第8章 过程控制仪表与装置.ppt

第八章过程控制仪表与装置,第一节概述第二节基本控制规律与控制器第三节变送器第四节执行器,第一节概述,自动控制系统中,除被控对象外的所有设备都称为控制仪表(装置)。控制仪表包括调节器(控制器)、变送器、执行器等装置，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制装置等阶段。当前，主要采用计算机控制装置构建控制系统。,基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)两类。组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。,过程控制仪表类型,过程控制仪表,模拟式,数字式,基地式单元组合式组装式,气动QDZ电动DDZ,DDZ-DDZ-DDZ-DDZ-,单/多回路控制器可编程控制器(PLC)工业计算机(IPC)集散系统系统(DCS)总线控制系统(FCS)可编程自动化控制器(PAC),单元组合仪表类型,气动单元组合仪表QDZ,变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)辅助单元(F),电动单元组合仪表DDZ,变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)执行单元(K)辅助单元(F),附图：一、DDZ之变送单元类(温度、压力、差压、流量、物位、成分等),温度变送器,二、DDZ之转换单元类(阻抗、电流、毫伏、气/电与电/气、频率、脉冲/电压、峰值检测器等),电流转换器直流毫伏转换器电/气转换器,三、DDZ之显示单元类(比例或开方积算器、各种指示仪与警报器等),单、双针指示器比例积算仪,四、DDZ之运算单元类(加减器、乘除器、开方器、函数发生器等),加减器乘除器开方器,五、DDZ之给定单元类(恒流、比值、时间程序、参数给定器等),DGJ型报警给定器DGA-2000型恒流给定器,六、DDZ之调节单元类(PID基型、PID自整定、PID间歇、SPC、DDC备用、自动选择、抗积分饱和控制等),DDZ-IIIDTZ2100型全刻度指示调节器,七、DDZ之执行单元类(角行程、直行程、阀门定位器等),电动角行程(DKJ)执行机构电动直行程(DKZ)执行机构,电气阀门定位器气动阀门定位器,八、DDZ之辅助单元类(Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信号限制器、信号选择器、安全栅、配电器、直流稳压电源、隔离器等),配电器隔离器操作器,DDZ之辅助单元类,电源箱,第二节基本控制规律与控制器,控制器是自动控制系统的核心，它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律(称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。控制器的输出信号y与输入偏差信号e(=PV-SP)之间随时间变化的规律y=f(e)叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。,一、双位控制,双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。理想的双位控制器其输出y于输入偏差e之间的关系为,(a)理想(b)滞环(c)死区(d)滞环+死区常用位式控制作用,e(t),y(t),双位控制特点与适用场合,【特点】(1)结构简单，控制质量不高；(2)被控量会出现振荡(被控变量持续地在设定值上下作等幅震荡，无法稳定在设定值上)。【适用于】对象惯性大，负荷变化小，控制质量要求不高的场合，如炉温控制。,双位控制系统输出曲线,二、比例(Propotional)控制作用,控制器输出与输入(偏差)成正比：y(t)=KPe(t)【特点】(1)作用速度快；(2)e=0，y=0，故不可能消除偏差。【适用于】对象惯性大、滞后小，负荷变化不大，容许余差存在场合，如要求较低的压力、流量、液位等的控制。,比例控制作用及其特性,比例控制规律的参数,在一般控制器中，比例作用都不用放大系数作为刻度，而是用比例带来刻度。比例带的定义是：输出信号作全范围的变化时所需输入信号的变化(占全量程)百分数。比例带可用下式表示,式中，emaxemin偏差变化范围；ymaxymin输出信号变化范围。,在单元组合仪表中，emaxemin=ymaxymin，K1，所以有：,比例带物理意义:比例带就是使控制器变化全范围时，输入偏差对应满量程的百分数。,例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求该控制器的比例带。解:控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA,三、比例积分(PI)控制规律,(一)积分(Integrate)控制作用积分控制作用是指控制器的输出变化量y与输入偏差e的积分成正比：,KI积分增益，1/min;TI积分时间，min。,积分作用动态特性,积分作用特点,(1)只要有偏差存在，输出信号将随时间不断增长(或减小)；只有输入偏差等于零，输出信号才停止变化，而稳定在某一数值上，因而积分控制作用可消除静差。输出信号的变化与输入偏差的大小和积分时间TI成反比，TI越小，积分速度越快，积分作用越强。输出信号变化方向由e的正负决定。(2)积分控制作用可以消除静差，但因积分作用是随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。,(二)比例积分(PI)控制规律,比例积分控制器的输出可视为比例输出yP和积分作用的输出yI之和。理想PI控制作用为：,理想PI动态特性,【适合场合】：对象滞后较大，负荷变化较大但缓慢，要求无静差场合。应用最广，流量、压力、液位控制均可。,四、比例微分(PD)控制规律,(一)微分(Differential)控制作用微分控制作用就是指输出信号y与输入偏差信号的变化速度成正比，即,(a)理想微分作用(b)实际微分作用特性(c)匀速偏差输入微分控制器动态特性,微分作用特点,(1)即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马上进行控制，故微分作用也被称之为“超前”控制作用；(2)但它的输出只与偏差信号的变化速度有关。如有偏差存在但不变化，则微分输出为零，故微分控制不能消除静差。所以微分控制器不能单独使用，它常与比例或比例积分控制作用组合，构成比例微分(PD)或比例积分微分(PID)控制器。,(二)比例微分(PD)控制规律,比例微分控制器的输出等于比例输出yP和微分作用的输出yD之和。理想PD控制作用为：,(a)e=1(t)(b)e=t比例微分控制动态特性,【适合场合】对象滞后大，负荷变化不大，被控量变化不频繁且允许余差存在场合。,为了得到比较满意的控制质量，常将比例、积分、微分三种控制结合起来，构成比例积分微分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三种作用控制器。理想PID控制作用特性方程如下：,五、比例-积分-微分(PID)控制作用,实际PID控制特性(传递函数)如下：,KI、KD分别为积分与微分常数。,实际PID控制阶跃响应曲线,在输入阶跃信号后，微分作用和比例作用同时发生，PID控制器的输出Y突然发生大幅度的变化，产生一个较强的控制作用，这是比例基础上的微分控制作用，然后逐渐向比例作用下降；接着又随时间上升，这是积分作用；直到偏差完全消失为止。,【适合场合】：对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制要求高场合，如反应器温度控制或成分控制等。,PID控制规律特点及适用场合,六、PID控制算式,在模拟控制系统中，PID控制是被广泛采用的一种控制策略，在数字(计算机)控制系统中，PID控制仍被广泛应用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值(数字量)计算控制量，因此式中积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。,(一)位置式PID控制算式,(二)增量式PID控制算式,u(k)=u(k)-u(k-1)=KPe(k)+KIe(k)+KDe(k)-e(k-1)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2),v(n)=u(k)/TS,(三)速度式PID控制算式,增量式PID控制算式特点,与位置式PID相比，增量式PID算法有下列优点：(1)位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值ej，这样容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小；(2)控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须首先将计算机的输出值置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于公式中不出现u0项，这易于实现手动到自动的无冲击切换。因此在实际控制中，增量式PID算法要比位置式PID算法应用更为广泛。,七、模拟控制器,DDZ-型控制器。,八、数字控制器,(一)概述数字控制器是在模拟控制仪表的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型控制器。其结构与微型计算机十分相似，只是在功能上以过程控制为主。数字控制器分为：(1)单回路或多回路控制器；(2)可编程序逻辑控制器(PLC)；(3)工业控制计算机(IPC)；(4)集散控制系统(DCS)；(5)现场总线控制系统(FCS)。本节仅简单介绍单(或多)回路控制器。,数字式控制器与智能控制器,老式:面板与模拟表几乎一样。,数字控制仪表优势,(1)智能化：由于采用微处理器作为仪表的核心，使仪表的运算、判断可控制功能都极强，功能丰富；(2)适应性强：控制器的功能主要由软件完成，编制不同的软件，可以得到各种不同的功能，实现不同的控制策略。用户程序编制可使用面向过程语言(POL：ProcedureOrientedLanguage)，易学易用；(3)具备通讯能力：可以与上位计算机交换信息，可组成SPC或DDC(DirectDigitalControl)控制，从而实现大规模的集中监控系统；(4)可靠性高：在硬件与软件中采用了可靠性技术，具有自诊断功能，大大提高了其可靠性。,(二)数字控制器的构成原理,1、数字控制器的硬件,2、数字控制器软件,软件系统分为系统软件和应用软件两部分。,第三节变送器,变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数(温度、压力、流量、液位、成分等)转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用。,变送器特性,xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值，ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值。,变送器的理想输入输出特性,(一)变送器构成原理1、模拟变送器的构成原理,一、概述,2、数字式变送器的构成原理,智能式变送器由以微处理器(CPU)为核心构成的硬件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。,(二)变送器的共性问题,量程调整：使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。零点调整和零点迁移：使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。线性化：使输出信号与被测参数之间往往存在线性关系。信号传输方式。,二、温度变送器,作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制。,(一)热电偶温度变送器,(二)热电阻温度变送器,(三)直流毫伏变送器,注意分度号匹配、接线等问题。,三、差压变送器,通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量，与节流装置配合，还可以连续测量液体(或气体)流量。,(一)电容式差压变送器,电容式差压变送器测压部件结构图1电极引线；2差动电容膜盒；3正压侧导压口；4正压容室基座；5负压容室基座；6负压侧导压口,差动电容膜盒结构1-固定电极；2-中心感压膜片；3-填充液；4-隔膜片,(二)扩散硅式差压变送器,扩散硅式差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器。,1负压导压口；2正压导压口；3硅油；4隔离膜片；5硅杯；6支座；7玻璃密封；8引线。,四、智能变送器,智能变送器：采用微处理技术和先进传感技术，新型现场变送类仪表。,第四节执行器,一、概述,执行器的构成：执行机构产生推力或位移的装置。调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀或调节阀。,执行器的分类：气动、电动和液动,电动执行器气动执行器液动执行器,气动、电动执行机构特点,二、执行机构,(一)气动执行机构,气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l，以推动调节机构动作。主要类型如下：,气动执行机构,薄膜式活塞式长行程式：滚筒膜片式：专为偏心旋转阀设计的,正作用反作用,比例式两位式,正作用反作用,与蝶阀、风门等需要大转角(0-90o)和大力矩的调节机构配合,薄膜式应用最广；活塞式次之,气动薄膜与气动活塞执行机构示意图,执行机构的正反作用,(二)电动执行机构,电动执行器有角行程（DKJ）和直行程（DKZ）两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。,(三)电/气转换器,在过程控制系统中，若调节器是采用电动的，而执行器是气动的，此时必须将电信号转换成气信号，方能与气功执行器配合使用。,电/气转换器工作原理与实物图,喷嘴挡板机构的构造和特性,喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移敏感地变换为气动信号，是一种很好的位移检测元件。,(四)智能执行机构,随着过程控制仪表中微处理器的引入，变送器、控制阀等仪表出现了智能化、功能多样化的趋势，智能执行机构也应运而生。智能执行器有电动、气动两类，每类有众多品种。一般智能执行机构的基本功能是信号驱动和执行，内含控制阀输出特性补偿、PID控制和运算、阀门特性自检验核自诊断功能。同时，智能执行机构备有微机通信接口，它可与上位控制器、变送器、记录仪等智能化仪表一起联网构成控制系统。,智能式电动执行机构实例,三、调节机构(控制阀),【作用】调节机构又称调节阀，是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面