1、过程控制,第三章 控制仪表,3-0 控制仪表概述,控制仪表包括:调节器和执行器,调节器,气动执行器,控制仪表,模拟表,数字表,基地式仪表,DDZ仪表,智能调节器,可编程调节器,组件组装仪表,执行器,电动执行器,3-0 控制仪表概述,气动控制仪表的特点 (QDZ) ：,结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。,3-0 控制仪表概述,电动控制仪表的特点 ：,电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，
2、因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。,3-0 控制仪表概述,单元组合式仪表(DDZ),按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；,3-0 控制仪表概述,可编程调节器：,具有比传统模拟仪表更为丰富的运算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制，具有很大的应用灵活性，但其软件系统比较复杂。,3-0 控制仪表概述,信号制及供电方式,信号制-指在成套仪表系列中，各个仪
3、表的输入输出间 采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。,气动控制仪表：0.020.1MPa 气源压力: 0.14MPa,电动控制仪表，010mA（DC）电流信号作为电动型仪表 420mA（DC）电流信号 电动型仪表 供电: 24V（DC） 15V（DC）电压信号 电动型仪表,传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号,3-1 调节器的调节规律,调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：,式中e(t)偏差 y (
4、t)被控变量的测量值 r (t)被控变量的给定值 调节器的输出信号是相对于调节器输入信号e的输出的变化量u。如果输入e与输出u的变化方向相同，则称调节器为正作用调节器；反之，如果输入e与输出u变化方向相反，则称调节器为反作用调节器。,e(t)= y (t)r (t),3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-双位调节,或者,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-比例调节 (P),比例调节规律:调节器的输出信号变化量与偏差信号成比例,工程上常用比例度（或称比例带）表示比例作用的强弱, 越大，比例调节作用越弱，越小，比例调节作用越强,式中 e-为调节器的输入;u-为调节器的输出; KP
5、为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。,比例调节的特点:及时、快速，缺点是存在静态误差,因此亦称有差调节,3-1 调节器的调节规律,比例度对控制过程的影响,比例度的选择原则: 若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-积分调节 (I),积分作用微分方程表达式:,式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。特点:能够消除余差缺点:滞后调节,阶跃响应曲线,传递函数:,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表
6、示形式-比例积分调节(PI),在阶跃信号作用下（幅值为A),PI输出响应由比例和积分两部分组成 当 t=TI u= 2KPA,微分方程表达式:,由此可确定积分常数。,积分常数越大，积分作用越弱，反之，积分作用越强。,积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。,3-1 调节器的调节规律,积分时间对过渡过程的影响,左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除也慢，从图中曲线、可以看出，TI较小时易于消除余差，但TI过小系统的振荡加剧。相比之下，曲线比较理想。,3-1 调节器的调节规律,调节
7、规律的表示形式-微分调节 (D),理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：,在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。,比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比。微分时间越长，微分作用越强。,微分时间,e,t0,t0,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-比例微分调节(PD),对PID调节器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD调节特性。此时输出与输入的关系如式所示。,理想PD控制器的阶跃响应曲线,3-1 调节器的调节规律,工业实际使用的比例微分调节(PD),3-1 调节器的调节规律,微分时间对过渡过程的影响,PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的
8、动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-比例积分微分调节(PID),PID阶跃响应特性曲线,3-1 调节器的调节规律,调节规律的表示形式-比例积分微分调节(PID),PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可
9、以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。,3-2 DDZ-III调节器,DDZIII型调节器正面图1位号牌 2内外给定指示 3内给定设定拨盘4-A/M/H切换 5阀位表 6软手动操作扳键7双针全刻度指示表,3-2 DDZ-III调节器,DDZ-型PID调节器的特点,元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提
10、高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。 DDZ-型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器和偏差指示控制器,3-2 DDZ-III调节器,DDZ-型PID调节器组成原理,PID调节器组成框图,3-2 DDZ-III调节器,3-2 DDZ-III调节器,DDZ-型调节器输入电路,主要作用: 对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。,图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器I
11、C1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电压信号VO1。,3-2 DDZ-III调节器,同相端：设 为理想运放， ，开环增益为,反相端：,对于理想运放,IC1,输入电路,3-2 DDZ-III调节器,PD电路,比例微分电路对VO1进行比例微分运算。,无源比例微分网络 比例电路 微分电路构成,3-2 DDZ-III调节器,PI电路,PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的15V的电压信号至输出电路。,PI电路,PI电路的等效电路,硬手操信号,软手操信号,3-2 DDZ-III调节器,PID整机传递函数,3-2 DDZ-I
12、II调节器,PID整机传递函数,令干扰系数,比例度,微分增益,F相互干扰系数,3-2 DDZ-III调节器,输出电路,3-2 DDZ-III调节器,手操电路,自动”A”, 软手动”M”、硬手动”H” 三种控制方式,M:积分输出H:比例输出,3-2 DDZ-III调节器,指示电路,具有电平移动的差动输入比例电路,3-2 DDZ-III调节器,数字调节器,定程序调节器,可编程调节器,混合调节器,批量调节器,数字式调节器类型 ：,特点 ：,实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方
13、式等方面保留了模拟调节器的特征。,3-2 DDZ-III调节器-数字调节器,运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。,3-3 执行器,
14、执行器是指：阀门调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴) 电机连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用),原因：执行器与介质（操作变量）直接接触(强)腐蚀性、(高)粘 度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压,执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。,执行器通常专指阀门,执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节,3-3 执行器,执行器由执行机构和调节（控制）机构两个部分构成,辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构,执行机构,调节机构,PO,IO,F l,M,流
15、通截面积,操纵变量的流量,执行机构根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达)。 它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 调节机构根据推力产生位移或转角，改变开度。 它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 手操机构手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。,3-3 执行器,执行机构分电动执行机构和气动执行机构,调节机构相同。气动执行机构如下,3-3 执行器,气源 PO,气动薄膜式执行
16、机构基本结构和工作原理,气源PO,气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十秒之间。,3-3 执行器,调节机构：,3-3 执行器,调节机构：正反作用,3-3 执行器,反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀,正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀,执行器的作用方式,从安全生产的角度来确定正反作用,如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？,3-3 执行器,调节机构：流量特
17、性确定,3-3 执行器,调节机构：流量特性,直线流量特性 对数（等百分比）流量特性 抛物线流量特性 快开流量特性,3-3 执行器,调节机构：工作流量特性,串联管道工作流量特性,3-3 执行器,调节机构：串联管道工作流量特性,3-3 执行器,调节机构：并联管道工作流量特性,3-3 执行器,附件：电气转换器,3-3 执行器,附件：电气阀门定位器,3-3 执行器,1电动执行机构：,3-3 执行器,伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节：,无输出,输出215V,电动执行机构的特性,电动执行机构输出为角行程或者式直行程：,为不灵敏区,太大会？,太小会？,3-3 执行器,伺服放大器原理 ：,伺服电动机输出转速高、力矩小，必须经过减速器的减速，才能推动调节机构,3-3 执行器,智能调节阀 ：,
