第五章自动控制仪表

第五章自动控制仪表概述基本控制规律模拟式控制器数字式控制器控制器是控制系统的核心。控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。

第一节概述控制器的分类控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。按能源形式：气动电动气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。控制器的分类

信号制及供电方式

信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。气动控制仪表：0.02～0.1MPa

电动控制仪表，0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表

4～20mA（DC）电流信号

1～5V（DC）电压信号电动Ⅲ型仪表传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低概述

一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内同时具有检测、控制与显示的功能结构简单、价格低廉、使用方便通用性差，信号不易传递一般应用于简单控制系统中。

基地式仪表概述

单元组合式仪表仪表按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；

数字式它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等控制功能，实现批量控制。概述

5.1基本控制规律及其对过渡过程的影响基本概念控制规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制规律就是控制器的输出信号p(t)随输入信号e(t)变化的规律。控制器执行器对象测量变送器+－SPxzepqyf

在该控制系统中，被控变量由于受扰动f（如生产负荷的改变，上下工段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差：

控制器接受了偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出信号p发生变化，通过执行器改变操纵变量q，以抵消干扰对被控变量y的影响，从而使被控变量回到结定值上来。比例作用(Proportional)积分作用(Integral)

微分作用(Derivative)

PID控制器的一般形式为：p＝f(e)

几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：比例作用（P）

比例积分作用（PI）

比例微分作用（PD）

比例积分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；

TI—控制器的积分时间；

TD—控制器的微分时间；

控制规律的表示形式双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，理想的双位控制控制器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律可描述为：双位控制图5-1理想双位控制特性图5-2双位控制示例实际双位控制为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作。图5-3实际的双位控制规律图5-4具有中间区的双位控制过程双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。比例控制P

由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号(指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制”根据相似三角形原理，有：Kp—放大倍数（比例增益）Kp越大，比例控制作用越强。控制器的输出信号p与输入信号e成比例关系Kp（放大倍数或比例增益）——衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用比例度δ表示比例控制作用的强弱。比例度δ

定义：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，表达式为其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；(xmax-xmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程；p为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(pmax-pmin)为控制器输出信号的变化范围。例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为400~800℃，控制器的输出范围是4~20mA。当温度从600℃变化到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为12mA，试求该控制器的比例度。解：这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于400℃）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，p

和e是成一一对应比例关系。可以看出比例度的具体意义为：使控制器的输出变化满刻度时，相应的控制器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。即要使输出做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。左图是比例度的示意图，当比例度分别为50%、100%、200%时，只要偏差e的变化占输入信号变化范围的50%、100%、200%时，控制器的输出就可以由最小pmin

变为最大pmax。比例度的定义式可改写为C为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化范围之比，称为仪表系数。对于单元组合仪表，有所以结论：比例度δ

与放大倍数Kp成反比。比例度δ越小，放大倍数Kp越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。为何会有余差？图5-7简单水槽的比例控制过程液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线在t=t0时，系统外加一个干扰作用下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。比例作用对过渡过程的影响①在扰动即设定值变化时有余差存在。②比例度δ愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，余差也愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度δ减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度δk。③太小控制作用太强

稳定性降低、甚至造成系统不稳定图5-8比例度对过渡过程的影响纯比例控制适用场合：干扰幅度较小纯滞后较小负荷变化不大控制要求不太高一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。比例控制系统的特点：反应快，控制及时

控制结果有余差比例控制特点：最大的优点是反应快，控制作用及时

最大的缺点是控制结果存在余差当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。输出p与输入e的关系为：其中KI表示积分速度。输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且与偏差信号存在的时间长短有关。只有在偏差信号e等于零的情况下，控制器的输出才能相对稳定。因此，力图消除余差是积分控制作用的重要特性。积分控制作用的输出信号p与偏差信号e的积分成正比。积分控制规律阶跃偏差下的开环输出特性：

在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分控制器的开环输出特性为如右图所示，这是一条斜率不变的直线，直到控制器的输出达到最大值或最小值而无法再进行积分为止，输出直线的斜率即输出的变化速度正比于控制器的积分速度KI，即dp/dt=KIA。是比例作用和积分作用的合成，输出p与输入e的关系为：TI称为积分时间，TI=1/KI积分控制的特点（1）能消除余差（2）动作缓慢，调节不及时，一般不能单独使用比例积分控制（PI）在幅度为A的阶跃输入下，比例输出立即跳变到KpA，然后积分输出随时间线性增长。输出特性是一根截距为KpA、斜率为KpA/TI的直线。开环输出特性：积分时间TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱；TI越小，直线越陡峭，说明积分作用越强。KITIp积分作用越强积分时间TI定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI。积分时间TI测定：将比例度δ置于100%的刻度上，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的输出跳变值，同时按秒表计时，等到积分输出与比例输出相同时所经历的时间就是积分时间TI。TI积分作用对过渡过程的影响

采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两重性。在同样的比例度下，缩短积分时间TI，将使积分调节作用加强，容易消除余差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。TI过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线3，TI过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线1。

图5-11积分时间对过渡过程的影响结论：在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够消除余差，然而降低了系统的稳定性；若要保持系统原有的衰减比，必须相应加大控制器的比例度，这会使系统的其它控制指标下降。因此，如果余差不是主要的控制指标，就没有必要引入积分作用。由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，有比例度δ和TI两个参数可供选择，因此适用范围比较宽广，多数控制系统都可以采用。例题分析对一台比例积分控制器作开环试验。已知Kp=2，TI=0.5min。若输入偏差如图所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。输入偏差信号变化曲线例题分析图

输出曲线图当KC=2,TI=0.5min时

在t=0～1min期间,由于e=0,故输出为0。在t=1～3min期间,由于e=1,所以t=3min时,其输出

在t=3～4min期间,由于e=-2,故t=4min时,其积分总输出故ΔpI输出波形如图9-22(b)所示。

将图(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图9(c)所示。积分控制最大的优点是消除余差最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低

比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的被控变量与给定值的偏差而进行动作。但对于惯性较大的对象，为了使控制作用及时，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。微分作用就是模拟这一实践活动而采用的控制规律。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会先改变阀门开度以克服干扰影响，它是根据偏差变化的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好。微分控制规律TD---微分时间按偏差变化速度进行控制，理想的微分控制规律，其输出信号p正比于输入信号e对时间的导数：理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输出。纯粹的微分控制是无益的，因此常将微分控制与比例控制结合在一起使用。阶跃偏差下的开环输出特性：微分作用的目的：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。微分作用的原理：根据偏差信号变化速度来确定调节器的输出，改变操作变量（超前控制）。

理想的比例微分控制规律的数学表达式为比例微分控制规律理想的比例微分控制器的开环输出特性如右图所示t0pet理想比例微分开环输出特性理想的比例微分控制器在制造上是困难的，工业上都是用实际比例微分规律的控制器。实际比例微分控制规律的数学表达式为

KD为微分增益（微分放大倍数）动态特性分析实际比例微分控制器在幅度为A的阶跃偏差作用下的开环输出特性，见下图。KPAKPKDApe阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍，即KDKpA,然后按指数规律下降，最后当t趋于无穷大时，仅有比例输出KpA。因此决定微分作用的强弱有两个因素：一个是开始跳变幅度的倍数，用微分增益KD来衡量，另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。

微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。电动控制器的KD一般为5～10。如果KD

=1，则此时等同于纯比例控制。KD

>1，称为正微分。KD<1的，称为反微分器，它的控制作用反而减弱。这种反微分作用运用于噪音较大的系统中，会起到较好的滤波作用。KPAKPKDApe微分时间TD越大，微分作用越强。由于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制。微分时间TD的测定：先测定阶跃信号A作用下比例微分输出从KDKpA下降到KpA+0.368KpA(KD-1)所经历的时间t，此时t=TD/KD，再将该时间t乘以微分增益KD即可。KPAKPKDApe0.368KpA(KD

-1)例如，当Kp=1，KD=5时，输入偏差变化e=A=2mA,则KDKpA=10mA，KpA+0.368KpA(KD-1)5mA。测定输出从10mA下降到5mA所经历的时间t，则TD=tKD微分作用对过渡过程的影响

从图看出，微分时间太大及太小均不合适，应取适当的数值。由于增加微分作用，可以减小比例度，因而微分时间越大，余差也就越小。一般温度调节系统常需加微分作用，其他系统需要较少。有些系统由于反应太快，可加“反微分”，以降低系统的灵敏度。比例积分微分控制PID在工业生产中，常将比例、积分、微分三种作用规律结合起来，可以得到较为满意的控制质量，包括这三种控制规律的控制器称为比例积分微分三作用控制器，习惯上称为PID控制规律，其理想的输出与输入的关系为：由于PID控制器有比例度δ、积分时间TI、微分时间TD三个参数可供选择，因而适用范围广，在温度和成分分析控制系统中得到更为广泛的应用。各类化工过程常用的控制规律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。本节小结基本控制规律的特性及其表达式比例度对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响微分时间对过渡过程的影响6.3.1模拟式控制器基本结构

模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基本结构包括比较环节、反馈环节、放大器三部分。6.3模拟式控制器比较环节:将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。反馈环节:控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器:

放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。6.3.2DDZ-Ⅲ型电动单元控制器

是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号优点

电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。本信号制的电流-电压转换电阻为250Ω。由于联络信号为1～5VDC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。（2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。

优点

由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。（3）Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源。

优点

各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。

（4）内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。

（5）自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。（6）整套仪表可构成安全火花防爆系统。

（4）内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。

（5）自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。（6）整套仪表可构成安全火花防爆系统。

基型控制器

当控制器处于“自动”状态时，测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为4～20mA直流电流，作为控制器的输出信号，去控制执行器。当控制器处于“保持”状态（即它的输出保持切换前瞬间的数值）时，若同时将控制器切换到“软手动”状态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。当控制器处于“硬手动”状态时，控制器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种控制器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e=X-Z），若测量值大于设定值，称为正偏差；若测量值小于设定值，称为负偏差。当控制器置于“正”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加；置于“反”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，其控制器在“正”、“反”作用下的输出刚好与正偏差的情况相反。控制器还设有“正”、“反”作用开关供选择，以满足控制系统的控制要求使用基型控制器时有几点应注意：正确设置内、外设定开关

“内”设定时，设定电压信号由控制器内部的设定电路产生，操作者通过设定值拨盘确定设定信号大小。在定值控制系统中，控制器应置于“内”设定。“外”设定时，由外部装置提供设定值信号。在随动控制系统中，控制器应置于“外”设定。如串级控制系统中的副控制器设定值由主控制器的输出值提供；比值控制中的从动量控制器设定值由主动量测量值提供。正确设置P、I、D参数。控制器上的PID参数不能任意设置，必须通过参数整定，选择一组合适的PID参数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥作用。

一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控制，待系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控制。

控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定，保证控制系统为负反馈。

输出显示显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供

内给定的调整若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。

手/自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？

手动操作可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出

无扰动切换手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）Kp/Ti/Td的设置改变控制器的特性17图5-18DTL-3110型调节器正面图1—自动-软手动-硬手动切换开关；2—双针垂直指示器；3—内给定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输入检测插孔；12—手动输出插孔数字式控制器与模拟式控制器的异同点：

数字式控制器模拟式控制器构成原理数字技术模拟技术所用器件以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点相同点仪表总的功能和输入输出关系基本一致。

一、概述第四节数字式控制器数字式控制器的特点实现了模拟仪表与计算机一体化将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强

数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。具有和模拟调节器相同的外特性尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（4～20mADC，1～5VDC），可以方便地与DDZ－III型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。具有通讯功能，便于系统扩展数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCS控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PID参数及输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。可靠性高，维护方便在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。6.4.2数字式控制器的基本构成硬件部分

①主机电路②过程输入输出通道③人-机联系部件④通讯部件主机电路ROM存放系统程序。EPROM存放用户程序.RAM存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等多为单片机

是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。

过程输入通道将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。

多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样／保持器。

采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用

A／D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。利用D／A转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模／数转换的。模拟量输入通道开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为