第3章 过程控制仪表(上)

1、 第第3 3章章 过程控制仪表过程控制仪表(上上) 1 1）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及其响应特性；示及其响应特性；2 2）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型调节器的基本构成、电路原理及其应型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点；用特点；3 3）了解智能调节器的硬件和软件构成；）了解智能调节器的硬件和软件构成；4 4）了解）了解SLPCSLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理；可编程控制器的硬件构成及工作原理；5 5）了解）了解SLPCSLPC可编程控制器的模块指令及编程方法；可编程控制器的模块指令及编程方法；6 6）了解各类

2、执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器的应用特点；行器的应用特点；7 7）掌握电）掌握电/ /气转换器与阀门定位器的工作原理气转换器与阀门定位器的工作原理8 8）熟悉智能式电动执行器的功能特点；）熟悉智能式电动执行器的功能特点；9 9）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。 过程仪表的定义及作用过程仪表的定义及作用:调节器、电调节器、电/气转换器、执行器、安全栅气转换器、执行器、安全栅等称为等称为过程控制仪表。过程控制仪表。1 1 调节器的功能调节器的功能（1）偏差显示）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定

3、信号，两者相减后的偏调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。（2）输出显示）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。察到控制系统受干扰影响后的调节过程。（3）内、外给定的选择）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称当调节器用于定值控制时，给定信号

4、常由调节器内部提供，称为为内给定内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为器的外部，则称为外给定外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。选择或由软件实现。（4）正、反作用的选择）正、反作用的选择 正作用正作用-指调节器的输出随着反馈输入的增加而增加，指调节器的输出随着反馈输入的增加而增加，即调节器的输出随着测量值增大而增大。即调节器的输出随着测量值增大而增大。KC0 调节器作用调节器作用方向确定的原则方向确定的原则：应根据被控过程的特：应根据被控过程的特性及调

5、节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为制系统成为一个负反馈的闭环系统一个负反馈的闭环系统，即，即 如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。（5）手动切换操作）手动切换操作 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态； 当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，

6、必须切换到手动当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。状态以防止系统失控。 通过调节器的手动通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手自动双向切换开关，可以对调节器进行手动动/自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求带来扰动，即要求无扰动切换无扰动切换。（6）其它功能）其它功能 如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高动抗漂移、停电对策等，所有这些

7、附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能调节器的控制性能 2 2 执行器的作用执行器的作用 执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。 若执行器是采用电动式的，则无需电若执行器是采用电动式的，则无需电/ /气转换器；若执行器气转换器；若执行器是采用气动式的，则电是采用气动式的，则电/ /气转换器是必不可少的。气转换器是必不可少的。 3 3

8、 安全栅安全栅 安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。制系统的安全火花性能。 引言：基本控制规律及特点引言：基本控制规律及特点所谓所谓控制规律控制规律是指控制器的输出信号与输入偏是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。差信号之间的关系。控制器的输入信号是变送器送来的控制器的输入信号是变送器送来

9、的测量信号测量信号和和内部人工设定的或外部输入的内部人工设定的或外部输入的设定信号设定信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号差信号 e ，它是设定值信号，它是设定值信号 r 与测量信号与测量信号 y 之差。之差。 u = f (e) e = r y 控制规律有控制规律有断续控制断续控制和和连续控制连续控制两类：两类：一、一、断续控制断续控制控制器输出接点信号，如双控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。位控制、三位控制。二、二、连续控制连续控制控制器输出连续信号，如比控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分例控

10、制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。微分控制。（1 ）双位控制）双位控制双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制开关控制。理想的双位控制器输出理想的双位控制器输出 u 与输入偏差与输入偏差 e 之间的之间的关系为关系为：e 0 0 （或（或e 0 0）时时= =umaxuminue 0 0 0）时时理想的双位控制特性理想的双位控制特性umaxumineu有中间区的双位控制特性有中间区的双位控制特性umaxumineu 例例1：温度双位控制系统：温度双位控制系统： 温度低

11、于给定值时，温控器输出高电平，继电温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。220V进水进水出水出水二位式控制器电路原理框图：二位式控制器电路原理框图：测量信号测量信号给定信号给定信号U0是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电子开关用。平，可以当一个电子开关用。有中间区的双位控制效果：有中间区的

12、双位控制效果：被控温度在被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。上下振荡，无法稳定。理想双位控制效果：理想双位控制效果：tuTT0ttuTT0t(2) 三位控制：三位控制： 控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。umaxumineue2e1测量信号测量信号给定给定1U01U02给定给定2三位控制器电路原理框图：三位控制器电路原理框图： 例例2：温度三位控制系统：温度三位控制系统 温度低于温度低于T1时，温控器使继电器时，温控器使继电器1、2都吸合，都吸合，加热器加热器1、2都通电加热；温度高于都通电加热；温度高于T1低于低于T2时，温时，温控器使继电器

13、控器使继电器1吸合、继电器吸合、继电器2断开，只有加热器断开，只有加热器1通通电；温度高于电；温度高于T2时，继电器时，继电器1、2都断开。都断开。J1J2T2T1122220V进水进水出水出水 温度三位控制效果：温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。快；温度偏差小时，小幅调整。tuTT2T1t要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器。连续变化的调节器。3.2.1 比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律理想理想PID的数学表达式的数学表达式 ：1( )( )( )( )cDIde tu t

14、Ke te t dtTTdt=( )u t为调节器的输出值，)(te为被控参数与给定值之差。 ( )1( )1( )ccDIU sG sKT sE sT s=写成传递函数形式写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分；cK为调节器的比例增益，IT为积分时间（以s或min为单位），DT为微分时间（也以s或min为单位）。 1 比例调节规律比例调节规律比例控制数学表达式比例控制数学表达式 ：( )( )cu tK e t=( )u t为调节器输出值，)(te为被控参数与给定值之差。 纯比例调节器的阶跃响应特性 浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为浮

15、球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。epba=ebap= CuK e= 如果如果e = 0，则活塞，则活塞无法提高，无法提高，Q1 无法加无法加大，调节无法进行。大，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡，原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此进水量与出水量相等，此时进

16、水阀有一开度。时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。 v 比例控制的特点比例控制的特点q控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。q控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零零，调节器的输出也就

17、为零 u = KC e即即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度来表来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。 所谓所谓比例度比例度就是指控制器输入偏差的相对变化就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu= 式中式中e为输入偏差；为输入偏差；u为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（emax - emin）为）为

18、输入输入的最大变化量的最大变化量,即即输入量程输入量程；（umax umin）为输出的最大变化量，即控制器的）为输出的最大变化量，即控制器的输输出量程出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则: 比例度比例度:Ce1100%100%uK=maxminmaxmineu(/) 100%eeuu=ueeremaxeminuminumax比例度除了表比例度除了表示控制器输入和输示控制器输入和输出之间的增益外，出之间的增益外，还表明比例作用的还表明比例作用的有效区间。有效区间。比例带比例带的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变时，

19、所对应的偏差变化相对量。如化相对量。如 =50%表明：表明： 控制器输入偏差变控制器输入偏差变化化50% ，就可使控制器，就可使控制器输出变化输出变化100%，若输入，若输入偏差变化超过此量，则偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再控制器输出饱和，不再符合比例关系。符合比例关系。ueer0100%50%emaxemin =50% =100%例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信号范围是输出信号范围是420mA。当指示指针从。当指示指针从600变变到到700时，控制器相应的输出从时，控制器相应的输出从8mA变为变为16mA。求设定的比例度。求设定的比

20、例度。700 60016 8800400204/100%=解解maxmaxeueu/100%=50%=2 2 比例积分控制（比例积分控制（PIPI） 当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。的基础上，加积分控制作用。（1） 积分控制积分控制（I） 输出变化量输出变化量u(t)与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比01u(t)tIedtT=当当e是幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时01Eu(t)etIIdttTT=TI 积分时间积分时间eEttuq积分作用具有保持功能，积分作用具有保持功能，故故积分控制可以消除余差积分控制可

21、以消除余差。q积分输出信号随着时间逐积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。分作用不单独使用。v 积分控制的特点积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEttu 若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差能消除余差 。 （2）比例积分控制（比例积分控制（PI）（考虑到积分饱和特性）（考虑到积分饱和特性）sTKsTKsGIIICC1111)(=比例积分调节

22、器的阶跃响应特性 称为称为PI调节器的调节器的积分增益积分增益，它定义为：，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。比例作用时产生的输出变化之比。 （考虑到饱和特性）（考虑到饱和特性）IK 3 比例微分控制比例微分控制（PD） 对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。此时可增加微分作用。u(t)DdeTdt=式中：式中：TD 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分（1） 微分控制（微分控制（D）eEttuq 微分作用能超前控

23、制。微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。芽状态之中。q微分对静态偏差毫无控制能力微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，而且易受干扰而误动但不变化时，微分输出为零，而且易受干扰而误动作，因此不能单独使用。必须和作，因此不能单独使用。必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEttu（2）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 理想微分作用持续时间太短，理想微

24、分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际具执行器来不及响应。一般使用实际具有饱和微分特性有饱和微分特性的的比例微分作用。比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC=11)(DK称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。 sKTsTKsGDDDCC=11)(DK称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。 q将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又只要三项作用的强度配合适当，既

25、能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。4 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC=1111)(q PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。PID调节器的阶跃响应特性 对对 象象 特特 点点性性 能能 要要 求求调调 节节 器器 类类 型型广义对象控制通道时间常广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大。数较小，负荷变化不大。工艺要求不高工艺要求不高比例（比例（P）

26、同上同上不允许有余差不允许有余差比例积分调（比例积分调（PI）广义对象控制通道时间常广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大。数较大或容量滞后较大。允许有余差允许有余差比例微分（比例微分（PD）不允许有余差不允许有余差比例积分微分比例积分微分（PID）广义对象控制通道时间常广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大，数较大或容量滞后较大，负荷变化也很大。负荷变化也很大。复杂控制方式复杂控制方式6 6、 数字数字PIDPID控制算法控制算法）（）（）（STSTKSESUDIc=11=tDIcdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()() 1()()()()(0=kekeTTKieTTK

27、keKkukiSDcIScc) 1()()()(0=kekeKieKkeKkiDIc比例系数比例系数积分时间常数积分时间常数微分时间常数微分时间常数采样时间采样时间分饱和现象。可能很大，容易产生积进行限幅，但以对在控制过程中，虽然可=kiieku0)()(积分系数积分系数微分系数微分系数) 1()()(=kukuku)2() 1(2)()() 1()(=kekekeKkeKkekeKDIc0( )(1)( )( )kiu ku ku ku i=) 1()()()(0=kekeKieKkeKkiDIc10(1)( )(1)(2)kcIDiK e kKe iKe ke k=) 1()()()()(

28、0kekeTTieTTkeKkukiSDISc=)2() 1(2)()() 1()()(kekekeTTkeTTkekeKkuSDISc=PDekePIDeke00)(0)(1当当)(0ef=或maxx)(ku)(ku一旦控制变量进入饱和区，则程序只执一旦控制变量进入饱和区，则程序只执行削弱积分项的运算，而停止增大积分行削弱积分项的运算，而停止增大积分项的运算。项的运算。 yt0ut0umaxe0积分不积累e1PID运算电路运算电路由由PI和和PD两个运算电路串联而成，两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是

29、以都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。 PIPD4 输出电路输出电路其任务是将其任务是将PID电路输出电压电路输出电压Vo3 =15V变换为变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至的电流输出，并将基准电平移至0V。在在A4后面用后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。特性。取：取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3 34124OfVV = =由由V+V-得得 fORI24 = =q转换关系转换关系 2320303414241424554BBBfBBV

30、VRVVRRVVVVVVVVRRR=fOORVI43= =则则OOfBOIIIII=而而o3o1 54 204462.5fVImAR=若取若取 Rf= 62.5时，时，可以获得关系：可以获得关系：5 调节器的整机传递函数调节器的整机传递函数 输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结构框图整个调节器的结构框图 25011111112)()()(0=sKTsTsKTsTCCnsVsVsIiiidddMIsi整机传递函数可表示为整机传递函数可表示为 :6 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换通过切换开关通过切换开关S1

31、可以选择自动调节可以选择自动调节“A”、软手动、软手动操作操作“M”、硬手动操作、硬手动操作“H”三种控制方式。三种控制方式。 AM无冲击无冲击1) A、M间的切换间的切换S1从从A切换到切换到M时时：断开断开A3的输入，的输入，若若S4-14都断开都断开CM无放电回路无放电回路VO3保持不变保持不变S42闭合闭合-VM接入接入按按TI =100s的时间积分的时间积分 S41闭合闭合-VM接入接入按按TI =6s的时间积分的时间积分同理，同理，S43（或（或S44）闭合）闭合+VM接入接入反向积分反向积分 用这种手用这种手动操作来改变动操作来改变调节器输出，调节器输出，信号变化比较信号变化比较缓和，称为缓和，称为 “软手动软手动”。2) A、H间的切换间的切换当切换开关当切换开关S1由自动位置由自动位置A，切向硬手动切向硬手动 H 时，放大器时，放大器A3接成具有惯