自动化仪表及过程控制 - 图文

第一章 绪 论

? 本章提要

1. 2. 3. 4. 5.

过程控制系统的基本概念 过程控制的发展概况 过程控制系统的组成 过程控制的特点及分类

衡量过程控制系统的质量指标

? 授课内容

第一节 过程控制的发展概况

1. 基本概念

? 过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH

值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3) ? 过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3)

2. 过程控制的重要性

? 进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是自动化技术的重要组

成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。 3. 过程控制的发展概况

? 19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。 ? 19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实

现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。 ? 19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置

的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的------提高控制质量或实现特殊要求；理论-----除经典控制理论，现代控制理论开始应用。 ? 前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。

? 选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。 ? 19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点： 检测和控制仪表-----新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-------由单 多变量系统，由PID控制规律 特殊控制规律，由定值控制 最优控制、自适应控制，由仪表控制系统 智能化计算机分布式控制系统；理论-----现代控制理论 过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。 4. 集散控制系统(DCS)

? 集散控制系统-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在

结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的。

? 优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实

现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。 ? 集散控制系统的结构原理框图：

1-１

? 集散控制系统的结构组成：

1) 过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作

站的显示与打印。 2) 过程控制单元：又称基本控制器，是集散控制系统的核心。不同的集散控制系统其差别较大。 3) CRT操作站：是集散控制系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流

程图显示以及部分生产管理。

4) 高速数据通路：实现集散控制系统各处理机之间数据传送。

5) 管理(上位)计算机：进行集中管理与最佳控制，实现信息-控制-管理一体化。

第二节 过程控制系统及其组成

1. 过程控制系统组成

由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。

一个简单的过程控制系统＝被控过程＋过程检测控制仪表（测量元件、变送器、调节器和调节阀） 2. 过程控制系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统） 过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数

3. 过程控制系统实例2（PH控制系统）

1-２

4. 过程控制系统实例3（液位控制系统）

第三节 过程控制的特点及系统分类

1. 过程控制系统特点

? 系统由过程检测控制仪表组成 ? 被控过程的多样性

生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。 ? 控制方案的多样性

通常有单变量控制系统、多变量控制系统、常规仪表控制系统、计算机集散控制系统、提高控制品质的控制系统、实现特定要求的控制系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还要介绍高级新型系统(自适应控制、预测控制)以及极可能成为系统主流的集散控制系统(DCS)。

? 过程控制的控制过程多属慢过程，而又多半属参量控制

被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动控制。 ? 定值控制是过程控制的一种主要控制形式

如何减小或消除外界扰动对被控量的影响，使被控量能控制在给定值上，使生产稳定。

2. 过程控制系统分类

? 按系统的结构特点分类：

? 反馈控制系统

? 反馈控制系统-----反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消

1-３

除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。前面的液位控制系统，就是一反馈控制系统。 又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种。多回路反馈控制系统。 ? 前馈控制系统

? 前馈控制系统-----直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，

故也称为开环控制系统。 由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。

? 前馈—反馈控制系统(复合控制系统) 前馈开环控制的主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈—反馈控制系统可以提高控制质量。

? 按给定值信号的特点分类：

? 定值控制系统

系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。例如前述的例子就是定值控制系统。系统的输入信号是扰动信号。 ? 随动控制系统

? 随动控制系统-----被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统。

作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程控制，控制系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动控制空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。 ? 程序控制系统

? 程序控制系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。

控制的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度控制系统。

第四节 衡量过程控制系统的质量指标

控制性能良好：在受到外来干扰作用或给定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价控制性能好坏的质量指标。根据工业生产过程对控制的实际要求来确定。通常采用的两种质量指标：

1. 系统过渡过程的质量指标

1-４

? 余差(静态偏差)c

系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标，是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。 ? 衰减比n或衰减率ψ

衰减比n----指振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即n?B，衡量系统过渡过程稳'B定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。n＜l表示系统是不稳定的，振幅愈来愈大。n＝1表示为等幅振荡。n＝4表示系统为4：1的衰减振荡。

B?B' 有时亦用衰减率ψ(??)来表示系统的稳定程度。在工程上，应根据生产过程的特点来确定

B合适的ψ。一般取衰减率g＝0.75～O.9 ? 最大偏差A(或超调量σ)

定值控制系统:用最大偏差A来衡量被控参数偏离给定值的程度。最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。A=B+C

随动控制系统：常用超调量这个指标来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调量定义为：

?＝y(tp)?y(?)y(?)100%

A、σ都是衡量系统质量的一个重要指标。若A、σ愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。

? 过渡过程时间ts

过渡过程时间ts：表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5％或± 2％范围内所需的时间。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。 ? 峰值时间tp

峰值时间tp：是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。

2. 误差（偏移）性能指标

单项指标来表示控制系统的质量以外，还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况。

可采用偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准则，这就是积分指标。常用有： ? 平方误差积分指标(ISE)；

1-５

J＝?e2(t)dt?min

0?? 时间乘误差的平方积分指标(ITSE)；

J＝?te2(t)dt?min

0?? 误差绝对值积分指标(IAE)；

J＝?|e(t)|dt?min

0?? 时间乘误差绝对值的积分指标(ITAE)

J＝?t|e(t)|dt?min

0?这些值达到最小的系统就是最优的系统。

? 补充内容

? 过程控制仪表是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部

门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。

? 由单元组合仪表构成的简单控制系统

? 过程控制仪表的分类

? 按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。

? 按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表等。

[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。

目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。

[单元组合式控制仪表] 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。

1-６

它适用于各种企业的自动控制。

广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。 [组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。

其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。

? 按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。其中DDZ型仪表和QDZ型仪表都属于模

拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。

? 过程控制仪表的发展

过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。 ? 过程控制仪表的信号制与传输方式

为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。

第二章 过程建模

? 本章提要

6. 7. 8. 9. 10. 11.

过程建模的基本概念

单容过程的数学模型的建立 多容过程的数学模型的建立

用响应曲线法辨识过程的数学模型 用相关统计法辨识过程的数学模型 用最小二乘参数估计方法的系统辨识

? 授课内容 第一节 基本概念

在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。

一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。

5. 基本概念

? 被控过程-----指指正在运行中的多种多样的工艺生产设备。(P11)

? 被控过程的数学模型-----指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被

控量）变化函数关系的数学表达式。(P11) ? 过程模型的两种描述形式：

? 非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系统的设计和综合不方便）。 ? 参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传递函数、差分方程、脉

冲响应函数、状态方程和观察方程等）。

? 过程控制系统方框图：

1-７

? 内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制作用，即调节器的输山

量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内，所以对系统的性能起决定作用。 ? 外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～fn（t））。外部扰动对过程控制也有很大影

响。

? 输入量-----（u1(t)、u2(t)、、、un(t)，f1(t)、f2(t)、、、fn(t)） ? 输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、yn(t)）

? 通道-----被控过程输入量与输出量之间的信号联系。 ? 控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。 ? 扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。 注：x(t)为系统的设定值（给定值、比较值） ? 单输入单输出系统------ ? 多输入单输出系统------

? 多输入多输出系统------需要解耦控制 ? 过程的阶跃响应曲线：

注：大多数被控过程特性的特点是被控量的变化往往是不振荡的、单调的、有时延的和惯性的。 上图表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。

? 自衡过程-----过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后达到新的平衡，即过程具有自平衡能力。

如图2—2(a)所示；

? 无自衡过程-----被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。如图2—2(b)所示。 6. 建立过程数学模型的目的

? 设计过程控制系统和整定调节器参数。

过程控制系统设计时选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探索最优工况以及调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为重要依据的。 ? 指导生产工艺设备的设计。

确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。 ? 进行仿真试验研究。

不需要建造小的物理模型，只要根据过程的数学模型通过计算机进行仿真试验研究。 7. 被控过程数学模型的应用与要求

? 被控过程数学模型的部分应用与要求可见表2—l所示。

1-８

? 自适应控制-----能适应被控过程参数(或环境条件)的变化，自动修正控制器参数(控制算法)以补偿

被控过程特性变化的一种控制。（第九章P299）

? 调节器参数整定-----系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合

好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。

? 最优控制-----目的在于使一个机组、一台设备、或一个生产过程实现局部最优。最优控制问题核

心是选择控制函数u(f)，使得某一性能指标达到最小或最大值。 8. 求取被控过程数学模型的方法（三种）

? 根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡等关系用数学推导的方法求取过程的

数学模型。

? 根据过程输入、输出的实验数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。 ? 上两种方法的结合，即先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系

数的大小。

? 静态物料(或能量)平衡关系-----单位时间内进入被控过程的物料(或能量)等于单位时间内从被控

过程流出的物料(或能量)。

? 动态物料(或能量)平衡关系-----单位时间内进入被控过程的物料(或能量)减去单位时间内从被控

过程流出的物料(或能量)等于被控过程内物料(或能量)贮存量的变化率。

9. 机理推导的几类数学模型

? 机理推导的几类数学模型可见表2—2。

? ? ? ?

集中参数过程-----单个控制参数的过程控制 分布参数过程-----多个控制参数的过程控制 多级过程------控制过程有多个控制步，（相当与离散系统） 例：单输入—单输出的过程模型数学模型

1. 线性时间连续模型(可用微分方程或传递函数表示)

2. 线性时间离散模型(可用差分方程或脉冲传递函数表示)

1-９

第二节 建立单容过程的数学模型

? 单容过程------只有一个贮蓄容量的过程。单容过程可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。 5. 自衡过程的建模

? 自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其

自身重新恢复平衡的过程。

? 容量或容量系数-----被控过程都具行—定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小。其物理意

义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。 ? 例：液位过程

Q1-----流入量，控制过程的输入变量 Q2-----流出量，中间变量

h-----液位，控制过程的输出变量 动态物料平衡关系：Q1?Q2?A物理原理：?Q2?dhd?h，其增量形式：?Q1??Q2?A。 dtdt?h?h。 或R2?R2?Q2

1-１０

消去中间变量Q2，及拉氏变换后，得传递函数：W0(s)?K0R2H(s) ??Q1(s)R2Cs?1T0s?1被控过程都具行—定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。

? 例：温度过程

? 例：具有纯时延的液位过程

具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为：

6. 无自衡过程的建模

? 无自衡过程-----指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠

其自身不能重新恢复平衡的过程。 ? 例：无自衡液位控制过程

1-１１

Cd?h11??0s??Q1；W0(s)?；Wo(s)?e dtTasTas

第三节 建立多容过程的数学模型 ?

多容过程------被控过程往往是由多个容积和阻力构成。可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。

1. 具自衡能力的双容过程的建模

其被控量是第二只水箱的液位h2，输入量为Q1。根据物料平衡关系可以列出下列方程：

双容过程的数学模型为：

1-１２

? 多容过程

多容过程的传递函数：

W0(s)?K0K0或W0(s)?

(T1s?1)(T2s?1)...(Tns?1)(T1s?1)nK0??0s en(T1s?1)过程具有纯时延，则传递函数：

W0(s)?

2. 无自衡能力的双容过程的建模

1-１３

无自平衡能力双容过程的传递函数：

W0(s)?11 ?TasTs?1无自平衡能力双容过程的传递函数：

W0(s)?11 ?Tas(Ts?1)n过程具有纯时延，则传递函数：

W0(s)?

K01??0s ?enTas(T1s?1)第四节 用响应曲线法辨识过程的数学模型

有些复杂过程的根据机理建立数学模型较难，即使用解析法得到过程的数学模型，仍然希望采用实验方法加以检验，尤其当推导不出过程数学模型时，更需要通过实验方法即辨识方法来求得：

响应曲线法主要用于测取过程的阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。

1. 阶跃响应曲线的测定

? 测定阶跃响应曲线的原理：在过程的输入量作阶跃变化时测定其输出量随时间而变化的曲线。

? 阶跃响应曲线能形象、直观、完全描述被控过程的动态特性。 ? 实验测试注意事项：

? 合理选择阶跃信号值。一般取阶跃信号值为正常输入信号的5～15％左右。 ? 在输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态。

1-１４

? 相同的测试条件下重复做几次，减少干扰的影响。

? 由于过程的非线性，应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测取其响应曲线，以求取过程的真实

特性。

2. 矩形脉冲响应曲线的测定

? 用矩形脉冲响应曲线的原因：当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量的变化幅度可能超出

实际生产所允许的范围，这时可用矩形脉冲信号作为过程的输入信号，测出过程的矩形脉冲响应曲线（阶跃响应曲线由于测试时间较长而不合适）。

? 响应曲线变换原因：由于试验所得的阶跃响应曲线的参数估计较方便。 ? 变换方法：

u(t)?u1(t)?u2(t)?u1(t)?u1(t?a)

y(t)?y1(t)?y1(t?a)

或 y1(t)?y(t)?y1(t?a)

图2—13是自衡过程的矩形脉冲响应曲线及其求取阶跃响应曲线的方法，由无自衡过程的矩形脉冲响应曲线画出阶跃响应曲线的方法与上相同。

3. 由过程阶跃响应曲线确定其数学模型

? 为了研究、分析和设计过程控制系统，需要根据实验取得的阶跃响应曲线来求出过程的微分方程或传

递函数。

? 由阶跃响应曲线确定过程的数学模型，首先选定模型的结构。 ? 模型的结构：（近似地以一阶、二阶、一阶加时延、二阶加时延特性之一来描述。）

? 自平衡过程：

1-１５

? 无自平衡过程：

注：关键由阶跃响应曲线求得放大系数K0、时间常数T0、纯时延时间?0。 ? 几种常用的确定K0、时间常数T0、纯时延时间?0参数的方法：

? 由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数（需确定K0、时间常数T0）

K0?y(?)?y(0)，T0由直接作图法或半对数图解法求的，但不准确（见书P22～23，见下图）。

x0

T0半对数图解法（更准确）：（见式（2-40）、式（2-41））

? 由阶跃响应曲线确定一阶时延(滞后)环节的特性参数（需确定K0、时间常数T0、纯时延时间?）

K0?y(?)?y(0)，T0、?0由直接作图法或转换法求得，但不准确（见书P24～25）。

x0 1-１６

见式（2-47，2-48，2-49）的较准确的方法。

注意：如果T1与T2值、?1与?2值相差太大，则不能用这种方法，应选用二阶时廷环节来近似。 ? 由阶跃响应曲线确定二阶或n阶环节的特性参数（需确定K0、时间常数T1、时间常数T2）

K0?y(?)?y(0)，

x0

上式的t1、t2在不同比值时可以确定不同的数学模型。（见书P26） n阶环节时：（需确定K0、时间常数T0、阶次n）（见书P27） 注：求取过程时间常数T1、T2同样亦可用半对数作图法。（见书P27～30，略）

? 由阶跃响应曲线确定二阶时延(滞后)环节的特性参数（需确定K0、时间常数T1、时间常数T2、纯

时延时间?）

K0?y(?)?y(0)；

x0xTT时间常数T1、时间常数T2确定：c?(1?x)x1?x；x?1；T1?T2?Tc

T2TA

1-１７

纯时延时间?：?＝?0＋?c

（见书P30～31）

? 由阶跃响应曲线确定无自衡过程的特性参数（积分时间常数Ta、纯时延时间?）

Ta?x0 tga二阶或二阶加时延（见书P32）

第五节 用相关统计法辨识过程的数学模型

? 响应曲线法辨识过程数学模型优点：方法简便，并可获得一定精度的模型。缺点：但要进行专门的试

验，其生产装置要由正常运行状态转入试验状态，因此会影响生产过程的正常进行。

? 相关统计法辨识过程数学模型优点：可以在生产过程正常运行状态下进行，可直接利用正常运行所记

录的数据进行统计分析，由此获得过程的数学模型。缺点：但要较长时间的记录数据，进行较繁琐的计算，同时正常运行时的记录数据，参数被动不大，所以统计分折的精度不太高。随机过程理论为基础的统计学方法在此已获得了广泛地应用，可以缩短测试时间和提高精度。

? 相关统计法辨识过程数学模型步骤：先将M序列伪随机信号输入被控过程，然后计算其输出信号与输

入信号的互相关函数，这样就求得过程的脉冲响应函数，从而获得其数学模型。

1. 随机信号的统计描述

? 随机信号-----信号是随时间随机地变化的。

? 随机过程-----客观世界中的许多随机现象表示着事物随机变化的过程．随机现象不能仅用—个

随机变量来描述，需要用一族随机变量来描述。随机过程可以用总体平均值、总体均方值来描述。

1-１８

1k总体平均值：x(T1)??xi(T1)

ki?11k2总体均方值：x(T1)??xi(T1)

ki?12? 平稳随机过程-----一个随机过程它的统计特性在各个时刻都不变。

平稳随机过程在不同时刻（T1、T2、?）的总体平均值和总体均方值都是相等的。即：

x(T1)?x(T2)?x(T3)?....

x2(T1)?x2(T2)?x2(T3)?....

? 随机过程的一个实现-----研究随机过程所得到的一条实验曲线x1(t),x2(t)..等。

? 各态历经的平稳随机过程-----x1(t),x2(t)..的统计性质是彼此相同的。此时其总体的统计特性

就可用一条记录曲线的统计特性来表示（总体平均值、时间均方值）。

有些生产过程(如有些化工生产过程)的统计特性变化是非常缓慢的，在足够长的时间内可以近似认为是一个平稳随机过程，而且具有各态历经性，所以可以用一条时间足够长的记录曲线来进行统计分析。

2. 相关函数、谱密度函数和白噪声的基本概念

? 相关函数

包括自相关函数和互相关函数。

? 自相关函数-----一个信号的未来值与现在值之间的相关程度Rxx(?)，它为x(t)与x(t??)乘积

的时间平均值即:

Rxx(?)?limT??12T?T?Tx(t)x(t??)dt；当??0时，Rxx(0)??2

? 互相关函数-----两信号间有相互影响Rxy(?)，为x(t)与y(t??)乘积的时间平均值即:

Rxy(?)?limT??12T?T?Tx(t)y(t??)dt

? 谱密度函数

时间域描述------频率域描述（用傅氏变换）

? 谱密度函数（功率密谱Sxx(?)）-----信号x(t)的自相关函数Rxx(?)的傅氏变换。

Sxx(?)＝?Rxx(?)e－???j??d???Rxx(?)cos??d?

???? 白噪声

? 白噪声-----信号x(t)是一个平稳随机过程，且在所有频率下，其功率密度谱都具有恒定的幅值。

1-１９

白噪声特点：变化速度极快，它的值前后互不相关，即其自相关函数可用一个单位脉冲函数来描述（Rxx(?)?K?(?)）。

白噪声只是理论上的抽象，实际上是不存在的。但是若一随机信号在所考虑的频率范围内其功率密度谱Sxx(?)是恒定的，则可认为是一个白噪声。

相关统计法辩识被控过程的脉冲响应函数所采用的随机信号源应该是白噪声。

3. 用相关统计法来辨识过程的数学模型

? 用白噪声辩识过程的数学模型

一个线性过程的数学模型可用它的脉冲响应函数来表示。

若其输入x(t)是一个平稳的随机过程，则其输出y(t)也是一个平稳随机过程。若过程的输入为自相关函数Rxx(?)，则其输出为互相关函数Rxy(?)。

辨识即是求脉冲响应函数g(u)。 辨识方法：

取输入信号为白噪声，有Rxx(?)?K?(?)或Rxx(??u)?K?(??u) 且由Wiener-Hopf方有Rxy(?)?????g(u)?K?(??u)du

1Rxy(?) K因为u??时才有Rxy(?)?0，则：Rxy(?)?Kg(?)或g(?)?即在过程输入端施加白噪声，求取Rxy(?)，就可求得了过程的数学模型g(?)。但实际上常用伪随机信号作为辨识被控过程的输入信号。 ? 用伪随机信号辨识过程的数学模型

? 伪随机信号-----它并非真正的随机信号，是人为产生的一种具有某些随机信号的统计特性的随

机信号。是一种周期为T的信号序列，有多种形式，其中最简单、最常用的是二位式序列(简称M序列)。

? M序列：循环周期T为N?t，?t就是时钟脉冲周期。工程上容易实现。

1-２０

当?t很小，N很大时，趋近于一个理想的?函数。 ? 辨识原理：Rxy(?)?Kg(?)或g(?)?则g(?)可求。 ? 辨识步骤：

估计过程的过渡过程时间Ts----选择M序列参数（周期T>Ts且?t?号----实验测试得Rxy(?)----利用公式求得g(?)。 ? 应用举例：见书P38～P40略。

1Rxy(?)，输入伪随机信号后，由式（2-79）可获得Rxy(?)，KTs）----产生M序列伪随机信128第六节 用最小二乘参数估计方法的系统辨识

? 过程建模有基于机理和基于输入输出实验数据两种。机理建模(亦称过程动态学方法)已在本章前面

（第1、2节）作了介绍。根据输入输出实验数据建模则称为系统辨识（第3、6节介绍）。在模型结构已定，根据输入输出数据来确定模型参数的工作称为参数估计。

? 确定模型的结构与参数有两种方法。第一种：根据响应曲线来确定模型的结构和参数（第3、5节介

绍）；第二种：根据输入输出实验数据进行推算，最小二乘参数估汁方法就是其中之一（第6节介绍）。

1. 参数估计的最小二乘法

一个单输入—单输出的线性n阶定常系统可用如下差分方程表示：

令：?(N)?[a1...anb1...bn]T

求的?即得到差分方程的参数，即做到参数估计。

1-２１

? 参数估计的最小二乘法原理：

??从上式所示的一类模型中找出这样一个模型，在这个模型中，得到的过程参数向量的估计值?，应

使模型误差的均方值或其他指标为最小。

?最小二乘法估计值?＝(XTX)?1XTY 2. 参数估计的递推最小二乘法

参数估计的最小二乘法和递推最小二乘法区别：

最小二乘估计法：在测取一批数据后再进行计算的，即利用全部采样点的数据直接完成估计。当获得新的数据后，要将新的数据附加到老的数据之上，重复重新计算。

递推最小二乘法：为避免计算工作最大，采用递推算法，亦称为在线辨识，即采用新的数据来改进原来的参数估计，使估计值不断刷新得到新的估计值。

3. 模型阶次的确定

在辨识过程中，模型的阶次是否合适是必须进行检验的。常用拟合度检验法。它是通过比较不同阶次的模型输出与观察输出的拟合好坏来决定模型阶次的。

4. 纯时延时间的确定

纯时延一般取采样时间间隔的整数倍，其一般可以事先知道。

第三章 过程参数检测与变送

? 本章提要

12. 13. 14. 15. 16. 17.

过程参数检测与变送的基本概念 温度检测与变送 压力检测与变送 流量检测仪表 液位检测仪表 成分分析仪表

? 授课内容

第一节 基本概念、概述

10. 过程参数检测基本概念

? ? ? ?

过程参数检测-----指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的检测。(P50) 检测仪表-----将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。

一次仪表-----一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表，即为检测元件。

二次仪表-----将测得的信号变送转换为可计量的标准电气信号并显示的仪表。即包括变送器和显示装置。

11. 测量过程与测量误差

? 测量过程-----利用一个已知的单位量(即标准量)与被测的同类量进行比较的过程。

? 测量误差-----在测量过程中测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值。它反映了测量结果的

可靠程度。

? 测量误差的分类：

? 绝对误差与相对误差

? 绝对误差-----指测量结果与被测量的真值之差。通常把检定中高一等级的计量标准所测得的量值

1-２２

作为真值(实际值)。

? 相对误差-----指绝对误差与真值或测量值之百分比。常见有如下三种表示方式： ①实际相对误差-----是指绝对误差与被测量的真值(实际值)之百分比。 ②标称相对误差-----是指绝对误差与仪表示值之百分比。 ②引用相对误差-----是指绝对误差与仪表的量程之百分比。 ? 系统误差、随机误差和疏忽误差。

? 系统误差-----指测量仪表本身或其他原因(如零点没有调整好等)引起的有规律的误差。 ? 随机误差-----指在测量中所出现的没有一定规律的误差。

? 疏忽误差-----指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差。 ? 基本误差、附加误差和允许误差

基本误差-----指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。 附加误差-----指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。 允许误差-----指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。 12. 检测仪表的性能指标 ? 仪表精度(仪表准确度)

仪表精度-----仪表精度＝绝对误差的最大值?100%＝(x?x0)max?100%

仪表量程a?b仪表精度是根据国家规定的允许误差大小分成几个等级的。某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的百分比误差的最大值。我国过程检测控制仪表的精度等级有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。一般工业用表为0.5～4级精度。

在选用仪表的精度等级时，应根据实际需要求定，不能只追求高精度等级。 ? 变差

? 变差-----在外界条件不变的情况下，用同一仪表对同一个量进行正、反行程(即逐渐由小到大或逐

渐由大到小)测量时，所得仪表两不值之间的差值。

(x?x2)max变差＝1?100% 其中x1、x2为正、反测量的示值

仪表量程 造成交差的原因很多。通常要求：变差<仪表精度等级所允许的误差。 ? 灵敏度与灵敏限

? 灵敏度-----表示测量仪表对被测参数变化的灵敏程度。通常用仪表的输出变化量，如指针的线位

移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比来表示，即 灵敏度＝?? ?x注意：提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的放大倍数来实现。不过仪表的性能主要取决于仪表的基本误差。

? 灵敏限-----指引起仪表示值发生变化的可测参数的最小变化量。通常其值应不大于仪表允许误差

的一半。

第二节 温度检测与变送

7. 有关温度及温度检测的概述

? 温度------是表示物体冷热程度的物理参数。 ? 测量温度的方法：（从测量体与被测介质接触与否来分）

? 接触式测量（即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度）； ? 非接触式测量（即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度）。 日前工业上常用温度计及其测温原理、测温范围，使用场合等见下表。 ? 各测量温度方法的特点：

1-２３

? 接触式测温：简单、可靠、测量精度较高。但由于要达到热平衡，因而产生了滞后。而且可能与

被测介质产生化学反应。不能应用于很高温度的测量。

? 非接触式测温：其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度比较快，而且可以对运

动体进行测量，但一般测温误差较大。

电的测温仪表精度高，信号又便于传输。因此热电偶和热电阻在工业生产和科学研究领域得到了广泛应用。

8. 热电偶温度计

? 热电偶温度计测温原理：

热电偶的测温原理：是利用热电偶的热电效应来测量温度的。

? 热电效应-----将任意两种不同的导体A、B组成一个闭合回路(由图3-l、3-2所示)，只要其连接点

l、2温度不同，在回路中就产生热电动势的现象。

从物理上看，热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电势组成的。当两种不同导体A、B接触时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界面上便产生电子的互相扩散。扩散达到平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。

回路中的总电势为：E(t，t0)?eAB(t)?eAB(t0)，可见当t?t0时，E?0，即存在热电动势。且有性质：在热电偶回路中接入第三种导体时，只要接入第三种导体的两个接点温度相等，回路中总电势值不变。热电偶的这种性质在使用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在热电偶中接入所需的测量仪表和导线来测量温度。

1-２４

由热电偶测温原理可知，测温关键要使冷端温度恒定或相等（使用补偿导线给以解决）。

为了消除冷端温度变化（即冷端温度不为0度时，因为仪表的分度表是在冷端温度为0度的条件下得到的）对测量精度的影响，可采用冷端温度补偿。 ? 冷端温度补偿（常用方法）

? 补偿电桥法

电桥在0℃时处于平衡状态。当冷端温度升高时，补偿电阻器Rcu也随着增大，可以使得

UAB(UAB?Ex?Uac)的大小不随冷端温度而变化。

? 计算校正法（微机测温常用）

利用补偿导线使热电偶冷端延伸到了温度相对恒定的地方，但只要冷端温度不为0度，则必须对指示值进行校正。

E(t,00C)?E(t,t0)?E(t0,00C)

其中E(t,t0)为所测得的热电势；E(t0,00C)可在测的t0后查表得出电势；E(t,0C)为校正后的热电势，经查表可得出实际温度t。

举例：见书[例3-1]

? 工业常用热电偶外型结构形式：

? 普通型热电偶，主要由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线端子组成； ? 铠装热电偶； ? 多点式热电偶；

此外，还有隔爆热电偶、表面热电偶、抽气热电偶等，适用于各种特殊场合。 ? 热电偶分类

? 标准热电偶：S、B、K三种

1-２５

0

? 非标准热电偶： ? 常用热电偶选用

几种工业常用热电偶的测温范围和使用特点列于表3—3中。（注意适用场合和使用温度范围）

9. 热电阻温度计

? 测温原理：是基于金属导体或半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。因此只要测出感温元件热电阻的阻值变化，就可测得被测温度。

? 结构组成：一般包括电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒等部分。

? 特点：测量精度高，在测量500C以下温度时，它的输出信号比热电偶大得多，性能稳定，灵敏度

高，可在1K—1000C范围内测温。另外热电阻温度计的输出是电信号，便于远传，同时又不需要冷端温度补偿。所以在中低温(—200—650C)测量中得到了广泛的应用。 ? 热电阻分类

? 铂电阻：物理、化学性质稳定，测温精度高。

? 铜电阻：价格便宜，电阻与温度呈线性关系。在—50～150C测温范围内稳定性好，在测量精度要求不很高、温度较低的场合广泛应用。

? 半导体热敏电阻：将一些金属氧化物按一定比例混合、压制和烧结而成。它的体积小，因此热惯

性小，适用于快速测温，灵敏度高；但非线性严重，互换性差，测温范围较窄（-50～300C）。

0000010. 温度检测仪表的选用

? 温度检测仪表的选择原则

? 必须满足生产工艺要求。根据测温范围和精度等级确定仪表量程及其精度等级。 ? 必须注意仪表的工作环境。 还要注意仪表的安装与正确使用。

11. DDZ-Ⅲ型温度变送器

? 变送器-----一种将被测的过程参数(如温度、压力等)变换成标准统一信号的仪表。

? DDZ仪表(电动单元组合仪表：DDZ仪表有两大系列，即DDZ-Ⅱ型（以晶体管分立元件为基础采用0～

10mADC标准统一信号）和DDZ-Ⅲ型（以集成电路为基础采用4～20mADC或l～5VDC标准统一信号）。 ? 温度变送器作用：将温度或mVDC信号变换成标准统一信号，其输出给显示仪表或调节器实现对温度

的显示或自动控制。

? 变送器的量程调整、零点调整和零点迁移的概念

? 量程调整（满度调整）-----目的是使变送器的输出信号的上限值ymax(Ⅲ型变送器为20mADC)与

测量范围的上限值xmax相对应，即提高测量精度。量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，如图3—5所示。

1-２６

? 零点调整和零点迁移-----其目的都是使变送器输出信号的下限值ymin。(即标准统一信号下限值)

与测量范围的下限值xmin相对应。在xmin＝0时为零点调整；在xmin?0时为零点迁移。正迁移、负迁移。

意义：工程应用中变送器进行零点迁移与量程调整可以提高其灵敏度。（举例） ? DDZ—Ⅲ型温度变送器主要特点、优点：

? 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能。 ? 采用了线性化电路，使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系。 ? 采取了安全火花防爆措施，可用于危险场所中的温度或直流毫伏测量。 ? Ⅲ型温度变送器的种类：

? 热电偶温度变送器：输入热电势毫伏信号

? 热电阻温度变送器：输入热电阻信号给输入回路 ? 直流毫伏温度变送器：输入直流毫伏信号

这三种温度变送器在线路结构上都由放大单元和量程单元组成。 ? DDZ—Ⅲ型温度变送器结构（见下图）

量程单元：作用是实现热电偶冷端温度补偿、整机调零和调量程。

放大和输出单元：作用是将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压及功率放大，然后整流输出电流、电压信号（4～20mADC或l～5VDC标准统一信号）。

1-２７

? DDZ—Ⅲ型温度变送器工作原理

热电偶的热电势Vi与调零调量程回路的信号Vz和非线性反馈回路的信号Vf进行综合后，输入放大单元进行处理，变送器输出为4～20mADC或l～5VDC标准统一信号。

Ⅲ型温度变送器的输出电流或电压信号与被测温度是成线性关系的，即热电势Vi与Io(或Vo)成线性关系。

? DDZ—Ⅲ型温度变送器的各部分结构及功能：（略）

第三节 压力检测与变送

1. 有关压力的概述

在生产过程中，经常会遇到压力和真空度的检测问题。例：一些化学反应过程、涉及生产安全的锅炉压力等。

? 压力定义及压力单位

? 压力-----为垂直均匀地作用于单位面积上的力。 压力单位：

? 国际单位制（SI）---帕（Pa）， ? 工程大气压---at ? 标准大气压---atm ? 毫米汞柱---mmHg ? 毫米水柱---mmH2O ? 压力的表示方法

压力有三种表示方法：绝对压力、表压、负压或真空度。 绝对压力-----指介质所受的实际压力。

表压-----指高于大气压的绝对压力与大气压力之差，即P表＝P绝－P大。 负压或真空度-----指大气压与低于大气压的绝对压力之差，即P真＝P大－P绝

1-２８

2. 压力的检测方法

? 弹性力平衡方法：基于弹性元件的弹性变形特性进行测量。压力计有：弹簧管压力计、波纹管压

力计、膜式压力计等。

? 重力平衡方法：基于流体静力学理论，有活塞式和液柱式

? 物性测量方法：基于在压力作用下测压元件的某些物理特征发生变化的原理，有电压式压力计、

振频式压力计等。 3. 常用压力计 ? 弹性式压力计

? 测压原理：

各种弹性元件在被测介质压力作用下会产生弹性变形。 ? 特点及适用场合：

结构简单，价格便宜、测压范围宽，测量精度也比较高，在生产过程中获得了最广泛的应用。 ? 电气式压力计

? 测压原理：

把压力转换为电阻、电容、电感或电势等电量，从而实现压力的间接测量。 ? 特点及适用场合：

反应较快，测量范围较广、精度可达0.2％，便于远距离传送。所以在生产过程中可以实现压力自动检测、自动控制和报警，适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压的场合。

? 应变片式压力计

原理：利用电阻应变片将被测压力转换为电阻值的变化：再通过桥式电路获得mV级的电量输出，然后由二次仪表显示或记录。

d?dR?K?R?(1?2?)? K---应变系数或灵敏度系数，它表示金属丝导体产生应变时的电阻相对

??变化量。 测量电桥

? 霍尔片式压力计

原理：运用霍尔元件的霍尔效应，把被测压力作用下所产生的弹性元件位移转换为电势输出。

霍尔效应-----半导体单晶片沿z轴方向被置于恒定磁场中。如果在它的y轴方向接入直流稳压电源，并有恒定电流沿y轴方向流过，则在晶体的x轴方向出现电势。这种现象称为霍尔效应。所产此的电势称为霍尔电势；单晶片称为霍尔元件或霍尔片。

4. 压力检测仪表的选择

? 压力检测仪表的选择主要包括仪表的型式、量程范围、精度与灵敏度、外形尺寸以及是否需要远传和

1-２９

其他功能，如指示、记录、报警控制等。 ? 选用的主要依据：

? 必须满足工艺生产过程的要求，包括量程与精度。

? 必须考虑被测介质的性质，如温度高低、工作压力大小、粘度、易燃易爆程度等。 ? 必须注意仪表安装使用的现场环境条化，如环境温度、电磁场、振动等。 ? 选择的主要方面：

? 仪表量程的选择：测量稳定压力（4/3被测压力最大值）; 测量波动较大的压力（3/2被测压力最

大值）；保证精度（被测压力最小值不低于量程的1/3）

? 仪表精度等级的选择：应根据生产工艺对压力测量所允许的最大误差来决定。工业用（选1.5级

或2.5级），实验室或校验用（选0.4级及0.25级以上）。

5. DDZ-Ⅲ型差压（压力）变送器

? 作用：将被测压力、流量等过程参数变换成4—20mADC输出信号，以便实现集中检测或自动控制。

? 结构：由测量和转换两部分组成。（结构示意见书P74） ? 工作原理：

? 杠杆系统受力分析：（见书P76）

可见：

? 变送器的输出电流I0与其输入差压△Pi成比例。

? 变送器的量程调整可以通过改变矢量机构的矢量角θ和电磁结构常数Kf来实现。（式第一项） ? 调节调零弹簧的作用力F0即可改变变送器的零点。

第四节 流量检测仪表

1. 有关流量的概述

? 流量-----指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积，即瞬时流量。 ? 流量的三种表示方法：

? 体积流量Q---单位时间内通过管道某一截面的物料体积（m3/h） ? 重量流量G---单位的间内通过管道某一截面物料的重量（kgf/h） ? 质量流量M---单位时间内通过管道某一截面物料的质量（kg/h） 三者关系：G=γQ=ρgQ=gM 2. 各种主要类型流量计的性能比较与选用

1-３０

第五节 液位检测仪表

1. 有关液位检测的概述

? 液位-----指密封容器成开口容器中液面的高低。

2. 常用液位检测仪表 ? 浮力式液位计

原理：根据阿基米德原理工作，即液体对一个物体浮力的大小等于物体所排开液体的重量。 原理图：

类型：

? 恒浮力式液位计（在整个测量过程中其浮力维持不变，在工作时浮标随液位面低而变化，如浮标

式、浮球式等液位计)；

? 变浮力式液位计(它根据浮筒在液体内浸没的深度不同而所受浮力不同来测量液位，如沉筒式液

位计)。

? 静压式液位计

原理：对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以，测出液体的静压力，即可知道液位高度。

原理图：

1-３１

? 电容式液位计

原理：在平行板电容器之间充以不同介质时，其电容量的大小是不同的。可以用测量电容量的变化来检测液位或两种不同介质的液位分界面。

原理图： ? 激光式液位计

原理：利用液位对光波的遮断和放射原理工作。

0

优点：激光光能集中，强度高，而且不易受外来光线干扰，甚至在1500C左右的高温下也能正常工作。另外，激光光束扩散很小，在定点控制液位时，具有较高的精度。

原理图：

3. 液位检测仪表的选用

主要考虑以下几个方面： ? 检测精度 ? 工作条件 ? 测量范围 ? 刻度选择

在选择刻度时，最高液位或上限报警点为最大刻度的90％； 正常液位为最大刻度的50％；最低液位或下限报警点为最大刻度的10％。

? 其他：容器条件、测量介质的状态、安装条件、安全性、信号输出方式等

第六节 成分分析仪表

1. 有关成分分析的概述

? 分析仪表-----用来测量化学性质、化学成分、粘度、浓度、密度、重度、比重等这些参数的仪表。 ? 流程分析仪表-----能够自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表。 2. ? ? ?

常用成分分析仪表

红外线气体分析仪表（略） 气相色谱分析仪表（略） 热磁式氧气分析仪表（略）

1-３２

? 氧化锆氧量分析仪表（略）

第四章 过程控制仪表

? 本章提要

18. 19. 20. 21.

过程控制仪表概述 DDZ-Ⅲ型调节器 执行器

可编程控制器

? 授课内容 第一节 概述

? 过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工

业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。

? 过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表

及装置。

? 过程控制仪表的分类：

? 按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。

? 按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置

等。

[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。

目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。

[单元组合式控制仪表] 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。

广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。 [组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。

其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。

? 按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。其中DDZ型仪表和QDZ型仪表都属于模

拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。

? 过程控制仪表的发展：

过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。 ? 过程控制仪表的信号制与传输方式：

为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。 ? 调节器（控制器）分类：

1-３３

? 按能源形式可分电动、气动等

? 按信号类型可以分为模拟式和数字式两大类

? 按结构形式可分为基地式、单元组合式、组装式以及集散控制系统。

第二节 DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）

12. 有关DZZ-Ш型电动单元调节器的概述

? 控制器（调节器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、

判断和决策命令，控制执行器的动作。控制器使用是否得当，直接影响控制质量。

? 控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出

信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。

? 控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不

同组合。 ? DDZ—Ш型电动单元调节器-----是模拟式控制器个较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～

5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。 ? Ш型调节器的特点：

? 采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠性，降低了功耗。 ? 采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。如非线性调节器可以解决严

重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。

? 整套仪表可以构成安全火花型防爆系统．而且增加了安全单元——安全栅，实现控制室与危险场

所之间的能量限制和隔离。

? 有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无忧动特性，提高了调

节器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时调节器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。

? 采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，

信号电流和电压的转换电阻为250Ω。

? Ш型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器

基型全刻度指示调节器的原理方框图：

1-３４

基型全刻度指示调节器的原理线路图：

? 调节器结构组成：控制单元、指示单元

? 控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出

电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；

? 指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。 ? 调节器的信号：

? 输入信号、内设定信号：1～5V直流电压； ? 外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压） ? 调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。

? “自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对

其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为4～20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

? “软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持’’(即它的输出保持切换前瞬间的数值)

状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。 ? “硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。 ? 调节器的“正”、“反”作用：

? 正偏差-----调节器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e＝y－r），在测量值大于设定值时。 ? 负偏差-----测量值小于设定值。

? “正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。若是负偏差，情况相反。 ? “反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，情况相反。 13. 输入电路 ? 作用：

? 一是将测量信号Vi和设定信号Vs相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出；（其输出信号

将送至比例微分电路。）

? 二是电平移动，将以零伏为基准的Vi和Vs转换成以电平VB（10V）为基准的输出信号VO1。 ? 电路图：

1-３５

? 电路分析：

输入电路的传递函数：

Vo1(s)??2

Vi(s)?Vs(s)

14. 比例微分电路（PD）

? 作用：

? 接收以10V电平为基准的偏差信号VO1，进行比例微分运算，其输出电压信号VO2送给比例积分

电路。

? 电路图：

? 电路分析：

比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。

比例微分电路的传递函数：

1-３６

15. 比例积分电路（PI）

? 作用：

? 接收以10V为基准的PD电路的输出信号VO2，进行PI运算后，输出以10V为基准的l～5V电压

VO3，送至输出电路。

? 电路图：

? 电路分析：

16. 整机PID电路传递函数

? 调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。其传递函数应是这三个环节传

递函数的乘积。

? 调节器各项参数的取值范围：（略）

? 由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。

17. 输出电路

1-３７

? 作用：将PID电路输出的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，它实际上是一个具有电

平移动的电压—电流转换器。 ? 电路图：

? 电路分析：（略）

18. 手动操作电路

? 手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。 ? 电路图：

? 电路分析：（略）

19. 指示电路

? 输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。调节器采用双针电表，全量程地指示测量值

和设定值。偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。 ? 电路图：

1-３８

? 电路分析：（略）

第七节 执行器

6. 有关执行器的概述

? 执行器作用：接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器安装

在生产现场直接与介质接触。 ? 执行器组成：由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，

调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。 ? 执行器分类（按能源形式）：气动、电动、液动

气动应用最广，电动次之。

气动：输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号，其结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆，可以与QDZ、DDZ仪表配用，因而广泛使用。

电动：动作迅速，其信号便于远传，并便于与计算机配合使用，但不适用于防火防爆等生产场合。 上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构(调节阀)都相同。

7. 电动执行机构

? 电动执行器有直行程和角行程执行器两类。 ? 电动执行机构的组成框图：

? 电动执行机构的工作原理：

来自调节器的Ii作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度(或挡板的角位移)。与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号If。当If与Ii相等时，两相电动

1-３９

机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出(即执行器的输入)信号Ii成比例的位置上。 ? 电动伺服放大器：它由前置级磁放大器、触发器、交流可控硅开关、校正回路和电源等组成。 ? 伺服电动机：包括永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。

8. 气动执行机构

? 结构组成：膜片、推杆、平衡弹簧

? 作用：是执行器的推动装置，推动调节机构动作。它接受气动调节器或电—气阀门定位器输出的气压

信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。 ? 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。

? 气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。 ? 气动执行的结构示意图：

9. 气动调节机构（调节阀） ? 工作原理：

根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。 ? 种类：

直通双座调节阀、直通单座调节阀、高压调节阀、低温调节阀、套筒调节阀、三通调节阀、角形调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、小流量调节阀、球阀、低噪音调节阀等。

10. 气动执行器的选用

应根据介质的特点和工艺要求等来合理选用执行器。具体选用时应考虑以下几个主要问题： ? 调节阀的尺寸选择：

调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg来表示。Dg、dg是根据计算出来的流通能力C来查表选择。

1-４０

C?Q??p Q??体积流量? ；p??调节阀前后压差??；?流体重度? 气开式、气关式阀的选择

气开、气关式阀示意图：

在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全来考虑。例：蒸气加热器选用气开阀；锅炉进水的调节阀则选用气关式。 ? 单座阀和双座阀的选择

单座阀-----只有一个阀芯的调节阀。（适用小口径的调节阀，Dg<25mm）。阀关闭时泄漏小。 双座阀-----有两个阀芯的调节阀。（适用大口径的调节阀）。阀关闭时泄漏大。 ? 流量特性的选择

? 调节阀的流量特性-----指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系即：

Ql?f()，它是调节阀最重要的特性。 QmaxLQ-----相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开流量Qmax之比 Qmaxl-----相对开度，即调节阀某一开度行程l与全行程L之比 L理想流量特性-----就是在调节阀前后压差一定的情况下(△p＝常数)得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。阀芯形状有快开、直线、抛物线、等百分比四种，相应有四种流量特性。

工作流量特性-----实际工作时调节阀前后的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与阀芯相对位移之间的关系称为工作流量特性。

调节阀流量特性选择考虑的方面：

? 过程控制系统的控制质量指标：一般要求（KvKo=常数），故当过程的Ko为线性时应选择直线特

性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。 ? 配管情况：

? 负荷变化情况：在负荷变化较大的场合，选择等百分比调节阀为宜。当调节阀经常工作在小开度

时，宜选用等百分比调节阀。 常用的调节阀流量特性选择：（见下表）

1-４１

? 调节阀的结构形式和材料的选择

调节阀的结构形式和材料可根据不同的工艺操作条件和使用要求(如温度、压力及介质的物理、化学特性)来选用。

调节阀的多种结构形式：

各种国产调节阀的特性参数、使用场合见书P123～124

1-４２

11. 阀门定位器

? 阀门定位器-----是气动执行器的主要附件。利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和提高灵敏度，

从而使调节阀能按调节器来的控制信号实现准确定位。 ? 阀门定位器的主要功能：

? 实现准确定位

? 改善调节阀的动态特性 ? 改变调节阀的流量特性 ? 实现分程控制

12. 电-气转换器

? 作用：是气动单元组合仪表的一个转换单元。它能将电动单元组合仪表的标准统一信号(0～10mADC

或4—20mADC)转换为气动单元组合仪表的统一标准信号(0.02～0.1MPa)。 ? 工作原理：按力矩平衡原理工作 ? 原理图：

第八节 可编程调节器（数字式控制器）

3. 有关可编程调节器的概述

? 可编程调节器-----是数字式控制仪表中较为新型的一种。可编程调节器是以微处理机为运算和控制核

心，可由用户编制程序，组成各种调节规律的数字式控制仪表。

? 目前，我国从国外引进或组装、并广泛使用的产品有DK系列的KMM调节器、YS-80系列的SLPC

调节器、FC系列的PMK调节器、VI系列的VI87MA-E调节器等。由于上述产品均控制一个回路，因此习惯上称之为“单回路调节器”。

? DK系列仪表包括：KMM可编程调节器、KMS固定程序调节器、KMB批量混合调节器、KMP可编

程运算器、KMK100程序装入器、KMF指示器、KMR记录仪、KMH手动操作器、KMA辅助仪表。 ? 可编程调节器的主要特点：

? 与模拟仪表兼容

? 具有极其丰富的运算、控制功能：调节器具有30个运算单元(运算模块)和45种运算式子(即45

种子程序)。根据生产实际的需要，用户只要选用相应的模块进行组态，即可实现多种运算处理和各种过程控制，除PID控制外，能实现前馈控制、采样控制、选择性控制、时延控制和自适应控制等。

? 具有通信功能

? 具有通用性强、可靠性高、使用维护方便的特点 ? KMM调节器的面板结构

1-４３

? KMM调节器的接线端子

各端子的作用见书表4-10（P128）

4. KMM可编程调节器的硬件系统

? KMM可编程调节器硬件构成原理框图：

1-４４

? 硬件各部分组成：

? CPU（中央处理单元）：是KMM调节器的核心。采用8位微处理器，完成接受指令、数据传送、

运算处理和控制功能。 ? 系统ROM（只读存储器）：容量为10K，存放系统程序。系统程序由制造厂家编制，用来管理用

户程序、功能子程序、人机接口及通讯等，一般用户是无法改变的。 ? 用户ROM：容量2K，采用EPROM芯片，存放用户编制的程序。 ? RAM（随机存储器）：容量1K，用来存放调节器输入数据、显示数据、运算的中间值和结果等。 ? WDT（监视定时器）：用来监视调节器的运行状态，一旦CPU出现异常情况，则立即用软件使其

暂停，并发出报警信号，使调节器进入手动操作。 ? CTC（定时／计数器）：有定时／计数功能。定时功能用来确定调节器的采样周期，产生串行通

讯接口所需的时钟脉冲；计数功能主要对外部事件进行计数。

? 模拟量输入电路：由缓冲器、A／D转换电路等构成。有5个模拟输入信号(1～5VDC)，它们经

过缓冲器，在CPU的控制下由多路开关输入A／D转换成数字量信号。

? 模拟量输出电路：由D／A转换器、多路开关和保持器等组成。数字信号经D／A转换输出1～

5V DC和4～20mADC模拟信号，同时还输出PV、SP模拟电压值至面板供测量和设定值显示之用。

? 数字量输入电路：由晶体管阵列和门控电路组成。面板按钮和外部数字量信号经晶体管阵列和门

控电路送入输入接口。

? 数字量输出电路：包括锁存器和晶体管阵列。来自输出接口的数字信号通过锁存器和晶体管阵列

送至外部开关电路。此外还引至面板供各种信号灯用。 ? I／O（输入输出接口）：由软件设定其工作方式，分别用作D／A的输入口、数字信号的输入口

和输出口，而且还输入、输出各种逻辑信号。

? 键盘显示接口：由软件设定键盘扫描和显示方式，用于数据设定器的数据修改和LED数码管显

示。

5. KMM可编程调节器的软件系统

KMM调节器软件包括系统程序和用户程序（应用程序）。 ? 系统程序

系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算式程序和输出处理程序等： ? 基本程序：是程序的主体部分．由监控程序和中断处理程序等组成。

? 输入处理程序：包括折线处理、温度压力补偿、开方处理和数字滤波处理等子程序。

? 运算式程序：包括算术运算、逻辑运算、PID运算等45种子程序。每个子程序完成一种特定的运

1-４５

算功能，称之为一个“运算模块”，用户最多能从中选择30种运算模块进行组态。

? 用户程序（应用程序）

用户程序又称控制数据，由用户自行编制。KMM调节器采用表格式组态语言（POL）编制程序。 用户程序的控制数据种类：（7类）

? 基本数据F001（用来指定调节器的类型、运算周期、是否与上位机连接等） ? 输入处理数据F002（指明输入处理的种类等）

? PID运算数据F003（确定PID运算的类型、控制参数等） ? 折线数据F004（决定折线表形式）

? 可变参数F005（确定运算处理中使用系数、常数等）

? 运算模块数据F101～F130（指定运算种类、运算单元的连接方式等） ? 输出处理数据F006（指定输出信号） 控制数据由四部分组成，结构如下：

各种控制数据的构成及代码见书P130～P132。

6. KMM可编程调节器的功能

KMM可编程调节器具有输入处理功能、运算处理功能、输出处理功能、自动平衡功能、自诊断功能和通信功能。

? 模拟量输入处理功能：KMM调节器可对5个模拟输入信号进行处理-----折线处理(TBL)、温度补

偿(T．COMP)、压力补偿(P．C0MP)、开平方(SQRT)和数字滤波(D.F)。

? 运算处理功能：KMM调节器的运算功能是依靠运算模块、运算单元和内部信号的组合连接来实

现的。它有45种运算模块，用户可选择其中的30个进行组合。KMM有118种内部信号。 一个运算单元可以放置任何一种运算式。每个运算单元原则上有4个输入端子（H1、H2、P1、P2）和一个输出端子Uo，运算式不同使用的端子数亦不同。

1-４６

内部信号是指运算单元软端子(虚拟代号如Hl、H2、Pl、P2等)之间的联系信号。 ? 输出处理功能： ? 自动平衡功能：

KMM调节器控制类型分为0型、1型、2型和3型共4种。编程时要将所选类型填入“基本数据表（F001）”中。

KMM调节器还有自动平衡功能，可以实现手动M、自动A、串级C之间无平衡无扰动切换。 ? 自诊断功能

KMM调节器在每一个运算周期内都要对各个回路和各种处理功能进行故障检查。一旦调节器发生异常情况就立即由自动切换到连锁手动(IM)或准备(S)状态。 ? 通信功能

与上位机进行信息交换有三种不同的通信类型：0型——不用通信、l型——一与上位机有通信，但上位机不能对调节器进行操作控制、2型——与上位机有通信，上位机可对调节器进行操作控制。用户使用哪一种通信类型，应在填写“基本数据表(F001)”时确定。

7. KMM可编程调节器的编程方法

编程的流程：

8. KMM可编程调节器的工业应用举例 ? 天然气压力控制（见书P143～149）

控制流程图：

1-４７

组态图：

第五章 单回路控制系统设计

? 本章提要

22. 23. 24. 25.

过程控制系统设计概述 单回路控制系统方案设计 单回路控制系统整定 单回路控制系统投运

1-４８

26. 单回路控制系统设计原则应用举例

? 授课内容

第一节 过程控制系统设计概述

? 单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制

器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统。

? 单回路反馈控制系统组成方框图：

? 简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一

般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。

? 过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。 ? 过程控制系统设计的一般要求：

? 过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。

? 系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。 ? 过程控制系统设计的基本方法：

设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。 ? 过程控制系统统设计步骤：

? 建立被控过程的数学模型 ? 选择控制方案 ? 建立系统方框图

? 进行系统静态、动态特性分析计算 ? 实验和仿真

? 过程控制系统设计的主要内容：

? 控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、

调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。

? 工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统

设计等。

? 工程安装和仪表调校

? 调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。

第二节 单回路控制系统方案设计

20. 被控参数的选择

? 选取被控参数的一般原则为：

1-４９

? 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

艺参数为被控参数。

? 当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被

控参数。

? 被控参数必须具有足够大的灵敏度。

? 被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。

21. 控制参数的选择

? 需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。

? 当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的

影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。

? 扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定性

? 控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持

在给定值。

? 在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比

扰动通道快。

? 可由过程静态特性的分析（扰动通道静态放大倍数Kf、控制通道静态放大倍数Ko）、过程扰动通道动

态特性的分析（时间常数Tf、时延τf、扰动作用点位置）、过程控制通道动态特性的分析（时间常数To、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）确定各参数选择原则。 ? 根据过程特性选择控制参数的一般原则：

? 控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数Ko要适当大一些，时间常数To要适当小一些。

纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0与To之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。

? 扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小。时间常数Tf要大。扰动引入

系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）。容量时延τc愈大则有利于控制。

? 时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，

应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。

? 注意工艺操作的合理性、经济性。

22. 系统设计中的测量变送问题

? 被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。 ? 测量和变送环节的描述：

Wm(s)?Kme??ms

Tms?1? 参数选择原则：减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线与实际参

数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。 ? 系统设计测量和变送中涉及的问题：

? 信号滤波 ? 信号处理 ? 纯时延问题 ? 测量时延问题

? 信号传送时延问题：

信号传递时延将降低控制质量。对比可采取以下改善措施： i. 若测量信号为电信号，可将转换器安装在仪表盘附近，以缩短气压信号的传送距离． ii. 若调节器输出为气压信号，可在50～60 m距离间，装一继动器，提高气压信号的传输功率，以

减小传递时间。

1-５０

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