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1、简单控制系统组成原理简单控制系统组成原理本讲稿第一页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系2/49简单控制系统组成原理简单控制系统组成原理过程控制系统设计步骤过程控制系统设计步骤12检测检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器 3被控变量与操纵变量的选择被控变量与操纵变量的选择本讲稿第二页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤3/49以加热炉的控制为例以加热炉的控制为例ORCORCORCORC：氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度
2、控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器确定控制目标确定控制目标确定控制目标确定控制目标 在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定；油出口温度稳定；油出口温度稳定；油出口温度稳定；在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定、烟气含氧量稳油出口温度稳定、烟气含氧量稳油出口温度稳定、烟气含氧量稳油出口温度稳定、烟气含氧量稳定；定；定；定；在安全运行条件下，保证热油在安全运行条件下，保证热油在安全运
3、行条件下，保证热油在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定，而且加热炉热效出口温度稳定，而且加热炉热效出口温度稳定，而且加热炉热效出口温度稳定，而且加热炉热效率最高；率最高；率最高；率最高；本讲稿第三页，共四十九页4/491、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）选择测量参数（被控量）ORCORCORCORC：氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对于
4、目标对于目标对于目标对于目标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：热油出口温度热油出口温度热油出口温度热油出口温度 热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量热油出口温度、烟气含氧量 热油出口温度、热油出口温度、热油出口温度、热油出口温度、加热炉热加热炉热加热炉热加热炉热 效率（效率（效率（效率（烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟烟气含氧量、排烟 温度、一氧化碳温度、一氧化碳温度、一氧化碳温度、一氧化碳）本讲稿第四页，共四十九页5/491、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤操作量的选择操作量的选择操作量的选择
5、操作量的选择ORCORCORCORC：氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对于目标对于目标对于目标对于目标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量热油流量热油流量热油流量 燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量、热油流量、热油流量、热油流量、氧气流量氧气流量氧气流量氧气流量（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道
6、挡板、送 风挡板）风挡板）风挡板）风挡板）燃油流量燃油流量燃油流量燃油流量 或或或或 热油流量、热油流量、热油流量、热油流量、氧气流量氧气流量氧气流量氧气流量（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送（烟道挡板、送 风挡板）风挡板）风挡板）风挡板）本讲稿第五页，共四十九页控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定控制方案的确定ORCORCORCORC：氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器氧气流量控制器TRCTRCTRCTRC：温度控制器：温度控制器：温度控制器：温度控制器 PC PC PC PC：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器：燃料压力控制器对于目标对于目标对于目标对于目
7、标：对于目标对于目标对于目标对于目标 ：对于目标对于目标对于目标对于目标：a:a:a:a:温度单回路控制系统温度单回路控制系统温度单回路控制系统温度单回路控制系统 b:b:b:b:温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统温度流量串级控制系统 a:a:a:a:温度单回路温度单回路温度单回路温度单回路和和和和烟气含氧烟气含氧烟气含氧烟气含氧 量单回路控制系统量单回路控制系统量单回路控制系统量单回路控制系统 b:b:b:b:将系统看作将系统看作将系统看作将系统看作MIMOMIMOMIMOMIMO进行建模进行建模进行建模进行建模 与目标与目标与目标与目标中中中中a a a a方案类
8、似，但方案类似，但方案类似，但方案类似，但 烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随烟气含氧量的控制属于随 动系统动系统动系统动系统1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤6/49本讲稿第六页，共四十九页选择控制算法选择控制算法选择控制算法选择控制算法PIDPID、内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制内模控制、推理控制、预算控制、解耦控制等等等等等等等等执行器的选择执行器的选择执行器的选择执行器的选择设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系统设计报警和联锁保护系
9、统根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方根据工艺介质等要求选择调节阀的气开、气关方式，流量特性等式，流量特性等式，流量特性等式，流量特性等控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制系统的调试和投运控制参数整定等控制参数整定等控制参数整定等控制参数整定等1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤7/49本讲稿第七页，共四十九页1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤v控制系统设计概述首先，要求自动控制系统设计人员在掌握较为全面的自动化专业知识的同时，也要尽可能多地熟悉所要控制的
10、工艺装置对象；其次，要求自动化专业技术人员与工艺专业技术人员进行必要的交流，共同讨论确定自动化方案；第三，自动化技术人员要切忌盲目追求控制系统的先进性和所用仪表及装置的先进性。工艺人员要进一步建立对自动化技术的信心，特别是一些复杂对象和大系统的综合自动化，要注意倾听自动化专业技术人员的建议；第四，设计一定要遵守有关的标准行规，按科学合理的程序进行。8/49本讲稿第八页，共四十九页1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤v说明：框图中的各个信号都是增量。各环节的增益有正、负之别。通常将执行器、被控对象和检测变送环节合并为广义对象。简单控制系统有控制通道和扰动通道两个通道：控制通道是操纵变量
11、作用到被控变量的通道。扰动通道是扰动作用到被控变量的通道。设定值保持不变的反馈控制系统称为定值控制系统 设定值是任意变化的反馈控制系统称为随动控制系统或伺服控制系统。控制系统中如果包含采样开关，则这类控制系统称为采样控制系统 9/49本讲稿第九页，共四十九页1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤v确定控制方案 调研，论证包括被控变量的选择与确认操纵变量的选择与确认检测点的初步选择、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等等。v仪表及装置的选型 要考虑到供货方的信誉产品的质量价格可靠性精度供货方便程度技术支持维护等因素。v相关工程内容的设计包括控制室设计供电和供气系统设计
12、仪表配管和配线设计和联锁保护系统设计等等，提供相关的图表。1049本讲稿第十页，共四十九页1、过程控制系统设计步骤、过程控制系统设计步骤v初步设计初步设计的主要目的是上报审批，并为定货做准备。v施工图设计是在项目和方案获批后，为工程施工提供有关内容详细的设计资料。v设计文件和责任签字包括设计校核审核审定各相关专业负责人员的会签等，以严格把关，明确责任，保持协调。v参与施工和试车设计代表应该到现场配合施工，并参加试车和考核。v设计回访在生产装置正常运行一段时间后，应去现场了解情况，听取意见，总结经验。1149本讲稿第十一页，共四十九页2检测检测/变送变送/执行器执行器/调节调节器器 过程控制系统
13、设计步骤过程控制系统设计步骤11249简单控制系统组成原理简单控制系统组成原理3被控变量与操纵变量的选择被控变量与操纵变量的选择本讲稿第十二页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系13492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十三页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系14492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十四页，共四十九页检测变送环节的性能检测变送环节的性能检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器按照
14、生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。合适的测量范围（量程）与精度等级。选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产过程选择检测元件时应考虑该元件能否适应工业生产过程环境；能否长期稳定运行；环境；能否长期稳定运行；测量仪表反应慢，会造成测量仪表反应慢，会造成测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送测量失真。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器，考虑器，考虑精确度和响应的快速性等。还应考虑检精确度和响应的快速性等。还应考虑检测元件和变送器的线性特性等。测元件和变送器的线性特性等。15492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十五页
15、，共四十九页仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合理仪表的精确度影响检测变送环节的准确性。应合理选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要求为选择仪表的精确度，以满足工艺检测和控制要求为原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精确原则。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精确度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表量程大度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表量程大Km小，而仪表量程小则小，而仪表量程小则Km大。大。检测元件和变送器增益检测元件和变送器增益Km的线性度与整个闭环控制的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前向增益系统输入输出的线性度有关，当控制回路的前向增益足够大时
16、，整个闭环控制系统输入输出的增益是足够大时，整个闭环控制系统输入输出的增益是Km的倒数。例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的倒数。例如，采用孔板和差压变送器检测变送流体的流量时，由于差压与流量之间的非线性，造成流量的流量时，由于差压与流量之间的非线性，造成流量控制回路呈现非线性，并使整个控制系统开环增益非控制回路呈现非线性，并使整个控制系统开环增益非线性。线性。16492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十六页，共四十九页相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的相对于过程的时间常数，大多数检测变送环节的时间常数是较小的。但时间常数是较小的。但成分检测变送环节的时间
17、成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动气动仪表的时间常数较电动仪表要大仪表要大；采用保护套管温度计检测温度要比直采用保护套管温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。此外，应考虑时间常数随过程运行而变化的影响。此外，应考虑时间常数随过程运行而变化的影响。例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大，例如，由于保护套管结垢，造成时间常数增大，保护套管磨损，造成时间常数减小等。对检测变保护套管磨损，造成时间常数减小等。对检测变送环节时间常数的考虑主要应根据检测变送、被送环节时间常数的考虑主要应根据检
18、测变送、被控对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最控对象和执行器三者时间常数的匹配，即增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值。大时间常数与次大时间常数之间的比值。17492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十七页，共四十九页减小时间常数的措施包括检测点位置的合理选择；减小时间常数的措施包括检测点位置的合理选择；选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小管径；正确使用微分单元；选用继动器等放大元管径；正确使用微分单元；选用继动器等放大元件等。为了增大最大时间常数与次大时间常数之件等。为了增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值
19、，对于快速响应的被控对象，例如，流间的比值，对于快速响应的被控对象，例如，流量、压力等，有时需要增大检测变送环节的时间量、压力等，有时需要增大检测变送环节的时间常数，常用的措施有合理选用微分单元（反微分）常数，常用的措施有合理选用微分单元（反微分）；并联大容量的电容或气容；串联阻容滤波环节；并联大容量的电容或气容；串联阻容滤波环节等。等。18492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十八页，共四十九页对检测变送信号的处理对检测变送信号的处理检测变送信号的数据处理包括信号检测变送信号的数据处理包括信号补偿、线性化、信号滤波、数学运补偿、线性化、信号滤波、数学运算、信号报警和
20、数学变换等。算、信号报警和数学变换等。19492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第十九页，共四十九页信号补偿信号补偿热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有热电偶检测温度时，由于产生的热电势不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，所用连接导线的类型和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻类型和规格不同，线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；补偿；气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因
21、气体流量检测时，若检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；此需要进行温度和压力的补偿；精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压对恒定，可直接用温度进行控制，当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿等。温度进行补偿等。20492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十页，共四十九页线性化线性化 检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被检测变送环节是根据有关的物理化学规律检测被控变量的，它们有些存在非线性，例如，热电势控变量的，它们有些
22、存在非线性，例如，热电势与温度、差压与流量等，这些非线性会造成控制与温度、差压与流量等，这些非线性会造成控制系统的非线性，因此，应对检测变送信号进行线系统的非线性，因此，应对检测变送信号进行线性化处理。可以采用硬件组成非线性环节实现，性化处理。可以采用硬件组成非线性环节实现，例如，采用开方器对差压进行开方运算，也可用例如，采用开方器对差压进行开方运算，也可用软件实现线性化处理。软件实现线性化处理。21492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十一页，共四十九页信号滤波信号滤波由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动，储罐液位的波动由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动
23、，储罐液位的波动等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行，因此，等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行，因此，需要对信号进行滤波。需要对信号进行滤波。信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、信号滤波有硬件滤波和软件滤波，有高频滤波、低频滤波、带通、带阻滤波等。带通、带阻滤波等。硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容硬件滤波通常采用阻容滤波环节，可以用电阻电容组成低通滤波，也可用气阻和气容组成滤波环节。组成低通滤波，也可用气阻和气容组成滤波环节。可以组成有源滤波、也可组成无源滤波等。可以组成有源滤波、也可组成无源滤波等。软件滤波采用计算方法，用程序编制各种
24、数字滤波软件滤波采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投资少，应用灵活等特点。器实现信号滤波，具有投资少，应用灵活等特点。在智能仪表、在智能仪表、DCS等装置中通常采用软件滤波。等装置中通常采用软件滤波。过程控制中常用的数学滤波算法有下列几种：过程控制中常用的数学滤波算法有下列几种：一阶低通滤波；一阶低通滤波；一阶高通滤波；递推平均滤波；一阶高通滤波；递推平均滤波；程序判别滤波。程序判别滤波。22492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十二页，共四十九页数学运算、信号报警和数学变换数学运算、信号报警和数学变换当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时
25、，需要进行数当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。学运算获得实际的被控变量数值。节流装置测得的差压数据应进行开方运算；节流装置测得的差压数据应进行开方运算；根据测得瞬时流量进行积分运算获得累积流量等。根据测得瞬时流量进行积分运算获得累积流量等。对检测的信号要进行一些复合的数学运算，例如，对对检测的信号要进行一些复合的数学运算，例如，对气体流量的温度和压力补偿运算就包含加、乘和除的气体流量的温度和压力补偿运算就包含加、乘和除的运算。运算。信号的数字变换也常常被应用于检测变送信号的处理。信号的数字变换也常常被应用于检测变送信号的处理。快速富里埃变换、小
26、波变换等。快速富里埃变换、小波变换等。在计算机控制系统中，模数转换和数模转换。在计算机控制系统中，模数转换和数模转换。如果检测变送信号超出工艺过程的允许范围，就要进行信如果检测变送信号超出工艺过程的允许范围，就要进行信号报警和联锁处理。同样，在计算机控制系统中如果检测号报警和联锁处理。同样，在计算机控制系统中如果检测到检测元件处于异常状态时，也需要为操作人员提供相关到检测元件处于异常状态时，也需要为操作人员提供相关报警信息。报警信息。23492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十三页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系2449执行器(气动薄膜控
27、制阀)的选择v根据使用的能源种类，控制阀可分为气动、电动和液动三种。其中气动控制阀具有结构简单，工作可靠，价格便宜，防火防爆等优点，在自动控制中用得最多，故以下的讨论仅涉及气动控制阀。v控制阀选择的内容包括：结构形式及材质的选择，口径大小及开闭形式的选择，流量特性的选择，以及阀门定位器的选择等。2、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十四页，共四十九页v控制阀由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构将控制器的输出信号转换成直线位移或角位移，两者之间为比例关系；调节机构则将执行机构输出的直线位移或角位移转换成流通截面积的变化，从而改变操纵变量的大小。v执行机构有三种类型：薄
28、膜式、活塞式和长行程式。薄膜式结构简单，价格便宜，使用最为广泛。v调节机构的类型有：直通阀（双座式和单座式），角阀，三通阀，球形阀，阀体分离阀，隔膜阀，蝶阀，高压阀，偏心旋转阀和套筒阀等。直通阀和角阀供一般情况下使用，其中直通单座阀适用于要求泄漏量小的场合；直通双座阀适用于压差大、口径大的场合，但其泄漏量要比单座阀大；角阀适用于高压差、高粘度、含悬浮物或颗粒状物质的场合。三通阀适用于需要分流或合流控制的场合，其效果比两个直通阀要好；蝶阀适用于大流量、低压差的气体介质；隔膜阀则适用于有腐蚀性的介质。v此外,还应根据操纵介质的工艺条件和特性选择合适的材质。25492、检测、检测/变送变送/执行器执
29、行器/调节器调节器本讲稿第二十五页，共四十九页阀结构形式 特点及适用场合直通单座阀只有一个阀芯,阀前后压差小,适用于要求泄漏量小的场合直通双座阀有两个阀芯,阀前后压差大,适用于允许有较大泄漏量的场合角阀阀体呈直角,适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质的场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合蝶阀适用于有悬浮物的介质、大流量、压差小、允许大泄漏量的场合三通阀适用于分流或合流控制的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合不同结构形式控制阀特点及适用场合不同结构形式控制阀特点及适用场合26492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十六页，共四十九页控制阀气开、气关形式的选择 v对于
30、一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀是处于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全,要由具体的生产工艺来决定。气开式调节阀气开式调节阀：随着控制信号的增加而开度加大，随着控制信号的增加而开度加大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态；当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态；气关式调节阀气关式调节阀：随着信号压力的增加，阀门逐渐随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。关小，当无信号时，阀门处于全开状态。27492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十七页，共四十九页控制阀气开、气关形式的
31、选择应遵循几条原则v首先要从生产安全出发,即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。如生产蒸汽的锅炉水位控制系统中的给水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏,控制阀应选气关式。v从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。28492、检测、检测/变送变送/执行器执
32、行器/调节器调节器本讲稿第二十八页，共四十九页v从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式,一旦控制阀失去能源即处于气关状态，不再给塔进料，以免造成浪费。v从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全关状态避免蒸汽的浪费，但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气关式以防调节阀失去能源时阀门 关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。29492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第二十九页，共四十九页控制阀流量特性 理想流量特性是控制阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为固有流量特性。
33、工作流量特性是在工作状况下（压降变化）控制阀的流量特性。控制阀出厂所提供的流量特性指理想流量特性。理想流量特性可分为线性、等百分比（对数）、抛物线、双曲线、快开、平方根等多种类型。国内常用的理想流量特性有线性、等百分比和快开等几种。30492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十页，共四十九页v线性流量特性线性流量特性是指控制阀的流量与阀杆的行程成线性关系，即单位行程变化引起的流量变化是常数。v对数流量特性对数流量特性是指单位行程变化引起的流量变化与此点的流量成正比关系，即控制阀的放大系数是变化的，随流量的增加而增大。v快开流量特性快开流量特性是指是指单位行程变化引起的
34、流量变化与此点的流量成反比关系。31492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十一页，共四十九页32492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十二页，共四十九页 控制阀的理想流量特性是在阀两端压降恒定条件下的流量特性，实际应用时，控制阀两端的压降下降，因此，控制阀理想流量特性发生畸变。33492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十三页，共四十九页v压降比S定义为控制阀全开时，阀两端压降占系统总压降的比值。vPv是控制阀两端的压降，PP是系统中其他管路的阻力，包括静压头、管路阻力等。系统的总压降为PT。则有：34492、检
35、测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十四页，共四十九页v控制阀流量特性的选择根据控制系统稳定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。选择控制阀工作流量特性的目的通过控制阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成开环总增益变化的影响。即用Kv的变化补偿Kp的变化，使K开=KcKvKpKm基本恒定。讨论时，假设控制器增益（或比例度）、执行机构增益、检测变送环节增益不随负荷或设定而变化。这样，当对象增益Kp随负荷或设定变化时，通过选择合适的控制阀流量特性，使控制阀增益K
36、v与Kp之积保持基本不变。35492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十五页，共四十九页v控制阀工作特性的选择 控制系统通常受到多种扰动的影响，因此，在选择控制阀工作流量特性时应抓住主要矛盾，即对控制系统有主要影响的扰动，据此选择控制阀工作流量特性。在考虑被控对象特性时，应从整个工作范围考虑，而不能仅局限在工作点附近，因为，在工作点附近的特性通常可近似为线性，不能获得正确的分析结果。流量特性的选择是用于补偿广义被控对象的非线性特性，有时，被控对象的非线性并不能够用选择控制阀的流量特性来补偿。例如，pH 控制系统。36492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调
37、节器本讲稿第三十六页，共四十九页v控制阀口径大小的选择主要依据阀的流通能力。正常工况下要求控制阀开度处于1585%之间,因此,不宜将控制阀口径选的太小或过大,否则,会使控制阀可能运行在全开时的非线性饱和工作状态,系统失控;或使阀门经常处于小开度的工作状态,造成流体对阀芯、阀座严重冲蚀,甚至引起控制阀失灵。37492、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器本讲稿第三十七页，共四十九页v阀门定位器有气动阀门定位器和电气阀门定位器两种，后者还兼有电气转换功能。v阀门定位器有以下三方面的功能：改善控制阀的动、静态特性 改善控制阀的流量特性实现分程控制38492、检测、检测/变送变送/执行器执
38、行器/调节器调节器本讲稿第三十八页，共四十九页其他执行器 v除了控制阀外，其他的执行器有执行电动机、液压伺服机构等。执行电动机是一种电动机，它是根据控制系统发来的指令执行运动的机电一体化产品。执行电动机按电动机原理可分为直流电动机、步进电动机、交流同步电动机、交流异步电动机、开关磁阻电动机等。按控制方式可分为调压调速、变频调速和电磁调速等。在需要大功率、高精度控制的场合，通常可采用液压传动系统和电液控制系统。其他执行装置包括新型直流电动机、形状记忆合金驱动执行器、压电驱动执行器、磁致伸缩驱动执行器、仿生步进驱动执行器、超导驱动执行器、橡胶驱动执行器等。39492、检测、检测/变送变送/执行器执
39、行器/调节器调节器本讲稿第三十九页，共四十九页正作用正作用：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为的输出也增加，则称为“正作用正作用”方式；方式；同样同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，称为称为“正作用正作用”方式。方式。反作用反作用：如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出：如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为减小，则称为“反作用反作用”方式。方式。正作用：测量值正作用：测量值给定值给定值反作用：给定值反作用：给定值测量值测量值 调节器正、反作用的定义：调
40、节器正、反作用的定义：2、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器4049本讲稿第四十页，共四十九页2、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器控制系统中各环节的正、负符号作如下规定：控制系统中各环节的正、负符号作如下规定：调节阀：气开式取“+”气关式取“-”；被控对象：若控制变量（通过控制阀的物料或能量）增加时，被控参数随之增加取“+”；反之，则取“-”；变送器：输出信号随被测量增加而增大，取“+”；反之取“-”；调节器：测量输入增加，调节器输出增大（正作用）时取“+”；测量输入增加，调节器输出减小（反作用）时取“-”。4149本讲稿第四十一页，共四十九页2、检测、检测/变送
41、变送/执行器执行器/调节器调节器调节器正反作用选择原则：调节器正反作用选择原则：整个单回路构成负反馈系统。整个单回路构成负反馈系统。调节器符号（调节器符号（“+”“+”或或“”）执行器符号（执行器符号（“+”“+”或或“”）变送器符号（变送器符号（“+”“+”或或“”）被控过程符被控过程符号（号（“+”“+”或或“”）=“=“”4249本讲稿第四十二页，共四十九页2、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器例例1 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 调节阀调节阀：气开式，取：气开式，取“+”；被控对象被控对象：控制变量（通过调节：控制变量（通过调节阀的物料或能量）增加时，被控阀的物料
42、或能量）增加时，被控参数随之增加，取参数随之增加，取“+”；变送器变送器：取：取“+”；调节器符号调节器符号（“+”或或“”）执行器符号（执行器符号（“+”）变送器符号（变送器符号（“+”）被控过程符号（被控过程符号（“+”）=“”调节器符号为调节器符号为“”，系统构成负反馈，即：，系统构成负反馈，即：调节器为反作用调节器为反作用。4349本讲稿第四十三页，共四十九页2、检测、检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器例例2 液位控制系统液位控制系统 调节阀调节阀：气开式，取：气开式，取“+”；被控对象被控对象：控制变量（通过调节：控制变量（通过调节阀的物料或能量）增加时，被控阀的物料或能量）
43、增加时，被控参数随之减少，取参数随之减少，取“”；变送器变送器：取：取“+”；调节器符号调节器符号（“+”或或“”）执行器符号（执行器符号（“+”）变送器符号变送器符号（“+”）被控过程符号（被控过程符号（“”）=“”调节器符号为调节器符号为“”，系统构成负反馈，即：，系统构成负反馈，即：调节器为正作用作用调节器为正作用作用。4449本讲稿第四十四页，共四十九页2022年10月19日 北京石油化工学院自动化系3被控变量与操纵变量的选择被控变量与操纵变量的选择4549过程控制系统设计步骤过程控制系统设计步骤12检测检测/变送变送/执行器执行器/调节器调节器 简单控制系统组成原理简单控制系统组成原
44、理本讲稿第四十五页，共四十九页什么是被控变量?操纵变量?干扰?3、被控变量与操纵变量的选择、被控变量与操纵变量的选择4649本讲稿第四十六页，共四十九页v被控变量被控变量选择应遵循下列原则：选择应遵循下列原则：尽量选择能直接反映产品质量的变量，尽量选择能直接反映产品质量的变量，可直接可直接测量的工艺参数为被控变量测量的工艺参数为被控变量 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一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作为被控变量。的间接参数作为被控变量。所选被控变量能满足生产工艺稳定所选被控变量能满足生产
45、工艺稳定安全安全高效的要求，具有尽可能大高效的要求，具有尽可能大的灵敏度且线性好。的灵敏度且线性好。必须考虑自动化仪表及装置的现状。必须考虑自动化仪表及装置的现状。3、被控变量与操纵变量的选择、被控变量与操纵变量的选择4749本讲稿第四十七页，共四十九页v操纵变量操纵变量选取应遵循下列原则：选取应遵循下列原则：操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。量中对被控变量影响最大的一个。控制通道控制通道的的放大系数要尽量大一些，时间常数适当小放大系数要尽量大一些，时间常数适当小些，滞后时间尽量小；些，滞后时间尽量小；扰动通道扰动通道特性应具有尽特性应具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量，以免产量受到波动。以免产量受到波动。3、被控变量与操纵变量的选择、被控变量与操纵变量的选择4849本讲稿第四十八页，共四十九页谢谢 谢！谢！本讲稿第四十九页，共四十九页