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化 工 仪 表 及 自 动 化
3 过程控制系统概述
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3 过程控制系统概述
教学内容：
3.1 过程控制系统的作用及组成
3.2 过程控制系统的品质指标
3.3 控制系统中控制器的选择
3.4 简单控制系统的投运及参数整定
3.5 简单控制系统实例
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—控制系统—
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3.1 过程控制系统的作用及组成
3.1.1 过程控制系统作用
化工生产过程中的自动控制系统的作用是保证工艺生产过程中的变量按照生产要求稳定在某个范围内或者按照某种要求变化。
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例1：液位控制系统实例
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例2：流量控制系统实例
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例3：温度控制系统实例
—控制系统—
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3.1.2 过程控制系统组成
1、人工调节和自动控制
眼
手
脑
水位测量与变送
执行器
控制器
设定
操作人员所做的工作如下：第一，用眼睛观察玻璃管 液 位 计的指示值；第二，将指示值与工艺中需要保持的液位值在大脑中比较并算出两者的差值；第三，当指示值偏高（低）时，用手去开大（关小）阀门。
测量仪表相当于
人的眼睛，控制器相
当于人的大脑，控制阀
相当于人的手脚。
一个自动控制系统就是
对人工调节过程的模拟。
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控制器
执行机构
被控对象
变送器
被控变量
扰动作用
控制作用
测量值
设定值
偏差
+
-
自动控制系统是由变送器、控制器、执行机构和被控对象四个环节组成的闭环负反馈控制系统。其基本功能是使被控变量与设定值一致。
A.组成
2、自动控制系统的组成
—控制系统—
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a、被控对象
是指需要实现控制的工艺设备、机械或生产过程。
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
设定值
偏差
+
-
被控变量
被控对象
B.名词解释
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b、被控变量
是表征生产设备（过程）运行情况是否正常而需要加以控制的物理量。
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
设定值
偏差
+
-
被控变量
被控变量
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c、设定值
被控变量的预定（或希望）值。
设定值
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
偏差
+
-
被控变量
设定值
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d、控制作用
被自动化装置操纵，用以使被控变量保持设定值的物料量和能量。
设定值
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
偏差
+
-
被控变量
控制作用
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e、扰动作用
除控制作用外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素。
设定值
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
偏差
+
-
被控变量
扰动作用
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f、测量值
与被控变量对应的，变送器的输出值。通常为4~20mA范围内的直流电流或其它数字通讯协议。
设定值
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
偏差
+
-
被控变量
测量值
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g、偏差
测量值与设定值之差。它有大小、方向和变化速率三个基本要素。
设定值
控制器
执行机构
被控对象
变送器
扰动作用
控制作用
测量值
偏差
+
-
被控变量
偏差=测量值-设定值
偏差
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3.自动控制系统的分类
按设定值的不同可将自动控制系统分为三大类。
（１）定值控制系统　定值控制系统就是设定值不变的控制系统。工艺生产中要求控制系统的被控变量保持在一个生产技术指标上不变，这个技术指标就是设定值。
（２）随动控制系统 （也称为自动跟踪系统）　这类系统的特点是设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化。
（３）程序控制系统 （顺序控制系统）　这类系统的设定值也是变的，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。设定值不断变化，并要求系统的输出也跟着变化
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3.1.3 过程控制系统的符号与图例
过程控制系统中，为了清楚地表示控制系统的类型、所用仪表的种类，定义了许多符号和图例。工艺工程技术人员要想熟练地看懂带控制点的工艺流程图，除了要懂得工艺原理、熟悉工艺流程图外，还必须了解仪表及控制系统在带控制点的工艺流程图中的表示方法。请仔细阅教材中的三个表：
表3-1 检测、控制系统字母代号的含义
表3-2 表示仪表安装位置及功能的图形符号
表3-3表示列出带控制点流程图实例
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工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明
各种检测点通用表示法
热电偶
热电阻
节流装置
取压点
测温点
检测点
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安装形式
就地安装
机组盘与就地集中安装
控制室安装
变送器
流程中的仪表管线
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气动薄膜
执行机构
电 磁
执行机构
电 动
执行机构
气动活塞
执行机构
执行机构
直通阀
三通阀
角 阀
蝶 阀
阀
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工艺控制流程图中各种图形和文字符号的说明
字母 第一位字母 后继字母
被测变量 修饰词 功能
A 分析、喷嘴火焰 报警
B
C 电导率 控制（调节）
D 差
E
F 流量
G
H 手动
I 电流 指示
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字母 第一位字母 后继字母
被测变量 修饰词 功能
J
K
L 物位 指示灯
M
N
O
P 压力或真空 试验点
Q
R 放射性 记录或打印
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字母 第一位字母 后继字母
被测变量 修饰词 功能
S
T 温度 传送
U
V 阀
W
X
Y
Z
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3.2 过程控制系统的品质指标
控制系统能否达到控制要求，取决于根据不同被控对象而设置的控制装置。被控对象和控制装置的不同可以用环节特性来表示，这些环节的特性决定了控制系统的质量，判断控制系统的好坏的依据就是控制系统的品质指标。
3.2.1 环节的特性
环节的特性是指环节的输出信号跟随输入信号变化的规律。
在化工生产过程中，最常遇到的被控对象是各类热交换器、塔器、反应器、贮液槽、泵、压缩机等。这些对象的特性各不相同。
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什么叫被控对象的特性呢？就是指对象受到扰动作用后，被控变量是如何变化的。换句话说，就是对象的输入发生变化时，其输出是如何变化的，变化的快慢如何，以及最终变化了多少等等。
被控变量
控制作用
扰动作用
被控对象
扰动通道
控制通道
3.2.1.1. 对象的基本特性
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1. 对象的负荷和自衡
当生产过程处于稳定状态时，单位时间内流入或流出对象的物料或能量，叫对象的负荷。负荷稳定对系统有利。
什么叫对象的自衡呢？就是生产过程平衡状态被破坏后，在没有外界的控制作用下，被控变量自行趋向一个稳定值的现象（性质）。
Q入
时间
输出
Q出
有自衡特性的对象
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Q出
Q入
时间
输出
无自衡特性的对象
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2. 对象的放大系数
对于有自衡能力的对象，输入量一定时，输出量最终也是一定的，且不同的输入量对应着不同的输出量。把自衡对象的前后两个状态的输出变化量与输入变化量之比，称为对象的放大系数。
K=（Y2-Y1）/（X2-X1）
K大，控制起来比较灵敏，但稳定性差；K小，则不大灵敏，但较稳定。
x
t
y
t
y2-y1
x2-x1
X
Y
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3. 对象的容量和容量系数
对象的容量就是指对象能够存放物料量或能量的能力。
对象的容量系数就是被控变量变化一个单位时，需要向对象加入或取出的物料量或能量。
S=（Q2-Q1）/（Y2-Y1）
式中： S—容量系数。
Q—容量。
Y—被控变量。
S越大，所引起的被控变量变化就比较慢而小，对象的灵敏度就较低；相反，对象的灵敏度就高。
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4. 对象的滞后时间
对象的被控变量（输出变量）落后于控制作用或扰动作用（输入变量）的现象，叫做滞后。滞后一般分两种：即纯滞后和容量滞后。
当对象的输入作用变化后，输出变量不是立即变化，而是要经过一段时间后才开始变化的现象叫纯滞后。用符号 0表示。
时间
时间
输入
输出
0
0 =s/v
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当对象的输入作用变化后，输出变量开始变化的速度非常慢，然后才慢慢加快，最后又变慢，即成“S型“这种现象叫容量滞后。用符号 c表示。
容量滞后一般是由于物料量或能量在传递过程中有一定有阻力而引起的。
冷凝水
蒸汽
冷流体
热流体
温度计
夹套间壁
装料容器
时间
时间
输入
输出
c
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5.对象的时间常数
当对象的输入作用变化后，输出量以最快速度达到新的稳态值所需要的时间，称对象的时间常数。用符号T表示。
H
时间
液位
时间
液位
时间
温度
时间
温度
H
蒸汽
蒸汽
T
T
T
T
不同对象的反应曲线
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通常用滞后时间τ=τ0+τc与时间常数T的比值来表示对象滞后的严重程度。
当τ/T<0.3为一般滞后对象；
当0.3<τ/T<1为较大滞后对象；
当τ/T>1为大滞后对象。
被控对象的控制通道的滞后时间直接影响控制质量。滞后严重到一定程度，常规的PID控制系统就无能为力了。
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3.2.2 过程控制系统的品质指标
3.2.2 过程控制系统的品质指标
对于一个自动控制系统，扰动作用是经常存在的。假如一个自动控制系统原来处于某一相对平衡状态，由于扰动的作用，平衡被破坏，被控变量也就产生波动，经过控制器的控制作用，使系统达到一个新的平衡状态。从扰动作用，发生时起到控制器的控制作用使系统达到新的平衡时为止，这段时间内被控变量的变化过程，称为控制系统的过渡过程。亦即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
在阶跃扰动（或给定）的作用下，控制系统的过渡过程有如下五种基本形式。
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被控变量
时间
（1）发散振荡过程
设定值
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被控变量
时间
（2）等幅荡过程
设定值
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被控变量
时间
（3）衰减振荡过程
设定值
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被控变量
时间
（4）非周期发散 （5）非周期衰减
设定值
非周期发散
非周期衰减
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被控变量
时间
阶跃给定作用下系统的过渡过程
设定值
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被控变量
时间
阶跃扰动作用下系统的过渡过程
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3.2.2.2 控制系统的控制质量指标
自动控制系统控制质量的优劣，并没有一个绝对的标准。主要根据生产工艺的具体要求而定。通常都希望在受到扰动作用以后，被控变量偏离设定值的程度要小一些，波动要少一些，达到新的稳定状态所花费的时间要短一些。也就是从自动控制系统过渡过程的准确性、稳定性和快速性三个方面来平价它的控制质量。对于最普遍希望的衰减振荡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过度时间和振荡周期等几项。
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评价自动控制系统控制质量好坏的指标主要有：衰减比 、最大偏差A（或超调量）、过渡过程时间T、余差C和振荡周期TS（或振荡频率）。
被控变量
时间
设定值
T
TS
A
B`
B
=
B
B`
C
1.衰减比 ：第一个波峰的幅值B与同方向的第二个波峰的幅值B`之比。通常要求整定在4：1~10：1范围内。
2.最大偏差A：第一个波峰的幅值B与设定值SP之差。
A=|B-SP|
4.过渡时间TS：第一个波峰出现到同方向的第二个波峰出现时所需要的时间。
5.余差C：过渡过程结束后，被控变量与设定值之差。
3.过渡时间T：从扰动作用开始，被控变量从原来的稳态值变化到新的稳态值所需要的时间。
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3.2.3 环节特性对过程质量的影响
一个简单的自动控制系统由４个环节组成，可以概括为由被控对象和自动化装置两个部分组成。影响控制系统过渡过程的主要因素来自这两个部分。下面介绍对象的特性对过程质量的影响。
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3.2.3.1 放大倍数对过程质量的影响
从理论推导和实践证明，在选择构成控制系统时，被控对象控制通道的静态特性──放大倍数K0希望大些。K0大表明操纵变量对被控变量有足够大的灵敏度，使控制作用更为有效。被控对象的放大倍数K0，可以通过整定控制器的放大倍数KC来补偿。被控对象、控制阀和控制器的方块图是串联的，见下图。根据方框图规则，串联环节的放大倍数是相乘关系。控制阀的放大倍数一般是不可调整的，控制器放大倍数 KC有可调范围。如果被控对象的放大倍K0过小，需要改变控制器的放大倍数KC的数值太大，超出了其可调范围，控制器便失去了补偿能力。故被控对象的K0要适当大些，使控制器的放大倍数 KC有可调的余地。
控制器
Kc
控制阀
Kv
被控对象
K0
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自动控制器的工程参数值主要取决于广义对象特性，所以当对象特性和负荷发生变化后，原先整定的工程参数就不相适应，是引起过渡过程曲线品质下降的主要原因。严重时甚至使自动控制系统失调。
化工生产中常见的对象是各类换热器、精馏塔、流体输送设备和化学反应器等。换热器使用日久后管壁产生结垢，从而增大热阻降低传热系数；化学反应器所用催化剂在使用过程中也会不断老化或意外中毒等，使对象的时间常数和滞后增大，这些都是常见的内在因素。此外，对象操作条件的改变；原料组分的波动以及负荷的变化等外界因素也可能使对象特性发生变化。随着对象特性的变化 ，只要将控制器的控制参数相应调整即可恢复控制系统原有的品质指标。
至于被控对象扰动通道的放大倍数Kf应愈小愈好。这表示扰动对被控变量的影响不大，过渡过程的超调量不大，故确定控制系统时，要考虑被控对象扰动通道的静态特性。
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3.2.3.2 时间常数对过程质量的影响
控制器的较正作用，是通过控制通道加于被控对象去影响被控变量的。因而要求被控对象控制通道的时间常数TC适当小，使之反应灵敏，控制及时，获得良好的控制质量。但时间常数TC也不能过小，否则容易引起振荡；同时也不能过大，而使操纵变量校正作用迟缓，超调量大，回复时间加长。
—控制系统—
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3.2.3.3 纯滞后时间对过程质量的影响
控制通道的物料输送和能量传递都要一定时间。这样造成的纯滞后τ0 就会影响控制质量。见下图，为纯滞后对控制质量影响的示意图。
t
y
τ0
C
B
A
D
纯滞后对控制质量的影响
E
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控制通道无纯滞后时，当控制器在t0时间接受正信号而产生校正作用A，从t0 以后被控变量沿曲线D变化；当控制通道有纯滞后τ0时，控制器虽在t0时间后发出了校正作用，由于纯滞后存在，施加给被控变量的校正作用推迟τ0时间，即在τ0时间后校正作用沿曲线B发生变化，被控变量沿曲线E变化。比较E、D曲线，可见纯滞后使超调量增加；反之，当控制器接受负偏差时所产生的校正作用，由于存在纯滞后，使被控变量继续下降，可能造成过渡过程的振荡加剧，以致回复时间拉长。所以，在选择操纵变量构成控制系统时，要设法使控制通道时间常数适当小些，纯滞后尽量小。
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3.3 控制系统中控制器的选择
3.3.1 控制器的类型选择
控制器类型的选择主要依据以下原则。
根据设计的控制系统的要求。
根据企业的自动化水平。
根据工艺变量的要求选择。
化工生产中，控制系统大多是闭环控制系统，因此多采用调节器。
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3.3.2 控制器的控制规律选择
—控制系统—
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所谓控制器 的 控 制 规 律， 就 是 指 当 控 制 器 接 受 了 偏 差 信 号 后， 它 的 输 出 信 号 的 变 化规律。
基本的控制规律却只有四种：双位控制、比例控制、积分控制、微分控制。实际应用中由这四种基本规律可以组合成多种形式。
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第三章 乐建波
A、概念
双位控制是位式控制的最简单形式。例：贮槽液位调节，工艺生产要求贮槽的液面保持在一定的高度H0附近。当液面低于H0时，打开进液阀，向贮槽进液；当液面高于H0时，关闭进液阀，停止向贮槽进液。为实现这一要求，在进液管上安装一常开电磁阀V，如图3-1所示
J
H0
A
B
图3-1 双位控制示例
V
(1)双位控制规律
3.3.2.1 常用的控制规律
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B. 特性分析
双位控制只有两个输出值，相应的执行器也只有两个位置，不是开就是关（不是最小就是最大），而且从一个位置到另一个位置在时间上是很快的，如图3-2所示。
Δp
e
开位
开位
关位
图3-2 理想的双位控制特性
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实际应用的双位控制器都有一个中间区（也称不灵敏区）。在中间区内阀门是不动的。这样既满足了工艺要求，又减少了执行器频繁动作引起的磨损，延长了使用寿命。实际的双位控制器的控制特性如图3-3所示。
图3-3 实际的双位控制特性
Δp
e
开位
关位
+ε
-ε
H0
+ε
-ε
H
Q
100%
0%
t
t
图3-4 双位式液位控制过程
C、实际特性
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D.特点
(1) 双位控制结构简单，成本较低，易于实现，因此应用很普遍；
(2) 存在不灵敏区；
(3) 控制结果是便被控变量在上限与下限之间做等幅振荡。
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E. 应用
图3-5 XCT型动圈式双位指示调节仪工作原理
工厂和实验室中，常用XCT型动圈式指示控制仪对一些电加热设备进行双位式温度控制，其工作原理如图3-5所示。
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(2) 比例控制规律（P）
A．比例控制规律
比例控制规律是指控制器的输出变化量—控制信号Δp（也即阀门的开度改变量）与控制器的输入（偏差）成正比。
Δp = kp e
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B.控制器阶跃响应关系
比例控制器
kp
e
Δp
e
t
t
Δp
kpe
(a) (b)
图3-6 比例控制器的阶跃响应特性
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C. 应用
(a) (b)
图3-7 简单比例控制系统示意图
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D.特点
（1）比例控制及时；
（2）比例控制有余差；
（3）比例放大倍数kp表示比例控制作用的强弱，kp越大，比例作用越强。
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E．比例度（δ）
(1) 所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。用式子可表示为：
(2) 对于单元仪表而言，Xmax—Xmin 、Pmax—Pmin是固定的
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例：
一台温度控制器，它的量程（温度范围）是400℃~800℃，电动温度控制器的输出是4~20mA，当测量指针由600℃变到700℃时，控制器的输出由8 mA变到了16 mA，其比例度为：
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比例度的意义
当Δp=Pmax—Pmin，即输出变化全范围时，
比例度的含义在于表示了使控制器输出变化全范围（100%），输入偏差e变化量为输入量程范围的百分数。
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(3) 积分控制规律（I）
A．积分控制规律及特点
所谓积分控制规律就是控制器的输出变化量Δp与偏差的积分成正比。习惯上作“I”表示。
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积分控制规律在阶跃输入下的输出变化曲线
KI大
KI大
e
Δp
t
t
3-8 积分控制的阶跃响应曲线
如下特点：
⑴积分控制无余差； ⑵积分控制过程比较缓慢；
⑶积分放大倍数越大，积分作用越强。
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(4)比例积分控制规律（PI）与积分时间（TI）
在实际应用中，将比例控制规律与积分控制规律结合起来，构成比例积分控制规律
积分时间，以时间为单位
积分时间TI与积分速度KI成反比。积分时间TI越小，积分速度KI越大，积分作用变化越快，积分作用越强，反之，积分时间TI越大，表示积分作用越弱；积分时间为无穷大，则表示没有积分作用，控制规律就成为纯比例了。
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(5)微分控制规律（D）
理想的微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比。用数学式表示为：
微分控制规律具有如下特点：
⑴微分控制规律具有“超前作用”；
⑵对于固定不变的偏差，不管有多大，微分控制作用为零；
⑶微分时间TD表示微分作用的强弱。TD越大，作用越强；TD等于零，没有微分作用。
A．微分控制规律及特点
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在实用工作中，一般采用似微分控制规律。
Δp
Δp
e
(a)
(b)
(c)
图3-9微分控制规律阶跃响应曲线
t
t
t
微分控制规律表示为：
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B．实际微分控制规律及微分时间TD
ΔPp
ΔPD
Δp
e
A
图3-10 实际微分的阶跃响应曲线
实际微分控制规律是 比例作用与近似微分作用
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(6) 比例微分控制规律
实际微分控制器的比例度是固定不变的。所以也不能单独使用。工程上常把微分控制器与比例控制器组合使用，构成比例度和微分时间都可调整的比例微分控制器。它的控制规律实质上是比例控制作用和微分控制作用的叠加，既有比例的控制作用迅速及时的特点，又有微分控制的超前作用。可用数学表达式为：
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例
有一微分控制器，当输入阶跃变化量1mA，输出由5mA到15mA，经过30秒钟，输出下降到8.31mA，最后稳定在6mA上。问，此控制器的微分时间是多少？
解：分析输出变化情况可知：开始的跳变量为：
=15-5=10mA，因A=1mA，
所以，KD=10；
最后的输出变化量为：6-1=1mA
T=0时，；10-1=9
T=30秒时，8.31-6=2.31
2.31mA 刚好是9mA的36.8%，即这30秒就是时间常数T，T=30秒。
因为，TD=KDT，
所以，TD=10×30=300秒。
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(7) 比例积分微分控制规律
比例、积分、微分控制规律简称PID三作用控制规律，它是比例、积分、微分三种基本控制规律的组合，集三类的优点于一体，广泛应用于容量滞后大，又要进行无差控制的场合，它以比例作用为基本控制作用，以微分的超前控制作用克服被控对象的容量滞后，以积分作用最后消除余差。其特性可用数学表达式表示为：
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t
t
e
p
A
t0
t1
t2
如下图所示，开始瞬间t0时刻积分作用为零，ΔP= ΔPP+ ΔPD。在t2 时刻之后，微分作用完成，ΔPD=0，ΔP= ΔPP+ ΔPI 。在t1时刻，ΔPD= ΔPI， P=ΔPP+2PI。 在任何时刻输出P都是比例作用 ΔPP、积分作用 ΔPI和微分作用 ΔPD三者之和。 根据叠加原则找到若干点，然后把它们连成一条平滑曲线，即为PID 三作用控制器在阶跃输入作用下的输出特性曲线─PID 三作用控制器阶跃响应曲线。
*
总结
通过上述比例、积分、微分三种控制规律，进行组合，就可获得生产控制中所需的比例P、比例微分PD、比例积分PI及比例积分微分PID等多种控制规律。
在 ＰＩＤ 控制中，有三个操纵变量，就是比例度δ，积分时间 Ｔｉ，微分时间 Ｔｄ，适当组合这三个 参 数，可 以 获 得 良 好 的控制质量。
把 ＰＩＤ 控制器的 Ｔｄ调到零，就构成一个 ＰＩ控制器。如果把 ＰＩＤ 控制器的 Ｔｉ调到最大，就构成了一个 ＰＤ 控制器，把 ＰＩＤ 控制器的δ 调到最 大，Ｔｉ调到最大，Ｔｄ调到最小，就几乎不起任何控制作用了。
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3.3.2.2 控制规律对控制质量的影响
本节知识问答：
什么叫控制器的特性（控制规律）？
什么是比例、积分和微分控制规律
δ、Ti和Td的改变对过渡过程有什么影响？
*
t
y
t
y
t
y
t
y
t
y
δ小于临界值，发散振荡
δ =临界值，等幅振荡
δ 太小，振荡加剧，稳定性差
δ 适当
δ 太大，稳定性好，非周期衰减，最大偏差及余差大。
（1）比例度对过渡过程的影响
*
t
y
t
y
t
y
t
y
Ti太小
振荡加剧，削弱稳定性
Ti适当
4：1~10：1衰减
Ti太大
积分作用不明显，余差消除很慢。
Ti→∝
纯比例作用，产生余差
（2）积分时间对过渡过程的影响
*
（3）微分时间对过渡过程的影响
Td太大，易引起系统振荡
Td太小，则微分作用不明显，不但动偏差大，而且波动周期长
Td→0纯比例作用，产生余差
Td适当，动偏差小，余差也较小，但系统的稳定性较差4：1~10：1衰减
*
（4）不同控制规律下的过渡过程比较
*
3.3.2.3 控制器控制规律的选择
①广义对象控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，如温度控制系统，采用微分作用有良好效果，可采用PD规律；如果控制系统不希望出现余差，采用积分作用可以消除余差，可以选用PID控制规律。这种情况一般不选用PI控制规律，因积分作用有滞后而影响控制质量。
②当广义对象控制通道存在纯滞后时，若用微分作用来改善控制质量是无效的，需要采用特殊方法，或设计成复杂控制系统，或采用Smith补偿等新型控制系统。
③当广义对象控制通道时间常数较小，而负荷变化也较小时，为消除余差，可以采用PI控制规律，如流量控制系统。
④当广义对象控制通道时间常数较小，而负荷变化很大时，选用微分作用易引起振荡，一般采用P或PI控制规律。如果控制通道时间常数非常小时，可采用反微分作用来提高控制质量。
⑤当广义对象控制通道时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，简单控制系统无法满足要求，可以采用复杂控制系统来提高控制质量。
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3.3.3 简单控制系统中控制器的正、反作用判断
3.3.3.1 环节的作用方向的定义
检测元件与变送器环节: 该环节的输入是被控变量，输出是变送器的输出信号。一般情况下，为了表示清楚，变送器的信号与被控变量的变化方向一致，为正作用方向。
执行器环节: 在化工生产中的执行器多为气动薄膜调节阀，其输入为控制器输出控制信号，输出为阀门开度。因此，气开阀为正方向，气关阀为反作用方向。
被控对象环节: 现在讨论的是控制通道，因此，对象的输入是操纵变量，输出是被控变量。若操纵变量增加，被控变量也增加，被控对象为正作用方向。否则，为反作用方向。
控制器环节: 控制器的输入是偏差，输出的是到调节阀上的控制信号。当控制器处于正作用时，检测信号增加，控制器的输出也增加；反作用时相反。
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3.3.3.3 控制器作用方向判断举例
热料
TT
TC
液氨
气氨
冷料
图3-20 氨冷器的出口温度控制系统
原料
燃料
TT
TC
图3-19 加热炉出口温度控制系统原理图
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3.4 简单控制系统的投运及参数整定
3.4.1 控制器参数的工程整定
要获得一个好的控制质量，首先取决于控制方案本身是否合理，操作人员可以做的只是如何将控制器的参数操作在合适的值，这就要通过控制器的参数整定来解决。所谓控制器参数的整定，就是求取最好的过渡过程中控制器的比例度δ、积分时间 Ｔi、微分时间 Ｔd的具体数值的工作。
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3.4.1.1 经验法
经验法即根据δ、TI和TD对过渡过程的定性关系进行凑试，从控制品质曲线逐步找到最佳整定参数，各种控制系统控制器参数的大致范围见“经验法参数整定表”。
经验线法参数整定表
被控变量 特点 δ % TI TD
流量 对象时间常数小， δ应较大，TI较小，一般不用微分。 40~100 0.1~1
温度 对象容量多，过渡滞后大，需用微分。 20~60 3~10 0.5~8
压力 对象过渡滞后一般不大，不大用微分。 30~70 0.4~3
液位 在容许有余差时，不必用积分，一般不用微分。 20~80
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3.4.1.2. 临界比例度法
在纯比例作用下，找出达到等幅振荡的临界比例度δK及临界周期TK，然后按“临界比例度法参数整定表”所示内容确定控制参数。
控制规律 控制器参数
δ % TI TD
P 2δK
PI 2.2 δK 0.85 TK
PID 1.7 δK 0.50 TK 0.125 TK
临界比例度法参数整定表
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3.4.1.3. 衰减曲线法
在纯比例作用下，找出达到规定衰减比N下的比例度δS及周期TS或上升时间TR，然后按“衰减曲线法参数整定表”所示内容确定控制器参数。
控制规律 控制器参数（N=4：1）
δ % TI TD
P δS
PI 1.2 δS 0.5 TS
PID 0.8 δS 0.3 TS 0.1 TS
衰减曲线法参数整定表
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控制规律 控制器参数（N=10：1）
δ % TI TD
P δS
PI 1.2 δS 2 TR
PID 0.8 δS 1.2 TR 0.4 TR
衰减曲线法参数整定表
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3.4.2 简单控制系统的投运
3.4.2.1 简单控制系统的组成和特点
凡是用一个测量元件或变送器、一个控制器和一个控制阀，对一个被控变量进行控制的系统，都叫做简单控制系统。
控制器
调节阀
被控对象
变送器
x
z
e
p
q
y
f1
fn
简单控制系统方块图
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特点
只有一个被控变量y和一个设定值x，亦即是单参数的定值控制系统。
控制系统采用的控制器是连续作用的。为适应不同对象的需要，控制器本身的参数（比例度σ、积分时间Ti和微分时间Td）均可以根据需要而改变。
控制系统是按偏差原理进行的，只有当设定值x与被控变量经变送器变换成测量值z，并出现偏差e时，控制器才有输出p，作用在调节阀上，系统才开始产生新的控制作用q，克服扰动f1，f2……对被控对象的影响。
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3.4.2.2 简单控制系统的投运
1. 准备工作。投运前必须熟悉工艺过程、了解对象特性、弄通控制方案及各个环节的具体情况。例如，测量元件和调节阀规格、安装情况及走向，对象特性曲线试验等等。
2. 检查管线、电线线路。
导线、导管是自动控制系统的信号通道，为保证信息的正确传递，必须作好以下几项工作：
① 气源和导压管线的查错、查漏、查堵。
② 电源和信号线的查错（包括标号、极性和外接电阻等）；查短路和绝缘电阻；查端子接触情况。
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3. 检查仪表及执行机构。
投运前仪表及执行机构的现场检查，一般采用系统校验。即在调节阀的切断阀关死的情况下，进行控制系统的闭环试投，详细观察各个环节是否合乎要求（如测量仪表示值、量程、精度；控制器正、反作用、控制点偏差、PID参数；调节阀正反向行程变差等等）。如发现某环节有不符合技术要求的，抽出单独检查校验。在系统校验中，测量信号根据需要采用各种信号源。
测量仪表的投运及控制器的手动遥控。控制系统闭环试投后，可将测量仪表投入运行，用控制阀的旁通阀手动控制使工艺稳定，被控变量稳定在设定值。然后进行旁通阀控制阀的手动遥控切换。
切换到自动 按电动调节器手动切换到自动的要求作好准备，然后再切向自动，实现自动控制 .
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3.4.2.3 系统调整
自动控制系统投运后，经过长期运行，还会出现各种问题。在实际操作中，应具体问题具体分析，下面从控制方面举几种情况作为分析问题的启发。
１.被控对象特性变化；
２.测量系统的问题；
３.控制阀使用中的问题；
４.控制器故障；
５.工艺操作的问题。
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3.4.2.4 常见故障判别
（1）记录曲线的比较
①记录曲线突变 工艺变量的变化一般比较缓慢而有规律，如果曲线突然变化到“最大”或“最小”极限位置，很可能是仪表故障。
②记录曲线突然大幅度变化 各个工艺变量之间往往是互相联系的，一个变量的大幅度变化一般都要引起其它变量的明显变化，若其它变量无明显变化，则这个指示大幅度变化的仪表及其相关元器件可能有故障。
③记录曲线不变化 目前的仪表大都很灵敏，工艺变量有一点变化都能有所反映。如果较长时间内记录曲线一直不动或原来的曲线突然变直时，就要考虑仪表出现故障。这时，可以人为改变一点工艺条件，看仪表有无反应，若无反应则可确定仪表有故障。
（2）控制室与现场同位仪表比较
对控制室的仪表指示有怀疑时，可以去看安装在现场的相应仪表（同位仪表），两者的指示值应当相等或相近，如果差别很大，则仪表有故障。
（3）两仪表间比较
有的重要工艺变量，用两台仪表同时进行监测显示，若两者变化不同或指示不同，则至少有一台故障。
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TC
载热体
冷凝液
被加热介质
至下工序
3.5.1. 无相变换热器的温度控制
换热器是对工艺介质进行热交换的工艺设备，其被控变量一般是被加热介质的出口温度，操作为供（吸）热的另一介质的流量，称热载热体流量
3.5 简单控制系统实例
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3.5.2 载热体冷凝加热器的温度控制
1. 蒸汽换热器常用的温度控制方案（一）
TC
列管式热交换器温度控制系统
蒸汽
冷凝液
被加热介质
至下工序
方案一：在加热器出口，通过温度变送器TT将测量参数送到温度控制器TC，由TC送出调节信号控制蒸汽流量的大小，使得物料出口温度达到工艺指标。
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2. 蒸汽换热器常用的温度控制方案（二）
TC
列管式热交换器温度控制系统
蒸汽
冷凝液
被加热介质
至下工序
方案二：是蒸汽一定，用三通阀将物料分开，只将一部分通过加热器，然后冷热物混合，温度变送器TT将测得混合后的物料温度送至控制器TC，由TC来控制三通阀冷热物料的分流，这样可把一部分流体的传热过程转换为混合过程，使原来对象的滞后时间τ减小，从而改善控制质量。
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底部产品
顶部产品
冷却剂
回流罐
精馏塔
加热剂
精馏塔的物料流程
回流
进料
再沸器
冷凝器
3.5.3 精馏塔的控制
3.5.3.1 控制要求
A 、 质量指标
B、物料平衡
C、约束条件
3.5.3.2 主要扰动分析A 、塔压的波动，
B、进料的量、成分和加热量的变化
C、塔的蒸汽速度和加热量的变化。
D、回流量及组分变化影响大。
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冷却剂
回流罐
精馏塔
方案二 提馏段温控的控制
再沸器
冷凝器
TC
LC
LC
FC
FC
PC
这种方案主要用于以塔底为主要产品，对塔釜的成分要求比馏出液高时。此外，对塔顶和塔底产品质量要求相近，在液相进料时，也往往采用此方案。因为液相进料流量 Ｆ 的变化先影响到釜液成分，故用提馏段控制较及时，同时用蒸汽量作为操纵变量比用回流量控制迅速。
F
3.5.3.3 提馏段温度控制方案
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本章小结
（1）自动控制系统是利用自动化装置替代人工操作，使生产在一定程度上自动运行。
（2）自动控制系统由控制器、执行装置、检测元件与变送器和被控对象四部分组成。在化工相关资料中用图形符号表示相关仪表和控制系统的功能。
（3）一个控制系统设计的好坏，取决于被控对象的特性和控制方案设计。而判断一个控制系统好坏的指标称为控制系统的品质指标。常用的品质指标有最大偏差与超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间等。
（4）只有一个控制器、一个执行器、一个检测元件和变送器、一个被控对象，旨在稳定一个变量的系统为简单控制系统。
（5）常用的控制规律包括双位控制及P、PI、PD、PID组合控制规律。比例度、积分时间、微分时间为控制参数。
（6）控制器的作用方向的判断方法是各环节方向相乘为负的原则。简单控制系统的控制器参数整定常用的方法包括经验试凑法、衰减曲线法、临界比例度法。

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