生物工程自动化控制第五章自动控制仪表

第五章自动控制仪表内容提要概述基本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制比例控制积分控制微分控制模拟式控制器基本构成原理及部件DDZ-Ⅱ型电动控制器1数字式控制器数字式控制器的主要特点数字是控制器的基本构成KMM型可编程序调节器可编程序控制器概论可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的编程语言OMRONC系列PLC应用实例2第一节概论3自动控制仪表在自动控制系统中的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器。控制仪表经历三个发展阶段基地式控制仪表单元组合式仪表中的控制单元以微处理器为基元的控制装置第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响4控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。xzfefp即经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。在研究控制器的控制规律时控制器的基本控制规律位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）。5一、双位控制00,)0(0,minmaxeepeepp6理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图5-1理想双位控制特性图5-2双位控制示例双位控制规律即：控制器只有两个输出值，执行器也相应有开或关两个极限工作位置。双位控制又称继电接触控制。实际上的双位控制器由于结构上的原因和仪表不灵敏的存在，不能在被控参数达到给定值时立即引起输出变化，只能当偏差达一定数值时控制器才发生变化。即实际特性曲线有一个中间区。7将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。图5-3实际的双位控制特性图5-4具有中间区的双位控制过程双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标,在设计双位控制系统时，一般希望振幅小而周期长。结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单，容易实现控制。适用于单容量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、工艺允许被控参数在一定范围内波动和要求不高的场合。8二、比例控制9在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。图5-5简单的比例控制系统示意图如左图，根据相似三角形原理ebapepba或,对于具有比例控制的控制器eKpP比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。（5-4）10%100/minmaxminmaxpppxxe11比例度是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。图5-6比例度示意图（5-5）12举例DDZ-Ⅱ型比例作用控制，温度刻度范围为400～800℃，控制器输出工作范围是0～10mA。当指示指针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值为%50%10001049/400800600700说明对于这台控制器，温度变化全量程的50％（相当于200℃），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。13将式（5-4）的关系代入式（5-5），经整理后可得%1001minmaxminmaxxxppKP比例度δ与放大倍数KP成反比。控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。结论Kp越大,比例控制越强.但工业生产上所用比例控制器常采用比例度代替比例放大倍数，表示比例调节作用的强弱。比例度的物理意义是：要使控制器输出变化全量程时，其输入偏差变化量占满量程的百分数，即为比例度。比例度与比例放大倍数互为倒数。所以，控制器的比例度越小，其放大倍数越大，比例控制作用也就越强，而比例度越大，则比倍放大倍数越小，比例控制作用越弱。比例控制系统的控制结果会产生余差，这是比例控制器的固有控制特性所决定的。余差的产生也可以从比例控制的特性来说明。为了减少余差，可以增大比例放大倍数，也就是减小了比例度。但这会使系统的稳定性变差。一般地，适当地增大比例放大系数，即减小比例度，使比例控制作用增强。此时，最大的偏差减小，余差减小，工作频率提高，周期缩短，系统的振荡加剧，稳定性下降。工业上常见系统的比例度选取范围为：压力系统：30-70%流量系统：40-100%物位系统：20-80%温度系统：20-60%比例控制是一种最基本的控制规律。其特点是动态反应快，控制及时，只要有偏差输入，输出立刻产生一个与输入成比例的输出变化信号。其缺点是控制结果有余差。14左下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡过程。图5-7比例控制系统过渡过程在t=t0时，系统外加一个干扰作用液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线图5-8比例度对过渡过程的影响优点：反应快，控制及时缺点：存在余差若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。结论15三、积分控制16当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。edtKpI积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即AtKAdtKpII图5-9积分控制器特性当输入偏差是常数A时当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。结论edtTeKpedtKeKpIPIP117把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。图5-10比例积分控制器特性图5-11积分时间对过渡过程的影响比例积分控制规律可用下式表示AtTKAKpPP1或若偏差是幅值为A的阶跃干扰积分时间T大小表示曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢，积分时间T是表征积分控制作用强弱的一个重要参数。当积分时间T越小（K越大）时，直线上升越快，积分控制作用越强。反之，T越大（K越小），直线上升越慢，积分作用越弱。工业上常见控制系统的积分时间范畴为：压力控制系统T1=0.3-1min流量控制系统T1=0.3-1min温度控制系统T1=3-10min比例积分控制器的主要优点是能消除余差。但当对象滞后很大，负荷变化剧烈时，控制不能及时，控制时间较长。故此种控制适合于控制对象负荷变化不大，过程较缓慢，惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许的余差的场所。比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。18四、微分控制dtdeTpD19在自动控制时，控制器具有微分控制规律图5-12理想微分控制器特性优点具有超前控制功能。缺点它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。微分时间TD是表征微分控制作用强弱的一个重要参数。当微分时间TD增大时，微分曲线下降慢，微分作用增强；反之，TD减小，微分曲线下降快，微分作用减弱，当TD=0时，无微分作用，比例微分控制器变为纯比例控制器。微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，具有抑制振荡作用。微分控制器的优点是：超前控制、抑制变化、稳定系统的作用，但不能消除余差。dtdeTeKpDPdtdeTedtTeKpDIP120比例微分控制规律图5-13比例微分控制器特性比例积分控制规律图5-14微分时间对过渡过程的影响图5-15三作用控制器特性在PID控制过程中，比例作用自始至终与偏差相对应起调节作用；微分作用在开始输出变化量大，具有超前控制，抑制振荡作用，后逐渐消失；积分作用在开始变化弱，到后来输出逐渐增大而占主导地位，具有滞后控制，直至消除余差为止。PID控制器综合了各种控制规律的优点，取长补短，只要合理选择δ、TI、TD三参数，就能获得较高的控制质量。第三节模拟式控制器一、基本构成原理及部件21在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。图5-16控制器基本构成1.比较环节作用将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。2.放大器是一个稳态增益很大的比例环节。3.反馈环节作用通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。二、DDZ-Ⅲ型电动控制器221.DDZ-Ⅲ型仪表的特点（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号,现场传输出信号为4-20mADC，控制室联络信号为1-5VDC，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。优点电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。只要改变转换电阻阻值，控制室仪表便可接收其他1:5的电流信号。因为最小信号电流不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。现场变送器与控制室仪表仅用两根导线联系（图5-37），既节省了电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。23（2）广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少优点由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。（3）Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源。优点各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。2425（4）结构合理，比之Ⅱ型有许多先进之处。表现在基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器两个品种，指示表头为100mm刻度纵形大表头，指示醒目，便于监视操作。自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行，并有硬手动和软手动两种方式。面板上设有手动操作插孔，可和便携式手动操作器配合使用。结构形式适于单独安装和高密度安装。有内给定和外给定两种给定方式，并设有外给定指示灯，能与计算机配套使用，可组成SPC系统实现计算机监督控制，也可组成DDC控制的备用系统。（5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。26272.DDZ-Ⅲ型电动控制器的组成与操作图5-17DDZ-Ⅲ型控制器结构方框图主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。28图5-18DTL-3110型调节器正面图1—自动-软手动-硬手动切换开关；2—双针垂直指示器；3—内给定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输入检测插孔；12—手动输出插孔第四节数字式控制器29数字式控制器与模拟式控制器的异同点：数字式控制器模拟式控制器构成原理数字技术模拟技术所用器件以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点相同点仪表总的功能和输入输出关系