过程控制及仪表装置第五章
过程控制系统及仪表17其他控制系统比值
意变化，出现大幅度波动，致使副变量在生产过程中对设定
值出现较大偏差，动态时主、副流量比值会较大的偏离工艺要
求值。
动态比值精度差
因 此 ， 不 适 应 动 态 比 值要 求 严 格 ， 负 荷 化 较 大的 场 合 。 例 ： 图2 - 5 - 3， 丁 烯 洗 涤 塔 进 料 量 与洗 涤 水 量 的 比 值 控 制 系统 。 （ 三 ） 、 双 闭 环 比 值 控制 系 统
质量指标
3.主、副物料温度、压力变化：对气体流量来说，K没变，但 在新温度、压力下的比值已不能表示两流体原来的真实流量 比，最终将影响产品质量指标y，使主控制器输出变化，从而 修正比值控制器的设定值，使系统在新的比值上从新稳定。
本章重点： 比值控制系统的基本概念和结构； 前馈控制系统的基本概念和结构：
前馈特点、前馈反馈、前馈串级控制系统。
第五章 其他控制系统
第一节 比值控制系统
一、基本概念 水泥生产：熟料、石膏、矿渣按一定比例配比研磨； 硝酸生产：氧化炉进料氨气和空气按一定比例配合，
以使氧化反应顺利进行，保证安全； 锅炉燃烧：燃料和空气按一定比例进入炉膛，保证完
去掉比值后，双闭环系统是两个独立的单回路，同样可以保 持比值。
主流量参数整定时，尽量保证其输出为非周期变化，以防 “共振”。两个控制器均选PI 控制作用。
例：图2-5-5,异丁烷-丁烯留分与硫酸的双闭环比值控制系统
过程控制系统及仪表王再英等课后答案(全)
..
第1章思考题与习题
1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？
解答：
1．控制对象复杂、控制要求多样
2. 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式
5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成
1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？
解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。组成：参照图1-1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？
解答：分类方法说明：
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类：
1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
（3）程序控制系统
2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1-5 什么是定值控制系统?
解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
过程控制技术第5章
（2）为了整定控制器参数、优化控制性能 选定了控制方案和算法之后，并不等于工作完成了，还需进行细化，使之完美。通过数学 模型的试验，可以进一步完善控制方案、优化控制器参数，使得系统的性能达到最佳状态。如 果改用实际系统来做，费时费力是很现实的问题。通过数学模型仿真获得预期结果后，将仿真 试验中确定的数据和参数直接用于实际系统，虽然不能保证百分之百的准确，起码是建立了基 础，往往在此基础上稍加修改，基本上可再现原预期效果。 （3）为了进行仿真试验 出于成本和安全的原因，有些过程控制由于实验的成本太大，或者危险性太高，不便进行 实际系统的试验和核实，为了检验所选方案的可行性与合理性，改用其数学模型代替实际过程， 进行仿真模拟试验，同时也为优化设计和修改缺陷等提供机会。如核电站的控制、大型水电站、 火力发电厂的控制等。
过程数学模型的类型分集中参数、分布参数和混合参数三种不同的过程。但对工业过程控 制而言，实践中用得最多的还是集中参数的数学模型，这是因为它简单易行，同时一般工业过 程对作控制用的模型要求也不是很高（一些特殊要求的除外）。所以，下面的讨论将以集中参 数、单输入ຫໍສະໝຸດ Baidu单输出的过程为主。
过程控制系统与仪表 第5章 被控对象的数学模型
过程控制系统与仪表 第5章 章
由于影响生产过程的因素较多， 由于影响生产过程的因素较多，单纯用机理法 建模较困难，一般用机理法的分析结论， 建模较困难， 一般用机理法的分析结论， 指导测试 结果的辨识。 结果的辨识。
过程控制系统与仪表 第5章 章
5.3 机理法建模 5.3.1机理法建模的基本原理 机理法建模的基本原理 通过分析生产过程的内部机理， 通过分析生产过程的内部机理，找出变量之间的 产过程的内部机理 关系。如物料平衡方程、能量平衡方程、 关系。如物料平衡方程、能量平衡方程、化学反应定 电路基本定律等，从而导出对象的数学模型。 律、电路基本定律等，从而导出对象的数学模型。 1、流入、流出量 、流入、 由外部流入被控过程的物质或能量流量称流入 量。 从被控过程流出的物质或能量流量称流出量。 从被控过程流出的物质或能量流量称流出量。
h0 Q20
阀门1 阀门
Q10 阀门2 阀门
过程控制系统与仪表 第5章 章
假定某一时刻，阀门1突然开大 1 ， 则Q1突然 假定某一时刻，阀门 突然开大∆µ 突然开大 增大，不再等于Q 也就开始变化。 增大，不再等于 2，于是 h也就开始变化。 也就开始变化 Q1与Q2之差被囤积在水槽中，造成液位上升。 之差被囤积在水槽中，造成液位上升。 （ ∆Ql - ∆ Q2 ）/ A = d∆h / dt ∆h ∆Q2 = Rs ∆ Q1 = Kµ∆µ1
过程控制及仪表5 dlh
控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控 制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。
随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预 测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。
生产过程：广义的生产过程是动量传递、热量传递、质量传递的过程。 由于各种干扰因素的影响，过程会出现不稳定，表现为工艺参数（如温度、 流量、压力、液位、浓度、成份等）的波动。
举例：水泥生产中的原料制备、炼油、陶瓷生产、原料输送、锅炉、 发电、采矿、城市供水、化工、制药……
为了稳定参数，必须对某些参数加以控制——生产过程控制系统。
测量值z
u
q 执行器
测量元件、变送器
扰动 d
控制对象
被控量 y
被控量：y
图1-2 过程控制系统原理Байду номын сангаас图
单变量控制系统：只有一个被控量
多变量控制系统：两个以上的被控量和(或)操纵量
被控量由传感器检测，由变送器转换为标准信号。例如将T、L、P、F、
PH等转换成mV、位移、电容等，由变送器转换成4-20mA DC或20-100kPa输出。
变送器的输出就是被控量的测量值。
14
过程控制第5章简单控制系统设计
1 (100S+1) GQ(S)
2
T2
换热器2（输入：蒸汽压力流量fp；输出： 冷、热风混合处的温度T2 ）
GP(S) = 1 (100S+1)(100S+1) 空 气
产 品
风管（输入：冷、热风混合处的温度T2； 输出：干燥温度T1）
GF(S) = e-3S
fQ fW
WWW
3 GF(S)
高位槽 过滤器A
1
乳 化 物 过滤器B T1
干燥筒
2
T2
产 品 空 气
WWW
3
蒸 汽
乳化物干燥系统示意图
各个环节的传递函数
：
高位槽
1
干燥筒（输入：乳化物流量fw；输出：干燥温度T1）
GW(S)
= 1 (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) e-2S
过滤器
乳 化 物 T1
换热器1（输入：通过调节阀2的旁路空气流 量fQ；输出：冷、热风混合处的温度T2 ）
2、控制通道动态特性的影响
控制通道传函：
K o 0 s W0 ( s) e To s 1
控制通道时间常数 T0 ？ 小一点好 Ｔ0小：反映灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响； 但Ｔ0太小系统易振荡，使系统稳定性下降。 Ｔ0过大：控制变量的校正作用迟缓，控制不及时，过渡时间增长，超调量 增大 控制通道纯滞后τ 0？ 越小越好（最好能避免） τ 0作用：使系统响应不及时；降低系统稳定性，超调量增加， 偏差增加。
过程控制系统及仪表课后习题答案解析[完整版]
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第1章思考题与习题
1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？
解答：
1．控制对象复杂、控制要求多样
2. 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式
5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成
1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？
解答：
过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统.
组成：参照图1—1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？
解答：
分类方法说明：
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分，有比例(P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分(PID)控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:
1．按设定值的形式不同划分:（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
(3）程序控制系统
2．按系统的结构特点分类:（1）反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1-5 什么是定值控制系统？
解答:
在定值控制系统中设定值是恒定不变的,引起系统被控参数变化的就是扰动信号。1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？
控制仪表及装置复习要点及习题
概论思考题与习题
0-1 控制仪表与装置采用何种信号进行联络？电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？
0-2 说明现场仪表与控制室仪表之间的信号传输及供电方式。0～10mA的直流电流信号能否用于两线制传输方式？为什么？
0-3 什么是本质安全型防爆仪表，如何构成本质安全防爆系统？
0-4 安全栅有哪几种？它们是如何实现本质安全防爆的？
第一章思考题与习题
1-1 说明P、PI、PD调节规律的特点以及这几种调节规律在控制系统中的作用。
1-2 调节器输入一阶跃信号，作用一段时间后突然消失。在上述情况下，分别画出P、PI、PD调节器的输出变化过程。如果输入一随时间线性增加的信号时，调节器的输出将作何变化？
1-3 如何用频率特性描述调节器的调节规律？分别画出PI、PD、PID的对数幅频特性。
1-4 什么是比例度、积分时间和微分时间？如何测定这些变量？
1-5 某P调节器的输入信号是4～20mA，输出信号为1～5Ｖ，当比例度δ=60%时，输入变化6mA所引起的输出变化量是多少？
1-6 说明积分增益和微分增益的物理意义。它们的大小对调节器的输出有什么影响？
1-7 什么是调节器的调节精度？实际PID调节器用于控制系统中，控制结果能否消除余差？为什么？
1-8 某PID调节器（正作用）输入、输出信号均为4～20mA，调节器的初始值I i=I0=4mA，δ=200%，T I=T D=2min，K D=10。在t=0时输入ΔI i=2mA的阶跃信号，分别求取t=12s 时：（1）PI工况下的输出值；（2）PD工况下的输出值。
过程控制第五章
上式说明等效对象的时间常数缩小了(
1 Kc 2 Kv K p 2 K m 2
)
倍，且随副调节器的比例增益的增大而缩小,从而加快了副
环的响应速度。
b）工作频率提高
串级控制系统的特征方程：
1 Gc 2 ( s )Gv ( s )G p 2 ( s )Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s )Gv ( s )G p1 ( s )G p 2 ( s )Gm1 ( s ) 0
例：串级系统的框图为：
D2 (s)
D1 (s)
R1 ( s)
Y1 ( s)
Gc1 (s)
Gc 2 (s)
G p 2 ( s)
Gp1 (s)
其中：
1 G p1 ( s) (30s 1)(3s 1) G p 2 ( s) 1 (10s 1)(s 1) 2
假定主回路各环节传递函数：
y2
Gc1 (s) Kc1 Gm1 (G s)(s Km1 Gp1 (s) )
v
K p1 y1 Tp1s 1
G p 2 (s)
K p2 Tp 2 s 1
Gc 2 ( s ) K c 2 Gm 2 ( s ) K m 2
Gv ( s ) K v
一、实际生产例子
例 1 连续槽反应器温度控制 （如图5－1）
第五章简单控制系统的设计及参数整定方法-资料
5. 设备选型 6. 实验验证
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学8 院
过程控制与检测仪表
三. 过程控制系统设计的主要内容
内容包括
方案设计：即系统组成和控制方式，是设计的核心，方案不 合理，选何种仪表都无作用。 工程设计：指仪表选型，控制室和仪表盘设计，供电供气系 统的设计，信号连锁和系统保护。 工程安装与仪表调校。 调节器参数整定：设置调节器参数，使系统运行在最佳状态。
快：系统从一种工作状态向另一种工作 状态过渡时间要短，即衰减振荡短。
工程上三者往往相互矛盾，如要精度高则平稳受影响，要 平稳则快速性受削弱，一般应满足最重要要求，分清主次。
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学6 院
过程控制与检测仪表
二. 过程控制系统设计的基本方法与步骤
武汉理工大学机电工程学4 院
过程控制与检测仪表
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学5 院
过程控制与检测仪表
第一节 过程控制系统设计概述
一. 对过程控制系统的一般要求
稳：控制系统必须是稳定的，且有一定 的稳定裕量。
准：系统被控参数的实际运行状况与希 望状况的偏差要小，控制精度要高。
过程控制与自动化仪表(第3版) 第5章 思考题与习题汇编
速度加快，稳态误差减少，但过大会是超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，甚至 导致系统不稳定。
（2）对同一个控制系统，在比例控制的基础上分别增加：①适当的积分作用；②适 当的微分作用。试问：
1）这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差、残差分别有何影响？
2）在保持相同稳定性的条件下，应如何分别调整调节器的比例带 ？并说明理由。
第 5 章 简单控制系统的设计 161
答：
1）微分调节对于纯时延过程是无效的。 2）由于在纯时延时间里参数的变化率为零，所以微分环节对纯滞后是无效的。 （9）调节器参数都有哪些工程整定方法，各有什么特点，分别适用于什么场合？ 答：
1）临界比例度法：是一种闭环整定方法，它是直接在闭环系统中进行，不需要测试 过程的动态特性，其方法简单，使用方便，因而广泛使用。缺点是对生产工艺过程不能反
第 5 章 思考题与习题
1．基本练习题
（1）过程控制系统方案设计的主要内容有哪些？一般应怎样选择被控参数？ 答： 1）主要内容有:熟悉控制系统的技术要求和性能指标；建立控制系统的数学模型；确 定控制方案；根据系统的动态和静态特性进行分析与综合；系统仿真与实验研究；工程设 计；工程安装；控制器参数整定。 2）被控参数的选择： 对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环 境保护等具有决定性作用的、可直接进行测量的工艺参数作为被控参数。 当难以用直接参数作为被控参数时，应选取直接参数有单值函数关系的所谓间接参数 作为被控参数。 当采用间接参数时，该参数对产品质量应该具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证 对产品质量的控制效果。 被控参数的选择还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等 因素。 （2）控制通道 / T0 的大小是怎样反映控制难易程度的？举例说明控制参数的选择 方法？ 答： 1）一般认为，当 / To 0 . 3 时，系统比较容易控制；而当 / To 0 . 5 时，则较难 控制，需要采取特殊措施，如当 难以减小时，可设法增加T o 以减小 / To 的比值，否则 很难收到良好的控制效果。 2）控制参数的选择方法： 选择结果应使控制通道的静态增益 K o 尽可能大，时间常数T o 选择适当。 控制通道的纯时延时间 o 应尽可能小， o 与T o 的比值一般应小于 03。
[第5讲] 自动化仪表及过程控制 第五章 单回路控制系统设计
![[第5讲] 自动化仪表及过程控制 第五章 单回路控制系统设计](https://img.taocdn.com/s3/m/f74855ee8bd63186bcebbcbc.png)
第五章单回路控制系统设计
⏹本章提要
1.过程控制系统设计概述
2.单回路控制系统方案设计
3.单回路控制系统整定
4.单回路控制系统投运
5.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。
过程自动化及仪表第五章
执行器如气动薄膜控制阀的执行 机构和调节机构组合起来可以实现气 开和气关式两种调节。
气动控制阀的气开、气关特性
气关阀：供气量越大，阀门开度越小， 而在失气时则全开，称FO型。 气开阀：供气量越大，阀门开度越大， 而在失气时则全关，称FC型；
Δp(kp) 100 Δp(kp) 100
20 全关
全开 气关阀
形式有传统结构和改进结构。
薄膜式
•传统型
国产正作用式执行机构称为ZMA型，反作用式执行机构称 为ZMB型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信 号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式） 进入气室。
•侧装式气动执行机构（增力式执行机构） 特点：薄膜式膜头装在支架的侧面
• 轻型气动执行机构 特点：结构上采用多根弹簧，结构 紧凑、重量轻、高度降低、输出推 力增大（图见P89）
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
控制装置
测量值 y(t)
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
检测元件、变送器
简单控制系统的方块图
组成：执行机构和调节机构
执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生 推力或位移的装置。 调节机构：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，通常指控制阀。
过程控制系统及仪表 王再英等 课后答案(全)
第1章思考题与习题
1—1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制?
解答：
1．控制对象复杂、控制要求多样
2. 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式
5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成
1—2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成?
解答:过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。组成：参照图1-1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类?
解答:分类方法说明：
按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统;按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分,有比例（P）控制、比例积分（PI）控制,比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:
1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
（3)程序控制系统
2．按系统的结构特点分类：（1)反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1—5 什么是定值控制系统?
解答:在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
过程控制系统第五章
D
h 截面积为S. 再设容器的有效长
l
度为l (两端凸出部分视具体情
况估算或忽略), 则可得有效容
S 积V lS , 若正常生产时的流量为Q, 则停留
时间t V / Q lS / Q . 对左下图立式容器,
h 其有效容积 V ( / 4)D2h,停留时间
t V / Q D2h/ 4Q , 停留时间与控制器参数
1 Kc1
c1
hmax qmax
Km1 Km2
(2)当 Wc1(s) Kc1(1 1/TI s), D1(s) d1 / s
据前推导有: 1
H (s) As K K m1 o2 'Wc1(s)
D1(s)
As
1 K K m1 o2 ' Kc1(1 1/ TI s)
d1 s
d1
As2 K K m1 o2 ' Kc1s Km1Ko2 ' Kc1 / TI
q 乙塔 的目的不是为了提高
LC QC
主变量液位的控制质
h
(r""z)
量, 而主要是克服控
制阀前后压力的波动
及自衡作用对流量的
影响, 使液位和采出流量变化平缓. 设干扰使甲塔液位上升, 正作用的液位控制器 LC
的输出信号随之增大, 通过反作用的流量控制器 QC
使控制阀缓慢开大, 则液位不是立即快速下降, 而是继
过程控制技术-第五章 复杂控制系统
5 复杂控制系统
副控制器 ——按副被控变量的测量值与主控制器输出 ——按副被控变量的测量值与主控制器输出 的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制控制阀动 作。 主 回 路 ——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、 ——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、 主测量变送器组成的闭合回路。 副 回 路 ——由副控制器、副被控过程和副测量变送 ——由副控制器、副被控过程和副测量变送 器组成的闭合回路。 一次扰动 ——不包括在副回路能的扰动。如图5-2中 ——不包括在副回路能的扰动。如图5 被加热料的流量和炉前温度变化。 二次扰动 ——包括在副回路内的扰动。如图5-2中燃 ——包括在副回路内的扰动。如图5 料方面的扰动和烟囱抽力的变化。
5 复杂控制系统
（2） 用于克服被控对象的纯滞后 当工业过程纯滞后时间较长，有时可应用串级 控制系统来改善其控制质量。即在离控制阀较 近、纯滞后较小的地方，选择一个副变量，构 成一个纯滞后较小的副回路。把主要扰动包括 在副回路中。在其影响主变量前，由副回路实 现对主要扰动的及时控制，从而提高控制质量。 下面举例说明。
5 复杂控制系统
（2）串联控制统的名词术语 为了便于分析问题，下面介绍串联控制系统常用的 名词术语。 主被控变量——在串联控制系统中起主导作用的那个被 主被控变量——在串联控制系统中起主导作用的那个被 控参数。如上例中的炉出温度。 副被控变量——串联控制系统中为了稳定主量而引入的 副被控变量——串联控制系统中为了稳定主量而引入的 中间辅助参数。如上例中的炉 膛温度。 主被控过程——由主被控变量表征其特征的生产过程， 主被控过程——由主被控变量表征其特征的生产过程， 其输入量为副被控参数。输出量 为主被控参数。 副被控过程——由副被控变量为输出的生产过程，其输 副被控过程——由副被控变量为输出的生产过程，其输 入量为控制参数。 主控制器 ——按主被控变量的测量值与设定值的偏差进 ——按主被控变量的测量值与设定值的偏差进 行工作的控制器，其输出作为副控制器的设定值。
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第16页
24V DC
1~5 V I
控 制 器
24V DC
ρ
I △P I 气动 执行器 4~20 mA 出料量
Q出
EXIT
第21页
电子工业出版社
过程控制仪表及装置
危险场所: 现场 非危险场所: 控制室
检测端 安全栅 I 4~20 mA 24V DC V 显示 仪表
安全火花型防爆系统
进液
差压式 液位变送器
V 控 制 器 24V DC 操作端 安全栅
第11页
EXIT
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过程控制仪表及装置
(一)检测端安全栅 1.检测端安全栅的作用 （1）把来自现场变送器的4～20mADC电流经隔离变压器 1:1地转换成1～5V DC信号或4～20mA DC信号输出至控制 室仪表（计算机） 。 （2）为现场两线制变送器提供24V DC直流电源 （3）利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所的 电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危险 场所的安全。
-
有六部分组成： 1.直流-交流变换器 2.整流滤波电路Ⅰ 3.整流滤波电路Ⅱ 4.电流电压限制电路 5.隔离变压器 6.共基极放大电路
第14页
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工作原理 ①DC/AC/DC交换器：实现“隔离供电”它是一个磁耦合 对称推挽式多潜振荡器24DC→eo→e1、e2方波，（8KHz） ②整流滤波与输入调制电路 e1→D5-8→C3→Vc3→为（解调）输出电路提供电源 e2→D10-D13→C5→Vc5→限压限流电路电源 e2→D10、D11，D14、D15（开关）→Ii→eT21、 eT22→ei1.2 e2→D10-D15→Vc7→为现场变送器提供24VDC电源
稳 压 源
执 行 器
I出
4~20 mA
操作端 安全栅
24V DC
I入
4~20 mA
能源
能源 第20页
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危险场所:现场
非危险场所:控制室
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非危险场所: 控制室
配电器
非安全火花型自动控制系统 危险场所: 现场
进液
差压式 液位变送器
显示 仪表
V
I
V
Q进
液位 L
P气
4~20 mA
Q进
1~5 V
P气
液位
L
ρ
I
△P I 4~20 mA
I 4~20 mA
V<30V DC I<30mA DC
气动 执行器
出料量
Q
EXIT 出
24V DC
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5.2 信号分配器
信号分配器主要是将一路输入转换成两路或多路输出， 实现信号的转换、分配和隔离等功能。但因具体使用要求 不同而功能不尽相同。有的信号分配器还可对多路信号进 行处理。 信号分配器将4～20mA DC的输入信号经250Ω的精密 电阻电阻转换为两路1～5V DV信号输出。其中A端为输入， B端和C端为输出，D端作为输入和输出信号的公共负端。 它最多处理5路输入信号，常用于盘装仪表的信号连接及 配线。
齐纳式安全栅原理图
第5页
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齐纳式安全栅的工作原理
系统正常工作时，安全侧电压U1低于齐纳二极管的击 穿电压U0，齐纳二极管截止，安全栅不影响正常的工作电 流。 但现场发生事故，如短路，利用电阻R进行限流，避 免进入危险场所的电流过大；当安全侧电压U1高于齐纳二 极管的击穿电压U0时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的 电压被限制在U0上，同时安全侧电流急剧增大，快速熔断 器FU很快熔断，从而将可能造成危险的高电压立即和现场 断开，保证了现场的安全。并联两个齐纳二极管是增加安 全栅的可靠性。
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二、变压器隔离式安全栅
变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互 感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进 行电气隔离，同时通过电子电路(限能器)限制 进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分 为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安 全栅（输出式安全栅）两种。
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1A 1B 1C 4～20mA 250Ω
信号分配器原理
2A 2B 2C
250Ω
C 公用端子
5A 5B 5C
250Ω
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当一个信号向两个设备（如显示仪表和控制仪表） 同时输送信号时，若这两设备不共地,就有可能在两个设 备之间产生干扰，基至使仪表不能工作。针对此类情况 必须使用隔离式信号分配器。 隔离式信号分配器WS15242D用24V DV供电，把来自 二线制变送器的4-20mA DC信号转换成与之隔离的两路输 出信号，一路为4-20mA DC，一路为1-5V DC，分别送给 控制器和显示仪表，且两路输出之间也是隔离的。这里 电源和输入、输出之间也是相互隔离的。
3.调制电路 6.共基极放大电路
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24V DC 能源
安全栅 的作用 （1）信号的传输 （2）能量的传输 （3）限流、限压
变 送 器
V≤30V DC I≤30mA DC
信号 能源
I入
4~20 mA
检测端 安全栅
V出
1~5 V 24V DC
调节器 计算机
信号
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2.操作端安全栅的构成原理 (1)外型结构 (2)输入输出特性
输出端 输入端
A1 B1 A2 B2 7 8
I 0 K A Ii
Io
4~20 mA
Ii
4~20 mA
24V DC
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输出端
过程控制仪表及装置 输入端
-
(3)结构组成及工作原理
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一、变频调速器的结构框图
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电源输入回路将输入的电源信号进行整流变成直 流信号；然后由逆变电路根据主控电路发来的控制命 令将整流后的直流电源信号调制成某种频率的交流电 源信号输出给电动机。输出频率可在0到50HZ之间变化。 电源频率降低，电源电压也随之降低，使得电动机的 瞬时功率下降，从而减少了电源消耗。 主控电路以CPU为核心，接收从键盘或输入控制端 来的给定频率值和控制信号以及从传感器送来的运行 参数进行必要的运算，输出SPWM波的调制信号至逆变 器的驱动电路，使逆变器接要求工作。同时把需要显 示的信号送显示器，把用户通过功能预置所要求的状 态信息送输出控制电路。
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5.3 变频调速器
变频调速器是通过改变电动机电源的频率 来调整电动机转速的。在自动化领域，变频调 速器可以作为系统的执行部件，接收来自控制 器的控制信号，并根据控制信号的大小改变输 出电源的频率来调节电机转速，改变被控制对 象；也可作为系统中的调节部件，单独完成系 统的调节和控制作用。
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炉膛压力控制系统
下面以常见的锅炉燃烧时炉膛压力自动控制系统为例说明变 频调速器的应用。大型锅炉运行时炉膛内的压力基本都是一个常 数，压力过高或者过低都会给锅炉的正常运行带来不良影响。常 常需要调整鼓风量使锅炉能够处于最佳的运行状态。 炉膛压力控制系统是根据炉膛压力检测信号与给定值进行比 较，其偏差送调节进行运算，得到的控制信号送执行器调整送风 量，而此时风机照常以额定的转数运转。采用变频调速器后，控 制系统发生了变化。与传统的控制系统相比，变频调速器取代了 原有的执行部件，它是通过改变风机的转速来改变送风量。由于 变频调速器具有多种输入方式，能够很方便地与自动控制仪表相 结合，因此在自动化领域的应用前景十分广阔。
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第5章 辅助仪表
知识目标：
掌握安全栅和信号分配器的作用及使用方法
了解变频器在过程控制系统中的应用方案 掌握电源箱、电源分配器的使用方法
技能目标：
能运用安全栅和本安仪表构成安全火花防爆系统 能完成实际控制系统供电和信号连接
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ຫໍສະໝຸດ Baidu安全栅的品种:
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一、齐纳式安全栅
1. 齐纳式安全栅的工作原理 齐纳安全栅是基于齐纳二极管反向击穿特性工作的。 由限压电路,限流电路和熔断器三部分组成。其原理 电路如图所示：图中R为限流电阻，VZ1、VZ2为齐纳 二极管，FU为快速熔断器。
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③共基解调放大与输出（解调）回路 将ei1、2→I0 4～20mA V0 1-5VDC
W2—调零
④晶体管限压限流电路（限能器） ☆ 作用：对到现场的能量进行限制，（限压、限流） ☆ 过压保护（限压作用）： 正常时：DW1不导通；BG7截止；BG8饱和导通；VAB=VC7=24V
第5章 辅助仪表
5.1 安全栅 5.2 信号分配器
5.3 变频调速器
5.4 电源箱及电源分配器
第2页
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5.1 安全栅
安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，安装在控 制室内，是控制室仪表和现场仪表之间的关联设备。其作 用是：系统正常时保证信号的正常传输；故障时限制进入 危险场所的能量，确保系统的安全火花性能。 目前常用的安全栅有：齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。
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(二 )操作端安全栅
1.操作端安全栅的 作用 （ 1）把来自控制室仪表的4～20mA DC电流经隔离变压器 1:1地转换成1～5V DC直流电压信号或4～20mA DC直流电流 信号输出至现场执行器。 （2） 利用限流、限压电路使得任何情况下送往危险场所 的电压不超过30V DC、电流不超过30mADC ，从而保证了危 险场所的安全。
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二线制变送器和齐纳安全栅的连用 图中24V DC的电源一方面通过安全栅向二线制变 送器供电，同时将二线制变送器产生的4-20mA DC的信 号传送过来，由250Ω精确电阻转换为1-5V DC的电压 信号送显示仪表或控制器，当然变送器传送来的信号 也可通过信号分配器,其输出的多路信号可分别送显示 仪表和调节仪表。
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齐纳安全栅和电气转换器的连用 控制器的输出 往往送给电气转换器或电气阀门定位器，由气动执行 器实现对被控对象的调节。由于控制器的输出方式不 同,和安全栅有两种不同的连接方法。
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发射极输出型的控制器可以和安全栅共地,故可 采用单通道保护的安全栅；而集电极输出型的控制 器，它的两个输出端都不接地，故需采用双通道齐 纳安全栅。
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2.检测端安全栅的构成原理 (1)外型结构 (2)输入输出特性
V0 K A Ii
(3)结构组成及工作原理
输入端 输出端
1 5 2 6 7 8
Ii
4~20 mA
Vo Io
1~5 V 4~20 mA
24V DC 第13页
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齐纳式安全栅的优缺点 齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价 格便宜; 缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必 须小于1Ω； 危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供 电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐 纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错 误电平，严重时会使快速熔断器烧断。
+
24V DC
结构组成
T1
输入端 现场 变送器 电流电压 限制电路 整流滤 波电路 Ⅰ 电源 变压器
-
DC/AC交直 流变换器
e
0
e
1
A
Ii + -
VC 5 U-I
隔离 变压器
整流滤 波电路Ⅱ
e
2
输出端
调计 节算 器机
共基极 放大电路
VC
3
+ V O
1~5 V
B
T2
调制器 隔离 解调器
4~20 mA
T1
输出端 现场 执行器 电源 变压器
+
24V DC
DC/AC交直 流变换器
e0
e2
隔离 变压器
Io A +
B
电流电压 限制电路
整流滤 波电路Ⅰ
e1
VC6
输入端
调 计 节 算 器 机
+ Ii
调制 电路
U-I 4~20 mA
共基极 放大电路
T2
调制器 解调器 隔离
4~20 mA
-
有六部分组成： 1.直流-交流变换器 2.整流滤波电路 4.电流电压限制电路 5.隔离变压器