仪表与自动化(何道清)(二版) 第5章 自动控制仪表

第5章自动控制仪表5.1概述自动控制仪表（控制器或调节器）控制器的作用：自动控制仪表将被控变量的测量值与给定值比较，产生一定的偏差，控制器根据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，以实现对被控变量的自动控制。控制仪表的分类：基地式控制仪表，将检测、控制和显示装置组装在一起，同时具有检测、控制和显示功能，一般作为现场就地使用；单元组合式仪表中的控制单元，偏差控制作用信号，又分气动控制和电动控制两类；以微处理器为基元的控制装置，DCS，PLC，单回路数字控制，微计算机系统等。5.1概述控制仪表的功能：偏差显示；输出显示;提供内给定信号及内、外给定选择；正、反作用的选择；手动操作与手动/自动双向切换。5.2控制规律及其特点1．控制器的控制规律：控制器的输出信号与输入信号之间的关系，即p=f(e)=f(z-x)控制器的基本控制规律有：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)；组合控制规律有：比例积分控制(PI)，比例微分控制(PD)，比例积分微分控制(PID)。5.2控制规律及其特点2．基本控制规律:(1)双位控制00,00,minmaxeepeepp图5-1理想双位控制特性图5-2双位控制示例5.2控制规律及其特点实际的双位控制器的控制规律如图5-3所示，是具有中间区的双位控制器，其双位控制过程如图5-4所示图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5.2控制规律及其特点(2)比例控制（P）简单的比例控制系统实例如图5-3所示。液位的升降，通过杠杆改变进口阀门的开度，控制液位的变化。（5-3）在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例控制规律。图5-5简单的比例控制系统示意图pebakeeabp5.2控制规律及其特点比例控制规律：（5-4）式中，KP—可调的放大倍数（比例增益）。当偏差产生阶跃变化，即e=A时，比例控制特点：比例控制根据“偏差的大小”来动作；有差控制；响应快，控制及时。可调参数：(KP).eKpPAKpP5.2控制规律及其特点比例度就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，用式子表示为：（5-5）式中，e—输入变化量；p—相应的输出变化量；xmaxxmin—输入的最大变化量，即仪表的量程；pmaxpmin—输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。%100minmaxminmaxpppxxe5.2控制规律及其特点比例度的具体意义比例度又是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。图5-6比例度示意图%1001%1001minmaxminmaxPPKxxppK(单元组合仪表)5.2控制规律及其特点液位比例控制系统的过渡过程如图5-7所示。图5-7比例控制系统过渡过程5.2控制规律及其特点比例度对控制过程的影响如图5-8所示。比例控制用比例度来表示控制作用的强弱，越小，控制作用越强图5-8比例度对渡过程的影响5.2控制规律及其特点（３）积分控制（I）控制规律:（5-7）当偏差e=A时，，响应特性如图5-3所示。式中，KI—积分速度；TI=1/KI—积分时间。积分控制特点：积分控制根据“偏差是否存在”来动作；无差控制；控制动作缓慢，控制不及时。可调参数:TI图5-9积分控制器特性AtTpI1edtTedtKpII15.2控制规律及其特点图5-11积分时间对过渡过程的影响积分时间TI对过渡过程的影响如图5-11所示。TI越小，积分作用越强5.2控制规律及其特点（４）微分控制（D）控制规律：(5-12)式中，TD—微分时间。阶跃响应特性如图5-12所示。微分控制特点：微分控制根据“偏差变化速度”来动作；超前控制；控制结果不能消除偏差。单独的微分控制很少用。dtdeTpD图5-12理想微分控制器特性5.2控制规律及其特点微分时间TD对过渡过程的影响如图5-15所示。图5-15微分时间对过渡过程的影响TD越大，微分作用越强。5.2控制规律及其特点3.组合控制：（１）比例积分控制（PI），，当e=A时,；响应特性如图5-10所示。当t=TI时，输出为2KPA。应用这个关系，可以实测KP及TI，对控制器输入一个幅值为A的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并启动秒表计时，当输出达到跃变值的两倍时，此时间就是TI，跃变值KPA除以阶跃输入幅值A就是KP。edtTeKpIP1图5-10比例积分控制器特性AtTKAKpPP15.2控制规律及其特点（２）比例微分控制（PD）(5-13)响应特性如图5-13所示。dtdeTeKpDP图5-13比例微分控制的阶跃响应特性5.2控制规律及其特点实际比例微分控制规律(5-13)式中，KD为微分增益（微分放大倍数）。若将KD取得较大，可近似认为是理想比例微分控制。在幅度为A的阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出为(5-14)式中，T=TD/KD。响应特性如图5-13所示。实际比例微分控制微分时间测定如图5-14所示。dtdeTeKpdtpdKTDpDDTtDppeKAKAKp)1(5.2控制规律及其特点实际比例微分控制特性图5-13阶跃偏差作用下实际图5-14实际比例微分控制器比例微分开环输出特性微分时间测定5.2控制规律及其特点（３）比例积分微控制（PID）(5-15)在e=A的阶跃偏差信号作用下，实际PID控制可视为比例、积分和微分三种作用的叠加，即（5-16）其开环特性如图5-16所示。这种控制器的特点：既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。dtdeTedtTeKpDIP1DDTtKDIpeKATAtAKp)1(5.2控制规律及其特点比例积分微分控制器输出特性图5-16PID控制器特性5.3模拟式控制器模拟式控制器主要分气动控制器与电动控制器两类。1.模拟式控制器的基本结构模拟式控制器基本上是由比较环节、反馈环节和放大器三大部分组成，见图5-17。控制器的比例、积分、微分等控制规律主要是通过反馈环节的正、负反馈作用来实现的。图5-17控制器基本构成5.3模拟式控制器2.气动控制器气动单元组合仪表QDZ中的控制单元便为气动控制器，它的输入输出信号均采用20~100kPa的标准气压信号。目前使用的气动控制器，其工作原理主要有力平衡和力矩平衡两种。例如QDZ-Ⅰ型中的膜片式比例积分控制器QTL-500型和膜片式微分器QTW-200型，其工作原理都是属于力平衡式的。QDZ-Ⅱ中的波纹管式三作用（既PID）控制器QTM-23型，其工作原理是基于力矩平衡式的。气动控制器虽然结构简单、价格便宜，但由于它信号传送慢、滞后大，不易与计算机联用，故近年来使用较少。5.3模拟式控制器3.DDZ-Ⅱ电动控制器（1）DDZ-Ⅱ型仪表的特点：采用晶体管等分立元件构成，线路较复杂；信号制式采用0~10mA直流电流作为现场传输信号；0~2V直流电压作为控制室内联络信号；采用220V交流电压作为供电电源；5.3模拟式控制器现场变送器的供电电源和输出信号分别各用两根导线，因此为四线制，见图5-18。由图5-18还可以看出，DDZ-Ⅱ型仪表的信号传输采用电流传送-电流接收的串联制方式，控制室内接收同信号的各仪表串联在电流信号回路中，图中四个仪表分别用负载电阻RL1、RL2、RL3、RL4来表示。图5-18DDZ-Ⅱ型仪表的信号传输示意图5.3模拟式控制器（2）DTL-121调节器的基本组成图5-19DTL-121型调节器方框图DTL-121型调节器的PID运算靠阻容反馈电路实现。5.3模拟式控制器（3）比例积分微分运算电路比例积分微分运算(PID运算)电路电路PID输出特性曲线如下图所示。DDZ-Ⅱ型控制器PID反馈电路PID调节器输出动态特性)1(odtdITdtITIKIiDiIiP5.3模拟式控制器（4）DTL-121型调节器的操作DTL-121型调节器面板如图5-29所示。调节器的比例度为1%~200%，积分时间为6秒~10分，微分时间为3秒~25分。图5-20DTL-121型调节器面板1-手动-自动切换开关；2-指示灯3-指示表；4-偏差指针；5-内给定拨盘6-手操拨盘；7-输出指示表；8-拉手5.3模拟式控制器4．DDZ-Ⅲ型电动调节器（1）DDZ-Ⅲ型仪表的特点二线制信号传输方式，现场传输信号为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250。其优点：电气“活零点”容易识别断电、断线等故障；改变转换电阻阻值，可实现多种I/V转换；图5-21DDZ-Ⅲ型仪表信号传输示意图5.3模拟式控制器采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少;Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池为备用电源；其优点：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；结构更合理；整套仪表可构成安全火花型防爆系统。5.3模拟式控制器（2）DDZ—Ⅲ型电动调节器结构和工作原理图5-22基型调节器原理方框图5.3模拟式控制器（3）比例积分微分运算电路输入回路R1=R2=R3=R4=R5=R=500k，R7=R8=5k。输出信号：Uo1=2(UiUs)图5-23输入电路5.3模拟式控制器比例微分（PD）电路CD为微分电容，RD为微分电阻，RP为比例电阻。图5-24比例微分电路5.3模拟式控制器当输入信号Uo1为一阶跃作用时，输出信号Uo2图5-24比例微分电路5.3模拟式控制器5.3模拟式控制器比例积分(P1)电路CM为积分电容，RI为积分电阻，CI为比例电容。CM与CI完成比例运算，输出信号CM与RI完成积分运算，输出信号PI电路输出信号图5-26比例积分电路原理图dtUCmRUCCUoMIoMIo22312P3oMIoUCCUdtUCmRUoMIo2I315.3模拟式控制器手动操作电路K1、K2置于软手动操作位置。软手动输出K4改变UR的正负和RM的大小。图5-27比例积分电路原理图tCRUUMMRo35.3模拟式控制器手动操作简化电路K1、K2置于硬手动操作位置。硬手动输出Uo3=UH图5-28硬手动操作简化电路图5.3模拟式控制器手动-自动切换时的扰动自动软手动切换K4尚未扳至UR时，A3的反相输入端浮空，这时UF=UT=UR。电容CM上的电压即为输出电压。由于CM上的电荷无放电回路，输出Uo3能保持不变。软手动自动切换软手动位置，电容CI两端电压恒等于信号Uo2，当由软手动切至自动时，因UF=UB，电容CI与F点相连的一端也是UB，故在接通瞬间，电容没有充放电现象，所以输出Uo3亦不变。硬手动软手动切换或硬手动自动切换，也无扰动自动硬手动切换或软手动硬手动切换要做到无扰动切换，必须事先平衡，将硬手动拨杆调到与输出表指示相同。因为电位器是手动控制的，不能自动跟踪信号变化。5.3模拟式控制器（4）调节器的操作使用图5-29DTL-3100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5.4数字式控制器1.数字式控制器的主要特点①实现了模拟仪表与计算机一体化；②运算控制功能强；③通过软件实现所需功能；④具有和模拟调节