過(guò)程控制儀表與裝置

1、過(guò)程控制儀表與裝置過(guò)程控制儀表與裝置第四章第四章概概 述述 氣動(dòng)控制儀表的特點(diǎn)氣動(dòng)控制儀表的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價(jià)格便宜，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。用于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。概概 述述 電動(dòng)控制儀表的特點(diǎn)電動(dòng)控制儀表的特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的遠(yuǎn)距離傳送，同時(shí)又具有能源簡(jiǎn)單、的遠(yuǎn)距離傳送，同時(shí)又具有能源簡(jiǎn)單、便于和計(jì)算機(jī)配合的特點(diǎn)。由于采取安便于和計(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)全火花防爆措施解決了防爆問(wèn)題，

2、電動(dòng)儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險(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。廣泛的應(yīng)用。模擬式模擬式 傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡(jiǎn)單，傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡(jiǎn)單， 操作方便，價(jià)格較低操作方便，價(jià)格較低概概 述述 p一般與檢測(cè)裝置、顯示裝置一起組一般與檢測(cè)裝置、顯示裝置一起組裝在一個(gè)整體之內(nèi)裝在一個(gè)整體之內(nèi)p同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能p結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便p通用性差，信號(hào)不易傳遞通用性差，信號(hào)不易傳遞p一般應(yīng)用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

3、中。一般應(yīng)用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中。 基地式儀表基地式儀表概概 述述 單元組合式儀表儀表單元組合式儀表儀表按各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表分為若干單元，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(dú)立實(shí)現(xiàn)某種功能，使用時(shí)可以按生產(chǎn)工藝的不同要求各單元能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某種功能，使用時(shí)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(diǎn)是應(yīng)用靈活，通用性強(qiáng)，使用挑選需要的單元加以組合，其特點(diǎn)是應(yīng)用靈活，通用性強(qiáng)，使用維護(hù)方便，特別適用于中、小企業(yè)的過(guò)程控制系統(tǒng)；維護(hù)方便，特別適用于中、小企業(yè)的過(guò)程控制系統(tǒng)；組件組裝式儀表組件組裝式儀表：?jiǎn)卧M合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種：?jiǎn)?/p>

4、元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種成套儀表裝置，結(jié)構(gòu)上包括控制機(jī)柜和顯示操作盤(pán)兩部分，成套儀表裝置，結(jié)構(gòu)上包括控制機(jī)柜和顯示操作盤(pán)兩部分，它的主要特點(diǎn)是功能分離，結(jié)構(gòu)組件化，特別適用于要求它的主要特點(diǎn)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(guò)程組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的過(guò)程控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。概概 述述 數(shù)數(shù) 字字 式式它以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善，它以微型計(jì)算機(jī)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性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問(wèn)題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程的高質(zhì)量控制要問(wèn)題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程的高質(zhì)量控制要求。它可

5、實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程、斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)求。它可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程、斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的控制，也可以通過(guò)在程的控制，也可以通過(guò)在PLCPLC中加入中加入PIDPID等等控制功能，實(shí)現(xiàn)批量控制?？刂乒δ?，實(shí)現(xiàn)批量控制。概概 述述 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)具有比傳統(tǒng)模擬儀表更為豐富的運(yùn)算和控制功能，它可以提供多種軟算和控制功能，它可以提供多種軟件功能模塊，由用戶根據(jù)生產(chǎn)控制件功能模塊，由用戶根據(jù)生產(chǎn)控制的要求通過(guò)組態(tài)完成各種運(yùn)算處理的要求通過(guò)組態(tài)完成各種運(yùn)算處理和復(fù)雜控制，具有很大的應(yīng)用靈活和復(fù)雜控制，具有很大的應(yīng)用靈活性，但其軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜。性，但其軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜。概概 述述

6、 信號(hào)制及供電方式信號(hào)制及供電方式 信號(hào)制信號(hào)制-指在成套儀表系列中，各個(gè)儀表的輸入輸出間指在成套儀表系列中，各個(gè)儀表的輸入輸出間 采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題。氣動(dòng)控制儀表氣動(dòng)控制儀表：0.020.020.1MPa0.1MPa 電動(dòng)控制儀表電動(dòng)控制儀表，0 010mA10mA（DCDC）電流信號(hào)作為電動(dòng)電流信號(hào)作為電動(dòng)型儀表型儀表 4 420mA20mA（DCDC）電流信號(hào)電流信號(hào) 1 15V5V（DCDC）電壓信號(hào)電壓信號(hào) 電動(dòng)電動(dòng)型儀表型儀表傳輸方式傳輸方式：進(jìn)出控制室的傳輸信號(hào)采用電流信號(hào)，：進(jìn)出控制室的傳輸信號(hào)采用電流信號(hào)， 控制室

7、內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用電壓信號(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) 基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響 回憶回憶：控制器作用 基本控制規(guī)律概述基本控制規(guī)律概述 控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。在控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。在單回路定值控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用的存在，會(huì)使被控變量對(duì)給定值產(chǎn)單回路定值控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用的存在，會(huì)使被控變量對(duì)給定值產(chǎn)生偏差，此偏差數(shù)值上等于被控變量測(cè)量值與給定值之差。即：生偏差，此偏差數(shù)值上等于被控變量測(cè)量值與給定值之差。即：giXXe 式中式中e e偏差偏差 X X

8、i i被控變量的測(cè)量值被控變量的測(cè)量值 X Xg g被控變量的給定值被控變量的給定值 控制器的輸出信號(hào)是相對(duì)于控制器輸入信號(hào)控制器的輸出信號(hào)是相對(duì)于控制器輸入信號(hào)e e的輸出的變化量的輸出的變化量yy。如果輸入如果輸入e e與輸出與輸出yy的變化方向相同，則稱控制器為正作用控制器；反的變化方向相同，則稱控制器為正作用控制器；反之，如果輸入之，如果輸入e e與輸出與輸出yy變化方向相反，則稱控制器為反作用控制器。變化方向相反，則稱控制器為反作用控制器。 控制規(guī)律概述控制規(guī)律概述 PIDPID控制器的一般形式為：控制器的一般形式為：y yf(e) f(e) 幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表

9、示為：幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：eKyP比例作用（比例作用（P P） )1(0edtTeKytIP比例積分作用（比例積分作用（PIPI） )(dtdeTeKyDP比例微分作用（比例微分作用（PDPD） )1(0dtdeTedtTeKyDtIP比例積分微分作用（比例積分微分作用（PIDPID）K KP P控制器的比例增益；控制器的比例增益； T TI I控制器的積分時(shí)間；控制器的積分時(shí)間； T TD D控制器的微分時(shí)間控制器的微分時(shí)間； 控制規(guī)律的表示形式控制規(guī)律的表示形式ey KPe t t式中 y-為控制器的輸出; e-為控制器的輸入; KP為比例增益， 表征比例控制作用

10、的強(qiáng)弱程度。 比例控制器的階躍響應(yīng)特性PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響 比例控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響比例控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響比例控制的輸出與輸入的關(guān)系為yKP e通常習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)即比例度表示控制器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系以及比例作用的強(qiáng)弱。比例度可表示為 =1/KP 越大，比例控制作用越弱，越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越強(qiáng)越小，比例控制作用越強(qiáng)。PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響比比例例度度對(duì)對(duì)控控制制過(guò)過(guò)程程的的影影響響比例度的選擇原則比例度的選擇原則: : 若對(duì)象的滯后較若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以小，時(shí)

11、間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例么可以選擇小的比例度來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過(guò)渡過(guò)程度，從而使過(guò)渡過(guò)程曲線的形狀較好。反曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的定性，就要選擇大的比例度來(lái)保證穩(wěn)定比例度來(lái)保證穩(wěn)定。 dteTytI01 積分作用數(shù)學(xué)表達(dá)式為PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響 比例積分控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響比例積分控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響t te y式中TI是積分常數(shù)，表示積分速度的大小和積分作用的強(qiáng)弱。積分作用能夠消除余差積分作用能夠消除余差與比例控制相比，積分控制過(guò)

12、渡過(guò)程比較緩慢與比例控制相比，積分控制過(guò)渡過(guò)程比較緩慢PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響 在階躍信號(hào)作用下（幅值為A)ATtKAKATtKyIPPIP)1 (PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成 當(dāng) t=TI y= 2KPA)1e (K0PdteTytIPI控制器的輸出隨時(shí)間變化的表達(dá)式為t yI=yPtypPe yTI由此可確定積分常數(shù)。積分常數(shù)越大，積分作用越小，反之，積分作用越大。積分常數(shù)越大，積分作用越小，反之，積分作用越大。積分時(shí)間積分時(shí)間T TI I的物理意義：的物理意義：在階躍信號(hào)作用下，控制器積分作用的輸出等于在階躍信號(hào)作用下，控制器積分作用的輸出等于比

13、例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。 PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響積積分分時(shí)時(shí)間間對(duì)對(duì)過(guò)過(guò)渡渡過(guò)過(guò)程程的的影影響響左圖表示在同樣比例度下左圖表示在同樣比例度下積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。由圖中曲線可以看響。由圖中曲線可以看出，出，TITI過(guò)大時(shí)積分作用不過(guò)大時(shí)積分作用不明顯，余差消除地也慢，明顯，余差消除地也慢，從圖中曲線、可以看從圖中曲線、可以看出，出，TITI較小時(shí)易于消除余較小時(shí)易于消除余差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線就比較相比之下，曲線就比較理想。理想。 理想微分控制器的輸出與輸入信號(hào)的關(guān)

14、系為： 在階躍信號(hào)輸入的瞬間，控制器的輸出為無(wú)窮大，其余時(shí)間輸出為零。et0t0ttdtdeTyDPIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響 比例微分控制規(guī)律對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例微分控制規(guī)律對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例微分輸出的大小與偏差變化速度及微分時(shí)間成正比。微分時(shí)間越長(zhǎng)，微分作用越強(qiáng)。 微分時(shí)間 對(duì)PID控制器而言，當(dāng)積分時(shí)間TI時(shí)，控制器呈PD控制特性。此時(shí)輸出與輸入的關(guān)系如式所示。 tety理想PD控制器的階躍響應(yīng)曲線)(dtdeTeKyDP 比例微分控制規(guī)律比例微分控制規(guī)律PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制

15、規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響微微分分時(shí)時(shí)間間對(duì)對(duì)過(guò)過(guò)渡渡過(guò)過(guò)程程的的影影響響PD控制優(yōu)點(diǎn)：能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，抑制過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD控制不足之處：一般只適應(yīng)于時(shí)間常數(shù)較大或多容過(guò)程的調(diào)節(jié)控制，而不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過(guò)程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制閥頻繁開(kāi)啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。PD控制一般總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作為輔。 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(cè)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。 PI

16、D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。PID階躍響應(yīng)特性曲線 PIDPID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響 比例積分微分控制規(guī)律DDZ-DDZ-型控制器型控制器 DDZ-DDZ-型型PIDPID控制器的特點(diǎn)：控制器的特點(diǎn)： 元器件以線性集成電路為主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的擴(kuò)展;采用安全火花防爆措施，提高了穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，DDZ-型PID控制器中采用的運(yùn)算放大器是高增益高輸

17、入阻抗的，因此具有較高的積分增益和良好的保持特性。 DDZ-型控制器有兩個(gè)基型品種，全刻度指示控制器 偏差指示控制器 PIDPID控制器的組成原理控制器的組成原理 PID控制器組成框圖 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 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，同時(shí)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10V參考電壓為基準(zhǔn)的輸出電壓信號(hào)。)(201siVVVVBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT 輸入電路輸入電路圖中以零伏（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，電路的輸出

18、是已經(jīng)進(jìn)行了電平移動(dòng)的以VB=10V為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)VO1。同相端：設(shè) 為理想運(yùn)放， ，開(kāi)環(huán)增益為Ri反相端：2VVVVVVVVVVVIII BO1iF5BBO1F3F1Fi32121310R)(21RR0對(duì)于理想運(yùn)放,VVFTVVVVVVV2VVVVVBSiBiSO1BO1iBS22213131VVVRRRRVVRVVRVI I IBST6336B73TS2T3213100VBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FTIC1 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 RP1aR1RD斷CDV02KIC21K9.1K通+V01VBVBRP1aV02IC2+VTRDCD1K9.1KV01VB 比例微分電路的作用是對(duì)輸入電路的輸出信號(hào)VO1進(jìn)行比例微分運(yùn)算。電路如圖所示。將PD電路分為無(wú)源比例微分網(wǎng)絡(luò)圖和比例運(yùn)算電路圖兩部分單獨(dú)進(jìn)行分析。無(wú)源比例微分網(wǎng)絡(luò) 比例電路 微分電路構(gòu)成 充電結(jié)束時(shí)， 9.1K電阻上的電壓全部加到電容CD上，此時(shí) VCD（）= VO1 并保持該值不變。 比例微分電路的輸出信號(hào)VO與VT成簡(jiǎn)單的比例放大關(guān)系，