江南大学过程控制装置及系统设计期末考试讲述Word文档下载推荐.docx
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干扰作用：
除操纵变量以外的其他各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。
控制作用：
通过对被控对象的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号，这个信号按一定计算规律计算出控制信号来改变操纵变量，克服干扰的作用。
关系：
控制作用的一部分职能就是减小和消除干扰作用的影响。
一阶系统动态特性与基本参数
用一阶微分方程表述过程的输出（状态）变量的系统，称为一阶系统。
设c（t）为输出变量，常见形式：
如果上式中c（t）和r（t）是相对于稳态值的偏差变量，则可得c（0）=0，r（0）=0，则一阶过程的传递函数为：
如果输出变量的零阶导数项系数为零，则获得纯容量或者纯积分过程的传递函数为：
纯容量过程的动态响应：
在分析某一过程的动态响应时，通常是研究当过程输入变量发生阶跃变化时输出变量的响应。
当输入变量发生单位阶跃变化时，输入变量的拉普拉斯变换容易求得为：
从而可得：
输出变量变化关系为（拉氏逆变换）：
上式表明，纯容量过程不具有自平衡性。
一阶滞后系统的动态响应
当输入变量发生幅值为A的阶跃变化时，有
输出响应的拉普拉斯变换可求得为
输出变量变化关系为
一阶系统动态响应的如下性质:
（1）经过一定时间之后，一阶滞后系统可以达到一个新的稳态，即一阶滞后系统具有自平衡性。
（2）在t=0时，响应曲线的斜率/tp。
假设过程状态的变化保持最初的变化速率，经过数值等于时间常数的时间后，过程状态可达到新的稳态值。
系统的时间常数越小，过程达到新稳态所需时间越短。
（3）输出变量的新稳态值在经过无穷的时间后等于。
对于同样的输入阶跃变化量，稳态增益越小，所引起的输出稳态值变化量也越小。
（4）当输入发生阶跃变化后，需要经过一定时间输出才能达到其新稳态值，该系统具有滞后的特性。
数学模型特点：
模型的逼真性和可行性（原则上尽可能逼真，理想模型，实际上考虑成本等）、模型的渐近性（实际问题的建模需多次尝试，初始到修正）、模型的可转移性（不仅仅适用单个对象，可转移至另外研究对象）、模型的强健性（微小改变的对应性）、模型的条理性（建模角度考虑问题，促使对现实对象分析更全面、深入、具有条理性）、模型的非预制性（实际问题多种多样、千变万化，建模事先没有答案）。
机理建模法：
研究对象物理化学性质和运动规律可以较为真实的反映对象特性，所以以它们为基础进行的建模是比较可行的方法，这种方法统称为机理演绎法
该方法对于不允许进行实验的场合而言是一种可取的建模方法。
该方法的不足之处在于对系统进行的集中参数和线性假设，所以建立的模型具有一定的局限性
系统辨识法：
系统辨识法以黑箱模型为研究对象，在输入不同信号时，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，从而建立研究对象的数学模型。
联系：
先建立一个比较简化的机理模型，对它进行初步的了解和研究。
然后再建立一个比较完善的数学模型，进行比较全面和精确的研究。
举例说明自衡特性和无自衡特性：
泵出口流量Q2不随液位而变化，动态描述方程为
若水槽的流入量突然有一个阶跃变化，液位将随时间的推移上升，直至水槽顶部溢出，这就是无自衡特性。
一阶滞后系统的动态响应具有自衡特性，参见前面。
纯滞后（传递滞后）：
是由于信号的传输、介质的输送、或热的传递要经过一段时间而产生。
容量滞后：
是指被调量的速度并不是一开始就达到最大，而是要经过一段滞后时间。
容量滞后一般是由于物料或者能量的传递过程中受到一定的阻力而引起的，或者说由于容量数目多而产生的。
一般用容量滞后时间来表示其滞后的程度，其主要特征是当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开始变化缓慢，然后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。
注意：
容量滞后和纯滞后原理不同，实际难以严格区分。
同时存在时，通常把两种滞后时间加在一起，统称滞后时间。
滞后的影响与其所在通道有关，对控制通道而言，滞后的存在是不利的。
一阶系统的单位阶跃（1/s）响应：
当单位阶跃函数r（t）＝1（t）作为输入信号作用于一阶系统时，可得一阶系统的单位阶跃响应为:
一阶系统的单位阶跃响应是一条初始值为零，以指数规律上升到终值Css＝1的曲线。
非周期响应是一阶系统的单位阶跃作用的结果，具备如下两个重要特点：
1）可用时间常数T去度量系统输出量的63.2％数值。
根据这一特点，可用实验方法测定一阶系统的时间常数，或测定所测系统是否属于一阶系统。
2）响应曲线斜率初始值为1/T，随时间推移而下降
一阶系统的单位脉冲
（1）响应:
当输入信号为理想单位脉冲函数时，由于R（s）＝1，所以系统输出量的拉氏变换式与系统的传递函数相同，即
这时获得系统的脉冲响应，其表达式为
一阶系统的单位斜坡（1/s2）响应:
当输入信号为单位斜坡函数，可以求得一阶系统的单位斜坡响应；
上式表明：
一阶系统能跟踪斜坡输入信号。
稳态时，输入和输出信号的变化率完全相同。
减少时间常数T不仅可以加快瞬态响应的速度，还可减少系统跟踪斜坡信号的稳态误差。
由于系统存在惯性，c从0上升到1时，对应的输出信号在数值上要滞后于输入信号一个常量T，这就是稳态误差产生的原因。
简单控制系统（单回路控制系统）及其方框图：
由下图可以看出，闭环控制系统由被控对象、测量元件和变送器、控制器、执行器4个环节构成。
与其相对应的控制装置包括了测量变送单元、控制器和执行器，以及用于危险场合的安全防爆栅等。
变送器的作用及其种类：
作用：
变送器是单元组合式仪表中不可缺少的基本单元之一。
通过放大或再一次的能量转换，将检测元件输出的微弱信号变换为能远距离传送的统一标准信号。
种类：
温度变送器、压力变送器、流量变送器；
（液位变送器、成分变送器）
共模干扰及其抑制：
在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为共模干扰或纵向干扰。
抑制共模干扰的一个有效办法是把仪表悬空，也就是把变送器内的零线和大地绝缘。
除了这种干扰形式外，在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰。
由于这种干扰表现为两根信号线之间的电压差，所以又称线间干扰或横向干扰。
在温度变送器中，考虑到热电偶信号的变化很慢，可以从频率上把信号和干扰区别开来，或者在变送器的输入端用滤波器等加以抑制。
欲使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，亦即变送器放大回路的反馈电路输入与输出特性要模拟成热电偶的非线性特性关系。
DDZ-Ⅲ型力平衡式差压变送器（力矩平衡原理）：
1—测量气室；
2—测量膜片；
3—轴封膜片；
4—主杠杆；
5—推扳；
6—矢量板；
7—拉杆；
8—十字簧片；
9—动铁心；
10—差动变压器；
11—副杠杆；
12—检测放大器；
13—永久磁钢；
14—反馈线圈；
15—调零弹簧
上式说明当矢量板的位置确定后（即为常数时），变送器的输出电流与输入差压信号成对应关系。
流量检测器分类：
速度式流量计:
以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量。
（差压式流量计、转子流量计、电磁流量计）
容积式流量计：
以单位时间内所排出的流体的固定容积数作为测量依据来计算流量。
（椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、湿式气体流量计）
质量流量计：
以测量流体的质量为依据的流量计。
（惯性式质量流量计、补偿式质量流量计）
注意:
差压式（又称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量。
差压式流量计由产生压差的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘里管等）、检测压差的差压计以及传递压差信号的引压管等三部分组成。
控制器的作用：
在整个控制系统中，控制器起着最核心的作用。
将测量变送信号与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号，该信号送至执行器，控制执行器做出正确的动作，实现控制的目的。
控制规律是指控制器的输出信号随输入信号变化的规律。
位式（断续性的控制）比例（P）比例积分（PI）比例微分（PD）比例积分微分（PID）（后三者是连续性控制）
1）比例作用是最基本的；
2）积分作用可以单独使用，但更多是与比例作用结合在一起（PI）；
3）微分作用不能单独使用，它通常是与比例作用相结合（PD），或与比例积分作用相结合（PID）。
比例控制规律：
其输出信号与输入信号成比例关系。
也就是测量值与给定值的偏差乘上倍数即是控制器输出的变化值。
用数学形式表示为：
写成增量式为：
因此，比例控制器的传递函数为
比例度可以表示为
比例度与放大系数成反比，与余差成反比，即放大系数与余差成正比。
中间储槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统（？
？
）
积分控制规律：
具有纯积分控制规律的控制器，其输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比。
数学表达式为
增量式为
积分控制作用的输出与偏差随时间的积累量成比例。
可见只要存在偏差，积分控制作用的输出就会不断积累，使偏差减少到0（能消除余差的原因），或者使控制器的输出达到上限或者下限。
积分控制作用主要用于消除余差。
在幅值A的阶跃偏差作用下，可以得到控制器的输出为
可以看出，单纯积分规律的控制器的输出和输入是直线关系，斜率与积分速度成正比。
图1积分控制的开环特性图2积分时间对过渡过程的影响
在图2中，曲线2表示积分时间T1大小适当，此时被控变量的过渡过程比较理想；
曲线1表示积分时间T1太小的情况，虽然消除余差很快，但系统振荡加剧；
曲线3表示积分时间T1太大的情况，积分作用不明显，余差消除很慢。
当积分时间T1为无穷大时，就没有积分作用，成为纯比例控制器了。
微分控制规律：
微分控制规律中，控制器的输出信号和输入偏差信号对时间的微分成正比。
数学表达式为
式中de（t）/dt实际是偏差信号的变化速度
图理想微分特性
比例积分控制：
纯积分环节存在着输出滞后于输入的不足。
常常把积分控制和比例控制组合起来使用，构成了比例积分控制规律。
其数学表达式为
增量式
在阶跃输入信号A作用下，比例积分控制器的输出曲线如图所示
PI控制作用是P控制作用和I控制作用之和。
比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用。
直到余差被消除，偏差为零时积分输出才停止。
当偏差一出现，比例控制迅速作出相应，将输出信号跳变成KCA，用于克服干扰；
然后积分控制规律逐渐开始作用，使输出曲线随时间线性增加。
用数学表达式表示为：
当积分作用的输出等于比例作用的输出时，所需要的时间是积分时间TI，又称重定时间或再调时间。
积分时间TI越小，比例积分控制输出曲线的斜率越大，积分控制作用越强。
图比例积分控制开环特性
比例微分控制：
理想PD调节器的调节特性表达式为
或用传递函数表示为
实际PD调节特性传递函数为
在阶跃偏差信号作用下，求得实际PD调节器的输为
调节器输出的初始值为KPKDA，主要是微分作用的输出，曲线按指数规律下降，最后稳定在KPA，为比例作用的输出。
微分增益KD表示，在阶跃信号的作用下，PD调节器输出变化的初始值与最终值之比即
微分增益越大．微分作用越趋近于理想。
在电动调节器中，一般KD取5～10。
比例积分微分控制规律：
从调节规律来看，PID调节器是模拟调节器中最完美的调节器。
使PID调节器的积分间TI→∞时，即得到了PD调节器；
使微分时间TD=0时，即成为PI调节器；
同时使TI→∞和TD=0时，则成为P调节器。
可见，PID、PD、PI和P调节器的组成是基本相同的，它们之间只是运算电路部分有所不同。
比例积分微分控制器是同时具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的PID控制规律的数学表达式：
增量式：
理想控制器传递函数为：
（？
实际的控制器传递函数为:
图比例积分微分控制器的输出特性
比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。
对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅值变化，严重时会导致控制系统不稳定。
微分电路（RC）：
画图分析电路？
建立数学模型？
积分电路（RC）：
比例积分电路（RC）：
PI运算电路：
图示为一个比例积分运算电路，这里RI、CI组成输入电路，CM为反馈元件，输入电压Vi和输出电压Vo都是以电压VB为基准起算的，VB可以为0，也可以不等于0。
输入信号可看做分两路进入，故输出应为两路输入分别作用之和。
由于输入电阻RI与反馈电容CM构成积分运算电路，输入电容CI与反馈电容CM构成比例运算电路，当两条输入支路同时作用时，其输出与输入之间必然是比例加积分的运算关系了。
分析计算：
V+-V-=Vo/A≈0，即V+≈V-
把
代入上式得
即：
若t=0时，给调节器输入一个阶跃信号，如图所示，则其输出在t＝0+立即有一体现比例动作的跃变：
图理想PI调节器的输入输出关系
比值CI/CM的大小反映了比例调节作用的强弱，称为比例增益。
工程上习惯使用它的倒数作为整定参数，称为比例度。
比例度的定义是输入量的相对变化值（相对于满量程）与由比例作用产生的输出量的相对变化值之比，若输入量与输出量的满量程分别为ViM、VoM则比例度
在单元组合仪表中，因为输入量和输出量都是标准统一信号，ViM＝VoM，故
PD运算电路：
（右边1/n改为1/a）
前半部分RD、CD及分压器构成无源比例微分电路；
后半部分是运算放大器组成的同相比例放大器。
由于运算放大器在同相输入工作方式下输入阻抗极高（约等于差模输入阻抗乘以放大器的开环增益），故前后两部分可认为是互不影响的，可分别进行研究。
无源比例微分电路及其阶跃响应
若Vi为一阶跃输入，则在t=0+时，由于电容CD两端电压不能突变，V+的变化值全部被传递到输出，故V＋有一等值的突变。
此后CD逐渐充电，电容两端电压慢慢增加，于是V＋逐渐下降；
当充电结束时，CD相当于断路，输出电压V＋完全由分压器决定，即（n=na）
整个电路的阶跃响应可由上式拉氏反变换求出，
将比例积分电路与比例微分电路串联起来，便可得到比例积分微分电路。
其传递函数可由前后两部分传递函数相乘而得。
图比例积分微分运算电路
执行器的作用：
在自动控制系统中接受调节器（控制器）的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被调参数（如温度、压力、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。
分类：
气动执行器：
以压缩空气为能源的执行器，由执行机构（将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置）和控制机构（将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置）两部分组成。
电动执行器：
以电为能源的执行器，接收来自控制器的0~10mA或4~20mA的直流电流信号，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。
主要由伺服放大器（DFC）、电动操作器（DFD）、伺服电动机组成。
控制阀的流量特性：
是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系。
即
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。
它取决于阀芯的形状。
直线流量特性：
直线流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。
用数学式表示为
防爆栅：
防爆栅的种类很多，有电阻式、齐纳式、隔离式等。
电阻限流式：
在两根电源线（也是信号线）上串联一定的电阻，对进入危险场所的电流作必要的限制。
齐纳式：
利用齐纳二极管的击穿特性进行限压，用电阻进行限流，是一种应用较多的安全单元。
隔离式：
以变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量直接窜入现场。
同时用晶体管限压限流电路，对事故状况下的过电压或过电流作截止式的控制。
单回路控制系统：
是指由一个被控对象，一个检测元件、一个变送器、一个控制器和一个执行器组成的闭合系统。
被控变量的选择原则：
1被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。
（具有代表性）
2被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。
（易检测、灵敏度高）
3尽量采用直接参数作为被控变量，当无法获得直接参数信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控变量。
（优先直接参数，单值对应关系间接参数）
4作为被控变量，必须是独立可控的。
（独立可控）
5选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
（工艺合理性及仪表现状）
干扰变量和控制变量（操纵变量）：
干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值。
操纵变量由控制通道施加到对象上，使被操纵变量回复到给定值，起着校正作用。
在选择操纵变量构成自动控制系统时，对象干扰通道的放大系数Kf越小越好。
Kf越小，表示干扰对被控变量的影响越小。
控制通道的放大系数KO要大些，KO的大小表征了操纵变量对被控变量的影响程度。
KO越大，表示控制作用对被控变量影响越显著，使控制作用更为有效。
但KO不宜过大，否则会引起过于灵敏，使控制系统不稳定。
串级控制系统:
串级控制系统是指由两个控制器、一个控制阀、两个变送器和两个被控对象组成的控制系统。
主要特点：
1、在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：
主回路和副回路；
有两个控制器：
主控制器和副控制器；
有两个测量变送器：
分别测量主变量和副变量；
（在系统结构中，由两个串联工作的调节器构成的双闭环控制系统。
2、在系统功能上，能迅速克服进入副回路的干扰；
3、能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力；
4、主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。
5、最适合应用在被控对象的容量滞后大、干扰强、要求高的场合。
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