第3章-过程控制仪表(上)-过程控制与自动化仪表-潘永湘

第3章过程控制仪表(上)本章要点1）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及其响应特性；2）熟悉DDZ-Ⅲ型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点；3）了解智能调节器的硬件和软件构成；4）掌握SLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理；5）熟悉SLPC可编程控制器的模块指令及编程方法；6）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器的应用特点；7）了解电/气转换器与阀门定位器的工作原理8）熟悉智能式电动执行器的功能特点；9）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。3.1过程控制仪表概述过程仪表的定义及作用1调节器的功能（1）偏差显示调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。（2）输出显示调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。（3）内、外给定的选择当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。（4）正、反作用的选择工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。（5）手动切换操作在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。（6）其它功能如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能2执行器的作用执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。3安全栅安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。3.2DDZ-Ⅲ型模拟式调节器DDZ仪表的发展简史3.2.1比例积分微分调节规律理想PID的增量式数学表达式：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分；cK为调节器的比例增益，IT为积分时间（以s或min为单位），DT为微分时间（也以s或min为单位）。1比例调节规律比例控制数学表达式：()()cutKet)(tu为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。纯比例调节器的阶跃响应特性浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。epba=ebapCyKe如果e=0，则活塞无法提高，Q1无法加大，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程∆Q2htep∆Q1tttt原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。t=0时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。比例控制的特点控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零u=KCe即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。maxminmaxmineu(/)100%eeuu式中e为输入偏差；u为控制器输出的变化量；（emax-emin）为输入的最大变化量,及输入量程；（umax–umin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度:Ce1100%100%uKmaxminmaxmineu(/)100%eeuuueeremaxeminuminumax比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。比例带δ的物理意义：使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。如δ=50%表明：控制器输入偏差变化50%，就可使控制器输出变化100%，若输入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比例关系。uuur0100%50%umaxuminδ=50%δ=100%例某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号范围是4～20mA。当指示指针从600℃变到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。700600168800400204/100%解maxmaxeueu/100%50%答温度的偏差在输入量程的50％区间内（即200℃）时，e和u是2倍的关系。u/mAe/℃e420800400δ=50%2比例积分控制（PI）当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。（1）积分控制（I）输出变化量u(t)与输入偏差e的积分成正比01u(t)tIedtT当e是幅值为E的阶跃时01Eu(t)etIIdttTTTI—积分时间eEttu积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEttu若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。（2）比例积分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例积分调节器的阶跃响应特性称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。IK3比例微分控制（PD）对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。u(t)DdeTdt式中：TD—微分时间dtde—偏差变化速度理想微分（1）微分控制（D）eEttu微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。微分控制的特点eEttu（2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(DK称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。4比例积分微分控制（PID）sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。3.2.2DDZ-Ⅲ型基型调节器模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了Ⅰ型（用电子管）、Ⅱ型（用晶体管）和Ⅲ型（用集成电路）。PID调节器的阶跃响应特性1DDZ-Ⅲ型仪表的特点及外形特点：测量信号：1～5V.DC；外给定信号：4～20mA.DC；内给定信号：1～5V.DC；测量与给定信号的指示精度：±1％；输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％；输出保持特性：－0.1％（每小时）；输出信号：4～20mA.DC；调节精度：±0.5％；负载电阻：250～750Ω。1-双针垂直指示器2-外给定指示灯3-内给定设定轮4-自动—软手动—硬手动切换开关5-硬手动操作杆6-输出指示器7-软手动操作板键DDZ-Ⅲ基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。全刻度指示调节器的构成框图2全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的线路实例输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号Vi和给定信号Vs之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。求偏差e：V01=k(Vs－Vi)1输入电路因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。可列出两输入节点的电流方程：RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而VT≈VF则V01=－2（Vi－VS）采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，（2）求偏差Vi–VS，进行偏差运算。（3）将偏差放大为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。电路的特点（1）输入阻抗高2、PD电路分析PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成P电路；开关S8打向“通”时，构成PD电路。PD传递函数ID得DDTRsInsVsV)()()(01)(111)(1)(0101sVsCRsCnnsCRsVnnsIDDDDDD)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDT式中：n=KDDDdCnRT—微分时间常数ID又因得)(1)(02sVasVF)(11)(0102sVsCRsCnRnasVDDDD阶跃响应n0201V()[1(1)]V()DtTtnetn当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为V02TD/nαV01/n63%t可见，此电路的微分是实际的微分。当S8置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。3、PI电路分析它接收以10V为基准的PD电路的输出信号V02，进行PI运算后，输出以10V为基准的1~5V电压V03，送至输出电路。该电路由A3、R1、C1、CM等组成。S3为积分档切换开关，S1、S2为自动、软手动、硬手动联动切换开关，该电路除了实现PI运算外，手动操作信号也从该级输入。A3的输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。由于电容CM积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。PI传递函数S1置于“自动”位置、S3分别置于“×1”、“×10”档时的简化电路：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：0/1)()()(/)(/1)()(030202sCsVsVRsVmsVsCsVsVMFIFIFS3打向×10档时：m=10S3打向×1档时：m=1)()(03sKVsVFsCKRCCKsCmRCCsVsVMIMIIIMI1]1[11]11[)()(0203sTKsTCCsCKRsCmRCCsVsVIIIMIMIIIMI11111111)()(0203PID运算电路由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。PIPD4输出电路其任务是将PID电路输出电压VO3=1～5V变换为4～2