第三章过程控制仪表课件

过程控制章过程控制仪表过程控制3.1 总体概述一、过程控制仪表的分类及特点1、按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。导管、管路板导线、印刷电路板 接线气动元件 电子元器件 构成气压信号 电信号(电流、电压或数字)传输信号气源（140kPa）电源(220VAC，24VDC)能源气动仪表电动仪表过程控制2、按信号类型分类 模拟式数字式由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低 以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题过程控制3、按结构形式分类 单元组合式仪表 基地式仪表 集散型计算机控制系统 现场总线控制系统 过程控制单元组合式仪表：将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三个发展阶段。根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。过程控制单元组合仪表 变送单元 温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器 将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制 转换单元 直流毫伏转换器频率转换器电气转换器气电转换器 将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用 过程控制单元组合仪表 控制单元 运算单元 比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器 将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器加减器乘除器开方器 显示单元指示仪指示记录仪报警器 过程控制单元组合仪表 给定单元 执行单元 辅助单元输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀 按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量操作器：手动操作及手动/自动的切换作用 阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼 限幅器：限制信号的上、下限值 安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用 过程控制被控对象执行单元检测元件调节单元给定单元操作单元变送单元显示单元工艺介质阀门被调变量自动手动测量值给定值用电动单元组合仪表组成的控制系统 过程控制基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；性能价格比高，适用于单参数的控制系统。过程控制集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理控制站（下位机）操作站（上位机）过程通信网络 数据采集、处理及控制 由DCS系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成 或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成 实现操作站与控制站的连接 提供与企业管理网络的连接 过程信息的集中显示、操作和管理 由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成过程控制现场总线控制系统（FCS系统）现场控制和双向数字通信将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。过程控制二、信号制 信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。气动仪表的信号标准：20kPa 100kPa电动仪表的信号标准：420maADC DDZII型电动仪表的信号标准：010maADC 过程控制1、检测元件和变送器的作用检测元件变送器过程变量位移、压力差压、电量等标准信号检测变送环节工作原理模拟仪表：标准信号通常采用420mA、010mA、15v电流或电压信号，20100kPa 气压信号；将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检测、变送单元转换为标准的电或气信号。变送器输出的是被控变量的测量值，它被送到显示和控制装置，用于显示和控制。现场总线仪表：标准信号是数字信号3.2 检测变送环节一、检测变送环节的性能过程控制2、对检测变送单元的基本要求准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速：及时反映被控或被测变量的变化；可靠：能在环境工况下长期稳定运行。3、选用时的基本考虑首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行；仪表精度和量程的选择 选用仪表的精度要合适：应符合工业检测要求 仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。考虑仪表和变送器的线性特性过程控制4、动态特性 Km小，增大控制器的增益，有利于克服扰动对影响；Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关；选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km对Km的考虑：作为广义对象的组成，应考虑与Tp和Tv的匹配，及增大最大时间常数与次大时间常数之间的比值；对Tm的考虑：过程控制 相对于Tp，Tm是较小的。但有例外：成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；气动仪表的时间常数较电动仪表要大；采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温度有更大的时间常数。应考虑时间常数随过程运行而变化的影响：保护套结垢，造成时间常数增大；保护套磨损，造成时间常数减小。减小Tm的措施：检测点位置的合理选择；选用小惯性检测元件；缩短气动管线长度，减小管径；正确使用微分单元；选用继动器或放大器等。过程控制对m的考虑(m=l/v)：与Tm一起考虑，应使m/Tm小 通常在温度、过程成分的检测变送中要考虑 减小m的途径：选择合适的检测点位置；减小传输距离l；选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度v；过程控制 热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；二、对检测变送信号的处理1、信号补偿 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，连接导线的类型和规格不同，导致线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；气体流量检测时，由于检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制；当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿。过程控制2、线性化 硬件组成非线性环节进行线性化处理，例如采用开方器对差压进行开方运算；也可用软件实现线性化处理。3、信号滤波目的：由于存在随机噪声，引起检测信号波动；计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入噪声 方法：硬件滤波：RC电路、气阻气容等组成滤波线路 数字滤波：数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有：一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波过程控制4、数学运算5、信号报警当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号报警和连锁处理。6、数字变换例如快速傅里叶变换、小波变换；在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。过程控制形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚”3.3 执行器一、概述执行器安装在生产现场，直接与介质接触，常常在高压、高温等恶劣的状况下工作，因此，它是控制系统的薄弱环节 作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。直接影响过程控制系统的质量。过程控制执行机构调节机构控制器输出p0,I0推力、位移操纵变量流量接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。过程控制根据执行机构使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、液动三种。气动执行器：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等优点电动执行器：能源取用方便，信号传输速度快和传输距离远，动作较快；缺点是结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所液动执行器：推力最大，但目前使用不多调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。过程控制1、气动执行器典型的气动执行器的结构示意图 p执行机构调节机构阀杆阀芯阀座膜片平衡弹簧气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。二、执行器结构过程控制调节机构（控制阀体）作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。流量方程调节原理当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变 化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。过程控制2、电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。最简单的电动执行器称为电磁阀 其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将调节阀的信号转变为阀的开度 电动执行机构的构成框图伺服放大器伺服电动机减速器位置发生器+其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，即使用电动机等电的动力启闭调节阀。过程控制气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关1、执行机构与调节机构的组合三、调节阀的气开和气关气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用过程控制正作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向下移动正作用执行机构反作用执行机构反作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向上移动过程控制正体阀反体阀正体阀：阀杆下移时流量减小反体阀：阀杆下移时流量增大过程控制气关型气开型气开型气关型过程控制2、选择原则基本原则：根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障（如气源中断，控制器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。过程控制1、理想流量特性调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开流量之比：相对开度，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。四、调节阀的流量特性理想流量特性：在阀前后压差为一定的情况下（p=常数）得到的流量特性。过程控制取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。理想流量特性曲线1、快开 2、直线 3、抛物线 4、对数1432过程控制直线流量特性曲线：K：常数，即执行器的放大系数调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数。边界条件：当l=0时，q=qmin当l=L时，q=qmax调节阀的可调比，R=30 过程控制调节阀的相对开度与相对流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3抛物线10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快开10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3对数10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直线10080706050403020100b a a：l/L(%)b：q/qmax(%)过程控制只要阀芯位移量相同，则流量变化也总是相同的，即单位行程变换所引起的流量变化是相等的。在10%开度时：在50%开度时：在80%开度时：相对流量的相对于当前值的相对变化量为：直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易产生振荡；大开度时，调节缓慢，不够及时。对过程控制系统来说，要求在小负荷时控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一些，这需要由调节阀的流量特性来补偿。直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的。过程控制对数（等百分比）流量特性：代入边界条件：单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。在10%开度时：在50%开度时：在80%开度时：从过程控制工程来看，利用对数（等百分比）流量特性是有利的。调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。过程控制抛物线流量特性：将边界条件代入可得：它介于直线流量特性和对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。单位相对行程（开度）的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。快开流量特性：在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达到最大，故称为快开特性。当阀的行程大时，阀的流通面积不再增大，不能起控制作用。这种调节阀通常用于二位式控制或程序控制。过程控制2、工作流量特性 调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性。调节阀与管道设备串联时的工作流量特性pkpvp调节阀与管道设备串联qvppkpvp压力分布过程控制令S为调节阀全开时的阀前后压差与管道系统的压差之比，即：过程控制串联管道调节阀工作特性过程控制 在S1时，管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，实际工作流量特性与理想特性是一样的；随着S值的减小，管道阻力损失增加，结果不仅调节阀全开时的流量减小，而且流量特性也发生了很大的畸变：直线特性趋向于快开特性；等百分比特性趋向于直线特性 并且S值越小，影响越大。因此在实际使用中，S值不能太小，通常希望S值不低于0.3。过程控制调节阀与管道设备并联时的工作流量特性p调节阀与管道设备并联QiQoQ1Q2并联的目的：冗余措施；增大产量(流量)令S为调节阀全开流量与总管最大流量之比，即：过程控制S=1.0S=0.8S=0.5S=0.2l/L100%直线S=1.0S=0.8S=0.5S=0.2l/L100%对数当s=1时，即关闭旁路，调节阀工作流量特性西即为理想流量特性。随着旁路阀打开，即s值逐渐减小时，系统可调范围大大下降，这将使调节阀所能控制的流量变化很小。过程控制3、调节阀流量特性的选择考虑系统的控制品质：一个理想的控制系统，希望其总的放大系数在系统的整个操作范围内保持不变。过程控制过程控制考虑工艺管道情况：等百分比等百分比等百分比直线理想特性等百分比直线等百分比直线工作特性S=0.3 0.5S=0.6 1配管情况工艺配管情况与流量特性关系调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。过程控制考虑负荷变化情况：调节阀流量特性的选择一般分两步进行：首先根据过程控制系统的要求，确定工作流量特性；然后根据流量特性曲线的基本情况，确定理想流量特性，以作为向生产厂家定货的内容。直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到损坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。由对象特性选工作特性推理想特性查厂家手册。将将420mA的的电电流流信信号号转转换换成成20100KPa的的标标准准气气压压信号。信号。1 1 电电/气转换器气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。电电/气转换器作用：气转换器作用：3.4.3电电/气转换器与阀门定位器气转换器与阀门定位器7/13/202450 I 吸吸力力Fi 杠杠杆杆偏偏转转 挡挡板板与与喷喷嘴嘴间间隙隙 背背压压 放放大大器器输输入入 输输出出压压力力P 杠杠杆杆的的反反馈力馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI力平衡式电力平衡式电/气转换器的原理图气转换器的原理图负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压7/13/2024512 2 阀门定位器阀门定位器气气动动调调节节阀阀中中，阀阀杆杆的的位位移移是是由由薄薄膜膜上上气气压压推推力力与与弹弹簧簧反作用力平衡确定的。反作用力平衡确定的。为为了了防防止止阀阀杆杆处处的的泄泄漏漏要要压压紧紧填填料料，使使阀阀杆杆摩摩擦擦力力增增大大，且且个个体体差差异异较较大大，这这会会影影响响输输入信号入信号P P的执行精度。的执行精度。7/13/202452 解决措施解决措施 在在调调节节阀阀上上加加装装阀阀门门定定位位器器，引引入入阀阀杆杆位位移移负负反反馈馈。使使阀阀杆杆能能按按输输入入信信号号精精确确地确定自己的开度。地确定自己的开度。7/13/202453电电/气阀门定位器气阀门定位器 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电器结合成一体，组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板靠近喷嘴挡板靠近喷嘴 P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡7/13/2024543.2DDZ-型模拟式调节器型模拟式调节器DDZ仪表的发展简史仪表的发展简史3.2.1比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律理想理想PID的增量式数学表达式的增量式数学表达式：为调节器输出的增量值，为被控参数与给定值之差。写成传递函数形式：写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分；为调节器的比例增益，为积分时间（以s或min为单位），为微分时间（也以s或min为单位）。7/13/2024551比例调节规律比例调节规律比例控制数学表达式比例控制数学表达式：为调节器输出的增量值，为被控参数与给定值之差。纯比例调节器的阶跃响应特性 7/13/202456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 无法加无法加大，调节无法进行。大，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：7/13/202457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时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。7/13/202458v 比例控制的特点比例控制的特点v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q u=KC eq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。7/13/202459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，习惯上使用比例度来表来表示比例控制作用的强弱。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。值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；u为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（emax-emin）为输入的最大变化量）为输入的最大变化量,及输入量程；及输入量程；（umax umin）为输出的最大变化量，即控制器的）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。输出量程。7/13/202460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:ueeremaxeminuminumax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。7/13/202461比例带比例带的物理意义：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=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。uuur0100%50%umaxumin=50%=100%7/13/202462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u是是2倍的关系。倍的关系。u/mAe/e420800400=50%7/13/2024632 2 比例积分控制（比例积分控制（PIPI）当要求控制结果无余差时，就需要在比例控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。制的基础上，加积分控制作用。（1 1）积分控制（积分控制（I I）输出变化量输出变化量u(t)u(t)与输入偏差与输入偏差e 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eEttu7/13/202464q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。eEttu7/13/202465 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）比例积分调节器的阶跃响应特性 称为称为PI调节器的积分增益，它定义调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。之比。7/13/202466 3 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）eEttu7/13/202467q 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，微微分分立立即即产产生生强强烈烈的的调调节节作作用用，使使偏偏差差尽尽快快地地消消除除于于萌萌芽状态之中。芽状态之中。q微微分分对对静静态态偏偏差差毫毫无无控控制制能能力力。当当偏偏差差存存在在，但但不不变变化化时时，微微分分输输出出为为零零，因因此此不不能能单单独独使使用用。必须和必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEttu7/13/202468（2）比例微分控制（）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制理想的比例微分控制 理想微分作用持续时间理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作一般使用实际的比例微分作用。用。称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。7/13/202469q将将比比例例、积积分分、微微分分三三种种控控制制规规律律结结合合在在一一起起，只只要要三三项项作作用用的的强强度度配配合合适适当当，既既能能快快速速调调节节，又又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。4 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）7/13/202470q PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用统控制速度；积分作用是用于消除静差。是用于消除静差。3.2.2DDZ-型基型调节器型基型调节器模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了经历了型（用电子管）、型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用晶体管）和型（用集成电路）。型（用集成电路）。PID调节器的阶跃响应特性 7/13/2024711 DDZ-型仪表的特点及外形型仪表的特点及外形特点：特点：测量信号：测量信号：15V.DC；外给定信号：外给定信号：420mA.DC；内给定信号：内给定信号：15V.DC；测量与给定信号的指示精度：测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：输入阻抗影响：满刻度的满刻度的0.1；输出保持特性：输出保持特性：0.1（每小时）；（每小时）；输出信号：输出信号：420mA.DC；调节精度：调节精度：0.5；负载电阻：负载电阻：250750。7/13/2024721-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键7/13/202473DDZ-DDZ-基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、入电路、PDPD与与PIPI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。全刻度指示调节器的构成框图 2全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的构成原理7/13/202474 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例7/13/202475过程控制3、整机传递函数 调节器PID电路传递函数方框图 2UiUsUo3其传递函数为这三个电路的传递函数的乘积。化简后可得：过程控制带*的量为调节器参数的实际值，不带*的为参数的刻度值。F称为相互干扰系数。1.智能电动执行器的特点智能电动执行器的特点与常规电动执行器相比与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点：智能电动执行器有如下特点：1）具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号，按）具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号，按设定值自动进行设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况；流量特性的落后状况；2)一体化的结构设计思想。将位置控制器、一体化的结构设计思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大控制器、伺服放大器、电器、电-气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性；技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性；3)具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。3.4.4智能式电动执行器智能式电动执行器7/13/2024784)具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。程的安全。5）具有灵活的组态功能，）具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效益。，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。7/13/2024792.智能电动执行器的实例简介智能电动执行器的实例简介美国美国Valtek公司生产的公司生产的STARPAC智能执行器智能执行器7/13/2024803.5 3.5 安全栅安全栅安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。系统信号线进入现场仪表的安全保护器。1 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。7/13/202481对对于于类类电电气气设设备备，电电路路电电压压限限制制在在30VDC时时，各各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。爆炸性混合物的最小引爆电流爆炸性混合物的最小引爆电流级级别别最小引爆电流（最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类 i120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i70氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属气设备属类设备。类设备。7/13/202482 2 安全火花防爆系统安全火花防爆系统 电电动动仪仪表表存存在在电电路路打打火火的的可可能能。如如果果从从电电路路设设计计就就开开始始考考虑虑防防爆爆，把把电电路路在在短短路路、开开路路及及误误操操作作等等各各种种状状态态下下可可能能发发生生的的火火花花都都限限制制在在爆爆炸炸性性气气体体的的点点火火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。防爆。7/13/202483构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素：在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。仪表（本安仪表）。现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。过安全栅（防爆栅）。7/13/202484基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流穿特性进行限压、用固定电阻进行限流。3.5.1齐纳式安全栅齐纳式安全栅安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。当输入电压当输入电压Vi在正常范围（在正常范围（24V）内时，齐纳二极管）内时，齐纳二极管VD不导通；不导通；当电压高于当电压高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二）时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝使快速熔断丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻断。固定电阻R的作用是限制流往现场的电流。的作用是限制流往现场的电流。7/13/202485两点不足：两点不足：一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大；足够大；二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。形成干扰。7/13/202486（2）由由VD1VD4和和F1 F2组组成成限限压压电电路路。背背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。（1）用用晶晶体体管管限限流流电电路路取取代代固固定定电电阻阻。VT3工工作作于于零零偏偏压压，作作为为恒恒流流源源向向VT1提提供供足足够够的的基基极极电电流流，保证信号在保证信号在420mA范围内范围内VT1处于饱和状态。处于饱和状态。改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅7/13/202487正常时正常时VT1饱和导通饱和导通 VR1=0.1 0.5V VT2不不通通过流时过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流导通，分流VT3的电流的电流 VT1退饱和退饱和 Vce1呈现较高的电阻呈现较高的电阻v要求要求快速熔快速熔断丝熔断丝熔断时间断时间 0.6VVT3导通，分流导通，分流 VT4退饱和退饱和 Vce4 限流限流 限流特性限流特性限压特性限压特性7/13/202494（3）调制解调电路）调制解调电路调制：调制：VD13、VD14交替工作交替工作送往送往变变送器的送器的DC420mA 交替通过交替通过T2原边原边解调：解调：T2副边副边1：1耦合耦合复合管复合管VT7VT10整流整流-7/13/2024952 执行端安全栅执行端安全栅 用用于于控控制制室室中中调调节节器器和和现现场场执执行行器器之之间间，是是420mA调调节节信信号号送送往往现现场场的的安安检检通通道道。与与检检测测端端安安全栅的区别：全栅的区别：信号传输方向相反，信号传输方向相反，不需给现场供电。不需给现场供电。电路原理基本相似。电路原理基本相似。7/13/202496隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下优隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下优点：点：1）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地方接地，使用方便，通用性强；方接地，使用方便，通用性强；2）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均可通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，可通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，使安全栅的工作更加安全可靠；使安全栅的工作更加安全可靠；3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号的抗干扰能力，提高了控制系统正常运行的可靠信号的抗干扰能力，提高了控制系统正常运行的可靠性。性。7/13/202497本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！7/13/202498