化工儀表及自動化第四章 自動控制儀表

化工儀表及自動化課件第四章自動控制儀表第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日本章內(nèi)容第一節(jié)概述

第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程影響第三節(jié)模擬式控制器第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

回憶

控制器作用

被控對象

測量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動第一章概述第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日一、控制系統(tǒng)按被調(diào)參數(shù)的變化規(guī)律分類：定值控制系統(tǒng)：給定值為常數(shù)；隨動控制系統(tǒng)：給定值為變數(shù)，要求跟隨變化；程序控制控制系統(tǒng)：按預(yù)定時間順序控制參數(shù)。二、控制目的的實現(xiàn)：通過人為設(shè)定或計算機程序直接給出一定的輸出——簡單；將設(shè)定值與實測值進行比較，以其差值大小控制控制器動作，直至差值達到允許的誤差范圍。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日氣動控制儀表的特點

結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，維護方便，價格便宜，并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適用于石油、化工等有爆炸危險的場所。三、控制儀表的分類按使用的能源不同分為氣動控制儀表和電動控制儀表。第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日電動控制儀表的特點

可以實現(xiàn)無滯后的遠(yuǎn)距離傳送，同時又具有能源簡單、便于和計算機配合的特點。由于采取安全火花防爆措施解決了防爆問題，電動儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險場所，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)同時具有檢測、控制與顯示的功能結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便通用性差，信號不易傳遞一般應(yīng)用于簡單控制系統(tǒng)中?；厥絻x表

從控制儀表的發(fā)展來看，大體經(jīng)歷了基地式控制儀表、單元組合式儀表的控制單元和以微處理器為基元的控制系統(tǒng)

第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日單元組合式儀表的控制單元

按各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表分為若干單元，各單元能獨立實現(xiàn)某種功能，使用時可以按生產(chǎn)工藝的不同要求挑選需要的單元加以組合，其特點是應(yīng)用靈活，通用性強，使用維護方便，特別適用于中、小企業(yè)的過程控制系統(tǒng)；第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種成套儀表裝置，結(jié)構(gòu)上包括控制機柜和顯示操作盤兩部分，它的主要特點是功能分離，結(jié)構(gòu)組件化，特別適用于要求組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的過程控制系統(tǒng)。組件組裝式儀表第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

它以微型計算機為核心，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。它可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程、斷續(xù)生產(chǎn)過程的控制，也可以通過在PLC中加入PID等控制功能，實現(xiàn)批量控制。

微處理器為基元的控制裝置第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程影響信號制----指在成套儀表系列中，各個儀表的輸入輸出間采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號來進行信號傳輸?shù)膯栴}。氣動控制儀表：0.02～0.1MPa

電動控制儀表，0～10mA電流信號作為電動Ⅱ型儀表

4～20mA電流信號

1～5V電壓信號電動Ⅲ型儀表傳輸方式

進出控制室的傳輸信號采用電流信號，控制室內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號采用電壓信號

第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日控制規(guī)律：控制系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系。按控制目標(biāo)分類：位式控制：在輸出超出設(shè)定的上下限時控制器改變輸出狀態(tài)；連續(xù)控制：根據(jù)測量值與設(shè)定值的差異（差值）連續(xù)調(diào)整輸出（控制參數(shù)）。

被控對象

測量變送控制器執(zhí)行器被控變量第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日控制規(guī)律

控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入信號之間隨時間變化的規(guī)律。通常是在控制器的輸入端加入一個階躍信號,研究其輸出信號變化情況。研究控制器的控制規(guī)律時是把控制器和系統(tǒng)斷開，即只單獨研究控制器本身的特性。

被控對象

測量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

在控制系統(tǒng)中，由于擾動作用的存在，會使被控變量對給定值產(chǎn)生偏差，此偏差數(shù)值上等于被控變量測量值與給定值之差。即：

控制器的控制規(guī)律就是指控制器的輸出信號p與e之間的函數(shù)關(guān)系。

p=f(e)=f(z-x)

第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

在研究控制器的控制規(guī)律時，經(jīng)常是假定控制器的輸入信號e是一個階躍信號，然后來研究控制器的輸出信號p隨時間的變化規(guī)律。控制器的基本控制規(guī)律有位式控制、比例控制（p）、積分控制（I）、微分控制（D）及它們的組合形式。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

不同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，必須根據(jù)生產(chǎn)要求來選用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，要選用合適的控制器，首先必須了解常用的幾種常用控制規(guī)律的特點與使用條件，然后，根據(jù)過渡過程品質(zhì)指標(biāo)要求，結(jié)合具體對象特性，才能做出正確的選擇。第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

雙位控制系統(tǒng)的規(guī)律是當(dāng)測量值大于給定值時，控制器輸出為最大（或最?。?，而當(dāng)測量值小于給定值時，則輸出為最小（或最大），即控制器只有兩個輸出值。一、雙位控制ep第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

實際應(yīng)用的雙位控制器具有一個中間區(qū)，被控參數(shù)在中間區(qū)時，控制機構(gòu)不工作，當(dāng)參數(shù)上升至測量值高于給定值某一數(shù)值后，控制機構(gòu)才關(guān)；當(dāng)參數(shù)下降至測量值低于給定值某一數(shù)值后，控制機構(gòu)才開，這樣，控制機構(gòu)開關(guān)的頻率程度大為降低，從而起到保護的作用。第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日控制規(guī)律AB斷開，低位，開啟閥門；AC導(dǎo)通，高位，關(guān)閉閥門。控控制結(jié)果：將液位限制在BC之間。ABC斷開第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日雙位控制的過渡曲線ptytyHyL第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日雙位控制器電路舉例24VDC0ABC控ABCAB斷開——閥門開啟；AC接通——閥門關(guān)閉CB電磁閥第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日二、連續(xù)控制——PID控制根據(jù)輸入量與設(shè)定值差異的大小連續(xù)調(diào)整輸出量的大小。分類：P控制——比例控制PI控制——比例積分控制PD控制——比例微分控制PID控制——比例微分積分控制第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日p

在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變量的偏差值成比例。即：

1、比例控制第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

具有比例控制規(guī)律的控制器稱為比例控制器，其輸出信號變化量P與偏差信號e之間成比率關(guān)系。即：

Kp為放大倍數(shù)工業(yè)上常用比例度δ代替

第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

儀表量程

控制器的輸出范圍

比例度δ-----指控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)。即：

第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日若輸出與輸入都為標(biāo)準(zhǔn)對象，則

即：

第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日tQ2t0tt0htt0ptt0Q1tt0e第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

比例控制的特點：反應(yīng)快，控制及時，控制結(jié)果有余差。有偏差信號輸入時，輸出立刻與它成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。即：

第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日比例度對控制過程的影響比例度的選擇原則若對象的滯后較小，時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例度來提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過渡過程曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的比例度來保證穩(wěn)定。第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日KP（）值的影響KP值過大（值過?。┫到y(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，容易造成過度控制，產(chǎn)生大幅振蕩。KP值過?。ㄖ颠^大）系統(tǒng)反應(yīng)過于遲鈍，控制時間長，余差大。KP值（值）適中經(jīng)過少數(shù)幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，有一定的余差。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

積分控制作用的輸出變量p與輸入偏差e的積分成正比。2、積分控制（I）tteP式中KI是積分速度，表示積分速度的大小和積分作用的強弱。當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時，則

積分作用能夠消除余差，與比例控制相比，積分控制過渡過程比較緩慢。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

在階躍信號作用下（幅值為A)PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成

當(dāng)t=TI+p=2KPAPI控制器的輸出隨時間變化的表達式為ttepTI由此可確定積分速度。KpA2KpA第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

積分時間TI的物理意義：在階躍信號作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間。

積分時間越大，積分作用越小，反之，積分作用越大。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日積分時間對過渡過程的影響

左圖表示在同樣比例度下積分時間對過渡過程的影響。由圖中曲線３可以看出，TI過大時積分作用不明顯，余差消除地也慢，從圖中曲線１、２可以看出，TI較小時易于消除余差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線２就比較理想。第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日理想微分控制器的輸出與輸入信號的關(guān)系為：

在階躍信號輸入的瞬間，控制器的輸出為無窮大，其余時間輸出為零。et0t0∞tt

微分控制器輸出的大小與偏差變化速度及微分時間ＴＤ成正比。微分時間越長，微分作用越強。微分時間3、微分控制（D）第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

對PID控制器而言，當(dāng)積分時間TI→∞時，控制器呈PD控制特性。此時輸出與輸入的關(guān)系如式所示。tetp理想PD控制器的階躍響應(yīng)曲線

比例微分控制規(guī)律第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日微分時間對過渡過程的影響能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時改善過程的動態(tài)品質(zhì)，抑制過渡過程的最大動態(tài)偏差，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

PD控制優(yōu)點第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

一般只適應(yīng)于時間常數(shù)較大的調(diào)節(jié)控制，而不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過程。其次，當(dāng)微分作用太強時會導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制閥頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。

PD控制一般總是以比例動作為主，微分動作為輔。PD控制不足之處第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測功能，從控制效果看，是比較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。

PID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。因為PID三作用控制器需要整定比例度、積分時間和微分時間三個變量，而在實際工程上是很難將這三個變量都整定到最佳值。PID階躍響應(yīng)特性曲線

比例積分微分控制規(guī)律第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)模擬式控制器

控制器的作用是將被控變量測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分運算、并將運算結(jié)果以一定信號形式送去執(zhí)行器，以實現(xiàn)對于被控變量的自動控制。

被控對象

測量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

模擬式控制器中，所傳送的信號形式為連續(xù)的模擬信號。目前應(yīng)用的模擬式控制器主要是電動控制器。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日一、電動控制儀表基本構(gòu)成比較環(huán)節(jié)將被控變量的測量值與設(shè)定值進行比較得到偏差。電動控制器是在輸入電路中進行電壓或電流信號的比較。放大器將偏差信號、反饋信號、載波信號疊加后進行放大。放大器實質(zhì)上是一個穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動控制器中可采用高增益的集成運算放大器反饋環(huán)節(jié)將輸出信號通過一定的運算關(guān)系反饋到放大器的輸入端，以實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律?？刂破鞯腜ID控制規(guī)律是通過反饋環(huán)節(jié)進行的。輸出的電信號通過電阻和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。給定信號比較環(huán)節(jié)測量信號偏差放大器輸出信號反饋環(huán)節(jié)-第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

二、DDZ-Ⅲ型電動單元控制器

是模擬式控制器中較為常見的一種，它以來自變送器或傳感器的1～5V直流測量信號作為輸入信號，與1～5V直流設(shè)定信號相比較得到偏差信號，然后對此信號進行PID運算后，輸出1～5V或4～20mA直流控制信號，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。整套儀表可以構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，而且增加了安全柵，實現(xiàn)控制室與危險場所之間的能量限制和隔離。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

有軟、硬兩種手動操作方式，軟手動與自動之間相互切換具有雙向無平衡無擾動特性，提高了控制器的操作性能。這是因為在自動與軟手動之間有保持狀態(tài)，此時控制器輸出可長期保持不變，所以即使有偏差存在，也能實現(xiàn)無擾動切換。

第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

采用國際標(biāo)準(zhǔn)信號制，現(xiàn)場傳輸信號為4～20mA直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為1～5V直流電壓，信號電流和電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250Ω。由于電氣零點不是從零開始，因此容易識別斷電、斷線等故障。信號傳輸采用電流傳送-電壓接受的并聯(lián)方式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（4～20mA），將此電流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。

第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

1.結(jié)構(gòu)原理輸入電路PD電路PI電路輸出電路軟手動電路硬手動電路顯示電路內(nèi)給定電路給定顯示外給定值測量信號輸出信號

控制器的工作狀態(tài)有“自動”、“軟手動”、“硬手動”及“保持”四種。第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)控制器處于“自動”狀態(tài)時，測量信號與設(shè)定信號通過輸入電路進行比較，由比例微分電路、比例積分電路對其偏差進行PD和PI運算后，再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電流，作為控制器的輸出信號，去控制執(zhí)行器。當(dāng)控制器處于“保持”狀態(tài)（即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值）時，若同時將控制器切換到“軟手動”狀態(tài)，輸出可按快或慢兩種速度線性地增加或減小，以對工藝過程進行手動控制。第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)控制器處于“硬手動”狀態(tài)時，控制器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的位置一一對應(yīng)?？刂破鬟€設(shè)有“正”、“反”作用開關(guān)供選擇，以滿足控制系統(tǒng)的控制要求?？刂破髦袑⑵頴定義為測量值與設(shè)定值之差（e=Z-X），若測量值大于設(shè)定值，稱為正偏差；若測量值小于設(shè)定值，稱為負(fù)偏差。當(dāng)控制器置于