过程控制课件：第4章过程控制仪表

1、 第四章 过程控制仪表 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响4.1 DDZ型调节器4.2 改进型调节器4.3 数字式调节器4.4 执行器4.5 电气转换器和阀门定位器基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 偏差信号e: 给定值与测量信号之差 (X-Z) 测量信号Z:代表被控参数大小的信号给定信号X:代表规定值之大小的信号 控制信号u: 用以改变控制作用大小的信号 控制规律:调 节 器:根据测量值与给定值所的偏差按一定的数学 运算规律输出操纵值。基本控制规律：位式控制 比例控制 积分控制 微分控制 一、双位控制 1.双位控制规律 umax e0 （e0）u= umin e0 （e0） euuma

2、xumin理想双位控制规律 2.实例 液位 电磁线圈 阀门 进料 液位 HH0 通电 关闭 切断进料 HH0 HH0 断电 打开 进料 HH0 中间区：被控参数有一定的变化范围 3.品质指标：振幅、周期 原则：使振幅在允许的范围内，尽可能的使周期延长。4.特点：结构简单、成本低、易实现 二、比例控制 1.比例控制规律及比例度 控制规律 测量元件浮球调节器杠杆执行器调节阀ab 比例控制系统示意图u ee液位控制系统ab 比例控制系统示意图Kc 控制作用Kc 控制作用euab比例控制规律的输出变化量与输入偏差e成正比。 放大倍数,可调整 比例度使调节器输出变化全范围时,输入偏差改变了满量程的百分数

3、。 比例度 由于比例增益Kc是有量纲的量，在工程上常将其转换成一个无量纲的量：比例度例如：一台比例调节器，输入信号的变化范围为100200，输出信号的变化范围为420mA，当输入变量从140变化到160时，调节器输出信号从12mA16mA，问该调节器的比例度？ 解： 当测量温度变化了全量程的80%时，调节器的输出从4mA20mA。在这个范围内，温度的变化与调节器的输出u是成比例的。100200tI420150uminumaxe%0%100%0%80%050%100%e%umaxuminumax-umin2比例度示意图 =200% =100% =50% d与放大系数Kc的关系 d Kc 控制作用

4、 d Kc 控制作用 对于单元组合仪表 比例控制系统的过渡过程 Q2Q2Q1hQ1 Q1= Q2 ab 比例控制系统示意图比例度对过渡过程的影响 T K0 T K0 ab 比例控制系统示意图优、缺点优点：控制及时，简单、可靠缺点：余差存在三.比例积分控制1.积分控制规律 TI 积分时间e（mA）t0At0u（mA）TI1TI2TI3TI1TI2t0，de/dt=0， u=0特点： 不管有无输入和它的数值如何，只要输入不改变， 微分作用的输出总是零。 不能消除偏差，不能单独使用。 实际的微分控制规律 KD微分增益 e=A 实际微分规律是由两部分组成：比例和近似微分。比例度 d =100%（Kc=

5、1）A 比例微分控制规律 理想： t=0 实际： TD 微分作用 TD 微分作用 tet0Aut微分63.2%100%KcAt0t比例uKcAt0Kc(KD-1)ATD/KDutPD比例积分微分（PID）控制 理想： t0u(mA)t0“”实际： 常用的控制规律：P PI PID A特点： 集P、I、D三者之优点， 克服其不足； 实际系统并非PID是最好， 应根据具体情况进行选择。 u(mA)t0正反作用：e=Z-X 正作用：正偏差越大，测量值越大， 反作用：负偏差越大，测量值越小， 则调节器输出越大；则调节器输出越大。解： 又 测量值减少时，调节器输出减少， 是正作用方向 答:调节器的实际比

6、例度为100%，调节器是正作用方向。 例1、当电动智能调节器的测量指针由50变化到25，若调节器的纯比例输出信号由12mA下降到8mA，则调节器的实际比例度为多少？并指出调节器的作用方向。 例2、实验测得标准信号为420mA电动调节器的阶跃响 应曲线，如图所示。 问： 该调节器的控制规律？ 调节器的比例度、积分时间、微分时间？ 解: 该调节器为PI控制规律 答：调节器的比例度为200%、积分时间为2分、 微分时间为0 例3：有一台PI调节器，d=100%，TI =1分， 输入、输出信号： 420mA 。 ut1315作业: 1.有一比例积分调节器（智能单元型），测量值与给定值均为12mA，若将

7、比例度定在50，积分时间定在最大，调节器的作用方向定在反作用位置，则当测量值由12mA 变化到13mA时，u将由12mA变化到什么数值？当积分时间不是定在最大时，则情况又会如何？ 2.某台智能单元型比例积分调节器，比例度为100，积分时间为2分，稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将变化多少？又 调节器的作用方向定在反作用位置。 测量值增加，输出将减少。 答:u将由12mA变化到10mA。解1： 当积分时间不是定在最大时，u将一直减小下去，直到最小值。 答：调节器的输出将变化0.7mA。 解2：型仪表的特点： 1.采用线性集成电路 2.采用国际标准信

8、号制 信号传输方式为：电流传送电压接收的并联制。 420mA现场传输信号 15V 控制室联络信号4.1 DDZ型调节器 3.集中统一供电(24VDC) 4.整套仪表可构成安全火花型防爆系统 优点： 容易识别断电、断线等故障。 采用并联信号制。 现场变送器：两线制 这两根线即是电源线，又是信号线。这样不但节省了大量的电缆线和安装费用，而且有利于安全放爆。 安全栅：实现了控制室与危险场所之间的能量 限制与隔离 DDZ型调节器 虚地原理 差动输入信号与共模输入信号 Av v0 A Z1 Zf viA V0 v2v1要满足共模输入信号范围，否则放大器无法正常工作。 4.1.1 输入电路 vi +VCM

9、，VCM的引入将产生运算误差。 共模输入范围（219）V 偏差差动电平移动电路 0伏 输出信号VO1与导线压降VCM1、VCM2无关 VT=VF=（3.75.7）V 4.1.2 比例微分（PD）电路 V02= aVT （VF=-1/aV02） 设： 当t=0时 t： 4.1.3 比例积分（PI）电路 设： 档时 档时 4.1.4 整机传递函数 4.1.5 输出电路 4.1.6 手动操作电路及自动手动切换 软手动操作 为S4接通VM的时间。 V03=-VH 硬手动操作 切换过程 自动 软手动双向切换为无平衡、无扰动的切换。 硬手动 软手动 自动 自动硬手动软手动 无平衡、无扰动的切换。须首先调平

10、衡再切换方能做到无扰动切换。无扰动切换：调节器的输出不能由于切换而发生变化。 4.1.7 指示电路 4.2 改进型调节器 4.2.1 抗积分饱和调节器 正常工作状态（VLVO3If时， VAB0 IiIf时， VAB P2时，节流盲室充气 当P1 P2时，节流盲室放气 t=T时，T的定义：当p1为阶跃输入时，节流盲室压力p2由原 来稳态值上升到p1的63.2%所经历的时间 就是充气过程的时间常数。 时间常数 3.喷嘴挡板机构（控制元件）恒节流孔：d1=0.150.3mm d2=0.81.2mm h R2 p背 h R2 p背 p背=kh 任务：把挡板微小位移转换成气压信号p背。4.功率放大器

11、力平衡式、节流式 4.5 电气转换器和阀门定位器 4.5.1 电气转换器 作用：将010mA或420mA电流信号转变成 0.020.1MPa的气压信号。力矩平衡原理 4.5.2 电气阀门定位器 作用： 可用电动调节器的输出信号010mA或 420mA去操纵气动执行器 阀门定位器 （气动薄膜执行机构的特性）力矩平衡原理 电气阀门定位器与气动执行器组成的闭环系统框图：正作用：输入信号增加，输出信号增加； 反作用：输入信号增加，输出信号减小。 阀杆位移与输入电流成一一对应的比例关系。 足够大用于阀门两端高压差的场合pv1MPa 用于调节阀口径较大的场合Dg100mm 用于高压、高温、有毒、易燃、易爆介质的场合 用于介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合 用于执行器气开、气关的改装 用于分程控制的实现 改善执行器的流量特性 2.阀门定位器的主要用途 执行器的放大系数： K1：执行机构的放大系数 K2 ：调节机构的放大系数 选定后K2是不会改变的 改善执行器的流量特性 通过改变K1，改善流量特性。即改变定位器的凸轮形状，就可使执行器的流量特性发生变化。 3.隔爆措施 安全隔爆复合型 ：力线圈用环氧树脂浇封，仪表的接线盒采用了密封隔爆措施。安全火花型：除将力线圈、仪表接线板、电缆采用环氧树脂浇封外，在使用时还必须配用输出式安全栅。 4600匝 四、气动调节阀的