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上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料
自动化仪表与过程控制系统期末考试资料
一、绪论
1、生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。 2、过程控制系统的分类：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按设定值的形式分类，定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P ）控制、比例积分（PI ）控制，比例、积分、微分（PID ）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
3、定值控制系统——给定值不变或者变化很小的控制系统，例：空调控制系统。
4、随动控制系统——给定值变化的控制系统，例：空调设定室内温度比室外温度低5℃。 5、程序控制系统——给定值是随着事先设定好的程序变化，例：电饭锅 6、按系统的结构特点分类：1）反馈控制系统（闭环控制系统），将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。2）前馈控制系统，也称为开环控制系统；根据扰动量的大小进行工作；扰动是控制的依据；在实际生产中不能单独采用。3）复合控制系统，前馈与反馈相结合，优势互补。
7、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态），静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
8、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
9、过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
例1、某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。
设定值不等于稳态值（有差控制） 参考答案：
最大动态偏差 A = 230-200= 30℃ 被控参数偏离设定值的最大值； 余差 C= 205-200 = 5℃
稳态值与设定值之间的偏差；
衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 两个相邻的同向波峰值之比； 振荡周期 T = 20–5 = 15（min ）设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 ×（ ± 2％）＝ ± 4.1℃，在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。 超调量：第一波峰与稳态值之比的百分比， 25/205=12.2%
调节时间：Ts = 22min 工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺要求。 峰值时间：
5min
二、被控过程数学模型
和控制器参数整定
传递函数=输出的拉斯（L ）变换/输入的拉斯变换（零初始条件下） 1、机理法建模：
单位时间内物质/能量流入量 — 单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。 1.1单容水箱建模：
d ∆h H (s ) K
∆Q 1-∆Q 2=A 传函=Q （-Q 2(s ) =A s H (s ) 1s ）dt μ1(s ) Ts +1
∆h L 变换 Q (s ) =1H (s ) = ARs 时间常数∆Q 2=T 2R s R s
K = K μRs 放大倍数∆Q 1=K μ∆μ1Q (s ) =K μ(s )
2
RS ——阀门2 K μ ——阀门1比例系数； μ1 ——阀门1的开度；
∆Q 1-∆Q 2-∆Q 3=A
d ∆h dt
Q （-Q 2(s ) -Q 3(s ) =AsH (s ) 1s ）Q 2(s ) =Q 3(s ) =
1
H (s ) R 2
1
H (s ) R 3
LbiaLLLLLllll
∆h
∆Q 2=
R 2∆h ∆Q 3=
R 3
传递函数：
R 2R 3H (s )
= Q 1(s ) AR 2R 3s +R 2+R 3
1.2多容水箱建模：
∆Q 1-∆Q 2=A 1
d ∆h 1dt ∆h ∆h ∆Q 2=1-2
R 2R 2
Q （-Q 2(s ) =A 1sH 1(s ) 1s ）Q 2(s ) =
11
H 1(s ) -H 2(s ) R 2R 21
H 2(s ) R 3
d ∆h 2
∆Q 2-∆Q 3=A
dt ∆h ∆Q 3=2
R 3
Q 2(s ) -Q 3(s ) =AsH 2(s ) Q 3(s ) =
R 3
传递函数：H 2(s ) = 式中
Q 11(s ) T 1T 2s 2+(T 1+T 2+T 12) s +13
T 1=A 1R 2, T 2=A 2R 3, T 12=A 1R 3
2、响应曲线法建模加控制器参数整定 设计一个比例、积分(PI)调节器，控制一个温度调节系统。控制器的调节范围为：0-3000℃，控制器的输出为4-20mA 。当给定被控对象一个如图(a ) 所示的阶跃输入时，测定的被控对象响应曲线如图(b ) 所示（响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表）。要求：计算出控制器的控制参数，画出控制系统方框图。
响应曲线法控制器参数整定经验公式表
参考解答：
由已知条件得：控制器的调节范围上下限为：
3
y max =3000℃和y min =0℃，控制器的输入上下限
为
P max =20mA 和P min =4mA ，由测试数据得，当
输入信号从4mA 变化到18mA 时，被控对象输出信号从0℃变化到2500℃。由此得广义被控对象的放大系数K 0，
⎛⎫∆y ∆P K 0= ⎪
y -y min ⎭⎝max ⎝P max -P min ⎛2500-0⎫18-4⎫= ⎪ ⎪⎝3000-0⎭⎝20-4⎭250016=⨯=0.95300014
⎫⎪⎭
在测得的曲线上找拐点A ，作切线交于B 、C 点，如下图。图中的读数约为：
t B =3min ，t C =20min 。所以，T 0=20-3=17min ，τ0=3min 。由表中查得PI
控制器的比例度计算公式为
K τ0.95⨯3
δ=1.1⨯00⨯100%=1.1⨯⨯100%=18.48% K c =1/δ=1/0.1848=19.11
T 017积分常数为：T I =3.3τ0=3.3⨯3=9.9min 控制系统方框图见下图：
切线在时间轴上截出的时间段τ0为容量滞后；由信号或能量的传输时间造成的滞后现象，是纯滞后。
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2.1 P 、I 、D 各参数对系统控制品质的影响：
P 越小，控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性下降，控制余差越小。P 越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin ，振荡频率称为临界振荡频率ωM
P 越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。
TI 越大，积分作用越弱， TI = ∞，积分作用为零。TI 减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。因此，加积分后，比例带要适当加大。
如果T1适当，系统能很快消除余差。
2.2控制器参数整定： 边界法（临界比例度法）
属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度P m 和振荡周期T m ），按经验公式求出调节器的整定参数。
就以表中PI 调节器整定数值为例，可以看出PI 调节器的比例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。
2.3衰减曲线法
也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。
衰减比为4:1时，整定参数计算表
衰减比为10:1时，整定参数计算表
2.4响应曲线法：属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。
此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。
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2.5正反作用选择：
阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
调节器正反作用的选择：负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。
当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用” 。
按此定义：变送器都是正作用；气开阀是正作用，气关阀是反作用；有的正作用，有的反作用；控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：
正作用：测量值–给定值 反作用：给定值–测量值
调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈，简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。
2.6控制系统原理方框图（单闭环控制系统）
2.7控制系统工艺流程图
2.7.1、换热器出口温度控制系统 2.7.2、储槽液位控制系统：
K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kf 越大，干扰作用越强，稳态误差越大。 故应选放大系数大的变量作为控制变量。
干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用的影响缓慢。 Tf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf 越大，控制时最大偏差越小。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。
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部分填空题：
1. 用气动仪表组成的控制系统，其统一的标准信号是。 标准电流信号：4～20mA
2. 集散控制系统的主要特性是
3. 在单回路过程控制系统中，调节器是根据__的大小和方向，输出控制信号。
4. 在反馈控制系统中，如果给定值是按照预先确定的某一规律进行变化，则称为_
5. 简单控制系统是由_控制器_、_执行器_、_对象_和_测量变送器_四个环节构成的，又叫_单闭环控制系统_。
6. __控制器__是控制系统设计的核心.
7. 从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，系统的控制质量。
8 。
9、随着控制通道的增益K0 10、在PI 调节器组成的单回路过程控制系统中，若受到扰动后，被控参数无波动地向给定值靠近，需很长时间才能稳定下来，则如何调整调节器的比例度？增大比例度
三、复杂控制系统
1、控制系统可分为两大类： 提高响应曲线性能指标为目的的控制系统，包括： ① 串级控制系统 ② 前馈控制系统 按某些特定要求而开发的控制系统，包括： ① 比值控制系统 ② 均匀控制系统 ③ 分程控制系统和阀位控制系统 ④ 选择性控制（取代控制）系统
2、串级控制系统：对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 管式加热炉的串级控制框图：
串级控制控制标准框图：
主变量 — 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是过程中主要控制的工艺指标。 副变量 — 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量。
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过程，其输入量为副变量，输出量为主变量。 副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 主控制器 —
按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制
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器，其输出作为副控制器的给定值。 控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制执行器的动作。 2.1、串级控制系统特点：
系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器；。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作；主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。
由上可见：副回路：先调、粗调、快调，主回路：后调、细调、慢调 主副回路相互配合、相互补充，提高控制品质。
与单回路控制相比，串级控制增加了副控制回路，使控制系统性能得到改善。 2.2、串级系统特点总结：
对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能；副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 2.3、主、副调节器调节规律的选择：
在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI 调节，或PID 调节（滞后较大时） 。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P 调节就可以了。而且比例度较小，使得控制作用较强，余差不大。如果引入积分控制作用，会使控制作用滞后，甚至带来积分饱和。
2.4、串级系统的工业应用：
1）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程 2.5、例子 冷物料加热系统的串级控制
1）调节阀为气开式（安全因素） 2）副调节器：反作用；主调节器：反作用。
3）当蒸汽压力突然增加时，该控制系统的控制过程如下：蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于FC 为反作用，故其输出降低，因而气开型的控制阀关小，蒸汽流量减少以及时
克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，提高了控制质量。
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）当冷物料流量突然加大时，该控制系统的控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉
出口物料温度降低，反作用的TC 输出增加，因而使FC 的给定值增加， FC为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用
2.6、液位串级控制系统：
3、前馈控制系统
在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作用的。为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏差出现。控制系统在干扰还没有影
响到被控变量之前就产生控制作用，该系统称为前馈控制。
前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。
3.1反馈控制的特点：不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。
为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q 的大小，调节阀门开度。针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统
3.2换热器前馈控制原理：
当进料流量变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1对温度θ2的影响。
只要干扰通道和调节通道的特性相匹配，则前馈控制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。
补偿原理：如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度
G f (s)作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。 G b (s ) =-
G o (s ) ⋅G m (s)⋅G v (s)Y(S) = F(S)Gf (s)+ F(S)Gm (s)Gb (s)Gv (s)Go (s) = 0
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3.3前馈控制的特点：①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补
偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。③前馈控制器的控制规律不是PID 控制，是由对象特性决定的。④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。
3.4前馈控制的局限：①实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰在线检测非常困难。②前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。
3.5前馈控制器的通用模型
4、前馈—反馈复合控制系统：为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起
来，组成前馈—反馈复合控制系统。
如换热器出口温度前馈—反馈复合控制系统：蒸汽压力比较稳定，而物料流量F 波动较大。可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量的前馈－反馈控制系统。
复合控制系统具有以下优点：
①在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。
②反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。
③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈——反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。
对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控
制精度要求又很高，可以考虑采用前馈——串级复合控制方案。
前馈—串级复合控制系统特点：1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定
当物料流量F 比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力（蒸汽流量）波动都较大。可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力（流量）为副变量的前馈－串级控制系统。
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前馈—串级控制系统过程框图：
6、比值控制系统
生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。
定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为： Q 2=K Q 1 其中：K —比值系数；Q1—主流量； Q2—副流量 。
6.1根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统；2. 单闭环比值控制系统；
3. 双闭环比值控制系统； 4. 变比值控制系统等。 6.2. 开环比值控制系统：
控制目标：Q 2＝K Q1此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。
如图Q 1是主流量，Q 2是副流量。流量变送器FT 检测主物料流量Q 1；由控制器FC 及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q 2
开环比值控制系统框图：
6.3. 单闭环比值控制系统：
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为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：
对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。 控制目标：Q2=K Q1 对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。
单闭环比值控制系统框图：
6.4双闭环比值控制系统
为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加了主流量控制回路。 特点：有两个闭环控制回路，用比值器联系。控制目标：Q2=K Q1 Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。 双闭环比值控制系统框图：
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6.5．变比值控制系统
以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。 6.6．比值控制系统设计
1）主流量、副流量的确定原则： ①生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。 ②工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。③成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。 ④当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。 2）比值系数的计算
工艺规定的流量（或质量）比值K 不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。
变送器的转换特性不同，比值系数K’的计算公式不同。 （l ）流量与测量信号之间成线性关系
如果Q 1的流量计测量范围为0～Q 1max 、Q 2的流量计测量范围为
0～Q 2max ，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：
（2）流量与测量信号之间成非线性关系
利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比： ∆p=CQ2
6.7比值控制系统应用举例
6.71 一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器实现。已知Q 1max =26500m 3/h ，Q 2max =32000m 3/h 。求：
A ）画出控制系统的结构图。 b ）当I 0=16mA 时，比值控制系统的比值K 及比值系数K ' 分别为多少。c ）待比值系统稳定时，测得I 1=16mA ，试计算此时的I 2为多大。
图 流量双闭环比值控制系统原理图
解：1) 由于
I 0=K '⨯16+4
所
以
得 K '=(I 0-4)/16=(16-4) /16=0.75
K '=K
Q 1Q 2
m a x
' K =K m
a
x
Q 32000
=0.75⨯=0.9 Q 1max 26500
2) 由仪表的比例系数定义，K ' =
I 2-4mA
得：
I 1-4mA
I 2=K '(I 1-4mA ) +4mA 即：I 2=0.9⨯(10-4) +4=9.4mA
6.7.2 要求参与反应的物料Q1和Q2保持恒定比例，正常操作时，流量Q1=7m3/h，Q2=1.75m3/h；流量范围分别为0-10m3/h和0-2m3/h。根据要求设计Q2/Q1恒定的比值控制系统。在采用DDZ-3型仪表组成控制系统情况下，分别计算流量和测量信号呈线性关系（配开方器）和非线性关系（无开方器）时的比值系数K’
。
K ' ==
Q -Q 1min Q 2Q 1max -Q 1min
⋅=K ⋅1max Q 1Q 2max -Q 2min Q 2max -Q 2min 1.7510-0
⋅=1.2572-0
⎛Q Q -Q ⎫K ' = ⋅⎪
Q Q -Q 2min ⎭⎝12max
2
2
7、分程控制系统
在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。
例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A 和B ， A和B 的输入信号各占一半行程。
分程控制系统的方块图：
7.1分程控制系统工作原理
如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。
一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因此，必须降温。
为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。 工作原理如下：
当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器TC 输出气压大于0.06MPa ，A （冷
水）阀关闭，B （热水）阀开启，反应器夹套中进的
热水使反应物料温度上升。反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa ，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。
控制器：反作用 阀门A ：气关； 阀门B ：气开 对象1：反作用； 对象2：正作用 控制系统在任一阀门工作时都是负反馈。
7.2分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。
7.3分程控制系统的工业应用
1、用于扩大调节阀的可调范围，；蒸汽压力减压系统；
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2、用于一个控制回路需要控制多个操纵量，工业废液中和处理。
7.4 选择控制系统
选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。
选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。 7.4.1对调节器输出信号进行选择
锅炉蒸汽压力的控制
为防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护控制回路。为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护控制回路
本系统的选择器在控制器之后，是三选一系统。当系统处于燃气压力保护控制期间，蒸汽出口压力能保证符合工艺要求。
7.4.2对变送器输出信号进行选择
这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。
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那么积分作用将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”
当积分电路处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，此时若切回控制器，要让其重新发挥作用，必须等它退出饱和区，使输出慢慢返回到执行器的有效输入范围。
四、先进过程控制系
现代工业生产过程的大型化、复杂化，对产品质量、产率、安全及对环境影响的要求越来越严格。许多复杂、多变量、时变的关键变量的控制，常规PID 已不能胜任，因此，先进控制受到了广泛关注。
4.1先进过程控制(APC，Advanced Process Control) 技术，是指不同于常规PID ，具有比常规PID 控制更好控制效果的控制策略的统称。
4.2先进控制的任务，用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。
4.3自适应性控制:为了解决被控对象的结构和参数存在不确定时（或系统数学模型参数未知），系统仍能自动地工作于最优或接近最优的状态。
定义：能自动地调整控制器参数以补偿被控过程特性的变化的 控制系统叫作自适应控制系统。换句话说，自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。 主要包括： 自校正控制、模型参考自适应控制 一个自适应控制系统至少应包含有以下三个部分：
一是具有一个检测或估计环节，目的是监视整个过程和环境，并能对消除噪声后的检测数据进行分类。通常是指对过程的输入、输出进行测量，进而对某些参数进行实时估计。
二是具有衡量系统控制优劣的性能指标，并能够测量或计算它们，以此来判断系统是否偏离最优状态。
三是具有自动调整控制器的控制规律或参数的能力。 5自校正控制系统
6模型参考自适应控制系统
模型参考自适应控制系统主要用于随动控制。
这类控制的典型特征是参考模型与被控系统并联运行，参考模型表示了控制系统的性能要求。
设定值同时输入预测模型和控制系统，然后对参考模型的输出和控制系统的输出做差，得到偏差输入到自适应机构，再根据偏差调整控制器参数。
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7预测控制是一种基于计算机的优化控制算法，被认为是近年来出现的几种不同名称的新型控制系统的总称。 7.1预测控制的基本思想：
采用工业过程中较易得到的过程脉冲响应或阶跃响应曲线，并用它们的一系列采样值作为描述过程动态特性的预测模型，然后据此确定控制量的时间序列，使未来一段时间的被控量与期望轨迹之间的误差最小，而这种“最小化”是反复在线进行的，这就是预测控制的基本思想。
常规PID 控制：是根据过程当前的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。 预测控制：不但利用了当前的和过去的偏差值，而且还通过预测模型来 预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略。从基本思想上看，预测控制优于常规PID 控制。 7.2预测控制的构成：也称基于非参数模型的控制，其基本结构如下图，主要由预测模型、反馈校正、参考轨迹、滚动优化等几部分构成。
参考轨迹 实际上是一个滤波器，其作用是提高系统的“柔性”与鲁棒性；反馈校正 实际上是应用了控制
理论中的反馈原理，即在预测模型的每一步计算中，都将实际系统的信息叠加在原有模型上，使原有模型不断得到在线校正；滚动优化 是指在控制的每一步实现的静态参数优化，而在控制的全过程中则表现为动态优化，从而体现了优化控制的工程实用性。
模型预测控制算法需要一个描述系统动态行为的模型，该模型即称为 预测模型。 7.3预测控制的优良性质：
对数学模型要求不高，能直接处理具有纯滞后过程，具有良好的跟踪性能和较强的抗扰动能力，对模型误差具有较强的鲁棒性等。这些优点使预测控制更加符合工业过程的实际要求，这是PID 控制无法相比的。
8、模糊控制
9、神经网络控制：学习的过程：神经网络在外界输入样本的刺激下不断改变网络的连接权值, 以使网络的输出不断地接近期望的输出。学习的本质：
对各连接权值的动态调整。
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学习规则：权值调整规则，即在学习过程中网络各神经元的连接权变化所依据的一定的调整规则。
例题：
1. 简单控制回路中，广义被控对象包括 2. 在PID 调节器中，调节器的比例度P ，Ti 值越大，表示积分作用（越弱），Td 值越大表示微分作用（越强）
3. 在自衡多容过程中，随着储存容积的增加，4. 在单回路过程控制系统中，若扰动通道的纯滞后τ0增大时会使系统：没影响 5．前馈控制的特点是：属 而不是基于偏差来消除偏差
6. 在单回路过程控制系统设计中，根据过程特性来选择控制器的控制规律，对于控制通道的时间常数或容积滞后较大的过程，为了提高系统稳定性，减小动态偏差，可选用（比例微分）控制规律。
7. 8. 衡量过程控制
9. 为最大，微分时间为零
10. 某换热器的温度控制系统（设定值是 30 ℃ ）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1所示。则该系统的衰减比、余差、最大偏差是（ ）? 衰减比：4:1 余差：5 最大偏差：45
11. 写出具有纯滞后的自衡单容过程和双容过程的传递
函数。 -τs G (s ) =Ke -τs Ts +1
G (s ) =Ke (T G (s ) =
Ke -τs 五、检测仪表
1s +1)(T 2s +1)
(Ts +1) 2
1. 绝对误差
检测仪表的指示值X 与被测量真值Xt （标准值X 0）之间存在的差值称为绝对误差Δ 2. 基本误差
式中：仪表量程 = 测量上限－测量下限
仪表的基本误差表明了
仪表在规定的工作条件下测
量时，允许出现的最大误差。
3．精确度（精度）
仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。/基本误差最大值：0.005% …… 2.5%
精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。 4. 变差： 在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。
造成变差的原因：传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的弹性滞后等。
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5. 温度检测方法
接触式测温——通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。 分类：（液体、固体）膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、半导体温度计
非接触式测温——通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。
分类：辐射式温度计，通过测量物体热辐射功率来测量温度；红外式温度计，通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度 6. 热电偶
热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV ） 。 特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。 原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。
当不同导体A 、B 接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。
对于同一金属A （或B ），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。
热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时， E （t ，t0）是热端温度 t 的单值函数。
热电势的大小只与材料和结点温度有关；而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关。 6.1热电偶的基本定律
均质导体定律：匀质（半）导体闭合回路无热电势，热电偶需由不同（半）导体组成。 中间导体定律：热电偶回路中接入两端温度相同的导体，热电势不变。 中间温度定律： E AB ( t ，t o ) = E AB ( t , 0 ) － E AB ( t o , 0 )
6.2热电偶的构造：是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等
6.3热电偶冷端温度补偿
根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。 E (t,t0) = E偶 (t , t n ) ＋ E 补(t n ,t 0)
例子：用K 型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E （t ，t 0）＝36.122mV ，而自由端的温度t 0＝30℃，求被测的实际温度。
答：由分度表可以查得 E （30，0）＝1.203mV 则 E （t ，0） ＝ E （t ，30）+ E （30，0）＝ 36.122+1.203＝37.325mV 再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为900 ℃ 。 6.4补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 7. 热电阻：
对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大，具有正温度系数。 7.1热电阻材料要求：电阻温度系数大，电阻率大；在测温范围内物理化学性能稳定；温度特性的线性度好。
7.2热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用
双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热
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电阻。
7.3三线制接线法 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。
8、热敏电阻：半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是： 电阻率大—电阻体积小，响应快；温度系数大—灵敏度高；非线性严重—影响精度；温度特性分散—互换性。
9、集成温度传感器：集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。测温原理 ：半导体PN 结特性随温度而变化。
特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50~150℃。 分类：集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电压型（如LM315) 、电流型(如AD590) 和数字型(如DS1820) 三类。
10、温度显示与记录：热电偶、热电阻等传感元件的测温信号，必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。动圈式、数字式指示仪表、自动记录仪表
可见三线制接法可以消除接线电阻的影响。一般规定每根连接导线的电阻值为5Ω。 11温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。
模拟控制系统的信号标准是：Ⅱ 型：0~10mA、0～10V III 型：4～20mA 、1～5V 分类：模拟变送器和数字变送器
例子：有一台DDZ-III 型温度变送器，精度1级，出厂时量程调为：0~1300℃ ①用这台变送器测量一加热炉的温度（温度范围800~900℃），问：产生的最大绝对误差是多少？变送器的灵敏度为多少？
②将变送器的零点迁至700℃，量程调为700~1000℃，问：这时变送器的最大绝对误差是多少？灵敏度为多少？
最大绝对误差
解：（）定义：仪表精度1=⨯100%
仪表量程
我国过程检测仪表的精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、等4
一般工业用表为0.5~4级精度
∴∆max =(1300-0)⨯1%=13
仪表输出的变化量∆α∆I
==
被测参数的变化量∆x ∆x
20-416
∴S ===0.0123mA /
1300-01300灵敏度定义：
S =
12、智能变送器
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特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便。通用性强 、使用方便灵活 、具有各种补偿功能 、具有控制功能，实现现场就地控制 、具有通信功能、具有自诊断功能 13、压力测量
例题 某台压缩机的出口压力范围为25～28MPa ，测量绝对误差不得大于1MPa 。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。 要求条件为：被测脉动压力25～28MPa ，测量绝对误差≤1MPa ，就地观察、高低限报警。
解： 脉动压力对仪表寿命影响很大，故选择仪表的上限值为： p 1=p max ⨯2=28⨯2=56 MPa 若选压力表的测量范围为0～60MPa 则： 25MPa / 60MPa >1/3
被测压力的最小值不低于满量程的1/3，下限值也符合要求。
1另外，根据测量误差的要求，可算得对仪表允许误差的要求为：
60⨯100%=
1.67% 故选精度等级为1.5级的仪表可以满足误差要求。
答：根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可选用YX —150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa ，精度等级为1.5级。
13.1电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标准电信号输出的仪表。
13.2电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。 其输出信号是标准的4～20mA （DC ）电流信号。
特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。
13.3应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。
电阻应变原理：当应变片产生纵向拉伸变形时，L 变大、S 变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S 变大、 L 变小，其阻值减小。 13.4阻式压力传感器
利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。 13.5压电式压力传感器
利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。
压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。
压电材料作为力敏感元件，从其输出特性可以看作是一个电荷源（静电发生器）；从其材料特性可以等效为一个电容。 14、流量检测
流量的基本概念：流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。即瞬时流量。
流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为：节流式流量计；速度式流量计容积式流量计；电磁式流量计等。
14 .1差压式（也称节流式）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而实现流量测量。
14.2节流现象：流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。
14.3节流原理：具有一定能量的流体，才可能在管道中流动。流动着的流体含有两种能量——静压能和动能。
21 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 14.4电磁流量计 在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量。 工作原理：在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B 不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E 的大小仅与流体的流 v 速有关。 感应电势的方向由右手定则判断，其大小为：E= BDv v= BDE 当BD 一定时，感应电势E 与流速v 成正比。式中：Ex — 感应电势；B — 磁感应强度； D — 管道直径；
v —流体速度。
体积流量Q 与流速v 的关系为： Q =1πD 2v 1πD 2
将 v= BDE代入可得：4 Q =4πD 2v =
4B E =kE
感应电势E 与被测流量Q 成正比关系。
六、控制仪表
1、简介：控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。
控制仪表按工作能源分类有：
1 .1、 电动仪表 以220VAC 或24VDC 作为工作能源，其输入输出信号均采用0～10mA 或4～20mA 的标准信号。1.2、气动仪表：以140kPa 的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用20～100kPa 的标准气压信号。1.3、自力式仪表：不需要专门提供工作能源。例：自力式液位调节器
2模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。
2.1PID 电路分析见书本P81
2.2控制器的工作状态切换：
无扰动切换：电路切换前一瞬间的输出值与电路切换后一瞬间的输出值相同，电路状态切换是无扰的。（控制器输出不突变）
无平衡切换：自动和手动相互切换时，无需事先平衡，可以随时切换至所要求的位置。3数字式控制器
不同点：
相同点：
仪表总的功能和输入输出
关系基本一致。
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3.1数字式PID 控制器：1）功能丰富，更改灵活，体积小，功耗低；2）具有自诊断功能：3）具有数据通信功能，可以组成测控网络。 T D 1∆T ∆y =[(e-e ) +e +(en -2e n -1+e n -2)]n n n -1n 增量型PID 算式： P T I ∆T 优点：1）输出Δyn 仅决定于最近三次的采样值，所需内存不大，运算比较简单。 2）每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可通过逻辑判断禁止或限制本次输出，容易得到良好的调节效果。3）一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持在故障前的状态。 3.2微分先行算法PI-D 算式： 为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的PID 算法。 11 Y(s ) =
[(+1)E(s ) -T D sV P (s)] P T I s
可见PI-D 算法，相当于在PID 的给定值通道中，增
加了一个一阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，
对输出的冲击大为缓和。
若T i ≫T d 有
可见PI-D 算法相当于在PID 的设定值通道中，增加了一
个一阶惯性滤波器，从而使设定值快速变化时，对输出
的冲击大为缓和。
3.3比例微分先行的PID 算法（I-PD ）
比例运算也能传递阶跃扰动。由微分先行得到启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。 11Y(s ) =[⋅E (s ) -
(1+T D s ) V P (s )] P T I s
可见I-PD 算法，相当于在PID 的给
定值通道中，增加了一个二阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击更为缓和。
可见，比例先行算法是在微分先行作
为一次滤波基础上又增加了一阶滤
波。
23 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 复杂控制系统对比：
七、执行器
1、概述：执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。
2、分类：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：
电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。 气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。
液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。
工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。
3、组成：气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。
执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。
3.1. 执行机构：执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。
直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式执行机构（正作用执行机构（向下运动）、反作用执行机构（向上运动）；特点：结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。）气动活塞式执行机构（推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。）
调节机构
3.2调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多：1）直通单座阀（结构简单、泄漏量小；流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场
合。）
正装阀（阀芯下移时，阀芯与
阀座间的流通截面积减小。）反
装阀（阀芯下移时，阀芯与阀
座间的流通截面积增大。）
2）直通双座阀：
阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力
24 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。 3）角形控制阀：两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。 4） 三通控制阀：有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。 5）隔膜控制阀：采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介
质的控制。
6）蝶阀：又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
7）球阀：阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。
4、调节阀的流量特性：调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。
为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与工作流量特性之分。
4.1固有（理想）流量特性
在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。
1）直线特性2）等百分比特性3）快开特性4）抛物线特性.
直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。 控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。
2）等百分比阀：在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。
3）快开特性：开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。
4）抛物线特性：介于直线和对数曲线之间，使用较少。
4.2调节阀的工作流量特性：实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。
结论：串联管道使调节阀的流量特性发生畸变；串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小；串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，s 值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。
5、选择 无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。
阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
6、电/气转换器：为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。作用：将4～20mA 的电流信号转换成20～100KPa （0.02～0.1MP a ）的标准气压信号。
7、电动调节阀：电动调节阀接受来自调节器的电流信号，阀门开度连续可调。 电磁阀也接受来自调节器的电流信号，但阀门开度是位式调节。
7.1电动调节阀也由执行机构和阀门两部分组成：1）执行机构是调节阀的推动装置，它将
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输入信号转换成相应的动力，带动控制机构动作。2）阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用的。 8、安全栅：安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 构成安全火花防爆系统的二要素： ① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。 工作原理：安全栅是传递正常信号、阻止危险能量通过的保险器件。 如在信号通路上串联一定电阻，
起限流作用，可称作电阻式安全
栅。其缺点是正常信号也衰减，
且防爆定额低。如热电偶温度变
送器的输入端
9、齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。
齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜；缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。
10、隔离式安全栅
用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和
电源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。
因而分检测端安全栅和执行端安全栅。
10.1检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将
变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。
10.2执行端安全栅：用于控制室中调节器和现场执
行器之间，是4~20mA调节信号送往现场的安检通
道。与检测端安全栅的区别：① 信号传输方向相
反，② 不需给现场供电。
电路原理基本相似。
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自动化仪表与过程控制系统期末考试资料
一、绪论
1、生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。 2、过程控制系统的分类：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按设定值的形式分类，定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P ）控制、比例积分（PI ）控制，比例、积分、微分（PID ）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
3、定值控制系统——给定值不变或者变化很小的控制系统，例：空调控制系统。
4、随动控制系统——给定值变化的控制系统，例：空调设定室内温度比室外温度低5℃。 5、程序控制系统——给定值是随着事先设定好的程序变化，例：电饭锅 6、按系统的结构特点分类：1）反馈控制系统（闭环控制系统），将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。2）前馈控制系统，也称为开环控制系统；根据扰动量的大小进行工作；扰动是控制的依据；在实际生产中不能单独采用。3）复合控制系统，前馈与反馈相结合，优势互补。
7、稳态—把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态），静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。
8、动态—把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。
9、过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
例1、某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。
设定值不等于稳态值（有差控制） 参考答案：
最大动态偏差 A = 230-200= 30℃ 被控参数偏离设定值的最大值； 余差 C= 205-200 = 5℃
稳态值与设定值之间的偏差；
衰减比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 两个相邻的同向波峰值之比； 振荡周期 T = 20–5 = 15（min ）设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 ×（ ± 2％）＝ ± 4.1℃，在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。 超调量：第一波峰与稳态值之比的百分比， 25/205=12.2%
调节时间：Ts = 22min 工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺要求。 峰值时间：
5min
二、被控过程数学模型
和控制器参数整定
传递函数=输出的拉斯（L ）变换/输入的拉斯变换（零初始条件下） 1、机理法建模：
单位时间内物质/能量流入量 — 单位时间内物质/能量流出量=被控过程内部物质/能量存储量的变化率。 1.1单容水箱建模：
d ∆h H (s ) K
∆Q 1-∆Q 2=A 传函=Q （-Q 2(s ) =A s H (s ) 1s ）dt μ1(s ) Ts +1
∆h L 变换 Q (s ) =1H (s ) = ARs 时间常数∆Q 2=T 2R s R s
K = K μRs 放大倍数∆Q 1=K μ∆μ1Q (s ) =K μ(s )
2
RS ——阀门2 K μ ——阀门1比例系数； μ1 ——阀门1的开度；
∆Q 1-∆Q 2-∆Q 3=A
d ∆h dt
Q （-Q 2(s ) -Q 3(s ) =AsH (s ) 1s ）Q 2(s ) =Q 3(s ) =
1
H (s ) R 2
1
H (s ) R 3
LbiaLLLLLllll
∆h
∆Q 2=
R 2∆h ∆Q 3=
R 3
传递函数：
R 2R 3H (s )
= Q 1(s ) AR 2R 3s +R 2+R 3
1.2多容水箱建模：
∆Q 1-∆Q 2=A 1
d ∆h 1dt ∆h ∆h ∆Q 2=1-2
R 2R 2
Q （-Q 2(s ) =A 1sH 1(s ) 1s ）Q 2(s ) =
11
H 1(s ) -H 2(s ) R 2R 21
H 2(s ) R 3
d ∆h 2
∆Q 2-∆Q 3=A
dt ∆h ∆Q 3=2
R 3
Q 2(s ) -Q 3(s ) =AsH 2(s ) Q 3(s ) =
R 3
传递函数：H 2(s ) = 式中
Q 11(s ) T 1T 2s 2+(T 1+T 2+T 12) s +13
T 1=A 1R 2, T 2=A 2R 3, T 12=A 1R 3
2、响应曲线法建模加控制器参数整定 设计一个比例、积分(PI)调节器，控制一个温度调节系统。控制器的调节范围为：0-3000℃，控制器的输出为4-20mA 。当给定被控对象一个如图(a ) 所示的阶跃输入时，测定的被控对象响应曲线如图(b ) 所示（响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表）。要求：计算出控制器的控制参数，画出控制系统方框图。
响应曲线法控制器参数整定经验公式表
参考解答：
由已知条件得：控制器的调节范围上下限为：
3
y max =3000℃和y min =0℃，控制器的输入上下限
为
P max =20mA 和P min =4mA ，由测试数据得，当
输入信号从4mA 变化到18mA 时，被控对象输出信号从0℃变化到2500℃。由此得广义被控对象的放大系数K 0，
⎛⎫∆y ∆P K 0= ⎪
y -y min ⎭⎝max ⎝P max -P min ⎛2500-0⎫18-4⎫= ⎪ ⎪⎝3000-0⎭⎝20-4⎭250016=⨯=0.95300014
⎫⎪⎭
在测得的曲线上找拐点A ，作切线交于B 、C 点，如下图。图中的读数约为：
t B =3min ，t C =20min 。所以，T 0=20-3=17min ，τ0=3min 。由表中查得PI
控制器的比例度计算公式为
K τ0.95⨯3
δ=1.1⨯00⨯100%=1.1⨯⨯100%=18.48% K c =1/δ=1/0.1848=19.11
T 017积分常数为：T I =3.3τ0=3.3⨯3=9.9min 控制系统方框图见下图：
切线在时间轴上截出的时间段τ0为容量滞后；由信号或能量的传输时间造成的滞后现象，是纯滞后。
4
2.1 P 、I 、D 各参数对系统控制品质的影响：
P 越小，控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性下降，控制余差越小。P 越小，控制过程曲线越振荡，周期缩短。出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度Pmin ，振荡频率称为临界振荡频率ωM
P 越大，控制过程曲线越平稳，但控制过程时间越长，余差也越大。
TI 越大，积分作用越弱， TI = ∞，积分作用为零。TI 减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。因此，加积分后，比例带要适当加大。
如果T1适当，系统能很快消除余差。
2.2控制器参数整定： 边界法（临界比例度法）
属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度P m 和振荡周期T m ），按经验公式求出调节器的整定参数。
就以表中PI 调节器整定数值为例，可以看出PI 调节器的比例度较纯比例调节时增大，这是因为积分作用产生一滞后相位，降低了系统的稳定度的缘故。
2.3衰减曲线法
也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。
衰减比为4:1时，整定参数计算表
衰减比为10:1时，整定参数计算表
2.4响应曲线法：属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。
此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。
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2.5正反作用选择：
阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
调节器正反作用的选择：负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。为了保证负反馈，必须正确选择调节器的正反作用。
当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”；反之，称为“反作用” 。
按此定义：变送器都是正作用；气开阀是正作用，气关阀是反作用；有的正作用，有的反作用；控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义：
正作用：测量值–给定值 反作用：给定值–测量值
调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈，简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。
2.6控制系统原理方框图（单闭环控制系统）
2.7控制系统工艺流程图
2.7.1、换热器出口温度控制系统 2.7.2、储槽液位控制系统：
K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；Kf 越大，干扰作用越强，稳态误差越大。 故应选放大系数大的变量作为控制变量。
干扰通道的惯性因子（Tf s+1）使干扰作用的影响缓慢。 Tf 越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远，则Tf 越大，控制时最大偏差越小。干扰离被控变量检测点越远，则干扰通道的时间常数越大，对被控变量的影响越慢。
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部分填空题：
1. 用气动仪表组成的控制系统，其统一的标准信号是。 标准电流信号：4～20mA
2. 集散控制系统的主要特性是
3. 在单回路过程控制系统中，调节器是根据__的大小和方向，输出控制信号。
4. 在反馈控制系统中，如果给定值是按照预先确定的某一规律进行变化，则称为_
5. 简单控制系统是由_控制器_、_执行器_、_对象_和_测量变送器_四个环节构成的，又叫_单闭环控制系统_。
6. __控制器__是控制系统设计的核心.
7. 从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，系统的控制质量。
8 。
9、随着控制通道的增益K0 10、在PI 调节器组成的单回路过程控制系统中，若受到扰动后，被控参数无波动地向给定值靠近，需很长时间才能稳定下来，则如何调整调节器的比例度？增大比例度
三、复杂控制系统
1、控制系统可分为两大类： 提高响应曲线性能指标为目的的控制系统，包括： ① 串级控制系统 ② 前馈控制系统 按某些特定要求而开发的控制系统，包括： ① 比值控制系统 ② 均匀控制系统 ③ 分程控制系统和阀位控制系统 ④ 选择性控制（取代控制）系统
2、串级控制系统：对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 管式加热炉的串级控制框图：
串级控制控制标准框图：
主变量 — 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是过程中主要控制的工艺指标。 副变量 — 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量。
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过程，其输入量为副变量，输出量为主变量。 副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 主控制器 —
按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制
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器，其输出作为副控制器的给定值。 控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制执行器的动作。 2.1、串级控制系统特点：
系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器；。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作；主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。
由上可见：副回路：先调、粗调、快调，主回路：后调、细调、慢调 主副回路相互配合、相互补充，提高控制品质。
与单回路控制相比，串级控制增加了副控制回路，使控制系统性能得到改善。 2.2、串级系统特点总结：
对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能；副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 2.3、主、副调节器调节规律的选择：
在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI 调节，或PID 调节（滞后较大时） 。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P 调节就可以了。而且比例度较小，使得控制作用较强，余差不大。如果引入积分控制作用，会使控制作用滞后，甚至带来积分饱和。
2.4、串级系统的工业应用：
1）容量滞后较大的过程2）纯滞后较大的过程3）干扰幅度大的过程4）非线性严重的过程 2.5、例子 冷物料加热系统的串级控制
1）调节阀为气开式（安全因素） 2）副调节器：反作用；主调节器：反作用。
3）当蒸汽压力突然增加时，该控制系统的控制过程如下：蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于FC 为反作用，故其输出降低，因而气开型的控制阀关小，蒸汽流量减少以及时
克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响，因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，提高了控制质量。
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）当冷物料流量突然加大时，该控制系统的控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉
出口物料温度降低，反作用的TC 输出增加，因而使FC 的给定值增加， FC为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用
2.6、液位串级控制系统：
3、前馈控制系统
在反馈控制中，控制器是按照偏差进行控制作用的。为了弥补反馈控制的上述缺陷，即便有干扰存在，只要能预先加以补偿，控制系统能避免偏差出现。控制系统在干扰还没有影
响到被控变量之前就产生控制作用，该系统称为前馈控制。
前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。
3.1反馈控制的特点：不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。
为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q 的大小，调节阀门开度。针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统
3.2换热器前馈控制原理：
当进料流量变化时，前馈控制器根据输入信号运算后，输出控制信号，相应改变阀门开度，使蒸汽量变化，以补偿进料量F1对温度θ2的影响。
只要干扰通道和调节通道的特性相匹配，则前馈控制完全有可能抵消进料量的影响，使出口温度稳定。可见，前馈控制实现了对扰动的全补偿。
补偿原理：如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度
G f (s)作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。 G b (s ) =-
G o (s ) ⋅G m (s)⋅G v (s)Y(S) = F(S)Gf (s)+ F(S)Gm (s)Gb (s)Gv (s)Go (s) = 0
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3.3前馈控制的特点：①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补
偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。③前馈控制器的控制规律不是PID 控制，是由对象特性决定的。④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。
3.4前馈控制的局限：①实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰在线检测非常困难。②前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。
3.5前馈控制器的通用模型
4、前馈—反馈复合控制系统：为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起
来，组成前馈—反馈复合控制系统。
如换热器出口温度前馈—反馈复合控制系统：蒸汽压力比较稳定，而物料流量F 波动较大。可设计出口温度为被控变量，物料流量为前馈量的前馈－反馈控制系统。
复合控制系统具有以下优点：
①在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。
②反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。
③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈——反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。
对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控
制精度要求又很高，可以考虑采用前馈——串级复合控制方案。
前馈—串级复合控制系统特点：1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定
当物料流量F 比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力（蒸汽流量）波动都较大。可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量，蒸汽压力（流量）为副变量的前馈－串级控制系统。
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前馈—串级控制系统过程框图：
6、比值控制系统
生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。
定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为： Q 2=K Q 1 其中：K —比值系数；Q1—主流量； Q2—副流量 。
6.1根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统；2. 单闭环比值控制系统；
3. 双闭环比值控制系统； 4. 变比值控制系统等。 6.2. 开环比值控制系统：
控制目标：Q 2＝K Q1此控制方案的优点是结构简单、成本低。缺点是无抗干扰能力，当副流管线压力等改变时，不能保证所要求的比值。
如图Q 1是主流量，Q 2是副流量。流量变送器FT 检测主物料流量Q 1；由控制器FC 及安装在从物料管道上的阀门来控制副流量Q 2
开环比值控制系统框图：
6.3. 单闭环比值控制系统：
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为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：
对Q2进行闭环控制，比值控制精度提高。 控制目标：Q2=K Q1 对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化，总流量不稳定。
单闭环比值控制系统框图：
6.4双闭环比值控制系统
为了克服单闭环比值控制中主流量不受控制的缺点，增加了主流量控制回路。 特点：有两个闭环控制回路，用比值器联系。控制目标：Q2=K Q1 Q1是主流量，Q2是副流量。两个流量都可控，因此总流量稳定。 双闭环比值控制系统框图：
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6.5．变比值控制系统
以上介绍的都是定比值控制系统。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个工艺参数的需要而变化，为满足这种工艺的要求，就出现了变比值控制系统。 6.6．比值控制系统设计
1）主流量、副流量的确定原则： ①生产中起主导作用的物料流量，一般选为主流量，其余的物料流量跟随其变化，为副流量。 ②工艺上不可控的物料流量，一般选为主流量。③成本较昂贵的物料流量一般选为主流量。 ④当生产工艺有特殊要求时，主、副物料流量的确定应服从工艺需要。 2）比值系数的计算
工艺规定的流量（或质量）比值K 不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。
变送器的转换特性不同，比值系数K’的计算公式不同。 （l ）流量与测量信号之间成线性关系
如果Q 1的流量计测量范围为0～Q 1max 、Q 2的流量计测量范围为
0～Q 2max ，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：
（2）流量与测量信号之间成非线性关系
利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比： ∆p=CQ2
6.7比值控制系统应用举例
6.71 一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器实现。已知Q 1max =26500m 3/h ，Q 2max =32000m 3/h 。求：
A ）画出控制系统的结构图。 b ）当I 0=16mA 时，比值控制系统的比值K 及比值系数K ' 分别为多少。c ）待比值系统稳定时，测得I 1=16mA ，试计算此时的I 2为多大。
图 流量双闭环比值控制系统原理图
解：1) 由于
I 0=K '⨯16+4
所
以
得 K '=(I 0-4)/16=(16-4) /16=0.75
K '=K
Q 1Q 2
m a x
' K =K m
a
x
Q 32000
=0.75⨯=0.9 Q 1max 26500
2) 由仪表的比例系数定义，K ' =
I 2-4mA
得：
I 1-4mA
I 2=K '(I 1-4mA ) +4mA 即：I 2=0.9⨯(10-4) +4=9.4mA
6.7.2 要求参与反应的物料Q1和Q2保持恒定比例，正常操作时，流量Q1=7m3/h，Q2=1.75m3/h；流量范围分别为0-10m3/h和0-2m3/h。根据要求设计Q2/Q1恒定的比值控制系统。在采用DDZ-3型仪表组成控制系统情况下，分别计算流量和测量信号呈线性关系（配开方器）和非线性关系（无开方器）时的比值系数K’
。
K ' ==
Q -Q 1min Q 2Q 1max -Q 1min
⋅=K ⋅1max Q 1Q 2max -Q 2min Q 2max -Q 2min 1.7510-0
⋅=1.2572-0
⎛Q Q -Q ⎫K ' = ⋅⎪
Q Q -Q 2min ⎭⎝12max
2
2
7、分程控制系统
在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。
例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀A 和B ， A和B 的输入信号各占一半行程。
分程控制系统的方块图：
7.1分程控制系统工作原理
如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。
一旦反应开始进行，就会持续产生大量的反应热，如果不及时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危险。因此，必须降温。
为保证安全，热水阀采用气开式，冷水阀采用气关式，则温度调节器设为反作用。 工作原理如下：
当装料完成、化学反应开始前，温度测量值小于设定值。调节器TC 输出气压大于0.06MPa ，A （冷
水）阀关闭，B （热水）阀开启，反应器夹套中进的
热水使反应物料温度上升。反应开始后，反应物温度逐渐升高，调节器输出逐渐下降，热水阀逐渐关小；当反应物料温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa ，热水阀完全关闭，冷水阀逐渐打开，冷水进入夹套将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。
控制器：反作用 阀门A ：气关； 阀门B ：气开 对象1：反作用； 对象2：正作用 控制系统在任一阀门工作时都是负反馈。
7.2分程控制系统本质上属于单回路控制系统。二者的主要区别是：单回路控制系统中调节器输出控制一个调节阀，分程控制系统中调节器输出控制多个调节阀。因此，系统设计上有所不同。
7.3分程控制系统的工业应用
1、用于扩大调节阀的可调范围，；蒸汽压力减压系统；
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2、用于一个控制回路需要控制多个操纵量，工业废液中和处理。
7.4 选择控制系统
选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。
选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。 7.4.1对调节器输出信号进行选择
锅炉蒸汽压力的控制
为防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护控制回路。为防止出现熄火现象，再增加一个燃气低压保护控制回路
本系统的选择器在控制器之后，是三选一系统。当系统处于燃气压力保护控制期间，蒸汽出口压力能保证符合工艺要求。
7.4.2对变送器输出信号进行选择
这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。
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那么积分作用将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”
当积分电路处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，此时若切回控制器，要让其重新发挥作用，必须等它退出饱和区，使输出慢慢返回到执行器的有效输入范围。
四、先进过程控制系
现代工业生产过程的大型化、复杂化，对产品质量、产率、安全及对环境影响的要求越来越严格。许多复杂、多变量、时变的关键变量的控制，常规PID 已不能胜任，因此，先进控制受到了广泛关注。
4.1先进过程控制(APC，Advanced Process Control) 技术，是指不同于常规PID ，具有比常规PID 控制更好控制效果的控制策略的统称。
4.2先进控制的任务，用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。
4.3自适应性控制:为了解决被控对象的结构和参数存在不确定时（或系统数学模型参数未知），系统仍能自动地工作于最优或接近最优的状态。
定义：能自动地调整控制器参数以补偿被控过程特性的变化的 控制系统叫作自适应控制系统。换句话说，自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。 主要包括： 自校正控制、模型参考自适应控制 一个自适应控制系统至少应包含有以下三个部分：
一是具有一个检测或估计环节，目的是监视整个过程和环境，并能对消除噪声后的检测数据进行分类。通常是指对过程的输入、输出进行测量，进而对某些参数进行实时估计。
二是具有衡量系统控制优劣的性能指标，并能够测量或计算它们，以此来判断系统是否偏离最优状态。
三是具有自动调整控制器的控制规律或参数的能力。 5自校正控制系统
6模型参考自适应控制系统
模型参考自适应控制系统主要用于随动控制。
这类控制的典型特征是参考模型与被控系统并联运行，参考模型表示了控制系统的性能要求。
设定值同时输入预测模型和控制系统，然后对参考模型的输出和控制系统的输出做差，得到偏差输入到自适应机构，再根据偏差调整控制器参数。
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7预测控制是一种基于计算机的优化控制算法，被认为是近年来出现的几种不同名称的新型控制系统的总称。 7.1预测控制的基本思想：
采用工业过程中较易得到的过程脉冲响应或阶跃响应曲线，并用它们的一系列采样值作为描述过程动态特性的预测模型，然后据此确定控制量的时间序列，使未来一段时间的被控量与期望轨迹之间的误差最小，而这种“最小化”是反复在线进行的，这就是预测控制的基本思想。
常规PID 控制：是根据过程当前的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。 预测控制：不但利用了当前的和过去的偏差值，而且还通过预测模型来 预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优输入策略。从基本思想上看，预测控制优于常规PID 控制。 7.2预测控制的构成：也称基于非参数模型的控制，其基本结构如下图，主要由预测模型、反馈校正、参考轨迹、滚动优化等几部分构成。
参考轨迹 实际上是一个滤波器，其作用是提高系统的“柔性”与鲁棒性；反馈校正 实际上是应用了控制
理论中的反馈原理，即在预测模型的每一步计算中，都将实际系统的信息叠加在原有模型上，使原有模型不断得到在线校正；滚动优化 是指在控制的每一步实现的静态参数优化，而在控制的全过程中则表现为动态优化，从而体现了优化控制的工程实用性。
模型预测控制算法需要一个描述系统动态行为的模型，该模型即称为 预测模型。 7.3预测控制的优良性质：
对数学模型要求不高，能直接处理具有纯滞后过程，具有良好的跟踪性能和较强的抗扰动能力，对模型误差具有较强的鲁棒性等。这些优点使预测控制更加符合工业过程的实际要求，这是PID 控制无法相比的。
8、模糊控制
9、神经网络控制：学习的过程：神经网络在外界输入样本的刺激下不断改变网络的连接权值, 以使网络的输出不断地接近期望的输出。学习的本质：
对各连接权值的动态调整。
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学习规则：权值调整规则，即在学习过程中网络各神经元的连接权变化所依据的一定的调整规则。
例题：
1. 简单控制回路中，广义被控对象包括 2. 在PID 调节器中，调节器的比例度P ，Ti 值越大，表示积分作用（越弱），Td 值越大表示微分作用（越强）
3. 在自衡多容过程中，随着储存容积的增加，4. 在单回路过程控制系统中，若扰动通道的纯滞后τ0增大时会使系统：没影响 5．前馈控制的特点是：属 而不是基于偏差来消除偏差
6. 在单回路过程控制系统设计中，根据过程特性来选择控制器的控制规律，对于控制通道的时间常数或容积滞后较大的过程，为了提高系统稳定性，减小动态偏差，可选用（比例微分）控制规律。
7. 8. 衡量过程控制
9. 为最大，微分时间为零
10. 某换热器的温度控制系统（设定值是 30 ℃ ）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1所示。则该系统的衰减比、余差、最大偏差是（ ）? 衰减比：4:1 余差：5 最大偏差：45
11. 写出具有纯滞后的自衡单容过程和双容过程的传递
函数。 -τs G (s ) =Ke -τs Ts +1
G (s ) =Ke (T G (s ) =
Ke -τs 五、检测仪表
1s +1)(T 2s +1)
(Ts +1) 2
1. 绝对误差
检测仪表的指示值X 与被测量真值Xt （标准值X 0）之间存在的差值称为绝对误差Δ 2. 基本误差
式中：仪表量程 = 测量上限－测量下限
仪表的基本误差表明了
仪表在规定的工作条件下测
量时，允许出现的最大误差。
3．精确度（精度）
仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。/基本误差最大值：0.005% …… 2.5%
精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。 4. 变差： 在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。
造成变差的原因：传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的弹性滞后等。
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5. 温度检测方法
接触式测温——通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。 分类：（液体、固体）膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、半导体温度计
非接触式测温——通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。
分类：辐射式温度计，通过测量物体热辐射功率来测量温度；红外式温度计，通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度 6. 热电偶
热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV ） 。 特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。 原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。
当不同导体A 、B 接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。
对于同一金属A （或B ），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。
热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时， E （t ，t0）是热端温度 t 的单值函数。
热电势的大小只与材料和结点温度有关；而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关。 6.1热电偶的基本定律
均质导体定律：匀质（半）导体闭合回路无热电势，热电偶需由不同（半）导体组成。 中间导体定律：热电偶回路中接入两端温度相同的导体，热电势不变。 中间温度定律： E AB ( t ，t o ) = E AB ( t , 0 ) － E AB ( t o , 0 )
6.2热电偶的构造：是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等
6.3热电偶冷端温度补偿
根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。 E (t,t0) = E偶 (t , t n ) ＋ E 补(t n ,t 0)
例子：用K 型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E （t ，t 0）＝36.122mV ，而自由端的温度t 0＝30℃，求被测的实际温度。
答：由分度表可以查得 E （30，0）＝1.203mV 则 E （t ，0） ＝ E （t ，30）+ E （30，0）＝ 36.122+1.203＝37.325mV 再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为900 ℃ 。 6.4补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 7. 热电阻：
对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大，具有正温度系数。 7.1热电阻材料要求：电阻温度系数大，电阻率大；在测温范围内物理化学性能稳定；温度特性的线性度好。
7.2热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用
双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热
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电阻。
7.3三线制接线法 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。
8、热敏电阻：半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是： 电阻率大—电阻体积小，响应快；温度系数大—灵敏度高；非线性严重—影响精度；温度特性分散—互换性。
9、集成温度传感器：集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。测温原理 ：半导体PN 结特性随温度而变化。
特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50~150℃。 分类：集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电压型（如LM315) 、电流型(如AD590) 和数字型(如DS1820) 三类。
10、温度显示与记录：热电偶、热电阻等传感元件的测温信号，必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。动圈式、数字式指示仪表、自动记录仪表
可见三线制接法可以消除接线电阻的影响。一般规定每根连接导线的电阻值为5Ω。 11温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。
模拟控制系统的信号标准是：Ⅱ 型：0~10mA、0～10V III 型：4～20mA 、1～5V 分类：模拟变送器和数字变送器
例子：有一台DDZ-III 型温度变送器，精度1级，出厂时量程调为：0~1300℃ ①用这台变送器测量一加热炉的温度（温度范围800~900℃），问：产生的最大绝对误差是多少？变送器的灵敏度为多少？
②将变送器的零点迁至700℃，量程调为700~1000℃，问：这时变送器的最大绝对误差是多少？灵敏度为多少？
最大绝对误差
解：（）定义：仪表精度1=⨯100%
仪表量程
我国过程检测仪表的精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、等4
一般工业用表为0.5~4级精度
∴∆max =(1300-0)⨯1%=13
仪表输出的变化量∆α∆I
==
被测参数的变化量∆x ∆x
20-416
∴S ===0.0123mA /
1300-01300灵敏度定义：
S =
12、智能变送器
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特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便。通用性强 、使用方便灵活 、具有各种补偿功能 、具有控制功能，实现现场就地控制 、具有通信功能、具有自诊断功能 13、压力测量
例题 某台压缩机的出口压力范围为25～28MPa ，测量绝对误差不得大于1MPa 。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。 要求条件为：被测脉动压力25～28MPa ，测量绝对误差≤1MPa ，就地观察、高低限报警。
解： 脉动压力对仪表寿命影响很大，故选择仪表的上限值为： p 1=p max ⨯2=28⨯2=56 MPa 若选压力表的测量范围为0～60MPa 则： 25MPa / 60MPa >1/3
被测压力的最小值不低于满量程的1/3，下限值也符合要求。
1另外，根据测量误差的要求，可算得对仪表允许误差的要求为：
60⨯100%=
1.67% 故选精度等级为1.5级的仪表可以满足误差要求。
答：根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可选用YX —150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa ，精度等级为1.5级。
13.1电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标准电信号输出的仪表。
13.2电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。 其输出信号是标准的4～20mA （DC ）电流信号。
特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。
13.3应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。
电阻应变原理：当应变片产生纵向拉伸变形时，L 变大、S 变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S 变大、 L 变小，其阻值减小。 13.4阻式压力传感器
利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。 13.5压电式压力传感器
利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。
压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。
压电材料作为力敏感元件，从其输出特性可以看作是一个电荷源（静电发生器）；从其材料特性可以等效为一个电容。 14、流量检测
流量的基本概念：流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。即瞬时流量。
流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为：节流式流量计；速度式流量计容积式流量计；电磁式流量计等。
14 .1差压式（也称节流式）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而实现流量测量。
14.2节流现象：流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。
14.3节流原理：具有一定能量的流体，才可能在管道中流动。流动着的流体含有两种能量——静压能和动能。
21 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 14.4电磁流量计 在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量。 工作原理：在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B 不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E 的大小仅与流体的流 v 速有关。 感应电势的方向由右手定则判断，其大小为：E= BDv v= BDE 当BD 一定时，感应电势E 与流速v 成正比。式中：Ex — 感应电势；B — 磁感应强度； D — 管道直径；
v —流体速度。
体积流量Q 与流速v 的关系为： Q =1πD 2v 1πD 2
将 v= BDE代入可得：4 Q =4πD 2v =
4B E =kE
感应电势E 与被测流量Q 成正比关系。
六、控制仪表
1、简介：控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。
控制仪表按工作能源分类有：
1 .1、 电动仪表 以220VAC 或24VDC 作为工作能源，其输入输出信号均采用0～10mA 或4～20mA 的标准信号。1.2、气动仪表：以140kPa 的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用20～100kPa 的标准气压信号。1.3、自力式仪表：不需要专门提供工作能源。例：自力式液位调节器
2模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。
2.1PID 电路分析见书本P81
2.2控制器的工作状态切换：
无扰动切换：电路切换前一瞬间的输出值与电路切换后一瞬间的输出值相同，电路状态切换是无扰的。（控制器输出不突变）
无平衡切换：自动和手动相互切换时，无需事先平衡，可以随时切换至所要求的位置。3数字式控制器
不同点：
相同点：
仪表总的功能和输入输出
关系基本一致。
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3.1数字式PID 控制器：1）功能丰富，更改灵活，体积小，功耗低；2）具有自诊断功能：3）具有数据通信功能，可以组成测控网络。 T D 1∆T ∆y =[(e-e ) +e +(en -2e n -1+e n -2)]n n n -1n 增量型PID 算式： P T I ∆T 优点：1）输出Δyn 仅决定于最近三次的采样值，所需内存不大，运算比较简单。 2）每次输出增量值，误动作的影响小，必要时可通过逻辑判断禁止或限制本次输出，容易得到良好的调节效果。3）一旦调节器出现故障，停止输出，阀位能保持在故障前的状态。 3.2微分先行算法PI-D 算式： 为了改善这种操作特性，可对给定值不进行微分运算，称为微分先行的PID 算法。 11 Y(s ) =
[(+1)E(s ) -T D sV P (s)] P T I s
可见PI-D 算法，相当于在PID 的给定值通道中，增
加了一个一阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，
对输出的冲击大为缓和。
若T i ≫T d 有
可见PI-D 算法相当于在PID 的设定值通道中，增加了一
个一阶惯性滤波器，从而使设定值快速变化时，对输出
的冲击大为缓和。
3.3比例微分先行的PID 算法（I-PD ）
比例运算也能传递阶跃扰动。由微分先行得到启示，若对比例运算作同样修改，比例冲击也能消除。 11Y(s ) =[⋅E (s ) -
(1+T D s ) V P (s )] P T I s
可见I-PD 算法，相当于在PID 的给
定值通道中，增加了一个二阶惯性滤波器，从而给定值快速变化时，对输出的冲击更为缓和。
可见，比例先行算法是在微分先行作
为一次滤波基础上又增加了一阶滤
波。
23 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 复杂控制系统对比：
七、执行器
1、概述：执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。
2、分类：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：
电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。 气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。
液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。
工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。
3、组成：气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。
执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。
3.1. 执行机构：执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。
直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式执行机构（正作用执行机构（向下运动）、反作用执行机构（向上运动）；特点：结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。）气动活塞式执行机构（推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。）
调节机构
3.2调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多：1）直通单座阀（结构简单、泄漏量小；流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场
合。）
正装阀（阀芯下移时，阀芯与
阀座间的流通截面积减小。）反
装阀（阀芯下移时，阀芯与阀
座间的流通截面积增大。）
2）直通双座阀：
阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力
24 上海海事大学自动化仪表与过程控制系统期末考试资料 方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。 3）角形控制阀：两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。 4） 三通控制阀：有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。 5）隔膜控制阀：采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介
质的控制。
6）蝶阀：又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
7）球阀：阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。
4、调节阀的流量特性：调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。
为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与工作流量特性之分。
4.1固有（理想）流量特性
在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。
1）直线特性2）等百分比特性3）快开特性4）抛物线特性.
直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。 控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。
2）等百分比阀：在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。
3）快开特性：开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。
4）抛物线特性：介于直线和对数曲线之间，使用较少。
4.2调节阀的工作流量特性：实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。
结论：串联管道使调节阀的流量特性发生畸变；串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小；串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，s 值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。
5、选择 无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。
阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。
6、电/气转换器：为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。作用：将4～20mA 的电流信号转换成20～100KPa （0.02～0.1MP a ）的标准气压信号。
7、电动调节阀：电动调节阀接受来自调节器的电流信号，阀门开度连续可调。 电磁阀也接受来自调节器的电流信号，但阀门开度是位式调节。
7.1电动调节阀也由执行机构和阀门两部分组成：1）执行机构是调节阀的推动装置，它将
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输入信号转换成相应的动力，带动控制机构动作。2）阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用的。 8、安全栅：安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 构成安全火花防爆系统的二要素： ① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。 工作原理：安全栅是传递正常信号、阻止危险能量通过的保险器件。 如在信号通路上串联一定电阻，
起限流作用，可称作电阻式安全
栅。其缺点是正常信号也衰减，
且防爆定额低。如热电偶温度变
送器的输入端
9、齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊的面接触型硅晶体二极管。由于它有稳定电压的作用，经常应用在稳压设备和一些电子线路中。
齐纳安全栅优点是采用的器件非常少，体积小，价格便宜；缺点是齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1Ω；危险侧本安仪表必须是隔离型的；齐纳安全栅对供电电源电压响应非常大，电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏，从而引起信号的误差或者发出错误电平，严重时会使快速熔断器烧断。
10、隔离式安全栅
用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和
电源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。
因而分检测端安全栅和执行端安全栅。
10.1检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将
变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。
10.2执行端安全栅：用于控制室中调节器和现场执
行器之间，是4~20mA调节信号送往现场的安检通
道。与检测端安全栅的区别：① 信号传输方向相
反，② 不需给现场供电。
电路原理基本相似。