第五章 自动控制仪表

p , e 0(或e 0) p max pmin , e 0或e 0
图5-1 理想双位控制特性
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图5-2 双位控制示例
第二节 基本控制规律及其对Βιβλιοθήκη Baidu统过渡 过程的影响
将上图中的测量装臵及继电器线路稍加改变，便可成 为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设臵了中 间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因 此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制 器中运动部件的使用寿命。
将式（5-4）的关系代入式（5-5），经整理后可得

p pmin 1 max 100% K P xmax xmin
结论 比例度δ与放大倍数KP成反比。
控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大， 它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦 然。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
图1-15 复式仪表的表示法
第五节 工艺管道及控制流程图
3. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符 号
仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约 10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表 所示。
第五节 工艺管道及控制流程图
表1-1 仪表安装位置的图形符号表示 序 号 1 安装位 置 就地安 装仪表 嵌在管道 中 2 集中仪 表盘面 安装仪 表 就地仪 表盘面 安装仪 表 5 图形符号 备注 序号 安装位置 图形符 号 备注
二、比例控制
在双位控制系统中，被控变量不可避免地 会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况， 应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例， 根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位臵， 这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量， 从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡过 程的影响
700 600 9 4 / 100% 50% 800 400 10 0

说明
对于这台控制器，温度变化全量程的 50 ％（相当于 200℃），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内， e和p是成比例的。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡过 程的影响
化工仪表及自动化
工艺管道及控制流程图
第五节 工艺管道及控制流程图
工艺流程和控制方案的确定后，
根据工艺设计给出的流程图， 按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控 制系统及自动信号与联锁保护系统等， 便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。
第五节 工艺管道及控制流程图
举例
右图是乙烯生产过 程中脱乙烷塔的工 艺管道及控制流程 图
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图5-15 三作用控制 器特性
第三节 模拟式控制器
在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信 号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。 一、基本构成原理及部件 1.比较环节
作用
将给定信号与测量信号进行 比较，产生一个与它们的偏 差成比例的偏差信号。
图5-16 控制器基本构成
2.放大器 是一个稳态增益很大的比例环节。 3.反馈环节
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
比例微分控制规律 比例积分控制规律
1 p KP e TI
de p K P e TD dt
edt TD
de dt
图5-13 比例微分控制 器特性
图5-14 微分时间对过渡 过程的影响
第五节 工艺管道及控制流程图
2. 连接线
通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交 叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的 方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、 电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。
图1-14 联系线的表示法
第五节 工艺管道及控制流程图
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
控制器的控制规律是指
控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
即 在研究控制器的控制规律时
p f e f z x
经常是假定控制器的输入信号 e 是一个阶跃信号， 然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
控制器的基本控制规律
位式控制（其中以双位控制比较常用）、比 例控制（ P ）、积分控制（ I ）、微分控制（ D ） 及它们的组合形式，如比例积分控制（ PI ）、比 例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID ）。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程 的影响
一、双位控制
理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为
图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例
第五节 工艺管道及控制流程图
一、图形符号
1. 测试点（包括检出元件、取样点）
测 试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表 圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下 图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号 表示。
图1-13 测试点的一般表示方法
第五节 工艺管道及控制流程图
三、仪表位号
仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部 分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位 数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪 表序号。
举例
脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中 PIC-206表示 测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该 仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为06。
缺点：存在余差
结论 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍 数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高 系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的 形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
三、积分控制 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。 积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e 的积分成正比，即
p K I edt
当输入偏差是常数A时
图5-9 积分控制器特性
p K I Adt K I At
结 论 当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。
当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因 而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。
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第二节 基本控制规律及其对系统过 渡过程的影响
图5-11积分时间对过渡过程的影响
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第二节 基本控制规律及其对系统过 渡过程的影响
比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度 和积分时间两个参数均可调整。 当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大 偏差也较大； 负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使 控制作用不及时，此时可增加微分作用。
第五节 工艺管道及控制流程图
回流罐液位控制系统中的 LIC-201 是一台具有指示功 能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维 持回流罐中液位稳定的。
塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记 录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸 汽量来维持塔底温度恒定的。
塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、 报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持 塔釜液位稳定的。
积分、累积 积分、累积 记录或打印 安全 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗
第五节 工艺管道及控制流程图
举例
以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号 的组合来表示被测变量和仪表功能。
塔顶的压力控制系统 中的PIC-207，其中第一 位字母 P 表示被测变量为压力，第二位字母 I 表示 具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能， 因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力 控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维 持塔压稳定的。
第五章 自动控制仪表
内容提要
基本控制规律及其对系统过渡过 程的影响
双位控制 比例控制 积分控制 微分控制
模拟式控制器
基本构成原理及部件 DDZ-Ⅱ型电动控制器
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数字式控制器
数字式控制器的主要特点
数字是控制器的基本构成
KMM型可编程序调节器
可编程序控制器
概论 可编程序控制器的基本组成
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响 四、微分控制
在自动控制时，控制器具有微 分控制规律
优点
de p TD dt
具有超前控制功能。
缺点
图5-12 理想微分控制器特性
它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数 值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除 偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比 例积分组合构成比例微分或三作用控制器。
如左图，根据相似三角形原理
a p a , 或p e b e b
对于具有比例控制的控制器
图5-5 简单的比例控制系统示意图
p K Pe
（5-4）
比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数， 它决定了比例控制作用的强弱。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对 值之比的百分数。
可编程序控制器的编程语言
OMRON C 系列 PLC 应用实例
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控制仪表经历三个发展阶段

第一节 概论


基地式控制仪表 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。 单元组合式控制仪表 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的 控制信号。 计算机控制系统 以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构等 单元为外围设备的系统。
图5-3 实际的双位控制特性
图5-4 具有中间区的双位控制过程
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
结论
双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标
被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长 些比较有利。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而 应用很普遍。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
把比例与积分组合起来，这样控制 既及时，又能消除余差。 比例积分控制规律可用下式表示 或
p K P e K I edt 1 p KP e T I



图5-10 比例积分控制器特性
edt
若偏差是幅值为A的阶跃干扰
p KP A KP At T1
作用 通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。
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第三节 模拟式控制器
二、DDZ-Ⅱ型电动控制器
1. DDZ-Ⅱ型仪表的特点 （1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。
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集中仪表 盘后安装 仪表
就地仪表 盘面安装 仪表
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第五节 工艺管道及控制流程图
二、字母代号
在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的 上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第 一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能， 常用字母代号见下表。
表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号 字母 A C D E F I K L M P Q R S T V 第一位字母 被测变量 分析 电导率 密度 电压 流量 电流 时间或时间程序 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 修饰词 后继字母 功能 报警 控制（调节） 差 检测元件 比（分数） 指示 自动-手动操作器
左下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡过程。 在 t=t0 时，系统外加一个干 扰作用 液位开始下降 作用在控制阀上的信 号 进水量增加 偏差的变化曲线
图5-7 比例控制系统过渡过程
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图5-8 比例度对过渡过程的影响
到第9页
第二节 基本控制规律及其对系统过 渡过程的影响
优点：反应快，控制及时
/ 100% x max xmin pmax pmin （5-5）

e
p

图5-6 比例度示意图
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程 的影响
举例 DDZ-Ⅱ 型 比 例 作 用 控 制 ， 温 度 刻 度 范 围 为 400 ～ 800℃，控制器输出工作范围是 0 ～ 10mA 。当指示指 针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从4mA 变为9mA，其比例度的值为