化工儀表自動(dòng)化 第4章_過程控制儀表【稻香書屋】

1、1,1,過程控制系統(tǒng)及儀表,2,3,4-1 基本控制規(guī)律,過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量，取決于被控對(duì)象的特性和控制器的特性。 控制器的特性，就是指控制器的輸出信號(hào)隨著輸入信號(hào)變化的規(guī)律，又稱作控制律,e,u,y,r,4,在過程控制中，控制器的輸入定義為被控變量的測(cè)量值 y與給定值 r 的偏差 e ： e = y-r 控制器的輸出就是控制器送往執(zhí)行器的控制信號(hào)u，所以控制器中的控制規(guī)律可以用下面的數(shù)學(xué)關(guān)系表示： u = f (e,e0,并且在控制律作用下u0,稱為正作用控制器； e0,并且在控制律作用下u0,稱為反作用控制器,5,基本控制規(guī)律,最簡(jiǎn)單的控制律：位式控制 PID控制律：比例控制（P），積分控

2、制（I），微分控制（D），以及PID組合,6,一、位式控制,位式控制規(guī)律可分為雙位控制和多位控制。 雙位控制的特性可以用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述,7,例：儲(chǔ)槽液位控制 槽內(nèi)裝有電極，作為液位的測(cè)量裝置。電極的一端與繼電器的線圈 J 相接；另一端正好處于液位給定值的位置。 導(dǎo)電流體經(jīng)裝有電磁閥 V的管線進(jìn)入貯槽，再由出料管流出,8,雙位控制律： 當(dāng)液位低于給定，電極與流體不接觸，繼電器J斷開，電磁閥V全開，流體流入貯槽，H上升。 當(dāng)液體高于給定，電極與流體接觸，繼電器J接通，電磁閥V全關(guān)，流體不再進(jìn)入貯槽，H下降。 如此反復(fù)循環(huán),9,雙位控制律缺點(diǎn)： 執(zhí)行部件的動(dòng)作非常頻繁，這樣使系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件

3、（繼電器、電磁閥）易于損壞，降低了控制系統(tǒng)的可靠性。 改進(jìn)雙位控制律：具有中間區(qū)的雙位控制,10,具有中間區(qū)的雙位控制器 其特性可表示為,注意:被控變量有兩個(gè)給定值,11,具有中間區(qū)的雙位控制特性如圖 4-3 所示,12,例：儲(chǔ)槽液位具有中間區(qū)的雙位控制律： 當(dāng)液體高于給定yH ，上磁浮子閉合，繼電器J接通，電磁閥V全關(guān)，流體不再進(jìn)入貯槽，H下降。但是注意：當(dāng)液位低于yH，電磁閥V繼續(xù)全關(guān)。 當(dāng)液位低于給定yL，下磁浮子閉合，繼電器J斷開，電磁閥V全開，流體流入貯槽，H上升。但是注意：當(dāng)液位高于yL，電磁閥V繼續(xù)全開。 如此反復(fù)循環(huán),yH,yL,位式磁浮子液位傳感器,13,具有中間區(qū)的雙位控制

4、曲線如下圖所示,閥關(guān),閥開,14,雙位控制優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，且易于實(shí)現(xiàn)，適用于某些對(duì)控制質(zhì)量要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。 如：空氣壓縮機(jī)貯罐的壓力控制、恒溫箱、電烘箱的溫度控制等。 缺點(diǎn)： 被控變量總是處在震蕩過程，控制質(zhì)量低,15,二、比例控制,1. 比例控制規(guī)律 比例控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差成比例關(guān)系，一般用字母 P 表示。 比例控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： u = KP e 式中 u 控制器的輸出變化量； e 控制器的輸入，即被控變量測(cè)量 值與控制器的給定值之差； KP 比例控制的放大倍數(shù)，又稱為比 例增益,16,比例控制規(guī)律的開環(huán)階躍響應(yīng)特性如圖,顯然，在輸入偏差相同的情

5、況下，KP越大，控制器的輸出變化量也越大，控制作用就越強(qiáng),17,在過程控制中習(xí)慣于采用比例度(也稱比例帶)來衡量比例控制作用的強(qiáng)弱。 比例度的定義可以用下式來表示,18,比例度就是指控制器的輸入相對(duì)變化量與對(duì)應(yīng)的輸出相對(duì)變化量的百分比。 物理意義,代表使控制器的輸出全范圍變化時(shí)，所需要的被控變量的變化范圍。只有當(dāng)被控變量在這一范圍內(nèi)變化時(shí)，控制器的輸出才與偏差成比例，如果超出了“比列帶”，控制器的輸出將暫時(shí)失去比例控制作用,19,例：在一個(gè)電動(dòng)比例控制器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)中，被控變量檢測(cè)儀表的量程范圍為：200-300，控制器的輸出范圍為0-10mA，當(dāng)溫度從250 變化到270 ，相應(yīng)的控制

6、器輸出信號(hào)從4mA變化到9mA，控制器的比例度,比例度40%說明：只要溫度變化40%(40 )，就可以使控制器的輸出信號(hào)從0mA變化到10mA,20,在用單元組合儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，由于變送器和控制器都是采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：4-20mA，1-5V,這說明兩者互為例數(shù)關(guān)系，即越小，KP越大，比例控制作用越強(qiáng)；越大，KP越小，比例控制作用越弱,比例度和放大倍數(shù) KP的關(guān)系可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為,21,2比例控制的特點(diǎn),顯著特點(diǎn)：有差控制，只有當(dāng)偏差出現(xiàn)，才產(chǎn)生控制動(dòng)作，偏差越大，控制器輸出變化也越大。 快速及時(shí)。 缺點(diǎn)：有余差。 比例控制系統(tǒng)適用于干擾較小、不頻繁，對(duì)象滯后較小而時(shí)間常數(shù)較大，控制精確度

7、要求不高的場(chǎng)合,22,例:水加熱器溫度控制系統(tǒng),曲線3：Q1 Q0Q1,設(shè)定值,閥門開度,曲線2：流量為Q0，閥開度變化對(duì)應(yīng)溫度變化,溫度,O點(diǎn)至B點(diǎn)至A點(diǎn)，有余差,23,3 比例度對(duì)控制過程的影響,比例度影響可從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面考慮： 比例度對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響是：比例度越大（即放大倍數(shù) KP越?。?，控制過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的余差就越大。 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：減小比例度雖然有利于減小系統(tǒng)達(dá)到新穩(wěn)態(tài)時(shí)的余差，但卻影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,24,對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響： 可由圖所示的在干擾作用下的閉環(huán)響應(yīng)曲線來描述,25,三、比例積分控制,1積分控制規(guī)律及其特點(diǎn) 積分控制規(guī)律是指控制器的

8、輸出變化量與輸入偏差的積分成比例關(guān)系，一般用字母 I 表示。 積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為,式中 Ti 積分時(shí)間常數(shù)，是一個(gè)可調(diào)的常數(shù),26,積分控制作用的特性可用在階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)曲線來說明。 當(dāng)控制器輸入偏差 e 為常數(shù) A 時(shí),27,積分控制規(guī)律的特點(diǎn),積分作用能夠消除余差，這是積分控制規(guī)律最顯著的特點(diǎn)，也是它的突出優(yōu)點(diǎn)； 主要缺點(diǎn)：不能及時(shí)克服干擾，會(huì)使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降； 積分控制規(guī)律一般不單獨(dú)使用,28,2比例積分控制規(guī)律,比例積分控制規(guī)律是由比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律結(jié)合而成，一般用字母 Pl 表示。 比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： PI 控制規(guī)律結(jié)合了比例控制與積分控

9、制的優(yōu)點(diǎn)，既能快速克服干擾，又能消除系統(tǒng)的余差,29,當(dāng)輸入偏差是一幅值為 A 的階躍變化時(shí)，比例積分控制器的輸出變化特性曲線如圖 4-10 所示,30,3積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響,比例積分（PI）控制器，比例度（或比例增益 KP）和積分時(shí)間 Ti 都是可調(diào)參數(shù)。 討論：積分時(shí)間 T i過大和過小對(duì)控制效果的影響,31,積分時(shí)間過大，積分作用太弱，消除余差的過程很慢（見曲線 b ) ； 只有當(dāng) T i適當(dāng)時(shí)，過渡過程能較快地衰減，而且沒有余差（見曲線c）； 積分時(shí)間太小，控制器的輸出變化太快，使過渡過程振蕩太劇烈，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大下降（見曲線 d ),P型控制器,32,四、比例微分控制 1微分

10、控制規(guī)律及其特點(diǎn) 微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量與輸入偏差的變化速度成比例，一般用字母 D 表示。 微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為,33,當(dāng)輸入偏差信號(hào)為幅值 A 的階躍變化時(shí)，微分控制特性響應(yīng)曲線如圖所示,34,實(shí)際上的工業(yè)控制器采用的都是采用一種近似的微分作用，它在階躍輸入作用下的開環(huán)響應(yīng)特性如圖所示。 在階躍輸入的瞬間，輸出突然升到一個(gè)較大的值，然后按指數(shù)規(guī)律衰減至零。 變化特性可用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,35,微分控制規(guī)律的特點(diǎn),微分作用是依據(jù)偏差的變化速度來進(jìn)行控制，偏差變化速度越大，控制器輸出越大。對(duì)固定不變的偏差，控制器輸出為零。 由于微分作用總是力圖抑制被控變量的變化，所以它有提

11、高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。 不能消除余差。 微分控制規(guī)律一般不單獨(dú)使用,36,2比例微分控制規(guī)律,理想的比例微分控制規(guī)律，可以用下式表示,當(dāng)輸入偏差信號(hào)為幅值A(chǔ) 的階躍變化時(shí)，實(shí)際比例微分控制開環(huán)輸出響應(yīng)特性如圖所示,37,五、比例積分微分控制 比例積分微分控制規(guī)律是由比例、積分和微分三種控制作用組合而成，一般用字母 PID 表示。 理想的比例積分微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為,38,P,I,D,39,PID控制特點(diǎn)： 比例積分微分控制是由三種作用的輸出特性疊加而成。 由于在 PID 控制器中，比例度、積分時(shí)間 Ti ，和微分時(shí)間 TD 三個(gè)參數(shù)都是可調(diào)的，所以，只要這三個(gè)參數(shù)選擇的合適，就可以獲得

12、良好的控制質(zhì)量。 PID控制選用通用的控制器，可實(shí)現(xiàn)三作用控制規(guī)律。 若將微分時(shí)間調(diào)至零，就成一臺(tái)比例積分控制器； 若將積分時(shí)間調(diào)至最大，就成一臺(tái)比例微分控制器； 若將微分時(shí)間至零，積分時(shí)間至無窮大，就是一臺(tái)比例控制器,40,控制儀表,DDZ-型調(diào)節(jié)器,KMM可編程調(diào)節(jié)器,41,一、主要功能 接收信號(hào)：1-5V DC信號(hào)。 實(shí)現(xiàn)偏差檢測(cè)：將接收信號(hào)與給定值信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)。 PID計(jì)算：將偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的4-20mA控制信號(hào)。 具備相應(yīng)值的指示功能,4-2 DDZ-型調(diào)節(jié)器,42,二、構(gòu)成原理,由兩大部分構(gòu)成,43,控制單元：由自動(dòng)操作和手動(dòng)操作組成,44,控制單元

13、的內(nèi)外給定值功能,45,控制器的正反作用功能,46,47,一、構(gòu)成,4-3 KMM可編程調(diào)節(jié)器,硬件部分： 主機(jī)部分 模擬量輸入-輸出通道 數(shù)字量輸入-輸出通道 通信接口 正面板，側(cè)面板 軟件部分： 系統(tǒng)程序和用戶程序,48,49,KMM正面板上控制方式選擇: 手動(dòng)方式（M） 自動(dòng)方式（A） 串級(jí)方式（C,50,51,課程小結(jié),過程控制儀表： 了解位式控制規(guī)律。 掌握PID三種基本控制規(guī)律、特點(diǎn)。 掌握理想PID控制器的控制算式，KP、TI、TD與控制輸出的關(guān)系。 掌握DDZ-III調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)及主要功能。 了解KMM可編程調(diào)節(jié)器特點(diǎn),52,電信學(xué)院自動(dòng)化系先進(jìn)控制技術(shù)研究所,Thank Yo

14、u,53,學(xué)習(xí)幻燈,54,內(nèi)容簡(jiǎn)介 過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)內(nèi)容簡(jiǎn)介：過程控制系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)需要較多的數(shù)學(xué)知識(shí)，自動(dòng)化儀表在設(shè)計(jì)制造方面也有許多技術(shù)問題值得探討。但是，對(duì)于工藝技術(shù)人員來說，主要關(guān)心的問題是控制系統(tǒng)和儀表的基本原理及其應(yīng)用特性。因此，過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)盡量避免繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，力求用簡(jiǎn)明扼要的文字和插圖使讀者對(duì)所學(xué)知識(shí)有更多的定性了解，通俗易懂，這是過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)的另一個(gè)特色。過程控制系統(tǒng)和儀表涉及的領(lǐng)域十分廣闊，研究?jī)?nèi)容也極其豐富。本著理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的原則，過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)在取材方面，不追求包羅萬象、面面俱到，而是力爭(zhēng)把最基

15、本、最常用的內(nèi)容都包含進(jìn)來。突出重點(diǎn)，注重實(shí)用是過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)的第三個(gè)特色,第3版 2010-07,第2版 出版日期：2006-08-01,54,55,目錄 第1篇 過程控制基礎(chǔ)知識(shí)第1章 緒論1.1 生產(chǎn)過程自動(dòng)化概述1.1.1 生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)1.1.2 生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求1.1.3 生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展歷程1.2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類1.2.1 過程控制系統(tǒng)的組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)的分類1.3 過程控制系統(tǒng)的方塊圖與工藝控制流程圖1.3.1 過程控制系統(tǒng)的方塊圖1.3.2 過程控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖1.4 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(biāo)1.4.1 過程控制系

16、統(tǒng)的過渡過程1.4.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)習(xí)題第2章 被控對(duì)象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性2.2 被控對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述2.2.1 一階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.2.2 二階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.2.3 純滯后對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.3 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測(cè)試建模2.3.1 階躍響應(yīng)曲線的獲取2.3.2 一階純滯后對(duì)象特性參數(shù)的確定2.3.3 二階對(duì)象特性參數(shù)的確定習(xí)題,第2篇 過程自動(dòng)化裝置第3章 過程測(cè)量?jī)x表 3.1 測(cè)量?jī)x表中的基本概念3.1.1 測(cè)量過程及測(cè)量?jī)x表3.1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性及性能指標(biāo) 3.2 溫度測(cè)量3.2.1

17、 概述3.2.2 熱電偶溫度計(jì)3.2.3 熱電阻溫度計(jì)3.2.4 溫度測(cè)量?jī)x表的選用3.2.5 溫度交迭器3.2.6 一體化溫度變送器3.2.7 智能溫度變送器 3.3 壓力測(cè)量3.3.1 概述3.3.2 彈性式壓力表3.3.3 電容武壓力變送器3.3.4 擴(kuò)散硅壓力變送器3.3.5 智能差壓變送器3.3.6 壓力表的選擇和使用 3.4 流量測(cè)量3.4.1 概述3.4.2 差壓式流量計(jì)3.4.3 容積式流量計(jì)3.4.4 浮子式流量計(jì)3.4.5 電磁流量計(jì)3.4.6 渦街流量計(jì),55,56,3.5 物位測(cè)量3.5.1 概述3.5.2 靜壓式液位計(jì)3.5.3 磁浮子式液位計(jì)3.5.4 電容武物位計(jì)

18、3.5.5 其他物位測(cè)量?jī)x表 3.6 顯示儀表3.6.1 概述3.6.2 模擬式顯示儀表3.6.3 數(shù)字式顯示儀表3.6.4 智能化、數(shù)字化記錄儀習(xí)題 第4章 過程控制儀表4.1 基本控制規(guī)律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例積分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例積分微分控制4.2 DDZ一型調(diào)節(jié)器4.2.1 主要功能4.2.2 構(gòu)成原理4.3 可編程調(diào)節(jié)器4.3.1 KMM可編程調(diào)節(jié)器的構(gòu)成4.3.2 KMM可編程調(diào)節(jié)器的主要功能4.3.3 正面板和側(cè)面板,4.4 可編程控制器4.4.1 可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展4.4.2 可編程控制器的應(yīng)用場(chǎng)合4.4.3 可

19、編程控制器的構(gòu)成、分類及工作過程4.4.4 可編程控制器的編程語言4.4.5 可編程控制器選型基本原則4.4.6 松下FPI可編程控制器習(xí)題第5章 過程執(zhí)行儀表5.1 概述5.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.3.1 常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)5.3.2 流量系數(shù)與可調(diào)比5.3.3 流量特性5.4 電一氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器5.4.1 電一氣轉(zhuǎn)換器5.4.2 閥門定位器的主要用途5.4.3 電一氣閥門定位器習(xí)題,56,57,第3篇 垃程控制系統(tǒng) 第6章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)6.1 概述6.2 被控變量的選擇6.3 操縱變量的選擇6.3.1 對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影

20、響6.3.2 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響6.3.3 選擇操縱變量的原則6.4 控制系統(tǒng)中盼測(cè)量變送問題6.4.1 測(cè)量變送問題對(duì)控制質(zhì)量的影響6.4.2 克服測(cè)量變送問題的措施6.5 執(zhí)行器的選擇6.5.1 閥流量特性的選擇6.5.2 執(zhí)行器開閉形式的選擇6.6 控制器的選擇6.6.1 控制規(guī)律的選擇6.6.2 控制器正反作用的確定6.7 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及控制器參數(shù)的整定6.7.1 控制系統(tǒng)的投運(yùn)6.7.2 控制器參數(shù)的整定習(xí)題第7章 復(fù)雜控制系統(tǒng)7.1 串級(jí)控制系統(tǒng)7.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程7.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合7.1.4 串級(jí)控制系

21、統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題7.1.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的整定,7.2 比值控制系統(tǒng)7.2.1 概述7.2.2 比值控制系統(tǒng)的類型7.3 前饋控制系統(tǒng)7.3.1 概述7.3.2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.3.3 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用7.4 均勻控制系統(tǒng)7.4.1 均勻控制問題的提出7.4.2 均勻控制的特點(diǎn)7.4.3 均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.5 分程控制系統(tǒng)7.5.1 基本概念7.5.2 分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合7.6 選擇性控制系統(tǒng)7.6.1 基本概念7.6.2 選擇性控制系統(tǒng)的實(shí)例分析7.7 多沖量控制系統(tǒng)習(xí)題第8章 先進(jìn)過程控制系統(tǒng)介紹8.1 軟測(cè)量技術(shù)8.1.1 輔助變量的選擇8.1.2 數(shù)據(jù)采集與處理8.1.3 軟測(cè)量模型的建立8.1.4 模型校正8.2 時(shí)滯補(bǔ)償控制8.2.1 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制8.2.2 控制實(shí)施中的若干問題,57,58,8.3 解耦控制8.3.1 耦合現(xiàn)象的影響及分析8.3.2 解耦控制8.4 預(yù)測(cè)控制8.4.1 預(yù)測(cè)控制的基本原理8.4