生物工程自动化控制第五章自动控制仪表ppt课件

1、第五章 自动控制仪表 .内容提要概述根本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制比例控制积分控制微分控制模拟式控制器根本构成原理及部件DDZ-型电动控制器1.数字式控制器数字式控制器的主要特点数字是控制器的根本构成KMM型可编程序调理器可编程序控制器概论可编程序控制器的根本组成可编程序控制器的编程言语OMRON C 系列 PLC运用实例2.第一节 概论3自动控制仪表在自动控制系统中的作用是将被控变量的丈量值与给定值相比较，产生一定的偏向，控制仪表根据该偏向进展一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号方式送往执行器。控制仪表阅历三个开展阶段 基地式控制仪表 单元组合式仪表中的控制单元 以微处置器

2、为基元的控制安装.第二节 根本控制规律及其对系统过渡过程的影响4控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研讨控制器的输出信号p随时间的变化规律。 在研讨控制器的控制规律时.控制器的根本控制规律 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及它们的组合方式，如比例积分控制PI、比例微分控制PD和比例积分微分控制PID。 5.一、双位控制6理想的双位控制器其输出p与输入偏向额e之间的关系为图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制例如.双位控制规律即：控制器只需两个输出值，执行器也相应有开或关两个极限任

3、务位置。双位控制又称继电接触控制。实践上的双位控制器由于构造上的缘由和仪表不灵敏的存在，不能在被控参数到达给定值时立刻引起输出变化，只能当偏向达一定数值时控制器才发生变化。即实践特性曲线有一个中间区。.7 将上图中的丈量安装及继电器线路稍加改动，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见以下图。由于设置了中间区，当偏向在中间区内变化时，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，延伸了控制器中运动部件的运用寿命。 图5-3 实践的双位控制特性图5-4 具有中间区的双位控制过程.双位控制过程中普通采用振幅与周期作为质量目的,在设计双位控制系统时，普通希望振幅小而周期长。结论被控变量动

4、摇的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。 双位控制器构造简单，容易实现控制。适用于单容量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、工艺允许被控参数在一定范围内动摇和要求不高的场所。8.二、比例控制9 在双位控制系统中，被控变量不可防止地会产生继续的等幅振荡过程，为了防止这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏向成比例，根据偏向的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有能够获得与对象负荷相顺应的支配变量，从而使被控变量趋于稳定，到达平衡形状。 .图5-5 简单的比例控制系统表示图如左图，根据类似三角形原理对于具有比例控制的控制器比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数，它决议了比例控制造

5、用的强弱。 5-410.11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。 图5-6 比例度表示图5-5.12举例DDZ-型比例作用控制，温度刻度范围为400800，控制器输出任务范围是010mA。当指示指针从600移到700，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值为 阐明 对于这台控制器，温度变化全量程的50相当于200，控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。 .13将式5-4的关系代入式5-5，经整理后可得 比例度与放大倍数KP成反比。 控制器的比例度越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏向控制器输入放大的才干越强，反之亦然。结论

6、.Kp越大,比例控制越强.但工业消费上所用比例控制器常采用比例度替代比例放大倍数，表示比例调理作用的强弱。比例度的物理意义是：要使控制器输出变化全量程时，其输入偏向变化量占满量程的百分数，即为比例度。比例度与比例放大倍数互为倒数。所以，控制器的比例度越小，其放大倍数越大，比例控制造用也就越强，而比例度越大，那么比倍放大倍数越小，比例控制造用越弱。比例控制系统的控制结果会产生余差，这是比例控制器的固有控制特性所决议的。余差的产生也可以从比例控制的特性来阐明。.为了减少余差，可以增大比例放大倍数，也就是减小了比例度。但这会使系统的稳定性变差。普通地，适当地增大比例放大系数，即减小比例度，使比例控制

7、造用加强。此时，最大的偏向减小，余差减小，任务频率提高，周期缩短，系统的振荡加剧，稳定性下降。工业上常见系统的比例度选取范围为： 压力系统：30-70% 流量系统：40-100% 物位系统：20-80% 温度系统：20-60%比例控制是一种最根本的控制规律。其特点是动态反响快，控制及时，只需有偏向输入，输出立刻产生一个与输入成比例的输出变化信号。其缺陷是控制结果有余差。.14左以下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡过程。图5-7 比例控制系统过渡过程在t=t0时，系统外加一个干扰作用液位开场下降作用在控制阀上的信号进水量添加偏向的变化曲线图5-8 比例度对过渡过程的影响.优点：反响快，控制

8、及时缺陷：存在余差 假设对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反响快些，从而过渡过程曲线的外形较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。 结论15.三、积分控制16 当对控制质量有更高要求时，就需求在比例控制的根底上，再加上能消除余差的积分控制造用。 积分控制造用的输出变化量p与输入偏向e的积分成正比，即 图5-9 积分控制器特性当输入偏向是常数A时 当有偏向存在时，输出信号将随时间增长或减小。 当偏向为零时，输出才停顿变化而稳定在某一值上，因此用积分控制器组成控制系统可以到达无余差。结论.17把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能

9、消除余差。图5-10 比例积分控制器特性图5-11积分时间对过渡过程的影响比例积分控制规律可用下式表示 或假设偏向是幅值为A的阶跃干扰.积分时间T大小表示曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢，积分时间T是表征积分控制造用强弱的一个重要参数。当积分时间T越小K越大时，直线上升越快，积分控制造用越强。反之，T越大K越小，直线上升越慢，积分作用越弱。工业上常见控制系统的积分时间范畴为：压力控制系统T1=0.3-1 min流量控制系统T1=0.3-1min温度控制系统T1=3-10min比例积分控制器的主要优点是能消除余差。但当对象滞后很大，负荷变化猛烈时，控制不能及时，控制时间较长。故此种控制适宜于控制

10、对象负荷变化不大，过程较缓慢，惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许的余差的场所。.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，能够控制时间较长、最大偏向也较大； 负荷变化过于猛烈时，由于积分动作缓慢，使控制造用不及时，此时可添加微分作用。 18.四、微分控制19在自动控制时，控制器具有微分控制规律图5-12 理想微分控制器特性优点具有超前控制功能。 缺陷它的输出不能反映偏向的大小，假设偏向固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因此控制结果不能消除偏向，所以不能单独运用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。 .微分时间TD

11、是表征微分控制造用强弱的一个重要参数。当微分时间TD增大时，微分曲线下降慢，微分作用加强；反之，TD减小，微分曲线下降快，微分作用减弱，当TD=0时，无微分作用，比例微分控制器变为纯比例控制器。微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，具有抑制振荡作用。微分控制器的优点是：超前控制、抑制变化、稳定系统的作用，但不能消除余差。.20比例微分控制规律图5-13 比例微分控制器特性比例积分控制规律图5-14 微分时间对过渡过程的影响图5-15 三作用控制器特性.在PID控制过程中，比例作用自始至终与偏向相对应起调理作用；微分作用在开场输出变化量大，具有超前控制，抑制振荡作用，后逐渐消逝；积分作用在开场

12、变化弱，到后来输出逐渐增大而占主导位置，具有滞后控制，直至消除余差为止。PID控制器综合了各种控制规律的优点，取长补短，只需合理选择、TI、TD三参数，就能获得较高的控制质量。.第三节 模拟式控制器一、根本构成原理及部件21 在模拟式控制器中，所传送的信号方式为延续的模拟信号。目前运用的模拟式控制器主要是电动控制器。 图5-16 控制器根本构成1.比较环节作用将给定信号与丈量信号进展比较，产生一个与它们的偏向成比例的偏向信号。 2.放大器是一个稳态增益很大的比例环节。3.反响环节作用经过正、负反响来实现比例、积分、微分等控制规律。.二、DDZ-型电动控制器221. DDZ-型仪表的特点1采用国

13、际电工委员会IEC引荐的一致规范信号,现场传输出信号为4-20mADC，控制室联络信号为1-5VDC，信号电流与电压的转换电阻为250。 优点 电气零点不是从零开场，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、断线等缺点。 只需改动转换电阻阻值，控制室仪表便可接纳其他1:5的电流信号。 由于最小信号电流不为零，为现场变送器实现两线制发明了条件。现场变送器与控制室仪表仅用两根导线联络图5-37，既节省了电缆线和安装费用，还有利于平安防爆。 .232广泛采用集成电路，可靠性提高，维修任务量减少 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

14、高。 由于集成运算放大器有高增益，因此开环放大倍数很高，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。 .3型仪表一致由电源箱供应24V DC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，既处理了仪表发热问题，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任务，继续进展监视控制造用，有利于平安停车。 24.254构造合理，比之型有许多先进之处。 表如今 基型控制器有全刻度指示控制器和偏向指示控制器两个种类，指示表头为100mm刻度纵形大表头，指示醒目，便于监视操作。 自

15、动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进展，并有硬手动和软手动两种方式。面板上设有手动操作插孔，可和便携式手动操作器配合运用。. 构造方式适于单独安装和高密度安装。 有内给定和外给定两种给定方式，并设有外给定指示灯，能与计算机配套运用，可组成SPC系统实现计算机监视控制，也可组成DDC控制的备用系统。 5整套仪表可构成平安火花型防爆系统。 26.272.DDZ-型电动控制器的组成与操作图5-17 DDZ-型控制器构造方框图 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。 .28图5-18 DTL-3110型调理器正面图1自动-软手动

16、-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输入检测插孔；12手动输出插孔.第四节 数字式控制器29数字式控制器与模拟式控制器的异同点： 数字式控制器模拟式控制器构成原理数字技术模拟技术所用器件以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点一样点仪表总的功能和输入输出关系根本一致。 .一、数字式控制器的主要特点30 1. 实现了模拟仪表与计算机一体化。 2. 具有丰富的运算控制功能。 3. 运用灵敏方便，通用性强。 4. 具有通讯功能，便于系统扩展。 5. 可靠

17、性高，维护方便 。.二、数字式控制器的根本构成311.数字式控制器的硬件电路图5-19 数字式控制器的硬件电路.321主机电路 主机电路是数字式控制器的中心，用于实现仪表数据运算处置及各组成部分之间的管理。 2过程输入通道 过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道，模拟量输入通道用于衔接模拟量输入信号，开关量输入通道用于衔接开关量输入信号。 3过程输出通道 过程输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道，模拟量输出通道用于输出模拟量信号，开关量输出通道用于输出开关量信号。.4人机联络部件 人机联络部件普通置于控制器的正面和侧面。 5通讯接口电路 通讯接口将欲发送的数据转换成规范通讯格式的

18、数字信号，经发送电路送至通讯线路数据通道上；同时经过接纳电路接纳来自通讯线路的数字信号，将其转换成能被计算机接纳的数据。 33.342.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。2用户程序 用户程序是用户根据控制系统的要求，在系统程序中选择所需求的功能模块，并将它们按一定的规那么衔接起来的结果。 .第五节 可编程序控制器一、概述38 1969年美国研制出了第一台可编程序控制器。 可编程序控制器初期主要用于顺序控制，称为可编程逻辑控制器，简称PLC。 可编程序控制器的出现是基于微计算机技术，用来处理工艺消费中大量的开关控制问题。 可编程序控

19、制器最大特点是在于可编程序，可经过改动软件来改动控制方式和逻辑规律， PLC在国内已广泛运用于石油、化工、电力、等各行各业，目前已广泛运用于延续消费过程的闭环控制。 .38 与继电器系统相比：在于可编程序，可经过改动软件来改动控制方式与逻辑规律，同时功能丰富、可靠性强，可组成集中分散系统或纳入部分网络。 与计算机相比，优点是言语简单、编程简便、面向用户、面向现场、运用方便。.39PLC产品的分类方法1.按容量分1小型PLCIO点总数普通为20128点。 主要功能逻辑运算、定时计数、移位处置等，采用公用简易编程器。 2中型PLC其IO点总数通常为129512点，内存在K以下，适宜开关量逻辑控制和

20、过程变量检测及延续控制。 主要功能除有小型PLC的功能外，还有算术运算、数据处置及AD、DA转换、联网通讯、远程IO等功能，可用于比较复杂过程的控制。 .403大型PLC其IO点总数在513点以上。 主要功能除了具有中小型PLC的功能外，还具有PLD运算及高速计数等功能，用于机床控制时，具有添加刀具准确定位、机床速度和阀门控制等功能，配有CRT显示及常规的计算机键盘，与工业控制计算机类似。 编程可采用梯形图、功能表图及高级言语等多种方式。 .41.按硬件构造分1整体式PLC 它将PLC各组成部分集装在一个机壳内，输入、输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入输

21、出形状。面板上留有编程器的插座、EPROM存储器插座、扩展单元的接口插座等。 优点具有这种构造的可编程序控制器构造紧凑、体积小、价钱低。 图5-21 SIMENS SIMATIC S7-200的外形图.422模块式PLC输入输出点数较多的大型、中型和部分小型PLC采用模块式构造。其优点为：图5-22 SIMENS SIMATIC S7-300的外形图 采用积木搭接的方式组成系统，便于扩展，其CPU、输入、输出等都是独立的模块，有的PLC的电源包含在CPU模块之中。 种类多，硬件配置灵敏，改换模块方便。 3叠装式PLC 它吸收了整体式和模块式PLC的优点，其根本单元、扩展单元等高等宽，它们不用基

22、板，仅用扁平电缆衔接，严密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵敏。 .二、可编程序控制器的根本组成43图5-23 PLC的根本组成框图.441.中央处置器 解释并执行用户及系统程序，经过运转用户及系统程序完成一切控制、处置、通讯以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地任务。 主要有通用微处置器、单片机和双极型位片机。 2.存储器1存储器类型： RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁带或磁盘等作用 2存储区分配图5-24 简化的存储映像.453.输入输出模块IO模块是可编程序控制器与消费过程相联络的桥梁。 PLC衔接的过程变量按信号类型可分

23、为开关量即数字量、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。 .4.编程器功能 编程器是PLC必不可少的重要外部设备。 编程器将用户所希望的功能经过编程言语送到PLC的用户程序存储器。 编程器不仅能对程序进展写入、读出、修正，还能对PLC的任务形状进展监控，同时也是用户与PLC之间进展人机界面。 46.47任务方式 编程器与PLC上的公用插座相连，或经过公用接口相连，程序可直接写入PLC的用户程序存储器中，也可先在编程器的存储器内存放，然后再下装到PLC中。 离线脱机编程方式 编程器先不与PLC相连，编制的程序先存

24、放在编程器的存储器中，程序编写终了，再与PLC衔接，将程序送到PLC存储器中。 在线联机编程方式分类便携式编程器和通用计算机。 .三、可编程序控制器的编程言语48目前常用的编程言语有以下几种： 梯形图言语 助记符言语 功能表图 某些高级言语.五、运用实例601.水箱液位控制 为了保证水箱液位坚持在一定范围，分别在控制的上限和下限设置检测传感器，用PLC控制注入水电磁阀。 当液位低于下限时，下限检测开关断开，翻开电磁阀开场注水；当注水到达上限位置时，上限检测开封锁合，切断电磁阀。 PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工艺要求如图5-33所示。 输入、输出点分配如下：上限检测开关0.00；下限检测开关0.01平； 电磁阀 10.00 图5-33 水箱液位控制表示图.61 控制接线如图5-34所示，图5-35为液位控制梯形图。 当低于液位下限时，下限开关与上限开关均断开，0.00与0.01常闭触点闭合，使输出继电器10.00导通，注水电磁阀翻开；一旦超越下限液位，虽然0.01触点断开，但由于10.00触点的自锁作用，仍保证注水阀翻开，直至上限检测开封锁合，0.00的常闭触点断开，输出继电器10.00断开，注水阀封锁。 图5-34 控制接线表示图图5-35 液位控制梯形图.622.变量