《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案
第3章 控制儀表
教學(xué)目的：了解基本概念：基本控制規(guī)律，模擬式、數(shù)字式控制器的特點(diǎn)及組成。
教學(xué)重點(diǎn)：基本控制規(guī)律的特點(diǎn)，DDZ-Ⅲ型儀表的組成與操作。
教學(xué)難點(diǎn)：PID控制器的規(guī)律和特點(diǎn)。
控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。其作用是把被控變量的測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，以推動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。
控制儀表按工作能源分類有：
1、 電動(dòng)儀表
以220VAC或24VDC作為工作能源，輸入輸出均采用0～10mA或4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
2、氣動(dòng)儀表
以140kPa的氣壓信號(hào)作為工作能源，輸入輸出均采用20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。
3、自力式儀表
不需要專門提供工作能源的控制儀表或裝置。
例：自力式液位調(diào)節(jié)器Q2
Q1
h
控制儀表的發(fā)展基本上分為三個(gè)階段：
1、基地式儀表
將檢測(cè)、控制、顯示功能設(shè)計(jì)在一個(gè)整體內(nèi)，安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上。這種儀表的特點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單、使用方便。但一般通用性差，只適用于小規(guī)模、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。
2、單元式組合儀表
單元組合式儀表是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(gè)單元只完成其中的一種功能。
各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。控制單元的功能是根據(jù)測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)的偏差進(jìn)行控制運(yùn)算。如：
e
PID
+
給定值
－
實(shí)測(cè)值
3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）
內(nèi)設(shè)微處理器，用軟件實(shí)現(xiàn)控制功能，很容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（DDS）， 集散控制裝置（DCS） ，單回路數(shù)字控制器（SLPC），可編程數(shù)字控制器（PLC）， 現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置（FCS）。
3.1基本控制規(guī)律及特點(diǎn)
控制器的輸入信號(hào)是測(cè)量信號(hào)x和給定信號(hào)r（內(nèi)部設(shè)定或外部輸入），測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)相比較后得到偏差信號(hào) 。
e = r – x 或 e = x – r
控制規(guī)律是指控制器的輸出與偏差之間的關(guān)系。
給定值
f(e)
+
e
實(shí)測(cè)值
－
y = f (e)
控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：
1）、斷續(xù)控制——控制器輸出接點(diǎn)信號(hào)，如雙位控制、三位控制。
2）、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號(hào)，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。
3.1.1 雙位控制
雙位控制器只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開關(guān)控制。
雙位控制器輸出p與偏差e之間的關(guān)系為：
標(biāo)準(zhǔn)雙位控制
標(biāo)準(zhǔn)雙位控制特性
pmax
pmin
e
p
有中間區(qū)的雙位控制特性
-ε0
e
p
ε0
有中間區(qū)的雙位控制
例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：
溫度低于給定值時(shí)，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(shí)，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電。
～
220V
繼電器
標(biāo)準(zhǔn)雙位控制過程：
t
T
t
p
加熱功率
TG
被控溫度在給定值（ TG ）附近劇烈振蕩，無法穩(wěn)定。
具有中間區(qū)的雙位控制過程：
t
T
TH
TL
t
p
加熱功率
被控溫度在（TH ，TL）區(qū)間振蕩，無法穩(wěn)定。
二位式控制器電路原理框圖：
測(cè)量信號(hào)
給定信號(hào)
－
＋
＋
∞
U0
是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差符號(hào)的正、負(fù)，輸出只有兩個(gè)位置，高電平或低電平，可以當(dāng)一個(gè)電子開關(guān)用。
三位控制
控制器有三個(gè)輸出位值，可以控制兩個(gè)繼電器。
測(cè)量信號(hào)
給定1
－
＋
＋
∞
U01
－
＋
＋
∞
U02
給定2
三位控制器電路原理框圖
三位控制的動(dòng)作規(guī)律：
p
當(dāng)偏差值大于設(shè)定上限時(shí)，控制器的輸出為最大（或最小）；當(dāng)偏差值小于設(shè)定下限時(shí)，輸出為最?。ɑ蜃畲螅?；當(dāng)偏差值位于設(shè)定區(qū)間時(shí)，輸出中間值。
e1
e2
e
pmin
pmax
pmax
pmin
e
p
e2
e1
三位控制效果：溫度偏差大時(shí)升溫速度快；溫度偏差小時(shí)小幅調(diào)整。振蕩幅值明顯減小。
要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。
3.1.2 比例控制（P）
控制器輸出y（t）和偏差信號(hào)e（t）成比例關(guān)系
——比例增益
傳遞函數(shù)為
＋
－
P
y
e
測(cè)量值x
給定值xr
例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：
浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大，阻止水位下降。
標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式：
比例控制的特點(diǎn)：
控制及時(shí)、適當(dāng)。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(qiáng)。
控制結(jié)果存在靜差。因?yàn)椋喝绻徽{(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零。 即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。
如上圖中：若e = 0，則活塞無法提高，Q1無法加大，則沒有調(diào)節(jié)作用。
在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度P來表示比例控制作用的強(qiáng)弱。
所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。
式中e為輸入偏差；y為控制器輸出的變化量；（xmax - xmin）為測(cè)量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；（ymax –ymin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。
比例度 表達(dá)式中，如果控制器輸入、輸出量程相等，則:
比例帶P的物理意義：使控制器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如 P=50% 表明：
控制器輸入偏差變化50% ，就可使控制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系，如下圖所示。
y
100%
P=50%
50%
P=100%
0
x
xmin
xmax
xr
y/mA
例 某比例控制器，溫度輸入范圍為400～800℃，輸出控制信號(hào)范圍是4～20mA。若測(cè)量指針從600℃變到700℃時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。
20
P=50%
解
4
800
400
e
x/ ℃
答 溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間內(nèi)（即200℃）時(shí)，e和y是2倍的關(guān)系。
控制過程說明
控制前，進(jìn)水閥在某一開度，液位符合要求。進(jìn)水量與出水量相等，系統(tǒng)處于平衡。
設(shè) t=0 時(shí)刻，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡。
當(dāng)要求控制精度較高時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。
e
3.1.3 比例積分控制（PI）
E
（1）積分控制（I）
y
t
，TI —積分時(shí)間
當(dāng)e是幅值為E的階躍時(shí)
t
當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持。
積分控制的特點(diǎn)：
輸出變化量y與偏差e的積分成正比。當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。划?dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。
積分作用有保持功能，故積分控制可以消除余差。
積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。
e
若將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又能消除余差 。
（2）比例積分控制（PI）
t
E
y
若偏差是幅值為E的階躍干擾
t
3.1.4 比例微分控制（PD）
e
對(duì)于慣性較大的對(duì)象，常常希望能加快控制速度，此時(shí)可增加微分作用。
（1）微分控制（D）
t
E
理想微分
式中：TD — 微分時(shí)間
y
— 偏差變化速度
t
微分控制的特點(diǎn)：
微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。
微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。
（2）比例微分控制（PD）
理想的比例微分控制：
理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)，并且對(duì)高頻干擾很敏感。經(jīng)常使用實(shí)際的比例微分作用。
實(shí)際的比例微分作用是理想的比例微分作用加一階慣性：
將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。
e
t
t
y
3.1.5 比例積分微分控制（PID）
PID控制中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分用于加快系統(tǒng)控制速度；積分用于消除靜差。
不是所有對(duì)象都是用PID控制最好。
3.2 模擬式控制器
模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型（用集成電路）。
3.2.1 DDZ-Ⅲ型儀表的特點(diǎn)
1）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4~20mA DC和1～5V DC，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制；并且容易識(shí)別斷電、斷線等故障。
2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。
3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。
3.2.2 DDZ- Ⅲ型控制器的組成與操作
DDZ-Ⅲ基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、自動(dòng)與手動(dòng)（硬手動(dòng)和軟手動(dòng)）切換電路、輸出電路及指示電路。
M
輸出指示
PD電路
輸入
電路
軟手動(dòng)電路
電路
測(cè)量值指示
硬手動(dòng)電路
電路
DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖
A
H
S1
S6
內(nèi)給
給定值指示
內(nèi)給定電路
外給
測(cè)量
輸出
電路
PI電路
3.2.3全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例
3.2.3.1輸入電路
輸入電路的首要任務(wù)是求偏差 e ：
可列出運(yùn)放兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：
-端
+端
其中，Vcm1、Vcm2---接地線的等效電阻
得
因 則
電路的特點(diǎn)
（1）輸入阻抗高
采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào) 、取電流，使1～5V的測(cè)量信號(hào)不受衰減。
（2） 求偏差
，進(jìn)行偏差運(yùn)算。
（3）將偏差放大
為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)算有利，這里先將偏差放大兩倍。
（4）消除傳輸線上壓降的影響
DDZ-Ⅲ采用共用電源，在Vi的傳輸線上可能包括其它儀表的電流，導(dǎo)線電阻雖不大但其壓降不可忽略。 差動(dòng)輸入可以消除導(dǎo)線電阻的影響。
（5） 進(jìn)行電平移動(dòng)
、都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，而運(yùn)放IC器件+24VDC供電時(shí)，其正常工作輸入、輸出信號(hào)電壓范圍在2～19V。為使信號(hào)符合IC工作范圍，必須將IC基準(zhǔn)電壓從0V抬高到 =10V ，即電平移動(dòng)。
3.2.3.2 PID運(yùn)算電路
PI
由PI和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以=10V為基準(zhǔn)的。
PD
1、PD電路分析
PD電路以A2為核心組成。微分作用可以選擇：開關(guān)S8打向“斷”時(shí)，微分作用被切斷；開關(guān)S8打向“通”時(shí)，構(gòu)成 PD電路。
PD傳遞函數(shù)
得
又因
得
式中： —微分時(shí)間常數(shù)
－實(shí)際微分因子
階躍響應(yīng)
當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，V02的階躍響應(yīng)為
當(dāng)S8置于“斷”時(shí)，微分切除，A2只作比例運(yùn)算。
這時(shí)微分電容被開關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當(dāng)開關(guān)S8切換到“通”時(shí)，保證無擾動(dòng)切換。
因
得
2、PI電路分析
PI電路以A3為核心組成。開關(guān)S3為積分時(shí)間倍乘開關(guān)：當(dāng)S3打向×1檔時(shí)，1K電阻被懸空，不起分壓作用；當(dāng)S3打向×10檔時(shí)，1K電阻接到基準(zhǔn)線，RI兩端電壓為V02/m。
由于10μF電容積分需要較大電流，在A3輸出端加一功放三極管。
PI傳遞函數(shù)
A3負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程（S3置于×10檔）：
則
階躍響應(yīng)
當(dāng)V02為階躍信號(hào)時(shí)，V03的階躍響應(yīng)為
3、PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)
輸入電路：
PD電路：
PI電路：
PID運(yùn)算是上述三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。
PID傳遞函數(shù)
令：干擾系數(shù) 比例度 微分增益
則：
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（1）若TD<
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