自动控制原理及DCS结构

第二章楼宇自动化控制技术基础 本章重点 1 掌握楼宇常用传感器选型 2 掌握自动控制中最基本的反馈控制理论 3 掌握各种调节器原理特别是PI调节原理 4 掌握DCS控制系统的架构模式 2 1检测技术与常用传感器2 1 1检测技术概述 在楼宇自动化系统中 经常需要对温度 压力 湿度 流量 液位等参数进行检测和控制 因此必须及时掌握它们运行过程中的各种参数 那么就需要对这些参数进行测量 自动检测技术 一类是对电压 电流 电量 电抗 功率因数等电量参数的检测 另一类是运用一定的转换手段 把非电量参数 温度 压力 流量等 转换成电量参数 然后进行测量 将非电量转换成电量的器件 通常称为传感器 被测物理量电量参数 变化转换调理放大运算 标准信号输出0 5V1 5V0 10V4 20mA 控制器显示记录 电量自动检测单元的基本结构 交流电流 电压 变送器是一种能将被测交流电流 交流电压 转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器 被测物理量电量参数 变化转换调理放大运算 标准信号输出0 5V1 5V0 10V4 20mA 控制器显示记录 传感器 非电量自动检测单元的基本结构 2 1 2楼宇自动化常用传感器选型 温度传感器 压力传感器 流量传感器4 湿度传感器5 液位检测传感器6 空气质量传感器 常用传感器的选型原则 测量范围 被测物体的介质 输出信号 输入电压 灵敏度 线性范围 稳定度 精度 接着考虑 首先考虑 举例压力传感器的选型 1 传感器要测量多大的压力首先要确定被测量的压力范围 然后根据实际的情况考虑是否留下一点裕量 被测物体的介质黏性液体 泥浆会堵上压力接口 溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏传感器中与这些介质直接接触的材料 以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料 需要得到什么样的输出信号常用的传感器的输出信号有 mA 要求的输入电压是多少 考虑所选的压力传感器的精度 灵敏度 线性度是否满足要求 压力传感器示例 昆仑海岸 JYB H系列精巧型压力变送器北京昆仑海岸传感技术中心 输入压力范围 过载能力 测量介质 工作电压 0 0 5kPa 10kPa 100kPa 10MPa 30MPa 60MPa 2倍 对不锈钢不腐蚀的液体 10VDC 24V 输出满程输出 0 5V 4 20mA 综合精度 0 05 0 1 0 3 FS 非线性 0 1 FS 典型值 环境条件 工作温度范围 10 120 物理特征压力连接 M20 1 5 M24 1 5 无螺纹 压力传感器产品说明 传感器信号电路转换 传感器标准信号输出4 20mA到标准信号 V的转化转换电路如下 电路图 图2 1电流 电压转换电路 250 10 作业 1 自动检测技术归纳起来可以分为哪两大类 2 楼宇自动化系统中常用的传感器有哪些 2 2自动控制基本原理与系统组成 所谓自动控制即 在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 控制装置或控制器 使机器 设备或生产过程的某个工作状态或参数 即被控量 自动的按照预定的规律运行 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学 最基础的控制理论是反馈控制理论 下一页 点击返回 反馈控制理论 反馈控制的理论 在反馈控制系统中 控制装置对被控对象施加的控制作用是取自被控量的反馈信号 用来不断的修正被控量与输入量之间的偏差 从而实现对被控对象进行控制的任务 下一页 点击返回 反馈控制原理 下一页 点击返回 反馈控制原理的典型应用带转速负反馈的直流调速系统 系统原理图 下一页 点击返回 直流调速系统方块图 测速发电机 放大器 触发器 晶闸管 电动机 比较电路 Un Un Un Un1 Un2 n 下一页 点击返回 结论 根据反馈控制的原理 闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统 只要被调量出现偏差 它就会自动产生纠正偏差的作用 直流调速系统 下一页 点击返回 2 2 1闭环控制 调节系统的组成 一般的自动控制系统由被控对象 检测仪表 调节器 控制器和执行器几个基本的部分组成 检测仪表对被控参数进行测量 调节器根据给定值与测量值的偏差并按照一定的调节规律发出调节命令 控制执行器对被控对象的被控参数进行控制 使被控参数满足要求 这类控制系统就是闭环控制系统 也称为调节系统 下一页 点击返回 闭环控制方框图 下一页 点击返回 单回路控制 调节系统 单回路系统一般指在一个控制对象上用一个调节器来控制一个被控参数 调节器只接收一个测量信号其输出也只控制一个执行机构 下一页 点击返回 现代楼宇控制中 单回路控制 调节系统能够满足绝大部分的控制要求 因此 它在楼宇控制中的用量很大 单回路系统结构简单 明了 投资小 只要系统设计合理 选择合适的调节器和适当的调节规律 就能使系统满足控制要求 下一页 点击返回 2 2 2控制器调节特性及其选择 调节器的作用 是把测量值与给定值进行比较 得出偏差后 根据一定的调节规律计算出输出信号 控制执行器对控制对象进行自动控制 实现对被控量的调节 1 气动调节器 2 液动调节器 3 电动模拟调节器 4 数字调节器 使用广泛 下一页 点击返回 调节器的控制规律 位置式 比例式 积分式 比例 积分式 比例 积分 微分式 1 位置式调节所谓位置式调节 也就是开关控制或开关调节 双位调节根据偏差值的正 负 输出两个不同的开关控制信号优点 机构简单 动作可靠 广泛应用于空调系统中 例如风机盘管温控器 下一页 点击返回 三位调节根据偏差的大小 输出三个不同的开关状态控制信号 三位调节系统有三种状态 全开 中间 全闭 大 中 小或正 停 反等 缺点 位式调节用于调节精度要求不高的场合 下一页 点击返回 2 比例调节 P 特点 调节速度快 稳定性大 不容易产生超调现象 缺点 有残余偏差 为什么 适用 精度要求不高 如一般液位调节 压力调节等 下一页 点击返回 P调节器I O特性曲线 因为在采用比例调节器控制的自动系统中 输入偏差是维系系统运行的基础 所以必然要产生偏差 因此是有静差系统 如果要消除系统误差 必须寻找其他控制方法 比如 采用积分 Integration 调节器或比例积分 PI 调节器来代替比例调节器 下一页 点击返回 3 积分调节 I 优点 无残余偏差缺点 调节时间长 对变化快的干扰 调节效果差 极少单独使用 下一页 点击返回 3 积分调节 I 积分调节器如图 由运算放大器可构成一个积分电路 根据电路分析 其电路方程 下一页 点击返回 那么 如果既要稳态精度高 又要动态响应快 该怎么办呢 只要把比例和积分两种控制结合起来就行了 这便是比例积分控制 如前图所示 在同样的阶跃输入作用之下 比例调节器的输出可以立即响应 而积分调节器的输出却只能逐渐地变 下一页 点击返回 4 比例积分调节 PI 重点 特点 综合了比例 积分两积调节器的优点 当要求不允许存在偏差时 采用比例积分调节是最适宜 是最常用的调节规律之一 下一页 点击返回 在模拟电子控制技术中 可用运算放大器来实现PI调节器 其线路如图所示 下一页 点击返回 突加输入信号时 由于电容C1两端电压不能突变 相当于两端瞬间短路 在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1 电路等效于一个放大系数为Kpi的比例调节器 在输出端立即呈现电压KpiUin 实现快速控制 发挥了比例控制的优点 下一页 点击返回 阶跃输入时 由此可见 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点 又克服了各自的缺点 扬长避短 互相补充 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态偏差 分析结果 下一页 点击返回 5 比例微分调节 PD 微分的作用 在惯性滞后较大的场合将大大改善调节品质 减少超调和过渡时间 缺点 不能消除静差 存在高频干扰或周期性干扰的场合应避免使用微分调节 下一页 点击返回 6 比例 积分 微分式调节 PID 综合了各种调节规律的优点 是常规中最好的一种调节规律 下一页 点击返回 2 2 3执行器 传感器把温度 压力和湿度等被控物理量转换成电量的标准信号后传送到调节器中 调节器根据控制要求 把输入的检测信号与设定值相比 将其偏差经相应的调节后输出开关信号或连续的控制信号 去调节 控制相应的执行器 实现被控量的控制 下一页 点击返回 执行器 执行机构 直接接收调节器的输出控制信号 调节机构 接收执行机构输出的轴向或转角位移的驱动 控制工艺介质流量大小 2 2 4调节器的参数整定 1 闭环控制系统的性能指标评价指标为 稳定性 正确性 快速性 2 调节器参数的整定调节器参数决定控制系统的性能指标 在实际工程中常采用试验法来得到参数的整定值 通常也称为经验法 下一页 点击返回 2 4计算机控制技术2 4 1概述 早期计算机控制随着控制功能向计算机的高度集中 事故发生的危险性也被高度的集中 当一台控制几百个回路的计算机发生故障时 所有控制回路瘫痪 造成的潜在损失无法估计 20世纪70年代出现微处理器 出现了直接数字控制器 DDC 随着电子技术 计算机技术 通信技术的发展 出现了集散控制系统 DCS 20世纪90年代出现了现场总线控制系统 FCS 使得系统在功能 可靠性 兼容性 智能化与网络化等方面有了进一步的发展 计算机控制技术的发展过程 楼宇自动化技术作为自动化技术的一个应用领域 也经历了上述这样的一个过程 目前以直接数字控制器 和集散控制系统 为主流 未来随着现场总线技术的发展 现场总线控制系统将会得到越来越多的应用 2 4 2集散控制系统 20世纪70年代微处理器出现后 世界各国都开发了新一代的计算机控制系统 这些控制系统都有一个共同的特点 集中管理 分散控制 因此称为集散控制系统 DCS 2 4 2 1集散控制系统 DCS 集散控制系统即 利用计算机技术对生产过程进行集中监视 管理 对现场设备进行分散控制得一种新型控制技术 下一页 点击返回 集散控制系统 集中管理部分 分散控制部分 通信部分 中央控制计算机和相应的控制软件构成 现场的检测仪表和直接数字控制器及相应的软件构成 连接中央管理计算机和现场的DDC完成数据 控制及信息的传递 2 4 2集散控制系统 DCS 2 4 2 1集散控制系统的体系结构分为三 层 级 或四级 第一级 现场控制级由DDC和其它现场设备组成第二级 监控级由中央监控计算机及相关软件组成 设有工程师站 操作员站 第三级 生产管理级第四级 经营管理级 下一页 点击返回 国内中小企业大多只有第一层 目前最优秀的DCS也只局限在第一 二 三层楼宇自动化系统一般只设DCS控制系统的第一级和第二级 2 4 2集散控制系统 DCS 下一页 点击返回 下一页 点击返回 2 4 2 2现场控制器 DDC 1 现场控制器的功能 1 实时数据采集 数据处理 2 完成对被控参数的控制 3 接受直接操作命令 发送各种信息 下一页 点击返回 下一页 点击返回 2 模块化DDC控制器的组成结构 1 计算模块与通信模块 2 内部总线 3 电源模块 4 输入 输出 I O 模块 下一页 点击返回 下一页 点击返回 4 输入 输出 I O 模块 模拟量输入 AI 模块1 5VDC 0 5VDC 0 10VDC 4 20mADC 标准信号 模拟输出 AO 模块1 5VDC 0 5VDC 0 10VDC 4 20mADC 标准信号 数字量输入模块 DI 脉冲输入模块 PI 数字输出模块 DO 下一页 点击返回 HoneywellXL500控制器 下一页 点击返回 数字直接控制器 XL500 XL500CPU模块 XCL5010 下一页 点击返回 数字直接控制器 XL50 模拟输入点AI点 8个模拟输出AO点 4个数字输入DI点 4个数字输出DO点 6个 下一页 点击返回 数字直接控制器 XL100 通用输入点UI点 12个通用输出点UO点 12个数字输入点DI点 12个 下一页 点击返回 数字直接控制器 XL500XL500扩展模块 XFL521 XFL522 XFL523 端子块 DO XSL511 模拟输入模块8AI 模拟输出模块8AO 数字输入模块12DI 数字输出模块6DO 通讯模块 端子块 AI AO DI XFL524 XSL514 XSL513 下一页 点击返回 下一页 点击返回 2 4 2 3中央监控系统 1 由于楼宇自动化系统中控制设备多 散 杂 因此宜坚持分散控制 集中管理的原则 采用DCS控制系统比较合适 2 中央监控计算机的硬件和软件要求很高3 为避免意外操作 一般监控中心分为工程师站和操作员站 4 当DCS可划分不同子系统时 可以设子系统工作站 集散控制的通信网络 1 中央监控计算机与DDC之间的通讯进行两者之间数据与控制信息的上传下送 2 多台中央监控与管理计算机之间的通信便于楼宇自动化系统中各子系统间的集成联动 3 中央监控系统基本功能 1 报告功能 2 趋势功能 3 报警管理功能 4 历史记录功能 5 进行系统运行操作功能 6 系统维护与管理功能4 系统软件 1 系统管理软件 2 现场控制器管理软件 下一页 点击返回 2 4 2 4集散控制系统的发展 1 系统的开放性不断增强2 采用先进的计算机技术3 DCS系统综合性和专业性增加 下一页 点击返回 2 5现场总线控制系统 了解