第3章-过程控制仪表(上).(1).ppt

1、第3章 过程控制仪表(上),本章要点,1）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及其响应特性； 2）熟悉 DDZ-型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点； 3）了解智能调节器的硬件和软件构成； 4）了解SLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理； 5）了解SLPC可编程控制器的模块指令及编程方法； 6）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器的应用特点； 7）掌握电/气转换器与阀门定位器的工作原理 8）熟悉智能式电动执行器的功能特点； 9）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。,3.1 过程控制仪表概述,过程仪表的定义及作用:调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等称为过程控制仪表

2、。,1 调节器的功能,（1）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。 （2）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。 （3）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。,（4）正、反作用的选择 正作用-指调节器的输出随着反馈输入的增加而增加，即调节器的输出随

3、着测量值增大而增大。KC0 调节器作用方向确定的原则：应根据被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式来正确选择，以使自动控制系统成为一个负反馈的闭环系统，即 如果被控变量偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量偏低，则控制作用应使之升高。,（5）手动切换操作 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态； 当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。 通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。 （6）其它功能 如抗

4、积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能,2 执行器的作用,执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。 若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。,3 安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。,引言：基本控制规

5、律及特点 所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。,控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。 设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号 e ，它是设定值信号 r 与测量信号 y 之差。,u = f (e),e = r y,3.2 DDZ-型模拟式调节器,控制规律有断续控制和连续控制两类： 一、断续控制控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。 二、连续控制控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。 （1 ）双位控制 双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。,

6、理想的双位控制器输出 u 与输入偏差 e 之间的关系为：,例1：温度双位控制系统： 温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。,二位式控制器电路原理框图：,是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电子开关用。,有中间区的双位控制效果：,被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。,理想双位控制效果：,(2) 三位控制：,控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。,三位控制器电路原理框图：,例2：温度三位控制系统 温度低于T1时，温控器使继电器1、2都吸合，加热器1、2

7、都通电加热；温度高于T1低于T2时，温控器使继电器1吸合、继电器2断开，只有加热器1通电；温度高于T2时，继电器1、2都断开。,温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。,要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器。,3.2.1 比例积分微分调节规律,理想PID的数学表达式 ：,写成传递函数形式：,1 比例调节规律,比例控制数学表达式 ：,纯比例调节器的阶跃响应特性,浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。,如果e = 0，则活塞无法提高，Q1 无法加大，调节无法进行

8、。,例：自力式液位比例控制系统：,例：自力式液位比例控制系统：,比例控制过程,原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。,比例控制的特点 控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。,控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零 u = KC e 即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。,在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度来表示比例控制作用的强弱。 所谓比例度就是指控制器输入偏

9、差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。,式中e为输入偏差；u为控制器输出的变化量；（emax - emin）为输入的最大变化量,即输入量程；（umax umin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。,如果控制器输入、输出量程相等，则:,比例度:,比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。,比例带的物理意义：,使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。如 =50%表明：,控制器输入偏差变化50% ，就可使控制器输出变化100%，若输入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比例关系。,例 某比例控制器，温度控制范围为400800，输

10、出信号范围是420mA。当指示指针从600变到700时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。,解,2 比例积分控制（PI） 当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。 （1） 积分控制（I） 输出变化量u(t)与输入偏差e的积分成正比,当e是幅值为E的阶跃时,TI 积分时间,积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。 积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。,积分控制的特点,当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。,若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差 。 （2）比

11、例积分控制（PI）（考虑到积分饱和特性）,比例积分调节器的阶跃响应特性,称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。 （考虑到饱和特性）,3 比例微分控制（PD） 对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。,式中：TD 微分时间, 偏差变化速度,理想微分,（1） 微分控制（D）,微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。,微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，而且易受干扰而误动作，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD

12、控制或PID控制。,微分控制的特点,（2）比例微分控制（PD）,理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际具有饱和微分特性的比例微分作用。,称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。,4 比例积分微分控制（PID）,PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作

13、用是用于消除静差。,PID调节器的阶跃响应特性,5、调节器控制规律的选择,选择依据：,被控过程的特性（容量大小、延迟时间、负荷变化、主要扰动等）； 对系统控制质量的要求。,基本原则：,用软件来实现PID控制算法非常简单； 进行逻辑运算或算法改进非常灵活； 运行可靠，运算精度高。,6、 数字PID控制算法,模拟PID调节器：用硬件实现PID调节规律,数字PID调节器：用数字计算机实现PID调节规律,数字调节器的优点：,60年代,日本 恒河公司,一、数字PID调节器,PID调节器的传递函数为：,其微分方程为：,1、位置式PID控制算法,对上式进行离散化处理，得：,比例系数,积分时间常数,微分时间常

14、数,采样时间,积分系数,微分系数,2、增量式PID控制算法,与位置式PID算法相比，增量式算法有如下优点：, 减小超调，提高稳定性；（后面进一步介绍） 增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。,二、PID算法的改进,1、积分算法的改进,（1）积分分离PID算法（PD-PID选择算法）,基本思路：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用， 以消除积分作用导致的稳定性降低，超调量加 大；当被控量接近给定值时，投入积分作用，以 消除静差，提高控制精度。,算式为：,位置式：,增量式：,其中：,积分饱和现象： 当系统存在一个方向的偏差，PID调节器的输出由于积分作用的不断积累而加大，从而导致

15、执行机构达到极限位置 （如阀门开度达到最大），若调节器输出 继续增大，阀门开度不可能再增大。此时计算机输出控制量超出了正常运行范围进入了饱和区。,（2）过限削弱积分法,当系统出现反向偏差， 逐渐从饱和区退出.进入饱和愈深，则退出饱和区所需时间愈长。,在这段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差反向立即作出相应的改变，这时系统好象失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象，或称积分失控现象。,过限削弱积分法：,一旦控制变量进入饱和区，则程序只执行削弱积分项的运算，而停止增大积分项的运算。,在离散PID算法中，将矩形积分改为梯形积分，以提高积分项的运算精度，减小余差。,（3）积

16、分项采用梯形积分离散化,适用于采样周期较长的系统,（4）变速积分的PID算法,可设：,与积分分离算法类似，这里积分项采用的是缓慢变化，而前者采用的是“开关”控制。,2、微分算法的改进,（1）不完全微分PID算法加入低通滤波器,目的：克服微分作用所引起的高频干扰,以图（a）为例进行说明（只考虑微分作用）,经离散化整理得：,低通滤波器,低通滤波器,不完全微分PID不在一个周期内完成微分，而将其分散在多个周期中，并按指数规律衰减。微分作用能够均匀输出，避免了系统的振荡。,在单位阶跃输入下，标准PID算法和不完全微分PID算法的控制输出如下图（a）、（b）所示。,（b）不完全微分PID算法,（a） 标

17、准PID算法,（2）输入滤波,输入滤波：指在计算微分项时，不是直接利用当前时刻的偏 差 ，而是利用滤波值 。,数字滤波的方法很多，例如算术平均滤波：,3、非线性PID控制算法（略）,N取值注意：,3.2.2 DDZ-型PID基型调节器 （自学为主） 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用集成电路）。,1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利 。,1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。,1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数

18、月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。,3.2.2 DDZ-型PID基型调节器,电子管的发明科普知识 爱迪生效应：是托马斯爱迪生1883年发现的，但却要从1877年说起。这一年爱迪生发明碳丝电灯之后，应用不久即出现了寿命太短的问题：因为碳丝难耐电火高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也完结了。爱迪生千方百计设法改进，1883年他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。经过反复试验，碳丝虽然蒸发如故，但他却从这次失败的试验中发现了一个稀奇现象，即碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过。铜线与碳丝并不联接，哪里来的电流？难道电流会在真空中飞渡不成？,3.2

19、.2 DDZ-型PID基型调节器,在当时，这是一件不可思议的事情，敏感的爱迪生肯定这是一项新的发现，并想到根据这一发现也许可以制成电流计、电压计等实用电器。为此他申请了专利，命名为“爱迪生效应”，便不再去进行深入研究了。后来，有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。 英国物理学家弗莱明却根据“爱迪生效应”发明了电子管（即二极管）。随后，人们又在弗莱明二极管的基础上制成了三极管，促成了世界上第一座无线电广播电台于1921年在美国匹兹堡市建立，使无线电通讯野火春风般迅速出现在世界各地。 世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,1 DDZ-

20、型仪表的特点及外形： 测量信号：15V.DC； 外给定信号：420mA.DC； 内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：1； 输入阻抗影响：满刻度的0.1； 输出保持特性：0.1（每小时）； 输出信号：420mA.DC； 调节精度：0.5； 负载电阻：250750。,3.2.2 DDZ-型PID基型调节器 （自学为主）,DDZ-基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。,全刻度指示调节器的构成框图,2 全刻度指示调节器的构成原理,全刻度指示调节器的线路实例,输入电路的

21、首要任务是求偏差 e ： V01 = k ( V给定 V测量 ),1、输入电路,因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。,可列出两输入节点的电流方程：,而 V+V- 则 V01 = -2(Vi-VS),得,采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使15V的测量信号不受衰减，,（2） 求偏差 Vi VS，进行偏差运算。 （3）将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。,电路的特点 （1）输入阻抗高,（4） 消除了传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源，在Vi的传输线上可能包括其它仪表的电流，导

22、线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻的影响。,（5） 进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件用+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB =10V ，即进行电平移动。,因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V,则,显然，IC不能正常放大。,如果 VB = 0,VB = 10V时， V+ = V- = 3.75.7V 保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。,而且 VB = 0时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V 也不符合后面PID电路I

23、C的范围要求。,VB = 10时：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。,2、 PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8打向“通”时，构成 PD电路。,PD传递函数,得,式中：n=KD,微分时间常数,又因,得,阶跃响应,当Vo1为阶跃信号时，Vo2的阶跃响应为,可见，此电 路的微分是实际 的微分。,当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随9.1K分压电阻电压。当开关S8切换到“通”时，由于电

24、容两端电压不能跃变，从而Vo2不跃变，对控制过程无扰动，保证无扰动切换。,3、PI电路分析 它接收以10V为基准的PD电路的输出信号Vo2，进行PI运算后，输出以10V为基准的15V电压Vo3，送至输出电路。该电路由A3、R1、C1、CM等组成。S3为积分档切换开关,A3的输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。,由于电容CM积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。,PI传递函数S1置于“自动”位置、S3分别置于“1”、“10”档时的简化电路：,根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：,S3打向10档时： m=10 S3打向1档时： m=1,K1,PID运算电路由PI

25、和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,4 输出电路,其任务是将PID电路输出电压Vo3 =15V变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至0V。,在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。,取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3,由V+V-得,转换关系,则,而,若取 Rf= 62.5时，,可以获得关系：,5 调节器的整机传递函数 输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结构框图,整机传递函数可表示为 :,6 手动操作电路及无扰切换 通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。,AM无冲击,1) A、M间的切换