1、自動化專業(yè)英語教程自動化專業(yè)英語教程教學(xué)課件July 28, 2007P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)1. 課文內(nèi)容簡介：以熱變換器為例，形象地介紹過程 控制系統(tǒng)中典型的三個(gè)基本操作：測量（M ）、設(shè)定（D ）和執(zhí)行（A ）。2. 溫習(xí)過程控制系統(tǒng)中緒論的內(nèi)容。3.生詞與短語ensuing adj. 相繼的variable adj. 變化的，可變的；n. 變量P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控

2、制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) latent heat 潛伏熱 deviation n. 偏差 throttle v. 調(diào)節(jié)（閥門） thermocouple n. 熱電偶 transmitter n. 熱敏電阻 conveyor n. 傳送帶，傳送機(jī)P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)4. 難句翻譯 1 provided there are no heat losses to surroundings provided：只要，是表示條件關(guān)系的連詞。 2 That is, we want to have inst

3、ruments that control the variables without requiring intervention from the operator. 這就是說，我們需要一些不用操作人員介入就可控制這些變量的設(shè)備。P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)5. 參考譯文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 此部分的主要目的是滿足讀者對自動過程控制的需要和激勵(lì)讀者來學(xué)習(xí)。自動過程控制與持續(xù)過程變量、溫度、壓力、流量、成分和期望操作值一類的量有關(guān)。正如我們在后續(xù)的章節(jié)中所看到的，過程本身是動態(tài)的。變化

4、不斷發(fā)生，并且如果激勵(lì)未加入，重要的過程變量與安全有關(guān)的變量、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率將不能獲得期望值。 為了強(qiáng)化概念，讓我們來考慮一個(gè)過程流通過濃縮流加熱的熱變換器，其過程框圖如圖4-1A-1 P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 過程流 Ti(t), C q(t), m3/s 流體 加熱后的過程流 T (t), C T 圖 4-1A-1 熱交換器P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 此單元的目的是把一過程流從某一

5、入口溫度Ti(t)加熱到某一期望出口溫度T(t)。如前所述，熱介質(zhì)是濃縮流。 只要對周圍環(huán)境沒有熱損失，過程流所獲得的能量等同于濃縮流釋放的熱量。也就是說，熱變換器和管子均絕緣。在這種情況下，釋放的熱量就是濃縮流濃縮的潛熱。 在此過程中，有許多變量可變化，從而造成出口溫度偏離期望值。如果發(fā)生此情況，激勵(lì)必須加入以更正此偏差。也就是說，激勵(lì)將控制出口溫度以維持其期望值。 完成此目的的一種方法是首先測量溫度T(t)，然后與期望值比較，基于此比較值，確定以什么來更正偏差。濃縮流的流量可用于更正偏差。也就是說，如果溫度高于期望值，那么到熱變換器的濃縮流的流量（能量）可調(diào)節(jié)減少。如果溫度低于期望值，那么

6、到熱變換器的濃縮流的流量（能量）可調(diào)節(jié)增加。所有這些均可由操作者人工完成，并且如果過程簡單明了，這將不成問題。然而，在大多數(shù)過程控制工廠中，均有數(shù)百個(gè)變量必須P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 保持期望值，那么更正過程將需要大量的操作人員。因此，我們希望自動的完成此控制。這就是說，我們需要一些不用操作人員介入就可控制這些變量的設(shè)備。這就是我們所說的自動過程控制。 為完成此目的，必須設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。一種可能的控制系統(tǒng)和其基本元件如圖4-1A-2所示。 Ti(t), C 流體 終端控制元件 T (t

7、), C T TC TT 控制器 熱敏電阻 信號 傳感器 圖4-1A-2 熱交換器控制回路 P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 首先是測量過程流的出口溫度，完成此任務(wù)的是傳感器（熱電偶、阻抗溫度儀、*系統(tǒng)溫度計(jì)、電熱調(diào)節(jié)器等）。傳感器會與熱敏電偶相連，熱敏電偶從傳感器采一輸出點(diǎn)，并把其轉(zhuǎn)換為足夠強(qiáng)的信號傳遞給一控制器?？刂破鹘邮芘c溫度相關(guān)的信號，并與期望值相比較。依賴于此比較值，控制器可確定怎樣保持溫度在期望值?；诖藳Q定，控制器給終端控制元件傳送另一信號，其反過來操作流量。 前面的段落介紹了控制系

8、統(tǒng)的四個(gè)基本元件。它們是：傳感器，通常稱為主要元件。熱敏電偶，通常稱為次要元件?？刂破鳎刂葡到y(tǒng)的“腦”。終端控制系統(tǒng)，經(jīng)常為控制閥但不總是。一般其它終端控制元件為可變的速度泵、傳送機(jī)和電動機(jī)。 這些元件的重要性在于它們執(zhí)行的是在每一個(gè)控制系統(tǒng)中所必須的三個(gè)基本操作。這些操作是：P4UIA A Process Control System 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文A 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)測量（M ）：傳感器和熱偶電阻的組合元件經(jīng)常測量被控變量。設(shè)定（D ）：基于測量值，控制器決定怎樣維持變量在期望值。執(zhí)行（A ）：作為控制器決定后的結(jié)果，系統(tǒng)必須采取一定的措施，通常有終端控

9、制元件完成。 如上所述，在每一個(gè)控制系統(tǒng)中這三個(gè)基本操作：M、D和A都會存在。在某些系統(tǒng)中，決定-執(zhí)行操作相當(dāng)簡單，而在另一些系統(tǒng)中操作很復(fù)雜。工程人員設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)必須確保采取的措施要影響控制變量，也就是說，采取的措施要影響測量值。否則，系統(tǒng)是不可控的且有可能弊大于利。P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素1.課文內(nèi)容簡介：介紹過程控制系統(tǒng)中自動過程控制的重要術(shù)語、調(diào)節(jié)和伺服系統(tǒng)、傳輸信號和過程控制所需背景等重要概念。2.溫習(xí)過程控制系

10、統(tǒng)中關(guān)于過程控制的任務(wù)和要求方面的內(nèi)容。3.生詞與短語 manipulated variable 操縱量 disturbance n. 擾動 upset n. 干擾 fouling n. 阻塞 regulatory control 調(diào)節(jié)控制 servo control 伺服控制P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素 pneumatic adj. 氣動的 representation n. 表示符號 transducer n. 傳感器 thermodynamics n. 熱力學(xué)

11、modeling n. 建模 simulation n. 仿真P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素4. 難句翻譯 1 Thus, the many principles in automatic process control apply to both cases. 因而，自動過程控制中的很多原理對兩者都適用。 2 psig: pounds per square inch gauge 表壓（計(jì)算壓強(qiáng)，剩余壓強(qiáng)） 磅每平方英寸 psia: pounds per square

12、inch absolute 絕對壓強(qiáng) 磅每平方英寸 pounds per square inch of area 磅每平方英寸面積 psi: pounds per square inch 磅每平方英寸（1psi = 0.070kg/cm2） psid: pounds per square inch differential 壓差 磅每平方英寸P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素 3 The input signal may be 4 to 20 mA and the outp

13、ut 3 to 15 psig. 輸入信號在4到20mA之間，輸出信號在3到15 psig之間。5. 參考譯文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素自動過程控制的重要術(shù)語自動過程控制的重要術(shù)語 目前，定義一些用于自動過程控制領(lǐng)域的術(shù)語是必要的。第一個(gè)術(shù)語是被控量，此變量必須維持或控制在某一期望值。在前面的例子中，過程出口溫度T(t)是被控量。第二個(gè)術(shù)語是參考點(diǎn)，即被控量的期望值。操縱量是用于維持被控量處于期望值的變量，在上例中，流量是操縱量。最后，造成被控量偏離參考點(diǎn)的任何變量被定義為擾動或干擾。在大多數(shù)過程中存在許多不同P4UIB Fundamentals of Process Contr

14、ol 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素 的擾動。在圖4-1A-2所示的熱變換器的例子中，入口過程溫度Ti(t)、過程流量q(t)、流能量的質(zhì)量、周圍環(huán)境、過程流體成分、阻塞等均可能是擾動。在這里重要的是理解在過程控制工業(yè)中，大多數(shù)情況下，正是因?yàn)閿_動的存在才需要自動過程控制。如果沒有擾動，設(shè)計(jì)-操作情況將盛行，并且將沒有必要不斷監(jiān)測過程。 下面的附加術(shù)語也很重要。開環(huán)指的是控制器與過程開斷的情況。也就是說，控制器并不決定怎樣維持控制量在參考點(diǎn)。在開環(huán)控制中的另一個(gè)例子是控制器采取的措施（A）不能影響測量（M）。的確，這是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重大缺陷

15、。閉環(huán)控制指的是控制器與過程連接，參考點(diǎn)與被控量比較并決定更正措施的情況。 基于這些術(shù)語的定義，自動過程控制系統(tǒng)的對象可陳述如下：自動過程控制系統(tǒng)的對象是盡管有擾動存在，也可利用操作量來維持被控量在其設(shè)置值。 P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素調(diào)節(jié)和伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)和伺服系統(tǒng) 在一些過程中，由于擾動，被控量偏離恒定的參考點(diǎn)。調(diào)節(jié)控制指的是設(shè)計(jì)的系統(tǒng)補(bǔ)償擾動。在另一些情況中，最重要的擾動是參考點(diǎn)本身，也就是說，參考點(diǎn)可能是時(shí)間的函數(shù)（典型的是成批處理），因此被控量必須隨參考點(diǎn)變化

16、。伺服控制指的是控制設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到此目的。 在過程控制工業(yè)中，調(diào)節(jié)控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)比伺服控制更為普遍。然而，設(shè)計(jì)這兩種控制的基本方法基本是一樣的。因此自動過程控制中的很多原理對兩者都適用。傳輸信號傳輸信號 現(xiàn)在解釋幾個(gè)用于控制系統(tǒng)儀表間通訊的信號。目前，用于過程工業(yè)的信號主要有三類，氣動信號或氣壓通常在3到15表壓，6到30表壓或3到27表壓的信號也較常用到。在管系和儀表圖（P&ID）中氣壓信號的一般表示符號為 。電力或電子符號P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素 通常在4到

17、20毫安，10到50毫安的符號也常用到，此符號在P&ID中的一般表示符號為-。越來越普遍的第三類符號是數(shù)字的或抽象的符號（零一）?；诖笮陀?jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)和微處理器的過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用是強(qiáng)迫增強(qiáng)此類信號的應(yīng)用。經(jīng)常需要把一類信號變換為另一類信號，這由傳感器完成。例如，可能需要把一個(gè)電信號，單位為毫安變換成一個(gè)氣動信號，單位為表壓，這由電流（I）-氣動（P）傳感器（I/P）?？驁D如圖4-1B-1所示。 F Y 10 PI 圖4-1B-1 I/P 傳感器P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要

18、素過程控制的基本要素 輸入信號在4到20毫安之間，輸出信號在3到15表壓之間。其他傳感器還有：氣動-電流傳感器（P/I），電壓-氣動傳感器（E/P），氣動-電壓傳感器（P/E）等等。 過程控制所需背景過程控制所需背景 為使自動過程控制在實(shí)際中成功應(yīng)用，工程師首先必須理解過程工程的原理，因此本單元假設(shè)讀者熟悉熱力學(xué)、流體流、熱傳送、分?jǐn)噙^程、響應(yīng)過程等的過程工程的基本原理。 為了學(xué)習(xí)過程自動控制，理解怎樣處理動態(tài)性能也是非常重要的，因此需要建立一套描述不同過程的方程，這就叫做建模。為了做到這一點(diǎn)，需要前面段落提到的基本原理知識和不同方程式的數(shù)學(xué)知識。在過程控制中，拉普拉斯變換應(yīng)用非常廣泛。這在很

19、大程度上簡化了微分方程的求解、過程的動態(tài)分析和其控制系統(tǒng)。 學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程控制的另一個(gè)重要“工具”是計(jì)算機(jī)仿真。 P4UIB Fundamentals of Process Control 第四部分第一單元課文第四部分第一單元課文B 過程控制的基本要素過程控制的基本要素 建立描述過程的很多方程式本身是非線形的，因此，求解最精確的方法是運(yùn)用數(shù)字方法，即計(jì)算機(jī)求解。過程模型的計(jì)算機(jī)求解被稱為仿真。P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器A 傳感器和變送器傳感器和變送器1.課文內(nèi)容簡介：主要介紹檢測技術(shù)與自

20、動化儀表中壓力、流量、溫度和水平面一次傳感器測量值與二次儀表顯示之間的變換關(guān)系。并給出了0-200表壓的電子壓力傳感器/變送器、100-300F的氣動溫度傳感器/變送器等的變換公式。2.溫習(xí)檢測技術(shù)中關(guān)于一次傳感器方面的有關(guān)內(nèi)容。3. 生詞與短語 sensor n. 傳感器 span n. 測量范圍P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 calibrate v. 校準(zhǔn) gain n. 增益 orifice n. 孔，口 square root extractor 開方器 dynamics n. 動態(tài)

21、特性P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器4. 難句翻譯 1 The value does not have to be zero in order to be called the zero of the instrument. 儀表的零點(diǎn)并不一定就是零。 2 gpm = gallons per minute 每分鐘加侖數(shù)。 3 This expression shows that the gain is not constant but rather a function of flow. 此表

22、達(dá)式說明增益不是常量，而是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。 notbut rather 不是而是P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器5. 參考譯文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 在第一單元中，我們了解了控制系統(tǒng)的四個(gè)基本元件是傳感器、變送器、控制器和終端控制元件。我們也知道了這些元件執(zhí)行每一個(gè)控制系統(tǒng)的三個(gè)基本操作：測量（M）、設(shè)定（D）和執(zhí)行（A）。本部分隨著控制器較詳細(xì)的研究，簡單介紹一下傳感器和變送器。 傳感器和變送器執(zhí)行的是控制系統(tǒng)的測量（M）操作。傳感器產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械的或與測量的過程變量相關(guān)的類似的現(xiàn)象

23、。反過來，變送器把這一現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為可以傳遞的信號。因此，信號與過程變量相關(guān)。 存在與傳感器/變送器組合元件相關(guān)的三個(gè)重要術(shù)語。通過測量的過程變量的高低數(shù)值來設(shè)定儀表的范圍。也就是說，可以考慮使用標(biāo)有刻度的壓力傳感器/變送器來測量20表壓到50表壓P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 間的過程壓力。我們可以說，傳感器/變送器組合元件的范圍是2050表壓，儀表的測量范圍與高低壓數(shù)值間的范圍是不同的。上述的壓力儀表測量范圍是30表壓?？傊?，我們必須明確高低數(shù)值來限定儀表的范圍，也就是說，兩個(gè)數(shù)值必須給出，

24、儀表的測量范圍與兩個(gè)數(shù)值間的范圍是不同的。最后確定，低壓數(shù)值作為儀表的零點(diǎn)。儀表的零點(diǎn)并不一定就是零，上述例子中，儀表的零點(diǎn)是20表壓。 其他工業(yè)傳感器有：壓力、流量、溫度和水平面。有時(shí)候，獲得描述傳感器/熱敏電阻動態(tài)性能的參數(shù)對于系統(tǒng)分析是很重要的。一旦得知測量間隔，增益即可容易獲得?？紤]一個(gè)范圍為0-200表壓得電子壓力傳感器/變送器，增益被定義為輸入變化量除以輸出變化量或激勵(lì)函數(shù)變化量除以響應(yīng)變化量。在這種情況下，輸出是電子信號（420毫安），輸入是過程壓力（0200表壓），因此P4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感

25、器和變送器傳感器和變送器 考慮的另一個(gè)例子是范圍在100300F的氣動溫度傳感器/熱敏電阻。增益為 也就是說，傳感器/變送器的增益是輸出測量范圍與輸入測量范圍的比率。 上述的兩個(gè)例子表明傳感器/變送器的增益是超過其完全操作范圍的常量，大多數(shù)傳感器/變送器都是這種情況；然而，也有一些象用于測量流的微分壓力h傳感器不是這種情況的例子。微分壓力傳感器冷處理孔處的微分壓力。微分壓力與測定體積流的速率F的平方有關(guān)，即 。psigmA08.0psig200mA16psig0psig200mA4mA20TKFpsig06.0F200psig12F100F300psig3psig15TKahF2P4U2A S

26、ensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 描述當(dāng)測量范圍為0Fmaxgpm的測定體積流時(shí)，輸出信號形式為微分壓力熱敏電阻的公式為 式中輸出信號，毫安 測定體積流 從等式中可知，變送器的增益獲得如下： 標(biāo)稱增益為：22maxF)(164FFMFFFMK2maxFT)()16(2ddP4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 此表達(dá)式說明增益不是常量，而是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。流量越大，增益越大。明確的說，maxT16FK0.250.

27、10.12.000.175.05.01.00TTmaxKKFFAtP4U2A Sensors and Transmitters 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文A 傳感器和變送器傳感器和變送器 因此，實(shí)際上增益在零到兩倍標(biāo)稱增益間變化。 在流體控制系統(tǒng)中這就造成了非線性。目前，大多數(shù)生產(chǎn)廠家均提供產(chǎn)生潛入變送器的嵌入式開方器的微分壓力熱敏電阻。 大多數(shù)傳感器/變送器的動態(tài)響應(yīng)比過程快，因此，時(shí)間常數(shù)和空載時(shí)間經(jīng)常被忽略，從而傳遞函數(shù)有純增益給出。然而，當(dāng)考慮動態(tài)特性時(shí)，一次或二次系統(tǒng)的儀表傳遞函數(shù)通常表示為 或 1)(TsKsG12)(2TssKsGP4U2B Final Contro

28、l Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 1. 課文內(nèi)容簡介：形象地介紹過程控制系統(tǒng)中控制閥、反饋控制器的功能和作用，通過換熱器和液位控制的例子，生動地解釋了“無信號則關(guān)”、“無信號則開”、正反饋、負(fù)反饋等非常重要的控制概念。 2. 溫習(xí)過程控制系統(tǒng)中有關(guān)調(diào)節(jié)閥的內(nèi)容。 3. 生詞與短語 throttle v. 調(diào)節(jié)(閥門)，用(閥門)調(diào)節(jié) fail-closed (FC) adj. 無信號則關(guān)的P4U2B Final Control Elements

29、and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 fail-open (FO) adj. 無信號則開的 air-to-open (AO) adj. 氣開的 air-to-close (AC) adj. 氣關(guān)的 polymer n. 聚合物 hot exchanger 熱交換器P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器4. 難句翻譯 1 Throttling flow is what control

30、 valves are all about. 控制閥的作用就是調(diào)節(jié)流量。 2 This may not necessarily be the safest overall operation; that is, the engineer needs to look at the complete plant rather than only one piece of equipment. 這并不一定是最安全的全局操作，也就是說，工程師應(yīng)從整個(gè)工廠著眼，而不是僅注意某一臺設(shè)備。P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第

31、二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器5. 參考譯文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器控制閥控制閥 控制閥是最普遍的終端控制元件。在過程工廠中，控制閥被用于操縱流量，從而使控制量維持在設(shè)定值。在本節(jié)中，應(yīng)用于過程控制的控制閥的許多重要方面被介紹。 在管道過程系統(tǒng)中，控制閥作為可變阻尼，通過改變口的大小來改變流量阻尼和流量本身的大小?？刂崎y的作用就是調(diào)節(jié)流量。本部分介紹控制閥的作用（故障條件）、控制閥尺寸和它們的特點(diǎn)。 選擇控制閥時(shí)工程師必須回答的問題是：當(dāng)能量傳遞到控制閥時(shí)，怎樣做能使其失效。此問題涉及到閥門的失效點(diǎn)?；卮鸫藛栴}主要考慮或應(yīng)該考慮的是可靠性。如果認(rèn)為出

32、于安全考慮，閥門應(yīng)該關(guān)閉，那么必須指定“無信號則關(guān)”（FC）的閥門，另一種可能是“無信號則開”（FO）的閥門，當(dāng)能量提供失敗時(shí)，P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 此類閥門將打開，不再節(jié)流。大多數(shù)的控制閥是氣動操作，因此，提供能量的是空氣壓力。無信號則關(guān)的閥門需要能量來打開，因此被指定為“氣開”（AO）閥門。需要能量來關(guān)閉的無信號則開的閥門被指定為“氣關(guān)”（AC）閥門。現(xiàn)在舉例說明控制閥作用的選擇。此例是如圖4-2B-1所示的過程。 Ti(t), C 流體

33、 過程流 T (t), C TC 15 TT 15 T 圖 4-2B-1 熱交換器控制回路P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 在此過程中，通過操作到達(dá)熱交換器的蒸汽流來控制過程流的出口溫度。問題是：當(dāng)空氣供應(yīng)失敗時(shí)，我們想讓蒸汽閥做什么？ 如前所述，想讓蒸汽閥到達(dá)最安全的情況?？瓷先プ畎踩那闆r可能是使蒸汽流停止的位置；也就是說，在不安全的操作中，不希望有蒸汽流過，這就意味著應(yīng)該指定出故障時(shí)自動關(guān)閉的閥門。在決定中，我們并沒有考慮關(guān)閉閥門后不能加熱流體的后

34、果。在某些情況下，可能不會有什么問題，然而，在另一些情況下，就不得不考慮。另一個(gè)例子，考慮一個(gè)氣體是維持某種聚合物溫度的例子。如果蒸汽閥門關(guān)閉，在交換器中溫度將下降，聚合物可能固化。在此例中，可能希望無信號則開閥門提供最安全的情況。 注意，這一點(diǎn)很重要，在此例中僅僅考慮了熱交換器周圍的安全情況，這并不一定是最安全的全局操作，也就是說，工程師應(yīng)從整個(gè)工廠著眼，而不是僅注意某一臺設(shè)備。必須看到對蒸汽和過程流流過的熱交換器和其他設(shè)備的影響。再說一遍，必須考慮整個(gè)工廠的安全。 P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元

35、課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器反饋控制器反饋控制器 此部分介紹最重要的工業(yè)控制器。強(qiáng)調(diào)了其參數(shù)的物理意義，旨在理解其如何工作。此介紹對于氣動電子控制器和大多數(shù)基于微處理器的控制器均適用。 簡單的說，控制器是控制回路的“腦”。如第一單元所述，控制器是控制系統(tǒng)中起決定作用的設(shè)備。為了做到這一點(diǎn)，控制器：1.比較來自熱敏電阻和控制器變量的過程信號和參考點(diǎn)2.為了維持控制變量在其參考點(diǎn)，給控制閥或其他任何控制元件發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘?考慮如圖4-2B-1所示的熱交換器的控制回路。如果熱流的出口溫度超過其參考點(diǎn)，控制器必須關(guān)閉蒸汽閥。由于閥門是氣開（AO）閥，控制器必須降低其輸出（氣壓或電流

36、）信號（看圖中箭頭）。為了做到這一點(diǎn)，控制器必須設(shè)定為反作用。一些生產(chǎn)者把此作用指定為衰減，也就是說，控制器輸入信號有一增量，那么控制器的輸出信號會產(chǎn)生一減量。P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 考慮如圖4-2B-2所示的平面控制回路。如果液面超過參考點(diǎn)，控制器必須打開閥門使液面返回到參考點(diǎn)（看表中箭頭）。為做到這一點(diǎn)，控制器必須被設(shè)置為正作用，也就是說，在控制器的輸入信號加一增量，那么控制器的輸出信號會產(chǎn)生一增量。 LIC 41 qi(t), gmp L

37、T 41 qo(t), gmp h(t) AO 圖 4-2B-2 液位控制回路 P4U2B Final Control Elements and Controllers 第四部分第二單元課文第四部分第二單元課文B 終端控制元件和控制器終端控制元件和控制器 總之，為確定控制器的作用，工程師必須了解：1.控制的過程要求。2.控制閥或其他終端控制元件的作用。 兩個(gè)條件必須均考慮。讀者會自問，平面控制器的正確作用是否是運(yùn)用氣關(guān)（AC）閥門或用入口流量代替出口流量來控制平面。在第一種情況下控制閥作用變化，而在第二種情況下，控制閥作用是控制變化的過程要求。 控制器作用通常被設(shè)置為氣動或電子控制器方面的開關(guān)

38、，或大多數(shù)基于微處理器的控制器方面的配置位。P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器A P控制器和控制器和PI控制器控制器 1.課文內(nèi)容簡介：主要介紹過程控制系統(tǒng)中比例控制器和比例-積分控制器的工作原理、作用、傳遞函數(shù)和各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。并以圖解的方式形象地說明比例系數(shù)和積分常數(shù)發(fā)生變化時(shí)對控制輸出的影響。 2.溫習(xí)過程控制系統(tǒng)中有關(guān)比例積分控制的內(nèi)容。 3. 生詞與短語P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單

39、元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 calibration n. 校準(zhǔn)，檢查 fraction n. 分?jǐn)?shù)，小數(shù) offset n. 靜差 ultimate adj. 臨界的 weight n. 權(quán) reset time 復(fù)位時(shí)間 reset rate 復(fù)位速率P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器4. 難句翻譯 1 Proportional only controllers have the advantage of only one tuning paramete

40、r, Kc. 純比例控制器的優(yōu)點(diǎn)是只需整定一個(gè)參數(shù)Kc。 2 Also, from Eq.(5-3A-6) we note that as long as the error term is present, the controller will keep changing its output, thereby integrating the error, to remove the error. 從式(5-3A-6)中，我們注意到只要誤差項(xiàng)存在，控制器就會不斷改變其輸出，從而通過對誤差積分來消除誤差。5. 參考譯文P4U3A P Controllers and PI Controller

41、s 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器A P 控制器和控制器和 PI 控制器控制器 為了維持參考點(diǎn)，反饋控制器做出決定的方法是通過在被控量與參考點(diǎn)差別的基礎(chǔ)上，計(jì)算輸出。在本單元中，我們將通過描述其操作的公式著眼于最普通的控制器。比例控制器比例控制器(P) 除了在這里不考慮的開-斷控制器，比例控制器是最簡單的控制器，描述其操作的方程式如下： (4-3A-1) 或 (4-3A-2) )()()(ctctrKmtm)()(cteKmtmP4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A

42、 P控制器和控制器和PI控制器控制器式中 控制器的輸出，psig或mA 參考點(diǎn)，psig或mA 被控量，psig或mA，這是熱敏電阻的信號。 誤差信號，psig或mA，參考點(diǎn)與被控量的差別。 控制器增益， 或 偏差值，psig或mA，此值的意義在于它是誤差為零時(shí)的輸出，在中比例的刻度控制器中，此值通常被設(shè)定為9 psig或12 mA。因?yàn)檩斎肱c輸出范圍是相同的（315 psig 或420mA），輸入信號和輸出信號以及參考點(diǎn)有時(shí)候也可用分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)來表示。 可以有趣的看到等式（4-3A-1）描述的是一個(gè)反作用控制器。如果控制器變量 c(t)，超過參考點(diǎn)r(t)，誤差變負(fù)，并且)( tm)( tr

43、)( tc)( tecK psipsimAmAmP4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 等式表明控制器的輸出 m(t)，下降。在數(shù)學(xué)上顯示正作用控制器的一般方法是使控制器的增益Kc為負(fù)。然而，必須牢記，在工業(yè)控制器中沒有負(fù)增益，只有正增益。反/正開關(guān)可以做到這一點(diǎn)。當(dāng)做正作用控制器的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析時(shí)，負(fù)增益Kc被使用。 等式（4-3A-1）和等式（4-3A-2）表明控制器的輸出正比于參考點(diǎn)和被控量間的誤差。比例由控制器的增益Kc給出。此增益或控制器的靈敏度決定對于給定的誤差

44、變化，控制器輸出的變化程度。如圖4-3A-1所示。 純比例控制器的優(yōu)點(diǎn)是只需整定一個(gè)參數(shù)Kc，然而，它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是用偏移量或“穩(wěn)態(tài)誤差”來操作被控量。為用圖表表明此偏移量，考慮如圖4-2B-2所示的液面控制回路，假設(shè)設(shè)計(jì)條件為 和 ，再假設(shè)為了使出口閥超過150gpm，作用其上的空氣壓力為9 psig。如果入口流量增加，純比例控制器的系統(tǒng)的響應(yīng)如圖4-3A-2所示?？刂破魇贡豢亓炕氐椒€(wěn)定值，但此值不是期望參考點(diǎn)。被控量的參考點(diǎn)和穩(wěn)定值間的差別就是偏差。圖4-3A-2顯示了對應(yīng)于兩個(gè)不同整定g/m150oi qqft6hP4U3A P Controllers and PI Contro

45、llers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 1mA Set point c(t) Kc=2 Kc=1 m(t) t O O t 圖4-3A-1 控制器增益對控制器輸出的作用 qi(t)/gpm Kc2Kc1 Kc1 h(t)/ft t 170 150 6 t Offset=Steady-state error Kc2 Set point 0 0 圖4-3A-2 液面系統(tǒng)的響應(yīng)P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 參數(shù)Kc 的兩條

46、響應(yīng)曲線，數(shù)據(jù)表明Kc值越大，偏差越小，但過程響應(yīng)越振蕩。然而，對于大多數(shù)過程，Kc有最大值，超過此最大值，過程將不穩(wěn)定。增益最大值的計(jì)算我們稱之為極限增益Kcu。 為得到純比例控制器的傳遞函數(shù)，等式（4-3A-1）寫成 定義如下的兩個(gè)偏差量： (4-3A-3) (4-3A-4) 那么用拉普拉斯變換得到如下的傳遞函數(shù)： 0)()(cteKmtmmtmtM)()(0)()(tetE)()(ctEKtMc)()(KsEsMP4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 簡單的說，純比例控制

47、器是僅有一個(gè)整定參數(shù)的最簡單Kc或PB的控制器。此控制器的缺點(diǎn)是在控制器變量中用偏差操作。在象調(diào)壓槽似的一些過程中，可能不會有嚴(yán)重的后果。在過程被控制在參考點(diǎn)上下范圍內(nèi)的情況下，純比例控制器就足夠了。然而，在過程必須控制在參考點(diǎn)的情況下，純比例控制器就不能提供滿意的控制。比例比例-積分控制器積分控制器(PI) 大多數(shù)的過程不能用偏差控制，也就是說，它們必須被控制在參考點(diǎn)，在這些情況下，純比例控制器中必須加入額外的信息以消除偏差，新的信息或新型控制是積分或復(fù)位作用，因此，控制器成為比例-積分控制器（PI）。等式描述如下：ttctrKtctrKmtmd)()()()()(IccP4U3A P Co

48、ntrollers and PI Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器或 (4-3A-6) 式中 積分或復(fù)位時(shí)間，分鐘/次 因此，PI控制器有兩個(gè)參數(shù)Kc和，這兩個(gè)參數(shù)必須被調(diào)整以獲得滿意的控制。 為了理解復(fù)位時(shí)間的物理意義，考慮如圖4-3A-3所示的假設(shè)的例子。 tteKteKmtmd)()()(Icc 參考點(diǎn) c(t) 純比例控制器的響應(yīng) Kc m(t) t Kc I PI 控 制 器的響應(yīng) t O O 圖4-3A-3比例-積分 (PI) 控制器對階躍誤差的響應(yīng)IP4U3A P Controllers and PI Cont

49、rollers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 是控制器重復(fù)比例作用的時(shí)間，因此單位是分鐘/次。 值越小，響應(yīng)曲線越陡，這就意味著控制器響應(yīng)越快。解釋這一點(diǎn)的另一種方法是查看等式（4-3A-6）， 值越小，積分前的項(xiàng) 越大，因此，積分或復(fù)位作用的權(quán)越大。 從式中，我們注意到只要誤差項(xiàng)存在，控制器就會不斷改變其輸出，從而通過對誤差積分來消除誤差。記住，積分也意味著求和。 為得到PI控制器的傳遞函數(shù)，式（4-3A-6）描述如下： IIIIc/KtteKteKmtmd 0)(0)()(IccP4U3A P Controllers and PI Cont

50、rollers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文A P控制器和控制器和PI控制器控制器 利用式（4-3A-3）和（4-3A-4）給出的偏差的相同的定義，采用拉普拉斯變換，重新排列得到： 總之，比例-積分控制器有兩個(gè)參數(shù)：增益或比例帶，復(fù)位時(shí)間或復(fù)位速率。此類控制器的優(yōu)點(diǎn)是積分或復(fù)位作用消除偏差。)1 ()()(IcsKsEsMP4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 1.課文內(nèi)容簡介：主要介紹過程控制系統(tǒng)中比

51、例-積分-微分控制器的工作原理、作用、傳遞函數(shù)和控制特點(diǎn)。并以“預(yù)測誤差變化”的說法形象地揭示了微分控制器的作用，特別說明了比例-微分控制器有增大比例系數(shù)的作用。最后特別指出比例系數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)之間是互相影響的。 2.溫習(xí)過程控制系統(tǒng)中有關(guān)比例積分微分控制的內(nèi)容。 3. 生詞與短語P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 preact v.; n. 超前；提前修正量 susceptive adj. 對敏感的；易受影響的 lead n. 超前 lag n.

52、 滯后 discrete adj. 離散的；分離的 get around 回避，躲開 detrimental adj. 不利的P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器4. 難句翻譯 1 PID controllers are recommended for long time constant loops which are free of noise. PID控制器適用于不易受噪聲干擾的具有長時(shí)間常數(shù)的環(huán)路系統(tǒng)。2 A few other comments o

53、n controllers are in order before closing this section. 在結(jié)束這節(jié)之前，有必要再對控制器作一些說明。be in order 完備的，適用的，適宜的，必要的 3 The slope of the ramp is predetermined by the operating personnel. 斜坡函數(shù)的斜率要由操作人員預(yù)先設(shè)定。P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器5. 參考譯文B PID控制器和其它控制

54、器控制器和其它控制器比例比例-積分積分-微分控制器微分控制器 (PID) 有時(shí)候另一種控制加在了PI控制器上，這種新的控制是微分作用，也稱為比率作用或超前。它的目的是預(yù)料過程率先查看誤差變化的時(shí)間速率，即微分。描述等式如下： (4-3B-1) 式中 微分或比率，時(shí)間單位為分鐘 因此，PID控制器有三個(gè)參數(shù)Kc 或PB, 或 和 ，必須整定這三個(gè)參數(shù)來達(dá)到滿意的控制。注意：只有一個(gè)微分tteKtteKteKmtmd)(dd)()()(DcIccDIRI DP4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制

55、器和其它控制器控制器和其它控制器 整定參數(shù) ，對于生產(chǎn)者，它有相同的單位：分鐘。 如上所述，微分作用是通過誤差求導(dǎo)，使控制器具有預(yù)料過程變化，也就是說，“預(yù)測未來”的能力?！邦A(yù)料”的程度由整定值 決定。 考慮如圖4-2B-1所示的熱交換器，并利用它通過“預(yù)料過程變化的地方”來闡明其意思。假設(shè)入口過程溫度下降了一些，出口溫度會如圖4-3B-1所示的那樣相應(yīng)的下降。在時(shí)間ta，誤差量是正值且可能很小，因此，由PI 提供的控制修正量很小。然而，誤差的微分、誤差曲線的斜度是大的和正的，使得微分提供的控制修正量很大。通過查看誤差微分，控制器就可知被控量率 DD t Ti(t) t T(t) O e(t)

56、 ta tb ta tb t O O 圖4-3B-1 熱交換器控制P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 先相當(dāng)快的遠(yuǎn)離參考點(diǎn)。因此可利用這個(gè)事實(shí)來幫助控制。在時(shí)間tb誤差依然是正的且必以前更大，由比例積分提供的控制更正量的大小也比以前的大，且仍然加到控制器的輸出來更大的打開蒸汽閥門，然而，在這個(gè)時(shí)刻的是誤差微分是負(fù)的，表明誤差正在減小，也就是說，被控量開始下降到參考點(diǎn)。再次利用這個(gè)事實(shí)可知，自從誤差開始下降后，微分的作用開始從其他兩種形式中下降，通過這一點(diǎn)，

57、過程將花費(fèi)較長的時(shí)間返回到參考點(diǎn)，然而，在參考點(diǎn)上下的超調(diào)和振蕩下降。 PID控制器應(yīng)用于長時(shí)間常數(shù)的系統(tǒng)中，典型的例子是溫度濃縮回路，短時(shí)間常數(shù)（小電容）的過程很快且易受噪聲干擾。此過程的典型例子是流量回路和控制液體流壓力的回路。考慮如圖4-3B-2所示的流量記錄， t 流量 O 圖4-3B-2 流量回路記錄P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 由于快速變換的噪聲的微分?jǐn)?shù)值很大，因此微分形式的應(yīng)用僅僅造成了噪聲的放大。長時(shí)間常數(shù)的過程（大電容）通常是衰減的

58、，因此不易受噪聲的干擾。然而，注意：你可能有一個(gè)長時(shí)間常數(shù)的過程，例如帶有噪聲熱敏電阻的溫度回路，在這種情況下，應(yīng)用PID控制器前必須安裝熱敏電阻。 式（4-3B-1）整理后得到“理想” PID控制器的傳遞函數(shù)如下： 利用式（4-3A-3）和式（4-3A-4）給出的微分變量的相同的定義，采用拉普拉斯變換，整理得到： 傳遞函數(shù)被稱為“理想的”是因?yàn)樵趯?shí)際中此微分計(jì)算不可能獲得的。用超前/滯后近似微分得到“實(shí)際的”傳遞函數(shù)為：tteKtteKteKmtmd0)( dd 0)(0)()(DcIcc)11()()(DIcssKsEsMP4U3B PID Controllers and Other Co

59、ntrollers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 (4-3B-2) 典型值范圍是0.05 到0.1。 總之，PID控制器有三個(gè)整定參數(shù)：增益或比例帶、復(fù)位時(shí)間或復(fù)位速率和速率時(shí)間。額定時(shí)間或微分時(shí)間總以分鐘為單位。PID控制器適用于不易受噪聲干擾的具有長時(shí)間常數(shù)的環(huán)路系統(tǒng)。微分形式的優(yōu)點(diǎn)是可以提供“查看過程快速變化的地方”的能力。比例比例-微分控制器微分控制器 (PD) 此類控制器用于純比例控制器被應(yīng)用但一定程度的“預(yù)料”被需要的過程中。描述公式如下：1111)()(DDcIKsEsMtteKteKmtmd)(d)()(DccP4U3B

60、 PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三單元課文第四部分第三單元課文B PID控制器和其它控制器控制器和其它控制器 “理想的”傳遞函數(shù)是： PD控制器的缺點(diǎn)是用被控量偏差來操作，只有積分作用能夠消除偏差。然而，在相同的回路中，PD控制器能夠獲得比純比例控制器更高的增益，從而可造成更小的偏差。數(shù)字控制器和其它說明數(shù)字控制器和其它說明 如前所述，式（4-3B-2）是工業(yè)模擬控制器的傳遞函數(shù)，然而，數(shù)字控制器是式（4-3B-1）的離散形式。整定數(shù)字控制器的方法與整定模擬控制器的方法差別不大。在結(jié)束這節(jié)之前，有必要再對控制器作一些說明。式（4-3B-1）表明在任何時(shí)候