-
淮
阴
工
学
院
毕业设计
(
论文
)
外文资料翻译
学
院：
专
业：
姓
名：
学
号：
外文出处：
(
用
外
文
写
)
电子与电气工程学院
测控技术与仪器
/
1.
外文资料翻译译文；
2.
外文原文。
附
件：
指导教师评语：
所选内容与课题相关
，对课题设计参考具有一定价值；翻
译具有一定难度，工作量适中；译文基本正确，语句
通顺，但
也存在部分错误。
总体评价：良
签名：
3
月
15
日
2012
年
注：
请将该封面与附件装订成册。
附件
1
：外文资料翻译译文
温度控制和
PID
< br>控制器简介
过程控制系统：
自动过程控制系统是指把温度、压力、流量、成份等相关的过
程变量保持在要求的运行值
的一类系统。过程实际上是动态的。变化总是时时在发
生的，此时如果不采取相应的措施
，那些与安全、产品质量和生产率有关的工艺参
数就不能满足设计要求。
为了理清思路，让我们来看一下热交换器，流体在这个过程中被过冷凝蒸汽加
热，过程如图
1
所示。
图
1
热交换器
这一装置的目的是将流体由入口温度
Ti
（
t
）加热到某一期望的出口温度
T
(t)
。
如前所述，加热介质是冷凝蒸汽。
只要周围没有热损耗，即热交换器和管道间的隔热性都很好，过程流体获得的
热量就等于蒸汽释放的热量。
在这个过程
中很多变量会发生变化，导致出口温度偏离期望值。如果出现这种
情况，就应该采取一些
措施来校正温度偏差，目的是控制出口温度至期望值。
实现该
目的的一种方法是首先设定初始温度
T(0)
，然后与期望值相
比较，由比
较结果决定如何校正偏差。蒸汽的流量可用于偏差的校正。就是说，如果温度
高于
期望值，就关小蒸汽阀来减小进入热交换器的蒸汽流量；若温度低于期望值，就开<
/p>
大蒸汽阀来增加进入换热器的蒸汽流量。所有这些操作都可由操作员手动完成，操
作很简单，不会出现什么问题。但是，由于多数过程对象都有很多变量需要保持为
某一期望值，这个校正过程就需要许多的操作员来进行。因此，我们想自动完成这
种控制。就是说，我们需要一种无需操作人员介入就可以控制变量的设备。这就是
所谓
的自动过程控制。
为了实现上述目标，就需要设计一个可行的
控制系统。图
2
为一个可行的控制
系统
及其基本构件。
图
2
热交换器的控制回路
首先
要做的是测量过程流体的出口温度，
这一任务由传感器
(
热电偶、
热电阻等
)
完成。传感器连接到发射器上，发射器将传感器的输出信号转换为足够大的信号传
送给控
制器。
控制器接收与温度相关的信号并与期望值进行比较。
根据
比较的结果，
控制器决定如何保持温度为期望值。基于这一结果，控制器再发一信号给执
行机构
来轮流控制蒸汽流量。
以上的叙述表明整个控制系统有四个基本组成部分，分别是：
(1)
传感器，也称为一次元件。
(2)
发射器，也称二次元件。
(3)
控制器，控制系统的“大脑”
。
(4)
执行机构，
通常是一个控制阀，
但并不全是。
其他常用的执行机构有变速
泵、
传送装置和电动机。
这些元件的
重要性在于它们执行每个控制系统中都必不可少的
3
个基本操作
，
即：
(1)
测量：被控量的测量通常由传感器和发射器共同完成。
(2
)
决策：根据测量结果，控制器必须决定如何进行操作维持输出为期望值。
(3)
操作：
根据控器的处理，
系统必须执行
某种操作，
这通常由执行机构来完成。
如上所述，每个控制系统都必须有
M
，
D
和
A
这三种操作。
PID
控制器可以是独立控制器（也可以叫做单回路
控制器）
，可编程控制器
（
PLCS<
/p>
）中的控制器，嵌入式控制器是用
VB
或
C#
编写的计算机程序软件。
PID
控制器是过程控制器，它具有如下特征：
（
1
）连续过程控制；
（
2
）模拟输入（也被
称为“测量量”或“过程变量”或“
PV
”
）
；
（
3
）模拟输出（简称为“输出”
）
；<
/p>
（
4
）基准点
（
SP
）
；
（
5
）比例、积分以及微分常数；
“连续过程控制”的例子有温度、压力、流量及液位控制。例如：
控制一个容
器的热量。对于简单的控制，你需要两个具有温度限定功能的传感器（一个温
度下
限，一个温度上限）
。当低温限定传感器接通时就会打开加
热器，当温度升高到高
温限定传感器时就会关闭加热器。这类似于大多数家庭使用的空调
及供暖设备的温
度自动调节器。
反过
来，
PID
控制器能够接受像实际温度这样的输入，来控制阀门
，这个阀门
能够控制进入加热器的气体流量。
PID
控制器自动地找到加热器中气体的合适流量，
这样就保持了温度在基准点稳
定。温度稳定了，就不会在高低两点间上下跳动了。
如果基准点降低，
< br>PID
控制器就会自动降低加热器中气体的流量。
如果基
准点升高，
PID
控制器就会自动的增加加热器中气体的流量。
同样地，
对于高温，
晴朗的天气
(
当
外界温度高于加热器时
< br>)
及阴冷，多云的天气，
PID
控制器都会自动调节。
模拟输入（测量量）叫做“过程变量”
或“
PV
”
。你希望
< br>PV
能够达到你所控
制过程参数的高精确度。例如，如果
我们想要保持温度为
+1
度或—
1
度，我们至少
要努力使其精度保持在
0.1
度。
如果是一个
12
< br>位的模拟输入，
传感器的温度范围是
从
< br>0
度到
400
度，我们计算的理
论精确度就是
400
除以
44096
，即
0
．
09
7656
度。
我们之所以说这是理论上的因为我们假设温度传感
器，电线及模拟转换器上没有噪
音和误差。还有其他的假定，如线性等等。即使是有大量
的噪音和其他问题，按理
论精确度的
1
／
10
计算，
1
度精确度的数值应该很容易得到的。
模拟输出经常被简称为
“输出”
。经常在
0
％到
100
％之间给出。在这个热量的
例子中阀门完全关
闭
(0
％
)
，
完全打开
(100
％
)
。
基准点
(SP)
很简单，即你想要什么样的过程量。在这个例子中你想要该过程处
于怎样
的温度。
PID
控制器的任务是维持
输出在某一个程度上，这样在过程变量
(PV)
和基准点
(SP)
上就没有偏差
(
误差
)
。
在图
3
中，阀门用来控制进入加热器的气体，冷却器的制冷，
水管的压力，水
管的流量，
容器的水位或其他的过程控制系统。
PID
控制器所观察的是
PV
和
SP
之
间的偏差
(
或误差
)
。它观
察绝对偏差和偏差变换率。绝对偏差就是
'PV
和
SP
之间偏
差是大还是小。
偏差变换率就是——
PV
和
SP
之间的偏差随着时间的变化是越来越
小还是越来越大。
SETPOINT
P
，
I
，
&D
CONSTANTS
Difference
error
PID
control
algorithm
process
output
variable
图
3
PID
控制器
如果存在过程扰动，即
过程变量或基准点迅速变化时，
PID
控制器就要迅速改
变输出，使过程变量快速返回到基准点。如果你有一个
PID
控制的可进入的冷冻装
置，某个人打开门进入，温度（过程变量）将会迅
速升高。因此，
PID
控制器不得
不提
高冷却
(
输出
)
来补偿这个温度的升高。
一旦过程变量等同于基准点，一个
好的
PID
控制器就不会改变输出。你所要的
< br>输出是非常稳定的
(
不会改变
)
。
如果阀门
(
发动机或其他控制器件
)
不断改变，
而
不是
维持恒量，这将造成控制元件更多的磨损。
这样就有了两个矛盾的目标。当有“过程扰动”时能够快速反应（快速改变输
出）
。当
PV
接近基准点时就缓慢反应
（平稳输出）
。
我们注意到输出量经
常超过稳定状态输出使过程变量回到基准点。比如，一个
制冷器通常打开它的制冷阀门的
34
％，
就可以维持在零度
（在制冷器关闭和温度降
低后）
。如果某人打开制
冷器，走进去，四处走，找东西，然后再走出来，再关上
制冷器的门，
< br>PID
控制器会非常活跃，
因为温度可能将上升
20
度。
这样制冷阀门就
可能打开
50
％，
75
％甚至
100
％，目的是赶快降低制冷器的温度，然
后慢慢关闭制
冷阀门回到它的
34
％。
让我们来考虑一下如何设计一个
PI
D
控制器。
我们主要集中在过程变量
(PV)
和基准点
(SP)
之间的偏差
(
误差
)
上。
有三种定义误
差的方式。
绝对偏差
他说明的是<
/p>
PV
和
SP
之间
的偏差有多大。如果
PV
和
SP
之间偏差小，那我们
就在输出时作一个小的改变。
如果
PV
和
SP
< br>之间偏差大——那我们就在输出时作一
个大的改变。绝对偏差就是
PID
控制器的比例环节。
累积误差
给我们点时间，我们将会明
白为什么仅仅简单地观察绝对偏差
(
比例环节
< br>)
是一
个问题。累积误差是很重要的，我们把它称为是<
/p>
PID
控制器的积分环节。每次我们
运行
PID
算法时，
我们总会把最近的误差
添加到误差总和中。
换句话说，
累积误差，
误差
1+
误差
2+
误差
3+
误差
4+
……
滞后时间
滞后时间指的是
PV
引起的变化由发现到改变
之间的延时。典型的例子就是调
整你的烤炉在合适的温度。当你刚刚开始加热，烤炉热起
来需要一定时间，这就是
滞后时间。如果你设置一个初始温度，等待烤炉达到这个初始温
度，然后你认为你
设定了错误的温度，烤炉达到这个新的温度基准点还需要一段时间。这
也被认为是
PID
控制器的微分环节。这就抑制了某些将来的变
化因为输出值已经发生了改变，
但并不是受过程变量的影响。
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