《過程控制儀表》ppt課件

1、過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表第4章 過程控制儀表控制儀表2根本控制規(guī)律3 1位式控制律位式控制律PID控制律控制律模擬式調(diào)理器模擬式調(diào)理器數(shù)字式調(diào)理器數(shù)字式調(diào)理器可編程控制器可編程控制器4-1 根本控制規(guī)律o過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量，取決于被控對象的特性和控制器的特性。o控制器的特性，就是指控制器的輸出信號隨著輸入信號變化的規(guī)律，又稱作控制律。euy ro在過程控制中，控制器的輸入定義為被控變量的丈量值 y與給定值 r 的偏向 e ： o e = y-ro控制器的輸出就是控制器送往執(zhí)行器的控制信號u，所以控制器中的控制規(guī)律可以用下面的數(shù)學(xué)關(guān)系表示：o u = f (e)e0,并且在控制律作用

2、下并且在控制律作用下u0，稱為正作用控制器；，稱為正作用控制器；e0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下u0，稱為反作用控制器。，稱為反作用控制器。4-1 根本控制規(guī)律p最簡單的控制律：位式控制pPID控制律：比例控制P，積分控制I，微分控制D，以及PID組合。4-1 根本控制規(guī)律一、位式控制o位式控制規(guī)律可分為雙位控制和多位控制。o雙位控制的特性可以用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描畫。例：儲槽液位控制例：儲槽液位控制槽內(nèi)裝有磁浮子液位槽內(nèi)裝有磁浮子液位傳感器，作為液位的傳感器，作為液位的丈量安裝。磁浮子液丈量安裝。磁浮子液位傳感器的一端與繼位傳感器的一端與繼電器的線圈電器的線圈 J 相接；相接；另一

3、端正益處于液位另一端正益處于液位給定值的位置。給定值的位置。流體經(jīng)裝有電磁閥流體經(jīng)裝有電磁閥 V的管線進(jìn)入貯槽，再的管線進(jìn)入貯槽，再由出料管流出。由出料管流出。液位給定值液位給定值雙位控制律：雙位控制律： 當(dāng)液位低于給定，舌簧當(dāng)液位低于給定，舌簧管不吸合，繼電器管不吸合，繼電器J斷開，斷開，電磁閥電磁閥V全開，流體流全開，流體流入貯槽，入貯槽，H上升。上升。當(dāng)液體高于給定，舌簧當(dāng)液體高于給定，舌簧管吸合，繼電器管吸合，繼電器J接通，接通，電磁閥電磁閥V全關(guān)，流體不全關(guān)，流體不再進(jìn)入貯槽，再進(jìn)入貯槽，H下降。下降。如此反復(fù)循環(huán)。如此反復(fù)循環(huán)。液位給定值液位給定值o雙位控制律優(yōu)點(diǎn)：o控制律簡單，對

4、控制器硬件要求低，容易實(shí)現(xiàn)。o雙位控制律缺陷：o執(zhí)行部件的動(dòng)作非常頻繁，這樣使系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件繼電器、電磁閥易于損壞，降低了控制系統(tǒng)的可靠性。o改良雙位控制律：具有中間區(qū)的雙位控制p具有中間區(qū)的雙位控制器具有中間區(qū)的雙位控制器p控制律可表示為：控制律可表示為：例：具有中間區(qū)的雙位控例：具有中間區(qū)的雙位控制律：制律： 當(dāng)液體高于給定當(dāng)液體高于給定yH ，上，上舌簧管吸合，繼電器舌簧管吸合，繼電器J接接通，電磁閥通，電磁閥V全關(guān)，流體全關(guān)，流體不再進(jìn)入貯槽，不再進(jìn)入貯槽，H下降。下降。但是留意：當(dāng)液位低于但是留意：當(dāng)液位低于yH，電磁閥，電磁閥V繼續(xù)全關(guān)。繼續(xù)全關(guān)。當(dāng)液位低于給定當(dāng)液位低于給定yL

5、，下舌，下舌簧管斷開，繼電器簧管斷開，繼電器J斷開，斷開，電磁閥電磁閥V全開，流體流入全開，流體流入貯槽，貯槽，H上升。但是留意：上升。但是留意：當(dāng)液位高于當(dāng)液位高于yL，電磁閥，電磁閥V繼續(xù)全開。繼續(xù)全開。如此反復(fù)循環(huán)。如此反復(fù)循環(huán)。yHyL位式磁浮位式磁浮子液位傳子液位傳感器感器p具有中間區(qū)的雙位控制曲線如以下圖所示：具有中間區(qū)的雙位控制曲線如以下圖所示：閥關(guān)閥關(guān)閥開閥開To具有中間區(qū)的雙位控制優(yōu)點(diǎn)：具有中間區(qū)的雙位控制優(yōu)點(diǎn)：o構(gòu)造簡單，本錢較低，且易于實(shí)現(xiàn)。構(gòu)造簡單，本錢較低，且易于實(shí)現(xiàn)。o具有中間區(qū)的雙位控制缺陷：具有中間區(qū)的雙位控制缺陷：o 被控變量總是處在震蕩過程，控制質(zhì)量低。被控

6、變量總是處在震蕩過程，控制質(zhì)量低。o適用場所適用場所o適用于某些對控制質(zhì)量要求不高的運(yùn)用場所。適用于某些對控制質(zhì)量要求不高的運(yùn)用場所。o如：空氣緊縮機(jī)貯罐的壓力控制、恒溫箱、電烘箱的溫如：空氣緊縮機(jī)貯罐的壓力控制、恒溫箱、電烘箱的溫度控制等。度控制等。p最簡單的控制律：位式控制p過程控制中：pPID控制律：比例控制P，積分控制I，微分控制D，以及PID組合。4-1 根本控制規(guī)律二、比例控制 1. 比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏向成比例關(guān)系，普通用字母 P 表示。 比例控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： u = KP e 式中 u 控制器的輸出變化量； e 控制器的輸入，即被控變量

7、丈量 值與控制器的給定值之差； KP 比例控制的放大倍數(shù)，又稱為比 例增益。比例控制規(guī)律的開環(huán)階躍呼應(yīng)特性如圖比例控制規(guī)律的開環(huán)階躍呼應(yīng)特性如圖:euttAKPA顯然，在輸顯然，在輸入偏向一樣入偏向一樣的情況下，的情況下，KP越大，控越大，控制器的輸出制器的輸出變化量也越變化量也越大，控制造大，控制造用就越強(qiáng)。用就越強(qiáng)。 o在過程控制中習(xí)慣于采用比例度在過程控制中習(xí)慣于采用比例度(也稱比例帶也稱比例帶)來衡來衡量比例控制造用的強(qiáng)弱。量比例控制造用的強(qiáng)弱。o比例度的定義可以用下式來表示比例度的定義可以用下式來表示:o比例度：指控制器的輸入相對變化量與對應(yīng)的比例度：指控制器的輸入相對變化量與對應(yīng)的

8、輸出相對變化量的百分比。輸出相對變化量的百分比。p物理意義：代表使控制器的輸出全范圍變化時(shí)，物理意義：代表使控制器的輸出全范圍變化時(shí)，所需求的被控變量的變化范圍。只需當(dāng)被控變量所需求的被控變量的變化范圍。只需當(dāng)被控變量在這一范圍內(nèi)變化時(shí)，控制器的輸出才與偏向成在這一范圍內(nèi)變化時(shí)，控制器的輸出才與偏向成比例，假設(shè)超出了比例，假設(shè)超出了“比列帶，控制器的輸出將暫比列帶，控制器的輸出將暫時(shí)失去比例控制造用。時(shí)失去比例控制造用。例：在一個(gè)電動(dòng)比例控制器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)中，被控變量檢測儀表的量程范圍為：200-300，控制器的輸出范圍為0-10mA，當(dāng)溫度從250 變化到270 ，相應(yīng)的控制器輸出信號

9、從4mA變化到9mA，控制器的比例度？(270 250)/(300 200)100%40%(9 4)/(10 0)物理意義：比例度物理意義：比例度40%闡明，只需溫度變化闡明，只需溫度變化40%(40 )，就可以使控制器的輸出信號從，就可以使控制器的輸出信號從0mA變化到變化到10mA. p在用在用DDZ-儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，由于變送器儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，由于變送器和控制器都是采用一致的規(guī)范信號：和控制器都是采用一致的規(guī)范信號：4-20mA，1-5V。p這闡明兩者互為例數(shù)關(guān)系，即越小，KP越大，比例控制造用越強(qiáng)；越大，KP越小，比例控制造用越弱。p比例度和放大倍數(shù) KP的關(guān)系可進(jìn)一步簡化為

10、：2比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)o顯著特點(diǎn)：有差控制，只需當(dāng)偏向出現(xiàn)，才產(chǎn)生顯著特點(diǎn)：有差控制，只需當(dāng)偏向出現(xiàn)，才產(chǎn)生控制動(dòng)作，偏向越大，控制器輸出變化也越大。控制動(dòng)作，偏向越大，控制器輸出變化也越大?？焖偌皶r(shí)?？焖偌皶r(shí)。o缺陷：有余差。缺陷：有余差。o適用場所：比例控制系統(tǒng)適用于干擾較小、不頻適用場所：比例控制系統(tǒng)適用于干擾較小、不頻繁，對象滯后較小而時(shí)間常數(shù)較大，控制準(zhǔn)確度繁，對象滯后較小而時(shí)間常數(shù)較大，控制準(zhǔn)確度要求不高的場所。要求不高的場所。p減小比例度的影響如圖：減小比例度的影響如圖：減小比例度減小比例度3比例度對控制過程比例度對控制過程的影響的影響p從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面思索：從靜態(tài)

11、和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面思索：p比例度對系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響是：減小比例度比例度對系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響是：減小比例度即增大放大倍數(shù)即增大放大倍數(shù) KP，減小控制過程到達(dá)，減小控制過程到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的余差。穩(wěn)態(tài)時(shí)的余差。p對動(dòng)態(tài)特性的影響：減小比例度即增大放大對動(dòng)態(tài)特性的影響：減小比例度即增大放大倍數(shù)倍數(shù) KP，影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制，影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。三、積分控制 1積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏向的積分成比例關(guān)系，普通用字母 I 表示。積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中式中 Ti 積分時(shí)間常數(shù)，是一個(gè)可調(diào)的常數(shù)。積分時(shí)間常數(shù)，是

12、一個(gè)可調(diào)的常數(shù)。積分控制造用積分控制造用的特性可用在階的特性可用在階躍輸入作用下的躍輸入作用下的輸出呼應(yīng)曲線來輸出呼應(yīng)曲線來闡明。闡明。當(dāng)控制器輸入當(dāng)控制器輸入偏向偏向 e 為常數(shù)為常數(shù) A 時(shí)：時(shí)：偏向只需存在，積分控制造用就存在，直到偏向消除。偏向只需存在，積分控制造用就存在，直到偏向消除。積分控制規(guī)律的特點(diǎn)：o優(yōu)點(diǎn)：積分作用可以消除余差，這是積分控制規(guī)律最顯著的特點(diǎn)；o缺陷：不能及時(shí)抑制干擾，會(huì)使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；o運(yùn)用場所：積分控制規(guī)律普通不單獨(dú)運(yùn)用。2比例積分控制規(guī)律o比例積分控制規(guī)律是由比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律結(jié)合而成，普通用字母 Pl 表示。o比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

13、：oPI 控制規(guī)律結(jié)合了比例控制與積分控制的優(yōu)點(diǎn)，既能快速抑制干擾，又能消除系統(tǒng)的余差。當(dāng)輸入偏向是一幅值為當(dāng)輸入偏向是一幅值為 A 的階躍變化時(shí)，比例積分控制器的輸?shù)碾A躍變化時(shí)，比例積分控制器的輸出變化特性曲線如下圖。出變化特性曲線如下圖。3積分時(shí)間對過渡過程的影響積分時(shí)間對過渡過程的影響o比例積分PI控制器，比例度或比例增益 KP和積分時(shí)間 Ti 都是可調(diào)參數(shù)。o討論：比例度一定，積分時(shí)間 T i過大和過小對控制效果的影響。 積分時(shí)間無窮大，只需比積分時(shí)間無窮大，只需比例控制造用；例控制造用；積分時(shí)間過大，積分作用積分時(shí)間過大，積分作用太弱，消除余差的過程很慢太弱，消除余差的過程很慢見曲線

14、見曲線 b ) ；只需當(dāng)只需當(dāng) T i適當(dāng)時(shí)，過渡適當(dāng)時(shí)，過渡過程能較快地衰減，而且沒過程能較快地衰減，而且沒有余差見曲線有余差見曲線c；積分時(shí)間太小，控制器的積分時(shí)間太小，控制器的輸出變化太快，使過渡過程輸出變化太快，使過渡過程振蕩太猛烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性振蕩太猛烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大下降見曲線大大下降見曲線 d ) 。P型控制器型控制器1微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)微分控制規(guī)律及其特點(diǎn) 微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏向的變化速度成比例，普通用字母向的變化速度成比例，普通用字母 D 表示。表示。微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

15、四、微分控制四、微分控制當(dāng)輸入偏向信號為幅值當(dāng)輸入偏向信號為幅值 A 的階躍變化時(shí)，微分控制的階躍變化時(shí)，微分控制特性呼應(yīng)曲線如下圖。特性呼應(yīng)曲線如下圖。實(shí)踐上的工業(yè)控制器采實(shí)踐上的工業(yè)控制器采用的都是采用一種近似的用的都是采用一種近似的微分作用，它在階躍輸入微分作用，它在階躍輸入作用下的開環(huán)呼應(yīng)特性如作用下的開環(huán)呼應(yīng)特性如下圖。下圖。在階躍輸入的瞬間，輸在階躍輸入的瞬間，輸出忽然升到一個(gè)較大的值，出忽然升到一個(gè)較大的值，然后按指數(shù)規(guī)律衰減至零。然后按指數(shù)規(guī)律衰減至零。變化特性可用下面的數(shù)變化特性可用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式描畫：學(xué)表達(dá)式描畫：微分控制規(guī)律的特點(diǎn)：o優(yōu)點(diǎn)：微分作用是根據(jù)偏向的變化速度來

16、進(jìn)展控制，優(yōu)點(diǎn)：微分作用是根據(jù)偏向的變化速度來進(jìn)展控制，偏向變化速度越大，控制器輸出越大。對固定不變偏向變化速度越大，控制器輸出越大。對固定不變的偏向，控制器輸出為零。由于微分作用總是力圖的偏向，控制器輸出為零。由于微分作用總是力圖抑制被控變量的變化，所以它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定抑制被控變量的變化，所以它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。性的作用。o缺陷：不能消除余差。缺陷：不能消除余差。o運(yùn)用場所：微分控制規(guī)律普通不單獨(dú)運(yùn)用。運(yùn)用場所：微分控制規(guī)律普通不單獨(dú)運(yùn)用。2比例微分控制規(guī)律比例微分控制規(guī)律o理想的比例微分控制規(guī)律，可以用下式表示：理想的比例微分控制規(guī)律，可以用下式表示：p當(dāng)輸入偏向信號為幅值A(chǔ)

17、 的階躍變化時(shí)，實(shí)踐比例微分控制開環(huán)輸出呼應(yīng)特性如下圖。o比例積分微分控制規(guī)律是由比例、積分和微比例積分微分控制規(guī)律是由比例、積分和微分三種控制造用組合而成，普通用字母分三種控制造用組合而成，普通用字母PID 表示。表示。o理想的理想的PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：五、比例積分微分控制五、比例積分微分控制PID工業(yè)工業(yè)PID控制器控制器開環(huán)特性：開環(huán)特性：工業(yè)工業(yè)PID控制器控制器eeuuPID控制特點(diǎn)：控制特點(diǎn)：比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。由于在由于在 PID 控制器中，比例度控制器中，比例度、積分時(shí)

18、間、積分時(shí)間 Ti 和微分時(shí)間和微分時(shí)間 TD 三個(gè)參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只需這三個(gè)參數(shù)選擇的適三個(gè)參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只需這三個(gè)參數(shù)選擇的適宜，就可以獲得良好的控制質(zhì)量。宜，就可以獲得良好的控制質(zhì)量。PID控制器可實(shí)現(xiàn)三種控制規(guī)律?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)三種控制規(guī)律。假設(shè)將微分時(shí)間調(diào)至零，就成一臺比例積分控制器；假設(shè)將微分時(shí)間調(diào)至零，就成一臺比例積分控制器；假設(shè)將積分時(shí)間調(diào)至最大，就成一臺比例微分控制器；假設(shè)將積分時(shí)間調(diào)至最大，就成一臺比例微分控制器；假設(shè)將微分時(shí)間至零，積分時(shí)間至無窮大，就是一臺比例控假設(shè)將微分時(shí)間至零，積分時(shí)間至無窮大，就是一臺比例控制器。制器。數(shù)字式調(diào)理器數(shù)字式調(diào)理器模擬式調(diào)理

19、器模擬式調(diào)理器DDZ-型調(diào)理器型調(diào)理器4-2 控制儀表可編程控制器可編程控制器PLCKMM可編程調(diào)理器可編程調(diào)理器過程控制儀表：過程控制儀表：p模擬式調(diào)理器模擬式調(diào)理器p主要功能主要功能p接納信號：接納信號：1-5V DC信號。信號。p實(shí)現(xiàn)偏向計(jì)算：將接納信號與給定值信號進(jìn)實(shí)現(xiàn)偏向計(jì)算：將接納信號與給定值信號進(jìn)展比較，得到偏向信號。展比較，得到偏向信號。pPID控制律計(jì)算：將偏向信號進(jìn)展控制律計(jì)算：將偏向信號進(jìn)展PID運(yùn)算，運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)生相應(yīng)的4-20mA控制信號?？刂菩盘?。p具備相應(yīng)值的指示功能。具備相應(yīng)值的指示功能。一、 DDZ-型調(diào)理器構(gòu)成原理構(gòu)成原理由兩大部分由兩大部分構(gòu)成構(gòu)成設(shè)

20、定值設(shè)定值丈量值丈量值一、 DDZ-型調(diào)理器控制單元：由自動(dòng)操作和手動(dòng)操作組成。按一定的變按一定的變化率改動(dòng)化率改動(dòng)直接改動(dòng)輸直接改動(dòng)輸出信號出信號一、 DDZ-型調(diào)理器控制單元的內(nèi)外給定值功能：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的需求制的需求一、 DDZ-型調(diào)理器控制器的正反作用功能：一、 DDZ-型調(diào)理器一、 DDZ-型調(diào)理器主要構(gòu)成主要構(gòu)成二、 KMM可編程調(diào)理器硬件部分：硬件部分： 主機(jī)部分主機(jī)部分CPU，ROM，RAM模擬量輸入模擬量輸入-輸出通道輸出通道AI-AO數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入-輸出通道輸出通道DI-DO通訊接口通訊接口正面板，側(cè)面板正面板，側(cè)面板軟件部分：軟件部分：系統(tǒng)程序和用戶程序系統(tǒng)程序和用戶程序二、 KMM可編程調(diào)理器KMM正面板上控制方正面板上控制方式選擇式選擇:手動(dòng)方式手動(dòng)方式M自動(dòng)方式自動(dòng)方式A串級方式串級方式C)SPSV表示給定值表示給定值PV表示丈量值表示丈量值二、 KMM可編程調(diào)理器p數(shù)字式調(diào)理器數(shù)字式調(diào)理器p主要功能主要功能p輸入信號處置功能溫度補(bǔ)償、開平方等輸入信號處