第3章過(guò)程控制

第3章控制儀表

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(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂苾x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，其輸入輸出信號(hào)均采用0～10mA或4～20mA的標(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，其輸入輸出信號(hào)均采用20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。3、自力式儀表hQ1Q2不需要專門提供工作能源。

例：自力式液位調(diào)節(jié)器控制儀表的發(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。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。其中的控制單元是接受測(cè)量與給定信號(hào)，然后根據(jù)它們的偏差進(jìn)行控制運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果作為控制信號(hào)輸出。各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。DDZ-Ⅱ電動(dòng)儀表DDZ-Ⅱ氣動(dòng)儀表DDZ－Ⅲ電動(dòng)調(diào)節(jié)器DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器

DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器

DDZ－Ⅲ組裝儀表3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）內(nèi)設(shè)微處理器，控制功能豐富，很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。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）YS100單回路調(diào)節(jié)器YS80單回路調(diào)節(jié)器CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)3.1基本控制規(guī)律及特點(diǎn)所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破鞯妮斎胄盘?hào)是變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定信號(hào)。設(shè)定信號(hào)和測(cè)量信號(hào)經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號(hào)e，它是設(shè)定值信號(hào)r與測(cè)量信號(hào)x之差。

y=f(e)

e=r–x

或

e=x-r控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、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。二、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。理想的雙位控制器輸出y與輸入偏差e之間的關(guān)系為：e>0（或e

<0）時(shí)=ymaxyminye<0（或e

>

0）時(shí)理想的雙位控制特性ymaxyminey有中間區(qū)的雙位控制特性ymaxyminey

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?！?20V進(jìn)水出水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。有中間區(qū)的雙位控制效果：被控溫度在T0

上下振蕩，無(wú)法穩(wěn)定。理想雙位控制效果：tyTT0ttyTT0t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。ymaxymineye2e1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：

例2：溫度三位控制系統(tǒng)溫度低于T1時(shí)，溫控器使繼電器1、2都吸合，加熱器1、2都通電加熱；溫度高于T1低于T2時(shí)，溫控器使繼電器1吸合、繼電器2斷開，只有加熱器1通電；溫度高于T2時(shí)，繼電器1、2都斷開。J1J2T2T1122220V進(jìn)水出水溫度三位控制效果：溫度偏差大時(shí)，升溫速度快；溫度偏差小時(shí)，小幅調(diào)整。tyTT2T1t要使調(diào)節(jié)過(guò)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。傳遞函數(shù)為

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Kp——比例增益

＋－Pye被控變量測(cè)量值x被控變量給定值xr浮球?yàn)樗粋鞲衅鳎軛U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加大才能阻止水位下降。如果e=0，則活塞無(wú)法提高，Q1無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過(guò)程?Q2htep?Q1tttt原來(lái)系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開度。t=0時(shí)，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，液位也不再變化。

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绻徽{(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零

y=KPe即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度P來(lái)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。如果控制器輸入、輸出量程相等，則:比例度:yxxrxmaxxminyminymax比例度除了表示控制器輸入和輸出之間的增益外，還表明比例作用的有效區(qū)間。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(guò)此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例某比例控制器，溫度控制范圍為400～800℃，輸出信號(hào)范圍是4～20mA。當(dāng)指示指針從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。解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。y/mAx/℃e420800400P=50%3.1.3比例積分控制（PI）當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1）積分控制（I）輸出變化量y與輸入偏差e的積分成正比當(dāng)e是幅值為E的階躍時(shí)TI—積分時(shí)間eEtty積分作用具有保持功能，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。

積分控制的特點(diǎn)當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減小）；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。eEtty若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差。（2）比例積分控制（PI）若偏差是幅值為E的階躍干擾eEtty3.1.4比例微分控制（PD）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。式中：TD—微分時(shí)間—偏差變化速度理想微分（1）微分控制（D）eEtty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(wú)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。

微分控制的特點(diǎn)eEtty（2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制eAttyty理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。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。3.1.5比例積分微分控制（PID）PID控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。etty3.2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（用電子管）、Ⅱ型（用晶體管）和Ⅲ型（用集成電路）。3.2.1DDZ-Ⅲ型儀表的特點(diǎn)1）采用統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4~20mADC和1～5VDC。這種信號(hào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是電氣零點(diǎn)不是從零開始，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。同樣，因?yàn)樽钚⌒盘?hào)電流不為零，可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制。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)，用于危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)—軟手動(dòng)—硬手動(dòng)切換開關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵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。輸入電路PD電路PI電路輸出電路測(cè)量外給內(nèi)給定電路給定值指示輸出指示軟手動(dòng)電路硬手動(dòng)電路測(cè)量值指示內(nèi)給S6S1MHA圖3.11DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖3.2.3全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例輸入電路的首要任務(wù)是求偏差e

：

V01=k(V給定－V測(cè)量)

3.2.3.1輸入電路因測(cè)量信號(hào)Vi和給定信號(hào)Vs分別通過(guò)雙臂電阻差模輸入到運(yùn)放A1的同相和反相輸入端?？闪谐鰞奢斎牍?jié)點(diǎn)的電流方程：而V+≈V-則

V01=－2（Vi－VS）

得采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)Vi、VS取用電流，使1～5V的測(cè)量信號(hào)不受衰減，（2）求偏差

Vi–VS，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。電路的特點(diǎn)（1）輸入阻抗高（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)線電阻雖不大而其壓降有時(shí)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)

Vi、VS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)，其正常輸入、輸出信號(hào)電壓范圍應(yīng)在2～19V。為使運(yùn)算信號(hào)符合要求，必須將基準(zhǔn)電壓從0V抬高到VB=10V

，即進(jìn)行電平移動(dòng)。

因?yàn)閂s=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

則顯然，IC不能正常放大。如果VB=0VB=10V時(shí)，

V+=V-=3.7～5.7V保證了IC共摸電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。V+V-而且VB=0時(shí)，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID電路IC的范圍要求。VB=10時(shí)：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V

使后面PID電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。＋－

3.2.3.2PID運(yùn)算電路由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VB=10V為基準(zhǔn)起算的。PIPD

1、PD電路分析

PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)S8打向“斷”時(shí)，構(gòu)成P電路；開關(guān)S8打向“通”時(shí)，構(gòu)成PD電路。PD傳遞函數(shù)ID得式中：

—微分時(shí)間常數(shù)ID又因

得

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V02TD/nαV01/n63%t可見，此電路的微分是實(shí)際的微分。當(dāng)S8置于“斷”時(shí)，微分被切除，A2只作比例運(yùn)算。有這時(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(wú)擾動(dòng)切換。

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，靜態(tài)V02被分壓輸入。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。則PI傳遞函數(shù)IC負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程（S3置于×10檔）：傳函為設(shè):Ti=mRICI—積分時(shí)間常數(shù)S3打向×10檔時(shí)：m=10S3打向×1檔時(shí)：m=1

階躍響應(yīng)

當(dāng)V02為階躍信號(hào)時(shí)，V03的階躍響應(yīng)為tV03（CI/CM）V02-V03t理想運(yùn)放時(shí)實(shí)際運(yùn)放時(shí)3、PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：

V01=－2（Vi－VS）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。干擾系數(shù)

PID傳遞函數(shù)

令：比例度微分增益則：（1）若TD<<KD，則上式分母實(shí)際微分項(xiàng)近似為1若TD<<TI，則

這時(shí)

成為理想的PID

（2）調(diào)節(jié)器的實(shí)際比例度為P/F，實(shí)際微分時(shí)間為TD/F，實(shí)際積分時(shí)間為FTI。說(shuō)明三個(gè)參數(shù)調(diào)整時(shí)互相干擾，造成調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度無(wú)法準(zhǔn)確。各參數(shù)的實(shí)際值與F=1時(shí)相差25%。例：當(dāng)TI

/TD

=4時(shí)，階躍響應(yīng)

整個(gè)曲線由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和有限制的微分項(xiàng)三部分組成。調(diào)節(jié)范圍：P=2～500%，TD=0.04～10分TI=0.01～2.5分(×1檔)，TI=0.1～25分(×10檔)V03t3.2.3.3輸出電路其任務(wù)是將PID電路輸出電壓VO3=1～5V變換為4～20mA的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0V。在A4后面用VT1、VT2組成復(fù)合管，進(jìn)行電流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來(lái)保證良好的恒流特性。?。篟3=R4=10KΩ，R1=R2=4R3由V+≈V-得轉(zhuǎn)換關(guān)系

則而若取

R1=4（R3+Rf）=40.25KΩ時(shí)，可以精確獲得關(guān)系：3.2.3.3手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換通過(guò)切換開關(guān)S1可以選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)“A”、軟手動(dòng)操作“M”、硬手動(dòng)操作“H”三種控制方式。A→M無(wú)沖擊1.A、M間的切換S1從A切換到M時(shí)：