仪表与自动化(何道清)(二版) 第5章 自动控制仪表

1、第五章自动控制仪表，5.1概述，自动控制仪表(控制器或调节器)控制器的作用：自动控制仪表将控制变量的测量值与指定值进行比较，产生一定偏差，控制器根据偏差执行一定的数学运算，将计算结果以特定信号形式发送给操作机，以便自动控制变量。控制仪表分类：将测试、控制和显示设备组装在一起的基本控制仪表、测试、控制和显示功能，一般用作现场现场；分为设备组合仪表的控制装置、偏差控制作用信号和气动控制和电动控制两类。基于微处理器的控制单元、DCS、PLC、单回路数字控制、微计算机系统等。5.1概述，仪表功能控制：偏差指示；显示输出；提供内部和外部给定信号；积极而反作用的选择；手动和手动/自动双向切换。5.2控制规

2、则及其特性，1 .控制器控制规则：控制器的输出信号和输入信号的关系，即p=f(e)=f(z-x)控制器的基本控制规则如下：位控制(双位控制更为常见)、比例控制(p)、积分控制(I)、微分控制(d)；组合控制定律是比例积分控制(PI)、比例微分控制(PD)和比例积分微分控制(PID)。5.2控制方法及其特性，2。基本控制法： (1)双比特控制、图5-1理想双比特控制特性图5-2双比特控制示例、5.2控制方法及其特性、实际双比特控制器的控制方法是具有中间区域的双比特控制器，如图5-3所示，双比特控制过程是图5-液位的上升和下降通过杠杆改变进口阀门的开闭度，控制液位的变化。(5-3)在此控制系统中，

3、阀开启程度的变化与控制变量(液面)的偏差成正比，这是比例控制定律。图5-5简单比例控制系统图，5.2控制规则及其特性，比例控制规则：(5-4)样式中的KP-可调整放大(比例增益)。当偏差导致相位变化(例如，e=A)时，缩放控制功能：缩放控制根据偏差的大小起作用。差动控制反应快，及时控制。可调整参数：(KP)。5.2控制规则及其特性、比例度是控制器为相应输出更改值输入的相对值的百分比，在(5-5)表达式中，e输入更改量；P-相应的输出变化量；xmax xmin最大输入变化量，即仪表的范围；Pmax pmin最大输出变化量，即控制器输出的操作范围。、5.2控制律及其特性、倍率的特定含义是当控制器的

4、输出变更为整体刻度时(即控制阀完全关闭时，或相反时)，所述仪表测量值的变更表示仪表测量范围的百分比。或者，如果设备输出更改为完整刻度，则输入偏差的更改对应于刻度的百分比。、图5-6比例图、(单元仪表)、5.2控制法及其特性、液位比例控制系统的转换过程如图5-7所示。、图5-7比例控制系统切换过程、5.2控制规则及其特性、比例度对控制过程的影响如图5-8所示。比例控制使用比例度表示控制效果的强度。越小，控制效果越强，图5-8比例度对通过过程的影响，5.2控制方法及其特性，(3)积分控制(I)控制方法3360 (5-7)偏差为e=A时的响应特性，图5-。样式，ki-积分速度；TI=1/KI积分时间

5、。积分控制特性：根据“是否存在偏差”进行积分控制。无差异控制控制行为慢，控制不及时。可调整参数：TI图5-9积分控制器特性，5.2控制规则及其特性，图5-11积分时间对切换过程的影响，积分时间TI对切换过程的影响如图5-11所示。TI越小，积分效果越强，5.2控制方法及其特性，(4)微分控制(d)控制方法：(5-12)表达式的TD-微分时间。阶跃响应特性如图5-12所示。差动控制功能：根据“偏差变化速度”的差动控制动作；高级控制控制结果不消除偏差。单独的微分控制很少使用。图5-12理想差分控制器功能、5.2控制规则及其特性、差分时间TD对切换过程的影响如图5-15所示。图5-15差分时间对转换

6、过程的影响，TD越大，差分效果越强。5.2控制规则及其特性，3 .组合控制：(1)比例积分控制(PI)，e=A，响应特性如图5-10所示。如果T=TI，则输出为2KPA。应用此关系后，测量KP和TI，输入控制器中a的步长更改，立即记录发送的跳值，然后启动秒表计时。如果输出达到跳跃值的两倍，则此时间为TI，跳跃值KPA为KP(步骤输入值a除外)。图5-10比例积分控制器特性，5.2控制规则及其特性，(2)比例微分控制(PD) (5-13)响应特性如图5-13所示。图5-13比例差动控制的阶跃响应特性，5.2控制律及其特性，在实际比例差动控制律(5-13)式的情况下，KD为差动增益(差动放大)。如

7、果使KD变大，则可以使用理想的比例微分控制近似。在步骤a的阶跃偏差信号中，实际PD控制器的输出为(5-14)。T=TD/KD。响应特性如图5-13所示。实际比例微分控制差分时间测量如图5-14所示。5.2控制规则及其特性，实际比例微分控制特性，图5-13阶偏差中的实际图5-14实际比例微分控制器比例微分开环输出特性微分时间测量，5.2控制规则及其特性，(3)比例积分微控(PID)这个控制器的特点是快速控制，低额外消除，优秀的控制功能。5.2控制规则及其特性；比例积分微分控制器输出特性；图5-16 PID控制器特性；5.3模拟控制器；模拟控制器主要分为气动控制器和电气控制器。1.模拟控制器的基本

8、结构模拟控制器基本上由比较链路、反馈链路和放大器三部分组成(参见图5-17)。控制器的比例、积分、微分等控制规律主要通过反馈环的正负反馈作用实现。图5-17控制器基本配置、5.3模拟控制器、2。气动控制器气动单元仪表QDZ的控制装置是在输入和输出信号中使用20100kPa标准压力信号的气动控制器。目前操作的气动控制器主要有力平衡和力矩平衡两种。例如，qdz-型膜片比例积分控制器QTL-500和膜片微分器QTW-200型均以力平衡方式工作。Qdz-波纹管3作用(传统PID)控制器QTM-23类型，力矩平衡基准运行。气动控制器结构简单，价格便宜，但信号传输缓慢，落后，不能与计算机轻松结合，因此近年

9、来使用较少。，5.3模拟控制器，3.ddz-电气控制器(1) ddz-仪器的特性：由晶体管和其他独立组件组成，线路更复杂；信号系统使用010mA直流电流作为现场传输信号。02V直流电压作为控制室内接触信号；使用220V交流电压作为电源；5.3模拟控制器、现场发射器的电源和输出信号各使用两条导线，因此是4条线(参见图5-18)。此外，如图5-18所示，ddz-仪表的信号传输采用电流传输-电流接收的串行方式，在室内接收相同信号的每个仪表在电流信号电路上串行控制，在图中，4个仪表显示为负载电阻RL1、RL2、RL3、RL4。图5-18ddz-仪器的信号传输图，5.3模拟控制器，(2)DTL-121调

10、节器的基本配置，图5-19 DTL-121调节器方块图，DTL-121，5.3模拟控制器，(3)比例积分微分运算电路比例积分微分运算(PID运算)电路电路PID输出特性曲线如下图所示。ddz-控制器PID反馈电路、PID调节器输出动态特性、5.3模拟控制器、(4)DTL-121调节器的操作DTL-121调节器面板如图5-29所示。调节器的倍率为1%到200%，积分时间为6秒到10分钟，微分时间为3秒到25分钟。图5-20 DTL-121调节器面板1-手动-自动切换开关；2- led 3-指示灯；4-偏差指针；5-给定拨号6-手动拨号；7-输出指示器；8-手柄，5.3模拟控制器，4.ddz-电气

11、调节器(1) ddz-仪表特性2先发信号传输方式，现场传输信号420mADC，控制室联络信号15VDC，信号电流和电压转换电阻250。优点：电气“活动零点”易于识别断电、断开连接和其他错误。改变转换电阻电阻电阻电阻以实现各种I/V转换；图5-21 ddz-仪器信号传输图，5.3模拟控制器，采用集成电路，提高可靠性，减少维修工作量；型仪表为电源提供24V直流电源，并提供电池后备电源。优点：各单元节省电源变压器，工频电源不能进入装置计量表，解决计量表发热问题，为计量表防止爆炸提供了有利条件。工频电源停电时，会投入备用电源，因此所有仪表在一段时间内正常工作，继续进行监控和控制功能，有助于安全停车。结

12、构更合理。整个仪表可以构成安全火花防爆系统。5.3模拟控制器，(2) ddz-电气调节器结构和工作原理，图5-22型调节器原理方框图，5.3模拟控制器，(3)比例积分微分运算电路输入电路R1=R2=R3=R4输出信号：uo1=2 (uius)，图5-23输入电路，5.3模拟控制器，比例差动(PD)电路CD具有差动电容，RD具有差动电阻，RP具有比例电阻。图5-24比例微分电路，5.3模拟控制器，输入信号Uo1为相位角色时输出信号Uo2，图5-24比例差分电路，5.3模拟控制器5.3模拟控制器，比例积分(P1)电路CM为积分电容，RI为积分电阻CM和CI完成比例运算，输出信号CM和RI完成积分运

13、算，输出信号PI电路输出信号，图5-26比例积分电路图，5.3模拟控制器，手动操作电路K1，K2布置在软手动操作位置。软手动输出K4更改UR的正负和RM大小。、图5-27比例积分电路图、5.3模拟控制器、手动操作简化电路K1、K2放置在硬手动操作位置。硬手动输出Uo3=UH，图5-28硬手动任务简化图，5.3模拟控制器，手动-自动切换时扰动自动软手动切换K4尚未拉到UR时，A3的倒相输入为空UF=UT=UR电容式CM的电压是输出电压。CM的电荷未放电，因此输出Uo3可以保持不变。软手动切换软手动位置，电容CI两端电压始终与此信号Uo2相同，软手动切削UF=UB，电容CI连接到f点的一侧也为UB

14、，因此连接瞬间，电容没有充电放电现象，输出Uo3也不变。要执行硬手动软手动切换或硬手动自动切换、无扰动自动硬手动切换或软手动硬手动切换无扰动切换，必须提前平衡硬手动拨号栏，并与输出表指示的调整相同。电位器是手动控制的，不能自动跟踪信号变化。，5.3模拟控制器，(4)使用调节器操作，图5-29 DTL-3100调节器前图1-自动-软手动2-双针垂直指示器；3-给定设置控制盘；4-输出指示器5-硬手动杠杆；6-软手动操作板键；7-外部给定指示灯；8-阀位置指示器；9-记录输出的准则；10位车牌；11-输入感应插孔；12-手动输出插孔、5.4数字控制器、1。数字控制器的主要特征模拟仪表与计算机集成；强大的运算控制功能；通过软件实现所需的功能。具有与模拟调节器相同的外部特性。具有便于系统扩展的通信功能。可靠性高，维修方便。5.4数字控制器、2。数字控制器的配置原理(1)数字控制器的硬件电路、图5-32数字控制器的硬件电路、5.4数字控制器、(2)数字控制器的软件数字控制器的软件分为系统程序和用户程序两部分。系统进程监控功能模块用户进程用户创建过程实际上是功能模块的连接，即完成配置任务。5.4数字控制器、3。单回路数字控制器一个计算机仪表对应于一个控制电路，包括复杂控制回路中的数字控制器。KM