緒論

一、過(guò)程控制工程課設(shè)置的目的和任務(wù)

Processcontrol（過(guò)程控制）課，是培養(yǎng)從事過(guò)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，及其在工程上

予以實(shí)施的能力。

控制方案的形成有兩個(gè)來(lái)源：一是來(lái)自控制原理的進(jìn)展，討論的核心問(wèn)題是在保證系統(tǒng)

穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，如何提高系統(tǒng)的品質(zhì)；而另一來(lái)源是為了滿足工藝的特殊要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的

控制方案。

木課的基礎(chǔ)涉及到化工原理、控制原理和儀表計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識(shí)。

二、過(guò)程控制的發(fā)展簡(jiǎn)史

1、硬件

第一階段：30-40年代，基地式儀表，就地控制

第二階段：40-50年代，電氣動(dòng)單元組合儀表，車(chē)間、工段或全廠集中控制

第三階段：60年代后，由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，全廠性、企管性控制

2、過(guò)程控制手段

40年代初：“黑箱子”時(shí)期

50年代末：“灰箱子”時(shí)期，用反饋控制理論于生產(chǎn)過(guò)程

5（）年代初、中：①對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模型的建立導(dǎo)致化工動(dòng)態(tài)學(xué)的發(fā)展②用實(shí)驗(yàn)方法

來(lái)探討模型、系統(tǒng)辯識(shí)

60年代：現(xiàn)代控制理論發(fā)展，我國(guó)75年后計(jì)算機(jī)控制較普遍，發(fā)展快

三、過(guò)程控制設(shè)計(jì)

1、從局部的設(shè)計(jì)到總體的設(shè)計(jì)，從單回路到多回路再到大系統(tǒng)

2、從定值控制到浮動(dòng)控制

3、事故出現(xiàn)硬停車(chē)到軟保護(hù)控制

4、從離散控制（模擬儀表）到計(jì)算機(jī)控制

四、學(xué)習(xí)方法及基本要求

本課程上小專(zhuān)業(yè)的一門(mén)只要專(zhuān)業(yè)課，要求學(xué)生能綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基砒課及

其他專(zhuān)'也課知識(shí)，進(jìn)一步掌握過(guò)程控制工程理論和實(shí)踐知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具有解決過(guò)程控制

系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)及投運(yùn)的能力。

本課程包括課堂教訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)四個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)本課程應(yīng)注意自

己的工程實(shí)際能力的培養(yǎng),

五、參考文獻(xiàn)

1、《化工過(guò)程控制工程》祝和運(yùn)（浙江大學(xué)）化學(xué)工業(yè)出版社

2、《過(guò)程控制系統(tǒng)及工程》翁維勤化學(xué)工業(yè)出版社

3、《過(guò)程控制工程》莊興稼華中理工大學(xué)出版社

4、《過(guò)程控制系統(tǒng)》F.G.shinskeg方崇智譯化工出版社

5、《化工過(guò)程控制理論與工程》stephanopoluosG.關(guān)惕華譯化學(xué)工業(yè)出版社

六、學(xué)時(shí)安排

課堂教學(xué)40學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)?？傆?jì)48學(xué)時(shí)

第1章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是指單回路控制系統(tǒng)，是最基本、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，具有相當(dāng)廣泛的適

應(yīng)性。在計(jì)算機(jī)控制已占主流地位的今天，這類(lèi)控制仍占控制70%以上。

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻能解決生產(chǎn)過(guò)程中的大量控制問(wèn)題，同時(shí)也是復(fù)雜控

制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。掌握了單回路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，將會(huì)給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究

提供很大的方便。

1.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及控制指標(biāo)

1.1.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象（笥稱(chēng)對(duì)象）、測(cè)量變送裝置、控制器

和控制閥。有時(shí)為了分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，把控制閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送裝置和在一起，

稱(chēng)為廣義對(duì)象。

如圖1.1-1所示的水槽，控制要求是維持水槽液位L不變。為了控制液位，選擇相應(yīng)

的變送器、控制器和控制閥，組成液位控制系統(tǒng)（即簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)）。

液位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：在平衡狀態(tài)下=。0）,

如果輸入流量端存有干擾/,使輸入總流量（Q,.+/）

增大，于是液位L上升，隨著的L上升，控制器將感

受到偏差（給定與測(cè)量的比較值），從而控制器輸出將

控制閥關(guān)小，使輸入流量2減小，液位L將下降回到

給定值，達(dá)到新的平衡。圖1.1/液位控制系統(tǒng)

對(duì)于圖1.1-1所示的液位控制系統(tǒng)可以畫(huà)出它的方塊圖，如圖1.1-2所示

圖1.1-2液位控制系統(tǒng)方框圖

從以上的液位控制系統(tǒng)工作過(guò)程可看出：在該系統(tǒng)中存在著一條從系統(tǒng)輸出端引向輸

入端的反饋線，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)

行控制的。控制作用是糾正偏差的，所以負(fù)反饋是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)根據(jù)其被控變量的不同，可以分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量

控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。雖然這些控制系統(tǒng)名稱(chēng)不同，但是它們都具有相同的方塊圖

和結(jié)構(gòu)組成。由于此類(lèi)控制系統(tǒng)從組成方塊圖上看，由一個(gè)測(cè)量變送裝置、一個(gè)控制器、

一個(gè)控制閥和相應(yīng)的被控對(duì)象組成，并組成一個(gè)負(fù)反饋回路，因此簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)也常稱(chēng)為

單問(wèn)路控制系統(tǒng)。

1.1.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)

對(duì)每一個(gè)控制回路來(lái)說(shuō)，在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量應(yīng)該

平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回亞到設(shè)定值。因此，通常在穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方

面提出各種單項(xiàng)控制指標(biāo)，把它們適當(dāng)?shù)亟M合起來(lái)，也可提出綜合性指標(biāo)。

1.控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程單項(xiàng)指標(biāo)

控制系統(tǒng)按其輸入方式不同可分為隨動(dòng)系統(tǒng)與定值系統(tǒng)，隨動(dòng)系統(tǒng)與定值系統(tǒng)控制要

求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系統(tǒng)同樣必須穩(wěn)定，但定值系統(tǒng)的衰減比可以

低一些，隨動(dòng)系統(tǒng)的衰減比應(yīng)該更高一些，隨動(dòng)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于跟蹤，要跟得穩(wěn)、跟得快、

跟得準(zhǔn)；定值系統(tǒng)的關(guān)鍵在一個(gè)定字，要定得又穩(wěn)又快又準(zhǔn)。

主要時(shí)域指標(biāo)包括衰減比、超調(diào)量（最大偏差）、余差、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率。這些指

標(biāo)可從控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線上求取。

圖1.1-3單位階躍響應(yīng)曲線

1）衰減比〃

在欠阻尼振蕩中，兩個(gè)相鄰的同方向幅值之比稱(chēng)為衰減比，前一幅值作為分子，后一

幅值作為分母。如圖1.1-3中的B/B'。

衰減比〃是衡量穩(wěn)定性的指標(biāo)，〃Wl:l振蕩，不能容許。為保持足夠的穩(wěn)定性，定值

系統(tǒng)的〃=4:1為宜。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)〃=10:1為宜，或采用過(guò)阻尼6'=。的形式。

2）超調(diào)量。與最大偏差A(yù)

在隨動(dòng)系統(tǒng)中，是一個(gè)反映超調(diào)情況，也是衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)。設(shè)被控變量的最

終穩(wěn)定值為。，最大瞬態(tài)偏差為8,則超調(diào)量。的表達(dá)公式為：

B—c

CT=--100%

C

在定值控制系統(tǒng)中，最終穩(wěn)態(tài)值是0或是很小的數(shù)值，仍用。作為指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)

的超調(diào)不合適了，通常改用最大偏差A(yù)作為指標(biāo)反映系統(tǒng)超調(diào)量的大小。

3）余差c

余差石（8）是系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差。因?yàn)镋（8）=A—C（oo）=R—C,在定值情況下，

R=。，因此E（8）=—C,余差c是反映控制精度的一個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。

4）回復(fù)時(shí)間（和振蕩頻率7

過(guò)渡過(guò)程要絕對(duì)地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，然而要進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值附近±5%或

/(e,r)=|e|r,J=￡/,(/)刈->min

對(duì)于存在余差的系統(tǒng)，e不會(huì)最終趨于零，有e(8)存在，上面三種形式的積分鑒定值

J都將成為無(wú)窮大，無(wú)從進(jìn)行比較。此時(shí)可用e(t)-e(8)=-[c(/)-c(s)]作為誤差項(xiàng)代入。

一般地說(shuō)，ITAE為最小值的系統(tǒng)往往衰減比很大，ISE為最小值的系統(tǒng)回復(fù)時(shí)間很短,

但過(guò)渡過(guò)程的振蕩比較劇烈。如下圖所示：

圖1.1-6應(yīng)用不同偏差積分性能指標(biāo)下的閉環(huán)響應(yīng)

在工作中，具體選何種指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)性能及工藝要求而定。

1.2典型受控過(guò)程

本節(jié)主要介紹幾種常見(jiàn)簡(jiǎn)單環(huán)節(jié)特性，然后列出由它們組成的一些實(shí)際過(guò)程。

1.2.1純滯后過(guò)程

純滯后：指在輸入量變化后，看不到系統(tǒng)對(duì)其響應(yīng)的這段時(shí)間。

當(dāng)物質(zhì)或能量沿著一條特定的路徑傳輸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)純滯后。路徑的長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度是

決定純滯后大小的兩個(gè)因素。因此純滯后也稱(chēng)為傳輸滯后。純滯后一般不單獨(dú)出現(xiàn)，同時(shí)不

存在純滯后的生產(chǎn)過(guò)程也很少。任何對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的技術(shù)都會(huì)涉及純滯后問(wèn)題。圖

1-7所示一個(gè)傳送純滯后例子：

圖1.2-1純滯后過(guò)程示意圖

傳遞函數(shù)：G(s)=&fr=L/V,L指距離，V指速度

頻率特性：G(Jw)=e-jwr

純滯后環(huán)節(jié)幅頻特性對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響，相頻特性對(duì)系統(tǒng)的影響大且隨頻率增加純滯后影口譏

1.2.2單容過(guò)程

容積：指儲(chǔ)存物質(zhì)或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之間緩沖器。

1.無(wú)自衡

困1-11無(wú)自衡單容過(guò)程

基本方程：①輸入流量一輸出流量;單位時(shí)間容枳的累積量變化

②液位差/流阻=流出流量

推導(dǎo)傳遞函數(shù)：

Ji。

???V=A（截面積）以液而）4丁0-。。

拉氏變換式As"（s）=Qi（s）—Q〃（s）???Qo⑺為常量其增量為0,即2。=0,則

Qo（s）=O,則G（s）="其中A為積分時(shí)間常數(shù)。

Q,（s）As

寫(xiě)成一般形式：6（5）=—,丁為積分時(shí)間常數(shù),

Is

頻率特性：G(jco)=——=——

jT(1)Teo

特點(diǎn)：無(wú)自衡過(guò)程在沒(méi)有芻動(dòng)控制系統(tǒng)情況下，不允許長(zhǎng)

時(shí)間沒(méi)人看管，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.有自衡

傳遞函數(shù)的推導(dǎo)：???〃與。。的靜態(tài)特性為非線性關(guān)系

2）=。而，。為比例系數(shù)（與手動(dòng)閥開(kāi)度有關(guān)）

假定調(diào)節(jié)系統(tǒng)為定值控制（線性化）：

圖1.2-2有自衡單容過(guò)程

AQo=r=M（力。為設(shè)定值，R為液阻）

2瓜

_a

則~~=CoQ,*丫="，設(shè)[—=—

出R

A—=a-RAhA—=Q、-Rbh

dh乂dh丫入

取拉氏變換sAH(s)^Q-RH(s)G(s)="9=——

QOARs+1

寫(xiě)成一般形式：G(5)=(一階慣性環(huán)節(jié))，

n+i

R=k(放大系數(shù))：AR=T(時(shí)間常數(shù))

其頻率特性：G(s)=,卜=*

71+(Ta))2

0=-argfg73,具有低通濾波器的作用。

1.2.3多容過(guò)程

1.沒(méi)有相互影響的雙容過(guò)程(如圖1-12所示)

徒者借1

徜憎2

圖12-3沒(méi)有相互影響雙容過(guò)程

傳遞函數(shù)的推導(dǎo):

”2（S）Q（S）/（5）=1勺

(相當(dāng)于兩個(gè)二階環(huán)節(jié)串聯(lián))

Q,（s）0（s）Q/s）A%s+1A2R2S+1

A|、A2表示儲(chǔ)槽的橫截面積，R]、R2表示儲(chǔ)槽的液阻。

令4Ri二4，A2/?2=T2,R2=k,

則G(s)=尊=-------------=—---------

2

Q<s)(聿+l)(/s+1)TJ2S+(T]+T,)5+1

兩個(gè)極點(diǎn)-,負(fù)實(shí)極點(diǎn)、非震蕩自衡過(guò)程。

工T2

2.具有相互影響的雙容過(guò)程

圖1.2-4有相互影響雙容過(guò)程

/7,（5）=T2/?,54-（/?,+/?,）

2

~Q^）~TJ2s+（T}+7；+A/?2）^+l

〃2（s）=_________&_________

Qi（s）（4/+5+/+AR?）s+1

結(jié)論：①液位儲(chǔ)對(duì)輸入流量2的響應(yīng)不再是一階過(guò)程，而是二階過(guò)程。

②"2對(duì)流量Qi的響應(yīng)s項(xiàng)多了4R2項(xiàng)，可理解為相互影響因子。

討論：以上傳遞函數(shù)的二個(gè)極點(diǎn)/.區(qū)隹+A固土也隹+4凡）2-45

1,227；7；

1）當(dāng)（1+（＞4（，，則＜,2為兩個(gè)不同的實(shí)根，表明兩個(gè)相互影響的容枳

可等效為兩個(gè)不相互影響的容積。不過(guò)是時(shí)間常數(shù)需校正，過(guò)程總是呈過(guò)阻尼狀態(tài)

（＜＞1）o

2）假定兩個(gè)儲(chǔ)槽具有相同的時(shí)間常數(shù)（T-）,

.一（2T+A&）+J（Aj/V+46K）＜]

p2-（2T+-&）+JA2c2?+4g個(gè)

因此相互影響是改變了兩個(gè)儲(chǔ)槽的等效時(shí)間常數(shù)比例。一個(gè)儲(chǔ)槽的反應(yīng)變的快，而另一個(gè)反

應(yīng)變的慢。由于時(shí)間響應(yīng)主要受慢作用的牽制，所以存在相互影響的時(shí)間響應(yīng)要比無(wú)相互影

響時(shí)顯得緩慢（如圖1-14所示）。

圖1.2-5液位儲(chǔ)槽的階躍響應(yīng)（1一相互無(wú)影響，2—相互有影響）

3.多容過(guò)程

1）沒(méi)有相互影響的多容過(guò)程變化特點(diǎn)，是可表示為由N個(gè)一階環(huán)節(jié)組成（串聯(lián)）的系

統(tǒng)，如圖所示：

Q1(S)——Q2(S)|---------|Q3(S)I…、|QN(S)

-----?Gi*)------?G2(S)GR6)一

--------5一181----------

圖1.2-6沒(méi)有相互影響的多容過(guò)程信號(hào)框圖

設(shè)圖中:

Q?（S）

G]（5）=

川+1-e2o)

設(shè)4二八=…二八一整個(gè)過(guò)程的傳遞函數(shù)為:

I1

GG)=GGAG2(S)??,GNG)=

7^5+11r)s+lTN5+1

圖1.2-7無(wú)相互影響的多容過(guò)程階躍響應(yīng)圖

特點(diǎn)：①當(dāng)T相同、V相等而又相互影響的若干個(gè)一階環(huán)節(jié)組成的過(guò)程，隨著N增加，它的

影響接近一階環(huán)節(jié)加滯后的過(guò)程G（s）=幺:。

Zv+l

②若干個(gè)T相同、V相等而又相互影響的環(huán)節(jié)，可分解為一個(gè)較大時(shí)間常數(shù)、其余較小，

較大起主導(dǎo)作用，較小組成一個(gè)純滯后。

結(jié)論：有無(wú)相互影響的多容過(guò)程均可作用G（s）=E—來(lái)近似。這就是工業(yè)過(guò)程基本都可

於+1

用G（s）=-^―了表示傳遞過(guò)程的原因。

75+1

注意：有無(wú)相互影響的土之比有很大差別，如n=10,無(wú)相互影響±=1,而相互影響二=0.1

TTT

因此有相互影響的系統(tǒng)更易控制些。

1.2.4具有反向響應(yīng)的過(guò)程

反向響應(yīng)：指其階躍響應(yīng)在初始情況與最終情況方向相反。

典型例子：鍋爐汽包水位h受蒸汽量干擾是的變化過(guò)程。

圖1.2-8鍋爐汽包水位對(duì)給水的階躍時(shí)間響應(yīng)曲線圖

在加入冷水過(guò)程中：）"）=%"）+為⑺

1）汽包內(nèi)水泡受冷后收縮，水面下降絲?=G（s）=三與

Q（s）（S+1

2）當(dāng)燃料量不變時(shí)，汽包內(nèi)水位〃應(yīng)隨冷上加入量而增大型生=G2（S]=—

。⑸$

3）兩種變化的迭加總特性為幺Q=G（s）=&h_(k2T1-)5+k2

Q（s）s4+1$(4+1)

結(jié)論：①當(dāng)時(shí)，在響應(yīng)初期，二^一占主導(dǎo)，過(guò)程呈反向，如:7；>匕時(shí),

~11聿+]

過(guò)程沒(méi)有反向特性。

②呈反向特性時(shí)，傳遞函數(shù)總具有一個(gè)正的零點(diǎn)Z==^>0,傳遞函數(shù)存在正

5-卜

實(shí)部零點(diǎn)的過(guò)程屬于非最小相位過(guò)程，較難控制，應(yīng)考慮特殊方法（如后面講多沖量控制系

統(tǒng)）。

1.2.5不穩(wěn)定過(guò)程

工業(yè)過(guò)程中，還存在具有不穩(wěn)定特性的過(guò)程，主要在化學(xué)反應(yīng)中，如吸熱反應(yīng)的反應(yīng)溫

度T是穩(wěn)定的，反應(yīng)器內(nèi)部存在負(fù)反饋。當(dāng)T受干擾增大時(shí)，

吸熱量Q也相應(yīng)增大，從而使反應(yīng)溫度T減小，恢復(fù)到給定值;

而對(duì)于放熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度T的變化，由于反應(yīng)器內(nèi)部存在正

反饋因而反應(yīng)溫度是不穩(wěn)定的。當(dāng)T受干擾增大時(shí)，放熱品。

也相應(yīng)增大，從而使反應(yīng)溫度T更大，從而不能恢復(fù)到給定值。

\k\

G（s）=T^為開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。圖1.2-9不穩(wěn)定過(guò)程的階躍響風(fēng)曲線

|小-1

1.3被控變量與操縱變量的選擇

1.3.1被控變量的選擇

被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，選擇得正確與否，會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)的

穩(wěn)定操作，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及生產(chǎn)安全與勞動(dòng)條件的改善等。如果被控變量選擇不

當(dāng)，不論采用何種控制儀表，組成什么樣的控制系統(tǒng)，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果，滿足

不了生產(chǎn)的控制要求。為此，自控設(shè)計(jì)人員必須深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，只有在熟

悉生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上才能正確的選擇出被控變量。

對(duì)于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，就選擇溫度、壓力、流量、

液位作為被控變最，這是很容易理解的，也無(wú)需多加討論。

質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映，因此，選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量應(yīng)是首先要進(jìn)行

考慮的。

采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量，必然要設(shè)計(jì)到產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（如密度，粘度等）

的測(cè)量問(wèn)題，這就需要用到成分分析儀表和物性參數(shù)測(cè)量?jī)x表。有關(guān)成分和物理參數(shù)的測(cè)

量問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外尚未得到很好的解決。一來(lái)因?yàn)楫a(chǎn)品品種類(lèi)型很不齊全，致使有些成

分或物性參數(shù)H前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和變送：二來(lái)這些儀表，特別是成分分析儀表具有

較嚴(yán)重的測(cè)量滯后，不能及時(shí)地反映產(chǎn)品質(zhì)量變化的情況。

當(dāng)直接選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接的指標(biāo)作

為被控變量。但是必須注意，所選用的間接指標(biāo)必須與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且

還需具有一定變化靈敏度，即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化，間接指標(biāo)必須有足夠大的變化。

以苯、甲苯二元系統(tǒng)的精儲(chǔ)為例。在氣、液兩相并存時(shí)，

塔頂易揮發(fā)組分的濃度/、溫度和壓力P三者之間有著如下TdjP,VaA

函數(shù)關(guān)系：

4=/'（，，尸）（1.3-1）

精.…

這里吃）是直接反映塔頂產(chǎn)品純度的，是直接的質(zhì)量指標(biāo)。

如果成分分析儀表可以解決，那么，就可以選擇塔頂易揮發(fā)組分

的濃度X。作為被控變量，組成成分控制系統(tǒng)。如果成分分析儀

表不好解決，或因成分測(cè)量滯后太大，控制效果差，達(dá)不到質(zhì)量

要求，則可以考慮選擇一間接指標(biāo)參數(shù)：塔頂溫度或者壓產(chǎn)作B,XB

為被控變量，組成相應(yīng)的控制系統(tǒng)。圖1.3-1簡(jiǎn)單精儲(chǔ)過(guò)程示意圖

在考慮選擇7；或P其中之一作為被控變量時(shí)是有條件的。由式（1.3-1）可看出，它

是一個(gè)二元函數(shù)關(guān)系，即?與（1及P都有關(guān)。只有當(dāng)0或P有一個(gè)不變時(shí)，式（1.3-1）

才可簡(jiǎn)化成一元函數(shù)關(guān)系。

即當(dāng)P一定時(shí)：

（1.3-2）

當(dāng)「一定時(shí)：

*D=于2U）（1.3-3）

總之，對(duì)于某個(gè)給定的工藝過(guò)程，應(yīng)選擇哪幾個(gè)工藝函數(shù)為受控變量

①采用直接參數(shù)法

即以工藝參數(shù)為受控變量（最好為溫度T、壓力P、流量R液位L四大參數(shù)）

②間接參數(shù)法

原選定的受控變局受檢測(cè)儀表的約束，要尋找與受控變量?有單一的線性函數(shù)關(guān)系的間接

參數(shù)來(lái)作為受控變量。如蒸傭塔組分工。的檢測(cè)控制，一般用溫度代替，但壓力（塔壓）必

須恒定，即小=/（7）。

③一個(gè)設(shè)備多個(gè)受控變量應(yīng)以自由度分析，找出獨(dú)立變量

F=C-P+2

C一組分?jǐn)?shù)P一相數(shù)

［例1.3-1］飽和蒸汽C=l,P=2,則自由度尸=l-l+2=l

蒸汽質(zhì)量受控變量選一個(gè)（7或P）

過(guò)熱蒸汽C=l,P=l,則自由度產(chǎn)=1-1+2=2

受控變量則選2個(gè)（7、尸）

1.3.2操縱變量的選擇

為了正確地選擇操縱變量。首先要研究對(duì)象的特征。

我們知道被控變量是被控對(duì)象的一個(gè)輸出。影響被控的外部因素則是被控對(duì)象的輸入。

現(xiàn)在的任務(wù)是在影響被控變量的諸多輸入中。選擇其中某一個(gè)可控性良好的輸入量作為操

縱變量。而其它未被選中的其他愉入量，則稱(chēng)為系統(tǒng)的干擾。因此對(duì)操縱變量的選擇應(yīng)注

意：

①工藝的合理性

不能選工藝流程的主物料量（除非有中間儲(chǔ)槽）為調(diào)節(jié)參數(shù)，應(yīng)選輔助（側(cè)線）物料,

如換熱器，只能選載熱體為調(diào)節(jié)量，而不能選物料加入量為調(diào)節(jié)參數(shù)，因后者在調(diào)節(jié)過(guò)程中

引起生產(chǎn)波動(dòng)。

②對(duì)受控變量有明顯的影響作用，即要求有放大系數(shù)k大，時(shí)間常數(shù)了快速。

1.4過(guò)程可控程度分析

過(guò)程可控程度：指對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制的難易程度。

本節(jié)介紹一種度量過(guò)程程度的指標(biāo)k心

1.4.1度量過(guò)程可控程度（簡(jiǎn)稱(chēng)可控性）的指標(biāo)心已的導(dǎo)出

條件：相同的控制器、最佳整定，在相同的干擾作用下進(jìn)行不同過(guò)程的比較。

假定控制器為純比例，參數(shù)整定目標(biāo)〃=4：1如圖1T7所示的二階系統(tǒng)：

圖L4-1二階系統(tǒng)方塊圖

Y（s\kf

其傳遞函數(shù)為：牛=7-----v―J-------

kk

當(dāng)〃二4：1時(shí)，V?1.5---=1.5^-（令k=k,k）

maxi+Mp1+攵

式中：k=kekp——開(kāi)環(huán)系統(tǒng)總的靜態(tài)增益。

OO

利用偏差絕對(duì)值積分（IAE）指標(biāo)J=j\e\di

由于工作周期也是系統(tǒng)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)，則引入7；(牛=3)

則上式寫(xiě)成漂*卷W

1+kCD

vn=4:l震蕩時(shí)，工作頻率/比臨界頻率①，約小10-30%,兩者有一定的比例關(guān)系

對(duì)上式由于和相同(相同的干擾)

則!卜‘""-(1+，0n若系統(tǒng)沒(méi)有較大的純滯后或分布參數(shù)，一?般2值大于io,

J忖力n(1+&)㈤

這樣上式中的“I”可以忽略去。

化簡(jiǎn)得蕓一=q—,設(shè)心，。，都是過(guò)程在純比例控制下，系統(tǒng)達(dá)到震蕩時(shí)

j\e\dtnkma)cl

的參數(shù)。此式說(shuō)明，J忖力于心必成反比，匕陷，.越大質(zhì)量越好。

1.4.2廣義對(duì)象時(shí)間常數(shù)7和純滯后r對(duì)可控程度k血.的影響

1.以三階過(guò)程為例，時(shí)間常數(shù)7對(duì)的影響

GH(s)=彳---------v---------v---------T令T\與一般單回路系統(tǒng)的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)

(小+1)(4+1)(豈$+1)

類(lèi)似。然一可看成對(duì)象時(shí)間常數(shù)，最大；4—可看成調(diào)節(jié)閥時(shí)間常數(shù)，次之；刀一可看成

對(duì)檢測(cè)變送時(shí)間常數(shù)，最小。下表為時(shí)間常數(shù)了變化對(duì)?口牝?的影響。

表1.4-1列出1、八、"不同變化下0。、心與心儀

TTr0J

20520.36819.3137.107

10520.41312.6455.222

5520.4909.8044.804

101020.33214.4314.791

10620.38812.8504.985

10220.59114.3868.491

10520.2839.0112.550

10530.34610.3733.589

10510.56619.82311.219

由表得出結(jié)論：

①7；增大，八、7；不變，心及心牝增大，質(zhì)量好

②73減小，7I、72不變，、①C及口①「增大，質(zhì)量好

③4存在極值點(diǎn)4*，當(dāng)72>72*或72〈72*時(shí)，心及心”增大

利用MATLAB仿真得到不同時(shí)間常數(shù)3、7\、［搭配的過(guò)渡過(guò)程曲線，也可得到同

樣的結(jié)論。

T1=1I

:T2=l13山

圖1。4-2不同的時(shí)間常數(shù)T搭配產(chǎn)生不同的過(guò)渡過(guò)程仿真試驗(yàn)曲線

對(duì)I于高階過(guò)程（四、五階純滯后過(guò)程）規(guī)律：

①（增大與心減小，拉開(kāi)第一與第二時(shí)間常數(shù)距離，口紜增大，質(zhì)量好

②八最小時(shí)間常數(shù)減小，39■增大，質(zhì)量好

2.從頻率特性分析，G（s）=e-\|G（0y）|=l,°=—3，純滯后r的加入總是使必減

小，心減小，減小。（如圖1.4-2所示）

I3u)I

圖1。4-2用頻率特性表示純滯后的影響（1-無(wú)純滯后7的影響；2-有純滯后「的影響）

1.5廣義對(duì)象各環(huán)節(jié)對(duì)可控程度的影響

如圖示線性單回路系統(tǒng)

圖lo5-1線性單回路控制系統(tǒng)

1.5.1干擾通道特性G/S）對(duì)控制質(zhì)量的影響

kf

:

設(shè)G(5)=-------—e/其中的的、為三個(gè)特性指標(biāo)

?f'小+1

1.放大倍數(shù)的影響

假定所研究的系統(tǒng)方框圖如圖L5T所示。

由圖1.5T可直接求出在干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

丫⑸_G/(s)

不"l+G，.(s)G〃(s)(1.5-1)

GAs)

由式(1.5-1)可得y(s)=------L---------F(5)(1.5-2)

1+G(s)Gp(s)

令Gf(s)=占：Gp(s)=kq

；Gg=kc

1ILf(￡)i$+D(%s+1)

并假定了⑺為單位階躍干擾，則R（s）=l/s將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入式（1.5-2）,并運(yùn)用終值

定理可得：

kj

11+Tfskf

y（oo）=lim5-y（5）=lims-------------------------=--------（1.5-3）

'TO'TOS"%k°1+"。

'（小+1）（q5-1）

式中《攵。為控制器放大倍數(shù)與被控對(duì)象放大倍數(shù)的乘積，稱(chēng)之該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。對(duì)

于定值系統(tǒng)，），（8）即系統(tǒng)的余差。由式（1.5-3）可以看出，干擾通道的放大倍數(shù)越大，系

結(jié)論:卻增大，心”差，干擾影響大。

2.時(shí)間常數(shù)7；的影響

未了研究問(wèn)題方便起見(jiàn)，令圖1.5-1中的各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)均為1,這樣系統(tǒng)在干擾作用

下的閉環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)為：

1

UE」-__!------------（1.5-4）

尸⑸l+G*s）Gp（s）〃"++Gc（s）G〃（s）］

Tf

系統(tǒng)的特征方程為：

（s+：）［1+G/s）Go（s）］=0（1.5-5）

Tf

由式（1.5-5）可知，當(dāng)干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，與干擾通道為放大環(huán)節(jié)相比，系

統(tǒng)的特征方程發(fā)生了變化，表現(xiàn)在根平面的負(fù)實(shí)軸上增加了一個(gè)附加極點(diǎn)1/7；°這個(gè)附加

極點(diǎn)的存在，除了會(huì)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間外，還會(huì)影響到過(guò)渡過(guò)程的幅值，使其減小了7/倍,

這樣過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差也將隨之減小。這對(duì)提高系統(tǒng)的品質(zhì)是有利的。而且隨著7；的

增大，控制過(guò)程的品質(zhì)亦會(huì)提高。

如果干擾通道階次增加，例如干擾通道傳遞函數(shù)為兩階的，那么，就有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)7〃

及7A。按照根平面的分析，系統(tǒng)將增加兩個(gè)附加極點(diǎn)-及m這樣過(guò)渡過(guò)程的

幅值將縮小丁/L丁6倍。因此控制質(zhì)量將進(jìn)一步獲得提高（如圖1.5-3所示）。

結(jié)論：7,增大，對(duì)擾動(dòng)起濾波作用，增大使系統(tǒng)受干擾作用緩慢。

有了上面的分析基礎(chǔ)，討論干擾從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)被控變量的影響就不困難了。

圖L5-4所示公、尸2及巴從不同的位置進(jìn)入系統(tǒng)，如果干擾的幅值和形式都是相同的，顯

然，它們對(duì)控制質(zhì)量的影響程度依次為匕最大，尸2次之，而“3為最小。下面用圖1.5-5來(lái)

由圖1.5-5可看出，入對(duì)丫的影響依次要經(jīng)過(guò)G03（S）、G02（S）、G0|（s）三個(gè)環(huán)節(jié)，如果

每一個(gè)環(huán)節(jié)都是一階慣性環(huán)節(jié)的，則對(duì)干擾信號(hào)F3進(jìn)行了三次濾波，它對(duì)被控變量的影響

會(huì)削弱得多，對(duì)被控變量的實(shí)際影響就會(huì)很小。而乙只經(jīng)過(guò)?個(gè)環(huán)節(jié)G0|（s）就影響到丫,

它的影響被削弱的較少，因此它對(duì)被控變量影響最大。

（s）

上G°3（S）—G02（S）-GOl

F2（S）

G02（S）-G01（s）

3

Gc（s）9Gv（s）-G03（S）—G02（S）

圖1.5-5干擾進(jìn)入位置圖等效方框圖

由上述分析可得出如下結(jié)論：干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大，各數(shù)越多，或者說(shuō)干擾進(jìn)入系

統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥，干擾對(duì)被控變量的影響就越小，系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。

3.純滯后和的影響

在上面的分析中干擾通道時(shí)間常數(shù)對(duì)被控變量影響時(shí)，沒(méi)有考慮到干擾通道具有純滯后

的問(wèn)題，如果考慮干擾通道具有純滯后和那么干擾通道的傳遞函數(shù)為：

G：（s）==Gf（s）e-c（1.5-6）

，JI1

這樣將（1-4）式改寫(xiě)成干擾通道具有純滯后的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

匕⑸二G-⑶廠

（L5-7）

而一l+G’GM"）

求?。?-4）與（1-9）在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程）'“）與兒

由控制理論中的滯后定理可以得出,（）、兒（/）之間的關(guān)系為:

yT（t）=

如圖1.5-6所示

圖1.5F干擾通道純滯后的影響（1-無(wú)純滯后「的影響：2-有純滯后?"的影響）

結(jié)論：干擾通道具有純滯后。對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)影響（指反饋系統(tǒng)，前饋系統(tǒng)吃〈品無(wú)法

實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償模型），只是將響應(yīng)推遲一段時(shí)間。

總結(jié)干擾通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，如表L5T所示。

表1.5-1調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響

余差增加無(wú)影響

.增加

無(wú)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減小，震蕩幅值

7/增加

減小

無(wú)影響無(wú)影響

“增加

1.5.2調(diào)節(jié)通道特性Gp(s)對(duì)控制質(zhì)量的影響

設(shè)調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)為：G(s)=―—號(hào)——^討論Gp(s)中的心、T。、r0三

(4]$+1)(九5+1)

個(gè)特性指標(biāo)

1.放大倍數(shù)心的影響

放大倍數(shù)3對(duì)捽制質(zhì)曷的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面講行分析。從靜態(tài)方面分析，

由式(1-6)可以看出，控制系統(tǒng)的余差與干擾通道放大倍數(shù)成正比，與調(diào)節(jié)通道的放大倍

數(shù)成反比，因此當(dāng)兒、卻不變時(shí)，調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)越大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的余差越小。

放大倍數(shù)心的變化不但會(huì)影響控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制質(zhì)量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量

也產(chǎn)生影響。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的穩(wěn)定程度(即一定的衰減比)下，系統(tǒng)地開(kāi)環(huán)

放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是控制器放大倍數(shù)七.與廣義對(duì)象調(diào)節(jié)通道放大

倍數(shù)是的乘積。也就是說(shuō)特定的系統(tǒng)衰減比必須與控制器放大倍數(shù)原乘積的某特定數(shù)值對(duì)

應(yīng)。在一定衰減要求之下，金減小，兒必須增大；金增大，《.必須減小。同時(shí)由于控制

器與廣義對(duì)象相串聯(lián)，z=匕40對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定是定值，因此從系統(tǒng)為穩(wěn)定性來(lái)講的的大小無(wú)

影響。

2.調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)7。的影響

由圖1-19可得出單回路控制系統(tǒng)的特征方程為：

i+Gc(5)Gp(5)=0(1-10)

為了便于分析起見(jiàn)，令G,G)=(,G(s)=———&——將G,(s)、G.G)代入

(。5+1)!幾$+1)

式(1-10)得至ij：

丸+(￡)[+￡)2)s+1+kck()=0(1-11)

將式（1-11）化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式，得:

2

+&+幾§+1+_0

^01^02

于是可得:

2T+k*

。,廠"i+九（1-12）

g二,r72M=TT

，(:l，02H02

由式（1-12）可求得:

1+&A^01+42

(1-13)

42

九(1+4欠0)

這里g為系統(tǒng)的自然震蕩頻率。根據(jù)控制原理可知，系統(tǒng)工作頻率。尸與其自然震蕩

頻率6yo有如下關(guān)系:

%=8。(1-14)

由式（1-14）可看出，在《不變的情況下，g與成正比，即

(1-15)

從式（1-15）關(guān)系可知，不論北心心哪一個(gè)增大，都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率降低。

而系統(tǒng)工作頻率越低，則控制速度越慢。這就是說(shuō)調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)7；越大，系統(tǒng)的工

作頻率越低，控制速度越慢。這樣就不能及時(shí)地克服干擾的影響，因而，系統(tǒng)地控制質(zhì)量會(huì)

變差。

但調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)也不是越小越好。時(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)的工作頻率過(guò)高，系統(tǒng)

將變得過(guò)于靈敏，反而會(huì)影響控制系統(tǒng)地控制品質(zhì)，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。大多數(shù)流最控

制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動(dòng)的都比較厲害，就是由于流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較小的原因所致。

3.調(diào)節(jié)通道純滯后人的影響

調(diào)節(jié)通道純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響可用圖1-24加以說(shuō)明。

圖中的曲線C是沒(méi)有控制作用時(shí)系統(tǒng)在干擾作用下的反應(yīng)曲線。如果X。未變送器的靈敏

度，那么，當(dāng)調(diào)節(jié)通道沒(méi)有純滯后時(shí)，調(diào)節(jié)作用從。時(shí)刻

開(kāi)始就對(duì)干擾起抑制作用，控制曲線為。。如果調(diào)節(jié)通道

存在有純滯后入時(shí)，調(diào)節(jié)作用從。+匯。時(shí)刻才開(kāi)始對(duì)干擾

起抑制作用，而在此之前，系統(tǒng)由于得不到及時(shí)控制，國(guó)

而被控變量只能任由干擾作用影響而不斷上升（或卜降），

其控制曲線為E。顯然，與調(diào)節(jié)通道沒(méi)有純滯后的情況相

比，此時(shí)的動(dòng)態(tài)偏差將增大，系統(tǒng)的質(zhì)量將變差。圖1-24純滯后影響示意圖

同時(shí)，因?yàn)榧儨蟮拇嬖冢沟每刂破鞑荒芗皶r(shí)獲得控制作用效果的反饋信息，因而控

制器不能根據(jù)反饋信息來(lái)調(diào)整自己的輸出，當(dāng)需要增加控制作用時(shí)會(huì)使控制作用增加的太多,

而一旦需要減少控制作用時(shí)則又會(huì)使控制作用減少得太多，控制器出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此導(dǎo)致

系統(tǒng)的震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此控制系統(tǒng)純滯后的存在是系統(tǒng)的大忌，純滯后的存

在會(huì)大大地惡化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定情況。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)盡量避免

調(diào)節(jié)通道出現(xiàn)純滯后。

總結(jié)調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響，如表1-2所示。

表1-3調(diào)節(jié)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

特性參數(shù)對(duì)靜態(tài)質(zhì)量的影響對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量的影響

余差減?。ǚ€(wěn)定前提下）系統(tǒng)趨向于震蕩

痣增加

無(wú)影響過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增加，系統(tǒng)頻率

增加

變慢

無(wú)影響穩(wěn)定程度大大降低

%增加

1.6檢測(cè)變送環(huán)節(jié)

檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的仟?jiǎng)?wù)是?對(duì)被控變后或其它有關(guān)參數(shù)作正確測(cè)最，并將它轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號(hào)

如（4~20mA）,測(cè)量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可表示為：G?（5）=—

7>+1

一般0一（）,圖較小，為簡(jiǎn)化分析，有時(shí)也假設(shè)乙一O,這樣當(dāng)心=1時(shí)，可將控制系統(tǒng)

看成單位反饋系統(tǒng)（控制理論中經(jīng)常這樣描述）。

檢測(cè)變送需注意的兩點(diǎn)：

①。二變方舞翳圍，因變送器采用模擬單元組合儀表，輸出范圍為定值（如

4-20mA）,則心與測(cè)量范圍成反比，口越大，測(cè)量范圍越小，測(cè)量精度越高。

②變送器的輸出值與測(cè)量值的關(guān)系：

線性變送時(shí)：P變送器輸出=（測(cè)量值/測(cè)量范圍）（P變送器輸出最大值-P變送

器輸出最小值）+產(chǎn)變送器輸出最小值

2

非線性變送（差壓法測(cè)流量）時(shí)：P變送器輸出=（測(cè)量值/測(cè)量范圍）<P變送器輸

出最大值，變送器輸出最小值〉?/變送器愉出最小值

1.6.1關(guān)于測(cè)量誤差

1.儀表本身誤差

心增大可減小測(cè)量發(fā)差，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性受影響，應(yīng)與（配合。

2.安裝不當(dāng)引入誤差

如，流量測(cè)量中，孔板裝反；直管道不夠：差壓計(jì)引壓管線有氣泡等。

3.測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差

如溫度測(cè)溫元件，應(yīng)盡量減小丁,“、k”,,成份分析應(yīng)盡量減少乙,。

1.6.2測(cè)量信號(hào)的處理

1.對(duì)呈同周期性的脈動(dòng)信號(hào)需進(jìn)行低通濾波

2.對(duì)測(cè)量噪聲需進(jìn)行濾波

3.線性化處理

1.7執(zhí)行器環(huán)節(jié)

1.7.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器是過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的作用是接收控制器送來(lái)的控

制信號(hào)，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。

執(zhí)行器的動(dòng)作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過(guò)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，在用電信號(hào)作為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)中，目前廣泛應(yīng)用以下三種控制方式,

如圖0.1所示。

調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器

圖0.1執(zhí)行器的構(gòu)成及控制形式

執(zhí)行器有各種不同的分類(lèi)方法，其分類(lèi)如下：

①按動(dòng)力能源分類(lèi)分為氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器,氣動(dòng)執(zhí)行器利用壓

縮空氣作為能源，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防

爆，而且價(jià)格較低；它可以方便的與氣動(dòng)儀表配套使用，即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制

時(shí)，只要經(jīng)過(guò)電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門(mén)定位器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02~0.IMPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信

號(hào)，仍然可用氣動(dòng)執(zhí)行器，

②按動(dòng)作極性分類(lèi)分為正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器。

③按動(dòng)作行程分類(lèi)分為角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器。

④按動(dòng)作特性分類(lèi)分為比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器。

在自控系統(tǒng)中，為使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出滿足一定精度的要求，在控制原理上常采用負(fù)反饋

閉環(huán)控制系統(tǒng)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置輸出作為反饋信號(hào)，和電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作比較，將

其差值經(jīng)過(guò)放大用于驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)向消除差值的方向運(yùn)動(dòng)，最終

達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置輸出和電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)成線性關(guān)系。

在應(yīng)用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合卜.，采用電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套時(shí)，由于是開(kāi)環(huán)

控制系統(tǒng)，只能用于控制精度要求不高的場(chǎng)合。當(dāng)需要精度較高時(shí)，一般都采用電/氣閥門(mén)

定位器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相配套，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移通過(guò)凸輪杠桿反饋到閥門(mén)定位器內(nèi)，利

用負(fù)反饋的工作原理，大大提高了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的位置精度。因此，目前在自控系統(tǒng)中應(yīng)用的

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥大多數(shù)都與閥門(mén)定位器配套使用。

智能電動(dòng)執(zhí)行器將伺服放大器與操作器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電路，而智能執(zhí)行器則將所有的環(huán)節(jié)

集成，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線由變送器或操作站發(fā)來(lái)，可以取代調(diào)節(jié)器。

由于石油、化工等過(guò)程工業(yè)中的安全問(wèn)題，所以大量使用的是氣動(dòng)執(zhí)行器。下面主要介

紹氣動(dòng)執(zhí)行器的特性及應(yīng)用。

1.7.2氣動(dòng)執(zhí)行器

氣動(dòng)執(zhí)行器又稱(chēng)為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（控制機(jī)構(gòu)）組成。如下圖所示。

執(zhí)行器上有標(biāo)尺，用以指示執(zhí)行器的動(dòng)作行程。

1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

常見(jiàn)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式和活塞式兩大類(lèi)。其中薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最為常用，它可以

用作一般控制閥的推動(dòng)裝置，組成氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行器。氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力p

作用于膜片，使其變形，帶動(dòng)膜片上的推桿移動(dòng)，使閥芯產(chǎn)生位移，從而改變閥的開(kāi)度。它

的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維修方便，應(yīng)用廣泛。氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)使活塞在氣缸中移動(dòng)產(chǎn)生

推力。顯然，活塞式的輸出力度遠(yuǎn)大于薄膜式，因此，薄膜式適用于輸出力較小、精度較高

的場(chǎng)合；活塞式適用于輸出力較大的場(chǎng)合，如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動(dòng)裝置。除有

薄膜式和活塞式之外，還有一種長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大，適于輸出角位移和

大力矩的場(chǎng)合。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為0.02~0.1MPao

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的位移L與信號(hào)壓力p的關(guān)系為：

「A

L=丁〃（2.D

K

式中，A為波紋膜片的有效面積，K為彈簧的剛度。推桿受壓移動(dòng)，使彈簧受壓，當(dāng)彈

簧的反作用力與推桿的作用力相等時(shí)，輸出的位移L

與信號(hào)壓力〃成正比。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出（即推桿輸出的/]

位移）也稱(chēng)行程。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有氣

動(dòng)

10mm、16mm、25mm>60mm、100mm。氣動(dòng)薄膜執(zhí)執(zhí)

行

行機(jī)構(gòu)的輸入、輸出特性是非線性的，且存在正反行機(jī)

行程標(biāo)尺構(gòu)