《自動化專業(yè)英語》前兩章翻譯-王樹清-化學工業(yè)出版社出版

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1.1 介紹過程控制 1. 近年來，對過程系統(tǒng)的性能改善需求變得越來越困難. 更為激烈的競爭，更加嚴格的環(huán)境和安全規(guī)范，以及快速變化的經濟條件都是加強工廠產品質量規(guī)范的關鍵因素 2. 更為復雜的情況是，由于現(xiàn)代制造業(yè)朝著規(guī)模更大,集成度更高的方向發(fā)展,而使不同的加工環(huán)節(jié)之間的協(xié)調能力更低, 所以加工過程更難控制. 在這種工廠中，要想讓一個生產環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題不對其相連的另一個生產環(huán)節(jié)產生影響,幾乎是不可能的. 3. 近年來，考慮到工業(yè)制造逐漸加強的安全、高效需求，過程控制這個課題變得越來越受重視. 實際上，對于大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)，要滿足安全、高效，產品質量的要求，沒有控制系統(tǒng)是不可能的. 1.1.1說明性的例子 1. 圖1.1.1 所示的連續(xù)加熱攪拌器可以作為過程控制的典型例子. 輸入液態(tài)流體的質量流量率為w，溫度為Ti. 槽內成分攪拌均勻，并且用電加熱器，功率為Q瓦特. 2.假設輸入和輸出流量率是相等的，并且液體密度保持恒定，也就是說溫度變化足夠小，密度對溫度的影響可以忽略不計. 在這些條件下，槽內液體的體積保持恒定 3. 加熱攪拌器的控制目標是保持輸出溫度T在一個恒定參考值TR上. 參考值在控制術語中指的是給定值. 下面我們考慮兩個問題. 把加熱攪拌器內的液體從輸入溫度Ti加熱到輸出溫度TR，需要多少熱量？ 1.要確定達到設計運行條件下的熱量需求，我們需要寫下槽內液體的穩(wěn)定能量平衡式. 在寫平衡式之前，假設槽內是完美攪拌的，同時忽略熱損耗. 2. 在這些條件下，槽內成分的溫度保持一致，因此，輸出溫度等于槽內液體溫度. 根據穩(wěn)態(tài)能量守恒，加入的熱量等于輸入和輸出流體之間的焓變化量. 3. 在一個 分別表示Ti, T, w, 和 Q 的穩(wěn)定設計標定值， C 是液體的比熱. 我們假設C是恒定的. 在設計條件下， . 將其代入方程（1），可以得到標定熱量輸入為 1. 方程（2）是加熱器的設計方程. 如果我們的假設是正確的，同時輸入流量和輸入溫度等于他們的標定值，那么有方程（2）給出的輸入熱量將使輸出溫度保持在期望值TR. 但是，如果給定條件變化，會產生什么樣的結果呢？這給我們帶來第二個問題： 2. 問題2. 假設輸入溫度Ti隨時間變化. 我們如何確保溫度T保持或靠近給定值TR？ 最為一個特殊的例子，假設Ti增加到一個大于 的值. 如果Q保持在標定值 上恒定，我們可以得到輸出溫度將增加，因此T>TR. 為應付這種情況，有一些可能的策略控制出口溫度T 方法1。測量和調整問題 1.一種控制溫度T避免Ti干擾的方法是，基于T的測量來調整輸入熱量Q. 直觀上來說，如果溫度太高，我們應該減少輸入熱量；如果溫度太低，我們可以增加輸入熱量. 這種控制策略將使溫度趨向于溫度給定值TR，并且可以用幾種不同的方法來實現(xiàn). 2. 例如，工廠操作員可以觀察測量溫度，將測量值與TR進行比較. 然后操作員將用恰當?shù)姆绞礁淖冚斎霟崃縌. 這是手動控制的應用. 然而，用一個電子設備來代替人來控制，是更為簡單和經濟的，這就是使用自動控制 方法2。測量Ti，調整Q。 作為一個替代方法，我們可以方法1，Ti和Q相應調整為干擾變數(shù)。 因此，如果Ti比_Ti大，我們可以減少Q；Ti<_Ti，我們可以設置Q>_Q 方法3。測量T，調整 w 與調整輸入熱量Q類似，我們可以選擇操作質量流量w. 因此，如果溫度太高，我們將增加流量w，使得攪拌槽的能量輸入速率相對于質量流量減少，因此使輸出溫度得以降低. 方法4。測量Ti，調整 w 和方法3類似，如果Ti太高了，我們應該增加。 方法5。測量Ti，調整 Q 該方法結合方法1和2。 方法6。測量Ti和T，調整 w 該方法結合方法3和4。 方法7. 在輸入流安置一個熱交換器. 熱交換器意圖減少Ti的干擾，因此可以減少溫度T的擾動. 這個方法有時又叫做輸入束縛法. 方法8. 1.使用一個更大的槽. 如果使用更大的槽，因為更大的熱容，Ti的波動會趨向于衰減. 然而，體積增加使得開支增加，會使工廠系統(tǒng)的解決方案變得更加昂貴. 2. 要指出的是這個方法類似于化學實驗室中水缸的使用，水缸大的熱容量可以看作散熱裝置，因此可以為小型實驗儀器提供一個恒溫環(huán)境. 1.1.2 分類控制策略 1. 接下來，我們將給這8種控制方法進行分類，同時討論他們各自的優(yōu)缺點. 方法1和3 是反饋控制的例子. 在反饋控制中，測量被控過程變量，該測量值用于調整另一個可以操做的過程變量. （即測量變量，操作變量，測量變量用于調整操作變量.） 2. 因此，對于方法1來說，測量變量是T，操作變量是Q. 對于方法3，測量變量仍舊是T，但是操作變量則是w. 需要注意的是，在反饋控制中，擾動變量Ti沒有被測量. 1. 區(qū)分負反饋和正反饋很重要. 負反饋是指期望達到的形勢，控制器的校正作用使得被控變量趨于給定值. 2. 相反地，當正反饋存在時，控制器使局面變得更加糟糕，它使被控變量遠離給定值. 因此，對于加熱攪拌器來說，如果T太高，我們將減少輸入Q（負反饋），而不是增加輸入熱量Q（正反饋）. 1. 方法2和4都是前饋控制策略. 這里，擾動變量Ti是被測量的，并且用于操作輸入熱量Q或輸入流量w. 注意的是，在前饋控制中，被控變量T是沒有被測量的. 2. 方法5是前饋-反饋控制策略，因為它是方法1和2的綜合. 同樣地，方法6也是前饋-反饋控制策略，因為它是方法3和4的綜合 3. 方法7和8包含了設備的設計變化，因此并不是真正的控制策略. 注意方法7有點不合適,因為它涉及到在加熱攪拌器的入口通道中添加一個熱交換器,而加熱攪拌器本身的設計功能就是個熱交換器. 加熱攪拌器的控制策略在表格1.1.1中做了總結. 1. 到目前為止，我們僅僅考慮了Ti波動這一種干擾源. 我們也應該考慮其他過程變量干擾的可能性,如會影響槽中散熱量的環(huán)境溫度. 2. 回憶一下前面我們假定熱損失是可忽略的. 過程設備的變化是另一個可能的干擾源. 例如，加熱器的特性會因為液體結垢而隨時間變化. 考察這些不同類型的干擾對前饋和反饋控制策略的影響是有益的 1. 首先，考慮方法2中的前饋控制方法,在這種方法中測量的是干擾Ti，并且測量用于調整可操作量Q. 從理論上講，盡管存在干擾Ti, 這種控制方案有能力保持被控變量精確在給定值TR 2. 在理想情況下,如果對Ti的精確的測量是可能的,并且以一種合適的方法對Q進行調整，那么加熱器的校正作用將在T被影響以前就抵消干擾的影響. 如此而言,從維持被控變量在給定值的意義上講,前饋控制原則上能夠提供完美 (無差，沒有誤差)的控制. 1. 但是如果干擾源來自其他過程變量,這種前饋控制的策略如何發(fā)揮作用呢？ 特別地,假如流量w不能維持恒定，而是隨時間變化. 在這種情況下，w被看作是一個擾動變量. 2. 如果w增加,出口溫度T將減少,除非加熱器提供更多的熱量. 然而,在方法2的控制策略中,只要Ti不變,熱量輸入值Q就維持恒定. 因此,對沒有測量的流量擾動就不會采取校正動作. 3. 原則上說,處理這種情況,我們可以同時測量Ti和w,然后調整Q來同時補償這兩種擾動. 然而,從實際出發(fā),試圖測量所有潛在的干擾一般來說是昂貴的. 既然反饋控制可以對未知的干擾提供校正動作,采用前饋和反饋組合的控制策略將更加實際,正如我們下面將要討論的那樣. 4. 因此在工業(yè)應用中,前饋控制一般是和反饋控制結合使用的. 1.下面我們考慮擾動Ti或w出現(xiàn)的情況下，方法1的反饋控制如何實行. 如果采用方法1, 校正動作只有在干擾已經影響了過程之后發(fā)生，也就是說, 直到T偏離了TR之后. 2. 既然在校正動作產生前,被控量必須偏離給定值,所以就其本身的固有屬性而言,反饋控制不是完美(無差)控制. 然而,反饋控制的一個極其重要的優(yōu)點是, 不論對什么樣的擾動, 都可以產生正確的校正動作. 3. 因此，在方法1中, 當擾動Ti 或w 引起T偏離給定值后, 校正動作都會產生(通過調整Q). 這種處理未知起因、沒有測量的擾動的能力是反饋控制在過程控制中應用如此之廣的主要原因. 1.2 什么是反饋和它有什么影響？ 1.第一節(jié)事例中，應用反饋的動機有些過于簡單。 2. 在這些例子中，應用反饋的目的是減小參考輸入和系統(tǒng)輸出間的誤差。 3. 然而，在控制系統(tǒng)中應用反饋的重要性要比這些簡單例子所示的復雜得多。 4. 減少系統(tǒng)誤差只是反饋對系統(tǒng)產生的重要作用之一。 5. 在下面的章節(jié)里，反饋還能對系統(tǒng)的下列運行特性產生影響：穩(wěn)定性，帶寬，總增益，擾動和靈敏度。 1. 為了理解反饋對控制系統(tǒng)的作用，我們需要從廣義的角度來檢驗這個現(xiàn)象。 2. 當反饋被有意地引入控制中時，（我們可以）很容易地識別出它來。 3. 但是在很多情況下，我們通常認為的本質上非反饋的物理系統(tǒng)，在某些特定的觀察方式下，也會表現(xiàn)出反饋的特性。 4. 一般來說，每當系統(tǒng)變量間存在一個有因果關系的閉路序列時，我們可以說系統(tǒng)存在反饋。 5. 這種觀點不可避免地承認了大量的最初被認為是非反饋系統(tǒng)的系統(tǒng)都存在反饋。 6. 隨著反饋和控制理論的應用，一旦上述意義上的反饋的存在被建立，這種通用的反饋定義可以使大量的系統(tǒng)得到更系統(tǒng)化的研究，而不管有沒有物理上的反饋。 1. 現(xiàn)在我們從系統(tǒng)性能的不同方面研究反饋的作用。（如果）沒有必須的線性系統(tǒng)理論的數(shù)學基礎，目前我們在討論中就只能依賴于簡單的靜態(tài)系統(tǒng)表示法。 2. 我們考慮簡單的反饋系統(tǒng)，如圖1.2.1，其中r是信號輸入，y是信號輸出，e是誤差，b是反饋信號。參數(shù)G和H可被認為是常數(shù)增益。 3. 通過簡單的代數(shù)運算，它是簡單的表明，投入產出關系的系統(tǒng) 4. 利用這一基本關系的反饋系統(tǒng)的結構，我們可以發(fā)現(xiàn)一些顯著的效果反饋。 1.2.1 反饋作用的總增益 1. 如等式（1）所示，反饋使原非反饋系統(tǒng)的增益由G變成了G除以系數(shù)(1+GH) 2. 圖1.2.1的系統(tǒng)被稱為具有負反饋，因為反饋信號前具有負號 3. GH本身有可能為負，所以反饋的總效果可能增加也可能減少增益G 4. 在實際的控制系統(tǒng)中，G和H都是頻率的函數(shù)，因此1+GH的幅值在一種頻段下可能增大系統(tǒng)的增益，而在另一頻段下又可能減小系統(tǒng)的增益。 5.所以，反饋在一種頻段下有可能會加大系統(tǒng)的增益，而在其它頻段下減小系統(tǒng)的增益 。 1.2.2 效果反饋穩(wěn)定性 1. 穩(wěn)定性是描述系統(tǒng)是否能夠跟蹤輸入命令或是否有用的概念 2. 非嚴格地，如果一個系統(tǒng)的輸出失去了控制，我們就說它是不穩(wěn)定的 3. 為了研究反饋對穩(wěn)定性的影響，我們可以再次觀察等式（1）。如果GH=-1（稱為負一），對于任何輸入，系統(tǒng)的輸出都是無窮大，這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的 4. 因此，我們說反饋可以使原來穩(wěn)定的系統(tǒng)變得不穩(wěn)定 5. 當然，反饋是一柄雙刃劍，當使用不當時，將會產生壞的作用 6. 然而需要指出的是，我們在這里只針對靜態(tài)情況，而通常GH=-1不是系統(tǒng)不穩(wěn)定的唯一條件。 1. 可以證明，加入反饋的好處之一是能夠使不穩(wěn)定的系統(tǒng)穩(wěn)定。我們假設圖1.2.1所示的反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，因為GH=-1。如果我們引入另一反饋環(huán)，其負反饋增益是F，如圖1.2.2所示，系統(tǒng)總的輸入/輸出關系是 2. 很明顯，盡管G和H使內環(huán)反饋系統(tǒng)不穩(wěn)定，因為GH=-1，而如果正確選擇外環(huán)的反饋增益F，系統(tǒng)總體上能夠是穩(wěn)定的。 3. 在實踐中，GH是頻率的函數(shù)，并且閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件依賴于GH的幅值和相位。結論是反饋能夠改進系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但如果使用不當，也有可能破壞穩(wěn)定性. 3. 反饋對靈敏度的影響 1.控制系統(tǒng)中對靈敏度的考慮是非常重要的。由于所有的物理元素都有隨環(huán)境和時間變化的特性，在系統(tǒng)的整個運行過程中，我們不可能把控制系統(tǒng)的參數(shù)當作完全靜態(tài)的。 2.例如，馬達的線圈電阻會隨著馬達溫度的升高而變化。第1章中的電子打字機在第一次開機時有時會運行不正常，因為系統(tǒng)參數(shù)在預熱期間發(fā)生變化。 3. 這種現(xiàn)象有時被稱為 “早困”。大多數(shù)復印機都有預熱時間，在初次打開后運行會閉鎖. 1. 總的來說，一個好的控制系統(tǒng)應當對參數(shù)的變化很不靈敏，而對輸入命令的響應很靈敏。 我們來研究對參數(shù)變化的靈敏度，反饋將會產生何種影響。 在圖1.2.1中，我們考慮G是變化的增益參數(shù)。 對于G的變化，系統(tǒng)的總的增益靈敏度M定義為 2.其中偏M表示由G的微小變化量偏G造成的M的微小變化量。應用（1）式，靈敏度函數(shù)可以寫成 1.這個關系說明如果GH是正的常數(shù)，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的前提下，靈敏度函數(shù)的幅值可以通過增大GH變得任意小。很明顯，在開環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的增益對G來說是一比一的形式（即 SMG =1）。 2. 我們再次提醒，在實踐中，GH是頻率的函數(shù)，在某些頻率范圍內，1+GH的幅值有可能小于1，這使得在某些情況下，反饋對參數(shù)靈敏度是有害的。 3. 通常，反饋系統(tǒng)增益對參數(shù)的靈敏度取決于參數(shù)的位置。讀者可以得到圖1.2.1中由于H的變化而造成的靈敏度。 4. 反饋對外界擾動或噪聲的影響 1.所有的實際系統(tǒng)在運行中都會受到外部信號或噪聲的影響。這樣的例子有電子電路中的電壓熱噪聲和馬達中的電刷或整流器噪聲。外部擾動，比如風的沖擊對天線產生影響，也是控制系統(tǒng)中很常見的。 2.因此，在控制系統(tǒng)的設計中，應當注意系統(tǒng)應當對噪聲和擾動不靈敏，對輸入命令靈敏. 1.反饋對噪聲和擾動的作用在很大程度上取決于外部信號發(fā)生在系統(tǒng)的什么地方。目前還沒有通用的結論，但在多數(shù)情況下，反饋可以降低噪聲和擾動對系統(tǒng)運行的影響。 2. 我們看圖1.2.3所示的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中r表示命令信號，n是噪聲信號。在沒有反饋的情況下，H=0，由n單獨產生的輸出y為 y=G2n 與在場的反饋，系統(tǒng)輸出n是唯一的，則， y=G2n/(1+G1G2H) 比較方程6和5可以得到，若使1+G1G2H大于1，方程6輸出中的噪聲分量可以被系數(shù)1+G1G2H減小，系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定. 在第4章中，前饋和前向控制器結構中都使用了反饋，以減少擾動和噪聲輸入的影響。通常，反饋還會影響帶寬、阻抗、瞬態(tài)響應和頻率響應的運行特性。我們將在繼續(xù)學習中了解到這些影響。 1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 1. 反饋控制的一個重要的結果是會產生振蕩響應。 2. 如果振蕩的幅值很小并且衰減很快，那么一般認為控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)是令人滿意的。 3. 然而，在某些情況下，振蕩有可能是無阻尼的，甚至幅值會隨時間而增大，直到達到了物理極限，比如一個被完全打開或關閉的控制閥。 4. 在這些情況下，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 1. 在本節(jié)中，我們對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性特性做出分析，并提出幾個用于判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的判據。 2. 另外的基于頻率響應分析的穩(wěn)定性判據在這里不做討論。 3. 首先，我們考慮一個閉環(huán)系統(tǒng)的例子，這個系統(tǒng)可以變得不穩(wěn)定。 1. 例如 2. 考慮反饋控制系統(tǒng)見圖1.3.1： 證明了閉環(huán)系統(tǒng)產生不穩(wěn)定的反應，如果控制器增益的太大。 圖3標準反饋控制系統(tǒng)框圖 解決方案： 1. 為了判斷KC對閉環(huán)響應c(t)的影響, 我們考慮對設定值施加一單位階躍變化，R(s)=1/s。可以得到隨設定值變化的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 代入（1.3.1）和（1.3.2）到（1.3.3）和決定（重新整理）給 KC確定之后，c(t)可以通過對方程（4）進行拉普拉斯反變換得到。但是在運算部分分式展開式之前，首先要得到s的三階多項式的根。這可以通過標準的求根方法來得到。 1. 本例中的不穩(wěn)定響應是幅值在每一次循環(huán)中不斷增大而產生的振蕩。 2. 相反，在實際物理系統(tǒng)中，幅值增大到物理極限或導致設備故障為止。 3. 因為終端控制元件通常都有飽和限制，所以不穩(wěn)定響應最終會表現(xiàn)為幅值不變地持續(xù)振蕩，而不是不斷增大。 1. 很明顯，一個反饋控制系統(tǒng)能夠可靠控制的先決條件是穩(wěn)定。 2. 因此，考慮系統(tǒng)在什么情況下變得不穩(wěn)定是非常重要的。 3. 例如，PID控制器的參數(shù)取什么值時能夠保持控制過程穩(wěn)定？ 一般穩(wěn)定性準則 1. 大多數(shù)的工業(yè)過程是穩(wěn)定的，沒有反饋控制。 2. 因此，他們被稱為開環(huán)穩(wěn)定或自調節(jié) 3. 在發(fā)生暫態(tài)擾動之后，一個開環(huán)穩(wěn)定過程將會返回到初始的穩(wěn)定狀態(tài)下。 1. 在介紹各種穩(wěn)定性判據之前，我們先介紹關于無約束線性系統(tǒng)的定義。 2. 我們使用術語“無約束”，來特指對輸出變量無任何物理約束的理想狀況。 穩(wěn)定性的定義：對于一個無約束線性系統(tǒng)，如果對所有的有界輸入，輸出響應都是有界的，那么該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的。 1. 所謂有界輸入，是指輸入變量值在任何時刻都保持在上、下界范圍之內。 2. 比如，考慮變量x(t)，隨時間t變化。如果x(t)是階躍或正弦函數(shù)，則它是有界的。 3. 而函數(shù)x(t) = t和x(t) =e3t則是無界的。 特征方程 作為起點的穩(wěn)定性分析，考慮框圖1.3.1利用分塊診斷方框圖代數(shù)運算，我們得到 哪里是開環(huán)傳遞函數(shù)，GOL=GcGvGpGm. 目前認為，設定點變化，在這種情況下式（1.3.5）減少的閉環(huán)傳遞函數(shù)， 如果GOL是s多項式的比（即有理數(shù)），那么方程（6）中的閉環(huán)傳函也是有理函數(shù)。通過整理，它可以表示為如公式（7）所示的被因式分解為極點和零點的表達形式 (7) 1. 其中K‘為用于得到正確的穩(wěn)態(tài)增益的常數(shù)乘子。 2. 為了使系統(tǒng)能夠物理實現(xiàn)，極點的個數(shù)必須大于或等于零點的個數(shù)，即 n≥ m。 3. 若零、極點有相同數(shù)值，注意零極點對消. 1. 比較分析。（6）和（7）表明，兩極也根以下方程，稱為閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程： (8) 2. 特征方程中起著舉足輕重的作用，在確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為后面討論。 1.一個單位在設定點的變化，住宅（縣）= 1 /秒，和式（7）成為 (9) 如果沒有重復的極點（即，如果他們都是不同的兩極），然后部分分式展開式（1.3.9）的形式 (10) 在{Ai}可以確定。以逆拉普拉斯變換式（10）給出了 (11) 1.假設一復數(shù)，是一個正實數(shù)，即“Pk>0 2.很顯然是從式（1.3.11），c（t）是無界的，因此是不穩(wěn)定的，閉環(huán)系統(tǒng)圖1.3.1 3.如果Pk是一個復雜數(shù)字，pk=ak + jbk，具有正實部（ak > 0），則系統(tǒng)還不穩(wěn)。 4. 相反，如果所有的極點都是負數(shù)（或實部都為負），那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的。這可以用下面的穩(wěn)定性判據來總結： 通用穩(wěn)定性判據：圖1.3.1所示的反饋控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當且僅當所有的特征方程的根都是負的或其實部是負的。否則，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 1.3.2 勞思穩(wěn)定判據 1.1905年，勞思發(fā)表了用于判斷多項式的根是否存在正實部的解析方法。 2. 根據通用穩(wěn)定判據，僅當所有的特征方程的根都具有負實部時，一個閉環(huán)系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。 3. 因而，通過勞思的方法來分析特征方程的系數(shù)，我們就可以判斷出閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。 這種方法稱為勞思穩(wěn)定性判據。 4.它僅能用于特征方程在s平面上為多項式的情況。 5. 因此，勞思穩(wěn)定判據不能被直接應用于帶有時延的系統(tǒng)中，因為特征方程中含有e-θs項，這里θ是時間延遲。 6. 然而，如果用帕德近似代替e-θs項，那么也可以（對含有時延的系統(tǒng)）做出近似的穩(wěn)定性分析。 7. 對含有時間延遲的系統(tǒng)，可以直接采用直接求根法或頻域響應分析法來進行精確的穩(wěn)定性分析。 勞思穩(wěn)定性判據是基于特征方程的形式 (12) 1.我們可以任意地假設an>0。如果an<0，則只要把方程（1.3.12）兩邊乘以負1得到新的方程仍能夠滿足假設條件。穩(wěn)定的必要（而非充分）條件是，特征方程的所有的系數(shù)(a0, a1, … ,an)均為正數(shù)。 2. 如果有一個系數(shù)為負或零，則至少有一個特征方程的根位于虛軸的右方或虛軸上，這樣系統(tǒng)就是不穩(wěn)定的。 3. 如果所有的系數(shù)均為正，我們接下來構造以下勞思陣： Row 1 2 3 4 。 。 N+1 1. 勞思陣含有n+1行，n為特征方程（12）式的階數(shù)。 2. 勞思陣具有大致的三角形狀，最后一行僅有一個單元。 3. 前兩行僅僅是特征方程的系數(shù)，根據s的奇、偶次冪排列。 4. 其它行的元素由下列公式計算得到。 1. 注意，式（1.3.13）到（1.3.16）的分子表達式類似于計算一個22階的行列式，但減法的次序是顛倒的。 2. 生成勞思陣后，我們就可以表述勞思穩(wěn)定判據了. 勞斯穩(wěn)定判據。式（12）特征方程的所有根均具有負實部的充要條件是，勞思陣的左列的所有元素均為正值。 1.4 過程控制系統(tǒng)的設計 1. “好的設計”很難定義，但通常你會認可一些好的設計。好的設計的一個特征是，它恰好適用于特定的場合。包括所有需要的，而排除一切所不需要的。 1. 好的設計所需要的技巧包括經驗、直覺和敏銳的感覺。這些從課本中并不容易學到。在設計方面，你最應該從教科書中期望得到的是學到一些有用的工具。 1. 就像大多數(shù)關于控制系統(tǒng)設計的書一樣，本書提供了一些能夠被簡化成數(shù)學公式的工具：分析和仿真。其它方面的設計技巧（比如整個系統(tǒng)的概念化，部件的選型，處理時間和金錢上的限制等）也像數(shù)學分析一樣重要，可以通過實踐經驗不斷獲得和完善。 1. 實際上，大多數(shù)系統(tǒng)都通過進化發(fā)展的，不僅是生物系統(tǒng)，人類的發(fā)明，如汽車和飛機也是這樣。豪華而高性能的汽車可以追溯到簡單的T模型；最先進的，甚至只出現(xiàn)在承包商的畫板上的戰(zhàn)斗機， 也是起源于老式的“小鷹”飛機。 1. 很多工程是把現(xiàn)有的設計做進一步修改?，F(xiàn)有產品的新型號設計就是引進新的先進技術：一個新型的或改進的傳感器或執(zhí)行器，一個用于替換模擬控制器的數(shù)字處理器。 1.模仿法（常被稱為反轉工程）是另一種常用的設計方法。通過這種最明顯但也最缺乏創(chuàng)意的方法，你可以仔細研究現(xiàn)有產品，然后復制設計方法。這個過程是合法的，除非產品復制受專利保護。 2. 更有創(chuàng)意的模仿法是將一個產品的思想應用到其它領域中去。當你需要控制容器中的液位時，可以考慮一下在你的廁所中這是怎樣實現(xiàn)的。當你要控制容器中的液體溫度時，可以考慮一下你的熱帶魚缸是如何做到的。 1. 創(chuàng)新總是受規(guī)范、標準和工程保守主義的限制。例如，飛機制造廠用了許多年才接受了“靠電線飛行”的概念，“靠電線飛行”使飛行員控制器（如操縱桿和腳踏板）和可移動的空氣動力控制翼面（如方向舵，升降機和副翼）之間的機械連接（如連桿或繩索）被攜帶信號的電線所取代。電線把信號從駕駛員控制器傳遞給飛行控制計算機，然后從計算機傳遞給位于控制翼面的執(zhí)行器。 2. 盡管工程標準會延遲發(fā)展，但在防止技術混亂上仍然是必要的。 1.由于以上原因，你極少能有機會設計一個全新的控制系統(tǒng)。但假設機會確實來了，你將如何進行設計？你可以按照由圖1.4.1描述的流程圖進行設計。如圖所示，很多的設計過程不屬于分析和仿真的領域。 1. 首先，你需要通過確定被控制事物的物理質量或數(shù)量，以及要求的性能水平來對問題進行物理評價。確定如何進行時，要考慮是否我們正在討論的系統(tǒng)已經有人設計好了。 2. 如果是，你期望做哪些改進？如果不是，設計是不是很困難？為什么？你都擁有哪些資源（如時間、資金）？ 1. 對性能需求的明確表述往往比你想的更難。除了那些明白具體的性能需求（如，響應速度，跟蹤精度，抗干擾能力，穩(wěn)定邊界），在“傳統(tǒng)的”控制系統(tǒng)設計中還經常會遇到一些隱含的性能需求。 2. 如果不注意這些隱含的性能需求，你就有可能采用一種非標準的但看起來創(chuàng)新的設計方法，但這樣設計出來的控制系統(tǒng)滿足不了需求。例如在某些應用中，高頻噪聲能夠從很多種物理噪聲源發(fā)出。 3. 應用傳統(tǒng)的設計方法，忽略噪聲是正確的，因為這種方法的使用經驗告訴我們，噪聲的影響是可以忽略的。而另一種（非傳統(tǒng)的）不考慮噪聲的設計方法，卻有可能不令人滿意。 1. 通常情況下，考慮一些非技術的因素是非常有必要的。這些因素可能包括經濟學、審美學、時間進度，甚至還有廠商的內部政策。例如考慮以下情況： l 1. 你的公司生產一種機器，包含簡單的價值幾美元的模擬位置伺服器。伺服器的性能能夠滿足很多任務需求，但一種改進的伺服器能使機器更通用，并因此能夠賣到更高的價格。 2. 廠家急于在公司生產線中應用這種新技術，得知你在現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論上很有造詣，工程主任就把用微處理器改進控制系統(tǒng)的任務交給了你。你進行了設計研究（比如，采用本文的方法），證實了基于微處理器的控制器確實能夠在很大程度上改善性能，但費用超過100美元。你將如何評價（這種技術）？ l 假設你在設計研究中發(fā)現(xiàn)，模擬伺服器設計得不好。尤其是，你發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的模擬伺服器在用低成本改造后，能夠達到與微處理器控制系統(tǒng)相同的效果。你將如何建議？ l 如果是目前的工程主任，在他提拔到現(xiàn)在這個位置之前設計的這個原有的模擬伺服器，你將如何處理？ l 你被一個建筑承包商聘用為控制系統(tǒng)咨詢員，他要建立一個控制環(huán)境。你的酬金是該控制系統(tǒng)價格的百分之一。經過詳細的設計和仿真研究，你確認用一個便宜的商用溫度自動調節(jié)器，與慣例的價值幾千美元的計算機控制系統(tǒng)，可以運行得同樣好。你的建議是？ 1. 如你所見，其它非技術的價值因素能夠影響對工程設計的選擇。 1.當你感到自己對技術和非技術方面充分理解之后，你會嘗試選擇合適的硬件。只有選擇完硬件之后，設計過程的分析階段才可以開始 1. 第一步是選擇合適的設計方法（這里，本書中討論的知識方法是很有幫助的）. 同時，你也許要著手建立動態(tài)過程的“真實模型”－你確信足以表達過程行為的一系列微分和代數(shù)方程。 2. 一個真實的模型可以被用于仿真中來評估設計的性能，但它通常對設計目標來說過于復雜。因此，你將很有可能希望通過簡化真實模型來建立一個“設計模型”。設計模型應該足夠的簡單，但必須保留過程最本質的特點。如何在簡單與逼真之間做出平衡通常需要洞察力和經驗。 1. 采用某種設計方法，并建立了設計模型之后，該進行設計計算了。前輩人通常需要在這一步進行繁重的手算和曲線繪制?，F(xiàn)在，有豐富的軟件可以幫助人們進行計算，從而使這一步不再成為負擔。 1. 分析過程的最后一步是通過對基于真實模型的仿真來驗證（評估）系統(tǒng)的運行性能。如果最初的設計達到了性能上和其它方面的要求，就應該進入系統(tǒng)原型的制造和測試階段了。 1. 但是，最初的設計極少能夠滿足所有目標，通常情況下需要對方法的某些方面做一些修改?；趯ψ畛踉O計缺陷的理解，有可能必須改變控制的硬件。例如，有可能必須要增加“工作范圍”，象執(zhí)行器的最大動力水平，或增加額外的傳感器。 1. 另一方面，（我們）有可能發(fā)現(xiàn)最初使用的設計方法是不恰當?shù)?。舉一個例子，基于連續(xù)時間控制的設計方案打算用數(shù)字元件來逼近實現(xiàn). 之后（我們）發(fā)現(xiàn)更好的方法，采用離散時間設計方案，可以直接用數(shù)字元件實現(xiàn) 2. 做出正確的調整之后，在設計過程中相應的步驟還需要重復很多次，直到達到理想的目標。 1.有時，你必須接受失?。河酶鞣N不同的軟硬件組合方法進行了重復設計之后，結論卻是你不知該如何設計這個系統(tǒng)使其滿足需求。 2. 你只能報告說，盡你最大的知識和能力，要滿足性能需求，就必須要在硬件或方法學上有所突破－即還不存在的發(fā)明。 1.正如你所見到的，對控制算法的選擇通常只是整個設計過程的一小部分。經驗告訴我們，控制算法不會成為影響整個系統(tǒng)性能的決定性因素 2. 如果你成功地設計了一個系統(tǒng)（采用任何方法），并使之運行，那么單靠不同的控制算法不能在提高性能和降低成本上取得較大層次的成功。然而，取得較低級別的改進也是有意義的，是值得追求的。 1. 除非你熟悉一些標準的設計方案和傳統(tǒng)的設計方法，否則你可能無法應付不熟悉的過程。例如，考慮控制飛機的運行問題，在受到一系列不同約束的條件下使其從一個起點到一個指定目的地，如準許的飛行軌道、可用的燃油、安全等 2. （這類問題的具體實例包括人工駕駛飛機，巡航導彈和遙控飛行器等. 毫無疑問，每一個都和其它應用在細節(jié)上大不相同）. 盡管大部分的飛行控制問題都已經被解決了，但在思索如何處理一些你事先不知解決方法的問題上仍具有啟發(fā)性. 1. 原則上，飛行控制問題可以被表述成一個通用的優(yōu)化問題：在數(shù)學約束范圍內，最小化一個指定的數(shù)學性能指標。但在在實踐中，這種方法幾乎是注定失敗的，有很多原因，包括以下方面： l 1.多目標和隱含約束：很少情況下，你所期望的系統(tǒng)運行的每一個狀態(tài)都能用單一的性能指標進行優(yōu)化。通常只是希望系統(tǒng)在節(jié)約成分和可靠性上表現(xiàn)完好就可以了。這些口頭判據缺乏量化的表達式。 2. 而且，你無法知道所有的約束。你所知道的是那些曾經遇見過與傳統(tǒng)設計方法類似的約束。然而，一個新的設計方法，可能會滿足已知約束，但也會產生以前從未遇到過的新問題。 l 狀態(tài)變量的數(shù)量：物理系統(tǒng)中的狀態(tài)變量數(shù)量通常要比你預想或需要處理的多。 l 不同的時間量程：許多過程處理的現(xiàn)象在時間量程上是不同的，而且相差很多。比如在巡航飛行器應用中，位置以分鐘或小時為時間量程變化；而飛行姿態(tài)是以秒為時間量程變化；執(zhí)行器動作時間則可能是微秒級. l 不確定的動態(tài)特性：通常情況下，過程的動態(tài)特性并不如你期望的那樣好. 盡管你需要一些種類的模型來評估系統(tǒng)性能，但將模型歸納為一個粗略近似的優(yōu)化問題卻是不充分的。 l 缺少洞察力：即使對動態(tài)性能和數(shù)學可行性上很有信心，你也不太愿意相信用計算機優(yōu)化得到的問題求解，因為有可能無法得到對求解的直觀評價. 1. 由于這些原因，一個謹慎的工程師寧愿采取不太激進的方法。有經驗的控制系統(tǒng)設計人員會無意識地采用這些方法。在某些應用領域中，采用這些方法是作為一種規(guī)范，在這個領域中沒有人會考慮采用其它的設計方法。 1.5 控制器調諧 1. 當安裝了控制系統(tǒng)之后，通常必須先調整控制器的設置，直到控制系統(tǒng)運行達到滿意為止。這個活動被稱為控制器整定，或控制器的現(xiàn)場整定。由于控制器整定通常都采用反復實驗的方法（試差法），整定過程是十分費時的。因此，我們希望能夠初步估計出一個令人滿意的控制器設置。 2. 首先好的設想可以源于類似控制回路中取得的經驗。換句話說，如果已知過程模型或頻率響應數(shù)據，就可以采用一些特殊的設計方法來計算控制器設置。然而，現(xiàn)場整定仍是控制器微調所需要的，尤其是當過程信息不完整或不太準確的時候. 1.一般控制回路指導方針 1.對一些常見的過程變量: 流速、液位、氣壓、溫度和成分，它們的控制器類型和控制器設置的選擇都有通用的指導方針。 2. 下面討論的指導方針對于過程模型未知的情況是有用的. 但是，這些（方針）必須謹慎使用，以防發(fā)生意外. 類似的指導方針可用于新型設備啟動階段的控制器初始值設置. 1.1流量控制 1. 流量和液壓控制回路的特點是響應快速（秒級），基本上沒有時間延遲。過程的動態(tài)特性是由于氣流的可壓縮性或液體的慣性造成的。傳感器和信號傳輸線如果采用氣動設備，有可能會帶來很大的動態(tài)滯后（延遲）。 2. 流量控制系統(tǒng)中的擾動較為頻繁但通常幅值較小。多數(shù)擾動是高頻噪聲（周期性或隨機性），來源于流體紊亂、閥門變化和泵的振動. 通常使用PI流量控制器，控制器增益Kc取中間值。而不斷重復的高頻噪聲使得微分作用無法使用. 1.2液體水平 1. （我們）已經討論過典型的無自衡液位過程。由于它的積分性質，我們可以采用一個較高增益的控制器，而不用考慮控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。實際上，控制器增益的增大經常會增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而低增益則增加系統(tǒng)的振蕩程度。（實際上，增益K越大，系統(tǒng)越快速趨于穩(wěn)定值，但過大增益會使系統(tǒng)容易變得不穩(wěn)定，增益K越小，系統(tǒng)振蕩時間越長，到達穩(wěn)態(tài)值時間越長） 2. 積分控制通常是被采用的，但是在允許液位存在小的誤差（5%）的時候，積分部分就不是必須的. 通常在液位控制中，微分控制較少采用，因為液體進入容器時會的飛濺和湍流經常會使液位的測量中包含著噪聲。（I 控制器：消除穩(wěn)態(tài)誤差，但I會增加系統(tǒng)振蕩（穩(wěn)定性），D控制器：快速性，減小振蕩，但不適用于高頻噪聲） 1. 在很多液位控制問題中，盛放液體的容器被用作緩沖罐，以減弱流入液體造成的波動。如果從容器流出液體的流速被用作操作變量，那么應該采用傳統(tǒng)的控制器設置，以避免流出流速產生大而快速的波動。這種策略稱為均勻控制。 2. 如果液位控制還涉及到熱傳遞問題，如蒸餾器或蒸發(fā)器，那么過程模型和控制器的設計將變得更加復雜。在這種情況下，一些特殊的控制方法將會更加有效。 1.3氣體壓力 1. 氣壓控制相對液位控制來說更容易一些，除了當氣體與液體達到平衡狀態(tài)時的情況. 氣壓過程是自調節(jié)的：當壓力太小時，容器（或管道）就會進入更多的氣體，而當壓力過大時，會減少進入的氣體。PI控制器通常被采用，并且積分控制部分發(fā)揮很小的作用（即，大的積分時間常數(shù)）（積分常數(shù)越大，積分作用越不明顯，這里指主要是P控制，I控制起作用很小）。 2. 通常容器體積不大，使氣體相對滯留時間很短，而該過程的時間常數(shù)較小。通常不需要微分控制，因為與其它過程操作相比，氣體過程響應時間很短。 1.4溫度 1. 要表達溫度控制回路的通用指導方針比較困難，因為涉及到熱傳遞的過程和設備差別很大（并且時間標尺不一致）。例如，對于換熱器、蒸餾塔、化學反應器和脫水器，它們的溫度控制問題有很大差別。 2. 由于時滯和/或多級熱容的存在，通常對控制器增益會有一個穩(wěn)定范圍。常用PID控制器來獲得比PI控制器更加快速的響應特性。 1.5組合物 1. 成分回路的特性通常與溫度回路類似，但有幾點不同： ① 噪聲測量在成分回路中是更重要的問題。2. 由分析器導致的時滯可能是一個有意義的因素。 這兩個因素限制了微分作用的有效性. 由于成分和溫度回路的重要性和控制難度，它們經常是高階控制策略的實施對象. 1.5.2 審判和錯誤校正 1. 控制器的現(xiàn)場整定經常根據控制器生產廠家的要求，采用經驗試湊法。典型的PID控制器整定方法總結如下： ? 第1步：取消積分和微分作用，設置 τD 值減到最小，τI 值增到最大. ? 第2步：設置Kc為一個較小的數(shù)（如0.5）,并使自動控制發(fā)揮作用。 ? 第3步：使設定值或負載變化較小的量，逐步增加控制器增益Kc，直到等幅連續(xù)循環(huán)出現(xiàn). 術語“連續(xù)循環(huán)”指的是等幅持續(xù)振蕩. ? 第4步：將Kc減少一倍（1/2）. ? 第5步：小幅減小 τI，直到等幅振蕩再次出現(xiàn). 設置τI 為該值的3倍. ? 第6步：加大τD 直到等幅振蕩出現(xiàn). 設置τD 等于該值的三分之一 1. 在第3步中造成連續(xù)周期（等幅振蕩）的Kc被定義為臨界增益，標識為Kcu。在進行試驗過程中，使控制器輸出不飽和非常重要。如果出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，即使Kc ＞ Kcu也會出現(xiàn)持續(xù)振蕩。 因為臨界增益在控制系統(tǒng)的設計和分析中具有關鍵地位，我們給出了一個更正式的定義： 定義： 當閉環(huán)系統(tǒng)只有比例控制器的情況下，使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器最大增益值為臨界增益Kcu. 若已知過程模型，那么Kcu 就能用穩(wěn)定判據從理論上計算出來。上述的試差法有許多的不足： ① 如果要優(yōu)化Kc, τI 和 τD 需要做很多次試驗，而過程動態(tài)又非常緩慢，那么經驗試湊法將耗費很多時間。對單一的控制回路測試會很昂貴，因為不能保證產量或產品質量差。 ② 連續(xù)的周期振蕩是不能接受的，因為這會使系統(tǒng)過程達到穩(wěn)定極限。因此，如果在控制器整定中發(fā)生外部擾動或系統(tǒng)過程發(fā)生變化，有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定或帶來危險。（如失控的化學反應器） ③ 這種整定過程不適用于開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因為這種過程一般在高和低的Kc值下都會不穩(wěn)定，而在中間某些范圍的值下是穩(wěn)定的. ④ 一些簡單的過程沒有臨界增益（如用一階或二階傳函建模的無時滯系統(tǒng)）. 1.5.3 .等幅振蕩法 1.基于持續(xù)振蕩的經驗試湊法可以看作是著名的連續(xù)周期法的變形，連續(xù)周期法由Ziegler和Nichols于1942年發(fā)表。這種經典的方法估計是PID控制器整定最為著名的方法。 2. 連續(xù)周期法也被稱為回路整定法或臨界增益法。第一步是采用上一節(jié)描述的方法試驗確定Kcu。產生的持續(xù)振蕩的周期定義為臨界周期Pu。 3. 然后采用表1的Z-N整定關系由Kcu和Pu計算出PID控制器的設置。Z-N整定關系又由經驗發(fā)展成為四分之一幅值振蕩衰減（方法）。 4. 這些整定關系在工業(yè)中得到了廣泛的應用，也為比較不同的控制方案提供一個方便的基礎。然而，本節(jié)將要講述的控制器整定例子表明，Z-N整定要次于其它方法，應該謹慎使用。 1. 注意到Z-N設置為比例控制提供了一個重要的安全裕度，因為控制器增益是穩(wěn)定極限Kcu的一半。當加入積分控制時，Kc 在PI控制中減為0.45 Kcu。而微分控制的加入使PID控制的增益可以增加到0.6 Kcu。 1. 對于某些控制回路，因設定值改變而引起的帶有1/4衰減比和過大的超調量的振蕩是我們所不希望出現(xiàn)的。因此，更為穩(wěn)妥的設置好一些，如表2中所示的修正的Z-N設置。 1. 盡管Z-N連續(xù)周期法被廣泛應用，它和經驗試湊法一樣，存在著同樣的不足之處。然而，連續(xù)周期法（等幅振蕩法）比經驗試湊法耗費時間短，因為它只需要一次經驗試湊。 2. 我們再次強調，表1、2中的控制器設置應作為第一次的估計值。這之后還要通過經驗試湊法進行微調，特別是當選中了表1的初值之后。同樣，也可以采用本節(jié)最后討論的連續(xù)周期自動整定法。 1.5.4. 過程響應曲線法 1.在他們著名的文章中，Ziegler 和 Nichols 提出了第二種在線整定技術，過程響應曲線法. 這個方法建立與一個單獨的實驗測試，其中控制器處于人工控制狀態(tài). 控制器輸出引入一個小的階躍變化，記錄下觀測到的過程響應，B(t). （即u(t)引入階躍變化，觀察輸出y(t)的階躍響應） 2. 這個階躍響應也被稱作過程響應曲線.它的特征由兩個參數(shù)來體現(xiàn)：S，通過拐點的正切斜率，和θ, 切線與時間軸相交點的時間值. 1. 圖1.5.1所示為兩種不同類型的過程響應曲線，在t=0時發(fā)生的（輸入）階躍變化. 情況（a）的響應曲線是無界的，指該過程無法自我調節(jié)（不穩(wěn)定過程）. 相反地，情況（b）中的假設過程為自我調節(jié)過程，因為過程響應曲線可以達到一個新的穩(wěn)態(tài)值. 要注意的是，斜率相交的特性可以用在所有類型的過程響應曲線上. 1. 表格3給出了過程響應曲線法的Z-N整定關系. S* 表示標準斜率，S*=S/?p ，其中?p是控制器輸出p的階躍變化幅值. 這些整定關系是用經驗法，由閉環(huán)響應以1/4 衰減比得到. 表格3中的整定關系可以用于可自我調節(jié)和非自我調節(jié)過程. 1. 如果過程反應曲線具有典型的S形狀如圖（b）1.5.1，下面的模型通常提供一個令人滿意的適合： 1. B’ 是被控變量的測量值，P’是控制器輸出變量（操作變量），都表示為偏差變量（即變化值）. 要注意這個模型包括了最終控制裝置和傳感器輸出裝置的傳遞函數(shù)，也包括過程的傳遞函數(shù). 模型參數(shù)K, τ 和 θ 可以由過程響應曲線得出. 1. 過程響應曲線法有幾個顯著的優(yōu)點： ① 只需要一次單獨的實驗測試. ② 不需要反復試湊. ③ 可以很容易計算出控制器設置參數(shù). 然而，同樣過程響應曲線法有一些缺點： ① 實驗測試是在開環(huán)狀態(tài)下進行的. 因此，如果在測試過程中，對于大的負載變化沒有采取校正的動作，測試結果可能有較大的失真. （大的擾動，但操作變量沒有改變，實質上輸出變化由擾動決定） ② 精確確定拐點的斜率是困難的，尤其在測量值受到干擾并且數(shù)據記錄圖表過小的情況下. ③ 這個方法對控制器刻度誤差很敏感. 相反地，Z-N方法得到的Kc對于刻度誤差并不敏感，因為控制器增益是由實驗測試得到的. ④ 表格2和3推薦的參數(shù)設置適用于振蕩響應（過程），因為這些參數(shù)由1/4衰減比例法得到. ⑤ 這個方法不適用于開環(huán)振蕩響應過程，因為方程（1）中的過程模型會變得非常不準確. 1. 過程響應曲線的閉環(huán)方法被提出來作為第一個缺點的部分補救方法. 在閉環(huán)方法中，只有比例控制的情況下，使設定值做階躍變化而產生過程響應曲線. 之后通過閉環(huán)響應采用新的方法來計算出式（1）的模型參數(shù). 閉環(huán)響應曲線法的一個主要缺點是模型參數(shù)計算比標準開環(huán)方法要復雜得多. 2.1 壓力測量 2.1.1 引言 1. 壓力是氣體和液體由于自身重力而產生的力，比如作用于地表面的大氣壓力，作用于容器底部和容器壁的液體壓力. 壓力單位是作用于給定面積的力的度量. 通常，用英制單位表示為磅每英寸（psi），有時是為磅每英尺（psf），或者用公制單位表示為帕斯卡(Pa 或 kPa). (壓力在物理學上稱為壓強). 2.1.2壓力測量 1. 這里有六種應用于壓力(壓強)測量的術語. 他們表示如下： 1.完全真空 – 零壓力或沒有壓力，比如外太空. 1.真空 是介于完全真空和普通大氣壓之間的壓力測量. (相對真空狀態(tài)) 1. 大氣壓指空氣由于自身重力作用于地球表面的壓力，通常表示為海平面大氣壓，14.7 psi 或 101.36 kPa. 但是，它取決于空氣條件. 海平面之上壓力降低，在海拔上升到5000英尺下，壓力降低到大約12.2 psi (84.122 kPa). 1.絕對壓是相對于真空壓測量到的壓力，表示為磅每平方英寸 (psia). 1. 表壓是相對于大氣壓測量到的壓力，通常表示為磅每平方英寸 (psig). 圖2.1.1 (a) 給出了大氣壓，表壓和絕壓之間的圖形關系. 差壓是相對于另一個壓力測量得到的壓力，表示為兩個數(shù)值的差值. 可以表示壓力或流體系統(tǒng)中兩點的壓力差，表示為 delta p 或 ?p. 圖2.1.1(b) 表示了兩種情況，隔板兩端的差壓和一個流體系統(tǒng)兩點的差 2.1.3 壓力儀表 1.量表是一類主要的壓力傳感器，測量相對于大氣壓的壓力. 通常，儀表傳感器是一些隨著壓力施加而改變形狀的設備. 這些設備包括膜片、膜盒和波紋管，波登管. 1. 膜片包含一個薄層或薄膜，支撐在一個剛性框架上，如圖2.1.2(a). 在表壓測量時，壓力可以施加在膜的一邊，在差壓或絕壓測量時，壓力可以施加在膜的兩邊. 2. 測量用的膜可以使用很多種材料，用于低壓設備的橡膠和塑料，用于中壓的硅，用于高壓的不銹鋼. 3. 當壓力施加于膜片上，膜會變形或變成輕微曲面形狀. 這種運動狀態(tài)可以用應變儀，壓電儀器或變電容儀器測量(老式儀器包括磁性設備和碳堆設備). 4. 以上測量設備使用傳感器將形變轉化成電信號. 在這些設備中，微電硅膜片是最常用的用于產生電信號的工業(yè)壓力傳感器. 1. 硅膜片使用硅材料，它是一種半導體材料. 當硅膜背面蝕刻之后，使得應變電阻片和電子放大器集成到硅結構的頂部表面上. 這些設備集成了溫度補償壓電應變儀和放大器，用以輸出高電壓(5V FSD[滿額電壓或最大偏移]) 2. 這些設備體積小，精度高，可靠性強，耐久時間長，并且不受很多化學物質的影響. 商業(yè)用的表壓，差壓和絕壓傳感器測量范圍可到200psi(1.5MPa). 使用不銹鋼膜片，可將這個范圍擴大到100,000psi(700MPa). 1. 圖2.1.3(a)給出了用于微型壓力傳感器的3種硅芯片結構的橫截面圖，表壓，絕壓和差壓. 芯片(模具)被密封到塑料殼中(大約厚度0.2，直徑0.6). 裝配成的儀表在圖2.1.3(b)中給出. 2. 微電子硅膜片壓力傳感器可用于血壓監(jiān)視器和許多工業(yè)應用中，并且大規(guī)模應用于自動壓力傳感測量，比如，各種氣體壓力，大氣壓，油壓，傳輸流體，中斷流體，液壓轉動裝置，輪胎壓力等方面的測量. 1.膜盒是由兩個膜片緊密連接，如圖2.1.2(b). 壓力可以作用于膜片之間，使膜片分開來測量表壓. 膜片的擴張可以結合一個機械指示裝置。膜片的偏移程度取決于它的直徑，材料厚度和彈性. 2. 材料使用磷青銅，不銹鋼，和鐵鎳合金. 使用這些材料的儀器壓力范圍可以達到50psi(350kPa). 多個膜盒可以相互連接以提高靈敏度和機械位移. 1. 波紋管類似于膜盒，不同之處在于膜片不是直接連在一起，而是被一個波紋狀的管或旋轉的管分開，如圖2.1.2(c)所示. 當壓力施加于波紋管時，壓力拉長線圈而不是末位的膜片，使波紋管拉長. 2. 用于波紋管壓力傳感器的材料類似于膜盒所使用的，波紋管的壓力范圍可達到800 psi (5MPa). 波紋管設備可用于絕壓和差壓的測量. 1. 可以機械連接兩個波紋管，當施加壓力時，使兩個波紋管相對，來實現(xiàn)差壓測量，如圖2.1.4(a)所示. 當p1和p2都作用于波紋管時，可以獲得壓差讀數(shù). 2. 圖2.1.4(b)所示的波紋管，通過線性變量壓差變換器來得到電信號，從而組成差壓壓力傳感器，對于表壓測量p2可以是大氣壓. 波紋管是低壓測量中最為敏感的機械原件，比如，(壓力范圍在) 0到210kPa. 波登管 1. 波登管是中空的，橫截面是鈹，青銅，或鋼的，制作成四分之三圓周狀，如圖2.1.5(a)所示. 橫截面可以是矩形或橢圓形，但操作原則是橫截面的外側面要比內側面面積要大. 2. 當施加壓力時，因為外側面有更大的表面積，所以外側面（比內側面）承受更大比例的壓力，并且圓周的直徑增加. 管壁厚度介于0.01到0.05. 當管承受壓力時，一端不動，另一端自由移動，從而使管變直. 3. 這種動作與指針機械連接起來，校正后，指針可以指示壓力，或者將動作與電位計連接起來，使電阻值與壓力成比例變化而產生電信號. 圖2.1.5(b)所示為一個螺旋波登管. 這種結構比圓周狀波登管敏感度更高. 波登管起源于1840年. 波登管可靠性高，價格低廉，是應用最為廣泛的通用壓力儀表. 1. 波登管可以承受百分之30到40額定最大無損傷負載，但是過載情況下可能需要重新校正. 管可以是螺旋狀或螺旋形增大或減小. 波登管通常用于測量正值表壓，但是也可以用于測量負值表壓. (helical: 螺旋狀，spiral: 繞某一中心點不斷靠近或遠離) 2. 如果波登管壓力降低，波登管直徑減小. 該運動可以與指針相連，做成一個真空壓力儀表. 波登管壓力測量范圍可達100,000 psi (700MPa). 圖2.1.6 給出了波登管壓力儀表，用于測量負真空壓(a)和正壓(b). 要注意的是，在(a)中是逆時針運動，而(b)中是順時針運動. 2.2 水平測量 2.2.1 引言 1. 這一單元討論容器內液體和自由流動固體的液面測量. 探測器通常檢測液體和氣體，固體和液體，或者兩種液體之間的界面. 檢測液體液面可分為兩類：一類是單點檢測，第二類是對連續(xù)液面進行監(jiān)測. 2. 在單點檢測的情況下，當物質的實際液面被檢測出達到預定液面時，（控制器）采用適當?shù)膭幼鱽矸乐挂绯龌蛟俅翁畛淙萜? 1. 連續(xù)液面監(jiān)測不斷的檢測液體液面. 在這種情況下，物質液面被連續(xù)監(jiān)控，因此，如果已知容器的橫截面面積，就可以計算出容器的體積. 液面測量可以是直接或間接的；比如采用浮動方法或者通過測量壓力來計算液體液面. 自由浮動固體有粉末，晶體，稻米，谷類等等. 2.