自动化_专业英语论文

自动化07-2班覃宇锋学号：48

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温度控制简介和PID控制器

过程控制系统自动过程控制系统是指将被控量为温度、压力、流量、成份

等类型的过程变量保持在理想的运行值的系统。过程实际上是动态的。变化总是

会出现，此时如果不采取相应的措施，那些与安全、产品质量和生产率有关的重

要变量就不能满足设计要求。

为了说明问题，让我们来看一下热交换器。流体在这个过程中被过热蒸汽加

热，如图1所示。

这一装置的主要目的是将流体由入口温度乃(f)加热到某一期望的出口温度

T(f)。如前所述，加热介质是过热蒸汽。

只要周围没有热损耗，过程流体获得的热量就等于蒸汽释放的热量，即热交

换器和管道间的隔热性很好。

很多变量在这个过程中会发生变化，继而导致出口温度偏离期望值。如果出

现这种情况，就该采取一些措施来校正偏差，其目的是保持出口温度为期望值。

实现该目的的一种方法是首先测量r(0，然后与期望值相比较，由比较结果

决定如何校正偏差。蒸汽的流量可用于偏差的校正。就是说，如果温度高于期望

值，就关小蒸汽阀来减小进入换热器的蒸汽流量；若温度低于期望值，就开大蒸

汽阀，以增加进入换热器的蒸汽流量。所有这些操作都可由操作员手工实现，操

作很简单，不会出现什么问题。但是，由于多数过程对象都有很多变量需要保持

为某一期望值，就需要许多的操作员来进行校正。因此，我们想自动完成这种控

制。就是说，我们想利用无需操作人员介入就可以控制变量的设备。这就是所谓

自动化的过程控制。

为达到上述目标，就需要设计并实现一个系统。图2所示为一个可行的控制

系统及其基本构件。首先要做的是测量过程流体的出口温度，这一任务由传感器

(热电偶、热电阻等)完成。将传感器连接到变送器上，由变送器将传感器的输出

信号转换为足够大的信号传送给控制器。控制器接收与温度相关的信号并与期望

值比较。根据比较的结果，控制器确定保持温度为期望值的控制作用。基于这一

结果，控制器再发一信号给执行机构来控制蒸汽流量。

下面介绍控制系统中的4种基本元件，分别是：

(1)传感器，也称为一次元件。

(2)变送器，也称二次元件。

(3)调节器，控制系统的“大脑”。

(4)执行机构，通常是一个控制阀，但并不全是。其他常用的执行机构有变

速泵、传送装置和电动机。

这些元件的重要性在于它们执行每个控制系统中都必不可少的3个基本操

作，即：

(1)测量：被控量的测量通常由传感器和变送器共同完成。

(2)决策：根据测量结果，为了维持输出为期望值，控制器必须决定如何操

作。

(3)操作: 根据控器的处理,系统必须执行某种操作,这通常由执行机构来完

成.

如上所述,每个控制系统都有M,D和A这3种操作.

有些系统的决策任务简单,而有些很复杂.设计控制系统的工程师必须确保所采取确保所采取的操作能影响被控变量,也就是说,该操作要影响测量值.否则,系统是不可控的,还会带来许多危害.

PID控制器可以是独立控制器（也可以叫做单回路控制器），可编程控制器（PLCs）中的控制器，嵌入式控制器或者是用Vb或C#编写的计算机程序软件。

PID控制器是过程控制器，它具有如下特征：连续过程控制；模拟输入（也被称为“测量量”或“过程变量”或“PV”）；模拟输出（简称为“输出”）；基准点（SP）；比例、积分以及/或者微分常数；“连续过程控制”的例子有温度、压力、流量及水位控制。例如：控制一个容器的热量。对于简单的控制，你使用两个具有温度限定功能的传感器(一个限定低温，一个限定高温)。当低温限定传感器接通时就会打开加热器，当温度升高到高温限定传感器时就会关加热器。这类似于大多数家庭使用的空调及供暖系统的温度自动调节器。

反过来，PID控制器能够接受像实际温度这样的输入，控制阀门，这个阀门能够控制进入加热器的气体流量。PID控制器自动地找到加热器中气体的合适流量，这样就保持了温度在基准点稳定。温度稳定了，就不会在高低两点间上下跳动了。如果基准点降低，PID控制器就会自动降低加热器中气体的流量。如果基准点升高，PID控制器就会自动的增加加热器中气体的流量。同样地，对于高温，晴朗的天气(当外界温度高于加热器时)及阴冷，多云的天气，PID控制器都会自动调节。

模拟输入(测量量)也叫做“过程变量”或“PV'’。你希望PV能够达到你所控制过程参数的高精确度。例如，如果我们想要保持温度为+1度或—1度，我们至少要为此努力，使其精度保持在0．1度。如果是一个12位的模拟输入，传感器的温度范围是从0度到400度，我们计算的理论精确度就是4096除400度=0．097656度。我们之所以说这是理论上因为我们假定温度传感器，电线及模拟转换器上没有噪音和误差。还有其他的假定。例如，线性等等。即使是有大量的噪音和其他问题，按理论精确度的1／10计算，1度精确度的数值应该很容易得到的。

模拟输出经常被简称为“输出”。经常在0％到100％之间给出。在这个热量的例子中阀门完全关闭(0％)，完全打开(100％)。

基准点(SP)很简单，即你想要什么样的过程量。在这个例子中一你想要过程处于怎样的温度。

PID控制器的任务是维持输出在一个程度上，这样在过程变量(PV)和基准点(SP)上就没有偏差(误差)。

在图3中，阀门用来控制进入加热器的气体，冷却器的制冷，水管的压力，水管的流量，容器的水位或其他的过程控制系统。

PID控制器所观察的是PV和SP之间的偏差(或误差)。它观察绝对偏差和偏差变换率。绝对偏差就是一'PV和SP之间偏差大还是小。偏差变换率就是——PV和SP之间的偏差随着时间的变化是越来越小还是越来越大。

如果存在过程扰动，即过程变量或基准点变化时一-PID控制器就要迅速改变输出，这样过程变量就返回到基准点。如果你有一个PID控制的可进入的冷冻装置，某个人打开门进入，温度(过程变量)将会迅速升高。因此，PID控制器不得不提高冷度(输出)来补偿这个温度的升高。

一旦过程变量等同于基准点，一个好的PID控制器就不会改变输出。你所要的输出就会稳定(不改变)。如果阀门(发动机或其他控制元件)不断改变，而不是