第三章过程控制仪表与装置

第三章过程控制仪表与装置教学要求：掌握基本控制规律的数学表示形式掌握基本控制规律对过渡过程的影响掌握气动、电动执行器的组成和特点了解DDZ-Ⅲ控制器的组成及特性掌握工作流量特性和理想流量特性掌握执行器的选型、气开气闭方式的选择了解可编程控制器的编程方法了解可编程控制器的组成、工作过程重点：基本控制规律对过渡过程的影响理想流量特性执行器气开、气闭方式的选择难点：基本控制规律对过渡过程的影响直线流量特性分析执行器气开、气闭方式的正确选择§３.1概述一、过程控制仪表与装置的分类和特点控制仪表------控制器、执行器、运算器以及可编程控制器等。按所用能源分类：气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。按信号类型分类：模拟式和数字式两种。气动控制仪表的特点。电动控制仪表的特点。模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低模拟式仪表：基地式单元组合式组件组装式仪表数字式传输信号为断续变化的数字量。现场级数字仪表可编程调节器可编程控制器二、信号制及供电方式气动控制仪表：0.02～0.1MPa的模拟气压信号，作为仪表间的标准联络信号。电动控制仪表：0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表的统一标准联络信号，4～20mA（DC）电流信号和1～5V（DC）电压信号确定为过程控制系统中电动Ⅲ型仪表统一标准的模拟信号。电动仪表信号之间的传输方式是：进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号，电动仪表的供电方式有交流供电和直流集中供电两种形式。。§3.2基本控制规律及其对控制过程的影响一、基本控制规律概述1.控制规律概述控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。正作用控制器：输入e与输出Δy的变化方向相同；反作用控制器：输入e与输出Δy变化方向相反。本节中以正作用的控制器为例进行研究。工程实际中应用最广泛的控制规律为比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律，简称PID控制规律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成。２.控制规律的表示形式PID控制器的一般形式为：△y＝f(e)几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：比例作用（P）eKyP比例积分作用（PI）)1(0edtTeKytIP比例微分作用（PD）)(dtdeTeKyDP比例积分微分作用（PID）)1(0dtdeTedtTeKyDtIP二、PID控制规律对控制过程的影响１.比例控制规律对控制过程的影响当控制器只具有比例控制规律时，称此控制器为比例控制器。比例控制的输出与输入的关系为△y＝KPeKP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。KP越小，比例控制作用越弱。比例作用最大的特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马上与偏差成比例地变化）２．比例积分控制规律对系统控制质量的影响积分作用是指控制器的输出与输入的积分成比例的作用。数学表达式为：dteTytI01只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。积分作用的一个重要优点是能够消除余差，积分时间TI的物理意义积分时间是指在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。T３．比例微分控制规律对系统控制质量的影响理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：dtdeTyD通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。由图3.8可以看出微分时间TD对过渡过程的影响。微分时间越长，微分作用越强。4.PID控制规律PID控制规律是三种控制规律的线性组合。它吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，§3.3DDZ-Ⅲ型控制器一、PID控制器的组成原理3.3.2ＰID控制器的特性分析1.输入电路输入电路------偏差差动电平移电路。作用------产生与输入信号和给定信号差值成比例的偏差信号。（是对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号）输入信号和给定信号均为1～5V直流电压信号。2.PD电路比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。3.PI电路TIPI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的1～5V的电压信号至输出电路。4.输出电路Ⅲ型控制器的输出电路是一个具有电平移动的电压～电流转换器。它的输入和输出关系见控制器组成框图中输出电路部分，它的作用是将经过PID运算的以VB为基准的1～5VDC电压信号输出给负载，并转换成4～20mA的电流信号进行输出。5.手动操作电路在控制系统投运过程中，一般总是先手动遥控，待工况正常后，再切向自动。这个过程中应该保证控制器的输出不变，这样才能保证执行器的位置在切换的过程中不发生突变，从而不会对生产过程产生扰动，这种对生产过程不产生扰动的切换被称为无扰动切换。⑴软手操电路⑵硬手操电路6.指示电路控制器输入信号指示电路和给定信号指示电路相同，指示电路输入以零伏为基准的1～5VDC，输出以VB为基准的1～5mADC电流信号，用0%-100%刻度的双针指示电流表显示。§3.4执行器一、概述执行器组成：执行机构和控制机构。控制机构又称控制阀。执行器作用：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。根据执行机构所使用能源的不同，执行器可以分为气动、电动、液动三大类。气动执行器特点。电动执行器特点。液动执行器特点。执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性。二、气动执行器1．气动执行器的结构和原理气动执行器接受0.2×105～1.0×10５Ｐa的标准气压信号，气动执行器由气动执行机构和控制机构两个部分组成。按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。气动活塞式执行结构主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置，工业上薄膜式应用最多。气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。气动执行机构按推杆位移的方向有：正作用形式：如果当输入气压信号增加时，推杆向下移动反作用形式：当输入气压信号增加时，推杆向上移动控制机构直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式。2．控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：)(maxLlfQQ从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。⑴理想流量特性当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性，理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。①直线流量特性控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时，流量相对变化量小。②对数（等百分比）流量特性阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。③抛物线流量特性相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。④快开流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大。⑵工作流量特性实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。3.控制阀的选择控制阀的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。①控制阀结构与特性的选择控制阀的结构形式主要根据工艺条件来进行选择，如考虑介质的物理和化学性质，以及温度压力等条件。控制阀的结构形式确定后，接下来需要确定其流量特性。控制阀流量特性的选择一般分两步进行。首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。②控制阀作用方式的选择有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。③控制阀口径的选择§3.5可编程序控制器一、概述可编程序控制器是一种以微处理器为核心的新一代工业自动化控制装置，简称PLC。PLC的基本功能⑴逻辑控制功能逻辑控制是PLC最基本的应用。它可以取代传统继电器控制装置，也可取代顺序控制和程序控制。逻辑控制功能实际上就是位处理功能。在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的变更和修改也十分的方便。⑵闭环控制功能PLC具有D/A、A/D转换、算术运算以及PID运算等功能，可以方便地完成对模拟量的处理。⑶定时控制功能PLC中有许多可供用户使用的定时器，定时器的设定值可以在编程时设定，也可在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。⑷计数控制功能这是PLC最基本的功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器的设定值可以在编程时设定，也可在运行过程中根据需要进行修改，PLC据此可完成对某个工作过程的计数控制。⑸数据处理功能PLC可以实现算术运算、数据比较、数据传送、移位、数据转换、译码、编码等操作，有的还可实现对开方、PID运算、浮点运算等操作。除此之外，PLC还有步进控制功能、通讯联网功能、监控功能以及停电记录功能和故障诊断功能等，二、PLC的基本组成和工作过程１．PLC的硬件组成PLC采用典型的计算机结构，主要由中央处理器、存储器、输入/输出模块、功能模块、电源、编程器等几个部分组成，如图3.40所示。中央处理单元编程器外部设备存储器输入模块输出模块电源用户输入设备用户输出设备２．PLC的软件系统⑴系统程序系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，固化在ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。系统程序分为系统监控程序和解释程序。系统监控程序用于监视并控制PLC的工作，解释程序用于把用户的程序解释成微处理器能够执行的程序。⑵用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。为便于程序修改，一般在用户程序编制和调试以及试运行阶段选用电池支持式ＲＡＭ型用户程序存储器好；而在程序定型后，宜选用EEPROM型用户程序存储器，这样既能对程序进行少量调整，又避免了更换电池，可长期使用。３．编程语言各种型号的PLC都有自己的编程语言。通常使用的有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图以及高级编程语言等。⑴梯形图。梯形图语言是类似于继电器控制线路图的一种编程语言。⑵语句表。这是一种与汇编语言类似的助记符编程语言。其表达方