化工仪表第4章1自控控制仪表.ppt

化工仪表及自动化 第四章自动控制仪表 第一节概述 自动控制仪表 控制器 在自动控制系统中的作用是 将被控变量的测量值与给定值相比较 产生一定的偏差 控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算 并将运算结果以一定的信号形式送往执行器 以实现对被控变量的自动控制 图1 4自动控制系统方块图 第一节概述 控制仪表发展的三个阶段 1 基地式控制仪表 它与检测 显示等仪表组装在一起 结构简单 方便 但通用性差 只在特定或小化工厂使用 2 单元组合式仪表中的控制单元 它是单元 变送单元 定值单元 控制单元 显示单元 组合式 则各单元间以统一的标准信号相互联系 3 以微处理器为基元的控制装置 其控制功能丰富 操作方便 很容易构成各种复杂控制系统 目前 有总体分散控制装置 单回路数字控制器 可编程数字控制器 PLC 和微计算机系统等 内容提要 位式控制双位控制具有中间区的双位控制比例控制比例控制规律及其特点比例度及其对控制过程的影响 第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 内容提要 积分控制积分控制规律及其特点比例积分控制规律与积分时间积分时间对系统过渡过程的影响微分控制微分控制规律及其特点比例微分控制系统的过渡过程比例积分微分控制 概论 2 1位式控制 一 双位控制 理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为 双位控制系统 双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时 控制器输出为最小 或最大 而当测量值大于给定值时 则输出为最大 或最小 即控制器只有两个数出值 又称为开关控制 图4 1理想双位控制特性 图4 2双位控制示例 缺点 执行器在频繁工作 容易出现故障 2 1位式控制 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变 便可成为一个具有中间区的双位控制器 见下图 由于设置了中间区 当偏差在中间区内变化时 控制机构不会动作 因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低 延长了控制器中运动部件的使用寿命 图4 3实际的双位控制规律 二 具有中间区的双位控制 图4 4具有中间区的双位控制过程 2 1位式控制 图4 4具有中间区的双位控制过程 2 2比例控制 在双位控制系统中 被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程 为了避免这种情况 应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例 根据偏差的大小 控制阀可以处于不同的位置 这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量 从而使被控变量趋于稳定 达到平衡状态 2 2比例控制 一 比例控制规律及其特点 图4 5简单比例控制系统示意图 比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量 2 2比例控制 如上图 根据相似三角形原理 从例题中发现 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 2 2比例控制 比例度是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 4 5 二 比例度及其对控制过程的影响 1 比例度 输入的最大变化量 输出的最大变化量 2 2比例控制 可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义 比例度就是使控制器的输出变化满刻度时 也就是控制阀从全关到全开或相反 相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数 或者说 使控制器输出变化满刻度时 输入偏差变化对应于指示刻度的百分数 比例度越小则输入变化范围就越小 2 2比例控制 2 2比例控制 当温度变化全量程的40 时 控制器的输出从0mA变化到10mA 在这个范围内 温度的变化和控制器的输出变化p是成比例的 当温度变化超过全量程的40 时 在上例中即温度变化超过40 时 控制器的输出就不能再跟着变化了 这是因为控制器的输出最多只能变化100 所以 比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时 输入偏差改变量占满量程的百分数 2 2比例控制 即 4 6 将式 4 5 改写后得 对于一只具体的比例控制器 仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的 令 2 2比例控制 对一只控制器来说 K是一个固定常数 而 Kp值与 值都可以用来表示比例控制作用的强弱 控制作用强弱 对一个具体比例控制器 放大倍数KP与比例度 成反比 KP越大 则越小 它将偏差 控制器的输入 放大的能力越强 这种放大能力称为控制作用的强弱 反之越弱 即KP越大 表示控制作用越强 而 越大 表示控制作用越弱 2 2比例控制 左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程 图4 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 1 比例控制的优缺点 优点是反应快 控制及时 即有偏差信号输入时 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 缺点 系统有余差 图4 8比例度对过渡过程的影响 2 比例度与系统的稳定性关系 越小 系统控制越强 只能说明控制是及时 并不能说明 越小越好 从比例度对过渡过程的影响可得出 小于临界值时 系统过渡过程为发散振荡 系统不稳定 等于临界值时 系统的过渡过程为等幅振荡 系统处于稳定与不稳定之间 适当时 系统的过渡过程为衰减振荡 系统稳定 太大时 系统的过渡过程为非周期振荡 系统较稳定 总之 越大 过渡过程曲线越平稳 但余差也越大 2 2比例控制 3 最佳取值 如果对象的滞后较小 T 时间常数较大以及放大倍数较小时 控制器的 可以选小些 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 参考资料 讨论 被控对象的放大倍数它是对象的静态参数 对象放大倍数较大时 即对象的输出信号的变化量与输入信号 操纵变量 的变化量之比是比较大 如果对象的放大倍数较小时 控制器的比例度应选择小点 会让系统曲线会更好 控制质量更高 例如 水槽的液位控制系统中 水槽的直径有两种 1 直径为1米 水槽的放大倍数较大 对象的液位变化较灵敏 系统灵敏度也较高 过渡过程基本是衰减振荡过程或等幅衰减振荡过程 如果此时让控制器的比例度设置较小 即是控制器的放大倍数选择较大 这样会让原较灵敏的系统对干扰更加敏锐 更有可能让系统振荡而不稳定 出现发散型振荡 2 直径为10米 水槽的放大倍数相对较小 对象的液位变化相对较迟缓 系统的灵敏度相对来说也较低 过渡过程基本是非周期衰减振荡过程 如果让控制器的比例度设置较小 即是控制器的放大倍数选择较大 这样会让原不灵敏的系统更加灵敏 让系统更加稳定 出现衰减振荡过程 2 3积分控制 一 积分控制规律及其特点 当对控制质量有更高要求时 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 当输入偏差是常数A时 积分控制器特性 2 3积分控制 积分控制器组成的控制系统可以达到无余差 2 3积分控制 二 比例积分控制规律与积分时间 图4 10比例积分控制规律 积分控制的控制作用是随时间积累才逐渐增强的 所以控制动作缓慢 会出现控制不及时 因此常把比例与积分组合起来 控制及时 同时消除余差 2 3积分控制 积分时间TI 则 4 9 若偏差是幅值为A的阶跃干扰 在时间t TI时 有 2 3积分控制 三 积分时间对系统过渡过程的影响 积分时间TI越小 积分速度KI越大 积分作用越强 反之 积分时间越大 积分作用越弱 若积分时间无穷大 就没有积分作用 成为纯比例控制器 积分时间对过渡过程的影响此图是比例积分控制规律 积分时间TI太小时 曲线振荡剧烈 其振幅较大 频率较小 TI太大时 积分作用不明显 只有TI适当时 才能消除余差 图4 11积分时间对过渡过程的影响 2 3积分控制 比例积分控制器对于多数系统都可采用 比例度和积分时间两个参数均可调整 当对象滞后很大时 可能控制时间较长 最大偏差也较大 负荷变化过于剧烈时 由于积分动作缓慢 使控制作用不及时 此时可增加微分作用 在工程上 一般是先确定好了一个大约的比例度 然后保持比例度不变情况下 加积分作用 特别是积分应从积分时间较大开始 逐步减小积分时间 除稳定性外 指标全好 但实际应用中 应保证一定衰减比 即保证未加积分时比例作用下的衰减比 2 4微分控制 一 微分控制规律及其特点 微分控制规律特点 只要出现变化趋势 马上就进行控制 所以它具有超前控制能力 但是输出不能反映大小 即使偏差再大 微分作用出没有输出 所以不能单独使用 2 4微分控制 二 比例微分控制系统的过渡过程 比例微分控制器的输出p等于比例作用的输出pP与微分作用的输出pD之和 改变比例度 或Kp 和微分时间TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱 说明 比例微分控制器特性 2 4微分控制 图4 14微分时间对过渡过程的影响此图是比例微分控制规律 微分作用具有抑制振荡的效果 可以提高系统的稳定性 减少被控变量的波动幅度 并降低余差 微分作用也不能加得过大 TD太大时 系统振荡加剧 但其振荡的幅度不大 可是频率较高 TD太小时 微分作用不明显 只有TD适当时 系统才比较平衡 微分控制具有 超前 控制作用 2 4微分控制 四 比例积分微分控制 同时具有比例 积分 微分三种控制作用的控制器称为比例积分微分控制器 4 12 2 4微分控制 PID控制器输出特性 例题分析 1 目前 在化工生产过程中的自动控制系统 常用控制器的控制规律有位式控制 比例控制 比例积分控制 比例微分控制和比例积分微分控制 试综述它们的特点及使用场合 解 列表分析如下 例题分析 1 2 3 例题分析 2 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 解 对于PI控制器 其输入输出的关系式为 将输出分为比例和积分两部分 分别画出后再叠加就得到PI控制器的输出波形 比例部分的输出为 当Kp 2时 输出波形如图 a 所示 积分部分的输出为 例题分析 输出曲线图 当Kp 2 TI 0 5min时 故pI输出波形如图 b 所示 将图 a b 曲线叠加 便可得到PI控制器的输出 如图 c 所示 3 某台DDZ III型比例积分控制器 比例度为100 积分时间为2min 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 输出将为多少mA 解 对于DDZ III型控制器输入和输出范围相同 均为4 20mA 比例系数KP 1 1 根据得 I0 0 7mA即输出将由5mA变为5 7mA 4 某台DDZ III型比例积分控制器 比例度为200 稳态时 输出为5mA 某瞬间 输入突然增加了0 5mA 经过30s后 输出由5mA变为6mA 试问该控制器的积分时间为多少 解 对于DDZ III型控制器输入和输出范围相同 均为4 20mA 比例系数KP 1 0 5 根据积分时间TI 10s 第三节模拟式控制器 一 概述 模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号 基本功能 PID运算功能测量值 给定值与偏差显示输出显示手动与自动的双向切换内 外给定信号的选择正 反作用的选择 控制器的作用 第三节模拟式控制仪表 二 DDZ 型电动控制器 1 DDZ 型仪表的特点 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250 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 第三节模拟式控制仪表 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 模拟控制器 晶体管计算机 微型计算机 第三节模拟式控制仪表 3 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 第三节模拟式控制仪表 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 第三节模拟式控制仪表 图4 17DDZ 型控制器结构方框图 主要由输入电路 给定电路 PID运算电路 自动与手动 包括硬手动和软手动两种 切换电路 输出电路及指示电路等组成 型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种 图4 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