环境工程仪表及自动化项目八环境工程控制仪表的认识与使用.ppt

能力目标 知识目标 掌握控制规律的定义 类型及特点掌握常用控制仪表结构组成 工作原理掌握控制仪表的选择方法 使用及校验方法 能根据要求选择合适的控制仪表能根据要求选择合适的控制仪表 并正确校验能正确使用控制仪表 项目导学污水处理过程控制主要任务有两个 一个是污水处理过程中水量 水质波动造成的出水水质不稳定 实时控制可以根据进水的时变特征调整运行参数 保证出水水质的稳定 一个是利用过程控制 优化运行过程中的控制参数 尽可能地减少反应器容积 缩短水的停留时间 或是优化控制曝气量 节省能耗 自动控制仪表 常称为控制器或调节器 是构成自动控制系统的基本环节 它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 再对该偏差进行一定的数学运算后 将运算结果以一定的信号形式 控制信号 送往执行器 以消除偏差实现对被控变量的自动控制 本项目主要学习环境工程中常用控制仪表的结构组成 工作原理 选择方法 使用及校验方法等知识与技能 学习内容 任务一PID调节器的认识与使用任务二C3000数字式控制器的认识与使用 任务一PID调节器的认识与使用 一 常见控制规律所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系 研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开的 即只在开环时单独研究控制器本身的特性 控制器的控制规律有 基本控制规律 位式控制 其中以双位控制比较常用 比例控制 P 积分控制 I 微分控制 D 以及它们的组合形式 比例积分控制 PI 比例微分控制 PD 和比例积分微分控制 PID 其中PID控制规律的应用率占到了85 以上 一 比例控制 P 对于具有比例控制规律的控制器 称为比例控制器 其输出信号p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 e之间成比例关系 即p Kpe所谓比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数 用式子表示为 任务一PID调节器的认识与使用 式中 e 输入变化量 p 相应的输出变化量 输入的最大变化量 即仪表的量程 输出的最大变化量 即控制器输出的工作范围 任务一PID调节器的认识与使用 任务一PID调节器的认识与使用 图8 2比例度示意图 比例控制的优点是反应快 控制及时 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 由图可见 比例度越大 即KP越小 过渡过程曲线越平稳 但余差也会越大 比例度越小 则过渡过程曲线越振荡 比例度过小时就可能出现发散振荡 任务一PID调节器的认识与使用 图8 4比例度对过渡过程的影响 任务一PID调节器的认识与使用 二 比例积分 PI 控制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 常常把比例与积分组合起来 这样控制既及时 又能消除余差 经常采用积分时间TI来代替KI 若偏差是幅值为A的阶跃干扰 即e A 可得 任务一PID调节器的认识与使用 积分时间T1越短 积分速度K1越大 积分作用越强 反之 积分时间越长 积分作用越弱 若积分时间为无穷大 就没有积分作用 成为纯比例控制器了 图8 5比例积分控制器特性 任务一PID调节器的认识与使用 在同样比例度下积分时间TI对过渡过程的影响 TI过大 积分作用不明显 余差消除很慢 曲线3 TI小 易于消除余差 但系统振荡加剧 曲线2适宜 曲线1就振荡太剧烈了 比例积分控制器对于多数系统都可采用 比例度 或放大倍数KP 和积分时间TI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 图8 6积分时间对过渡过程的影响 任务一PID调节器的认识与使用 三 比例微分 PD 控制PD控制规律为 实际比例微分控制规律的数学表达式为式中 KD为微分增益 微分放大倍数 控制器的输出变化量用 p表示 上式中若将KD取得较大 可近似认为是理想比例微分控制 在幅度为A的阶跃偏差信号作用下 实际PD控制器的输出为 式中T TD KD 根据上式可得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 任务一PID调节器的认识与使用 图8 7阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性 图8 8实际比例微分控制器微分时间测定 任务一PID调节器的认识与使用 微分作用按偏差的变化速度进行控制 其作用比比例作用快 因而对惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量 减小最大偏差 节省控制时间 微分作用力图阻止被控变量的变化 有抑制振荡的效果 但如果加得过大 由于控制作用过强 反而会引起被控变量大幅度的振荡 微分作用的强弱用微分时间来衡量 微分时间TD越大 微分作用越强 TD越小 微分作用越弱 TD 0时 微分作用就没有了 图8 9微分时间对过渡过程的影响 任务一PID调节器的认识与使用 四 比例积分微分 PID 控制比例积分微分 PID 控制规律表达式为 在幅度为A的阶跃偏差信号作用下 实际PID控制可视为比例 积分和微分三种作用的叠加 即 任务一PID调节器的认识与使用 PID控制规律综合了各种控制规律的优点 具有较好的控制性能 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 图8 10PID控制器特性 任务一PID调节器的认识与使用 二 模拟式控制仪表 一 概述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 1 比较环节控制器首先要通过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 2 反馈环节控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的 在电动控制器中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 3 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 任务一PID调节器的认识与使用 二 DDZ 型控制器 型控制器的特点是 1 采用高增益 高阻抗线性集成电路组件 提高了仪表精度 稳定性和可靠性 降低了功耗 2 由于采用集成电路 扩展了功能 在基型控制器的基础上可增加各种功能 3 整套仪表可以构成安全火花型防爆系统 而且增加了安全单元 安全栅 实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离 4 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 5 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250 任务一PID调节器的认识与使用 在使用基型控制器时有几点应注意 正确设置内 外给定开关 内 给定时 设定电压信号由控制器内部的给定电路产生 操作者通过设定值拨盘确定给定信号大小 在定值控制系统中 控制器应置于 内 给定 外 给定时 由外部装置提供给定值信号 在随动控制系统中 控制器应置于 外 给定 如串级控制系统中的副控制器给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给定值就是由主动量测量值提供 任务一PID调节器的认识与使用 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 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 返回 任务实施 在实训现场 结合所学知识 学生以小组为单位自主练习 主要内容及要求 1 了解DDZ 型控制器的外形和基本结构 观察控制器的正面板和侧面板的布置 了解各可调旋钮 可动开关的作用 2 学习基型控制器的正确操作使用方法 学习讨论 1 控制器面板上有哪些显示表头 可显示何种信息 有哪些可动旋 按 钮或开关 各有何用途 2 控制器侧面板上有哪些旋钮 开关 各有何用途 3 控制器如何进行手动操作 4 手动 自动无扰动切换 何时为无平衡 何时为有平衡 5 如何用PID三作用控制器实现纯比例控制 PI控制 PD控制 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 一 数字式控制器的主要特点 1 实现了模拟仪表与计算机一体化将微处理机引入控制器 充分发挥了计算机的优越性 使控制器电路简化 功能增强 提高了性能价格比 同时考虑到人们长期以来习惯使用模拟式控制器的情况 数字式控制器的外型结构 面板布置保留了模拟式控制器的特征 使用操作方式也与模拟式控制器相似 2 具有丰富的运算控制功能数字式控制器有许多运算模块和控制模块 用户根据需要选用部分模块进行组态 可以实现各种运算处理和复杂控制 数字式控制器的运算控制功能大大高于常规的模拟控制器 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 3 使用灵活方便 通用性强数字式控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号 4 20mA直流电流 1 5V直流电压 可以方便地与DDZ 型仪表相连 同时数字式控制器还有数字量输入输出 可以进行开关量控制 用户程序采用 面向过程语言 POL 编写 易学易用 4 具有通讯功能 便于系统扩展通过数字式控制器标准的通讯接口 可以挂在数据通道上与其它计算机 操作站等进行通讯 也可以作为集散控制系统的过程控制单元 5 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 减少了硬件连接 同时控制器所用元件高度集成化 可靠性高 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 二 控制器的基本构成模拟调节器只由模拟元器件构成 它的功能也完全是由硬件构成形式所决定 因此其控制功能比较单一 而数字式控制器由以微处理器为核心构成的硬件电路和由系统程序 用户程序构成的软件两大部分组成 其控制功能主要是由软件所决定 一 数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路由主机电路 过程输入通道 过程输出通道 人机接口电路以及通信接口电路等部分组成 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 图8 13数字式控制器的硬件电路 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 二 数字式控制器的软件 1 系统程序系统程序是控制器软件的主体部分 通常由监控程序和功能模块两部分组成 监控程序监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能 同时完成各组成部分之间的管理 功能模块用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序 使控制器实现用户所规定的功能 2 用户程序用户程序是用户根据控制系统要求 在系统程序中选择所需要的功能模块 并将它们按一定的规则连接起来的结果 其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能 使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接 也即组态工作 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 三 C3000数字控制器C3000是一种采用32位微处理器和5 6英寸TFT彩色液晶显示屏的可编程多回路控制器 它主要有控制 记录 分析等功能 可通过串口和CF卡实现与上位机的数据交换 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 C3000数字控制器最多可测量8路模拟量输入AI 2路开关量输入DI 频率量输入FI DI与FI的个数和为2 最小采样周期是0 125s 当处于最小采样周期时 最多可配置二路模拟量输入通道 最多支持4路模拟量输出AO 0 00 20 00mA 12路开关量输出DO 2路时间比例输出PWM 各种输出都支持表达式运算功能 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 图8 14C3000过程控制器外形图 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 1 功能概述C3000数字控制器通过3个程序控制模块 4个单回路PID控制模块 6个ON OFF控制模块 与内部运算通道相配合 可实现单回路 串级 分程 比值 三冲量和批量控制等方案 它提供了基于继电反馈的参数自整定功能 通过自整定可为缺少经验的使用者提供参数P I D的初始值 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 2 操作面板 图8 15C3000数字控制器面板部件分布图 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 3 用户登录C3000数字控制器的操作用户按权限分为四个等级 操作员1 操作员2 工程师1 工程师2 其中 工程师2 拥有最高权限 可决定操作员1 操作员2和工程师1的权限并设置其登录密码 系统默认用户为 操作员1 各用户初始密码为 000000 登录步骤如下 1 在任何监控画面下 单击进入登录画面 2 旋转旋钮或单击和选择登录者对应的用户级别 任务二C3000数字式控制器的认识与使用 3 输入与用户级别相对应的6位登录密码 单击旋钮确认 4 焦点框旋至处 单击旋钮登录组