第3章_过程控制仪表1 (2)

1、 第第3 3章章 过程控制仪表过程控制仪表(上上) n调节器的作用： 把测量值和给定值进行比较，得出偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。注意：所谓控制器是包括比较单元的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信号，两者相减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。后的偏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

2、调节阀的开度，而且通示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。过它还可以观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，称为供，称为内给定内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号；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，则称为往往来自调节器的外部，则称为外给定外给定。内、外给定信号由。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。内、外给定开关进行选择或由软件实现。（4）正、反作

3、用的选择）正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器反作用调节器。（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输出，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；当自动控制时的工况不正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，必须切换到手动状态以防止系

4、统失控。通过调节常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在自动切换，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，即要求无扰切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。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、软手动抗如抗积分饱和、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调节器的漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性

5、能控制性能 控制器的正反作用：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 安全栅安全栅 安全栅是构成安

6、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。 teftu)(式中式中 u u控制器输出变化量；控制器输出变化量； e e控制器的输入，即偏差；控制器的输入，即偏差；nPID 控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-Differential）n历史最久、生命力最强的控制方

7、式 n反馈控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象PID3.2.1 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的增量式数学表达式的增量式数学表达式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(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

8、位）。 ( )( )cu tK e t1 比例调节规律比例调节规律cU(s)G(s)KE(s)式中式中 u u控制器输出变化量；控制器输出变化量； e e控制器的输入，即偏差；控制器的输入，即偏差； K Kc c一一控制器的比例增益或比例放大系数。一一控制器的比例增益或比例放大系数。nP调节的阶跃响应P P调节对偏差信号能做出及时调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。反应，没有丝毫的滞后。输出输出u u实际上是对其起始值的实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差增量。因此，当偏差e e为零，为零，因而因而u u0 0时，并不意味着调节时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有器没有输出

9、，它只说明此时有u=u0。u0的大小是可以通过调整调节的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。器的工作点加以改变的。u = Kp eu0u0+Kpe0 为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）来代替比例增益：maxminmaxminmaxminmaxmin/()1100%100% /()Pe eeuuu uuK ee式中式中 emax emin -偏差信号范围，即仪表量程偏差信号范围，即仪表量程 umax umin -调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围比例带nu代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变

10、100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。n如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即 ，则有n此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大。(4.6) %1001%100PKue minmaxminmaxuueeq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

11、也就为零 u = KC e即调节作用是以偏差存在为前提条件。即调节作用是以偏差存在为前提条件。比例控制的特点比例控制的特点浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为浮球为水位传感器，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 CyK 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：略例：自力式液位比例控制系统：略Q2htepQ1tttt

12、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。 比例控制过程比例控制过程（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001u(t)ttIIKedtedtTiT s1G(s) 2 比例积分控制（比例积分控制（PI）0tIII

13、AuKedtK AttT KI积分速度，TI 积分时间常数q积分作用具有保持功能，积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。故积分控制可以消除余差。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。eEttutIcedtTeKu01sTKsEsUsGICC11)()()( 比例积分控制（比例积分控制（PI）对于

14、：1()0 ,2cicIcyKAA tTtyKAtTyKA)(1)(dtteTteKyic( )e tA在阶跃输入作用下，即调节器的输出为：因此，可以从阶跃响应曲线上确定KC，Ti比例带P和积分时间Ti , Ti越大积分作用越弱， Ti越小积分作用越强， 取消积分作用.iTsTKsTKsGIIICC1111)(比例积分调节器的阶跃响应特性 称为称为PI调节器的积分增益，它定义调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最为：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大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。之比。 IK实际比例积分控制（实际比例积分控制（PI） 对于惯性

15、较大的对象，常常希望能加快控制速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。度，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）eEttu 3 比例微分控制（比例微分控制（PD）dsU(s)G(s)TE(s)q 微分作用能超前控制。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。当偏差存在，微分对

16、静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和必须和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） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1( )(1)PDWsT seAttyty1y()PDdeeTdtPD调节器的整定参数： 比例带P和微分时间Td , Td越大微分作用越强， Td越小微分作用越弱， Td 0取消微分作用.dTdtdeTd比例作用比例作用t)(tut比例微分作用比例微分作用)(te斜坡输入斜坡输

17、入 在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。控制器的阶跃响应特性 理想微分作用持续时间太短，理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(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。 实际比例微分控制实际比例微分控制dtdeTedtTeKuuuuDIcDIP14 ： (PID)sKsKKpsGdIc)(q微分作用：加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡。q积分作用：消除静差q三着

18、结合，可达到快速敏捷，平稳准确1()(1)cdiG SKT sT s)()()()(dttdeKdtteKteKtudip)0()0(minePPePPmaXeKpCedtTeKPIC1dtdeTeKPDCdtdeTedtTeKPDIC1控制规律输入e与输出p（或p）的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优 缺 点适 用 场 合位 式结构简单，价格便宜；控制质量不高，被控变量会振荡对象容量大，负荷变化小，控制质量要求不高，允许等幅振荡比 例（P）结构简单，控制及时，参数整定方便；控制结果有余差对象容量大，负荷变化不大、纯滞后小，允许有余差存在，常用于塔釜液位、贮槽液位、冷凝液位和次要的蒸汽压

19、力等控制系统比例积分（PI）能消除余差；积分作用控制慢，会使系统稳定性变差对象滞后较大，负荷变化较大，但变化缓慢，要求控制结果无余差。广泛用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象比例微分（PD）响应快、偏差小、能增加系统稳定性，有超前控制作用，可以克服对象的惯性；但控制作用余差对象滞后大，负荷变化不大，被控变量变化不频繁，控制结果允许有余差存在比例积分微分（PID）控制质量最高，无余差；但参数整定较麻烦对象滞后大，负荷变化较大，但不甚频繁；对控制质量要求高。常用于精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统各种控制规律的特点及使用场合q PID控制作用中，比例作用是基础控

20、制；微分作用是用于加快系统控控制作用中，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。制速度；积分作用是用于消除静差。q 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，又能消除余差，可得到满意的控制效果。度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(实际比例积分微分控制（实际比例积分微分控制（PID）PID调节器的阶跃响应特性 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了模拟式控制器用模拟电路实现

21、控制功能。其发展经历了型（用电子管）、型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用晶体管）和型（用集成电型（用集成电路）。路）。DDZ-型仪表的特点型仪表的特点1 1）采用统一信号标准：）采用统一信号标准：420mA DC420mA DC和和1 15V DC5V DC。这种信。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。变送器实现两线制。 2 2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可）广泛采用集成电路，仪

22、表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。靠性提高、维修工作量减少。 3 3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。3.2.2 DDZ-型基型调节器型基型调节器 （略）（略）1 DDZ-型仪表的特点及外形型仪表的特点及外形特点：特点：测量信号：测量信号：15V.DC； 外给定信号：外给定信号：420mA.DC；内给定信号：内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：输入阻抗影响：满刻度的满刻度的0.1； 输出保持特性：输出保持特性：0.1（每小时）；（每小时）；输出信号：输出信号：420

23、mA.DC； 调节精度：调节精度：0.5；负载电阻：负载电阻：250750。1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键DDZ-DDZ-基型基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、入电路、PDPD与与PIPI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。包括输入信

24、号指示电路和给定信号指示电路。 全刻度指示调节器的构成框图 2 全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的构成原理 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号Vi和给定信号和给定信号Vs之差之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。求偏差求偏差 e ：V01 = k ( Vs Vi ) 1 输入电路输入电路 因测量信因测量信号号Vi和给定信和给定信号号Vs分别通过分别通过双臂电阻差模双臂电阻差模输入到运放输入到运放A1的同相和反相的同相和反相输入端。

25、输入端。可列出两输入节点的电流方程：可列出两输入节点的电流方程：RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而而 VTVF 则则 V01 = 2（Vi VS） 采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，取用电流，使测量信号不受衰减，（2） 求偏差求偏差 Vi VS，进行偏差运算。进行偏差运算。（3）将偏差放大将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。算有利，这里先将偏差放大两倍。 电路的特点电路的特点（1）输入阻

26、抗高输入阻抗高（4） 消除传输线上压降的影响消除传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源，在采用共用电源，在Vi的传输线上可能的传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。时不可忽略。 差动输入可以消除差动输入可以消除导线电阻的影响。导线电阻的影响。（5） 进行电平移动进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件器件+24VDC供电时，其供电时，其正常正常输入、输出输入、输出信号电压范信号电压范围应在围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基。为使运算信号符合要求，必须将

27、基准电压从准电压从0V抬高到抬高到VB =10V ，即进行电平移动。，即进行电平移动。 2、 PD电路分析电路分析 PD电路电路以以A2为核心组成。微分作用可选择用与为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关不用。开关S8打向打向“断断”时，构成时，构成 P电路；开关电路；开关S8打向打向“通通”时，构成时，构成 PD电路。电路。qPD传递函数传递函数ID得得DDTRsInsVsV)()()(01)(111)(1)(0101sVsCRsCnnsCRsVnnsIDDDDDD)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDTO202O1V (s)11W ( )V (s)11ndDDdDDT snR

28、 C ssTnR C sns式中：式中： DDdCnRT 微分时间常数微分时间常数ID又因又因 得得 实际微分因子实际微分因子)(1)(02sVasVF 当当 S8 置于置于“断断”时，微分被切除，时，微分被切除，A2只作比只作比例运算。有例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻两端，分压电阻两端，使使CD右端始终跟随右端始终跟随电压电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时时，保证无扰动切换。，保证无扰动切换。PI电路以电路以A3为核心组成，为核心组成，开关开关S3为积分时间倍乘开关。为积分时间倍乘开关。当当S3

29、打向打向1档时，档时，1K电阻被悬空，不起分压作用；电阻被悬空，不起分压作用；当当S3打向打向10档时，档时，1K电阻接到基准线，静态电阻接到基准线，静态V02被被分压输入。分压输入。由于由于10F电容电容积分需要较大电流，积分需要较大电流，在在A3输出端加一功放输出端加一功放三极管。三极管。3、PI电路分析电路分析qPI传递函数传递函数S1S1置于置于“自动自动”位置、位置、S3S3分别置于分别置于“1”1”、“10”10”档时的档时的简化电路简化电路：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：0/1)()()(/ )(/

30、1)()(030202sCsVsVRsVmsVsCsVsVMFIFIFS3打向打向10档时：档时： m=10S3打向打向1档时：档时： m=1 )()(03sKVsVFsCKRCCKsCmRCCsVsVMIMIIIMI11 1111 )()(0203sTKsTCCsCKRsCmRCCsVsVIIIMIMIIIMI11111111)()(0203PID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以都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。 PIPD4 输出电

31、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变换变换为为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 4031034223424545124RVVVRVVVRVVVVRRRVVBFBFFfBBBTfOORVI43 则则BfOOIIII

32、 而而0301 54 204462.5fVImAR若忽略若忽略If和和IB,则则Io=Io,若取若取Rf= 62.5时，时，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)()()(0sKTsTsKTsTCCnsVsVsIiiidddMIsi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

33、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”。tMMMdtVCRV00312) 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接成具有惯性的比例电路。接成具有惯性的比例电路。 由于由于CM充充电迅速，电迅速，A3的输出近似的输出近似为比例电路。为比例电路。 )()1()(3sVsCRRsVOMFHH 3( )1( )1OF