第3章過程控制控制儀表

1、過程控制過程控制目錄目錄第第3 3章控制儀表章控制儀表控制儀表又稱控制器或調節(jié)器?？刂苾x表又稱控制器或調節(jié)器。作用：作用：把被控變量的測量值和給定值進行比較，得出偏差后，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調節(jié)。動作，對生產過程進行自動調節(jié)?？刂苾x表按工作能源分類有：控制儀表按工作能源分類有：1 1、 電動儀表電動儀表以以220VAC220VAC或或24VDC24VDC作為工作能源，其輸入輸出信號均作為工作能源，其輸入輸出信號均采用采用0 01010mAm

2、A或或4 420mA20mA的標準信號。的標準信號。2 2、氣動儀表、氣動儀表以以140kPa140kPa的氣壓信號作為工作能源，其輸入輸出信的氣壓信號作為工作能源，其輸入輸出信號均采用號均采用2020100100kPakPa的標準氣壓信號。的標準氣壓信號。第第3 3章控制儀表章控制儀表3 3、自力式儀表、自力式儀表不需要專門提供工作能源。不需要專門提供工作能源。例：自力式液位調節(jié)器例：自力式液位調節(jié)器控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：1 1、基地式儀表、基地式儀表 q 將檢測、控制、顯示功能設計在一個整體內，安裝在現(xiàn)將檢測、控制、顯示功能設計在一個整體內，安

3、裝在現(xiàn)場設備上。場設備上。q安裝簡單、使用方便安裝簡單、使用方便。但一般通用性差，只適。但一般通用性差，只適用于小規(guī)模、簡單控制系用于小規(guī)模、簡單控制系統(tǒng)。統(tǒng)。2、單元式組合儀表單元式組合儀表q將儀表按其功能的不同分成若干單元（例變送單元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、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。成其中的一種功能。q控制單元是接受測量與給定信號，然后根據(jù)它們的控制單元是接受測量與給定信號，然后根據(jù)它們的偏差進行控制運算，運算的結果作為控制信號輸出。偏差進行控制運算，運算的結果作為控制信號輸出。q各

4、個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系。各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系。DDZ-電動儀表電動儀表DDZ-氣動儀表氣動儀表DDZDDZ電動電動調節(jié)器調節(jié)器DDZ-S單回路調節(jié)器單回路調節(jié)器 DDZ-S單回路調節(jié)器單回路調節(jié)器 DDZ組裝儀表組裝儀表3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）以微處理器為中心的控制儀表（裝置）內設微處理器，控制功能豐富，很容易構成各內設微處理器，控制功能豐富，很容易構成各種復雜控制系統(tǒng)。種復雜控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中廣泛應用的有：在自動控制系統(tǒng)中廣泛應用的有：q工業(yè)控制計算機（工業(yè)控制計算機（DDS） q集散控制裝置（集散控制裝置（DCS） q單回路數(shù)字控制器（單回

5、路數(shù)字控制器（SLPC）q可編程數(shù)字控制器（可編程數(shù)字控制器（PLC） q現(xiàn)場總線控制裝置（現(xiàn)場總線控制裝置（FCS） YS100單回路調節(jié)器單回路調節(jié)器CENTUM-XL綜合控綜合控制系統(tǒng)制系統(tǒng)3 3.1 .1 基本控制規(guī)律及特點基本控制規(guī)律及特點控制規(guī)律控制規(guī)律控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關系?？刂破鞯妮敵鲂盘柵c輸入偏差信號之間的關系。 y = f (e) e = r x 或或 e = x - r控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、一、斷續(xù)控制斷續(xù)控制控制器輸出接點信號，如雙位控制、三控制器輸出接點信號，如雙位控制、三位控制。位控制。二、二、連續(xù)

6、控制連續(xù)控制控制器輸出連續(xù)信號，如比例控制、比控制器輸出連續(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。例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。3 3.1 .1 基本控制規(guī)律及特點基本控制規(guī)律及特點3.1.1 雙位控制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，因此又稱關兩個極限位置，因此又稱開關控制開關控制。e 0 0 （或（或e 0 0）時時= =ymaxyminye 0 0 0）時時理想的雙位控制特性理想的雙位控制特性ymaxyminey 例例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：溫度雙位控制系統(tǒng)： 溫度

7、低于給定值時，溫控器輸出高電平，繼電器吸合溫度低于給定值時，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，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。，繼電器斷開，加熱器斷電。3.1.1 雙位控制雙位控制二位式控制器電路原理框圖：二位式控制器電路原理框圖：是一種最簡單的調節(jié)器，根據(jù)被調量偏差符號的正、是一種最簡單的調節(jié)器，根據(jù)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。子開關用。3.1.1 雙位控制雙位控制理想雙位控制效果：理想雙位控制效果：

8、被控溫度在被控溫度在T0 上下振蕩，無法穩(wěn)定。上下振蕩，無法穩(wěn)定。3.1.1 雙位控制雙位控制三位控制：三位控制： 控制器有三個輸出位值，可以控制兩個繼電器。控制器有三個輸出位值，可以控制兩個繼電器。三位控制器電路原理框圖：三位控制器電路原理框圖：3.1.1 雙位控制雙位控制例例2 2：溫度三位控制系統(tǒng)：溫度三位控制系統(tǒng) 溫度低于溫度低于T T1 1時，溫控器使繼電器時，溫控器使繼電器1 1、2 2都吸合，加熱器都吸合，加熱器1 1、2 2都通電加熱；溫度高于都通電加熱；溫度高于T T1 1低于低于T T2 2時，溫控器使繼電器時，溫控器使繼電器1 1吸合、繼吸合、繼電器電器2 2斷開，只有加

9、熱器斷開，只有加熱器1 1通電；溫度高于通電；溫度高于T T2 2時，繼電器時，繼電器1 1、2 2都都斷開。斷開。3.1.1 雙位控制雙位控制 溫度三位控制效果：溫度偏差大時，升溫速度快；溫度溫度三位控制效果：溫度偏差大時，升溫速度快；溫度偏差小時，小幅調整。偏差小時，小幅調整。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。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。PID控制是比例積分微分控制的簡稱。PID控制具有以下優(yōu)點： 1）原理簡單，使用方便。 2）適應性強，可廣泛用于各種生產部門。 3）魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。不使用PID例外情況：

10、 1.被控對象易于控制而控制要求又不很高的，可以采用更簡單的的開關控制方式。 2.被控對象特別難以控制而控制要求又特別高的情況，這時如果PID控制難以達到生產要求就要考慮更先進的控制方法。3.1.1 比例控制比例控制控制器輸出y（t）和偏差信號e（t）成比例關系傳遞函數(shù)為：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制系統(tǒng)的控制過程比例控制系統(tǒng)的控制過程v 比例控制的特點比例控制的特點q控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時、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。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。q控制結果存在靜差。因為，如果被調量偏差為控制結果存在靜差。

11、因為，如果被調量偏差為零，調節(jié)器的輸出也就為零零，調節(jié)器的輸出也就為零 y = KP e即調節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能即調節(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)。做到無靜差調節(jié)。在實際的比例控制器中，習慣上在實際的比例控制器中，習慣上使用比例度使用比例度P來來表示比例控制作用的強弱。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(shù)表示。與相應的輸出相對變化值之比，用百分數(shù)表示。maxminmaxmineyP(/) 100%xxyy=如果控制器輸入、輸出量程相等，則如果控制器輸入

12、、輸出量程相等，則: 比例度除了表比例度除了表示控制器輸入和輸示控制器輸入和輸出之間的增益外，出之間的增益外，還表明比例作用的還表明比例作用的有效區(qū)間。有效區(qū)間。比例帶比例帶P的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%時，所對應的偏差變時，所對應的偏差變化相對量化相對量。如。如P=50%表明：表明： 控制器輸入偏差控制器輸入偏差變化變化50% ，就可使控，就可使控制器輸出變化制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過若輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例飽和，不再符合比例關系。關系。例例 某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范

13、圍為400800，輸出信，輸出信號范圍是號范圍是420mA。當指示指針從當指示指針從600變到變到700時，控時，控制器相應的輸出從制器相應的輸出從8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA。求設定的比例度。求設定的比例度。解解答答 溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的50區(qū)間內（即區(qū)間內（即200）時）時，e和和y是是2倍的關系。倍的關系。（1）積分控制）積分控制 （I控制）控制）3.1.3 比例積分控制（比例積分控制（PI）當要求控制結果無余差時，就需要在比例控制的基礎上，當要求控制結果無余差時，就需要在比例控制的基礎上，加積分控制作用。加積分控制作用。輸出變化量輸出變化量y與輸入偏差與輸入偏差e的積

14、分成正比的積分成正比dteTI=t01yTI 積分時間積分時間當當e是幅值為是幅值為E的階躍時的階躍時tdtTII=TEe1yt0自力式氣壓調節(jié)閥q積分作用具有保持功能，積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。故積分控制可以消除余差。q積分輸出信號隨著時間逐積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。作用不單獨使用。v 積分控制的特點積分控制的特點當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。┊斢衅畲嬖跁r，積分輸出將隨時間增長（或減?。?；當偏差消失時，輸出能保持在某一值上。；當偏差消失時，輸出能保持在某一值上。若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差 。 積分速度對于調節(jié)過程的影響P與I調節(jié)過程的比較（2） 比例積分控制（比例積分控制（PI）)1(1y0dteTePtI=)11 (1)()()(WsTPsEsYsI=若偏差是幅值為若偏差是幅值為E的階躍干擾的階躍干擾tTP