过程装备控制技术及应用教学课件
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过程装备控制技术与其应用
由控制器发出控制信号, 通过电动或气动 执行器产生的位移量驱动控制阀门, 以改
变被控对象的操纵变量q(t), 使被控变量
受到控制。
偏差
控制
信号
e(t)
+
控制器
u(t)
r(t)
(调节器)
给定
－
ym(t)
显示仪表
操纵 变量
执行器 q(t)
检测元件及 变送器
（检测仪表）
干扰 f(t)
被控对象
y(t)
被控 变量
1. 分类方法
– 按被控变量来分类，如温度、压力等控制系 统；
– 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、 比例积分、比例微分、比其例中积第分三种微分分类方等法控最制普遍 系统；
– 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变 量的给定值是否变化和如何变化来分类，这 样可将自动控制系统分为三类，即定值控制 系统、随动控制系统和程序控制系统。
3.各部分作用和基本术语
(1 )被控对象 被控对象是指被控制的生产设备或
装置, 如上述其水位受控制的储罐和锅 炉汽包。
常见的被控对象有塔、加热炉、 分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋 转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及 传送物料的管段等。
图中用一个“被控对象”方框来表 示, 其输出就是生产过程中所要保持恒 定的变量,例如液位等。 在控制系统中
被控对象检测仪表控制器执行器显示仪表根据需要可选执行器显示仪表根据需要可选控制器调节器被控对象检测元件及变送器检测仪表执行器显示仪表干扰控制信号操纵变量被控变量给定其他控制系统用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图14蒸汽加热器温度工艺控制图当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时可以将该温度变化测量后送至温度控制器tc
变被控对象的操纵变量q(t), 使被控变量
受到控制。
偏差
控制
信号
e(t)
+
控制器
u(t)
r(t)
(调节器)
给定
－
ym(t)
显示仪表
操纵 变量
执行器 q(t)
检测元件及 变送器
（检测仪表）
干扰 f(t)
被控对象
y(t)
被控 变量
1. 分类方法
– 按被控变量来分类，如温度、压力等控制系 统；
– 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、 比例积分、比例微分、比其例中积第分三种微分分类方等法控最制普遍 系统；
– 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变 量的给定值是否变化和如何变化来分类，这 样可将自动控制系统分为三类，即定值控制 系统、随动控制系统和程序控制系统。
3.各部分作用和基本术语
(1 )被控对象 被控对象是指被控制的生产设备或
装置, 如上述其水位受控制的储罐和锅 炉汽包。
常见的被控对象有塔、加热炉、 分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋 转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及 传送物料的管段等。
图中用一个“被控对象”方框来表 示, 其输出就是生产过程中所要保持恒 定的变量,例如液位等。 在控制系统中
被控对象检测仪表控制器执行器显示仪表根据需要可选执行器显示仪表根据需要可选控制器调节器被控对象检测元件及变送器检测仪表执行器显示仪表干扰控制信号操纵变量被控变量给定其他控制系统用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图14蒸汽加热器温度工艺控制图当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时可以将该温度变化测量后送至温度控制器tc
过程装备控制技术与应用课件
各环节正、反作用的确定
• 检测变送装置的正、反作用
– 检测变送装置的输入是被控变量， 输出是测量值。 – 大多数检测变送装置的输入增大 （或减小）时，其输出亦增大（或 减小），故为正作用，静态放大系 数 K m＞ 0 。 – 但也有例外的，差压变送器检测变 送液位如图所示连接时，若不作零 点迁移，则为反作用，静态放大系 数 Km＜ 0。
示例四
• 易结晶、易凝固物料的 加热装置，蒸汽流量调 节阀需选用气关式。一 旦事故发生，使其处于 全开状态，保证有一定 的温度，以防止物料结 晶、凝固和堵塞。
（二）控制器正反作用的确定：
• 控制器有正作用和反作用两种方式，其确定 原则是使整个控制系统构成负反馈系统。 • 根据负反馈准则，要求控制系统开环总静态 放大系数为正。 • 简单控制系统由被控过程、检测变送装置、 控制阀和控制器组成，要构成负反馈，则要 求KoKmKvKc＞0。
– 进入设备或装置的原料或热源应切断，因此，选 择进料阀为气开阀。 – 设备或装置的出料应切断，因此，选择出料阀为 气开阀。 – 特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因 此，选择保位阀。
示例一
• 锅炉供水调节阀一般采 用气关式，一旦事故发 生，可保证事故状态下 调节阀处于全开位置， 使锅炉不致因水中断而 烧干，甚至引起爆炸危 险。
补充:单回路控制系 统设计相关问题
(一)控制阀的选择：
• 1、类型：气动、电动 • 2、结构型式和材质：
– 根据工艺介质的性质和工艺要求选择。
• 3、气开、气关型式的选择：
– 从生产安全的角度考虑，保证设备和操作人员的安全。
• 4、流量特性的选择：
– （1）根据对象特性，确定工作流量特性； – （2）根据配管情况，确定理想流量特性；
过程装备及控制技术简介 ppt课件
遵循化学反应诸规律的过程。它 涉及化学反应，如：合成、分解 等过程及设备。
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ppt课件
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2. 基本过程原理
2.1 流体动力过程 (1) 流体静力学过程
流体 气体 液体
流体是液体和气体的统称。
流体静力学过程：研究流体在外 其他 力作用下达到平衡的规律，以及
这些规律的实际应用。
流体的流动性：剪应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。 流体的压缩性：温度不变时，流体的体积随压力增大而缩小。 流体的膨胀性：压力不变时，流体的体积随温度升高而增大的性质。 流体的粘性 ：运动的流体，在相邻的流层接触面上，形成阻碍流层相对运动的
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ppt课件
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2. 基本过程原理
2.1 流体动力过程 (1) 流体动力学过程
流体流动时的特征 ： 层流(laminar flow)：流体流动时，各质点间互相平行，不
相干扰。 湍流(turbulent flow)：流体除了向前流动外，还造成许多漩
涡，与侧边的流体混合。 过渡流(Transition flow)：从层流过渡至湍流的中间状态，
4. 动量传递过程: (Momentum transfer process)
遵循动量传递及固体 力学诸规律的过程。它 涉及固体物料的输送、 粉碎、造粒等过程及设 备。
12
ppt课件
13
Eh / V
1. 概述 1.3 基本工业过程
5. 热力学过程: (Thermodynamic process)
1.4
体的体积。 帕斯卡原理(静压传递原理) ：密闭容器内的液体，外压力
发生变化时，液体中任一点的压力均发生同样大小变化。
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2. 基本过程原理
2.1 流体动力过程 (1) 流体静力学过程
流体 气体 液体
流体是液体和气体的统称。
流体静力学过程：研究流体在外 其他 力作用下达到平衡的规律，以及
这些规律的实际应用。
流体的流动性：剪应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。 流体的压缩性：温度不变时，流体的体积随压力增大而缩小。 流体的膨胀性：压力不变时，流体的体积随温度升高而增大的性质。 流体的粘性 ：运动的流体，在相邻的流层接触面上，形成阻碍流层相对运动的
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2. 基本过程原理
2.1 流体动力过程 (1) 流体动力学过程
流体流动时的特征 ： 层流(laminar flow)：流体流动时，各质点间互相平行，不
相干扰。 湍流(turbulent flow)：流体除了向前流动外，还造成许多漩
涡，与侧边的流体混合。 过渡流(Transition flow)：从层流过渡至湍流的中间状态，
4. 动量传递过程: (Momentum transfer process)
遵循动量传递及固体 力学诸规律的过程。它 涉及固体物料的输送、 粉碎、造粒等过程及设 备。
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Eh / V
1. 概述 1.3 基本工业过程
5. 热力学过程: (Thermodynamic process)
1.4
体的体积。 帕斯卡原理(静压传递原理) ：密闭容器内的液体，外压力
发生变化时，液体中任一点的压力均发生同样大小变化。
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过程装备控制技术及应用复习指导 ppt课件
过程装备控制的任务就是在了解，掌握工艺流程和生产过程 的静态和动态特性的基础上，根据上叙三项要求，应用理论对控 制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因 此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和 仪表仪器等相结合而构成的一门综合性应用科学。
1.2 控制系统的组成
1.2.1 过程装备的控制
自20世纪30年代以来，随着自动控制理论的不断发展以及电子 计算机的出现，自动化技术已取得了惊人的成就，在工业生产和科 学发展中起到关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可 分割的重要组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统， 大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度 已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。
1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是工艺生产过程自动化的重要组成部分，它主 要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或 物位）、成分和物性等参数进行控制。
工艺生产过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为 三项要求：即安全性、经济性和稳定性。安全性，是指在整个生 产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要 求。通常是采用越限报警，事故报警和连锁保护等措施加以保证。 经济性，是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料 最少。也就时要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能 源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性，是指系 统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。
1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容
生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：
（1） 自动检测系统 ： 要控制不断进行着各种物理化学变化 的生产过程，首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情 况。为此，必须采用各种检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传 感器等）自动连续地表、电子电位差计等） 指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送 给控制系统，作为自动控制的依据。
1.2 控制系统的组成
1.2.1 过程装备的控制
自20世纪30年代以来，随着自动控制理论的不断发展以及电子 计算机的出现，自动化技术已取得了惊人的成就，在工业生产和科 学发展中起到关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可 分割的重要组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统， 大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度 已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。
1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是工艺生产过程自动化的重要组成部分，它主 要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或 物位）、成分和物性等参数进行控制。
工艺生产过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为 三项要求：即安全性、经济性和稳定性。安全性，是指在整个生 产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要 求。通常是采用越限报警，事故报警和连锁保护等措施加以保证。 经济性，是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料 最少。也就时要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能 源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。稳定性，是指系 统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。
1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容
生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：
（1） 自动检测系统 ： 要控制不断进行着各种物理化学变化 的生产过程，首先必须随时了解生产过程中各工艺参数的变化情 况。为此，必须采用各种检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传 感器等）自动连续地表、电子电位差计等） 指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送 给控制系统，作为自动控制的依据。
过程装备控制技术及应用课件-第五章计算机控制系统
过程装备控制技术及应用第五章计算机控制系统CONTENTS 目录第三节测试软件设计第一节概述第二节计算机控制系统的组成及分类第四节直接数字控制系统一、计算机直接数字控制系统构成二、计算机控制系统的控制步骤1. 实时数据采样：测量被控量的当前值，转换成离散数字化信号；2. 实时判断：判断被控量当前值与给定值的偏差e ；3. 实时控制：根据偏差e ，作出控制决策，即按照预定的算法对偏差进行运算，向执行机构发出控制信号；控制信号包括：a. 经过D/A转换输出的模拟控制信号；b. 开关量输出(控制电平、脉冲)：报警、限位＼延时等特定操作；c. 数字量输出。
三、计算机控制系统的优点1. 用分时操作实现对多个被控对象、多个回路的控制；2. 操作由计算机程序完成，扩充修改方便，硬件改动少；3. 在模拟控制系统中很多由硬件难以完成的功能，可以方便地由软件完成。
如：大时间常数的滤波，线性补偿、系统的误差补偿。
5.2计算机控制系统的组成及分类一、计算机控制系统的组成1. 硬件部分①主机②过程输入输出通道③操作设备④外部设备⑤通讯设备⑥系统支持功能监控定时器、掉电保护、后备存储器、实时日历、总线匹配等2. 软件部分①系统软件：操作系统、数据库系统、通讯网络软件、调试程序及诊断程序等。
②应用软件：系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。
包括：过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、打印显示程序、人机接口程序等。
二、计算机控制系统的分类1. 数据采集和数据处理系统①数据采集：由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入并存贮到计算机中。
②数据处理：计算机将采集来的数字量进行实时数据分析，得出所需要的结果。
计算机不直接参与过程控制，属于计算机应用于过程控制的低级阶段。
2. 直接数字控制系统(Direct Digital Control, DDC)①分时地对被控对象的状态参数进行测试；②将测试的结果与给定值比较得到偏差e，按预定的控制算法进行数字分析、运算；③将控制量直接输出到调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。
过程装备控制技术及应用PPT课件
●根据物料平衡原理，保证锅炉的给水量和 蒸汽排出量相等。
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人工控制
阀门
7
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自动控制
执行器
8
第8页/共39页
人工控制与自动控制的比较
9
第9页/共39页
控制系统的组成
执行器
1.被控对象
工艺变量需要控制的生产设备或机器。
2.测量元件及变送器
测量需要控制的工艺参数并将其转化为一种 特定信号（电流信号或气压信号）的仪器。
不将控制的结果反馈回来影响当前控 制的系统 。
举例：打开灯的开关——按下开关后 的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮 起已对按开关的这个活动没有影响 。
两者的判断区别：开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持 续一定的时间。
16
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3.按系统的复杂程度划分
简单控制系统 复杂控制系统
差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如雷达天线控制 系统等。
③程序控制系统
程序控制系统的给定值也是不断变化的信号，但是这种 变化是一个已知的函数，即给定值按一定的时间程序变化。
如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。
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第14页/共39页
闭环控制
2.按系统输出信号对操纵变量影响划分
4.时间乘平方误差偏积分指标（ITSE）
ITSE指标兼有ISE治标和ITAE指标的特点，用它来 调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。
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作业 1
课本 Page13： 2、6 Page14： 7、9
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感谢您的观看。
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阀门
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自动控制
执行器
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人工控制与自动控制的比较
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控制系统的组成
执行器
1.被控对象
工艺变量需要控制的生产设备或机器。
2.测量元件及变送器
测量需要控制的工艺参数并将其转化为一种 特定信号（电流信号或气压信号）的仪器。
不将控制的结果反馈回来影响当前控 制的系统 。
举例：打开灯的开关——按下开关后 的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮 起已对按开关的这个活动没有影响 。
两者的判断区别：开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持 续一定的时间。
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3.按系统的复杂程度划分
简单控制系统 复杂控制系统
差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如雷达天线控制 系统等。
③程序控制系统
程序控制系统的给定值也是不断变化的信号，但是这种 变化是一个已知的函数，即给定值按一定的时间程序变化。
如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同。
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闭环控制
2.按系统输出信号对操纵变量影响划分
4.时间乘平方误差偏积分指标（ITSE）
ITSE指标兼有ISE治标和ITAE指标的特点，用它来 调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。
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作业 1
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过程装备与控制工程第1章ppt课件
有自衡特性的单容对象
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过程装备控制技术与应用 有自衡特性的单容对象
设水槽的横截面积为A，而A是个常数，则因为
V（A2-H 2）
所以
dV AdH dt （2-3）dt
调节阀的特性：在其它条件不变的情况下，通过调节阀 的流体流量与阀的开度以及阀前后的流体压降有关。
31
过程装备控制技术与应用
36
过程装备控制技术与应用
37
过程装备控制技术与应用
（2）双容液位对象（图2-5）
它有两个串联在一起的水槽，它们之间的连通管具有阻力， 因此两者的液位是不同的，来水qv1（系统输入）先进入水槽 1，然后再通过水槽2流出。水流入量qv1由阀1控制，流出量 qv2决定于阀2的开度（根据用户的需要改变），被控变量是 水槽2的液位h2 （系统输出） 。分析h2在阀1开度扰动下的动 态特性。根据物料平衡方程有：
回顾:《机械控制工程基础》§3.5 控制系统的动 态响应指标
20
过程装备控制技术与应用
偏差积分性能指标
误差： e(t)r(t)y(t) e(t)y( )y(t)
平方误差积分性能指标(ISE) 时间平方误差积分性能指标(ITSE) 绝对误差积分性能指标(IAE) 时间绝对误差积分性能指标(ITAE)
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过程装备控制技术与应用
§1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、 压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。 过程装备控制要求：安全性、经济性和 稳定性。 自动控制系统的要求：稳、准、快。
控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的 静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应 用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适 的技术手段加以实现
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过程装备控制技术与应用 有自衡特性的单容对象
设水槽的横截面积为A，而A是个常数，则因为
V（A2-H 2）
所以
dV AdH dt （2-3）dt
调节阀的特性：在其它条件不变的情况下，通过调节阀 的流体流量与阀的开度以及阀前后的流体压降有关。
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
（2）双容液位对象（图2-5）
它有两个串联在一起的水槽，它们之间的连通管具有阻力， 因此两者的液位是不同的，来水qv1（系统输入）先进入水槽 1，然后再通过水槽2流出。水流入量qv1由阀1控制，流出量 qv2决定于阀2的开度（根据用户的需要改变），被控变量是 水槽2的液位h2 （系统输出） 。分析h2在阀1开度扰动下的动 态特性。根据物料平衡方程有：
回顾:《机械控制工程基础》§3.5 控制系统的动 态响应指标
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过程装备控制技术与应用
偏差积分性能指标
误差： e(t)r(t)y(t) e(t)y( )y(t)
平方误差积分性能指标(ISE) 时间平方误差积分性能指标(ITSE) 绝对误差积分性能指标(IAE) 时间绝对误差积分性能指标(ITAE)
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过程装备控制技术与应用
§1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、 压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。 过程装备控制要求：安全性、经济性和 稳定性。 自动控制系统的要求：稳、准、快。
控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的 静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应 用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适 的技术手段加以实现
过程装备控制技术及应用详解PPT课件
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超声波式流量计 超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有流速信息，通过检测接收到的超 声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。 超声波流量计实物如图所示。
8
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热式质量流量计 利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动 而造成的热量(温度)变化来反映出流体的质量流量。分内热式和外热式。 内热式流量计原理如图所示。
量程比为20 : 1，测量准确度可达0.5％。
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科里奥利质量流量计 是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正 比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。 其原理和实物图如图所示：
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3.6 液 位 测 量
3 .6.1 概述 物位是液位，料位以及界位的统称。其中液位指容器内液体介
代表仪表：压力式、吹气式、 差压式液位计
H B 敞口容器静压法液位测量
A
H
B
+－
法兰式差压液位测量
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浮力式物位检测 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸没于液
体中的物质受到的浮力随液位而变化来检测 液位。 前者称为恒浮力法，后者称变浮力法。 代表仪表：浮子式液位计、浮筒式液位计 应用于液位检测。
直读式
采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显 示容器中物位的高度。
静压式
基于流体静力学原理，通过检测容器内 流体的静压力确定容器内液位。
按工作 原理分 类
浮力式 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸
没于液体中的物质受到的浮力随液位而 变化来检测液位。
机械式
通过测量物位探头与物料面接触时的机 械力实现物位的测量。
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超声波式流量计 超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有流速信息，通过检测接收到的超 声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。 超声波流量计实物如图所示。
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热式质量流量计 利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动 而造成的热量(温度)变化来反映出流体的质量流量。分内热式和外热式。 内热式流量计原理如图所示。
量程比为20 : 1，测量准确度可达0.5％。
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科里奥利质量流量计 是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正 比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。 其原理和实物图如图所示：
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3.6 液 位 测 量
3 .6.1 概述 物位是液位，料位以及界位的统称。其中液位指容器内液体介
代表仪表：压力式、吹气式、 差压式液位计
H B 敞口容器静压法液位测量
A
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法兰式差压液位测量
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浮力式物位检测 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸没于液
体中的物质受到的浮力随液位而变化来检测 液位。 前者称为恒浮力法，后者称变浮力法。 代表仪表：浮子式液位计、浮筒式液位计 应用于液位检测。
直读式
采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显 示容器中物位的高度。
静压式
基于流体静力学原理，通过检测容器内 流体的静压力确定容器内液位。
按工作 原理分 类
浮力式 利用漂浮于液面上的浮子，或者部分浸
没于液体中的物质受到的浮力随液位而 变化来检测液位。
机械式
通过测量物位探头与物料面接触时的机 械力实现物位的测量。
第二章 过程装备控制基础 过程装备控制技术及应用
H将随时间t的推移恒速上升，直至 水槽顶部滋出。无自衡特性的被控 对象在受到扰动作用后不能重新恢 复平衡，因此控制要求较高。通常 需要设自动报警装置。
1 被控对象的特性
9
第二章 过程装备控制基础
（2）双容液位对象 qv1- qv2 A1 dh1 dt
qv2 - qv3 A2 dh2 dt
qv1- qv3 A1 dh1 A2 dh2
滞后的存在会使控制不够及时，在干扰 出现后不能迅速调节，严重影响控制质量。 因此，应尽量减少滞后时间。
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第二章 过程装备控制基础
1 被控对象的特性
2.1.3 对象特性的实验测定
前面所讲对象特性的求取方法是从工艺过程的变 化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡 方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数 学模型，得出其特性参数。但现实情况是：
2 单回路控制系统
纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的 实际值，从而降低了控制系统的控制质量。由检测 元件安装位置所引入的纯滞后是不可避免的，因此， 在设计时，要正确选择安装检测点位置。另外，检 测元件不能安装在死角或容易结焦的地方。
ΔH=K× Δ qv1（1－e -(t-t0)T ）
当t→∞时， ΔH=K× Δ qv1
qv1 ＝ qv2，达到了新的平衡。
1 被控对象的特性
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第二章 过程装备控制基础
无自衡特性的单容对象
由于泵的出口流量不受入 口处压力的影响，所以：
ΔH = —Δq—Av—1 （t－t0） 当流入量突然增加Δ qv1时。液位
ห้องสมุดไป่ตู้19
第二章 过程装备控制基础
1 被控对象的特性
鉴于上述原因，许多工业被控对象难以用数学
1 被控对象的特性
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第二章 过程装备控制基础
（2）双容液位对象 qv1- qv2 A1 dh1 dt
qv2 - qv3 A2 dh2 dt
qv1- qv3 A1 dh1 A2 dh2
滞后的存在会使控制不够及时，在干扰 出现后不能迅速调节，严重影响控制质量。 因此，应尽量减少滞后时间。
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第二章 过程装备控制基础
1 被控对象的特性
2.1.3 对象特性的实验测定
前面所讲对象特性的求取方法是从工艺过程的变 化机理出发，写出各种有关的平衡方程（如物料平衡 方程、能量平衡方程等），进而推导出被控对象的数 学模型，得出其特性参数。但现实情况是：
2 单回路控制系统
纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的 实际值，从而降低了控制系统的控制质量。由检测 元件安装位置所引入的纯滞后是不可避免的，因此， 在设计时，要正确选择安装检测点位置。另外，检 测元件不能安装在死角或容易结焦的地方。
ΔH=K× Δ qv1（1－e -(t-t0)T ）
当t→∞时， ΔH=K× Δ qv1
qv1 ＝ qv2，达到了新的平衡。
1 被控对象的特性
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第二章 过程装备控制基础
无自衡特性的单容对象
由于泵的出口流量不受入 口处压力的影响，所以：
ΔH = —Δq—Av—1 （t－t0） 当流入量突然增加Δ qv1时。液位
ห้องสมุดไป่ตู้19
第二章 过程装备控制基础
1 被控对象的特性
鉴于上述原因，许多工业被控对象难以用数学
过程装备控制技术及应用第一章控制系统基本概念
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
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
闭环 控制 系统 组成
测量值 y(t)
检测元件、变送器
在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念： （1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量， 但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个 环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息 称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每 一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的 特性。
最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大， 偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是 对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极 限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限 制。
同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时， 第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限 制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时， 要根据工艺情况慎重选择。
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
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
闭环 控制 系统 组成
检测元件、变送器
从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值 （2）闭环：按信息的流向来说 （3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用 使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。
• 在画方块图的时间请注意： 1、箭头； 2、方块； 3、布局； 4、负反馈的信号。
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ymax
y
ymax
y
y ymax
ymin
ymin
ymin
0 (a) 未迁移
xmax
x
0
x min
xmax
x
x min
(b) 正迁移
max 0 x (c) 负迁移
x
变送器零点迁移前后的输入输出特性 由上图可以看出，零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x 坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送 器的量程不变。
参数转换成统一标准信号，其性能也完全取决于所采用的硬件。
从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部 分三部分组成。
零点调整 零点迁移
如图所示：在放大器的输 入端还加有调零与零点迁 移信号Z0
x
Ki
测量部分
Zi
+ Zf
放大器
K Kf
y
反馈部分
模拟式变送器的构成原理图
7
测量部分：包括检测元件， 其作用是检测x，并将其转换 成放大器可以接受的信号Zi ， Zi可是电流、电压、位移和作 用力等，由变送器的类型决 定。
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五.差压变送器
1、差压变送器的工作原理
差压变送器的基本原理：是将一个空间用敏感元件（ 多用膜盒）分割成两个腔室，分别向两个腔室引入压 力时，传感器在两方压力共同作用下产生位移（或位 移的趋势），这个位移量和两个腔室压力差（差压） 成正比，将这种位移转换成可以反映差压大小的标准 信号输出。 实际构造中，敏感元件的结构，腔室的形
过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的
基本要素。过程式控制装置必须由测量变送单元、 调节器和执行器（如调节阀）三个环节组成 。由 于工业过程式的复杂性，在进行过程控制系统设 计时，必须根据过程特性和工艺要求，通过合理
选用过程检测控制装置组成自动控制系统，并通
过调节器 PID 参数的整定，使系统运行在最佳状 态，从而实现对生产过程的最优控制。
零点调整 零点迁移 x Ki
测量部分
Zi
+ Zf
放大器
K Kf
y
反馈部分
模拟式变送器的构成原理图
反馈部分：将变送器的输出y转换成反馈信号Zf。
放大部分：在放大器的输入端，Zi与调零及零点迁移信号Z0 的代数和同Zf进行比较，其差值ε由放大器进行放大，并转换
成统一标准信号y输出。
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四.变送器的一些共性问题：
4
二.变送器的理想输入输出特性：
xmax和xmin： 变送器测量范围的上限值和下限值， 即被测参数的上限值和下限值。图中， xmin =0
ymax
y
ymax和ymin：
变送器输出信号的上限值和下限值， 对于模拟式变送器，即为统一标准信号 的上限值和下限值。
ymin
0 xmin
xmax
x
变送器的理想输入输出特性
变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。 （一）量程调整
xmax '
量程调整的目的：是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的 上限值xmax相对应。右图为变送器量程调整前后的输入输出特性。 y 由该图可见，量程调整相当于改变变 ymax 送器的输入输出特性的斜率，也就是改变 变送器输出信号y与输入信号x之间的比 ymin 例系数。 0 xmin
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由图可得出变送器的输出一般表达式为：
ymax _ymin y x ymin xmax _ xmin
式中 x----变送器的输入信号； y----相对应于x时变送器的输出。
（ 1） y
ymax
ymin
0 xmin
xmax
x
变送器的理想输入输出特性
6
三. 变送器的构成原理：
模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测
式，位移转换的方式，标准信号的格式 都有很多种。
2、差压变送器适用范围
差压变送器用于测量液体、气体和蒸汽的
液位、密度和压力， 已广泛用于石油、化 工、冶金、电力、食品、造纸、医药、机 械制造、科学实验和航空军工等行业。
锅炉汽包测量装置
高加水位测量装置简图
（１）气动差压变送器
主要用途 测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等 物理量 气动差压变送器的工作原理 力平衡原理，将压力信号成比例地转换成 ２０～１００kPa的统一标准气压信号 杠杆系统的三种形式：单杠杆、双杠杆、和矢量机 构
y（mA） 20 3 1
4 0
2
y（mA） 20 2 1 3
4 0 0.6 1.0 1.6 （2）
x 1.0 1.6 2.0 （MPa） （1）
x （MPa）
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总结
仪表的零点调整与迁移扩大了仪表的使用范围，增加仪
表了通用性和灵活性。 各种变送器根据自身的构造对其零点迁移的范围都有明 确的规定，在使用说明书上有详细注明其调节方法，调整 都不是任意的，而且也是反复进行的。
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进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表 的灵敏度。 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。 零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送 器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号Z0的大 小来实现
零点调整 零点迁移 x Ki
测量部分
Zi
+ Zf
Z0 放大器 Kf K y
反馈部分
xmax
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x
量程调整前后
（二）零点调整和零点迁移
目的：是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限
值xmin相对应。
Xmin=0时称零点调整，xmin≠0时成为零点迁移。 零点调整目的：使变送器的测量起点为零 零点迁移目的：是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正 值或负值）。 测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移； 测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移。 下图为变变送器的构成原理图
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例：某变送器的量程为0—1MPa，输出信号为4-20mA。欲 把该变送器用于测量1—1.6MPa的信号，试问：该变送器应作何 调整？ (1)量程够用，直接零点迁移2，再调整量程3
(2) 先进行量程调整（0-0.6MPa）2，再进行零点迁移（1-1.6） 3， 斜率改变，灵敏度提高！
4.1 变送器 4.2 调节器
4.3 执行器
4.1 变送器
一.变送器的作用
二.变送器的理想输入输出特性 三. 变送器的构成原理 四.变送器的一些共性问题 五.差压变送器 六 .温度变送器
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一.变送器的作用：
对各种工艺参数，如温度，压力、流量、液位、
成分等物理量进行检测，并转化成统一标准信号， 以供显示、记录或控制之用。 气动变送器 电动变送器 差压变送器 温度变送器