模擬控制儀表

第3章控制儀表

控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。其作用是把被控變量的測量值和給定值進行比較，得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，輸出控制信號，以推動執(zhí)行器動作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)?？刂苾x表按工作能源分類有：2、氣動儀表以140kPa的氣壓信號作為工作能源，其輸入輸出信號均采用20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號hQ1Q23、自力式儀表不需要專門提供工作能源。

例：自力式液位調(diào)節(jié)器1、電動儀表

24VDC作為工作能源，其輸入輸出信號均采用4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號?？刂苾x表的發(fā)展基本上分為三個階段：1、基地式儀表

將檢測、控制、顯示功能設(shè)計在一個整體內(nèi)，安裝在現(xiàn)場設(shè)備上。簡單,通用性差，只適用于簡單控制系統(tǒng)。2、單元式組合儀表單元組合式儀表按其功能的不同分成若干單元（例變送單元、給定單元、控制單元等)。其中的控制單元是接受測量與給定信號，根據(jù)偏差進行控制運算，結(jié)果作為控制信號輸出。各個單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號相互聯(lián)系。DDZ－Ⅲ電動調(diào)節(jié)器3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）內(nèi)設(shè)微處理器，控制功能豐富，很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：工業(yè)控制計算機（DDS）集散控制裝置（DCS）單回路數(shù)字控制器（SLPC）可編程數(shù)字控制器（PLC）現(xiàn)場總線控制裝置（FCS）YS100單回路調(diào)節(jié)器CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)3.1基本控制規(guī)律及特點所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。

y=f(e)

e=r–x

或

e=x-r給定值被控變量干擾f

控制器測量變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－rxy控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、斷續(xù)控制——控制器輸出接點信號，如雙位控制、三位控制。二、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號，如比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。3.1.1雙位控制雙位控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱開關(guān)控制。理想的雙位控制器輸出y與輸入偏差e之間的關(guān)系為：e

>0（或e

<0）時=ymaxyminye

<0（或e

>

0）時理想的雙位控制特性ymaxyminey

例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：溫度低于給定值時，溫控器輸出高電平，繼電器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電?！?20V進水出水二位式控制器電路原理框圖：測量信號給定信號－＋＋∞U0是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差符號的正、負(fù)，輸出只有兩個位置，高電平或低電平，可以當(dāng)一個電子開關(guān)用。被控溫度在T0

上下振蕩，無法穩(wěn)定。理想雙位控制效果：tyTT0t傳遞函數(shù)為

3.1.2比例控制（P）控制器輸出y（t）和偏差信號e（t）成比例關(guān)系Kp——比例增益

＋－Pye被控變量測量值x被控變量給定值xr浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。

如果e=0，則活塞無法提高，Q1無法加大，調(diào)節(jié)無法進行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過程原系統(tǒng)處于平衡，此時進水閥有一開度。t=0時，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。當(dāng)進水量增加到與出水量相等時，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。?Q2htep?Q1tttt

比例控制的特點控制及時、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強?？刂平Y(jié)果存在靜差。因為，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零

y=KPe即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。在實際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度P來表示比例控制作用的強弱。如果控制器輸入、輸出量程相等(4~20mA)，則:控制器增益Kc或比例度P對系統(tǒng)性能的影響：增益Kc

的增大（或比例度P下降），使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用增強，但穩(wěn)定性下降,放大倍數(shù)的增大有限度。比例增益對控制性能的影響3.1.3比例積分控制（PI）當(dāng)要求控制結(jié)果無余差時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1）

積分控制（I）輸出變化量y與輸入偏差e的積分成正比當(dāng)e是幅值為E的階躍時TI—積分時間常數(shù)eEtty表示積分速度的大小和積分作用的強弱。積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。

積分控制的特點當(dāng)有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。?；當(dāng)偏差消失時，輸出能保持在某一值上。eEtty若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差。（2）

比例積分控制（PI）若偏差是幅值為E的階躍干擾eEtty

引入積分作用的根本目的是為了消除穩(wěn)態(tài)余差，但使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)積分作用過強時（即Ti過?。?，可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間Ti對系統(tǒng)性能的影響3.1.4比例微分控制（PD）對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。式中：TD—微分時間

—偏差變化速度

理想微分（1）微分控制（D）eEtty微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。

微分控制的特點eEtty（2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制eAttyty理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實際的比例微分作用。微分作用的增強（即Td增大），從理論上講使系統(tǒng)的超前作用增強，穩(wěn)定性得到加強，而微分作用主要適合于特性一階滯后較大的廣義對象，如溫度、成份等。微分時間Td對系統(tǒng)性能的影響將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。3.1.5比例積分微分控制（PID）PID控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。etty3.2.1DDZ-Ⅲ型儀表的特點1）采用統(tǒng)一信號標(biāo)準(zhǔn)：4~20mADC和1～5VDC。這種信號制的主要優(yōu)點是電氣零點不是從零開始，容易識別斷電、斷線等故障。同樣，因為最小信號電流不為零，可以使現(xiàn)場變送器實現(xiàn)兩線制。2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險現(xiàn)場。3.2模擬式控制器1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動—軟手動—硬手動切換開關(guān)5-硬手動操作桿6-輸出指示器7-軟手動操作板鍵3.2.2

DDZ-Ⅲ型控制器的組成與操作DDZ-Ⅲ基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、PID運算電路、自動與手動（硬手動和軟手動）切換電路、輸出電路及指示電路。輸入電路PD電路PI電路輸出電路測量外給內(nèi)給定電路給定值指示輸出指示軟手動電路硬手動電路測量值指示內(nèi)給S6S1MHA圖3.11DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖3.2.3全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實例輸入電路的首要任務(wù)是求偏差e

：

V01=k(V給定－V測量)

3.2.3.1輸入電路因測量信號Vi和給定信號Vs分別通過雙臂電阻差模輸入到運放A1的同相和反相輸入端。可列出兩輸入節(jié)點的電流方程：而V+≈V-則

V01=－2（Vi－VS）

得采用差動輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號Vi、VS取用電流，使1～5V的測量信號不受衰減，（2）求偏差

Vi–VS，進行偏差運算。（3）將偏差放大

為了提高調(diào)節(jié)器對偏差的靈敏度，對其后的運算有利，這里先將偏差放大兩倍。電路的特點（1）輸入阻抗高（4）消除傳輸線上壓降的影響

差動輸入可以消除導(dǎo)線電阻的影響。（5）進行電平移動

Vi、VS都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號，而運放IC器件+24VDC供電時，(如FC52)其正常輸入、輸出信號電壓范圍應(yīng)在2～19V。為使運算信號符合要求，必須將基準(zhǔn)電壓從0V抬高到VB=10V

，即進行電平移動。

因為Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

則顯然，IC不能正常放大。如果VB=0VB=10V時，

V+=V-=3.7～5.7V保證了IC共摸電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。V+V-而且VB=0時，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID電路IC的范圍要求。VB=10時：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V

使后面PID電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。＋－

3.2.3.2PID運算電路由PI和PD兩個運算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓都是以VB=10V為基準(zhǔn)起算的。PIPD

1、PD電路分析

PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)S8打向“斷”時，構(gòu)成P電路；開關(guān)S8打向“通”時，構(gòu)成PD電路。PD傳遞函數(shù)ID得式中：

—微分時間常數(shù)ID又因

得

實際微分因子階躍響應(yīng)

當(dāng)V01為階躍信號時，V02的階躍響應(yīng)為V02TD/nαV01/n63%t可見，此電路的微分是實際的微分。eAttyty當(dāng)S8置于“斷”時，微分被切除，A2只作比例運算。有這時微分電容被開關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當(dāng)開關(guān)S8切換到“通”時，保證無擾動切換。

2、PI電路分析PI電路以A3為核心組成，開關(guān)S3為積分時間倍乘開關(guān)。當(dāng)S3打向×1檔時，1K電阻被懸空，不起分壓作用；當(dāng)S3打向×10檔時，1K電阻接到基準(zhǔn)線，靜態(tài)V02被分壓輸入。PI傳遞函數(shù)IC負(fù)輸入端節(jié)點電流方程（S3置于×10檔）：設(shè):Ti=mRICI—積分時間常數(shù)S3打向×10檔時：m=10S3打向×1檔時：m=1

階躍響應(yīng)

當(dāng)V02為階躍信號時，V03的階躍響應(yīng)為（CI/CM）V02-V03t實際運放時3、PID運算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：

V01=－2（Vi－VS）PD電路：PI電路：PID運算是上述三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。干擾系數(shù)

PID傳遞函數(shù)

令：比例度微分增益則：反映調(diào)節(jié)器參數(shù)(主要是KP、TI、TD)互相影響的一個參數(shù)（2）若TD<<KD，則上式分母實際微分項近似為1若TD<<TI，則

這時

理想的PID（1）調(diào)節(jié)器的實際比例度為P/F，實際微分時間為TD/F，實際積分時間為FTI。說明三個參數(shù)調(diào)整時互相干擾，造成調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度無法準(zhǔn)確。階躍響應(yīng)

整個曲線由比例項、積分項和有限制的微分項三部分組成。調(diào)節(jié)范圍：P=2～500%，TD=0.04～10分TI=0.01～2.5分(×1檔)，TI=0.1～25分(×10檔)V03t3.2.3.3輸出電路其任務(wù)是將PID電路輸出電壓VO3=1～5V變換為4～20mA的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0V。3.2.3.3手動操作電路及無擾切換“自動”：測量信號和給定信號通過輸入電路產(chǎn)生偏差信號，由PD和PI對偏差信號進行PID運算后，再經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)換為4~20mADC信號輸出，去控制執(zhí)行器?！败浭謩印保狠敵隹砂纯炻齼煞N速度線性增加或減少，對工藝（生產(chǎn)）過程進行手動控制?！坝彩謩印保赫{(diào)節(jié)器輸出與給定電壓成正比，即與硬手動桿位置一一對應(yīng)。通過切換開關(guān)S1可以選擇自動調(diào)節(jié)“A”、軟手動操作“M”、硬手動操作“H”三種控制方式。A→M無沖擊1.A、M間的切換S1從A切換到M時：斷開A3的輸入CM無放電回路VO3保持不變S42閉合→-VM接入——按TI

=100s的時間積分S41閉合→