(8)--第3章 控制仪表上过程控制系统及仪表.ppt
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1、第第3 3章章 控制仪表控制仪表 控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较,得出偏差后,按一定的调节规律测量值和给定值进行比较,得出偏差后,按一定的调节规律进行运算,输出控制信号,以推动执行器动作,对生产过程进行运算,输出控制信号,以推动执行器动作,对生产过程进行自动调节。进行自动调节。控制仪表控制仪表按工作能源分类有:按工作能源分类有:1、电动电动仪表仪表以以220VAC或或24VDC作为工作能源,其输入输出信号均作为工作能源,其输入输出信号均采用采用010mA或或420mA的标准信号。的标准信号。12、气动仪表、
2、气动仪表以以140kPa的的气气压压信信号号作作为为工工作作能能源源,其其输输入入输出信号均采用输出信号均采用20100kPa的标准气压信号。的标准气压信号。3、自力式仪表、自力式仪表hQ1Q2 不需要专门不需要专门提供工作能源。提供工作能源。例:自力式例:自力式液位调节器液位调节器2 控制仪表的发展基本上分为三个阶段:控制仪表的发展基本上分为三个阶段:1、基地式仪表基地式仪表 q 将将检检测测、控控制制、显显示示功功能能设设计计在在一一个个整整体体内内,安装在现场设备上。安装在现场设备上。q安安装装简简单单、使使用用方方便便。但但一一般般通通用用性性差差,只只适适用用于于小小规规模模、简简单
3、单控控制制系统。系统。32、单元式组合仪表单元式组合仪表q单单元元组组合合式式仪仪表表是是将将仪仪表表按按其其功功能能的的不不同同分分成成若若干干单单元元(例例变变送送单单元元、给给定定单单元元、控控制制单单元元、显示单元等),每个单元只完成其中的一种功能。显示单元等),每个单元只完成其中的一种功能。q其其中中的的控控制制单单元元是是接接受受测测量量与与给给定定信信号号,然然后后根根据据它它们们的的偏偏差差进进行行控控制制运运算算,运运算算的的结结果果作作为控制信号输出。为控制信号输出。q各个单元之间以统一的标准信号相互联系。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。4DDZ-电动仪表电动仪表5D
4、DZ-气动仪表气动仪表6DDZDDZ电动电动调节器调节器7DDZ-S单回路调节器单回路调节器 8DDZ-S单回路调节器单回路调节器 9DDZ组装仪表组装仪表103、以微处理器为中心的控制仪表(装置)以微处理器为中心的控制仪表(装置)内内设设微微处处理理器器,控控制制功功能能丰丰富富,很很容容易易构构成成各各种复杂控制系统。种复杂控制系统。在自动控制系统中广泛应用的有:在自动控制系统中广泛应用的有:q工业控制计算机(工业控制计算机(DDS)q集散控制装置(集散控制装置(DCS)q单回路数字控制器(单回路数字控制器(SLPC)q可编程控制器(可编程控制器(PLC)q现场总线控制装置(现场总线控制装
5、置(FCS)111213YS100单回路调节器单回路调节器14YS80单回路调节器单回路调节器15CENTUM-XL综合控制系统综合控制系统163.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。差信号之间的关系。控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号 e,它,它是设定值信号是设定值信号 r 与测量信号
6、与测量信号 x 之差。之差。y=f(e)e=r x 或或 e=x-r17控制规律有控制规律有断续控制断续控制和和连续控制连续控制两类:两类:一一、断断续续控控制制控控制制器器输输出出接接点点信信号号,如如双双位控制、三位控制。位控制、三位控制。二二、连连续续控控制制控控制制器器输输出出连连续续信信号号,如如比比例例控控制制、比比例例积积分分控控制制、比比例例微微分分控控制制、比比例例积积分分微分控制。微分控制。3.1.1 双位控制双位控制双双位位控控制制器器只只有有两两个个输输出出值值,相相应应的的执执行行机机构构只有开和关两个极限位置,因此又称只有开和关两个极限位置,因此又称开关控制开关控制
7、。18理想的双位控制器输出理想的双位控制器输出 y 与输入偏差与输入偏差 e 之间的之间的关系为关系为:e 0 0 (或(或e 0 0)时时=ymaxyminye 0 0)时时理想的双位控制特性理想的双位控制特性ymaxyminey有中间区的双位控制特性有中间区的双位控制特性ymaxyminey19 例例1:温度双位控制系统:温度双位控制系统:温度低于给定值时,温控器输出高电平,继电温度低于给定值时,温控器输出高电平,继电器吸合,加热器通电加热;温度高于给定值时,温器吸合,加热器通电加热;温度高于给定值时,温控器输出低电平,继电器断开,加热器断电。控器输出低电平,继电器断开,加热器断电。220
8、V进水进水出水出水20二位式控制器电路原理框图:二位式控制器电路原理框图:测量信号测量信号给定信号给定信号U0是是一一种种最最简简单单的的调调节节器器,根根据据被被调调量量偏偏差差符符号号的的正正、负负,输输出出只只有有两两个个位位置置,高高电电平平或或低低电电平平,可以当一个电子开关用。可以当一个电子开关用。21有中间区的双位控制效果:有中间区的双位控制效果:被控温度在被控温度在T0 上下振荡,无法稳定。上下振荡,无法稳定。理想双位控制效果:理想双位控制效果:tyTT0ttyTT0t22三位控制:三位控制:控制器有三个输出位值,可以控制两个继电器。控制器有三个输出位值,可以控制两个继电器。y
9、maxymineye2e1测量信号测量信号给定给定1U01U02给定给定2三位控制器电路原理框图:三位控制器电路原理框图:23 例例2:温度三位控制系统:温度三位控制系统 温度低于温度低于T1时,温控器使继电器时,温控器使继电器1、2都吸合,都吸合,加热器加热器1、2都通电加热;温度高于都通电加热;温度高于T1低于低于T2时,温时,温控器使继电器控器使继电器1吸合、继电器吸合、继电器2断开,只有加热器断开,只有加热器1通通电;温度高于电;温度高于T2时,继电器时,继电器1、2都断开。都断开。J1J2T2T1122220V进水进水出水出水24 温温度度三三位位控控制制效效果果:温温度度偏偏差差大
10、大时时,升升温温速速度度快;温度偏差小时,小幅调整。快;温度偏差小时,小幅调整。tyTT2T1t要使调节过程平稳准确,必须使用输出值能连要使调节过程平稳准确,必须使用输出值能连续变化的调节器。续变化的调节器。25传递函数为传递函数为 3.1.2 比例控制(比例控制(P)控制器输出控制器输出y(t)和偏差信号和偏差信号e(t)成比例关系成比例关系Kp比例增益比例增益 Pye被控变量被控变量测量值测量值x被控变量被控变量给定值给定值xr26浮浮球球为为水水位位传传感感器器,杠杠杆杆为为控控制制器器,活活塞塞阀阀为为执执行行器器。如如果果某某时时刻刻Q2加加大大,造造成成水水位位下下降降,则则浮浮球
11、带动活塞提高,使球带动活塞提高,使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。如果如果e=0,则活塞,则活塞无法提高,无法提高,Q1 无法加大无法加大,调节无法进行。,调节无法进行。例:自力式液位比例控制系统:例:自力式液位比例控制系统:27比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡,原来系统处于平衡,进水量与出水量相等,此进水量与出水量相等,此时进水阀有一开度。时进水阀有一开度。t=0时,出水量阶跃增时,出水量阶跃增加,引起液位下降,浮球加,引起液位下降,浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时,系统重新平水量相等
12、时,系统重新平衡,液位也不再变化。衡,液位也不再变化。28v 比例控制的特点比例控制的特点q控控制制及及时时、适适当当。只只要要有有偏偏差差,输输出出立立刻刻成成比比例地变化,偏差越大,输出的控制作用越强。例地变化,偏差越大,输出的控制作用越强。q控控制制结结果果存存在在静静差差。因因为为,如如果果被被调调量量偏偏差差为为零,调节器的输出也就为零零,调节器的输出也就为零 y=KP e即即调调节节作作用用是是以以偏偏差差存存在在为为前前提提条条件件,不不可可能能做到无静差调节。做到无静差调节。29在实际的比例控制器中,习惯上使用比例度在实际的比例控制器中,习惯上使用比例度P来表来表示比例控制作用
13、的强弱。示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比,用百分数表示。与相应的输出相对变化值之比,用百分数表示。式中式中e为输入偏差;为输入偏差;y为控制器输出的变化量;为控制器输出的变化量;(xmax-xmin)为测量输入的最大变化量,即控制器)为测量输入的最大变化量,即控制器的输入量程;(的输入量程;(ymax ymin)为输出的最大变化量,)为输出的最大变化量,即控制器的输出量程。即控制器的输出量程。30如果控制器输入、输出量程相等,则如果控制器输入、输出量程相等,则:比例度比例度:yxxrxmaxxm
14、inyminymax比比例例度度除除了了表表示示控控制制器器输输入入和和输输出出之之间间的的增增益益外外,还还表表明明比比例例作作用用的的有效区间。有效区间。31比例度比例度P的物理意义:的物理意义:使使控控制制器器输输出出变变化化100%时时,所所对对应应的的偏偏差差变变化相对量。如化相对量。如P=50%表明:表明:控制器输入偏差控制器输入偏差变化变化50%,就可使控,就可使控制器输出变化制器输出变化100%,若输入偏差变化超过若输入偏差变化超过此量,则控制器输出此量,则控制器输出饱和,不再符合比例饱和,不再符合比例关系。关系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%3
15、2例例 某某比比例例控控制制器器,温温度度控控制制范范围围为为400800,输输出出信信号号范范围围是是420mA。当当指指示示指指针针从从600变变到到700时时,控控制制器器相相应应的的输输出出从从8mA变变为为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。解解答答 温温度度的的偏偏差差在在输输入入量量程程的的50区区间间内内(即即200)时,)时,e和和y的关系如图。的关系如图。y/mAx/e420800400P=50%333.1.3 比例积分控制(比例积分控制(PI)当要求控制结果无余差时,就需要在比例控制的当要求控制结果无余差时,就需要在比例控制的基础上,加积分控制作用。基础上,加积分控
16、制作用。(1)积分控制积分控制(I)输出变化量输出变化量y与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比当当e是幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时TI 积分时间积分时间eEtty34q积积分分作作用用具具有有保保持持功功能能,故积分控制可以消除余差。故积分控制可以消除余差。q积积分分输输出出信信号号随随着着时时间间逐逐渐渐增增强强,控控制制动动作作缓缓慢慢,故故积积分作用不单独使用。分作用不单独使用。v 积分控制的特点积分控制的特点当当有有偏偏差差存存在在时时,积积分分输输出出将将随随时时间间增增长长(或或减小);当偏差消失时,输出能保持在某一值上。减小);当偏差消失时,输出能保持在某一值上。e
17、Etty35 若若将将比比例例与与积积分分组组合合起起来来,既既能能控控制制及及时时,又又能消除余差能消除余差。(2)比例积分控制(比例积分控制(PI)若偏差是幅值为若偏差是幅值为E的阶跃干扰的阶跃干扰eEtty36 3.1.4 比例微分控制比例微分控制(PD)对对于于惯惯性性较较大大的的对对象象,常常常常希希望望能能加加快快控控制制速速度,此时可增加微分作用。度,此时可增加微分作用。式中:式中:TD 微分时间微分时间 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分(1)微分控制(微分控制(D)eEtty37q 微微分分作作用用能能超超前前控控制制。在在偏偏差差出出现现或或变变化化的的瞬瞬间间,微
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