自动化控制仪表-控制仪表及装置

控制仪表及装置课程主要内容：1、调节器运算规律模拟式调节器(简介）

KMM可编程调节器

CS910可编程调节器(实验用）

2、变送器与转换器差压变送器温度变送器电/气转换器3、执行器

执行器的构成执行机构调节机构执行器的选择4、控制仪表应用其它常用控制仪表及装置控制系统组成常用系统设计5、现场总线控制系统现场总线概述典型现场总线工业以太网智能变送器与执行器现场总线控制系统教材：

吴勤勤主编.控制仪表及装置（第四版）.化学工业出版社。参考书：

1.陆会明.控制装置与仪表（第2版）.机械工 业出版社。

2.刘泽祥，李媛．现场总线技术（第2版）． 机械工业出版社。

3.阳宪惠编.现场总线技术及其应用(第2版)． 清华大学出版社。

概述

一、控制仪表及装置电源气源辅助单元显示器调节器测量及变送器对象执行器I/PSP被控变量PV-+运算器1、按能源分类

气动仪表:以压缩空气为能源电动仪表:以交流、直流电为能源液动仪表:以加压液体为能源2、按信号类型分类

模拟式:电流、电压信号数字式:各种数字传输接口/协议3、按结构形式分类

基地式:以指示或记录仪表为主体，附加控制机构而组成。二、控制仪表及装置分类单元组合式:将整套仪表划分为能独立实现某种功能的若干单元，各单元之间以统一标准信号联系。分散控制系统（DCS）:以微处理器为基础的集中分散型控制系统。现场总线控制系统（FCS）: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基础，并将通信网络进一步延伸至控制现场而组成的控制系统。1、联络信号

1）气动仪表：

20～100kPa（气压信号）

2）电动仪表：模拟、数字、频率信号等。

模拟信号：

0～10mADC（DDZ-Ⅱ型仪表,现很少使用）

4～20mADC（DDZ-Ⅲ型仪表，通常用于控 制室与现场仪表之间的信号传输）

1～5VDC（DDZ-Ⅲ型仪表，通常用于控制 室内仪表之间的信号传输）三、联络信号和传输方式数字信号：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。 物理接口：如RS-232，RS-485等。通信协议：如:简单的ASCII字符传输协议

MODBUS协议

HART协议

TCP/IP（UDP/IP）协议频率信号：主要是一些流量、转速类的仪表采用。2、电信号传输方式

1）电流信号传输*各接收仪表串联*发送仪表的输出电阻（RO）尽可能大*接收仪表的输入电阻（Ri）尽可能小接收仪表RiRiRiRcmIOIiRO发送仪表Rcm为导线电阻2）电压信号传输*各接收仪表并联*发送仪表的输出电阻（RO）尽可能小*接收仪表的输入电阻（Ri）尽可能大RiRiRiUOIiRORcm2发送仪表接收仪表Rcm23、现场变送器连接方式

1）四线制传输供电线与信号线分别使用一对（两条）导线。变送器接收仪表电源装置供电信号现场控制室2）两线制传输供电线与信号线共用一对（两条）导线。变送器接收仪表电源装置供电及信号传输现场控制室第一章调节器作用：

将来自变送器的测量值与内部/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。分类：

模拟式:由模拟器件组成 数字式：含有微处理器 非可编程 可编程

第一节运算规律

一、概述1、偏差

偏差=测量值–给定值

ε

=xi-xS

ε为偏差,xi为测量值,xS为给定值

(过程控制中常使用e=PV

-SP)

ε

>0为正偏差;

ε

<0为负偏差。2、运算规律（控制规律）

调节器的输出信号与输入偏差信号之间随时间的变化规律——运算规律，也称作控制规律。 即：△y=f（ε，t）

△y

—输出变化量3、正/反作用

ε>0,△y>0（或ε<0,△y<0)称为正作用。

ε>0,△y<0（或ε<0,△y>0)称为反作用。通用调节器中必须有正/反作用选择（或设定）功能，以便于在闭环控制时组成负反馈系统。二、常用运算规律及特性

在过程控制系统中，常用的运算规律是P（比例）、I（积分）、D（微分）或其组合构成的运算规律。如：P、PI、PD、PID等。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，并在系统投运时设置相应的控制参数（即参数整定）。（一）PID运算规律的表示形式1、理想PIDKP

——比例增益理想PID表达式：传递函数表示：控制参数：TI——积分时间（再调时间）TD——微分时间（预调时间）2、实际PIDF——相互干扰系数，反映了I和D作用 同时存在时对控制参数的影响；KPF

——实际比例增益；FTI

——实际积分时间；TD/F

——实际微分时间；KI

——积分增益；KD

——微分增益。模拟式调节器：数字式调节器：

数字式调节器的PID算式有多种形式，其中常用的不完全微分算式为：KP——比例增益TI——积分时间（再调时间）TD——微分时间（预调时间）KD——微分增益（二）比例（P）运算规律表达式：特性：tΔyKPAεtA参数：——

比例增益δ——

比例度(也称比例带)εmax

-εmin

——

偏差变化范围ymax-ymin

——

输出信号变化范围在单元组合仪表中两者相等。参数影响:δ越小，即KP越大，比例作用越强。所以（三）比例积分（PI）运算规律1.理想PI特性表达式：特性：εtA阶跃输入时:tΔyKPA参数：——比例增益TI

——积分时间阶跃输入信号作用下，积分作用的输出等于比例作用的输出时所经过的时间即为积分时间。参数影响:

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。εtAΔytTIΔypΔyI

=ΔypKPA2.实际PI特性（模拟式调节器）表达式：

特性：εtAtΔyKPAKPKIA参数：KP——比例增益TI

——积分时间KI——积分增益参数影响:

KI反映了调节器消除余差的能力。KI越大，消除余差的能力越强。εtAtΔyKPAKpKIA（四）比例微分（PD）运算规律1.理想PD特性表达式：特性：εttΔyP=KP

a

tΔyD=KP

aTDTDΔy2.实际PD特性表达式：

特性：εtAΔytKpKDAKpA参数：KP——比例增益TD——微分时间KD——微分增益εtA

阶跃输入信号作用下，输出从最大值下降微分作用输出幅值的63.2%所经历的时间为TD/KD。ΔytΔyPΔyD0.632KPA(KD-1)TD/KDKpKDAKpA参数影响:TD反映了微分作用的强弱，TD越大，微分作用的持续时间越长，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用输出的上跳幅度。

KD越大，上跳幅度越高。通常KD=2~10（此值为调节器设计参数之一）。（五）比例积分微分（PID）运算规律表达式：阶跃输入信号响应特性：特性曲线：A0.368ACKPF

AKP

KDACDFOTI

FTD

KDKP

KI

AΔyEBt

第二节模拟式调节器

一、概述1.主要功能

1）偏差检测与显示；

2）PID运算；

3）输出指示；

4）内/外给定切换；

5）正/反作用切换；

6）手动操作（软手操、硬手操）。2.构成框图由指示单元和控制单元两大部分组成测量信号指示电路给定信号指示电路输入电路PD电路PI电路输出电路UO1UO2UO34～20mAIO250ΩUiIS1～5V外内US1～5V指示单元给定指示测量指示控制单元输出指示硬手操软手操二、输入电路电路：采用偏差差动电平移动电路。作用：1）偏差检测及放大；

2）电平移动，由0V→ＵB（10VDC）。1.为何采用偏差差动输入电路两线制变送器+-IC1RRRRRR250ΩIiRCM1UCM1UiUS24VUO1

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；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内，以便集成运算放大器能正常工作。2.输入电路的输入/输出关系+-IC1R6R5R1R2R7R8UCM1UCM2USUBUO1UiR3R4I1I2I5I6I3I4FTUo1=-2（Ui－

US）（Uo1

以

UB为基准）因I1+I4=I5，则：

设计时取R1=R2=R3=R4=R5，R7=R8，可得：同理，因I2+I3=I6，则：即：视IC1为理想集成运算放大器，则有UF=UT，则可得：

UO1=-2（Ui-US）（Uo1

以

UB为基准）3.输入电路小结1）UO1=-2（Ui-US）,与导线电阻压降无关。2）将基准电平由0V移至UB(10V)后，使UT、UF的共模输入电压在允许的范围内（2～22V）。3）UO1为以UB为基准，变化范围为0～±8V。三、PD电路电路：无源PD电路+比例放大电路。作用：对输入电路的输出信号进行PD运算。1.工作原理+-IC2RPRP0UB∆UO2RD9.1K1K∆UO1通CDFTARD值很大时，2.PD电路传递函数3.PD电路参数

RD=62KΩ~15MΩ，CD=4µFRP=0~10KΩ，RP0=39

Ω

n=(9.1k+1k)/1k≈10

α=(RP

+RP0

)/RP0

=1~250

KD=n=10TD

=nRD

CD

=0.04~10(min)用于无扰切换：通过电阻R1来跟踪A点电位，以保持“断”位与“通”位等电位，从而实现无扰切换。4.K置“断”位时的作用无扰切换：控制方式切换时输出不发生越变。无平衡-无扰动切换:控制方式切换时不需辅助操作,其输出也不会发生越变。预平衡-无扰动切换:控制方式切换时需辅助操作,其输出才能不发生越变。R1断+-IC2RPRP0UB∆UO2RD9.1K1K∆

UO1通CDAFT四、PI电路电路：比例电路+积分电路。作用：对PD电路的输出信号进行PI运算。1.工作原理+-IC324VUB∆UO3RI9.1K1K∆UO2自CI╳10╳1CMTFA2.PI电路传递函数即:代入前式中可得：整理得:，可忽略不计上式中其中，3.PI电路参数

RI=62KΩ~15MΩ，CI=CM=10µF

S3置*10挡时，m

=(9.1+1)/1≈10S3置*1挡时，m

=1

KI=104~105

TI=mRI

CI

S3置*1挡时，TI

=0.01~2.5(min)S3置*10挡时，TI

=0.1~25(min)五、PID电路传递函数-2F=（1+TD

/TI）相互干扰系数，反映了I和D作用同时存在时对控制参数的影响；KP

F——实际比例增益；FTI

——实际积分时间；TD

/F——实际微分时间；六、输出电路作用：1）电平移动（UB→0V）

2）V/I转换（1~5V→4~20mA）+-IC424VUBIoR2Uo3KRR1KRRfRLIo`IfUfFTIO=IO’–If

即：dIO=dIO’–dIf——⑴If=（Uf-UF）/KR即：dIf=dUf/KR——⑵IO’

=（24

-Uf）/Rf

即：dIo’=-dUf/Rf

——⑶又If=（UF–UO3）/R1

即：dIf=-dUO3/R1

——⑷由（2）和（4）式可得：

dUf=-KRdUO3/R1

——⑸将（5）式带入（3）式中，可得：

dIo’=KRdUO3/（R1

Rf）——⑹将（4）式和（6）式带入（1）式中，可得：设计时，取KR=10KΩ，R1

=40.25KΩ,Rf

=0.0625KΩ带入上式后可得:

dIO=4dUO3

当UO3在1~5V范围内变化时,dUO3在0~4V范围内变化，所以dIO在0~16mA范围内变化。

IO零点调整为4mA，所以IO变化范围为4~20mA。七、手动操作电路作用：提供软、硬手动两种操作方式。∆UO3+-IC324VUBRI9.1K1K∆UO2自CI╳10╳1CM软硬RFRHRM1RM1RM2RM2S3S1S2自软硬S41S42S43S44UHTF+UR-UR（一）软手动操作电路S4闭合时，经RM对CM充电或放电，以使输出改变。输出按指数规律改变，视接入的RM，有快/慢之分。软手操—速度式变化。UB+-IC324VRI9.1K1K∆UO2自CI╳10╳1CM软硬RFRHRM1RM1RM2RM2S3S1S2自软硬S41S42S43S44UHTF∆UO3-UR+URRM1=30k，