過程控制課件：第4章過程控制儀表

1、 第四章 過程控制儀表 基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡 過程的影響4.1 DDZ型調(diào)節(jié)器4.2 改進(jìn)型調(diào)節(jié)器4.3 數(shù)字式調(diào)節(jié)器4.4 執(zhí)行器4.5 電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響 偏差信號e: 給定值與測量信號之差 (X-Z) 測量信號Z:代表被控參數(shù)大小的信號給定信號X:代表規(guī)定值之大小的信號 控制信號u: 用以改變控制作用大小的信號 控制規(guī)律:調(diào) 節(jié) 器:根據(jù)測量值與給定值所的偏差按一定的數(shù)學(xué) 運(yùn)算規(guī)律輸出操縱值?；究刂埔?guī)律：位式控制 比例控制 積分控制 微分控制 一、雙位控制 1.雙位控制規(guī)律 umax e0 （e0）u= umin e0 （e0） euuma

2、xumin理想雙位控制規(guī)律 2.實(shí)例 液位 電磁線圈 閥門 進(jìn)料 液位 HH0 通電 關(guān)閉 切斷進(jìn)料 HH0 HH0 斷電 打開 進(jìn)料 HH0 中間區(qū)：被控參數(shù)有一定的變化范圍 3.品質(zhì)指標(biāo)：振幅、周期 原則：使振幅在允許的范圍內(nèi)，盡可能的使周期延長。4.特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實(shí)現(xiàn) 二、比例控制 1.比例控制規(guī)律及比例度 控制規(guī)律 測量元件浮球調(diào)節(jié)器杠桿執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥ab 比例控制系統(tǒng)示意圖u ee液位控制系統(tǒng)ab 比例控制系統(tǒng)示意圖Kc 控制作用Kc 控制作用euab比例控制規(guī)律的輸出變化量與輸入偏差e成正比。 放大倍數(shù),可調(diào)整 比例度使調(diào)節(jié)器輸出變化全范圍時(shí),輸入偏差改變了滿量程的百分?jǐn)?shù)

3、。 比例度 由于比例增益Kc是有量綱的量，在工程上常將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)無量綱的量：比例度例如：一臺比例調(diào)節(jié)器，輸入信號的變化范圍為100200，輸出信號的變化范圍為420mA，當(dāng)輸入變量從140變化到160時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出信號從12mA16mA，問該調(diào)節(jié)器的比例度？ 解： 當(dāng)測量溫度變化了全量程的80%時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出從4mA20mA。在這個(gè)范圍內(nèi)，溫度的變化與調(diào)節(jié)器的輸出u是成比例的。100200tI420150uminumaxe%0%100%0%80%050%100%e%umaxuminumax-umin2比例度示意圖 =200% =100% =50% d與放大系數(shù)Kc的關(guān)系 d Kc 控制作用

4、 d Kc 控制作用 對于單元組合儀表 比例控制系統(tǒng)的過渡過程 Q2Q2Q1hQ1 Q1= Q2 ab 比例控制系統(tǒng)示意圖比例度對過渡過程的影響 T K0 T K0 ab 比例控制系統(tǒng)示意圖優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制及時(shí)，簡單、可靠缺點(diǎn)：余差存在三.比例積分控制1.積分控制規(guī)律 TI 積分時(shí)間e（mA）t0At0u（mA）TI1TI2TI3TI1TI2t0，de/dt=0， u=0特點(diǎn)： 不管有無輸入和它的數(shù)值如何，只要輸入不改變， 微分作用的輸出總是零。 不能消除偏差，不能單獨(dú)使用。 實(shí)際的微分控制規(guī)律 KD微分增益 e=A 實(shí)際微分規(guī)律是由兩部分組成：比例和近似微分。比例度 d =100%（Kc=

5、1）A 比例微分控制規(guī)律 理想： t=0 實(shí)際： TD 微分作用 TD 微分作用 tet0Aut微分63.2%100%KcAt0t比例uKcAt0Kc(KD-1)ATD/KDutPD比例積分微分（PID）控制 理想： t0u(mA)t0“”實(shí)際： 常用的控制規(guī)律：P PI PID A特點(diǎn)： 集P、I、D三者之優(yōu)點(diǎn)， 克服其不足； 實(shí)際系統(tǒng)并非PID是最好， 應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 u(mA)t0正反作用：e=Z-X 正作用：正偏差越大，測量值越大， 反作用：負(fù)偏差越大，測量值越小， 則調(diào)節(jié)器輸出越大；則調(diào)節(jié)器輸出越大。解： 又 測量值減少時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出減少， 是正作用方向 答:調(diào)節(jié)器的實(shí)際比

6、例度為100%，調(diào)節(jié)器是正作用方向。 例1、當(dāng)電動(dòng)智能調(diào)節(jié)器的測量指針由50變化到25，若調(diào)節(jié)器的純比例輸出信號由12mA下降到8mA，則調(diào)節(jié)器的實(shí)際比例度為多少？并指出調(diào)節(jié)器的作用方向。 例2、實(shí)驗(yàn)測得標(biāo)準(zhǔn)信號為420mA電動(dòng)調(diào)節(jié)器的階躍響 應(yīng)曲線，如圖所示。 問： 該調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律？ 調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間？ 解: 該調(diào)節(jié)器為PI控制規(guī)律 答：調(diào)節(jié)器的比例度為200%、積分時(shí)間為2分、 微分時(shí)間為0 例3：有一臺PI調(diào)節(jié)器，d=100%，TI =1分， 輸入、輸出信號： 420mA 。 ut1315作業(yè): 1.有一比例積分調(diào)節(jié)器（智能單元型），測量值與給定值均為12mA，若將

7、比例度定在50，積分時(shí)間定在最大，調(diào)節(jié)器的作用方向定在反作用位置，則當(dāng)測量值由12mA 變化到13mA時(shí)，u將由12mA變化到什么數(shù)值？當(dāng)積分時(shí)間不是定在最大時(shí)，則情況又會如何？ 2.某臺智能單元型比例積分調(diào)節(jié)器，比例度為100，積分時(shí)間為2分，穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出為5mA。某瞬間，輸入突然增加了0.2mA，試問經(jīng)過5min后，輸出將變化多少？又 調(diào)節(jié)器的作用方向定在反作用位置。 測量值增加，輸出將減少。 答:u將由12mA變化到10mA。解1： 當(dāng)積分時(shí)間不是定在最大時(shí)，u將一直減小下去，直到最小值。 答：調(diào)節(jié)器的輸出將變化0.7mA。 解2：型儀表的特點(diǎn)： 1.采用線性集成電路 2.采用國際標(biāo)準(zhǔn)信

8、號制 信號傳輸方式為：電流傳送電壓接收的并聯(lián)制。 420mA現(xiàn)場傳輸信號 15V 控制室聯(lián)絡(luò)信號4.1 DDZ型調(diào)節(jié)器 3.集中統(tǒng)一供電(24VDC) 4.整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)： 容易識別斷電、斷線等故障。 采用并聯(lián)信號制。 現(xiàn)場變送器：兩線制 這兩根線即是電源線，又是信號線。這樣不但節(jié)省了大量的電纜線和安裝費(fèi)用，而且有利于安全放爆。 安全柵：實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場所之間的能量 限制與隔離 DDZ型調(diào)節(jié)器 虛地原理 差動(dòng)輸入信號與共模輸入信號 Av v0 A Z1 Zf viA V0 v2v1要滿足共模輸入信號范圍，否則放大器無法正常工作。 4.1.1 輸入電路 vi +VCM

9、，VCM的引入將產(chǎn)生運(yùn)算誤差。 共模輸入范圍（219）V 偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路 0伏 輸出信號VO1與導(dǎo)線壓降VCM1、VCM2無關(guān) VT=VF=（3.75.7）V 4.1.2 比例微分（PD）電路 V02= aVT （VF=-1/aV02） 設(shè)： 當(dāng)t=0時(shí) t： 4.1.3 比例積分（PI）電路 設(shè)： 檔時(shí) 檔時(shí) 4.1.4 整機(jī)傳遞函數(shù) 4.1.5 輸出電路 4.1.6 手動(dòng)操作電路及自動(dòng)手動(dòng)切換 軟手動(dòng)操作 為S4接通VM的時(shí)間。 V03=-VH 硬手動(dòng)操作 切換過程 自動(dòng) 軟手動(dòng)雙向切換為無平衡、無擾動(dòng)的切換。 硬手動(dòng) 軟手動(dòng) 自動(dòng) 自動(dòng)硬手動(dòng)軟手動(dòng) 無平衡、無擾動(dòng)的切換。須首先調(diào)平

10、衡再切換方能做到無擾動(dòng)切換。無擾動(dòng)切換：調(diào)節(jié)器的輸出不能由于切換而發(fā)生變化。 4.1.7 指示電路 4.2 改進(jìn)型調(diào)節(jié)器 4.2.1 抗積分飽和調(diào)節(jié)器 正常工作狀態(tài)（VLVO3If時(shí)， VAB0 IiIf時(shí)， VAB P2時(shí)，節(jié)流盲室充氣 當(dāng)P1 P2時(shí)，節(jié)流盲室放氣 t=T時(shí)，T的定義：當(dāng)p1為階躍輸入時(shí)，節(jié)流盲室壓力p2由原 來穩(wěn)態(tài)值上升到p1的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間 就是充氣過程的時(shí)間常數(shù)。 時(shí)間常數(shù) 3.噴嘴擋板機(jī)構(gòu)（控制元件）恒節(jié)流孔：d1=0.150.3mm d2=0.81.2mm h R2 p背 h R2 p背 p背=kh 任務(wù)：把擋板微小位移轉(zhuǎn)換成氣壓信號p背。4.功率放大器

11、力平衡式、節(jié)流式 4.5 電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器 4.5.1 電氣轉(zhuǎn)換器 作用：將010mA或420mA電流信號轉(zhuǎn)變成 0.020.1MPa的氣壓信號。力矩平衡原理 4.5.2 電氣閥門定位器 作用： 可用電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號010mA或 420mA去操縱氣動(dòng)執(zhí)行器 閥門定位器 （氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性）力矩平衡原理 電氣閥門定位器與氣動(dòng)執(zhí)行器組成的閉環(huán)系統(tǒng)框圖：正作用：輸入信號增加，輸出信號增加； 反作用：輸入信號增加，輸出信號減小。 閥桿位移與輸入電流成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。 足夠大用于閥門兩端高壓差的場合pv1MPa 用于調(diào)節(jié)閥口徑較大的場合Dg100mm 用于高壓、高溫、有毒、易燃、易爆介質(zhì)的場合 用于介質(zhì)中含有固體懸浮物或粘性流體的場合 用于執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的改裝 用于分程控制的實(shí)現(xiàn) 改善執(zhí)行器的流量特性 2.閥門定位器的主要用途 執(zhí)行器的放大系數(shù)： K1：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù) K2 ：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的放大系數(shù) 選定后K2是不會改變的 改善執(zhí)行器的流量特性 通過改變K1，改善流量特性。即改變定位器的凸輪形狀，就可使執(zhí)行器的流量特性發(fā)生變化。 3.隔爆措施 安全隔爆復(fù)合型 ：力線圈用環(huán)氧樹脂澆封，儀表的接線盒采用了密封隔爆措施。安全火花型：除將力線圈、儀表接線板、電纜采用環(huán)氧樹脂澆封外，在使用時(shí)還必須配用輸出式安全柵。 4600匝 四、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的