过程控制与自动化仪表-第四章-解析法建模
电子教案与课件：《过程控制及自动化仪表》电子课件 第四章 4.2
多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的 有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动 旋转式的调节机构，如各种泵等。
控制阀
1 控制阀（调节阀）结构
控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由 于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流 通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量 也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。
(f) 蝶阀
又名翻板（挡板）阀，如图411(f) 所示。它是通过杠杆带动挡板轴使挡 板偏转，改变流通面积，达到改变流 量的目的。蝶阀具有结构简单、重量 轻、价格便宜、流阻极小的优点，但 泄漏量大。适用于大口径、大流量、 低压差的场合，也可以用于浓浊浆状 或悬浮颗粒状介质的调节。
(g) 隔膜控制阀
执行机构 气动执行器的执行机构和机构主要分为薄膜式和活塞式。
薄膜式
活塞式
正作用形式: 信号压力增大, 推杆向下。 反作用形式: 信号压力增大, 推杆向上。
这种执行机构的输出位移 与输入气压信号成比例关系。 当压力与弹簧的反作用力平衡 时,推杆稳定在某一位置,信号 压力越大,推杆的位移量也越 大。(推杆的位移即为执行机 构的直线输出位移,也称行 程。)
气动：
气动执行器的执行机构和调节机构是统 一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两 类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力 的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动 阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称 为气动调节阀)是用压缩空气为能源，结构简 单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修 方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化 工、炼油生产。
正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积 减少。
过程控制与自动化仪表说课PPT课件
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师资队伍
自动化专业现有专职教师5名，兼职教师3名。其中副教授2名，高 级工程师1名，讲师3名，工程师1名，完全满足理论与实践教学需要。
教学条件
过程控制与仪表现有检测实验室，化工仪表实训室，仿真机房，以 及多媒体教室，完全满足教学需要。
与新疆金特，广汇等企业进行合作，建立各种实训基地，满足学生 实习需求。
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教学资源
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教材
高职高专“十一五”规划教 材
作 者：武平丽 主编 出 版 社：化学工业出版社 出版时间：2007-6-1
本书以控制系统为体系，将过程参数检测变 送、显示记录及控制仪表作为组成系统的相应环节， 力求完整体现过程控制的整体内容。在参数检测方面， 深入浅出地介绍了检测原理及方法；依据其代表性及 发展趋势，介绍了目前生产中广泛应用的检测仪表。 在控制仪表方面，根据生产实际情况，介绍了模拟、 数字控制器和电动、气动执行器。在控制系统方面， 着重介绍简单控制系统和几种常用复杂控制系统的设 计，以及分布式控制系统（DCS）的硬件和软件体系 构成与目前国内常见的几种分布式控制系统（DCS）。 此外，还简要介绍了显示记录仪表。最后介绍了典型
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课时分配
学习项目一预计参考学时为4学时，学习项目二 预计参考学时为12学时，学习项目三预计参考学 时为4学时，学习项目四预计参考学时为14学时。 学习项目五预计参考学时为12学时，学习项目六 预计参考学时为8学时。
共计48学时，其中理论学时44学时，实践学时4 学时。
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前导与后续课程
生产实训
过程控制与自动化仪表
高等数学
《自动化仪表与过程控制》课程教案
大学教案(首页)院(系)：电子工程教研室(系)：自动化大学教案学时：2学时：4学时：4大学教案学时：2本章思考题和习题习题：1-5思考题：哪一种形式的仪表是根据压电效应实现压力测量的思考题：电容式差压变送器测量部分如图所示，问其中哪部分是作为测量膜片的电容动极片？主要参考资料范玉久.《化工测量及仪表》.化学工业出版社吴九辅.《现代工程检测及仪表》.石油工业出版社侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社天津大学化工学院主编.《注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题》. 天津大学出版社.备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2本章思考题和习题某流量自动控制系统，用纯比例控制器进行控制。
图示为采用不同比例度时系统的过渡过程（其中曲线b、c为比较满意的控制结果）。
试判断四条过渡过程曲线中哪一条对应的比例度最大？A 曲线aB 曲线bC 曲线cD 曲线d主要参考资料历玉鸣，《化工仪表及自动化》，化学工业出版社赵玉珠，《测量仪表与自动化》，石油大学出版社张宝芬，《自动检测技术及仪表控制系统》，化学工业出版社周泽魁，《控制仪表与计算机控制装置》，化学工业出版社康光华，《电子技术基础》，高等教育出版社备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2本章思考题和习题习题：4-3，4-5思考题：图为贮罐液位控制系统，为安全起见，贮罐内液体严禁溢出。
当选择流出量Q 为操纵变量时，其控制阀和控制器分别应如何选择作用方向？（A）气关式、正作用（B）气开式、正作用（C）气关式、反作用（D）气开式、反作用主要参考资料历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版. 化学工业出版社吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社天津大学化工学院主编《.注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题》. 天津大学出版社.备注大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：2大学教案学时：241。
培训课件过程控制 第四章 复杂过程控制系统-比值控制4.ppt
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
3、工作过程 • 稳定状态下…… • 主动量变化时…… • 从动量由于干扰而变化时……
4、优缺点 优点：不但能实现从动量跟随主动量变化，而且能
克服从动量本身干扰对比值的影响等。 缺点：主动量不受控。
• 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第 三个变量的变化而变化。
•为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。 2、系统结构：如下图所示 3、变比值控制的含义
变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量(质量 指标)、以两个流量比为副变量的串级控制系统。
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自动化仪表与过程控制
§4-4-2 比值控制系统的结构类型
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
② 将对生产负荷起关键作用的物料流量作为主动量。 ③ 从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控情况 下，看哪一种情况必须保持比值一定，就将这种情况下的 那种物料流量作为主动量较为合适。
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§4-4-3 比值控制系统设计
自动化仪表与过程控制
自动化仪表与过程控制
第四章 复杂过程控制系统
§4-4 比值控制 §4-4-1 比值控制原理 §4-4-2 比值控制系统的结构类型 §4-4-3 比值控制系统设计 §4-4-4 比值控制系统整定 §4-4-5 应用举例
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§4-4-1 比值控制原理
自动化仪表与过程控制
一、方法的产生
在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成
过程控制系统教学大纲精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。
第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。
第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。
第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。
第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。
第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。
各种差压变送器结构、原理、特点。
第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。
第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。
第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。
第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。
第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。
第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。
第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。
第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。
第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。
第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。
厉玉鸣第四版本科化工仪表及自动化第4章最终版
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 三、积分控制
①积分调节规律(I) ②比例积分控制规律(PI) ③积分时间对系统过渡过程的影响
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
值过小
系统反应过于灵敏，容易造成过度调节， 产生大幅振荡。
值过大
系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。
值适中
经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定， 有一定的余差。
图4-8 比例度对过渡过程的影响
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
② 比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化 相对值之比的百分数。
e p / 100 % x x p p max min max min
（4-5）
具体意义：使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变
化对应于指示刻度的百分数。
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
KP:输出量与被控量的差值的比例系数。它是一个重要 ① 的
系数，它决定了比例控制作用的强弱。 改变杠杆支点O的位置即可改变原调节器的放大倍数。
①比例放大倍数(Kp) ②比例度
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
化工仪表及自动化
5.自动控制仪表 4.
4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
过程控制与自动化仪表第三版课后答案
第1章思考题与习题1．基本练习题（1）简述过程控制的特点。
答：1．控制对象复杂、控制要求多样2．控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成（2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。
答：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。
过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：图1-1 过程控制系统的一般性框图（3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02 ~0.1MPa；电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。
答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：图1-2 加热炉过程控制系统流程图1-3 加热炉过程控制系统流程方框图（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？ 答：1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数：1100%()y y σ=⨯∞ 最大动态偏差A ：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；静差，也称残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；调节时间s t ：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%±（2%±）范围内所需要的时间；振荡频率n ω：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；上升时间p t ：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间； 峰值时间p t ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
过程控制及自动化仪表-复习重点知识点
1, 测量温度的方法：接触式，非接触式。
2, 热电偶：当两种不同导体货半导体连接成闭合回路时，若两个节点温度不同，回路中就会出现热电动势并产生电流。
3, 第三导体定律：除热电偶A, B两种导体外，又插入第三种导体C组合成闭合回路，只要插入的第三种导体的两个接点温度相等，它的接入对回路毫无影响。
4, 测量某一点压力及大气压力之差，当这点的压力高于大气压力时，此差值称为表压。
5, 利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。
常用的弹性测压元件有：弹簧管（常用）, 水纹管及膜片三类。
6, 流量检测仪表：节流式流量计(在管道中放入肯定的节流元件，依据节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差测量)分为：压差, 靶式, 转子流量计。
7, 热导式气体分析仪是一种物理式的气体分析仪。
依据不同气体具有不同的热传导实力这一特性，通过测定混合气体的导热系数，推算出其中某些成分含量。
（0度时H2为7.150，He为7.150）8, 调整器的作用：把测量值和给定值进行比较，依据偏差大小，按肯定的调整规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调整。
9, 调整规律：他的输出量及输入量（偏差信号）之间具有什么样的函数关系。
10, 比例调整特点：对干扰有及时而有力的抑制作用，但存在静态误差，是一种静差调整。
11, 积分调整特点：能够消退静差，即当有偏差存在时积分输出将随时间变化，当偏差消逝时输出能保持在某一值上不变。
但动作过于缓慢，过渡过程时间长，易造成系统不稳定。
12, 微分调整器：能在偏差信号出现或变化瞬间，马上依据变化趋势，产生调整作用，是偏差尽快的消退于萌芽状态之中。
但对静态片差毫无抑制实力，不能单独运用。
13, 在PID三作用调整器中，微分作用主要爱用来加快系统动作速度，削减超调，克服震荡。
积分作用主要用来消退静态误差。
将比例, 积分, 微分三种调整规律结合在一起，即可达到快速灵敏，又可达到平稳精确，只要协作得当便可得到满足的调整效果。
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被控过程的特性
有自衡
一阶惯性环节
G(s) K (Ts 1)
K 二阶惯性环节 G(s)
(T1s 1)(T2s 1)
被控过程的特性
无自衡
一阶积分环节 G(s) 1 Ts
二阶积分环节 G(s) 1 T1s(T2s 1)
被控过程的特性
振荡与非振荡特性
在阶跃输入作用下， 输出会出现多种形式。
G(s)
y(T0 / 2) y() 39% y(T0 ) y() 63% y(2T0 ) y() 86.5%
课堂练习
某水槽水位阶跃响应的试验记录为： t/s 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 ... ∞ h/min 0 9.5 18 33 45 55 62 78 86 95 ... 98
e- s
(T1s 1)(T2s 1)
G(s) 1 T0 s
G(s) 1 e-s T0s
G(s) 1 T1s(T2s 1)
G(s) 1 e-s T1s(T2s 1)
试验法建模
模型参数的确定
1.一阶惯性环节参数 该响应曲线输入与输出的关系为：
y(t) K0x0 (1 et /T0 )
其中Ko为放大系数，To为时间常数
解析法建模
单容过程
例2：将阀2换成定量泵，使输 出流量在任何情况下都与液位 h的大小无关，试求q1与h之间 的数学关系?
解析法建模
课堂练习
1）求该过程输入q1与h的微分方程。 2）求该过程输入q1与h的传递函数递函数。 2）判断该过程是自衡的还是无自衡的。
解析法建模
单容过程
例1：某单容液位过程，如右 图。储罐中液位h为被控参数， 流入储罐的体积流量q1为输入 量，流出储罐的体积流量q2为 中间变量，其大小与阀门2及h 有关，设A为储罐横截面积， R2为阀2的液阻，试确定q1与h 之间的数学关系?
解析法建模
单容过程
在有些被控过程中，还经常存在纯滞后问题，如物料的皮带输送过 程，管道输送过程等。
被控过程数学模型
被控过程的特性
有/无自衡特性
当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人 或无控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态， 则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被认为无自衡特性。
单/双容特性
工业生产过程一般都具有储存物料或能量的能力，其储存 能力的大小称为容量。所谓单容过程是指只有一个储存容积的 过程。当被控过程由多个容积组成时，则称为多容过程。
G(s)
K0
(T1s 1)(T2s 1) (Tns 1)
解析法建模
多容过程
例4：如图为一并联式双容液位过程，q2的大小不仅液位h1有关， 而且与液位h2也有关，试求q1与h2之间的数学关系?
解析法建模
多容过程
例5：将槽2的阀门3改成定量泵，使q3与液位h2的高低无关，试求 q1与h2之间的数学关系?
G(s) K1 T1s 1
被控过程的特性
反向特性
（2）另一方面，由于进水量大于蒸汽负荷量，又使水位逐渐
上升，其响应呈现出正向积分特性。 G(s) K2 s
过程建模方法
1、机理演绎法（解析法）
根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关 系，用数学解析的方法求取被控过程的数学模型。
静态平衡：单位时间内进入被控过程的物料或能量应等于单位 时间内从被控过程流出的物料或能量；
试验法建模
对于内在结构与机理不太复杂的被控过程，就可以通过机理 分析，根据物料或能量平衡关系，应用数学推理建立数学模型。
但是实际上许多工业过程的内在结构与变化机理是比较复杂 的，往往不完全清楚，这种情况下，数学模型的取得就要采用试 验辨识法。
响应曲线法
通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一阶跃或方波 变化，得到被控量随时间变化的响应曲线或输出数据，再根据输 入-输出数据，求取之间的数学关系。
动态平衡：单位时间内进入被控过程的物料或能量与单位时间 内从被控过程流出的物料或能量之差应等于存储量的变化率；
解析法优点：在过程控制系统尚未设计之前即可推导起数学模 型，对过程控制系统的方案论证和设计工作比较有利。
过程建模方法
2、试验辨识法
先给被控过程人为地 施加一个输入作用，然后 记录过程的输出变化量， 得到一系列试验数据或曲 线，最后再根据输入－输 出试验数据确定其模型的 结构（包括模型形式、阶 次与纯滞后时间等）与模 型的参数。
T
2s2
K
2Ts
1
被控过程的特性
反向特性
对过程施加一阶跃输入信号，若在开始一段时间内，过程 的输出先降后升或先升后降，即出现相反的变化方向，则称其 为具有反向特性的被控过程。
在锅炉燃烧-给水系统中，锅炉汽包水位的变化过程即为 典型的反向特性过程。
被控过程的特性
反向特性
（1）当供给锅炉的冷水量有一个阶跃增加而在燃料供热与蒸 汽负荷均不变的条件下，一方面，汽包内水的沸腾会突然减弱， 蒸发率降低。由于汽包中的水位是由上升的气泡流托起的，锅 炉蒸发率降低会导致部分气泡的溃灭，于是汽包中水位下降， 其响应呈反向一阶惯性特性。
试验法建模
模型结构的确立
在完成阶跃响应试验后，应根据试验所得的响应曲线确定模型的 结构，对于大多数过程，数学模型和传递函数分别为
一阶惯性
G(s) K0 T0s 1
一阶惯性+纯滞后 G(s) K0 e-s T0s 1
二阶惯性
G(s)
K0
(T1s 1)(T2s 1)
二阶惯性+纯滞后 G(s)
K0
解析法建模
多容过程
例3：如图所示多容过程，若不计第一个与第二个液位槽之间液体输 送管道所形成的时间延迟，求q1与h2之间的数学关系。
解析法建模
多容过程
如图所示该双容过程阶跃响应曲线。 与单容过程（曲线1）相比，双容过 程一开始变化较缓慢，原因是槽与 槽之间存在液体流通阻力而延缓了 被控量的变化。 如果过程为N个容器依次分离相连， 则其传递函数为
试验法建模
阶跃响应曲线
注意事项：
1）试验测试前，被控过程应处于相对稳定的工作状态 2）在相同条件下应重复多做几次试验 ，减少随机干扰的影响 3）对正、反方向的阶跃输入信号进行试验，以衡量过程的非线性程度 4）一次试验后，应将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时间 再做第二次试验 5）输入的阶跃幅度不能过大，以免对生产的正常进行产生不利影响。 但也不能过小，以防其它干扰影响的比重相对较大而影响试验结果。