化工仪表及自动化第四章 自动控制仪表

化工仪表及自动化课件第四章自动控制仪表第一页，共五十五页，2022年，8月28日本章内容第一节概述

第二节基本控制规律及其对系统过渡过程影响第三节模拟式控制器第二页，共五十五页，2022年，8月28日

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第一章概述第三页，共五十五页，2022年，8月28日一、控制系统按被调参数的变化规律分类：定值控制系统：给定值为常数；随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化；程序控制控制系统：按预定时间顺序控制参数。二、控制目的的实现：通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出——简单；将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控制控制器动作，直至差值达到允许的误差范围。第四页，共五十五页，2022年，8月28日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。三、控制仪表的分类按使用的能源不同分为气动控制仪表和电动控制仪表。第五页，共五十五页，2022年，8月28日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。第六页，共五十五页，2022年，8月28日一般与检测装置、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

从控制仪表的发展来看，大体经历了基地式控制仪表、单元组合式仪表的控制单元和以微处理器为基元的控制系统

第七页，共五十五页，2022年，8月28日单元组合式仪表的控制单元

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；第八页，共五十五页，2022年，8月28日

单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。组件组装式仪表第九页，共五十五页，2022年，8月28日

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。

微处理器为基元的控制装置第十页，共五十五页，2022年，8月28日第二节基本控制规律及其对系统过渡过程影响信号制----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电流信号作为电动Ⅱ型仪表

4～20mA电流信号

1～5V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

第十一页，共五十五页，2022年，8月28日控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。按控制目标分类：位式控制：在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态；连续控制：根据测量值与设定值的差异（差值）连续调整输出（控制参数）。

被控对象

测量变送控制器执行器被控变量第十二页，共五十五页，2022年，8月28日控制规律

控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。通常是在控制器的输入端加入一个阶跃信号,研究其输出信号变化情况。研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开，即只单独研究控制器本身的特性。

被控对象

测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动第十三页，共五十五页，2022年，8月28日

在控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：

控制器的控制规律就是指控制器的输出信号p与e之间的函数关系。

p=f(e)=f(z-x)

第十四页，共五十五页，2022年，8月28日

在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。控制器的基本控制规律有位式控制、比例控制（p）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式。第十五页，共五十五页，2022年，8月28日

不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律，要选用合适的控制器，首先必须了解常用的几种常用控制规律的特点与使用条件，然后，根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。第十六页，共五十五页，2022年，8月28日

双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时，控制器输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即控制器只有两个输出值。一、双位控制ep第十七页，共五十五页，2022年，8月28日

实际应用的双位控制器具有一个中间区，被控参数在中间区时，控制机构不工作，当参数上升至测量值高于给定值某一数值后，控制机构才关；当参数下降至测量值低于给定值某一数值后，控制机构才开，这样，控制机构开关的频率程度大为降低，从而起到保护的作用。第十八页，共五十五页，2022年，8月28日控制规律AB断开，低位，开启阀门；AC导通，高位，关闭阀门。控控制结果：将液位限制在BC之间。ABC断开第十九页，共五十五页，2022年，8月28日双位控制的过渡曲线ptytyHyL第二十页，共五十五页，2022年，8月28日双位控制器电路举例24VDC0ABC控ABCAB断开——阀门开启；AC接通——阀门关闭CB电磁阀第二十一页，共五十五页，2022年，8月28日二、连续控制——PID控制根据输入量与设定值差异的大小连续调整输出量的大小。分类：P控制——比例控制PI控制——比例积分控制PD控制——比例微分控制PID控制——比例微分积分控制第二十二页，共五十五页，2022年，8月28日p

在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量的偏差值成比例。即：

1、比例控制第二十三页，共五十五页，2022年，8月28日

具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，其输出信号变化量P与偏差信号e之间成比率关系。即：

Kp为放大倍数工业上常用比例度δ代替

第二十四页，共五十五页，2022年，8月28日

仪表量程

控制器的输出范围

比例度δ-----指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。即：

第二十五页，共五十五页，2022年，8月28日若输出与输入都为标准对象，则

即：

第二十六页，共五十五页，2022年，8月28日tQ2t0tt0htt0ptt0Q1tt0e第二十七页，共五十五页，2022年，8月28日

比例控制的特点：反应快，控制及时，控制结果有余差。有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。即：

第二十八页，共五十五页，2022年，8月28日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，那么可以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。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。第二十九页，共五十五页，2022年，8月28日KP（）值的影响KP值过大（值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度控制，产生大幅振荡。KP值过小（值过大）系统反应过于迟钝，控制时间长，余差大。KP值（值）适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。第三十页，共五十五页，2022年，8月28日

积分控制作用的输出变量p与输入偏差e的积分成正比。2、积分控制（I）tteP式中KI是积分速度，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。当输入偏差是常数A时，则

积分作用能够消除余差，与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢。第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日

在阶跃信号作用下（幅值为A)PI输出响应由比例和积分两部分组成

当t=TI+p=2KPAPI控制器的输出随时间变化的表达式为ttepTI由此可确定积分速度。KpA2KpA第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日

积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。

积分时间越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日积分时间对过渡过程的影响

左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线２就比较理想。第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：

在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。et0t0∞tt

微分控制器输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分时间越长，微分作用越强。微分时间3、微分控制（D）第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日

对PID控制器而言，当积分时间TI→∞时，控制器呈PD控制特性。此时输出与输入的关系如式所示。tetp理想PD控制器的阶跃响应曲线

比例微分控制规律第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日微分时间对过渡过程的影响能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。

PD控制优点第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日

一般只适应于时间常数较大的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。

PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。PD控制不足之处第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。

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。PID阶跃响应特性曲线

比例积分微分控制规律第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日第四十页，共五十五页，2022年，8月28日第三节模拟式控制器

控制器的作用是将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算、并将运算结果以一定信号形式送去执行器，以实现对于被控变量的自动控制。

被控对象

测量变送控制器执行器被控变量设定值扰动第四十一页，共五十五页，2022年，8月28日

模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。第四十二页，共五十五页，2022年，8月28日一、电动控制仪表基本构成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。放大器将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。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反馈环节将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。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。给定信号比较环节测量信号偏差放大器输出信号反馈环节-第四十三页，共五十五页，2022年，8月28日

二、DDZ-Ⅲ型电动单元控制器

是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或传感器的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。整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。第四十四页，共五十五页，2022年，8月28日

有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。

第四十五页，共五十五页，2022年，8月28日

采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。

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1.结构原理输入电路PD电路PI电路输出电路软手动电路硬手动电路显示电路内给定电路给定显示外给定值测量信号输出信号

控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。第四十七页，共五十五页，2022年，8月28日

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。第四十八页，共五十五页，2022年，8月28日

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。控制器还设有“正”、“反”作用开关供选择，以满足控制系统的控制要求。控制器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e=Z-X），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