过程控制

1. 过程控制 第三章 控制仪表

2. 3-0 控制仪表概述 • 控制仪表包括:调节器和执行器 气动执行器 执行器 电动执行器 基地式仪表 控制仪表 模拟表 DDZ仪表 组件组装仪表 调节器 智能调节器 数字表 可编程调节器

3. 3-0 控制仪表概述 • 气动控制仪表的特点(QDZ) ： 结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。

4. 3-0 控制仪表概述 • 电动控制仪表的特点： 电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。

5. 1 2 3 4 5 6 7 6 3-0 控制仪表概述 • 单元组合式仪表(DDZ) 按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；

6. 3-0 控制仪表概述 • 可编程调节器： 具有比传统模拟仪表更为丰富的运算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制，具有很大的应用灵活性，但其软件系统比较复杂。

7. 3-0 控制仪表概述 • 信号制及供电方式 信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间 采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。 气动控制仪表：0.02～0.1MPa气源压力: 0.14MPa 电动控制仪表，0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表 4～20mA（DC）电流信号 电动Ⅲ型仪表 供电: 24V（DC） 1～5V（DC）电压信号 电动Ⅲ型仪表 传输方式：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

8. 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。在单回路定值控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即： e(t)= y (t)－r (t) 式中e(t)—偏差 y (t)—被控变量的测量值 r (t)—被控变量的给定值 调节器的输出信号是相对于调节器输入信号e的输出的变化量Δu。如果输入e与输出Δu的变化方向相同，则称调节器为正作用调节器；反之，如果输入e与输出Δu变化方向相反，则称调节器为反作用调节器。

9. 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----双位调节 或者

10. e △u t KPe t 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----比例调节(P) 比例调节规律:调节器的输出信号变化量与偏差信号成比例 式中 e-为调节器的输入;△u-为调节器的输出; KP为比例增益，表征比例控制作用的强弱程度。 工程上常用比例度（或称比例带）δ表示比例作用的强弱, δ越大，比例调节作用越弱，δ越小，比例调节作用越强 比例调节的特点:及时、快速，缺点是存在静态误差,因此亦称有差调节

11. 3-1 调节器的调节规律 比例度对控制过程的影响 比例度的选择原则: 若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。

12. t △y t e 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----积分调节(I) 积分作用微分方程表达式: 传递函数: 式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。 特点:能够消除余差 缺点:滞后调节 阶跃响应曲线

13. t △yI=△yP △ypP t △u TI e 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----比例积分调节(PI) 微分方程表达式: 在阶跃信号作用下（幅值为A) PI输出响应由比例和积分两部分组成 当 t=TI Δu= 2KPA 由此可确定积分常数。 积分时间TI的物理意义：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。 积分常数越大，积分作用越弱，反之，积分作用越强。

14. 3-1 调节器的调节规律 积分时间对过渡过程的影响 左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但TI过小系统的振荡加剧。相比之下，曲线２比较理想。

15. 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----微分调节(D) 理想微分控制器的输出与输入信号的关系为： e 微分时间 t0 在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。 ∞ 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。微分时间越长，微分作用越强。 t0

16. e △u t t 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----比例微分调节(PD) 对PID调节器而言，当积分时间TI→∞时，控制器呈PD调节特性。此时输出与输入的关系如式所示。 理想PD控制器的阶跃响应曲线

17. 3-1 调节器的调节规律 • 工业实际使用的比例微分调节(PD)

18. 3-1 调节器的调节规律 PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。 PD控制不足之处： 一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。 PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。 微 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响

19. 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----比例积分微分调节(PID) PID阶跃响应特性曲线

20. 3-1 调节器的调节规律 • 调节规律的表示形式----比例积分微分调节(PID) PID控制规律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，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。

21. 1 2 3 4 5 6 7 6 3-2 DDZ-III调节器 DDZ－III型调节器正面图 1－位号牌 2－内外给定指示 3－内给定设定拨盘 4-A/M/H切换 5－阀位表 6－软手动操作扳键 7－双针全刻度指示表

22. 3-2 DDZ-III调节器 • DDZ-Ⅲ型PID调节器的特点 元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-Ⅲ型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。 DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器和偏差指示控制器

23. 3-2 DDZ-III调节器 • DDZ-Ⅲ型PID调节器组成原理 PID调节器组成框图

24. 3-2 DDZ-III调节器

25. R5 R1 Vi F Vo1 － + R2 IC1 T R7 R3 VS R8 R4 R6 VB 3-2 DDZ-III调节器 • DDZ-Ⅲ型调节器输入电路 主要作用: 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。 图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电压信号VO1。

26. R5 R1 Vi F Vo1 － + R2 IC1 T R7 R3 VS R8 R4 R6 VB 3-2 DDZ-III调节器 IC1 同相端：设 为理想运放， ，开环增益为 反相端： 输入电路 对于理想运放,

27. － V02 断 IC2 CD K V01 + 通 RP 9.1KΩ 1 RD 1KΩ VB R1 a a CD VT V01 － V02 IC2 9.1KΩ + RP 1 RD 1KΩ VB VB 3-2 DDZ-III调节器 • PD电路 比例微分电路对VO1进行比例微分运算。 无源比例微分网络 比例电路 微分电路构成

28. 24V CM K1 K1 K1 CI 自 自 自 D D D － + 3.9K 3.9K 3.9K V02 IC3 BG1 9.1K V03 软 软 软 硬 硬 硬 RI K2 K2 自 自 自 1K K2 2.4K DW 软 软 软 K3 硬 硬 硬 ×10 ×1 VB CM CI V02 － + V03 IC3 RI 3-2 DDZ-III调节器 • PI电路 PI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。 软手操信号 硬手操信号 PI电路的等效电路 PI电路

29. 3-2 DDZ-III调节器 • PID整机传递函数

30. 3-2 DDZ-III调节器 • PID整机传递函数 令干扰系数 比例度 微分增益 F——相互干扰系数

31. 3-2 DDZ-III调节器 • 输出电路

32. 3-2 DDZ-III调节器 • 手操电路 M:积分输出 H:比例输出 自动”A”, 软手动”M”、硬手动”H” 三种控制方式

33. 3-2 DDZ-III调节器 • 指示电路 具有电平移动的差动输入比例电路

34. 3-2 DDZ-III调节器 • 数字调节器 数字式调节器类型 ： 定程序调节器 可编程调节器 混合调节器 批量调节器 特点 ： • 实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。

35. 3-2 DDZ-III调节器--数字调节器 • 运算控制功能强数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。 • 通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。

36. 3-3 执行器 执行器通常专指阀门 执行器是指：阀门－调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴) 电机－连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用) 执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。 执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节 原因：执行器与介质（操作变量）直接接触(强)腐蚀性、(高)粘 度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压

37. 3-3 执行器 执行器由执行机构和调节（控制）机构两个部分构成 PO F → l 流通截面积 执行机构 调节机构 IO M→θ 操纵变量的流量 辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构 执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。 它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 调节机构——根据推力产生位移或转角，改变开度。 它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 手操机构——手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。

38. PO 1 气动执行机构 2 3 6 4 调节机构 5 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座 3-3 执行器 执行机构分电动执行机构和气动执行机构,调节机构相同。气动执行机构如下

39. 3-3 执行器 气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理 气源 PO 气源PO 气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十秒之间。

40. 3-3 执行器 调节机构：

41. 3-3 执行器 调节机构：正反作用

42. H 3-3 执行器 执行器的作用方式 从安全生产的角度来确定正反作用 正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀 反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀 如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？ 如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？

43. 3-3 执行器 调节机构：流量特性确定

44. 3-3 执行器 调节机构：流量特性 直线流量特性 对数（等百分比）流量特性 抛物线流量特性 快开流量特性

45. 3-3 执行器 调节机构：工作流量特性 串联管道工作流量特性

46. 3-3 执行器 调节机构：串联管道工作流量特性

47. 3-3 执行器 调节机构：并联管道工作流量特性

48. 3-3 执行器 附件：电气转换器

49. 3-3 执行器 附件：电气阀门定位器

50. 3-3 执行器 1．电动执行机构：