(自动化控制仪表)1-概论、第一章第一节运算规律第二节模拟式调节器

1、( (自动化控制仪表自动化控制仪表)1-)1-概论、第一章第概论、第一章第一节运算规律第二节模拟式调节器一节运算规律第二节模拟式调节器3 3、执行器、执行器l 执行器的构成执行器的构成l 执行机构执行机构l 调节机构调节机构l 执行器的选择执行器的选择4 4、控制仪表应用、控制仪表应用l 其它常用控制仪表及装置其它常用控制仪表及装置l 控制系统组成控制系统组成l 常用系统设计常用系统设计5 5、现场总线控制系统、现场总线控制系统l 现场总线概述现场总线概述l 典型现场总线典型现场总线l 工业以太网工业以太网l 智能变送器与执行器智能变送器与执行器l 现场总线控制系统现场总线控制系统教材：教材：

2、吴勤勤主编吴勤勤主编. . 控制仪表及装置第四版控制仪表及装置第四版. .化学工业出版社。化学工业出版社。参考书：参考书：1.1.陆会明陆会明. .控制装置与仪表第控制装置与仪表第2 2版版. . 机械工机械工业出版社。业出版社。 2.2.刘泽祥，李媛现场总线技术第刘泽祥，李媛现场总线技术第2 2版版机械工业出版社。机械工业出版社。 3. 3.阳宪惠编阳宪惠编. .现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用( (第第2 2版版) ) 清华大学出版社。清华大学出版社。 概述概述一、控制仪表及装置一、控制仪表及装置电源电源气源气源辅助单元辅助单元显示器显示器调节器调节器测量及变送器测量及变送器对象对

3、象执行器执行器I/PI/PSP被控被控变量变量PV-+运算器运算器l1 1、按能源分类、按能源分类l气动仪表气动仪表: :以压缩空气为能源以压缩空气为能源l 电动仪表电动仪表: :以交流、直流电为能源以交流、直流电为能源l 液动仪表液动仪表: :以加压液体为能源以加压液体为能源l2 2、按信号类型分类、按信号类型分类l模拟式模拟式: :电流、电压信号电流、电压信号l 数字式数字式: :各种数字传输接口各种数字传输接口/ /协议协议l3 3、按结构形式分类、按结构形式分类l 基地式基地式: :以指示或记录仪表为主体，附加控以指示或记录仪表为主体，附加控制机构而组成。制机构而组成。二、控制仪表及装

4、置分类二、控制仪表及装置分类l单元组合式单元组合式: :将整套仪表划分为能独立实现某将整套仪表划分为能独立实现某种功能的假设干单元，各单元之间以统一标种功能的假设干单元，各单元之间以统一标准信号联系。准信号联系。l分散控制系统分散控制系统DCSDCS: :以微处理器为根底的以微处理器为根底的集中分散型控制系统。集中分散型控制系统。l现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS: :以具有网络通信以具有网络通信功能的智能控制仪表、计算机及通信网络为功能的智能控制仪表、计算机及通信网络为根底，并将通信网络进一步延伸至控制现场根底，并将通信网络进一步延伸至控制现场而组成的控制系统。而组成的控制系统。

5、l1 1、联络信号、联络信号l 1 1气动仪表：气动仪表：l 20 20100kPa100kPa气压信号气压信号l 2 2电动仪表：模拟、数字、频率信号等。电动仪表：模拟、数字、频率信号等。l 模拟信号：模拟信号：l 0 010mADC10mADCDDZ-DDZ-型仪表型仪表, ,现很少使用现很少使用l 4 420mADC20mADCDDZ-DDZ-型仪表，通常用于控型仪表，通常用于控 制室与现场仪表之间的信号传输制室与现场仪表之间的信号传输l 1 15VDC 5VDC DDZ-DDZ-型仪表，通常用于控制型仪表，通常用于控制室内仪表之间的信号传输室内仪表之间的信号传输三、联络信号和传输方式三

6、、联络信号和传输方式l数字信号：主要是各种智能仪表采用，可采数字信号：主要是各种智能仪表采用，可采用不同的物理接口或不同的通信协议。用不同的物理接口或不同的通信协议。l物理接口：物理接口：l 如如RS-232RS-232，RS-485RS-485等。等。l 通信协议：通信协议：l 如如: :简单的简单的ASCIIASCII字符传输协议字符传输协议l MODBUS MODBUS协议协议l HART HART协议协议l TCP/IP TCP/IPUDP/IPUDP/IP协议协议l频率信号：主要是一些流量、转速类的仪表频率信号：主要是一些流量、转速类的仪表采用。采用。l2 2、电信号传输方式、电信号

7、传输方式l 1 1电流信号传输电流信号传输* *各接收仪表串联各接收仪表串联* *发送仪表的输出电发送仪表的输出电阻阻RORO尽可能大尽可能大* *接收仪表的输入电接收仪表的输入电阻阻RiRi尽可能小尽可能小接收仪表接收仪表RiRiRiRcmIOIiRO发送仪表发送仪表Rcm为导线电阻为导线电阻l2 2电压信号传输电压信号传输* *各接收仪表并联各接收仪表并联* *发送仪表的输出电发送仪表的输出电阻阻RORO尽可能小尽可能小* *接收仪表的输入电接收仪表的输入电阻阻RiRi尽可能大尽可能大RiRiRiUOIiRORcm2发送仪表发送仪表接收仪表接收仪表Rcm2l3 3、现场变送器连接方式、现场

8、变送器连接方式l 1 1四线制传输四线制传输l 供电线与信号线分别使用一对两条导线。供电线与信号线分别使用一对两条导线。 变送器变送器接收接收 仪表仪表电源电源 装置装置供电供电信号信号现场现场控制室控制室l2 2两线制传输两线制传输l 供电线与信号线共用一对两条导线。供电线与信号线共用一对两条导线。变送器变送器接收接收 仪表仪表电源电源 装置装置供电及信号传输供电及信号传输现场现场控制室控制室第一章第一章 调节器调节器l作用：作用：l 将来自变送器的测量值与内部将来自变送器的测量值与内部/外部给定值相外部给定值相比较后产生偏差信号，再对该偏差信号按一定的比较后产生偏差信号，再对该偏差信号按一

9、定的运算规律进行运算，从而产生控制输出信号，供运算规律进行运算，从而产生控制输出信号，供其它控制仪表使用。其它控制仪表使用。l分类：分类：l模拟式模拟式:由模拟器件组成由模拟器件组成l数字式：含有微处理器数字式：含有微处理器l 非可编程非可编程l 可编程可编程 第一节第一节 运算规律运算规律1、偏差、偏差l 偏差偏差 = 测量值测量值 给定值给定值l = xi - xS l 为偏差为偏差, xi为测量值为测量值, xS为给定值为给定值l (过程控制中常使用过程控制中常使用 e = PV - SP )l 0 为为正偏差正偏差;l 0 , y 0 或或 0 , y 0 , y 0 或或 0 ) 称

10、为反作用。称为反作用。l 通用调节器中必须有正通用调节器中必须有正/反作用选择或设定反作用选择或设定功能，以便于在闭环控制时功能，以便于在闭环控制时 组成负反响系统。组成负反响系统。二、常用运算规律及特性二、常用运算规律及特性l 在过程控制系统中，常用的运算规律是在过程控制系统中，常用的运算规律是P比比例、例、I积分、积分、D微分或其组合构成的微分或其组合构成的运算规律。如：运算规律。如：P、PI、PD、PID等。等。l 实际系统中需根据对象特性、对过渡过程的实际系统中需根据对象特性、对过渡过程的要求及对余差的要求等来选择相应的运算规律，要求及对余差的要求等来选择相应的运算规律，并在系统投运时

11、设置相应的控制参数即参数并在系统投运时设置相应的控制参数即参数整定。整定。一一PID运算规律的表示形式运算规律的表示形式l1 1、理想、理想PIDPID)1()(0dtdTdtTKtyDtIP)11 ()()()(sTsTKsEsYsWDIPKP 比例增益比例增益理想理想PID表达式：表达式：传递函数表示：传递函数表示：控制参数：控制参数：TI 积分时间再调时间TD 微分时间预调时间l2 2、实际、实际PIDPIDsKTsTKsFTsFTFKsEsYsWDDIIDIP1111）（）（）（F 相互干扰系数，反映了相互干扰系数，反映了I和和D作用作用同时存在时对控制参数的影响；同时存在时对控制参数

12、的影响；KPF 实际比例增益；实际比例增益；FTI 实际积分时间；实际积分时间；TD/F 实际微分时间；实际微分时间；KI 积分增益；积分增益； KD 微分增益。微分增益。l模拟式调节器：模拟式调节器：l数字式调节器：数字式调节器：l 数字式调节器的数字式调节器的PID算式有多种形式，其中算式有多种形式，其中常用的不完全微分算式为：常用的不完全微分算式为：)111 ()()(sKTsTsTKsEsYDDDIPKP 比例增益比例增益TI 积分时间再调时间积分时间再调时间TD 微分时间预调时间微分时间预调时间KD 微分增益微分增益二比例二比例P运算规律运算规律l表达式：表达式：PPPKsWKy)(

13、l特性：特性：AKyPtyKPAtAl参数：参数：PK 比例增益比例增益 比例度比例度 ( (也称比例带也称比例带) )%100minmaxminmaxyyymax - min 偏差变化范围偏差变化范围y ymax max - y yminmin 输出信号变化范围输出信号变化范围 在单元组合仪表中两者相等。在单元组合仪表中两者相等。参数影响参数影响:越小，即越小，即KP越越大，比例作用越强。大，比例作用越强。%1001PK所以所以三比例积分三比例积分PI运算规律运算规律l1. 1. 理想理想PIPI特性特性l表达式：表达式：)1()(0tIPdtTKty)11 ()()()(sTKsEsYsW

14、IPPIl特性：特性：tA)1()(IPTtAKty阶跃输入阶跃输入时时:tyKPAl参数：参数：PK比例增益比例增益TI 积分时间积分时间阶跃输入信号作用下，积分作用的输出阶跃输入信号作用下，积分作用的输出等于等于比比例作用的输出时所经过的时间即为例作用的输出时所经过的时间即为积分时间积分时间。参数影响参数影响: 积分时间反映了积分作用的强弱，积分时间反映了积分作用的强弱，积分时间越长，积分作用越弱。积分时间越长，积分作用越弱。tAytTIypyI = ypKPAl2. 2. 实际实际PIPI特性模拟式调节器特性模拟式调节器l 表达式：表达式：sTKsTKsEsYsWIIIPPI1111）（

15、）（）（l 特性：特性：)1)(1(1 )(IITKtIPeKAKtytAtyKPAKPKIAl参数：参数：KP 比例增益比例增益TI 积分时间积分时间KI 积分积分增益增益参数影响参数影响: KI反映了调节器消除余差的能力。反映了调节器消除余差的能力。 KI越大，越大，消除余差的能力越强。消除余差的能力越强。 tAtyKPAKpKIA四比例微分四比例微分PD运算规律运算规律l1. 1. 理想理想PD特性特性l表达式：表达式：)(dtdTKyDP)1 ()()()(sTKsEsYsWDPPDl特性：特性：tta)()(DPTtaKtytyP=KP a tyD=KP aTDTDyl2. 2. 实

16、际实际PDPD特性特性l表达式：表达式：sKTsTKsEsYsWDDDP11）（）（）（l 特性：特性：)1(1 )(tTKDPDDeKAKtytAytKpKDAKpAl参数：参数：KP 比例增益比例增益TD 微分时间微分时间KD 微分增益微分增益tA 阶跃输入阶跃输入信号作用下，输出从最大值下降微信号作用下，输出从最大值下降微分作用输出幅值的分作用输出幅值的63.2%所经历的时间为所经历的时间为TD/KD。ytyPyD0.632KPA(KD-1)TD/KDKpKDAKpA参数影响参数影响: TD反映了微分作用的强弱，反映了微分作用的强弱， TD越大，微分作用越大，微分作用的持续时间越长，微分

17、作用越强。的持续时间越长，微分作用越强。 KD决定了在一定幅值的阶跃信号作用下微分作决定了在一定幅值的阶跃信号作用下微分作用输出的上跳幅度。用输出的上跳幅度。 KD越大，上跳幅度越高。越大，上跳幅度越高。通常通常KD=210 此值为调节器设计参数之一。此值为调节器设计参数之一。五比例积分微分五比例积分微分PID运算规律运算规律l表达式：表达式：sKTsTKsFTsFTFKsEsYsWDDIIDIP1111）（）（）（)()1)()(tTKDTKtIPDDIIeFKeFKFAKty阶跃输入信号响应特性：阶跃输入信号响应特性：l特性曲线：特性曲线：A0.368ACKP F AKP KDACDFOT

18、I FTD KDKP KI AyEBtl1. 主要功能主要功能l 1偏差检测与显示；偏差检测与显示；l 2PID运算；运算；l 3输出指示输出指示 ；l 4内内/外给定切换；外给定切换；l 5正正/反作用切换；反作用切换；l 6手动操作软手操、硬手操。手动操作软手操、硬手操。l2. 构成框图构成框图由指示单元和控制单元两大局部组成由指示单元和控制单元两大局部组成测量信号测量信号指示电路指示电路给定信号给定信号指示电路指示电路输入输入电路电路PD 电路电路PI 电路电路输出输出电路电路UO1UO2UO3420mAIO250UiIS15V外外内内US15V指示单元指示单元给定指示给定指示测量指示测

19、量指示控制单元控制单元输出指示输出指示硬硬 手操手操软软 手操手操l电路：采用偏差差动电平移动电路。电路：采用偏差差动电平移动电路。l作用：作用：1偏差检测及放大；偏差检测及放大；l 2电平移动，由电平移动，由0VB10VDC。l1. 为何采用偏差差动输入电路为何采用偏差差动输入电路两线制两线制变送器变送器+ +- -IC1RRRRRR250IiRCM1UCM1UiUS24VUO1l 采用偏差差动输入方式，以便消除导线电阻采用偏差差动输入方式，以便消除导线电阻压降引起的误差；压降引起的误差；l 采用电平移动的目的是使集成运算放大器的采用电平移动的目的是使集成运算放大器的共模输入电压在允许的范围

20、内，以便集成运算共模输入电压在允许的范围内，以便集成运算放大器能正常工作。放大器能正常工作。l2. 输入电路的输入输入电路的输入/输出关系输出关系+ +- -IC1R6R5R1R2R7R8UCM1UCM2USUBUO1UiR3R4I1I2I5I6I3I4FTUo1= -2Ui USUo1 Uo1 以以 UB UB为基准为基准l因因 I1+I4=I5，那么：，那么： l设计时取设计时取 R1= R2= R3= R4= R5，R7= R8，可得：，可得：l同理，因同理，因 I2+I3=I6，那么：，那么：l即：即：518784211)(RURRRUURUURUUUOBFFCMFCMi)21(311

21、21BOCMCMiFUUUUUU63221RUURUUURUUBTTCMSTCM)(3121BCMCMSTUUUUUl视视IC1为理想集成运算放大器，那么有为理想集成运算放大器，那么有UF=UT，那么可得：那么可得：l UO1= -2Ui - USl Uo1 以以 UB为基准为基准l3. 输入电路小结输入电路小结l1 UO1= -2Ui - US,与导线电阻压降无关。与导线电阻压降无关。l2将基准电平由将基准电平由0V移至移至UB (10V)后，使后，使UT、 UF的共模输入电压在允许的范围内的共模输入电压在允许的范围内222V。l3UO1为以为以UB为基准，变化范围为为基准，变化范围为08V

22、。l电路：电路：无源无源PD电路电路 + 比例放大电路。比例放大电路。l作用：作用：对输入电路的输出信号进行对输入电路的输出信号进行PD运算。运算。l1. 工作原理工作原理+ +- -IC2RPRP0UBUO2RD9.1 K1 K UO1通通CDFTARD值很大时，值很大时，11111 . 91OOAUnUU)10111 . 9(nl2. PD电路传递函数电路传递函数)(11)()(11sUsCRRnnnsUsUODDDOTSKTSTKsUsUSWDDDDOOPD11)()()(12)(1)()(2200sUsURRRRsUOOPPPPF)(11)(12sUsCRsCnRnsUODDDDOl3

23、. PD电路参数电路参数 RD=62K 15M，CD=4F RP=010K，RP0=39 n=(9.1k+1k) /1k10 =(RP + RP0 ) / RP0 =1250 KD =n=10 TD = n RD CD =0.0410(min)用于无扰切换：用于无扰切换：通过电阻通过电阻R1来跟来跟踪踪A点电位，以保点电位，以保持持“断断位与位与“通通位等电位，位等电位，从而实现无扰切从而实现无扰切换。换。l4. K置置“断断位时的作用位时的作用l无扰切换：控制方式切换时输出不发生越变。无扰切换：控制方式切换时输出不发生越变。l无平衡无平衡-无扰动切换无扰动切换:控制方式切换时不需辅助控制方式

24、切换时不需辅助操作操作,其输出也不会发生越变。其输出也不会发生越变。l预平衡预平衡-无扰动切换无扰动切换:控制方式切换时需辅助操控制方式切换时需辅助操作作,其输出才能不发生越变。其输出才能不发生越变。R1断断+ +- -IC2RPRP0UBUO2RD9.1 K1 K UO1通通CDAFTl电路：电路：比例电路比例电路 + 积分电路。积分电路。l作用：作用：对对PD电路的输出信号进行电路的输出信号进行PI运算。运算。l1. 工作原理工作原理+ +- -IC324VUBUO3RI9.1 K1 K UO2自自CI101CMTFAl2. PI电路传递函数电路传递函数sCsUsURsUmsUsCsUsU

25、MOFIFOIFO1)()()(/ )(1)()(322)()(33sUAsUFO即即:33/ )()(AsUsUOFsCsUAsURAsUmsUsCAsUsUMOOIoOIOO1)()()(/ )(1)()(333332332代入前式中可得：代入前式中可得：)10111 . 9(ml整理得整理得:)(1)1 (11)11 ()(2333sUsCRACCAsCmRCCsUOMIMIIIMIOSTKSTCCsUsUSWIIIMIOOPI1111)()()(231)1 (13MICCA，可忽略不计，可忽略不计,IIICmRT IMICCmAK3上式中上式中其中，其中，l3. PI电路参数电路参数

26、RI = 62K 15M ，CI = CM = 10F S3置置*10挡时，挡时，m =( 9.1+1 ) / 110 S3置置*1挡时，挡时，m = 1 KI =104 105 TI = m RI CI S3置置*1挡时，挡时，TI =0.012.5(min) S3置置*10挡时，挡时，TI =0.125(min) -2SKTSTKDDDD11STKSTCCIIIMI1111sTKsTsKTsTCCKsWIIIDDDMIDPID1111112)(sKTsTKTKKTsTsTTTCCKsWDDIIIIDDDIIDMIDPID11112)(lF =1+TD /TI l相互干扰系数，反映了相互干扰

27、系数，反映了I和和D作用同时存在时作用同时存在时对控制参数的影响；对控制参数的影响；lKP F 实际比例增益；实际比例增益；lF TI 实际积分时间；实际积分时间；lTD / F 实际微分时间；实际微分时间；sKTsTKsFTsFTFKsEsYsWDDIIDIP1111）（）（）（l作用：作用：1电平移动电平移动UB 0Vl 2V/I转换转换15V 420mA + +- -IC424VUBIoR2Uo3KRR1KRRfRLIoIfUfFTlIO = IO If 即：即： dIO=dIO dIf lIf = Uf - UF/ KR 即：即：dIf=dUf /KR lIO = 24 - Uf/ R

28、f 即：即：dIo= - dUf /Rf l又又 If =UF UO3/ R1 即：即：dIf= - dUO3 /R1 l由由2和和4式可得：式可得：l dUf= - KR dUO3 / R1 l将将5式带入式带入3式中，可得：式中，可得：l dIo= KR dUO3 /R1 Rf l将将4式和式和6式带入式带入1式中，可得：式中，可得：l设计时，取设计时，取KR = 10K， R1 ,l Rf l带入上式后可得带入上式后可得:l dIO= 4 dUO3l 当当UO3在在15V范围内变化时范围内变化时, dUO3在在04V范围内变化，所以范围内变化，所以dIO在在016mA范围内变化。范围内变

29、化。l IO零点调整为零点调整为4 mA，所以，所以IO变化范围为变化范围为4 20mA。311313OffOfOOdURRRKRRdURRdUKRdIl作用：提供软、硬手动两种操作方式。作用：提供软、硬手动两种操作方式。UO3+ +- -IC324VUBRI9.1 K1 K UO2自自CI101CM软软硬硬RFRHRM1RM1RM2RM2S3S1S2自自软软 硬硬S41S42S43S44UHTF+UR-URl一软手动操作电路一软手动操作电路S4闭合时，经闭合时，经RM对对CM充电或放电，以使输出改变。充电或放电，以使输出改变。输出按指数规律改变，视接入的输出按指数规律改变，视接入的RM，有快，有快/慢之分。慢之分。软手操软手操速度式变化。速度式变化。UB+ +- -IC324VRI9.1 K1 K UO2自自CI101CM软软硬硬RFRHRM1RM1RM2RM2S3S1S2自自软软 硬硬S41S42S43S