過(guò)程控制第3章 控制儀表

1、過(guò)程控制過(guò)程控制第三章第三章 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表 控制儀表概述控制儀表概述 控制儀表包括:調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器 調(diào)節(jié)器氣動(dòng)執(zhí)行器控制儀表模擬表數(shù)字表基地式儀表DDZ儀表智能調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器組件組裝儀表執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表 (QDZ) ：特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價(jià)格便宜，并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適用于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。能源（140KPa壓縮空氣）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（20100KPa氣源壓力）電動(dòng)控制儀表：電動(dòng)控制儀表：特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的遠(yuǎn)距離傳送，能源簡(jiǎn)單、便于和計(jì)算機(jī)配合的特點(diǎn)。由于采取安全火花防爆措施解決了防爆問(wèn)題，電動(dòng)儀表同樣也能應(yīng)用于易燃

2、易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)所，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：010mA（DC）電流信號(hào)作為電動(dòng)型儀表 420mA（DC）電流信號(hào) 電動(dòng)型儀表 供電: 24V（DC） 15V（DC）電壓信號(hào) 電動(dòng)型儀表傳輸方式：進(jìn)出控制室的傳輸信號(hào)采用電流信號(hào)， 控制室內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用電壓信號(hào) 單元組合式儀表單元組合式儀表(DDZ)12345667儀表按功能劃分獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)單元組合（標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）可編程調(diào)節(jié)器：可編程調(diào)節(jié)器：具有比傳統(tǒng)模擬儀表更為豐富的運(yùn)算和控制功能，它可以提供多種軟軟件功能模塊件功能模塊運(yùn)算處理，由用戶根據(jù)生產(chǎn)控制的要求通過(guò)組態(tài)組態(tài)完成各種和復(fù)雜控制。廣義對(duì)象回憶回憶：控制器作用 3.

3、1 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律 控制器作用：給出輸出控制信號(hào)，以消除被控變量與給定值之間的偏差。控制效果的好壞很大程度上決定于控制器的性能，也即控制規(guī)律的選擇。 調(diào)節(jié)規(guī)律:指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。y (t)被控變量的測(cè)量值被控變量的測(cè)量值r (t)被控變量的給定值被控變量的給定值 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)：相對(duì)于調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)：相對(duì)于調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)e e的輸出的變化量的輸出的變化量uu。e(t)= y (t)r (t) 偏差：偏差：分析方法：輸入分析方法：輸入e(t)給一個(gè)階躍信號(hào)，分析輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律給一個(gè)階躍信號(hào)，分析輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律

4、一、比例調(diào)節(jié)一、比例調(diào)節(jié) (P) teKtup式中 e-為調(diào)節(jié)器的輸入;u-為調(diào)節(jié)器的輸出; KP為比例增益，表征比例控制作用的強(qiáng)弱程度。KP越大：控制作用越強(qiáng) 比例調(diào)節(jié)規(guī)律:調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)變化量與偏差信號(hào)成比例 et u KPe t pKsH一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。 比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：控制作用及時(shí)迅速，余差不可避免，因此亦稱有差調(diào)節(jié)。 maxminmaxmin*100%exxuuumaxminmaxmin*100%uuexxumaxminmaxmin1*100%uuuxxe1*100%pCK%1001pKxmaxxmin：控制器輸入的變化范圍，即測(cè)量?jī)x表的量程maxmin：

5、控制器輸出的變化范圍比例度對(duì)控制過(guò)程的影響比例度對(duì)控制過(guò)程的影響比例度的選擇原則比例度的選擇原則: : 若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較?。ㄏ到y(tǒng)易穩(wěn)較大以及放大倍數(shù)較小（系統(tǒng)易穩(wěn)定）時(shí)，比例度選大一點(diǎn)還是小一定）時(shí)，比例度選大一點(diǎn)還是小一點(diǎn)？點(diǎn)？比例度愈大，過(guò)渡過(guò)程曲線震蕩愈小，余差愈大；比例度愈小，過(guò)渡過(guò)程曲線震蕩激烈，可能不穩(wěn)定。反之，若系統(tǒng)不易穩(wěn)定，就要選反之，若系統(tǒng)不易穩(wěn)定，就要選擇大的比例度來(lái)保證穩(wěn)定擇大的比例度來(lái)保證穩(wěn)定。 答：選擇小的比例度來(lái)提高系統(tǒng)的答：選擇小的比例度來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過(guò)渡過(guò)程曲線的形靈敏度，從而使過(guò)渡過(guò)程曲線的形狀

6、較好。狀較好。二、比例積分微分調(diào)節(jié)二、比例積分微分調(diào)節(jié)(PID) )(1dtdeDTpTedtekPI)1 ()(1STksGDSTpcIPID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因?yàn)镻ID三作用控制器需要整定整定比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)變量，而在實(shí)際工程上是很難將這三個(gè)變量都整定到最佳值。常見(jiàn)對(duì)象特點(diǎn)及其常用調(diào)節(jié)器類型:思考題與習(xí)題(P135)36 某比例積分控制器輸入、輸出范圍均為420mA，若將比例度設(shè)為100，積分時(shí)間設(shè)為2min，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出調(diào)為5mA，某時(shí)刻，輸入階躍增加0.2mA。試問(wèn)經(jīng)過(guò)5min后，輸出將由5mA變化到多少？解：)1

7、e (K0pdteTutI%1001UminmaxminmaxpKXXU1pKmAte2 . 0)(min2IT7 . 0)2 . 0210.2 (150dtu變化到的值50.75.7mA已知：得：3.2 DDZ-III調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器12345667DDZIII型調(diào)節(jié)器正面圖1位號(hào)牌 2內(nèi)外給定指示 3內(nèi)給定設(shè)定撥盤(pán)4-A/M/H切換 5閥位表 6軟手動(dòng)操作扳鍵7雙針全刻度指示表有兩個(gè)基型品種：全刻度指示控制器和偏差指示控制器。Kp/Ti/Td的設(shè)置投入運(yùn)行：先手動(dòng)操作系統(tǒng)穩(wěn)定后切換到自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)不正?；蜃詣?dòng)部分失靈：切換到手動(dòng)操作。手動(dòng)操作可以調(diào)整手操撥盤(pán)或者手操扳鍵來(lái)改變調(diào)節(jié)器的輸出無(wú)擾動(dòng)

8、切換:手/自動(dòng)切換時(shí)都希望不給控制系統(tǒng)帶來(lái)擾動(dòng)，即調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不發(fā)生突變手動(dòng)操作與手/自動(dòng)雙向切換（要求：無(wú)擾動(dòng)切換）正、反作用的選擇（通過(guò)正、反作用開(kāi)關(guān)來(lái)選擇）提供內(nèi)給定信號(hào)及內(nèi)、外給定的選擇：給定信號(hào)可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由其它儀表外部提供DDZII型儀表（包括） DDZ一III型儀表（包括） III型儀表優(yōu)點(diǎn) 電 源 220VAC 24VDC集中供電 儀表內(nèi)部沒(méi)有變壓器，不發(fā)熱，為實(shí)現(xiàn)更好的防爆措施提供條件。 防 爆 隔離防爆 本安型防爆（安全火花型） 故障狀態(tài)：電流小于35mA，電壓小于35VDC，可帶電維修。 輸出信號(hào) 010mA 420mA 電氣零點(diǎn)從4 mA開(kāi)始，不與機(jī)

9、械零點(diǎn)重合，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。只要改變轉(zhuǎn)換電阻阻值，便可接收其他電流信號(hào)，例如將10 50mA等直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為l5V信號(hào)。因?yàn)樽钚≥斎胄盘?hào)不為零，為現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào) 010mA 420mA15V 元器件 分離元件（電阻、電容、晶體管） 集成電路（運(yùn)放電路） 由于集成運(yùn)放均為差分放大器，且輸人對(duì)稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高。由于集成運(yùn)放有高增益，因而開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到提高。由于采用了集成電路，焊點(diǎn)少，強(qiáng)度高，大大提高了儀表的可靠性。 指示表頭 單針偏差指示（030%） 有雙針全刻度大表頭指示（0100%） 分別指示測(cè)量值（紅針）、給定

10、值（黑針） 手動(dòng)方式 硬手動(dòng) 硬手動(dòng)、軟手動(dòng) 通常都是用軟手動(dòng)操作板鍵進(jìn)行手動(dòng)操作，這樣控制平穩(wěn)精細(xì)，只有當(dāng)需要給出恒定不變的操作信號(hào)（例如，閥的開(kāi)度要求長(zhǎng)時(shí)間不變）或者在緊急時(shí)要一下子就控制到安全開(kāi)度等情況下，才使用硬手動(dòng)操作。 手自動(dòng)切換 無(wú)平衡、無(wú)擾動(dòng) DDZ-型型PID調(diào)節(jié)器組成框圖調(diào)節(jié)器組成框圖四種工作狀態(tài)：自動(dòng)軟手動(dòng)：輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成積分積分關(guān)系。硬手動(dòng)：輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成比例比例關(guān)系。（使輸出迅速 改變到需要的數(shù)值）保持：調(diào)節(jié)器的輸出處于保持前一時(shí)刻狀態(tài)。 基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性 CqI dt/CCq UCCI dtCU 模擬控制器都是由各種放

11、大器和由電阻、電容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成.I U R/RU I( )( )( )U sR sI sC( )1( )CCUsIsCsIC UC DDZ-型調(diào)節(jié)器的整機(jī)電路主要作用主要作用: : 對(duì)輸入信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行綜合比較，獲得偏差信號(hào)并進(jìn)行放大(圖中以零伏（地）為基準(zhǔn)的測(cè)量信號(hào)Vi和給定信號(hào)VS，反相地加到運(yùn)算放大器IC1的兩個(gè)輸入端) 。)(201siVVVVBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT實(shí)現(xiàn)電平的移動(dòng)，把以零伏為基準(zhǔn)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成以VB=10V 參考電壓為基準(zhǔn)的輸出電壓VO1。1、DDZ-型調(diào)節(jié)器輸入電路型調(diào)節(jié)器輸入電路(偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路偏差差動(dòng)電平

12、移動(dòng)電路)反相端：123FO1BiFF1450120RRR IIIVVVV VV對(duì)于理想運(yùn)放,VVFTVVVVVVVVVVSiiSO1BO1iBS222131311230I I IVBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT同相端：設(shè) 為理想運(yùn)放，Ri ，開(kāi)環(huán)增益A,有IC1 輸入電路 STTTB2360VVVVVRRR236TSB13RRRVVVFiO1B1132VVVV54=1R =R RVRRRVRRRVB24232233fBVRRRVVRRRV14103144_)(034124VVfffRIV024000IIIIIBffRVI4030作用：將比例積分電路輸出的以UB為

13、基準(zhǔn)的15VDC電壓信號(hào)U03轉(zhuǎn)換為流過(guò)負(fù)載RL（一端接地）的420mADC輸出電流I0 VV0304fVIR 由于反饋支路中的電流If和晶體管基極電流IB都比較小，可忽略已知：Rf=62.5，當(dāng)V03=15V時(shí)，輸出電流I0=420mA。問(wèn)：負(fù)載電阻RL能不能取1.5K？40K2、輸出電路、輸出電路3 3、手動(dòng)操作電路手動(dòng)操作電路手動(dòng)操作電路原理圖 硬手操的操作旋鈕（硬手操的操作旋鈕（硬手動(dòng)操作桿）手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式 軟手操軟手操當(dāng)當(dāng)S41按下時(shí)：按下時(shí)：CMUBU03VRRM1RM2RM1

14、RM2VR031RMMVUtC R當(dāng)當(dāng)S42按下時(shí)：按下時(shí)：0312()RMMMVUtCRR當(dāng)當(dāng)S43按下時(shí)：按下時(shí)：031RMMVUtC R當(dāng)當(dāng)S44按下時(shí)：按下時(shí)：0312()RMMMVUtCRR快速上升快速上升慢速上升慢速上升快速下降快速下降慢速下降慢速下降軟手操電路:如果如果S41S44都不按下的時(shí)候，如右圖：都不按下的時(shí)候，如右圖：在實(shí)際電路中：在實(shí)際電路中：CM10F，RM130k， RM2470k如果使如果使U03的輸出在的輸出在15V全量程范圍內(nèi)變化，則：全量程范圍內(nèi)變化，則：在快速手操狀態(tài)下，需要在快速手操狀態(tài)下，需要6秒秒在慢速手操狀態(tài)下，需要在慢速手操狀態(tài)下，需要100秒

15、秒 電容電容CM上沒(méi)有電流，上沒(méi)有電流， CM上的電壓保持不變，即上的電壓保持不變，即U03不變不變說(shuō)明該手操電路有很好的保持性。說(shuō)明該手操電路有很好的保持性。（輸出保持：（輸出保持：0.1/小時(shí)）小時(shí)）CMUBU03因?yàn)?RF=RH=30k所以 U03=UH 03( )( )HUSUS1()1FHFMRRR C S CMUBU03RHRFWHUH1/FMHRC SRFHRR 硬手操電路硬手操電路 慣性時(shí)間常數(shù)很小（T=RFCM=0.3s），只需很短時(shí)間(1s)就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。4、無(wú)擾動(dòng)切換、無(wú)擾動(dòng)切換（切換前后三種控制方式：自動(dòng)”A”, 軟手動(dòng)”M”：積分輸出 硬手動(dòng)”H”：比例輸出下面聯(lián)動(dòng)的S1作用：使積分電容C1的右端電壓恒等于VB，以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。先平衡再切換方法：切換前，先調(diào)整硬手動(dòng)操作桿，使操作桿的位置與調(diào)節(jié)器輸出指示位