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第1章 自动控制系统概述
被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。
被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数
操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。
设定值：工艺参数所要求保持的数值
偏差：被控变量设定值与实际值之差
负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减

闭环控制与开环控制
闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。
Ø 闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。
Ø 闭环控制的缺点：控制不够及时；
开环控制：
Ø 开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。
Ø 开环控制的缺点：系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。
自动控制系统的组成及方框图
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自动控制系统的过渡过程
定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动) 书P9
发散振荡 单调发散 等幅振荡 衰减振荡 单调衰减
自动控制系统的品质指标
稳定性、准确性、快速性
（1）最大动态偏差（emax）或超调量
定值控制系统最大动态偏差指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。随动控制系统中用超调量表示。
超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差
（2）衰减比n 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比
（3）余差 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控制变量稳态值之差。
（4）回复时间（过渡时间）
定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。
（5）振荡频率（或振荡周期） 其倒数称为振荡频率。
例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃）。

(1)最大偏差：
(2)余差： C = 200 – 205 = - 5
(3)衰减比：
第一个波的振幅 B = 230 – 205 = 25 第二个波的振幅 B `= 210 – 205 = 5
衰减比 n = 25 : 5 = 5 : 1
(4)过渡时间：
过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为

那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.

第二章 过程特性
2.1 过程特性的类型
控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径 扰动通道：扰动变量f(t)对被控变量c(t)的作用途径
广义对象特性主要通过响应曲线来呈现
多数工业过程的响应曲线可分为四种类型：书P13
1. 自衡的非振荡过程 2. 无自衡的非振荡过程 3. 有自衡的振荡过程 4. 具有反向特性的过程
2.3 过程特性的一般分析（过程特性参数） 计算P21 2-7
Ø 放大系数K
(1) 控制通道的放大系数Ko

• 在相同的负荷下， Ko随工作点的增大（操纵变量的增大）而减小；（随动系统）
• 在相同的工作点下，Ko随负荷的增大而减小。
(2) 扰动通道的放大系数Kf

很明显，希望Kf小一些。但是，扰动对系统的影响还要考虑Δf的大小。
Ø 时间常数T
定义1：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的63.2%所需要的时间。
定义2：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间。
（1）控制通道时间常数To对控制系统的影响
在相同的控制作用下，过程的时间常数To越大，被控变量的变化越缓慢，此时过程比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长； To越小，被控变量的变化越快，控制过程比较灵敏，不易控制。希望To适中
（2）扰动通道时间常数Tf 对控制系统的影响
对于扰动通道，时间常数Tf大，扰动作用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。希望Tf大
Ø 纯滞后τ
纯滞后包括了两种滞后：纯滞后、容量滞后。
（1）纯滞后(时滞)对控制通道的影响 希望τo小
（2）纯滞后（时滞）对扰动通道的影响 τo对控制系统无影响。 希望τo大
2.4 过程特性参数的实验测定方法
• 阶跃扰动法（反应曲线法）
当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施 加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。
第三章 检测变送
第1节 概 述
1.1 测量误差 P23 会计算最大引用误差和确定精度等级。
第2节 温度检测
2.1 温度检测方法
按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式，非接触式。
2.3 热电偶
(1) 测温原理——热电效应 P26
(3) 补偿导线
解决参比端温度的恒定问题。
补偿导线要求：价格便宜，0~100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样
(4) 热电偶参比端温度补偿
补偿原理：工作端温度θ，参比端θ0，热电势为
因此
参比端温度补偿方法：
① 计算法 ② 机械调零法 ③ 冰浴法 ④ 补偿电桥法：利用参比端温度补偿器 ⑤机械调零法
2.4 热电阻
⑴ 金属热电阻
原理：热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。
常用热电阻： 铜电阻和铂电阻
3.2.5 热电偶、热电阻的选用
(1)选用原则：较高温度——热电偶 中低温区——热电阻
热电偶不适合测低温原因有两点：
①在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。
②由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。
(3)使用
热电偶：
（1）参比端温度补偿（２）补偿导线的极性不能接反（３）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致
（４）在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表
热电阻：
（１）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致（２）采用三线制接法
第3节 流量检测
3.1 流量检测的主要方法
3.1.1 测体积流量
容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。
速度法：平均流速乘以管道截面积求得流体的体积流量。
3.1.2 测质量流量
间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计。
直接法：直接测量质量流量。科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计等。
3.2 速度式流量计
3.2.1 差压（节流式）流量计
利用节流件前后的差压和流速关系，通过差压值获得流体的流速；是用静压差来显示流量大小的一种流量计。
差压流量计的安装使用
①节流件的安装
节流件安装的垂直度、同轴度及与测量管之间的连接都有严格的规定。
③ 特殊情况的综合安装
介质为液体时：差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺管道的中心线以下引出。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。
介质为气体时：差压变送器应装在节流装置的上面, 防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。
介质为蒸汽时：应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐，其它安装同液体。
介质具有腐蚀性时：可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐。
其他速度式流量计具体见书　P34-36
3.4 质量流量计
1、直接式质量流量传感器——科里奥利质量流量传感器
第4节 压力检测
4.1 压力单位及压力检测方法
(2) 压力的表示方法　　P40
(3) 压力的检测方法
弹性力平衡方法：基于弹性元件的弹性变形特性。弹性元件受到被测压力作用而产生变形，而因弹性变形产生的弹性力与被测压力相平衡。
重力平衡方法（活塞式、液柱式）：活塞式压力计将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的，测量精度高，测量范围宽，性能稳定可靠，一般作为标准型压力检测仪表来校验其他类型的测压仪表。
机械力平衡法　　　物性测量法
4.2 常用压力检测仪表
(1)弹性式压力表：弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。
(4) 压力传感器（电气压式压力仪表）：是能够检测压力并提供远传信号的装置。具体见书P42
Ø 应变片式压力传感器 基于金属导体或半导体材料的应变效应而工作。电阻受到外力，电阻值会发生变化。
Ø 压电式压力传感器 基于压电效应工作的。
Ø 压阻式压力传感器 它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。
Ø 电容式压力传感器 其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。
Ø 集成式压力传感器 它是将微机械加工技术和微电子集成工艺相结合的一类新型传感器
第5节 物位检测
5.1 物位检测的主要方法和分类
按工作原理主要有以下几种类型：P45
直读式 静压式 浮力式 电气式 辐射式
第6节 成分、物性检测
1、热导式气体分析仪
热导式检测技术是根据待测组分的导热率与气体组分的导热系数有明显的差异这一特性工作的。
2、热磁式氧含量分析仪
热磁式检测技术是利用被测气体混合物中待测组分比其它气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度升高而降低等热磁效应来检测待测气体组分的的含量
3、红外式气体成分分析仪
红外式成分检测是根据气体对红外线的吸收特性来检测混合气体中某一组分的含量，由此构成的检测仪器称为红外线气体分析仪
第8节 变送器
8.1 变送器的量程、零点迁移
量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。
零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。
第4 章 显示仪表
4.0 显示仪表概述
类型： 模拟式显示仪表 数字式显示仪表 新型显示仪表(屏幕)
4.1 模拟式显示仪表
4.1.1 电子电位差计——配热电偶 P77
功能：与温度、流量、压力、差压、成分等变送器配接，可以测量和显示能转换成毫伏及直流电压信号的工艺变量。
原理：电压补偿原理
用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。
4.1.2 电子自动平衡电桥——配热电阻 P79
功能：对能转换成电阻值的各种变量进行测量、显示、记录。
原理：电桥平衡原理
第五章 执行器
5.0 概述
作用：接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。
组成：执行机构和调节机构
执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置。
调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。
按工作能源分类：液动 电动 气动 常用气动，液动很少使用。
5.1 执行机构
气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体。
5.1.1 气动执行机构
     气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式。
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。
5.1.2 电动执行机构
在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用电动执行器。
5.2 控制阀
5.2.1 控制阀（调节阀）结构
调节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。
控制阀正作用、反作用
正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积减少。 反作用：阀芯向上，阀杆向下，流通面积增大。
气动控制阀的气开、气关特性
气关阀：输入气压越高，阀门开度越小，而在失气时则全开，称FO型；
气开阀：输入气压越高，阀门开度越大，而在失气时则全关，称FC型。
执行器如气动薄膜控制阀的执行机构（正、反）和调节机构（正、反）有四种组合形式，可以实现气开和气关式两种调节。正正和反反为气关式，正反和反正为气开式。
控制阀的气开与气关选择主要从工艺生产安全要求出发，
考虑原则是：信号中断时，应该保证设备和操作人员的安全。
5.2.2 控制阀类型
直通单座阀 直通双座阀 隔膜控制阀 三通控制阀: 套筒型控制阀:
5.3 气动薄膜控制阀的流量特性
流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程（阀门的相对开度）之间的关系。
流量特性通常用两种形式表示
理想特性
即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。
工作特性
即在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。
5.3.1 理想流量特性
定义：控制阀的前后压差不变时得到的流量特性。特点：完全取决于阀的结构参数
类型：线性（直线）、对数（等百分比）、快开
（1）线性流量特性
线性流量特性：是指控制阀的相对流量与相对开度成线性关系。阀杆单位行程变化所引起的相对流量变化是常数。
（2）对数流量特性（等百分比）
对数流量特性是指单位行程相对变化所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。
（3）快开特性
这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增加，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量变化甚小，故称为快开特性。主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统中。
5.3.2 工作流量特性
定义：实际上控制阀的前后压差是变化的，此时得到的控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。
配管系数S：控制阀全开时，控制阀上压差△pv 与系统总压差△p之比。
S=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，工作流量特性就表现为理想流量特性。
S减小会带来两个不利后果：
(1)可调比R会变得越来越小。 (2)流量特性畸变,趋近快开特性（0.3<S<0.6）
选择原则：一般希望S值最小不低于0.3 。否则流量特性发生畸变。S>0.6: 认为工作特性与理想特性相同。
特殊情况S<0.3 : 如：有能力限制的流体输送泵；
5.5.2 阀门定位器的作用
(1) 改善阀的静态特性
(2) 改善阀的动态特性——改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般地，气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器。
(3) 改善阀的流量特性——通过改善反馈凸轮的形状
(4) 用于分程控制
(5) 用于阀门的反向动作——可改变阀的气开、气关特性
5.6 气动薄膜控制阀的选用
5.6.1 结构形式及材质的选择
依据：工艺条件 调节介质特性
当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小的场合应选用直通单座阀；当控制阀前后压差较大，并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。
5.6.2 流量特性的选择
选择步骤：
(1) 根据过程特性，选择阀的工作特性；
(2) 根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理想流量特性。
选择原则：使整个广义对象具有线性特征。
第六章 控制器
6.1 概述
控制器的分类
按能源形式： 气动 电动 按信号类型： 模拟式 数字式
按结构形式： 基地式 单元组合式 组装式 集散控制系统
6.2 基本控制规律
6.2.0 基本概念
基本控制规律： P102
双位控制（开关控制） 比例控制 积分控制 微分控制
6.2.2 连续PID控制算法
理想PID控制器的运算规律数学表达式：

式中第一项为比例（P）部分,第二部分为积分（I）部分，第三部分为微分（D）部分。Kc为控制器比例增益，TI为积分时间，TD为微分时间，这三个参数大小可以改变，相应改变控制作用大小和规律。
6.2.2.1 比例控制分析(P)
(1)比例控制规律

比例增益——Kc衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用比例度δ表示比例控制作用的强弱。
(2)比例度δ P104 (会计算)
定义：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，在单元组合仪表中（如DDZ-III）比例度等于Kc倒数。
6.2.2.2 比例积分控制分析(PI)
(1)积分控制规律 为了消除余差
积分作用的落后性：
积分控制作用总是滞后于偏差的存在，所以在工业生产中很少单独使用。常常将比例作用和积分作用相结合组成比例积分控制作用来使用。
(2)比例积分控制规律
积分时间TI定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI 。
(4)积分饱和及防止
积分饱和指的是一种积分过量现象。
6.2.2.3 比例微分控制(PD)
(1) 微分控制规律
纯粹的微分控制是无益的，因此常将微分控制与比例控制结合在一起使用。
（2）比例微分控制规律
实际比例微分控制器在幅度为A的阶跃偏差作用下的开环输出特性，
其中T=TD/KD

微分增益KD
微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。KD >1，称为正微分。KD <1的，称为反微分器，它的控制作用反而减弱。这种反微分作用运用于噪音较大的系统中，会起到较好的滤波作用。
• δ、TI、TD对过渡过程曲线的影响
(1)比例度δ
比例度越大（比例作用越弱），过渡过程越平缓，余差越大； 比例度越小，过渡过程振荡越激烈，余差越小，δ过小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。
(2) 积分时间TI
积分时间越大（积分作用越弱），过渡过程越平缓，消除余差越慢； 积分时间越小（积分作用越强），过渡过程振荡越激烈，消除余差快。
(3)微分时间TD
微分时间越大（微分作用越强），过渡过程趋于稳定，最大偏差越小，但微分时间太大（微分作用太强），又会增加过渡过程的波动。
6.2.2.4 比例积分微分控制(PID)
(1)理想比例积分微分控制(PID)
(2)实际比例积分微分控制(PID) 会计算P158 6-7
在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PID控制可看成是实际的比例、积分和微分三部分作用的叠加，即

例：某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为
（t单位为分钟）。试问：
（1）这是什么控制规律？
（2）求出控制器各个控制参数。
（3）画出其开环输出特性图。
解：

(1) PD控制规律。
(2) 由题意得：

解之得：KC=2，KD=5，TD=5。
(3)开环输出特性曲线：
因为
KCA=2，KCKDA=10
所以 曲线如右图所示
控制器“正”、“反”作用选择分析：
如果阀的气开、气关特性发生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。
假设阀门选用气关阀：
正作用控制器

假设阀门选用气开阀：
反作用控制器

第七章 简单控制系统
简单控制系统设计案例 会设计简单的控制系统 例题P169 7-8
控制器参数整定 具体见书P165-167
临界比例度法 衰减曲线法 经验法