说，一个控制系统的好坏在静态时是难以判别的，只有在动态过程中才能充分反映出来。系统在其进行过程中，会不断受到扰动的频繁作用，系统自身通过控制装置不断地施加控制作用去克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上。因此，我们对系统研究的重点应放在控制系统的动态过程。
过渡过程的几种形式
在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式。如图1.15 所示。图中，Y表示被控变量。
1.发散振荡过程
如图1.15 中曲线①所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许的范围。
2. 非振荡衰减过程
如图1.15 中曲线②所示。它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，经过一段时间最终能稳定下来。
3.等幅振荡过程
如图1.15 中曲线③所示。 它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动。
4.衰减振荡过程
如图1.15 中曲线④所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动的幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。
5. 非振荡发散过程
如图1.15 中曲线⑤所示。它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定值越来越远，以致超出工艺设计的范围。
图1.15 过渡过程的基本形式
上面五种过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。
常见的典型信号
控制系统在其运行的过程中，不断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形式各异，对被控变量的影响也各不相同。为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。有：阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。其中阶跃信号对被控变量的影响最大，且阶跃扰动最为常见。
（1.1）
当A=1时称为单位阶跃信号。
二、 过程控制系统的质量指标
质量指标：
在比较不同控制方案时，应首先规定评价控制系统的优劣程度的性能指标，一般情况下，主要采用以阶跃响应曲线形式表示的质量指标。
控制系统最理想的过渡过程应具有什么形状，没有绝对的标准，主要依据工艺要求而定，除少数情况不希望过渡过程有振荡外，大多数情况则希望过渡过程是略带振荡的衰减过程。
在阶跃信号作用下常以下面几个特征参数作为质量指标。
⑴衰减比
这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之比，即：
显然当n=1为等幅振荡；n<1为发散振荡；n>1为衰减振荡。为保持系统有足够的稳定程度，工程上常取衰减比为4:1～10:1。
⑵ 峰值时间tp
峰值时间是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。Tp愈小表明控制系统反应愈灵敏。这是反映系统快速性的一个动态指标。
过渡时间ts
过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。
⑷最大偏差A
对于一个稳定的定值控制系统来说，最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值的差。
最大偏差（或超调量）表示了被控变量偏离设定值的程度。A(或σ)愈大，表示偏离生产规定的状态愈远，特别是对一些有危险限制的情况，如化学反应器的化合物爆炸极限等，应特别慎重，以确保生产安全进行。
⑸余差C
余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。它是反映控制系统控制精度的静态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围。
过程参数的检测与仪表
教学要求：掌握检测仪表的基本性能指标（精度等级、变差、灵敏度等）
掌握压力的检测方法 （液柱测压法、弹性变形法、电测压法）
学会正确选用压力计
掌握应用静压原理测量液位和差压变送器测量液位时的零点迁移
差压式流量计测量原理，常用节流元件，转子流量计结构、测量原理
掌握容积式流量计（腰轮流量计）结构、工作原理、使用场合
掌握应用热电效应测温原理
掌握补偿导线的选用
掌握冷端温度补偿的四种方法；了解热电偶结构，分类
重 点：弹性变形法、电测压法
压力计选用
应用差压变送器测量液位的零点迁移问题
补偿导线的选用和冷端温度补偿
难 点：确定精度等级，压电式测量原理
应用差压变送器测量液位的零点迁移问题
第三导体定理
电桥补偿法
§2.1 概述
一、检测过程及误差
1． 检测过程
检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。
检测误差
误差-------测量值和真实值之间的差值
误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，
根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。
（1）系统误差
------------在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化
特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。
误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。
（2）疏忽误差
------------明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差，
特点：无任何规律可循。
误差产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。
（3）随机误差
----------在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律变化，又称偶然误差。
特点：变化难以预测，无法修正
误差产生的原因：随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。
随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律，可利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。
二、检测仪表的基本技术性能指标
1．精度
检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。
绝对误差
绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即
实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。则绝对误差可用下式表示：
（2）引用误差
把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即
（3）精度等级
按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
例1 有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0~100℃和100~300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。
解 这两台仪表的最大引用误差分别为
去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为2和1，由于国家规定的精度等级中没有2级仪表，同时该仪表的误差超过了1级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级正好为1级。由此可见，两台测量范围不同的仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等级也不相同，测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高。
例2 某台测温仪表的工作范围为0~500℃，工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？
解 根据工艺要求，仪表的最大引用误差为
去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.5~1.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为±5℃，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级的仪表才能满足要求。
小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。
灵敏度与灵敏限
灵敏度
灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即
灵敏限
灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。
3．回差
在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值 和仪表量程Μ之比的百分数称为回差，也称变差即
回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。
§2.2 压力检测方法及仪表
一、压力检测的基本知识
1．压力的概念及单位
压力的表示方法
二、压力检测方法
根据工业对象的特点，通常有三种检测压力的方法，即液柱测压法，弹性变形法和电测压力法。
液柱测压法
测压原理：是以流体静力学为基础，一般用液柱产生或传递的压力来平衡被测压力的方法进行测量的。
弹性变形法
测压原理：当被测压力作用于弹性元件，弹性元件便产生相应的变形。根据变形的大小，便可测知被测压力的数值。
电测压力法
测压原理：是利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。
弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等
电测压力法可分为两类
非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。
电容式测压原理
测压原理：是采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的。
压电式测压原理
测压原理：是根据“压电效应”把被测压力变换为电信号的。
压电效应：当某些晶体受压发生机械变形时（压缩或伸长），在两个相对的面上产生异性电荷，这种没有外电场存在，而由于变形而引起的电现象称为“压电效应”。
应变片式测压原理
测压原理：是通过应变片将被测压力P引起的弹性元件应变量的变化转换为电阻值R的变化，从而完成压力－电阻的转换，并远传至桥式电路获得相应的毫伏级电量输出信号，在显示或记录装置上显示出被测压力值。
三、压力检测仪表
根据不同的原理及工艺生产过程的不同要求，可以制成不同形式的压力表。
弹性式压力表（弹簧管压力表）由于结构简单，价格便宜，使用和维修方便，并且测压范围较宽，因此，在工业过程中得到了十分广泛地应用。
电测法压力表测量脉动压力和高真空、超高压等场合时比较合适
本节主要介绍在工业生产过程中常见的弹簧管压力表和霍尔式压力表。
四、差压（压力）变送器
变送器是自动测控系统中的一个重要组成部分。
作用：将各种物理量转换成统一的标准信号，
如气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）为20~100 KPa；
电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）中，DDZ-Ⅱ型仪表为0~10mADC； DDZ-Ⅲ型仪表为4~20mADC。
按工作能源不同，压力变送器和差压变送器都分为气动和电动变送器两大类；按工作原理的不同，又可分为力平衡式变送器和微位移平衡式变送器，如以电容、电感、电阻和弦振频率为传感元件的变送器都属于微位移式变送器。80年代以后，国际上相继推出了各具特色的智能变送器。目前世界上尚未形成统一的现场总线（Field bus）（现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络）标准，因而各个厂家的智能变送器大多按各自的通讯标准开发，所以相互无操作性，无可互换性。
力平衡式压力变送器
就变送器的杠杆系统来说，力平衡式变送器有单杠杆、双杠杆和矢量机构三种。结构
DDZ-Ⅲ型力平衡式电动变送器的结构如P34图2.10所示，
主要由四部分组成：
测量机构 组成：由高、低压室、膜盒、轴封膜片等部分，
作用：是把被测差压转换成作用于主杠杆上的力。
杠杆系统 杠杆系统是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分
组成：主、副杠杆、调零和零点迁移机构、平衡锤、静压调整及矢量机构等。
作用：是把测量机构对主杠杆的输入力所产生的力矩转换成检测片的微小位移。
位移检测放大器
组成：差动变送器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器等部分组成。作用：是将副杠杆上检测片的微小位移转换成直流信号输出。
电磁反馈机构 组成：由反馈线圈、永久磁钢等。
作用：将变送器输出电流转换成相应的电磁反馈力，作用于副杠杆上，产生反馈力矩，以便和测量部分产生的输入力矩相平衡。
工作原理
微位移式变送器
微位移式变送器因其传感器元件位移和变形极小而得名。
典型的产品有：美国罗斯蒙特（Rosemount）公司研制的1151系列电容式变送器，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的DST型扩散硅式变送器，日本富士电机公司的FC系列浮动膜盒电容式变送器等。
（1）测量部分
测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等，
作用：将差压、压力等参数转换成与电容有关的参数。
（2）转换部分
转换部分由测量电路和电气壳体组成，其作用是将测量部分所得到的电容比的变化量转换成4~20mADC标准的电流输出信号，并附有调零、调量程、调迁移量等各种装置。
智能差压（压力）变送器
智能差压（压力）变送器是一种带微处理器的变送器，对应于被测量差压和压力输出4~20mADC的模拟信号或数字标准信号。依靠SFC（智能通信器），用户在现场或控制室就可对变送器发送或接受信息来设定各种参数。智能差压（压力）变送器具有远程通讯的功能，不需要把变送器从塔顶或危险的安装地拆下来，减少了维修成本和时间。
五、压力检测仪表的选择
压力表的选择应根据工艺过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来确定仪表的种类、型号、量程和精度，并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。
1．仪表种类和型号的选择
仪表种类和型号的选择应根据工艺要求，介质性质及现场环境等因素来考虑。
介质的物理、化学性质（如温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性等）如何；现场环境条件（如温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性等）
2．仪表量程的确定
仪表的量程是根据被测压力的大小和保证仪表寿命等方面来考虑的，通常仪表的上下限值应稍大于工艺被测压力的最大值。按“化工自控设计技术规定”。对被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；对被测压力波动较大的情况，最大压力值应不超过满量程的1/2。一般为了保证测量的精度，被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3。
3．仪表精度等级的选择
精度等级是根据生产所允许的最大测量误差和仪表量程来确定的。
§2.3物位检测方法及仪表
物位检测的作用：①为了确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；
②为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；
③对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。
物位检测方法： 应用浮力原理检测物位
应用静压原理检测物位
应用电学原理检测物位
应用超声波反射检测物位
应用射线被物体的吸收检测物位
一、物位检测方法
1．应用浮力原理检测物位
――――利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。测量原理：当液位变化时，浮标产生相应的位移，而浮标所受到的浮力维持不
变，只要检测出浮标的位移就可以知道液位的高低。
当液位变化时，浮筒所受到的浮力的发生变化，只要检测出浮力的变化就可以知道液位的高低。
2．应用静压原理检测物位
差压变送器测量液位时的零点迁移问题（重点）
利用差压变送器测量液位时，差压变送器将由液位形成的差压ΔP转换成相应的统一标准电信号输出。然而，由于安装位置条件不同，往往存在着仪表零点迁移问题。
无迁移
特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压ΔP与液位高度H的关系为ΔP=Hρg。
当H =0时，正负压室的差压ΔP=0，变送器输出为I0=4mA
当H= Hmax时，差压ΔPmax =ρgHmax，变送器的输出信号20 mA，
负迁移 在实际测量中，为了防止容器内的液体和气体进入变送器的取压室而造成导压管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室的凝液高度恒定，往往在变送器的正、负压室与取压点之间分别加装隔离罐，并充以密度为ρ2的隔离液。
正迁移 当变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置上。
在差压变送器的产品手册中，通常注明是否带有迁移装置以及相应的迁移量范围，应根据现场的具体情况予以正确选用。
4. 应用超声波反射检测物位
声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。
当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同，声速不同的介质的分界面上，传播方向便发生改变，即一部分被反射，一部分折射入相邻介质内。若声波从液体或固体传播到气体时，或相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。因此，测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间t后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。
§2.4流量检测方法及仪表
一、流量检测方法
流量是工业生产过程操作与管理的重要依据。在具有流动介质的工艺过程中，物料通过工艺管道在设备之间来往输送和配比，生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流量有着密切的关系。
流量―――指瞬时流量，即单位时间内通过管道某一截面的流动介质的量。
用体积流量（单位为m3/s）或质量流量（单位为kg/s）表示。
总量―――为选定的某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，
也可分别用体积总量或质量总量表示。
常见的流量检测方法有以下几种：
应用容积法检测流量
应用动压能和静压能转换的原理检测流量
――根据能量守恒定理，动压能和静压能在一定条件下可以相互转
换，但其总量不变。节流元件两端的静压差的大小与流体的流量有关，将静压差的变化作为测量依据
应用改变流通面积的方法检测流量
应用流体振荡原理检测流量
应用电磁感应原理检测流量
应用超声波检测流量
应用流体动量矩原理检测流量
质量流量检测方法
1.应用容积法检测流量
――单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据
为了连续地在密闭的管道中测量流体的流量，一般采用容积分界的方法，即由仪表壳体和转子组成流体的计量室，流体经过仪表时，在仪表的入、出口之间产生压力差，此流体压力差对转子产生驱动力矩，转子旋转，将流体一份一份地排出，其排出的流体总量为
应用动压能和静压能转换的原理检测流量
流体在管道中流动时，具有动能和位能，对于理想的流体，流体在同一管道的任一截面的动能和静压能的总和是不变的，但是若采取一定方式（例如节流），可以造成能量形式的相互转化，然后通过测量静压的变化求出流速和流量。工业中常用的方法是在管道中插入一流通面积较小的节流元件，造成流体通过节流元件时，在节流元件的上、下游之间产生静压差（简称差压），通过测量差压求出流量值。
应用改变流通面积的方法检测流量
检测原理:在一个由下往上逐渐扩大的锥形管中垂直地放置一阻力件，当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。随着转子的上升，转子与锥形管间的环形流通面积增大、流速降低，直到流体作用在转子上的浮力和冲力（阻力）与转子本身重量相平衡时，转子停留在某一高度，维持平衡。当流量增大时，流过环隙的流速v增大，转子所受冲力增大，由于转子在流体中的重力与所受浮力不变，所以转子就上升，造成环隙面积增大，从而流速v减小，冲力也减小，直至达到新的平衡，转子又停浮在一个新的高度上，这样转子在锥形管中停浮的高度与流体的流量大小一一对应。在锥形管外壁上以流量值刻度，则根据转子浮起的高度即可直接显示出被测流量的数值。
流量计的刻度值进行修正
液体流量的修正
修正公式
（2）气体流量的修正 用于测量气体的转子流量计，不仅在被测介质气体密度与空气不同时要进行刻度换算，而且当温度和压力变化时，也须进行刻度换算。
刻度换算公式为
2.4.2差压式流量计
差压式流量计是基于流体动压能和静压能在一定条件下可以相互转换的原理，利用流体流经节流装置时所产生的静压差来实现流量测量的仪表。
差压式流量计主要由节流装置、信号管路和差压计（或差压变送器和显示仪表）组成。
图2.34 差压式流量计
1—孔板 2—引压管 3—差压计
§2.5温度检测方法及仪表
一、温度检测的基本知识
1．温度及温度测量
依据测温元件与被测物体接触与否，测温方式通常有接触式和非接触式之分。
2．温标
目前国际上常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。
二、温度检测方法
1．应用热膨胀原理测温
固体膨胀式
应用固体受热膨胀测量温度的方法一般是利用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，构成双金属温度计。
液体膨胀式
应用液体膨胀测量温度常用的有水银玻璃温度计，其结构简单，使用方便，但结构脆弱易损坏。
2．应用热电效应测温
热电效应----两种不同导体或半导体A与B串接成的闭和回路，如果两个接点出现温差（t≠t0），在回路中就有电流产生，这种由于温度不同而产生电动势（热电势）的现象。
由两种不同材料构成的上述热电变换元件叫热电偶，称A、B二导体为热电极。
图2.40 热电偶
接触电势 两种不同材料的导体接触时产生
温差电势 当同一导体A（或B）两端温度不同，
（3） 闭和回路总电势
可见，当导体材料A、B确定后，总电势EAB(t, t0)仅与温度t和t0有关。
如果能使冷端温度t0 固定，则总电势就只与温度t成单值函数关系：
3.应用热电阻原理测温
根据导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化用显示仪表反映出来，从而达到测温目的的。
用铂和铜制成的电阻是工业常用的热电阻，它们被广泛地应用来测量-200～+500℃范围的温度。
三、热电偶温度计
热电偶是两种不同材料的导体或半导体焊接或绞接而成，其一端测温时置于被测温场中，称为测量端（亦称热端或工作端）；另一端为参比端（冷端或自由端）。
根据热电效应原理，如果热电偶的测量端和参比端的温度不同（如t>t0），且参比端温度t0恒定，则热电偶回路中形成的热电势仅与测量端温度t有关。在热电偶回路中接入与热电偶相配套的显示仪表，就构成了最简单的测温系统，如图2.42 所示，显示仪表可直接显示出被测温度的数值。
有关热电偶回路的几个结论
由热电效应基本原理分析，可得如下结论：
（1）如果热电偶两电极A、B材料相同，则无论两端温度如何，热电偶回路的总热电势EAB(t, t0)恒为零。
（2）如果热电偶两端温度相同（t=t0），即使两电极A、B材料不同，热电偶回路内的总热电势EAB(t, t0)恒为零。
（3）热电偶的热电势仅与两热电极A、B材料及端点温度t、t0有关，而与热电极的长度、形状、粗细及沿电极的温度分布无关。因此，同种类型的热电偶在一定的允许误差范围内具有互换性。
2．热电偶测温时显示仪表的接入
在热电偶回路中接入各种仪表、连接导线等物体时，只要保持接入两端温度相同，就能测量原热电偶回路热电势的数值，而不会对它产生影响。
在参比端温度t0=0℃时，各种类型热电偶的热电势与热端温度之间的对应关系已由国家标准规定了统一的表格形式，称之为分度表。利用热电偶测温时，只要测得与被测温度相对应的热电势，即可从该热电偶的分度表查出被测温度值。若与热电偶配套使用的温度显示仪表直接以该热电偶的分度表进行刻度，则可直接显示出被测温度的数值。
3．热电偶的补偿导线
由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数关系。在实际应用时，因热电偶冷端暴露于空间，且热电极长度有限，其冷端温度不仅受到环境温度的影响，而且还受到被测温度变化的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为了解决这个问题，工程上通常采用一种补偿导线，把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方，
4．冷端温度补偿
热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0℃时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。
（1）0℃恒温法
（2）冷端温度修正法 在实际测量时，若冷端温度恒为t0（t0≠0），可采用冷端温度修正法对仪表示值加以修正。修正公式如下：
（3）仪表机械零点调整法 如果热电偶冷端温度t0比较恒定，可预先用另一只温度计测出冷端温度t0，然后将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0)，这样，仪表的指针就能指示出实际测量温度t。
（4）补偿电桥法 补偿电桥法利用不平衡电桥（冷端补偿器）产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。
5．热电偶的材料与结构
四、热电阻测温仪表
热电阻温度计广泛应用于-200~600℃范围内的温度测量。
1．对热电阻材料的要求
用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性，另外，材料的物理化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格便宜。
2．常用热电阻种类
铂电阻（IEC）
铜电阻（WZC）
3．热电阻的结构
4．热电阻测量桥路
热电阻温度计由热电阻、连接导线及显示仪表组成，在导线连接方面可采用三线制或四线制。
过程控制仪表与装置
教学要求：掌握基本控制规律的数学表示形式
掌握基本控制规律对过渡过程的影响
掌握气动、电动执行器的组成和特点
了解 DDZ-Ⅲ控制器的组成及特性
掌握工作流量特性和理想流量特性
掌握执行器的选型、气开气闭方式的选择
了解可编程控制器的编程方法
了解可编程控制器的组成、工作过程
重 点：基本控制规律对过渡过程的影响
理想流量特性
执行器气开、气闭方式的选择
难 点：基本控制规律对过渡过程的影响
直线流量特性分析
执行器气开、气闭方式的正确选择
§３.1 概述
一、过程控制仪表与装置的分类和特点
控制仪表------控制器、执行器、运算器以及可编程控制器等。
按所用能源分类：气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。
按信号类型分类：模拟式和数字式两种。
气动控制仪表的特点。
电动控制仪表的特点。
模拟式 传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低
模拟式仪表：基地式
单元组合式
组件组装式仪表
数字式 传输信号为断续变化的数字量。
现场级数字仪表
可编程调节器
可编程控制器
二、 信号制及供电方式
气动控制仪表：0.02～0.1MPa的模拟气压信号，作为仪表间的标准联络信号。
电动控制仪表：0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表的统一标准联络信号， 4～20mA（DC）电流信号和1～5V（DC）电压信号确定为过程控制系统中电动Ⅲ型仪表统一标准的模拟信号。
电动仪表信号之间的传输方式是：进出控制室的传输信号采用电流信号，
控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号，
电动仪表的供电方式有交流供电和直流集中供电两种形式。
。
§3.2基本控制规律及其对控制过程的影响
一、基本控制规律概述
控制规律概述
控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。
正作用控制器：输入e与输出Δy的变化方向相同；
反作用控制器：输入e与输出Δy变化方向相反。
本节中以正作用的控制器为例进行研究。
工程实际中应用最广泛的控制规律为比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律，简称PID控制规律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成。
２.控制规律的表示形式
PID控制器的一般形式为： △y＝f(e)
几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：
比例作用（P）
比例积分作用（PI）
比例微分作用（PD）
比例积分微分作用（PID）
二、PID控制规律对控制过程的影响
１.比例控制规律对控制过程的影响
当控制器只具有比例控制规律时，称此控制器为比例控制器。比例控制的输出与输入的关系为
y＝KPe
KP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。
KP越大，比例控制作用越强。
KP越小，比例控制作用越弱。
比例作用最大的特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马上与偏差成比例地变化）
２．比例积分控制规律对系统控制质量的影响
积分作用是指控制器的输出与输入的积分成比例的作用。数学表达式为：
只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。
积分作用的一个重要优点是能够消除余差，
积分时间TI的物理意义
积分时间是指在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。
积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。T
３．比例微分控制规律对系统控制质量的影响
理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：
通常称微分控制为“超前控制”。
比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。
微分作用的强弱用微分时间来衡量。由图3.8可以看出微分时间TD对过渡过程的影响。微分时间越长，微分作用越强。
4. PID控制规律
PID控制规律是三种控制规律的线性组合。它吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，
§3.3 DDZ-Ⅲ型控制器
一、 PID控制器的组成原理
3.3.2 ＰID控制器的特性分析
1. 输入电路
输入电路------偏差差动电平移电路。
作用------产生与输入信号和给定信号差值成比例的偏差信号。（是对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号）
输入信号和给定信号均为1～5V直流电压信号。
2. PD电路
比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。
3. PI电路
PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的1～5V的电压信号至输出电路。
4. 输出电路
Ⅲ型控制器的输出电路是一个具有电平移动的电压～电流转换器。它的输入和输出关系见控制器组成框图中输出电路部分，它的作用是将经过PID运算的以VB为基准的1～5VDC电压信号输出给负载，并转换成4～20mA的电流信号进行输出。
5. 手动操作电路
在控制系统投运过程中，一般总是先手动遥控，待工况正常后，再切向自动。
这个过程中应该保证控制器的输出不变，这样才能保证执行器的位置在切换的过程中不发生突变，从而不会对生产过程产生扰动，这种对生产过程不产生扰动的切换被称为无扰动切换。
⑴ 软手操电路
⑵ 硬手操电路
6. 指示电路
控制器输入信号指示电路和给定信号指示电路相同，指示电路输入以零伏为基准的1～5VDC，输出以VB为基准的1～5mADC电流信号，用0%-100%刻度的双针指示电流表显示。
§3.4 执行器
一、 概述
执行器组成：执行机构和控制机构。控制机构又称控制阀。
执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。
根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分为气动、电动、液动三大类。
气动执行器特点。
电动执行器特点。
液动执行器特点。
执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性。
二、气动执行器
1．气动执行器的结构和原理
气动执行器接受0.2×105 ～1.0×10５Ｐa的标准气压信号，
气动执行器由气动执行机构和控制机构两个部分组成。
按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置，工业上薄膜式应用最多。
气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。
气动执行机构按推杆位移的方向有：
正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动
反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动
控制机构直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。
根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。
2．控制阀的流量特性
控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：
从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。
⑴ 理想流量特性
当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性，理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。
①直线流量特性
控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。
直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时，流量相对变化量小。
② 对数（等百分比）流量特性
阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。
对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。
③抛物线流量特性
相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。
④ 快开流量特性
在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大。
⑵工作流量特性
实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。
3. 控制阀的选择
控制阀的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。
① 控制阀结构与特性的选择
控制阀的结构形式主要根据工艺条件来进行选择，如考虑介质的物理和化学性质，以及温度压力等条件。控制阀的结构形式确定后，接下来需要确定其流量特性。控制阀流量特性的选择一般分两步进行。首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。
② 控制阀作用方式的选择
有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。
气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。
③ 控制阀口径的选择
§3.5可编程序控制器
一、概述
可编程序控制器是一种以微处理器为核心的新一代工业自动化控制装置，简称PLC。
PLC的基本功能
⑴ 逻辑控制功能
逻辑控制是PLC最基本的应用。它可以取代传统继电器控制装置，也可取代顺序控制和程序控制。逻辑控制功能实际上就是位处理功能。在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的变更和修改也十分的方便。
⑵ 闭环控制功能
PLC具有D/A、A/D转换、算术运算以及PID运算等功能，可以方便地完成对模拟量的处理。
⑶ 定时控制功能
PLC中有许多可供用户使用的定时器，定时器的设定值可以在编程时设定，也可在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。
⑷ 计数控制功能
这是PLC最基本的功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器的设定值可以在编程时设定，也可在运行过程中根据需要进行修改，PLC据此可完成对某个工作过程的计数控制。
⑸ 数据处理功能
PLC可以实现算术运算、数据比较、数据传送、移位、数据转换、译码、编码等操作，有的还可实现对开方、PID运算、浮点运算等操作。
除此之外，PLC还有步进控制功能、通讯联网功能、监控功能以及停电记录功能和故障诊断功能等，
二、 PLC的基本组成和工作过程
１．PLC的硬件组成
PLC采用典型的计算机结构，主要由中央处理器、存储器、输入/输出模块、功能模块、电源、编程器等几个部分组成，如图3.40所示。
２．PLC的软件系统
⑴系统程序
系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，固化在ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。系统程序分为系统监控程序和解释程序。系统监控程序用于监视并控制PLC的工作，解释程序用于把用户的程序解释成微处理器能够执行的程序。
⑵用户程序
又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。为便于程序修改，一般在用户程序编制和调试以及试运行阶段选用电池支持式ＲＡＭ型用户程序存储器好；而在程序定型后，宜选用EEPROM型用户程序存储器，这样既能对程序进行少量调整，又避免了更换电池，可长期使用。
３．编程语言
各种型号的PLC都有自己的编程语言。通常使用的有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图以及高级编程语言等。
⑴ 梯形图。
梯形图语言是类似于继电器控制线路图的一种编程语言。
⑵ 语句表。
这是一种与汇编语言类似的助记符编程语言。其表达方式为：
操作码 操作数
（指令） （数据）
４．PLC的工作过程
PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样（处理）阶段、程序执行阶段和输出刷新（处理）阶段。如图3.42所示。
三、 PLC的选型和应用
PLC的选型和应用是工程设计中的重要一环。目前，适用于工程应用的PLC种类繁多，性能各异。在实际工程应用中，应根据什么进行系统的硬件设计、机型选择应注意的性能指标以及模块的选择等都是比较重要的问题。在实际设计时，应根据工艺的要求进行选型，同时也应该考虑到系统的经济性和先进性。
1. PLC的选型
⑴ CPU的选择
⑵ 输入／输出模块和智能模块的选择
⑶ 电源模块的选择。
2. PLC控制系统设计的基本内容
信号输入器件、输出执行器件以及显示器件进行选择。
根据执行机构的动作设计控制系统主回路。
进行PLC的选型,完成I/O分配，并绘制PLC的控制系统硬件原理图。
进行程序设计和模拟调试。检查硬件设计是否完整、正确，软件是否满足工艺要求。
3. 应用举例
过程特性与数学模型
教学要求：了解过程特性的类型的四种类型
掌握描述过程特性的参数的物理意义及对控制通道、扰动通道的影响
学会一阶对象、二阶对象的建模
掌握机理分析法建模的一般步骤
了解实验测试法
重 点：描述过程特性的参数的物理意义及对控制通道、扰动通道的影响
运用机理分析法建模
难 点：时间常数的物理意义
过程特性的参数对控制通道、扰动通道的影响
过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定。过程即为被控对象，它是否易于控制，对整个系统的运行情况有很大影响。
§4.1 过程特性
被控过程的种类常见的有：换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加热炉等。这些被控过程的特性是由工艺生产过程和工艺设备决定的。
被控过程特性-----指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。通道------被控过程的输入量与输出量之间的信号联系
控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系
扰动通道-----扰动变量至操纵变量的信号联系
扰动变量（输入量）
操纵变量（输入量）
一、 过程特性的类型
多数工业过程的特性可分为下列四种类型：
1.自衡的非振荡过程
2. 无自衡的非振荡过程
3. 有自衡的振荡过程
4. 具有反向特性的过程
二、描述过程特性的参数
用放大系数K、时间常数T、滞后时间τ三个物理量来定量的表示过程特性。（主要针对自衡的非振荡过程）1.放大系数K
⑴K的物理意义
K的物理意义：如果有一定的输入变化量ΔQ作用于过程，通过过程后被放大了K倍，变为输出变化量ΔW。
⑵ 放大系数K对系统的影响
对控制通道的影响
对扰动通道的影响
2. 时间常数T
⑴ 时间常数T的物理意义
时间常数是被控过程的一个重要的动态参数，用来表征被控变量的快慢程度。
时间常数T的物理意义还可以理解为：当过程受到阶跃输入作用后，被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态值所需要的时间就是时间常数T。
⑵ 时间常数T对系统的影响
对控制通道的影响
对扰动通道的影响
3. 滞后时间τ
⑴纯滞后τ0（P142）
⑵ 容量滞后τn
⑶滞后时间τ对系统的影响
对控制通道的影响
对扰动通道的影响
§4.2 过程数学模型的建立
过程的（动态）数学模型---是指表示过程的输出变量与输入变量间动态关系的数学描述。
过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用f（t）,
输出是被控变量ｙ（t）．
数学模型：非参数模型，即用曲性或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和频率特性曲线；另一种是
参数模型，即用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、状态空间表达式等。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的线性定常动态模型。
建立数学模型的基本方法
机理分析法-----通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，用微分方程或代数方程。这种方法完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。机理分析法一般只能用于简单过程的建模。机理分析法
实验测试法-----由过程的输入输出数据确定模型的结构和参数。
4.2.1机理分析法
微分方程建立的步骤归纳如下：
⑴ 根据实际工作情况和生产过程要求，确定过程的输入变量和输出变量。
⑵ 依据过程的内在机理，利用适当的定理定律，建立原始方程式。
⑶ 确定原始方程式中的中间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系。
⑷ 消除中间变量，即得到输入、输出变量的微分方程。
⑸ 若微分方程是非线性的，需要进行线性化处理。
⑹ 标准化。即将与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在等号左边，并按将幂排序。
例4.1
试列写图４.13所示RC无源网络的动态数学模型。设ui 为输入变量，uo为输出变量。
例4.2
图4.14所示为一测温热电偶，它可将被测温度转换为热电势E。图中介质的温度为Ti，热电偶热端温度为To。试列写热电偶的微分方程。
例4.3
一个串联液体贮槽，通过改变贮槽2的流出量Qout 来控制其液位h2在一定高度。图中A1 、A2分别为两贮槽的截面积；R1、R2分别为阀1、阀2的阻力系数。是建立串联液体贮槽液位高度h2与流入量Qin的数学模型。（当输入输出参数对平衡状态影响不大时，该过程可近似为线性，阻力系数R1、R2可近似为常数）
二、实验测试法
实验测试法-----是在需要建立数学模型的被控过程上，人为的施加一个扰动作用，然后用仪表测量并纪录被控变量随时间变化的曲线，这条曲线既是被控过程的特性曲线。将曲线进行分析、处理，就可得到描述过程特性的数学表达式。
第五章 简单控制系统
教学要求：掌握简单控制系统的组成
掌握被控变量的选择方法及原则
掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的影响。
了解系统设计中的测量变送问题
掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择
了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法
通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计
重 点： 被控变量、操纵变量的选择
控制器正反作用选择
难 点： 操纵变量的选择
控制器正反作用选择
§5.1 简单控制系统设计原则
简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。
一、 被控变量的选择
被控变量选择方法
方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。
方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。
选择被控变量的原则
1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。
2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。
⑴ 满足工艺的合理性
⑵ 具有尽可能大的灵敏度且线形好
⑶ 测量变送装置的滞后小。
二、操纵变量的选择
选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。
1. 对象静态特性对控制质量的影响
ＫＯ应适当大些。
扰动通道放大倍数Kf越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。
小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。
2. 对象动态特性的影响
对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。
设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。下面我们分别进行讨论。
⑴ 对扰动通道特性的影响
Ｔf 对控制质量的影响
纯滞后τf对控制质量的影响
⑵ 对控制通道的影响
在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0适当小些，设法减小τ0。
3. 操纵变量的选择原则
⑴ 要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。
⑵ 系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。
⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。
例：乳化物干燥塔操纵变量的选择
三、 系统设计中的测量变送问题
1. 纯滞后
2. 测量滞后
3. 传送滞后
传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。主要指的是气信号的传送，对于电信号这种传送滞后可以忽略不计。
四、 控制器对控制规律及正反作用的选择
1. 控制器对控制规律的选择
复习基本控制规律对过渡过程的影响。
控制规律选择的原则是：
1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。
2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。
3. 当对象滞后较大，如温度、ＰＨ值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。
4. 当对象控制通道的滞后很小，采用反微分作用可以收到良好的效果。
5. 当对象滞后很大，负荷又变化很大时，PID作用控制器也不能解决问题，往往要设计某些复杂控制系统。
2. 控制器正反作用的选择
控制器正反作用的确定有两种方法：
逻辑推理方法：
方块图法（符号法）：利用控制系统方块图中各环节的符号来确定控制器正、反作用
定义环节正、负符号的定义：
凡是输入增大导致输出也增大的为“＋”，反之为“－”。
测量变送环节：当被控变量增加时其输出量也是增加的，作用方向一般都是“＋”，
控制阀环节：气开式，输入增大输出也增大，定义为“＋”；
气关阀定义为“－”。
受控对象环节：只需考虑控制通道输出与输入信号的关系。当操纵变量增加时，被
控变量也增加的对象定义为“＋”；反之，被控变量减小的定义为“－”。
控制器环节：将其看成仅以测量值为输入（设定值不变）的环节，即输入（测量信号）增大，输出也增大为“＋”（正作用），反之，输入增大输出减小为“－”（反作用），。这里讲的输入输出关系是指环节的静态关系。
确定控制器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定控制阀的作用方式，以确定ＫＶ的符号。最后根据上述三个环节构成的开环系统各环节静态放大系数极性（符号）相乘必须为负的原则来确定控制器的正、反作用方式。下面通过一个例子加以说明。
§5.2 简单控制系统的投运及控制器参数的工程整定
一、简单控制系统的投运
经过控制系统设计、仪表调校、安装，接下去的工作是控制系统投运。也就是将工艺生产从手操状态切入自动控制状态。
控制系统投运前应作好如下的准备工作：
1. 详细了解工艺，对投运中可能出现的问题有所估计。
2. 吃透控制系统的设计意图。
3. 在现场，通过简单的操作对有关仪表（包括控制阀）的功能作出是否可靠且性能是否基本良好的判断。
4. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。
5. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动。
二、控制器参数的工程整定
控制器参数整定的任务，是对已定的控制系统求取保证控制过程质量为最好的参数。
目前整定参数的方法有两大类。
一类是理论计算整定的方法，如频率特性法、根轨迹法等，这些方法都是要获取对象的动态特性，而且比较费时，因而在工程上多不采用。
一类是工程整定的方法，如经验法、临界比例度法和衰减曲线法等，它们都不需要获得对象的动态特性，而直接在闭合的控制回路中进行整定，因而简单、方便，适合在工程上实际应用。
1. 经验法
它是根据经验先将控制器参数放在某些数值上，直接在闭合的控制系统中通过改变给定值以施加干扰，看输出曲线的形状，以%、TI、TD，对控制过程的规律为指导，调整相应的参数进行凑试，直到合适为止。
2. 临界比例度法
将控制器的积分作用和微分作用除去，按比例度由大到小的变化规律，对应于某一％值作小幅度的设定值阶跃干扰，以获得临界情况下的临界振荡。这时候的比例度叫做临界比例度k，振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期Tk。然后可按表中所列经验算式，求取控制器参数的最初设定值。观察系统的响应过程，若曲线不符合要求，再适当调整整定参数值。
3. 衰减曲线法
这种方法是以得到具有通常所希望的衰减比（4:1）的过渡过程为整定要求。
其方法是：在纯比例作用下，由大到小调整比例度以得到具有衰减比的过渡过程，记下此时的比例度S及振荡周期TS，根据经验公式表，求出相应的积分时间TI和微分时间TD。
4. 响应曲线法
这是一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。
5.3 单回路控制系统工程设计实例
喷雾式干燥塔控制系统设计。
1. 被控变量与操纵变量的选择
⑴ 被控变量的选择
由于产品的湿度测量十分困难，所以不能取直接参数。根据生产工艺分析，产品的湿度与塔出口的温度密切相关，若保证温度波动小于2～5℃ ，则符合质量要求。因而选干燥塔出口温度为被控参数（间接参数）。
⑵ 操纵变量的选择
影响干燥塔出口温度的主要因素有：加压空气流量f1(t)、浆液流量f2(t) 、旁路空气流量f3(t) 、烟道气流量f4(t)，因而有4个变量可作为操纵变量，在图中用控制阀1、2、3、4，分别控制这4个变量构成4种控制方案。
比较4种控制方案。
最后干燥塔总体控制方案，加压空气单独设计一流量控制系统，以排除其对干燥塔温度的影响，温度控制系统，取塔出口温度为被控制变量，旁路空气为操纵变量。
2. 过程检测、控制设备的选用
根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合（DDZ）仪表。
a. 温度控制系统
⑴ 测温元件及变送器
被控温度在100℃ 以下，选用热电阻温度计。为提高检测精度，应用三线制接法，并配用温度变送器。
⑵ 控制阀
根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气关形式。根据过程特点与控制要求选用对数流量的控制阀。
⑶ 控制器
根据过程特点与工艺要求，选用PID控制 规律。根据构成系统负反馈的原则，确定控制器正、反作用方向。
b. 流量控制系统
⑴ 检测仪表
根据被控介质的特点，选用电磁流量表。
⑵ 控制阀
根据生产工艺安全原则及被控介质特点，选气开形式，根据过程特点与控制要求选用线形流量特性的控制阀。
⑶ 控制器
根据过程特点与工艺要求，选纯比例控制规律即可。
复杂控制系统
教学要求：掌握串级控制系统的基本概念、特点
了解串级控制系统的设计方法、应用场合
掌握比值控制系统的基本概念、特点和设计
掌握前馈控制的基本概念，几种结构形式、应用场合
掌握均匀控制的基本概念和控制方案
掌握分程控制的基本概念和应用中的几个问题
掌握选择性控制的基本概念，选择性控制的应用，了解积分饱和及其防止
重 点：串级控制系统的结构特点及应用场合，
比值控制系统的三种形式的特点
前馈控制的基本概念
分程控制的基本概念
选择性控制的应用
难 点：串级控制系统的结构特点，
主、副控制器正反作用的选择
动态前馈控制
控制阀分程动作关系
本章着重介绍各种复杂控制系统的组成、特点、工作过程与工程设计原则。
§6.1 串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的采用了两个控制器，我们将温度控制器称为主控制器，把流量控制器称为副控制器。主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵控制阀。在串级控制系统中出现了两个被控对象，即主对象（温度对象）和副对象（流量对象），所以有两个被控参数，主被控参数（温度）和副被控参数（流量）。主被控参数的信号送往主控制器，而副被控参数的信号被送往副控制器作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（内环）。
二、 串级控制系统的特点
1. 改善了对象特征，起了超前控制的作用
2. 改善了对象动态特性，提高了工作频率
3. 提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力
4. 具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化
6.1.3 串级控制系统的设计
设计原则。
1. 在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中。
2. 选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配。
3. 方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性。
6.1.4 串级控制系统的应用场合
1. 被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。
2对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。
3.控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰。
4. 被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大。
6.1.5 串级控制系统应用中的问题
1. 主、副控制器控制规律的选择
串级控制系统中主、副控制器的控制规律选择都应按照工艺要求来进行。
主控制器一般选用PID控制规律，副控制器一般可选P控制规律。
2. 主、副控制器正、反作用方式的确定。
副控制器作用方式的确定，与简单控制系统相同。
主控制器的作用方向只与工艺条件有关。
3. 串级控制系统控制器参数整定
⑴ 在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器的比例度置于100%，用4：1衰减曲线法整定副控制器，求取副回路4：1衰减过程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。
⑵ 将副控制器的比例度置于所求的数值δ2p上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰减过程的δ1p和T1P。
⑶ 根据求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)数值，按经验公式求出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
⑷ 按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。
6.2 比值控制系统
6.2.1 概述
在生产过程中经常需要两种或两种以上的物料以一定的比例进行混合或参加化学反应。在需要保持比例关系的两种物料中，往往其中一种物料处于主导地位，称为主物料或主动量F1，而另一种物料随主物料的变化呈比例的变化，称为从物料或从动量F2。例如在稀硝酸生产中，空气是随氨的多少而变化的，因此氨为主动量F1，空气为从动量F2。
6.2.2 常用的比值控制方案
1. 单闭环比值控制
这类比值控制系统的优点是两种物料流量之比较为精确，实施也较方便，所以得到广泛
的应用。
2. 双闭环比值控制
为了既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总流量F1＋F２不变，因此在单闭环比值控制的基础上又出现了双闭环比值控制系统。
这类比值控制系统的优点是在主流量受到干扰作用开始到重新稳定在设定值这段时间内发挥作用，比较安全。
3. 变比值控制系统
要求两种物料流量的比值随第三参数的需要而变化。
6.2.3 比值控制系统的设计
1. 主、从动量的确定
2. 控制方案的选择
3. 比值系数的计算
4. 控制方案的实施
§6.3 前馈控制系统
一、前馈控制系统的基本概念
前馈与反馈控制比较。
前馈控制是一种按干扰进行控制的开环控制方法，当干扰出现以后，被控变量还未变化时，前馈控制器（也称前馈补偿装置）就根据干扰的幅值和变化趋势对操纵变量进行控制，来补偿干扰对被控变量的影响，所以相对于反馈控制，前馈控制是比较及时的。
6.3.2 前馈控制系统的几种结构形式
1. 静态前馈控制系统
2. 动态前馈控制系统
静态前馈控制系统虽然结构简单，易于实现，在一定程度上可改善过程品质，但在扰动作用下控制过程的动态偏差依然存在。对于扰动变化频繁和动态精度要求比较高的生产过程，对象两个通道动态特性又不相等时，静态前馈往往不能满足工艺上的要求，这时应采用动态前馈方案。
动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。显然这种控制规律是由对象的两个通道特性决定的，由于工业对象的特性千差万别，如果按对象特性来设计前馈控制器的话，将会种类繁多，一般都比较复杂，实现起来比较困难。一般采用在静态前馈的基础上，加上延迟环节和微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。
3. 前馈－反馈控制
通过前面的分析，我们知道前馈与反馈控制的优点和缺点总是相对应的，若将其组合起来，构成前馈－反馈控制系统，这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处，因此这种控制系统是适合于过程控制的较好方式。
6.3.3 前馈控制系统的应用场合
1. 系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，反馈控制达不到质量要求时。
2. 当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控制系统。
§6.4 均匀控制系统
一、 均匀控制的概念
在石油化工生产中，采用连续生产方式，各生产过程都与前面的生产过程紧密联系。前一设备的出料往往是后一设备的进料，而后者的出料又源源不断的输送给其他设备做进料。于是产生了前后设备之间的供求矛盾和协调问题。
解决前后工序供求矛盾，使液面和流量的变化互相兼顾均匀变化，这就是均匀控制系统的目的。
怎样才算达到均匀控制系统的目的呢？通过以上讨论，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：
1. 两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是缓慢的。
2. 两个参数必须在允许的范围内变化，均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在塔釜的上下限内波动，而流量应在一定的范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。
二、 均匀控制方案
1. 简单均匀控制图
从结构上看，与一般单回路液面控制系统无异，但从本质上看，两者是有区别的，区别主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。
2. 串级均匀控制系统
克服阀前后压力变化的影响及液位自衡作用的影响效果较差。为了克服这一缺点，可在原方案的基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制。
串级均匀控制系统所用仪表较多，适用于控制阀前后压力干扰和自衡作用较显著而且对流量的平衡要求又较高的场合
§6.5 分程控制系统
一、分程控制系统的基本概念
由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统。
分程控制方案中，阀的开闭形式，可分同向和异向两种，如图6.22和图6.23所示。同向或异向规律的选择，全由工艺的需要而定 。
控制阀分程动作（同向）
图6.23 控制阀分程动作（异向）
二、 分程控制系统的应用
设计分程控制有两方面的目的，一是扩大控制阀的可调范围，以改善控制系统的品质；二是满足工艺上的特殊需求。
1. 用于扩大控制阀的可调范围
2. 用于控制满足工艺上操作的特殊要求
分程控制还能解决生产过程中的一些特殊要求。
例6.1 图6-24所示是间歇反应器的温度分程控制系统。
当
例6.2罐顶氮封分程控制系统。
在有些生产过程中，有许多存放各种油品或石油化工产品的贮罐都建在室外，为使这些油品或产品不与空气接触，被氧化变质，或引起爆炸，常采用罐顶充氮气的方法与外界隔绝。采用氮封技术的要求是，要始终保持贮罐内的氮气压呈微量 正压。当贮罐内贮存物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将使贮罐变形，甚至破裂，造成浪费或引起燃烧、爆炸危险。因此，当贮罐内液面上升时，应停止继续补充氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液面下降时，应停止放出氮气而需补充氮气。为满足工艺这种要求，设计了图6.26所示的分程控制系统。
分程控制本质上是简单控制系统，有关控制器控制规律的选择及其参数整定可参照简单控制系统处理。但由于两只控制阀两个控制通道特性不同，可能引起广义对象特性的改变，所以控制器参数整定只能兼顾两种情况，选取一组比较合适的参数。
4
蒸汽
汽包
给水
蒸汽
加热室
液位变送
汽包
控制器
加热室
给水
执行器
冷却水
温度变送
控制器
执行器
冷却水
测量点
T
RC
1 31
PI
121
TRC
101
二氧化碳
精浆液
TI
PI
102
102
贮槽
FICQ
101
HIC
101
LIC
1O1
TI
101
PI
101
精浆液
FICQ
101
HIC
101
LIC
101
TI
102
TI
101
PI
PI
101
102
y
t t
y
t t
y
t t
y
t t
y
t t
①
②
③
④
⑤
A
0
t≥0
t<0
Q
Q
3
2
1
h
TI
中
央
处
理
单
元
编程器
外部设备
存
储
器
输
入
模
块
输
出
模
块
电
源
用户输入设备
用户输出设备
输入端子
输出映射区
输出端子
输入映射区
输出锁存
输入采样
程序执行
输出刷新
用 户
程 序
输
出
信
号
输入
信
号
·····
··….
·····
··….
·····
··….
·····
··….
·····
··….
被控变量（输出量）
对象
控制器
执行器
测量变送装置
干扰
被控变量
给定值
偏差
流量对象
设定值
控制阀
流 量
控制器
干扰
测量变送
温 度
控制器
温度对象
干扰
测量变送
F1C
F2C
F1
F2
100
20
60
100
0
阀压/kPa
阀
开
度
(%)
20
60
100
0
阀压/kPa
B阀
阀
开
度
(%)
100
B阀
A阀
A阀
100
20
60
100
0
阀压/kPa
阀
阀
阀
开
度
(%)
B
A
20
60
100
0
阀压/kPa
A阀
B阀
阀
开
度
(%)
100
冷水
TC
蒸汽
“B”气开阀
“A”气关阀
PC
排空
气关阀
“B”
“A”
气开阀
N2
N2
100
0.02
0.06
0.1
“B”
“A”
0
MPa
气
关
阀
气
开
阀
阀
开
度
(%)
|
|
