过程控制第3章 控制仪表

过程控制第三章过程控制仪表

控制仪表概述

控制仪表包括:调节器和执行器调节器气动执行器控制仪表模拟表数字表基地式仪表DDZ仪表智能调节器可编程调节器组件组装仪表执行器电动执行器气动控制仪表

(QDZ)：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。能源（140KPa压缩空气）标准信号（20～100KPa气源压力）电动控制仪表：特点：可以实现无滞后的远距离传送，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。标准信号：0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表

4～20mA（DC）电流信号电动Ⅲ型仪表供电:24V（DC）

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

单元组合式仪表(DDZ)12345667仪表按功能划分→独立标准单元→组合（标准信号）可编程调节器：具有比传统模拟仪表更为丰富的运算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块运算处理，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种和复杂控制。广义对象回忆：控制器作用

被控对象

测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动3.1调节器的调节规律

＋－控制器作用：给出输出控制信号，以消除被控变量与给定值之间的偏差。控制效果的好坏很大程度上决定于控制器的性能，也即控制规律的选择。调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。y(t)——被控变量的测量值r(t)——被控变量的给定值

调节器的输出信号：相对于调节器输入信号e的输出的变化量Δu。e(t)=y(t)－r(t)偏差：分析方法：输入e(t)给一个阶跃信号，分析输出信号随时间的变化规律一、比例调节

(P)式中e-为调节器的输入;△u-为调节器的输出;KP为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。KP越大：控制作用越强

比例调节规律:调节器的输出信号变化量与偏差信号成比例et

△u

KPe

t一旦偏差不为0，调节器的输出即刻发生改变。

比例调节的特点：控制作用及时迅速，余差不可避免，因此亦称有差调节。

但是，在工业现场，一般都习惯于用比例度来表示比例作用的强弱比例度的定义：输入信号的相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。

其中：C——仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数C＝1，

KP越大

越小控制作用越？。

xmax－xmin：控制器输入的变化范围，即测量仪表的量程μmax－μmin：控制器输出的变化范围答：越强比例度对控制过程的影响比例度的选择原则:

若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小（系统易稳定）时，比例度选大一点还是小一点？比例度愈大，过渡过程曲线震荡愈小，余差愈大；比例度愈小，过渡过程曲线震荡激烈，可能不稳定。反之，若系统不易稳定，就要选择大的比例度来保证稳定。答：选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。二、比例积分微分调节(PID)

PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。常见对象特点及其常用调节器类型:液位——滞后不大，一般控制要求不高，常用P或PI调节器；流量——滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用PI调节器（一般不能加D）；压力——液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用P或PI调节器，有时可用位式控制；温度——滞后较大，响应较慢，常用PID调节器。

思考题与习题(P135)3－6某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA，若将比例度设为100％，积分时间设为2min，稳态时输出调为5mA，某时刻，输入阶跃增加0.2mA。试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？解：∴变化到的值＝5＋0.7＝5.7mA已知：得：3.2DDZ-III调节器12345667DDZ－III型调节器正面图1－位号牌2－内外给定指示3－内给定设定拨盘4-A/M/H切换5－阀位表6－软手动操作扳键7－双针全刻度指示表功能：①偏差显示②输出显示（也称作阀位表）有两个基型品种：全刻度指示控制器和偏差指示控制器。⑥Kp/Ti/Td的设置投入运行：先手动操作→系统稳定后切换到自动运行。系统不正常或自动部分失灵：切换到手动操作。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⑤手动操作与手/自动双向切换（要求：无扰动切换）④正、反作用的选择（通过正、反作用开关来选择）③提供内给定信号及内、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DDZ－II型仪表（包括调节器）

DDZ一III型仪表（包括调节器）

III型仪表优点

电

源

220VAC24VDC集中供电

仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。

防

爆

隔离防爆

本安型防爆（安全火花型）

故障状态：电流小于35mA，电压小于35VDC，可带电维修。

输出信号

0~10mA4~20mA①电气零点从4mA开始，不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。②只要改变转换电阻阻值，便可接收其他电流信号，例如将10～50mA等直流电流信号转换为l～5V信号。③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。输入信号

0~10mA4~20mA1~5V元器件

分离元件（电阻、电容、晶体管……）

集成电路（运放电路……）

①由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。②由于集成运放有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。③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。

指示表头

单针偏差指示（0~±30%）

有双针全刻度大表头指示（0~100%）

分别指示测量值（红针）、给定值（黑针）手动方式

硬手动

硬手动、软手动

通常都是用软手动操作板键进行手动操作，这样控制平稳精细，只有当需要给出恒定不变的操作信号（例如，阀的开度要求长时间不变）或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下，才使用硬手动操作。

手自动切换

无平衡、无扰动

DDZ-Ⅲ型PID调节器组成框图四种工作状态：①自动②软手动：输出电流与手动输入电压信号成积分关系。③硬手动：输出电流与手动输入电压信号成比例关系。（使输出迅速改变到需要的数值）④保持：调节器的输出处于保持前一时刻状态。

基本构成环节的特性

模拟控制器都是由各种放大器和由电阻、电容构成的基本环节组合而成.电阻RI＋U－RC电容Cq为电容中的电荷量IC＋UC

－DDZ-Ⅲ型调节器的整机电路主要作用:

①对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大(图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端)。VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT②实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以VB=10V参考电压为基准的输出电压VO1。1、DDZ-Ⅲ型调节器输入电路(偏差差动电平移动电路)反相端：对于理想运放,VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT同相端：设为理想运放，Ri→∞

，开环增益A→∞,有IC1

输入电路作用：将比例积分电路输出的以UB为基准的1~5VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的4~20mADC输出电流I0

由于反馈支路中的电流If和晶体管基极电流IB都比较小，可忽略已知：Rf=62.5Ω，当V03=1~5V时，输出电流I0=4~20mA。问：负载电阻RL能不能取1.5K？′40K2、输出电路3、手动操作电路手动操作电路原理图

硬手操的操作旋钮（硬手动操作杆）手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式

软手操当S41按下时：－＋CMUBU03－VRRM1RM2RM1RM2＋VRS41S42S43S44当S42按下时：当S43按下时：当S44按下时：快速上升慢速上升快速下降慢速下降软手操电路:如果S41～S44都不按下的时候，如右图：在实际电路中：CM＝10μF，RM1＝30kΩ，RM2＝470kΩ如果使U03的输出在1～5V全量程范围内变化，则：在快速手操状态下，需要6秒在慢速手操状态下，需要100秒

电容CM上没有电流，CM上的电压保持不变，即U03不变说明该手操电路有很好的保持性。（输出保持：－0.1％/小时）－＋CMUBU03因为

RF=RH=30kΩ所以

U03=－UH－＋CMUBU03RHRFWHUH

硬手操电路

惯性时间常数很小（T=RFCM=0.3s），只需很短时间(<1s)就可达到稳态值。4、无扰动切换（切换前后调节器的输出信号不发生突变）三种控制方式：自动”A”,

软手动”M”：积分输出硬手动”H”：比例输出下面联动的S1作用：使积分电容C1的右端电压恒等于VB，以实现无扰动切换。先平衡再切换方法：切换前，先调整硬手动操作杆，使操作杆的位置与调节器输出指示位置对齐。然