過程控制第3章 控制儀表

過程控制第三章過程控制儀表

控制儀表概述

控制儀表包括:調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器調(diào)節(jié)器氣動(dòng)執(zhí)行器控制儀表模擬表數(shù)字表基地式儀表DDZ儀表智能調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器組件組裝儀表執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)控制儀表

(QDZ)：特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價(jià)格便宜，并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適用于石油、化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。能源（140KPa壓縮空氣）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（20～100KPa氣源壓力）電動(dòng)控制儀表：特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的遠(yuǎn)距離傳送，能源簡(jiǎn)單、便于和計(jì)算機(jī)配合的特點(diǎn)。由于采取安全火花防爆措施解決了防爆問題，電動(dòng)儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)所，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：0～10mA（DC）電流信號(hào)作為電動(dòng)Ⅱ型儀表

4～20mA（DC）電流信號(hào)電動(dòng)Ⅲ型儀表供電:24V（DC）

1～5V（DC）電壓信號(hào)電動(dòng)Ⅲ型儀表傳輸方式：進(jìn)出控制室的傳輸信號(hào)采用電流信號(hào)，控制室內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用電壓信號(hào)

單元組合式儀表(DDZ)12345667儀表按功能劃分→獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)單元→組合（標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）可編程調(diào)節(jié)器：具有比傳統(tǒng)模擬儀表更為豐富的運(yùn)算和控制功能，它可以提供多種軟件功能模塊運(yùn)算處理，由用戶根據(jù)生產(chǎn)控制的要求通過組態(tài)完成各種和復(fù)雜控制。廣義對(duì)象回憶：控制器作用

被控對(duì)象

測(cè)量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動(dòng)3.1調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律

＋－控制器作用：給出輸出控制信號(hào)，以消除被控變量與給定值之間的偏差?？刂菩Ч暮脡暮艽蟪潭壬蠜Q定于控制器的性能，也即控制規(guī)律的選擇。調(diào)節(jié)規(guī)律:指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。y(t)——被控變量的測(cè)量值r(t)——被控變量的給定值

調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)：相對(duì)于調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)e的輸出的變化量Δu。e(t)=y(t)－r(t)偏差：分析方法：輸入e(t)給一個(gè)階躍信號(hào)，分析輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律一、比例調(diào)節(jié)

(P)式中e-為調(diào)節(jié)器的輸入;△u-為調(diào)節(jié)器的輸出;KP為比例增益，表征比例控制作用的強(qiáng)弱程度。KP越大：控制作用越強(qiáng)

比例調(diào)節(jié)規(guī)律:調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)變化量與偏差信號(hào)成比例et

△u

KPe

t一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。

比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：控制作用及時(shí)迅速，余差不可避免，因此亦稱有差調(diào)節(jié)。

但是，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一般都習(xí)慣于用比例度來表示比例作用的強(qiáng)弱比例度的定義：輸入信號(hào)的相對(duì)變化量占輸出信號(hào)的相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)。

其中：C——儀表常數(shù)，當(dāng)輸入輸出是統(tǒng)一信號(hào)時(shí)，儀表常數(shù)C＝1，

KP越大

越小控制作用越？。

xmax－xmin：控制器輸入的變化范圍，即測(cè)量?jī)x表的量程μmax－μmin：控制器輸出的變化范圍答：越強(qiáng)比例度對(duì)控制過程的影響比例度的選擇原則:

若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較?。ㄏ到y(tǒng)易穩(wěn)定）時(shí)，比例度選大一點(diǎn)還是小一點(diǎn)？比例度愈大，過渡過程曲線震蕩愈小，余差愈大；比例度愈小，過渡過程曲線震蕩激烈，可能不穩(wěn)定。反之，若系統(tǒng)不易穩(wěn)定，就要選擇大的比例度來保證穩(wěn)定。答：選擇小的比例度來提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過渡過程曲線的形狀較好。二、比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)

PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因?yàn)镻ID三作用控制器需要整定比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)變量，而在實(shí)際工程上是很難將這三個(gè)變量都整定到最佳值。常見對(duì)象特點(diǎn)及其常用調(diào)節(jié)器類型:液位——滯后不大，一般控制要求不高，常用P或PI調(diào)節(jié)器；流量——滯后很小，響應(yīng)快，測(cè)量信號(hào)有脈動(dòng)信號(hào)，常用PI調(diào)節(jié)器（一般不能加D）；壓力——液體介質(zhì)：滯后小，氣體介質(zhì)：滯后適中，常用P或PI調(diào)節(jié)器，有時(shí)可用位式控制；溫度——滯后較大，響應(yīng)較慢，常用PID調(diào)節(jié)器。

思考題與習(xí)題(P135)3－6某比例積分控制器輸入、輸出范圍均為4～20mA，若將比例度設(shè)為100％，積分時(shí)間設(shè)為2min，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出調(diào)為5mA，某時(shí)刻，輸入階躍增加0.2mA。試問經(jīng)過5min后，輸出將由5mA變化到多少？解：∴變化到的值＝5＋0.7＝5.7mA已知：得：3.2DDZ-III調(diào)節(jié)器12345667DDZ－III型調(diào)節(jié)器正面圖1－位號(hào)牌2－內(nèi)外給定指示3－內(nèi)給定設(shè)定撥盤4-A/M/H切換5－閥位表6－軟手動(dòng)操作扳鍵7－雙針全刻度指示表功能：①偏差顯示②輸出顯示（也稱作閥位表）有兩個(gè)基型品種：全刻度指示控制器和偏差指示控制器。⑥Kp/Ti/Td的設(shè)置投入運(yùn)行：先手動(dòng)操作→系統(tǒng)穩(wěn)定后切換到自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)不正常或自動(dòng)部分失靈：切換到手動(dòng)操作。手動(dòng)操作可以調(diào)整手操撥盤或者手操扳鍵來改變調(diào)節(jié)器的輸出無(wú)擾動(dòng)切換:手/自動(dòng)切換時(shí)都希望不給控制系統(tǒng)帶來擾動(dòng)，即調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不發(fā)生突變⑤手動(dòng)操作與手/自動(dòng)雙向切換（要求：無(wú)擾動(dòng)切換）④正、反作用的選擇（通過正、反作用開關(guān)來選擇）③提供內(nèi)給定信號(hào)及內(nèi)、外給定的選擇：給定信號(hào)可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由其它儀表外部提供DDZ－II型儀表（包括調(diào)節(jié)器）

DDZ一III型儀表（包括調(diào)節(jié)器）

III型儀表優(yōu)點(diǎn)

電

源

220VAC24VDC集中供電

儀表內(nèi)部沒有變壓器，不發(fā)熱，為實(shí)現(xiàn)更好的防爆措施提供條件。

防

爆

隔離防爆

本安型防爆（安全火花型）

故障狀態(tài)：電流小于35mA，電壓小于35VDC，可帶電維修。

輸出信號(hào)

0~10mA4~20mA①電氣零點(diǎn)從4mA開始，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。②只要改變轉(zhuǎn)換電阻阻值，便可接收其他電流信號(hào)，例如將10～50mA等直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為l～5V信號(hào)。③因?yàn)樽钚≥斎胄盘?hào)不為零，為現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào)

0~10mA4~20mA1~5V元器件

分離元件（電阻、電容、晶體管……）

集成電路（運(yùn)放電路……）

①由于集成運(yùn)放均為差分放大器，且輸人對(duì)稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高。②由于集成運(yùn)放有高增益，因而開環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到提高。③由于采用了集成電路，焊點(diǎn)少，強(qiáng)度高，大大提高了儀表的可靠性。

指示表頭

單針偏差指示（0~±30%）

有雙針全刻度大表頭指示（0~100%）

分別指示測(cè)量值（紅針）、給定值（黑針）手動(dòng)方式

硬手動(dòng)

硬手動(dòng)、軟手動(dòng)

通常都是用軟手動(dòng)操作板鍵進(jìn)行手動(dòng)操作，這樣控制平穩(wěn)精細(xì)，只有當(dāng)需要給出恒定不變的操作信號(hào)（例如，閥的開度要求長(zhǎng)時(shí)間不變）或者在緊急時(shí)要一下子就控制到安全開度等情況下，才使用硬手動(dòng)操作。

手自動(dòng)切換

無(wú)平衡、無(wú)擾動(dòng)

DDZ-Ⅲ型PID調(diào)節(jié)器組成框圖四種工作狀態(tài)：①自動(dòng)②軟手動(dòng)：輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成積分關(guān)系。③硬手動(dòng)：輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成比例關(guān)系。（使輸出迅速改變到需要的數(shù)值）④保持：調(diào)節(jié)器的輸出處于保持前一時(shí)刻狀態(tài)。

基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性

模擬控制器都是由各種放大器和由電阻、電容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成.電阻RI＋U－RC電容Cq為電容中的電荷量IC＋UC

－DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器的整機(jī)電路主要作用:

①對(duì)輸入信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行綜合比較，獲得偏差信號(hào)并進(jìn)行放大(圖中以零伏（地）為基準(zhǔn)的測(cè)量信號(hào)Vi和給定信號(hào)VS，反相地加到運(yùn)算放大器IC1的兩個(gè)輸入端)。VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT②實(shí)現(xiàn)電平的移動(dòng)，把以零伏為基準(zhǔn)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成以VB=10V參考電壓為基準(zhǔn)的輸出電壓VO1。1、DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器輸入電路(偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路)反相端：對(duì)于理想運(yùn)放,VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT同相端：設(shè)為理想運(yùn)放，Ri→∞

，開環(huán)增益A→∞,有IC1

輸入電路作用：將比例積分電路輸出的以UB為基準(zhǔn)的1~5VDC電壓信號(hào)U03轉(zhuǎn)換為流過負(fù)載RL（一端接地）的4~20mADC輸出電流I0

由于反饋支路中的電流If和晶體管基極電流IB都比較小，可忽略已知：Rf=62.5?，當(dāng)V03=1~5V時(shí)，輸出電流I0=4~20mA。問：負(fù)載電阻RL能不能取1.5K？′40K2、輸出電路3、手動(dòng)操作電路手動(dòng)操作電路原理圖

硬手操的操作旋鈕（硬手動(dòng)操作桿）手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式

軟手操當(dāng)S41按下時(shí)：－＋CMUBU03－VRRM1RM2RM1RM2＋VRS41S42S43S44當(dāng)S42按下時(shí)：當(dāng)S43按下時(shí)：當(dāng)S44按下時(shí)：快速上升慢速上升快速下降慢速下降軟手操電路:如果S41～S44都不按下的時(shí)候，如右圖：在實(shí)際電路中：CM＝10μF，RM1＝30kΩ，RM2＝470kΩ如果使U03的輸出在1～5V全量程范圍內(nèi)變化，則：在快速手操狀態(tài)下，需要6秒在慢速手操狀態(tài)下，需要100秒

電容CM上沒有電流，CM上的電壓保持不變，即U03不變說明該手操電路有很好的保持性。（輸出保持：－0.1％/小時(shí)）－＋CMUBU03因?yàn)?/p>

RF=RH=30kΩ所以

U03=－UH－＋CMUBU03RHRFWHUH

硬手操電路

慣性時(shí)間常數(shù)很?。═=RFCM=0.3s），只需很短時(shí)間(<1s)就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。4、無(wú)擾動(dòng)切換（切換前后調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)不發(fā)生突變）三種控制方式：自動(dòng)”A”,

軟手動(dòng)”M”：積分輸出硬手動(dòng)”H”：比例輸出下面聯(lián)動(dòng)的S1作用：使積分電容C1的右端電壓恒等于VB，以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。先平衡再切換方法：切換前，先調(diào)整硬手動(dòng)操作桿，使操作桿的位置與調(diào)節(jié)器輸出指示位置對(duì)齊。然