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第3节控制仪表上

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节 控制仪表
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过程控制系统与仪表 第3章 第3章 控制仪表 控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被 控变量的测量值和给定值进行比较,得出偏差后, 按一定的调节规律进行运算,输出控制信号,以推 动执行器动作,对生产过程进行自动调节。 控制仪表按工作能源分类有: 1、 电动仪表 以220VAC或24VDC作为工作能源,其输入输 出信号均采用0~10mA或4~20mA的标准信号。 过程控制系统与仪表 第3章 2、气动仪表 以140kPa的气压信号作为工作能源,其输入 输出信号均采用20~100kPa的标准气压信号。 3、自力式仪表 h Q1 Q2 不需要专门 提供工作能源。 例:自力式 液位调节器 过程控制系统与仪表 第3章 控制仪表的发展基本上分为三个阶段: 1、基地式仪表 q 将检测、控制、显示功能设计在一个整体内 ,安装在现场设备上。 q安装简单、使 用方便。但一般通 用性差,只适用于 小规模、简单控制 系统。 过程控制系统与仪表 第3章 2、单元式组合仪表 q单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分 成若干单元(例变送单元、给定单元、控制单元 、显示单元等),每个单元只完成其中的一种功 能。 q其中的控制单元是接受测量与给定信号,然 后根据它们的偏差进行控制运算,运算的结果作 为控制信号输出。 q各个单元之间以统一的标准信号相互联系。 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅱ电动仪表 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅱ气动仪表 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅲ电动调节器 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-S单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-S单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅲ 组装仪表 过程控制系统与仪表 第3章 3、以微处理器为中心的控制仪表(装置) 内设微处理器,控制功能丰富,很容易构成各 种复杂控制系统。 在自动控制系统中广泛应用的有: q工业控制计算机(DDC) q集散控制装置(DCS) q单回路数字控制器(SLPC) q可编程数字控制器(PLC) q现场总线控制装置(FCS) 过程控制系统与仪表 第3章 过程控制系统与仪表 第3章 过程控制系统与仪表 第3章 YS100单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 YS80单回路调节器 过程控制系统与仪表 第3章 CENTUM-XL综合控制系统 过程控制系统与仪表 第3章 3.1基本控制规律及特点 所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏 差信号之间的关系。 控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和 内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号 和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号 e ,它 是设定值信号 r 与测量信号 x 之差。 y = f (e) e = r – x 或 e = x - r 过程控制系统与仪表 第3章 控制规律有断续控制和连续控制两类: 一、断续控制——控制器输出接点信号,如双 位控制、三位控制。 二、连续控制——控制器输出连续信号,如比 例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分 微分控制。 3.1.1 双位控制 双位控制器只有两个输出值,相应的执行机构 只有开和关两个极限位置,因此又称开关控制。 过程控制系统与仪表 第3章 理想的双位控制器输出 y 与输入偏差 e 之间的 关系为: e 0 (或e 0)时 理想的双位控制特性 ymax ymin e y 有中间区的双位控制特性 ymax ymin e y 过程控制系统与仪表 第3章 加了参考电压电压的滞回比较较器: 过程控制系统与仪表 第3章 过程控制系统与仪表 第3章 例1:温度双位控制系统: 温度低于给定值时,温控器输出高电平,继电 器吸合,加热器通电加热;温度高于给定值时,温 控器输出低电平,继电器断开,加热器断电。 ~ 220V 进水 出水 过程控制系统与仪表 第3章 二位式控制器电路原理框图: 测量信号 给定信号 - + + ∞ U0 是一种最简单的调节器,根据被调量偏差符 号的正、负,输出只有两个位置,高电平或低电平 ,可以当一个电子开关用。 过程控制系统与仪表 第3章 有中间区的双位控制效果: 被控温度在T0 上下振荡,无法稳定。 理想双位控制效果: t y T T0 t t y T T0 t 过程控制系统与仪表 第3章 三位控制: 控制器有三个输出位值,可以控制两个继电器。 yma x ymin e y e2e1 测量信号 给定1 - + + ∞ U01 - + + ∞ U02 给定2 三位控制器电路原理框图: 过程控制系统与仪表 第3章 例2:温度三位控制系统 温度低于T1时,温控器使继电器1、2都吸合, 加热器1、2都通电加热;温度高于T1低于T2时,温 控器使继电器1吸合、继电器2断开,只有加热器1通 电;温度高于T2时,继电器1、2都断开。 J1 J2 T2 T1 1 2 2 220V 进水 出水 过程控制系统与仪表 第3章 温度三位控制效果:温度偏差大时,升温速度 快;温度偏差小时,小幅调整。 t y T T2 T1 t 要使调节过程平稳准确,必须使用输出值能连 续变化的调节器。 过程控制系统与仪表 第3章 传递函数为 3.1.2 比例控制(P) 控制器输出y(t)和偏差信号e(t)成比例关系 Kp——比例增益 + - P y e 被控变量 测量值x 被控变量 给定值xr 过程控制系统与仪表 第3章 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Q2加大,造成水位下降,则浮 球带动活塞提高,使Q1加大才能阻止水位下降。  如果e = 0,则活塞 无法提高,Q1 无法加 大,调节无法进行。 例:自力式液位比例控制系统: 过程控制系统与仪表 第3章 比例控制过程 ∆Q2 h t e p ∆Q1 t t t t 原来系统处于平衡, 进水量与出水量相等,此 时进水阀有一开度。 t=0时,出水量阶跃增 加,引起液位下降,浮球 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 水量相等时,系统重新平 衡,液位也不再变化。 过程控制系统与仪表 第3章 v 比例控制的特点 q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。 q控制结果存在静差。 y = KP e 比例调节作用是以偏差存在为前提条件,不可 能做到无静差调节。 过程控制系统与仪表 第3章 1、比例作用什么时候会产生控制作用? 2、为什么偏差会稳定再某一个值呢? 3、余差是多少呢? 4、纯比列调节一定有余差吗? 过程控制系统与仪表 第3章 Ø比例作用并不是偏差存在就会产生控制变化,而 是当偏差发生变化时才会发生控制作用。 Ø为什么偏差会稳定再某一个值呢?那就是当偏差* 比列增益=前一次OUT时,明显当达到此平衡点时,控 制作用和前一次一样,而且偏差也不发生变化; Ø余差是多少呢?1/K+1(由终值定理可推出,应用 到实际时就以K成反比) Ø纯比列调节一定有余差吗?当然不是,这个结论 有一个巨大的前提条件,就是调节对象为自平衡对象( 不含积分环节的对象);如果纯比列调节应用到一个非 自衡对象(如有积分环节的液位),就没有余差,原理 就是对象的积分环节与控制器是串联的,也可以看成是 调节器的积分作用。 过程控制系统与仪表 第3章 在实际的比例控制器中,习惯上使用比例度P来表 示比例控制作用的强弱。 所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值 与相应的输出相对变化值之比,用百分数表示。 式中e为输入偏差;y为控制器输出的变化量; (xmax - xmin)为测量输入的最大变化量,即控制器 的输入量程;(ymax –ymin)为输出的最大变化量, 即控制器的输出量程。 过程控制系统与仪表 第3章 如果控制器输入、输出量程相等,则: 比例度: y x xr xmax xmin ymin ymax 比例度除了表 示控制器输入和输 出之间的增益外, 还表明比例作用的 有效区间。 过程控制系统与仪表 第3章 比例度P的物理意义: 使控制器输出变化100%时,所对应的偏差变 化相对量。如P=50%表明: 控制器输入偏差 变化50% ,就可使控 制器输出变化100%, 若输入偏差变化超过 此量,则控制器输出 饱和,不再符合比例 关系。 y x xr 0 100% 50% xmaxxmin P=50% P=100% 过程控制系统与仪表 第3章 例 某比例控制器,温度控制范围为400~800℃, 输出信号范围是4~20mA。当指示指针从600℃变 到700℃时,控制器相应的输出从8mA变为16mA。 求设定的比例度。 解 答 温度的偏差在输入量程的50%区间内 (即200℃)时,e和y是2倍的关系。 y/mA x/ ℃ e 4 20 800400 P=50% 过程控制系统与仪表 第3章 3.1.3 比例积分控制(PI) 当要求控制结果无余差时,就需要在比例控制的 基础上,加积分控制作用。 (1) 积分控制(I) 输出变化量y与输入偏差e的积分成正比 当e是幅值为E的阶跃时 TI —积分时间 e E t t y 过程控制系统与仪表 第3章 q积分作用具有保持功能 ,故积分控制可以消除余差 。 q积分输出信号随着时间 逐渐增强,控制动作缓慢, 故积分作用不单独使用。 v 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 减小);当偏差消失时,输出能保持在某一值上。 e E t t y 过程控制系统与仪表 第3章 若将比例与积分组合起来,既能控制及时,又 能消除余差 。 (2) 比例积分控制(PI) 若偏差是幅值为E的阶跃干扰 e E t t y 过程控制系统与仪表 第3章 3.1.4 比例微分控制(PD) 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。 式中:TD — 微分时间 — 偏差变化速度 理想微分 (1) 微分控制(D) e E t t y 过程控制系统与仪表 第3章 q 微分作用能超前控制。 在偏差出现或变化的瞬间, 微分立即产生强烈的调节作 用,使偏差尽快地消除于萌 芽状态之中。 q微分对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。 必须和P或PI结合,组成PD控制或PID控制。 v 微分控制的特点 e E t t y 过程控制系统与仪表 第3章 (2)比例微分控制(PD) 理想的比例微分控制 e A t t y t y 理想微分作用持续时间 太短,执行器来不及响应。 一般使用实际的比例微分作 用。 过程控制系统与仪表 第3章 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。 3.1.5 比例积分微分控制(PID) 过程控制系统与仪表 第3章 q PID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。 e t t y 3.2 模拟式控制器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展 经历了Ⅰ型(用电子管)、Ⅱ型(用晶体管)和Ⅲ 型(用集成电路)。 过程控制系统与仪表 第3章 V03 t 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.1 DDZ-Ⅲ型仪表的特点 1)采用统一信号标准:4~20mA DC和1~5V DC。 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、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。 2)广泛采用集成电路,仪表的电路简化、精度提高 、可靠性提高、维修工作量减少。 3)可构成安全火花型防爆系统,用于危险现场。 过程控制系统与仪表 第3章 1-双针垂直指示器 2-外给定指示灯 3-内给定设定轮 4-自动—软手动—硬手动 切换开关 5-硬手动操作杆 6-输出指示器 7-软手动操作板键 3.2.2 DDZ- Ⅲ型控制器的 组成与操作 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅲ基型调节器的主要功能电路有:输入 电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动(硬 手动和软手动)切换电路、输出电路及指示电路。 输入 电路 PD电路PI电路 输出 电路 测量 外给 内给定电路给定值指示 输出指示 软手动 电路 硬手动 电路 测量值指示 内给 S6 S1 MH A 图3.11 DDZ-Ⅲ型调节器结构方框图 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.3全刻度指示调节器的线路实例 过程控制系统与仪表 第3章 输入电路的首要任务是求偏差 e : V01 = k ( V给定- V测量 ) 3.2.3.1输入电路 过程控制系统与仪表 第3章 因测量信 号Vi和给定信 号Vs分别通过 双臂电阻差模 输入到运放A1 的同相和反相 输入端。可列出两输入节点的电流方程: 过程控制系统与仪表 第3章 而 V+≈V- 则 V01 = -2(Vi- VS) 得 过程控制系统与仪表 第3章 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1~5V的测量信号不受衰减, (2) 求偏差 Vi – VS,进行偏差运算。 (3)将偏差放大 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。 电路的特点 (1)输入阻抗高 过程控制系统与仪表 第3章 (4) 消除传输线上压降的影响 DDZ-Ⅲ采用共用电源,在Vi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时 不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻的影响。 过程控制系统与仪表 第3章 (5) 进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号,而运放IC 器件+24VDC供电时,其正常输入、输出信号电压范 围应在2~19V。为使运算信号符合要求,必须将基 准电压从0V抬高到VB =10V ,即进行电平移动。 过程控制系统与仪表 第3章 因为 Vs = 1~5V, VCM1 = VCM2 = 0~1V 则 显然,IC不能正常放大。 如果 VB = 0 VB = 10V时, V+ = V- = 3.7~5.7V 保证了IC共模 电压在允许范围之 内,能正常放大。 V+ V- 过程控制系统与仪表 第3章 而且 VB = 0时,VO1 = -2(Vi-VS)= -8~+8V 也不符合后面PID电路IC的范围要求。 VB = 10时:VO1= -2(Vi-VS ) = 2~18V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。 + - 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.3.2 PID运算电路 由PI和PD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 都是以VB=10V为基准起算的。 PIPD 过程控制系统与仪表 第3章 1、 PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与 不用。开关S8打向“断”时,构成 P电路;开关S8打 向“通”时,构成 PD电路。 过程控制系统与仪表 第3章 qPD传递函数 ID 得 过程控制系统与仪表 第3章 式中: —微分时间常数 ID 又因 得 实际微分因子 过程控制系统与仪表 第3章 q 阶跃响应 当V01为阶跃信号时,V02的阶跃响应为 V02 TD/n αV01/n 63% t 可见,此电 路的微分是实际 的微分。 过程控制系统与仪表 第3章 当 S8 置于“断”时,微分被切除,A2只作比例 运算。有 这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端 ,使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“ 通”时,保证无扰动切换。 过程控制系统与仪表 第3章 2、PI电路分析 PI电路以A3为核心组成,开关S3为积分时间倍乘开关 。当S3打向×1档时,1K电阻被悬空,不起分压作用 ;当S3打向×10档时,1K电阻接到基准线,静态V02 被分压输入。 由于10μF电电容 积分需要较大电流, 在A3输出端加一功放 三极管。 过程控制系统与仪表 第3章 则 qPI传递函数 IC负输入端节点电流方程(S3置于×10档): 过程控制系统与仪表 第3章 传函为 设: Ti = mRICI — 积分时间常数 S3打向×10档时: m=10 S3打向×1档时: m=1 过程控制系统与仪表 第3章 q 阶跃响应 当V02为阶跃信号时,V03的阶跃响应为 t V03 (C I /CM)V02 -V03 t 理想运放时 实际运放时 过程控制系统与仪表 第3章 3、PID运算电路的传递函数 输入电路: V01 = -2(Vi- VS) PD电路: PI电路: PID运算是上述三个环节的串联而成。 过程控制系统与仪表 第3章 干扰系数 q PID传递函数 令: 比例度 微分增益 则: 过程控制系统与仪表 第3章 (1)若TDKD,则则上式分母实际实际 微分项项近似为为1 若TD TI,则 这时 成为理想的PID 过程控制系统与仪表 第3章 (2) 调节器的实际比例度为P/F,实际微分 时间为TD /F,实际积分时间为FTI。 说明三个参数 调整时互相干扰,造成调节器整定参数的刻度无法 准确。 各参数的实际值与F = 1时相差25%。 例:当TI / TD = 4时, 过程控制系统与仪表 第3章 q阶跃响应 整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项 三部分组成。 调节范围:P =2~500%, TD=0.04~10分 TI =0.01~2.5分 (×1档), TI =0.1~25分 (×10档) V03 t 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.3.3输出电路 其任务是将PID电路输出电压VO3 =1~5V变换为 4~20mA的电流输出,并将基准电平移至0V。 在A4后面用VT1、VT2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 特性。 过程控制系统与仪表 第3章 取: R3 = R4=10KΩ,R1 = R2 = 4R3 由V+≈V-得 q转换关系 过程控制系统与仪表 第3章 则而 若取 R1 = 4(R3+ Rf)= 40.25KΩ时, 可以精确获得关系: 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.3.3 手动操作电路及无扰切换 通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动 操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。 A→M无冲击 1. A、M间的切换 S1从A切换到M时: 断开A3的输入 CM无放电回路 VO3保持不变 过程控制系统与仪表 第3章 S42闭合→-VM接入——按TI =100s的时间积分 S41闭合→-VM接入——按TI =6s的时间积分 同理,S43(或S44)闭合→+VM接入——反向积分 用这种手 动操作来改变 调节器输出, 信号变化比较 缓和,称为 “软手动”。 过程控制系统与仪表 第3章 2.A、H间的切换 当切换开关S1由自动位置A, 切向硬手动 H 时,放大器A3 接成具有惯性的比例电路。 由于CM充 电迅速,A3 的输出近似 为比例电路 。 过程控制系统与仪表 第3章 v 传递函数 时间常数 T = RFCM =30×103×10×10-6 = 0.3s 可见,VH 改变时,VO3很快达到新的稳态值。 vA→H前,须先调RPH与当时的VO3一致,才能 做到无扰动切换。 M→H也同样。 过程控制系统与仪表 第3章 3.M、H→A间的切换 S1由A切向M或H时,联动开关同时将积分电容 CI接VB,使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A 时,由于电压没有突变,切换也是无扰动的。 自动(A) 软手动(M) 无扰 无扰 硬手动(H) 无扰有扰 总结: 过程控制系统与仪表 第3章 3.2.3.4 测量及给定指示电路 用动圈表头来指示测量值和给定值。S5切换到“ 标定”时,可进行示值标定。 流过动圈表头的电流为 过程控制系统与仪表 第3章 DDZ-Ⅲ型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还 有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。 过程控制系统与仪表 第3章 小结 模拟式 调节器 基本控制 规律及特点 DDZ-Ⅲ 基型调节器 PD P 位式 输入电路 运算电路 输出电路 A、M、H电路 指示电路 PI PID
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