过程控制仪表与装置

过程控制仪表与装置第三章 概 述 气 动 控 制 仪 表 的 特 点 ： 结 构 简 单 ， 性能 稳 定 可 靠 ， 维 护 方 便 ， 价 格 便 宜 ，并 且 具 有 本 质 安 全 防 爆 性 能 ， 特 别 适用 于 石 油 、 化 工 等 有 爆 炸 危 险 的 场 所 。 概 述 电 动 控 制 仪 表 的 特 点 ： 可 以 实 现 无 滞 后的 远 距 离 传 送 ， 同 时 又 具 有 能 源 简 单 、便 于 和 计 算 机 配 合 的 特 点 。 由 于 采 取 安全 火 花 防 爆 措 施 解 决 了 防 爆 问 题 ， 电 动仪 表 同 样 也 能 应 用 于 易 燃 易 爆 的 危 险 场所 ， 因 此 在 工 业 生 产 过 程 中 得 到 越 来 越广 泛 的 应 用 。 模 拟 式 传 输 信 号 通 常 为 连 续 变 化 的 模 拟 量 ， 其 线 路 简 单 ， 操 作 方 便 ， 价 格 较 低概 述 p 一 般 与 检 测 装 置 、 显 示 装 置 一 起 组装 在 一 个 整 体 之 内p 同 时 具 有 检 测 、 控 制 与 显 示 的 功 能p 结 构 简 单 、 价 格 低 廉 、 使 用 方 便p 通 用 性 差 ， 信 号 不 易 传 递p 一 般 应 用 于 简 单 控 制 系 统 中 。 基 地 式 仪 表 概 述 单 元 组 合 式 仪 表 仪 表按 各 组 成 环 节 的 不 同 功 能 和 使 用 要 求 ， 将 整 套 仪 表 分 为 若 干 单 元 ，各 单 元 能 独 立 实 现 某 种 功 能 ， 使 用 时 可 以 按 生 产 工 艺 的 不 同 要 求挑 选 需 要 的 单 元 加 以 组 合 ， 其 特 点 是 应 用 灵 活 ， 通 用 性 强 ， 使 用维 护 方 便 ， 特 别 适 用 于 中 、 小 企 业 的 过 程 控 制 系 统 ； 组 件 组 装 式 仪 表 ： 单 元 组 合 仪 表 的 基 础 上 发 展 起 来 的 一 种成 套 仪 表 装 置 ， 结 构 上 包 括 控 制 机 柜 和 显 示 操 作 盘 两 部 分 ，它 的 主 要 特 点 是 功 能 分 离 ， 结 构 组 件 化 ， 特 别 适 用 于 要 求组 成 各 种 复 杂 控 制 和 集 中 显 示 操 作 的 大 、 中 型 企 业 的 过 程控 制 系 统 。概 述 数 字 式它 以 微 型 计 算 机 为 核 心 ， 功 能 完 善 ，性 能 优 越 ， 能 解 决 模 拟 式 仪 表 难 以 解 决 的问 题 ， 满 足 现 代 生 产 过 程 的 高 质 量 控 制 要求 。 它 可 实 现 连 续 生 产 过 程 、 断 续 生 产 过程 的 控 制 ， 也 可 以 通 过 在 PLC中 加 入 PID等控 制 功 能 ， 实 现 批 量 控 制 。概 述 可 编 程 调 节 器 ： 具 有 比 传 统 模 拟 仪 表 更 为 丰 富 的 运算 和 控 制 功 能 ， 它 可 以 提 供 多 种 软件 功 能 模 块 ， 由 用 户 根 据 生 产 控 制的 要 求 通 过 组 态 完 成 各 种 运 算 处 理和 复 杂 控 制 ， 具 有 很 大 的 应 用 灵 活性 ， 但 其 软 件 系 统 比 较 复 杂 。概 述 信 号 制 及 供 电 方 式 信 号 制 -指 在 成 套 仪 表 系 列 中 ， 各 个 仪 表 的 输 入 输 出 间 采 用 何 种 统 一 联 络 信 号 来 进 行 信 号 传 输 的 问 题 。气 动 控 制 仪 表 ： 0.02 0.1MPa 电 动 控 制 仪 表 ， 0 10mA（ DC） 电 流 信 号 作 为 电 动 型 仪 表 4 20mA（ DC） 电 流 信 号 1 5V（ DC） 电 压 信 号 电 动 型 仪 表传 输 方 式 ： 进 出 控 制 室 的 传 输 信 号 采 用 电 流 信 号 ， 控 制 室 内 部 各 仪 表 间 联 络 信 号 采 用 电 压 信 号 基 本 控 制 规 律 及 其 对 控 制 过 程 的 影 响 回 忆 ： 控 制 器 作 用 基 本 控 制 规 律 概 述 控 制 规 律 是 指 控 制 器 的 输 出 信 号 与 输 入 偏 差 信 号 随 时 间 变 化 的 规 律 。 在单 回 路 定 值 控 制 系 统 中 ， 由 于 扰 动 作 用 的 存 在 ， 会 使 被 控 变 量 对 给 定 值 产生 偏 差 ， 此 偏 差 数 值 上 等 于 被 控 变 量 测 量 值 与 给 定 值 之 差 。 即 ： gi XXe 式 中 e偏 差 X i被 控 变 量 的 测 量 值 Xg被 控 变 量 的 给 定 值 控 制 器 的 输 出 信 号 是 相 对 于 控 制 器 输 入 信 号 e的 输 出 的 变 化 量 y。如 果 输 入 e与 输 出 y的 变 化 方 向 相 同 ， 则 称 控 制 器 为 正 作 用 控 制 器 ； 反之 ， 如 果 输 入 e与 输 出 y变 化 方 向 相 反 ， 则 称 控 制 器 为 反 作 用 控 制 器 。 控 制 规 律 概 述 PID控 制 器 的 一 般 形 式 为 ： y f(e) 几 种 常 用 控 制 规 律 的 微 分 方 程 表 达 式 可 分 别 表 示 为 ：eKy P比 例 作 用 （ P） )1( 0 edtTeKy tIP 比 例 积 分 作 用 （ PI） )( dtdeTeKy DP 比 例 微 分 作 用 （ PD） )1( 0 dtdeTedtTeKy DtIP 比 例 积 分 微 分 作 用 （ PID）KP控 制 器 的 比 例 增 益 ； TI控 制 器 的 积 分 时 间 ； TD控 制 器 的 微 分 时 间 ； 控 制 规 律 的 表 示 形 式 e y KPe t t式 中 y-为 控 制 器 的 输 出 ; e-为 控 制 器 的 输 入 ; KP为 比 例 增 益 ， 表 征 比 例 控 制 作 用 的 强 弱 程 度 。 比 例 控 制 器 的 阶 跃 响 应 特 性PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 比 例 控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响比 例 控 制 的 输 出 与 输 入 的 关 系 为 y KP e通 常 习 惯 用 比 例 增 益 的 倒 数 即 比 例 度 表 示 控 制 器 的 输 入 与 输 出之 间 的 比 例 关 系 以 及 比 例 作 用 的 强 弱 。 比 例 度 可 表 示 为 =1/K P 越 大 ， 比 例 控 制 作 用 越 弱 ， 越 小 ， 比 例 控 制 作 用 越 强 。 PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响比例度对控制过程的影响 比 例 度 的 选 择 原 则 : 若 对 象 的 滞 后 较小 ， 时 间 常 数 较 大 以及 放 大 倍 数 较 小 ， 那么 可 以 选 择 小 的 比 例度 来 提 高 系 统 的 灵 敏度 ， 从 而 使 过 渡 过 程曲 线 的 形 状 较 好 。 反之 ， 为 保 证 系 统 的 稳定 性 ， 就 要 选 择 大 的 比 例 度 来 保 证 稳 定 。 dteTy tI 01 积 分 作 用 数 学 表 达 式 为PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 比 例 积 分 控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 t te y式 中 TI是 积 分 常 数 ，表 示 积 分 速 度 的 大 小 和 积 分 作 用 的 强 弱 。积 分 作 用 能 够 消 除 余 差与 比 例 控 制 相 比 ， 积 分 控 制 过 渡 过 程 比 较 缓 慢 PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 在 阶 跃 信 号 作 用 下 （ 幅 值 为 A) ATtKAKATtKy IPPIP )1(PI输 出 响 应 由 比 例 和 积 分 两 部 分 组 成 当 t=TI y= 2KPA )1e (K 0P dteTy tI PI控 制 器 的 输 出 随 时 间 变 化 的 表 达 式 为 t yI= yPt ypPe y TI由 此 可 确 定 积 分 常 数 。积 分 常 数 越 大 ， 积 分 作 用 越 小 ， 反 之 ， 积 分 作 用 越 大 。积 分 时 间 TI的 物 理 意 义 ： 在 阶 跃 信 号 作 用 下 ， 控 制 器 积 分 作 用 的 输 出 等 于比 例 作 用 的 输 出 所 经 历 的 时 间 。 PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响积分时间对过渡过程的影 响 左 图 表 示 在 同 样 比 例 度 下积 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影响 。 由 图 中 曲 线 可 以 看出 ， TI过 大 时 积 分 作 用 不明 显 ， 余 差 消 除 地 也 慢 ，从 图 中 曲 线 、 可 以 看出 ， TI较 小 时 易 于 消 除 余差 ， 但 系 统 的 振 荡 加 剧 。相 比 之 下 ， 曲 线 就 比 较理 想 。 理 想 微 分 控 制 器 的 输 出 与 输 入 信 号 的 关 系 为 ： 在 阶 跃 信 号 输 入 的 瞬 间 ， 控 制 器 的 输出 为 无 穷 大 ， 其 余 时 间 输 出 为 零 。e t0t 0 tt dtdeTy D PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 比 例 微 分 控 制 规 律 对 过 渡 过 程 的 影 响比 例 微 分 输 出 的 大 小 与 偏 差 变 化 速 度 及 微 分 时 间 成 正 比 。 微 分 时 间 越 长 ， 微 分 作 用 越 强 。 微 分 时 间 对 PID控 制 器 而 言 ， 当 积 分 时 间TI 时 ， 控 制 器 呈 PD控 制 特 性 。此 时 输 出 与 输 入 的 关 系 如 式 所 示 。 te t y理 想 PD控 制 器 的 阶 跃 响 应 曲 线)( dtdeTeKy DP 比 例 微 分 控 制 规 律PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响微分时间对过渡过程的影 响 PD控 制 优 点 ： 能 提 高 系 统 的 响 应 速度 ， 同 时 改 善 过 程 的 动 态 品 质 ， 抑制 过 渡 过 程 的 最 大 动 态 偏 差 ， 有 助于 提 高 系 统 的 稳 定 性 。PD控 制 不 足 之 处 ：一 般 只 适 应 于 时 间 常 数 较 大 或 多 容过 程 的 调 节 控 制 ， 而 不 适 用 于 流 量 、压 力 等 一 些 变 化 剧 烈 的 过 程 。 其 次 ，当 微 分 作 用 太 强 时 会 导 致 系 统 中 的控 制 阀 频 繁 开 启 ， 容 易 造 成 系 统 振荡 。PD控 制 一 般 总 是 以 比 例 动 作 为 主 ，微 分 动 作 为 辅 。 PID控 制 规 律 吸 取 了 比 例 控 制 的 快 速 反 应 功 能 、积 分 控 制 的 消 除 余 差 功 能 和 微 分 控 制 的 预 测 功能 ， 从 控 制 效 果 看 ， 是 比 较 理 想 的 一 种 控 制 规律 。 阶 跃 响 应 特 性 可 以 看 作 是 PI阶 跃 响 应 曲 线PD阶 跃 响 应 曲 线 的 叠 加 。 PID三 作 用 控 制 器 虽 然 性 能 效 果 比 较 理 想 ， 但并 非 任 何 情 况 下 都 可 采 用 PID三 作 用 控 制 器 。 因为 PID三 作 用 控 制 器 需 要 整 定 比 例 度 、 积 分 时 间和 微 分 时 间 三 个 变 量 ， 而 在 实 际 工 程 上 是 很 难将 这 三 个 变 量 都 整 定 到 最 佳 值 。PID阶 跃 响 应 特 性 曲 线 PID控 制 规 律 对 控 制 过 程 的 影 响 比 例 积 分 微 分 控 制 规 律 DDZ- 型 控 制 器 DDZ- 型 PID控 制 器 的 特 点 ： 元 器 件 以 线 性 集 成 电 路 为 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 扩 展 ;采 用 安 全火 花 防 爆 措 施 ， 提 高 了 稳 定 性 和 可 靠 性 。 同 时 ， DDZ- 型 PID控 制器 中 采 用 的 运 算 放 大 器 是 高 增 益 高 输 入 阻 抗 的 ， 因 此 具 有 较 高 的 积分 增 益 和 良 好 的 保 持 特 性 。 DDZ- 型 控 制 器 有 两 个 基 型 品 种 ， 全 刻 度 指 示 控 制 器 偏 差 指 示 控 制 器 PID控 制 器 的 组 成 原 理 PID控 制 器 组 成 框 图 ID控 制 器 的 特 性 分 析 主 要 作 用 : 对 输 入 信 号 和 给 定 信 号 进 行 综 合 比 较 ，获 得 偏 差 信 号 并 进 行 放 大 ， 同 时 实 现 电 平 的移 动 ， 把 以 零 伏 为 基 准 的 输 入 电 压 转 换 成 以10V参 考 电 压 为 基 准 的 输 出 电 压 信 号 。 )(201 si VVV VBIC1R1 R6+R2R4 R7R3VSVi Vo1R8R5FT 输 入 电 路 图 中 以 零 伏 （ 地 ） 为 基 准 的 测 量 信 号 Vi和 给 定信 号 VS， 反 相 地 加 到 运 算 放 大 器 IC1的 两 个 输 入端 ， 电 路 的 输 出 是 已 经 进 行 了 电 平 移 动 的 以VB=10V为 基 准 的 电 压 信 号 VO1。 同 相 端 ： 设 为 理 想 运 放 ， ， 开 环 增 益 为Ri反 相 端 ： 2VVVV VVVVVVV III BO1iF 5 BBO1F3 F1 Fi 321 2131 0R )(21RR 0对 于 理 想 运 放 , VV FT VVVVVVV 2VVVVV BSiBiSO1 BO1iBS 22 213131 VVV RRR RVVRVVRV I I I BST 633 6 B73 TS2T 321 31 00 VBIC1R1 R6+R2R4 R7R3VSVi Vo1R8R5FT IC1 ID控 制 器 的 特 性 分 析 RP1aR1RD 断CD V02K IC21K9.1K 通 +V01 VB V BRP1a V02IC2+VTRDCD1K9.1KV01 VB 比 例 微 分 电 路 的 作 用 是 对 输 入 电 路的 输 出 信 号 VO1进 行 比 例 微 分 运 算 。 电路 如 图 所 示 。 将 PD电 路 分 为 无 源 比 例微 分 网 络 图 和 比 例 运 算 电 路 图 两 部 分单 独 进 行 分 析 。无 源 比 例 微 分 网 络 比 例 电 路 微 分 电 路 构 成 充 电 结 束 时 ， 9.1K 电 阻 上 的电 压 全 部 加 到 电 容 CD上 ， 此 时 VCD（ ） = VO1 并 保 持 该 值 不 变 。 比 例 微 分 电 路 的 输 出 信 号 VO 与VT成 简 单 的 比 例 放 大 关 系 ， 因 为 比例 系 数 为 ， 所 以 有 VO VO1 PD电 路 ID控 制 器 的 特 性 分 析 PI电 路 的 作 用 是 对 PD电 路 的 输 出 信 号 VO2进 行 比 例 积 分 运 算 ， 然 后 输出 以 10V为 基 准 的 1 5V的 电 压 信 号 至 输 出 电 路 。 为 便 于 分 析 ， 我 们 把 射极 跟 随 器 等 包 括 在 IC3中 ， 则 PI电 路 简 化 图 .PI电 路 PI电 路 的 等 效 电 路 VB 24VV02 自CI 1 K1 +I C3 DW BG12.4KD3.9K软 硬硬软 自 K2 10 9.1K RI1K V03自 CM软 硬硬软 自 自K3 软 硬硬软 自 K2 VB CM V03V02 CI +IC3RI硬手操信号软手操信号 PI电 路 ID控 制 器 的 特 性 分 析