1、过程控制过程控制目录目录第第3 3章控制仪表章控制仪表控制仪表又称控制器或调节器。控制仪表又称控制器或调节器。作用：作用：把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器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，对生产过程进行自动调节。动作，对生产过程进行自动调节。控制仪表按工作能源分类有：控制仪表按工作能源分类有：1 1、电动仪表电动仪表以以220VAC220VAC或或24VDC24VDC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0 01010mAmA
2、或或4 420mA20mA的标准信号。的标准信号。2 2、气动仪表、气动仪表以以140kPa140kPa的气压信号作为工作能源，其输入输出信的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用号均采用2020100100kPakPa的标准气压信号。的标准气压信号。第第3 3章控制仪表章控制仪表3 3、自力式仪表、自力式仪表不需要专门提供工作能源。不需要专门提供工作能源。例：自力式液位调节器例：自力式液位调节器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 1、基地式仪表、基地式仪表 q 将检测、控制、显示功能设计在一个整体内，安装在现将检测、控制、显示功能设计在一个整体内，安装
3、在现场设备上。场设备上。q安装简单、使用方便安装简单、使用方便。但一般通用性差，只适。但一般通用性差，只适用于小规模、简单控制系用于小规模、简单控制系统。统。2、单元式组合仪表单元式组合仪表q将仪表按其功能的不同分成若干单元（例变送单元将仪表按其功能的不同分成若干单元（例变送单元、给定单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完、给定单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种功能。成其中的一种功能。q控制单元是接受测量与给定信号，然后根据它们的控制单元是接受测量与给定信号，然后根据它们的偏差进行控制运算，运算的结果作为控制信号输出。偏差进行控制运算，运算的结果作为控制信号输出。q各个
4、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。DDZ-电动仪表电动仪表DDZ-气动仪表气动仪表DDZDDZ电动电动调节器调节器DDZ-S单回路调节器单回路调节器 DDZ-S单回路调节器单回路调节器 DDZ组装仪表组装仪表3、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）内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各种复杂控制系统。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
5、控制器（SLPC）q可编程数字控制器可编程数字控制器（PLC）q现场总线现场总线控制装置（控制装置（FCS）YS100单回路调节器单回路调节器CENTUM-XL综合控综合控制系统制系统3 3.1.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点控制规律控制规律控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。y=f(e)e=r x 或或 e=x-r控制规律有断续控制和连续控制两类：控制规律有断续控制和连续控制两类：一、一、断续控制断续控制控制器输出接点信号，如双位控制、三控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。位控制。二、二、连续控制连续控制控制器输出连续信号，如比
6、例控制、比控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。3 3.1.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点3.1.1 双位控制双位控制双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称关两个极限位置，因此又称开关控制开关控制。e 0 0 （或（或e 0 0）时时=ymaxyminye 0 0 0）时时理想的双位控制特性理想的双位控制特性ymaxyminey 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，继电器吸合温
7、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，温控器输出低电平，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。，继电器断开，加热器断电。3.1.1 双位控制双位控制二位式控制器电路原理框图：二位式控制器电路原理框图：是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、是一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电负，输出只有两个位置，高电平或低电平，可以当一个电子开关用。子开关用。3.1.1 双位控制双位控制理想双位控制效果：理想双位控制效果：被控温度在被控温度在T0 上下振荡，无法稳定
8、。上下振荡，无法稳定。3.1.1 双位控制双位控制三位控制：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。三位控制器电路原理框图：三位控制器电路原理框图：3.1.1 双位控制双位控制例例2 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T T1 1时，温控器使继电器时，温控器使继电器1 1、2 2都吸合，加热器都吸合，加热器1 1、2 2都通电加热；温度高于都通电加热；温度高于T T1 1低于低于T T2 2时，温控器使继电器时，温控器使继电器1 1吸合、继吸合、继电器电器2 2断开，只有加热器断开，只有加热器1 1通电；温度高于通电；
9、温度高于T T2 2时，继电器时，继电器1 1、2 2都都断开。断开。3.1.1 双位控制双位控制 温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快；温度温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。偏差小时，小幅调整。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。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。PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制具有以下优点：1）原理简单，使用方便。2）适应性强，可广泛用于各种生产部门。3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。不使用PID例外情况：1.被控对象易于控制而控制要求又不很高的，可以采用更
10、简单的的开关控制方式。2.被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果PID控制难以达到生产要求就要考虑更先进的控制方法。3.1.1 比例控制比例控制控制器输出y（t）和偏差信号e（t）成比例关系传递函数为：例：自力式液位比例控制系统：比例控制系统的控制过程比例控制系统的控制过程v 比例控制的特点比例控制的特点q控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，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控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零零，调节器
11、的输出也就为零 y=KP e即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度使用比例度P来来表示比例控制作用的强弱。表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。maxminmaxmineyP(/)100%xxyy=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:比例度除了表比例度除了表示控制器输入和输示
12、控制器输入和输出之间的增益外，出之间的增益外，还表明比例作用的还表明比例作用的有效区间。有效区间。比例带比例带P的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变时，所对应的偏差变化相对量化相对量。如。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。例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信，输出信号范围是号范围是420mA。当指示指
13、针从当指示指针从600变到变到700时，控时，控制器相应的输出从制器相应的输出从8mA变为变为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。解解答答 温度的偏差在输入量程的温度的偏差在输入量程的50区间内区间内（即（即200）时）时，e和和y是是2倍的关系。倍的关系。（1）积分控制）积分控制（I控制）控制）3.1.3 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基础上，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。加积分控制作用。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dteTI=t01yTI 积分时间积分时间当当e是
14、幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时tdtTII=TEe1yt0自力式气压调节阀q积分作用具有保持功能，积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。故积分控制可以消除余差。q积分输出信号随着时间逐积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。作用不单独使用。v 积分控制的特点积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。积分速度对于调节过程的影响P与I调节过程的比较（2）比例积分控制（比例积分控制（PI）)1(1y0dteTePtI=)11(1)()()(WsTPsEsYsI=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tTPEI)11(y=加热器水温PI控制系统在热水流量阶跃扰动下的调节过程PI控制系统不同积分时间的响应过程Thank You!
