江南大学过程控制装置及系统设计期末考试讲述

过程自动化：是指在工业生产中广泛采用各种自动控制、自动检测和自动调节装置，对生产 过程进行自动测量、检验、计算、控制、监视等，以代替“人”来操纵机器设备。

过程自动化一般包括：自动检测、自动保护、自动操纵和自动调节等方面的内容。

自动控制系统的方框图就是表示系统各单元、部件之间（电）信号传递关系的一种数学图示模型。

它反映控制系统的组成以及每部分的作用，更直观地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息的联系。

区别在于工艺流程图表示系统物料流向的构成方式，与方框图截然不同。

自动控制系统按控制系统的结构分类：开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统开环控制系统（前馈控制系统）：系统的输出量（即被控变量）不返回系统的输入端，控制器只是根据干扰（输入）信号来进行控制。

闭环控制系统（反馈控制系统）：被控变量的信号以反馈方式送到控制器的输入端，与给定值比较，将比较的偏差作为改变控制作用的依据。

只要被控变量与给定值存在偏差，就会不断地改变控制作用，直到控制变量符合要求为止。

复合控制系统：开环和闭环控制系统配合使用，构成复合控制系统。

反馈：自动控制系统中，将系统（或环节）的输出量直接或者间接地重新引回到输入端的做法称为反馈。

反馈信号的作用方向与设定值相反，即偏差信号为两者之差，称为负反馈。

反之，偏差信号为两者之和，称为正反馈。

在控制系统中采用负反馈是因为当系统受到扰动作用后，被控变量会偏离给定值。

若使得其升高，则通过负反馈将偏差信号传递给控制器而使执行器动作，施加控制作用去消除偏差。

因此，负反馈具有抑制干扰的能力。

过渡过程：自动控制系统在动态过程中，被控变量随时间变化的过程称为自动控制系统的过渡过程或控制过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。

稳定的过渡过程：衰减振荡过程、非周期过程不稳定的过渡过程：发散振荡过程、等幅振荡过程衰减振荡过程、非周期过程基本满足控制过程的基本要求，但由于非周期控制过程变化缓慢，过度时间长，而且被控变量在动态中变化幅值大，生产上一般不采用。

干扰作用：除操纵变量以外的其他各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。

控制作用：通过对被控对象的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号，这个信号按一定计算规律计算出控制信号来改变操纵变量，克服干扰的作用。

关系：控制作用的一部分职能就是减小和消除干扰作用的影响。

一阶系统动态特性与基本参数用一阶微分方程表述过程的输出(状态)变量的系统，称为一阶系统。

设c(t)为输出变量，常见形式：如果上式中c(t)和r(t) 是相对于稳态值的偏差变量，则可得c(0)=0，r(0)=0，则一阶过程的传递函数为：如果输出变量的零阶导数项系数为零，则获得纯容量或者纯积分过程的传递函数为：纯容量过程的动态响应：在分析某一过程的动态响应时，通常是研究当过程输入变量发生阶跃变化时输出变量的响()p p dc c K r t dt τ+=()()()1p p K C s G s R s s τ==+()()()'p K C s G s R s s ==应。

当输入变量发生单位阶跃变化时， 输入变量的拉普拉斯变换容易求得为： 从而可得： 输出变量变化关系为 （拉氏逆变换）： 上式表明，纯容量过程不具有自平衡性。

一阶滞后系统的动态响应 当输入变量发生幅值为A 的阶跃变化时，有 输出响应的拉普拉斯变换可求得为输出变量变化关系为 一阶系统动态响应的如下性质:(1 )经过一定时间之后，一阶滞后系统可以达到一个新的稳态，即一阶滞后系统具有自平衡性。

(2) 在t=0时，响应曲线的斜率 / τp 。

假设过程状态的变化保持最初的变化速率，经过数值等于时间常数的时间后，过程状态可达到新的稳态值。

系统的时间常数越小，过程达到新稳态所需时间越短。

(3) 输出变量的新稳态值在经过无穷的时间后等于 。

对于同样的输入阶跃变化量，稳态增益越小，所引起的输出稳态值变化量也越小。

(4) 当输入发生阶跃变化后，需要经过一定时间输出才能达到其新稳态值，该系统具有滞后的特性。

数学模型特点：模型的逼真性和可行性（原则上尽可能逼真，理想模型，实际上考虑成本等）、模型的渐近性（实际问题的建模需多次尝试，初始到修正）、模型的可转移性（不仅仅适用单个对象，可转移至另外研究对象）、模型的强健性（微小改变的对应性）、模型的条理性（建模角度考虑问题，促使对现实对象分析更全面、深入、具有条理性）、模型的非预制性（实际问题多种多样、千变万化，建模事先没有答案）。

机理建模法：研究对象物理化学性质和运动规律可以较为真实的反映对象特性，所以以它们为基础进行的建模是比较可行的方法，这种方法统称为机理演绎法该方法对于不允许进行实验的场合而言是一种可取的建模方法。

该方法的不足之处在于对系统进行的集中参数和线性假设，所以建立的模型具有一定的局限性系统辨识法：系统辨识法以黑箱模型为研究对象，在输入不同信号时，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，从而建立研究对象的数学模型。

联系：先建立一个比较简化的机理模型，对它进行初步的了解和研究。

然后再建立一个比较完善的数学模型，进行比较全面和精确的研究。

举例说明自衡特性和无自衡特性：泵出口流量Q 2不随液位而变化，动态描述方程为若水槽的流入量突然有一个阶跃变化，液位将随时间的推移上升，直至水槽顶部溢出，这就是无自衡特性。

一阶滞后系统的动态响应具有自衡特性，参见前面。

纯滞后（传递滞后）：是由于信号的传输、介质的输送、或热的传递要经过一段时间而产生。

调节阀1Q 12h dt dh AQ =∆()1R s s =()'2p K C s s =()'p c t K t=()A R s s =()()()111p p C s G s R s AK s s τ=⎛⎫=- ⎪ ⎪+⎝⎭()()1pt p C t AK e τ-=-p AK p AK容量滞后：是指被调量的速度并不是一开始就达到最大，而是要经过一段滞后时间。

容量滞后一般是由于物料或者能量的传递过程中受到一定的阻力而引起的，或者说由于容量数目多而产生的。

一般用容量滞后时间来表示其滞后的程度，其主要特征是当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开始变化缓慢，然后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。

注意：容量滞后和纯滞后原理不同，实际难以严格区分。

同时存在时，通常把两种滞后时间加在一起，统称滞后时间。

滞后的影响与其所在通道有关，对控制通道而言，滞后的存在是不利的。

一阶系统的单位阶跃（1/s ）响应：当单位阶跃函数r(t)＝1(t) 作为输入信号作用于一阶系统时，可得一阶系统的单位阶跃响应为: 一阶系统的单位阶跃响应是一条初始值为零，以指数规律上升到终值 Css ＝1的曲线。

非周期响应是一阶系统的单位阶跃作用的结果，具备如下两个重要特点：1)可用时间常数T 去度量系统输出量的63.2％数值。

根据这一特点，可用实验方法测定一阶系统的时间常数，或测定所测系统是否属于一阶系统。

2)响应曲线斜率初始值为1/T ，随时间推移而下降一阶系统的单位脉冲(1)响应:当输入信号为理想单位脉冲函数时，由于R(s)＝1，所以系统输出量的拉氏变换式与系统的传递函数相同， 即这时获得系统的脉冲响应，其表达式为一阶系统的单位斜坡(1/s 2)响应: 当输入信号为单位斜坡函数 ，可以求得一阶系统的单位斜坡响应 ；上式表明：一阶系统能跟踪斜坡输入信号。

稳态时，输入和输出信号的变化率完全相同。

减少时间常数T 不仅可以加快瞬态响应的速度，还可减少系统跟踪斜坡信号的稳态误差。

由于系统存在惯性，c 从0上升到1时，对应的输出信号在数值上要滞后于输入信号一个常量T ，这就是稳态误差产生的原因。

简单控制系统（单回路控制系统）及其方框图：由下图可以看出，闭环控制系统由被控对象、了()1tT c t e -=-0≥t ()11+=Ts s C 01)(≥=-t e T t c T t 21R(s)s =t Tt T Te T t e T t t c 11)1()(--+-=--=变送器的作用及其种类：作用：变送器是单元组合式仪表中不可缺少的基本单元之一。

通过放大或再一次的能量转换，将检测元件输出的微弱信号变换为能远距离传送的统一标准信号。

种类：温度变送器、压力变送器、流量变送器；（液位变送器、成分变送器）共模干扰及其抑制：在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为共模干扰或纵向干扰。

抑制共模干扰的一个有效办法是把仪表悬空，也就是把变送器内的零线和大地绝缘。

除了这种干扰形式外，在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰。

由于这种干扰表现为两根信号线之间的电压差，所以又称线间干扰或横向干扰。

在温度变送器中，考虑到热电偶信号的变化很慢，可以从频率上把信号和干扰区别开来，或者在变送器的输入端用滤波器等加以抑制。

欲使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，亦即变送器放大回路的反馈电路输入与输出特性要模拟成热电偶的非线性特性关系。

DDZ-Ⅲ型力平衡式差压变送器（力矩平衡原理）：1—测量气室；2—测量膜片；3—轴封膜片；4—主杠杆；5—推扳；6—矢量板；7—拉杆；8—十字簧片；9—动铁心；10—差动变压器；11—副杠杆；12—检测放大器；13—永久磁钢；14—反馈线圈；15—调零弹簧上式说明当矢量板的位置确定后(即为常数时)，变送器的输出电流与输入差压信号成对应关系。

流量检测器分类：速度式流量计:以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量。

（差压式流量计、转子流量计、电磁流量计）容积式流量计：以单位时间内所排出的流体的固定容积数作为测量依据来计算流量。

（椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、湿式气体流量计）质量流量计：以测量流体的质量为依据的流量计。

（惯性式质量流量计、补偿式质量流量计）注意: 差压式(又称节流式)流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量。

差压式流量计由产生压差的节流装置(如孔板、喷嘴、文丘里管等)、检测压差的差压计以及otanI K pθ=∆13KKK=传递压差信号的引压管等三部分组成。

控制器的作用：在整个控制系统中，控制器起着最核心的作用。

将测量变送信号与设定值相比较产生偏差信号，并按一定的运算规律产生输出信号，该信号送至执行器，控制执行器做出正确的动作，实现控制的目的。

控制规律是指控制器的输出信号随输入信号变化的规律。

位式（断续性的控制）比例（P ）比例积分（PI ）比例微分（PD ）比例积分微分（PID ）（后三者是连续性控制）1）比例作用是最基本的；2）积分作用可以单独使用，但更多是与比例作用结合在一起(PI)；3）微分作用不能单独使用，它通常是与比例作用相结合(PD)，或与比例积分作用相结合(PID)。