《過程控制系統與儀表》課件及教案,過程控制系統與儀表,過程,控制系統,儀表,課件,教案
第3章 控制儀表
教學目的：了解基本概念：基本控制規(guī)律，模擬式、數字式控制器的特點及組成。
教學重點：基本控制規(guī)律的特點，DDZ-Ⅲ型儀表的組成與操作。
教學難點：PID控制器的規(guī)律和特點。
控制儀表又稱控制器或調節(jié)器。其作用是把被控變量的測量值和給定值進行比較，得出偏差后，按一定的調節(jié)規(guī)律進行運算，輸出控制信號，以推動執(zhí)行器動作，對生產過程進行自動控制。
控制儀表按工作能源分類有：
1、 電動儀表
以220VAC或24VDC作為工作能源，輸入輸出均采用0～10mA或4～20mA標準信號。
2、氣動儀表
以140kPa的氣壓信號作為工作能源，輸入輸出均采用20～100kPa的標準氣壓信號。
3、自力式儀表
不需要專門提供工作能源的控制儀表或裝置。
例：自力式液位調節(jié)器Q2
Q1
h
控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：
1、基地式儀表
將檢測、控制、顯示功能設計在一個整體內，安裝在現場設備上。這種儀表的特點是安裝簡單、使用方便。但一般通用性差，只適用于小規(guī)模、簡單控制系統。
2、單元式組合儀表
單元組合式儀表是將儀表按其功能的不同分成若干單元（例變送單元、給定單元、控制單元、顯示單元等），每個單元只完成其中的一種功能。
各個單元之間以統一的標準信號相互聯系?？刂茊卧墓δ苁歉鶕y量信號與給定信號的偏差進行控制運算。如：
e
PID
+
給定值
－
實測值
3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）
內設微處理器，用軟件實現控制功能，很容易實現各種復雜控制。在自動控制系統中廣泛應用的有：工業(yè)控制計算機（DDS）， 集散控制裝置（DCS） ，單回路數字控制器（SLPC），可編程數字控制器（PLC）， 現場總線控制裝置（FCS）。
3.1基本控制規(guī)律及特點
控制器的輸入信號是測量信號x和給定信號r（內部設定或外部輸入），測量信號和給定信號相比較后得到偏差信號 。
e = r – x 或 e = x – r
控制規(guī)律是指控制器的輸出與偏差之間的關系。
給定值
f(e)
+
e
實測值
－
y = f (e)
控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：
1）、斷續(xù)控制——控制器輸出接點信號，如雙位控制、三位控制。
2）、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號，如比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。
3.1.1 雙位控制
雙位控制器只有兩個輸出值，相應的執(zhí)行機構只有開和關兩個極限位置，因此又稱開關控制。
雙位控制器輸出p與偏差e之間的關系為：
標準雙位控制
標準雙位控制特性
pmax
pmin
e
p
有中間區(qū)的雙位控制特性
-ε0
e
p
ε0
有中間區(qū)的雙位控制
例1：溫度雙位控制系統：
溫度低于給定值時，溫控器輸出高電平，繼電器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電。
～
220V
繼電器
標準雙位控制過程：
t
T
t
p
加熱功率
TG
被控溫度在給定值（ TG ）附近劇烈振蕩，無法穩(wěn)定。
具有中間區(qū)的雙位控制過程：
t
T
TH
TL
t
p
加熱功率
被控溫度在（TH ，TL）區(qū)間振蕩，無法穩(wěn)定。
二位式控制器電路原理框圖：
測量信號
給定信號
－
＋
＋
∞
U0
是一種最簡單的調節(jié)器，根據被調量偏差符號的正、負，輸出只有兩個位置，高電平或低電平，可以當一個電子開關用。
三位控制
控制器有三個輸出位值，可以控制兩個繼電器。
測量信號
給定1
－
＋
＋
∞
U01
－
＋
＋
∞
U02
給定2
三位控制器電路原理框圖
三位控制的動作規(guī)律：
p
當偏差值大于設定上限時，控制器的輸出為最大（或最小）；當偏差值小于設定下限時，輸出為最小（或最大）；當偏差值位于設定區(qū)間時，輸出中間值。
e1
e2
e
pmin
pmax
pmax
pmin
e
p
e2
e1
三位控制效果：溫度偏差大時升溫速度快；溫度偏差小時小幅調整。振蕩幅值明顯減小。
要使調節(jié)過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調節(jié)器。
3.1.2 比例控制（P）
控制器輸出y（t）和偏差信號e（t）成比例關系
——比例增益
傳遞函數為
＋
－
P
y
e
測量值x
給定值xr
例：自力式液位比例控制系統：
浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使Q1加大，阻止水位下降。
標準表達式：
比例控制的特點：
控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。
控制結果存在靜差。因為：如果被調量偏差為零，調節(jié)器的輸出也就為零。 即調節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調節(jié)。
如上圖中：若e = 0，則活塞無法提高，Q1無法加大，則沒有調節(jié)作用。
在實際的比例控制器中，習慣上使用比例度P來表示比例控制作用的強弱。
所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對變化值與相應的輸出相對變化值之比，用百分數表示。
式中e為輸入偏差；y為控制器輸出的變化量；（xmax - xmin）為測量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；（ymax –ymin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。
比例度 表達式中，如果控制器輸入、輸出量程相等，則:
比例帶P的物理意義：使控制器輸出變化100%時，所對應的偏差變化相對量。如 P=50% 表明：
控制器輸入偏差變化50% ，就可使控制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例關系，如下圖所示。
y
100%
P=50%
50%
P=100%
0
x
xmin
xmax
xr
y/mA
例 某比例控制器，溫度輸入范圍為400～800℃，輸出控制信號范圍是4～20mA。若測量指針從600℃變到700℃時，控制器相應的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求設定的比例度。
20
P=50%
解
4
800
400
e
x/ ℃
答 溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間內（即200℃）時，e和y是2倍的關系。
控制過程說明
控制前，進水閥在某一開度，液位符合要求。進水量與出水量相等，系統處于平衡。
設 t=0 時刻，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。當進水量增加到與出水量相等時，系統重新平衡。
當要求控制精度較高時，就需要在比例控制的基礎上，加積分控制作用。
e
3.1.3 比例積分控制（PI）
E
（1）積分控制（I）
y
t
，TI —積分時間
當e是幅值為E的階躍時
t
當偏差消失時，輸出保持。
積分控制的特點：
輸出變化量y與偏差e的積分成正比。當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。划斊钕r，輸出保持在某一值上。
積分作用有保持功能，故積分控制可以消除余差。
積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。
e
若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差 。
（2）比例積分控制（PI）
t
E
y
若偏差是幅值為E的階躍干擾
t
3.1.4 比例微分控制（PD）
e
對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。
（1）微分控制（D）
t
E
理想微分
式中：TD — 微分時間
y
— 偏差變化速度
t
微分控制的特點：
微分作用能超前控制。在偏差出現或變化的瞬間，微分立即產生強烈的調節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。
微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。必須和P或PI結合，組成PD控制或PID控制。
（2）比例微分控制（PD）
理想的比例微分控制：
理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應，并且對高頻干擾很敏感。經常使用實際的比例微分作用。
實際的比例微分作用是理想的比例微分作用加一階慣性：
將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。
e
t
t
y
3.1.5 比例積分微分控制（PID）
PID控制中，比例作用是基礎控制；微分用于加快系統控制速度；積分用于消除靜差。
不是所有對象都是用PID控制最好。
3.2 模擬式控制器
模擬式控制器用模擬電路實現控制功能。其發(fā)展經歷了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型（用集成電路）。
3.2.1 DDZ-Ⅲ型儀表的特點
1）信號標準：4~20mA DC和1～5V DC，其主要優(yōu)點是可以使現場變送器實現兩線制；并且容易識別斷電、斷線等故障。
2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。
3）可構成安全火花型防爆系統。
3.2.2 DDZ- Ⅲ型控制器的組成與操作
DDZ-Ⅲ基型調節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、PID運算電路、自動與手動（硬手動和軟手動）切換電路、輸出電路及指示電路。
M
輸出指示
PD電路
輸入
電路
軟手動電路
電路
測量值指示
硬手動電路
電路
DDZ-Ⅲ型調節(jié)器結構方框圖
A
H
S1
S6
內給
給定值指示
內給定電路
外給
測量
輸出
電路
PI電路
3.2.3全刻度指示調節(jié)器的線路實例
3.2.3.1輸入電路
輸入電路的首要任務是求偏差 e ：
可列出運放兩輸入節(jié)點的電流方程：
-端
+端
其中，Vcm1、Vcm2---接地線的等效電阻
得
因 則
電路的特點
（1）輸入阻抗高
采用差動輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號 、取電流，使1～5V的測量信號不受衰減。
（2） 求偏差
，進行偏差運算。
（3）將偏差放大
為了提高調節(jié)器對偏差的靈敏度，對其后的運算有利，這里先將偏差放大兩倍。
（4）消除傳輸線上壓降的影響
DDZ-Ⅲ采用共用電源，在Vi的傳輸線上可能包括其它儀表的電流，導線電阻雖不大但其壓降不可忽略。 差動輸入可以消除導線電阻的影響。
（5） 進行電平移動
、都是以地為基準的電壓信號，而運放IC器件+24VDC供電時，其正常工作輸入、輸出信號電壓范圍在2～19V。為使信號符合IC工作范圍，必須將IC基準電壓從0V抬高到 =10V ，即電平移動。
3.2.3.2 PID運算電路
PI
由PI和PD兩個運算電路串聯而成，由于輸入電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓都是以=10V為基準的。
PD
1、PD電路分析
PD電路以A2為核心組成。微分作用可以選擇：開關S8打向“斷”時，微分作用被切斷；開關S8打向“通”時，構成 PD電路。
PD傳遞函數
得
又因
得
式中： —微分時間常數
－實際微分因子
階躍響應
當V01為階躍信號時，V02的階躍響應為
當S8置于“斷”時，微分切除，A2只作比例運算。
這時微分電容被開關S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當開關S8切換到“通”時，保證無擾動切換。
因
得
2、PI電路分析
PI電路以A3為核心組成。開關S3為積分時間倍乘開關：當S3打向×1檔時，1K電阻被懸空，不起分壓作用；當S3打向×10檔時，1K電阻接到基準線，RI兩端電壓為V02/m。
由于10μF電容積分需要較大電流，在A3輸出端加一功放三極管。
PI傳遞函數
A3負輸入端節(jié)點電流方程（S3置于×10檔）：
則
階躍響應
當V02為階躍信號時，V03的階躍響應為
3、PID運算電路的傳遞函數
輸入電路：
PD電路：
PI電路：
PID運算是上述三個環(huán)節(jié)的串聯而成。
PID傳遞函數
令：干擾系數 比例度 微分增益
則：
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