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1、11过程控制仪表与装置,主要内容,11.1 概述 11.2 基本控制规律与控制器 11.3 变送器 11.4 执行器,11.1 概述,控制仪表包括调节器(控制器)、变送器、执行器等装置，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制装置等阶段。,11.1 概述,基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组
2、合仪表(DDZ)两类。组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。,结构形式：从简单到复杂，从分散到集中到分散到集中,按结构形式分类 按能源形式分类按信号类型分类,11.1 概述,过程控制仪表与装置的分类：,按能源形式分类,可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。表1-1 电动控制仪表和气动控制仪表的比较,按信号类型分类,模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为连
3、续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。,分为模拟式和数字式两大类：,按信号类型分类,电信号：电流信号：4-20mA 电压信号：1-5V 气信号：气压信号：20-100kPa,标准模拟信号：,11.2 基本控制规律与控制器,11.2.1 双位控制 11.2.2 比例（P）控制规律 11.2.3 比例积分（PI）控制规律 11.2.4 比例微分（PD）控制规律 11.2.5 比例积分微分（PID）控制规律 11.2.6 PID控制算式 11.2.7 模拟
4、控制器 11.2.8 数字控制器,11.2 基本控制规律与控制器,控制器：控制器是自动控制系统中重要的组成部分。它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律(称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。,11.2 基本控制规律与控制器,控制规律：控制器的输出信号y与输入偏差信号e之间随时间变化的规律叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。,11.2 基本控制规律与控制器,x=Xm-Xs,x偏差 Xs给定值 Xm测量值,被控变量接受干扰后能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来，这不
5、仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性有关。,11.2 基本控制规律与控制器,!须注意：(x=Xm Xs)在研究控制器特性时 1、输入是被控变量与给定值之差即偏差x，输出是输出信号的变化量y。2、x0称正偏差 x0称负偏差 3、x0相应的y0,称为正作用控制器 x0相应的y0,称为反作用控制器,11.2 基本控制规律与控制器,控制器规律的分类：控制器的形式虽然很多，有不用外加能源的(自力式的)，有需要外加能源(电动或气动)，但基本控制规律只有有限的几种，即位式控制、比例(Proportional)控制、比例积分(Proportional Integral)控制、比例微分控制(Proport
6、ional Derivative)和比例积分微分(Proportional Integral Derivative)控制。注意：不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。,11.2.1 双位控制规律,双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。（即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制）理想的双位控制器其输出y于输入偏差e之间的关系为：,11.2.1 双位控制规律,特点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等
7、幅震荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，这是过量调节所致。实例：液位双位控制系统,11.2.2 比例控制规律,图 液位比例控制系统(a)系统组成(b)比例系数计算示意图1浮球 2浮球杆 3杠杆 4支点 5阀杆 6控制阀,例子：,11.2.2 比例控制规律,控制器的输出变化量y（即阀门开度）与输入变化量e（即液位偏差）之间的关系：,则 yKPe,令,11.2.2 比例控制规律,只具有比例控制规律的控制器为比例控制器，其输出与输入成比例关系。,（1）定义,（2）比例控制规律的参数,比例增益Kp和比例度 Kp反映比例作用的强弱，Kp越大，比
8、例作用越强，即在一定的输入量下，控制器输出的变化量越大，控制作用越强，反之亦然。在模拟控制器中，比例作用的强弱是用Kp的倒数比例度进行刻度的。,与Kp的关系:比例度的一般表达式,（2）比例控制规律的参数,例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求控制器的比例度。,（2）比例控制规律的参数,例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求控制器的比例度。解 控制器的输入、输出有效量程均为4-20 mA,（2）比例控制规律的参数,（3）比例控制规律的
9、特点,优点：及时迅速缺点：有余差,在控制器的输出变化量相同情况下，Kp越大，比例度越小，余差也越小。但是，若Kp过分大，系统容易振荡，甚至发散。此外，余差还与扰动的幅值有关，若为阶跃扰动，其幅值越大，在相同Kp下，余差也越大。比例控制器一般适用于负荷变化不大、允许有余差的系统。,不同比例带时的输入和输出关系,11.2.3 比例积分控制规律,1、积分作用 定义：积分作用的输出 与偏差对时间的 积分成比例关系。,积分作用的特点,优点：能消除余差 缺点：慢，控制不及时一般不单独使用,2、比例积分控制规律,比例积分控制规律比例与积分两种作用的输出之和,3、积分作用的参数,积分时间TI 反映积分作用的强
10、弱（TI越小，积分作用越强）积分时间的定义：在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间TI。积分时间基本确定方法：在阶跃信号输入中，积分作用输出为 若取积分作用的输出等于比例作用的输出,11.2.4 比例微分控制规律,1、微分控制规律：控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比。,理想微分控制器的阶跃响应曲线,理想的微分作用是不能单独作为控制规律使用的，为什么？,微分作用的特点：1-输入偏差变化的速度越大，则微分作用的输出越大，然而对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零。2-或有变化，但变化量小，微分不起作用。3-或变化时间接近零
11、，调节器也起不到调节作用。,理想的微分作用不能单独作为控制规律使用,2、实际比例微分控制规律,比例微分控制器传递函数,3、微分作用的参数及其测定,在阶跃信号输入时，经拉氏反变换 D微分时间常数当t0时 Y（0）=KPKDA当t 时 Y（）=KPA,微分作用的参数及其测定,假定t=D YD（D）=KP（KD-1）Xe 1=KP（KD-1）X36.8%,微分时间常数D：在阶跃信号输入下，比例微分调节器的输出，从一开始的跳变值，下降了微分作用输出部分的63.2%所经过的时间,微分作用的参数及其测定,微分增益：在阶跃输入下，实际比例微分控制器的输出一开始（t=0）的变化量与最终（t）的变化量的比值 微
12、分时间：TD=KDD 微分时间TD反映了微分作用的强弱：TD越大，微分作用越强，但TD太大，容易引起系统的不良振荡。越大，微分作用也越强，但过大，系统容易受到高频干扰的影响。,Y（0）=KPKDA,Y（）=KPA,4、比例微分控制规律的特点超前,图2-10 微分作用的超前作用,11.2.5 比例积分微分控制规律,理想的PID作用的微分方程为 传递函数为,基本控制规律的比较,（1）比例控制参数Kp对系统性能的影响 对动态特性的影响：比例控制Kp加大，使系统的动作灵敏提高，速度加快，Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的
13、影响：在系统稳定的情况下，加大比例控制Kp，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大Kp只是减少稳态误差，却不能完全消除误差。,不同Kp对动态性能的影响,注：PID调节器参数对控制性能的影响,（2）积分控制参数Ti对控制性能的影响 对动态特性的影响：积分控制Ti 通常使系统的稳定性下降。Ti 太小系统将不稳定；Ti 偏小，振荡次数较多；Ti 太大，对系统性能的影响减少。对稳态特性的影响：积分控制Ti 能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若Ti 太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。,积分控制Ti 对控制性能的影响,注：PID调节器参数对控制性能的影响,（3）微分控制参数Td对
14、控制性能的影响 微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td 偏大或偏小时，都会使超调量较大，调节时间较长，只有Td 合适时，可以得到比较满意的过渡过程。,微分控制Td对控制性能的影响,注：PID调节器参数对控制性能的影响,11.2.6 PID控制算式,偏差型PID运算形式 微分先行PID运算形式,PID控制器的偏差构成形式,1、模拟控制器的PID运算式,模拟控制器的PID运算式,偏差型PID运算式 测量值Xm与给定值Xs相减后，得到偏差x，然后对偏差x进行比例、积分和微分的运算。特点：对给定值的变化也进行PID运算,微分先行PI
15、D运算式 先对测量值Xm进行微分运算，再与给定值Xs相减，然后再进行比例积分运算。,微分先行PID控制器在给定值不变、测量值阶跃变化时，控制器响应特性,PID控制阶跃响应曲线,2、数字式PID运算式,离散化处理 对于积分项用右式近似对于微分项用右式近似 结果：,“矩形法”,“向后后差分”,采样周期 Ts信号变化周期,1)基本数字式PID运算式,位置型算式 输出与实际控制阀的阀位相对应优点：便于计算机运算的实现缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大 2.输出的是实际使用阀位值,增量型算式 输出为两个采样周期PID输出值之差 优点：1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单；2.每次只是输出增
16、量；3.易于系统手动和自动间的无扰动切换,速度型算式 输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间T之比 本质上与增量型算式是相同的,偏差系数型算式 是将增量型算式展开后合并同类项而得到的,则有：,设,2)改进型数字式PID运算式,不完全微分算式 微分作用采用实际微分作用(KI积分增益足够大),设,位置型理想PID算式:,一阶惯性环节的离散化后的形式:,图PID控制算式的输出特性 a）理想微分式 b）非理想微分式,非理想微分的PID控制算式,微分先行PID算式 微分运算环节：,微分先行PID控制结构图,微分先行PID算式,偏差计算：,比例积分运算环节：,带不灵敏区的PID算式 在一定偏差范围内输出为
17、0,或,(B称为不灵敏区宽度),积分分离PID算式 在一定偏差范围内切除积分作用,例:,方法：PID控制算式的积分项前面乘上一个变量N,11.2.7 模拟控制器,控制器分类,模拟控制器数字控制器,控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较产生的偏差进行PID运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构（调节阀）的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其它工艺变量的自动控制。,主要内容：控制器的功能 基本构成环节的特性 DDZ型电动控制器工作原理 DDZ型仪表的主要性能指标,前 言,控制器的功能,控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器。此外，控制器一般
18、还具有以下功能：,(1)偏差显示(2)输出显示(3)提供内给定信号及内、外给定的选择(4)正、反作用的选择(5)手动操作与手动/自动双向切换(6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等,模拟控制器：DDZ型电动控制器,1 DDZ型控制器有两种：全刻度指示控制器和偏差指示控制器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。,2 功能：具有对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动/自动双向切换和阀位显示等功能。在基型调节器的基础上，可附加某些单元，组合成具有各种不同功能的调节器。,3 DD Z型仪表的主要性能指标测
19、量信号和内给定信号：15V（DC）；外给定信号和输出信号：420mA（DC）；基本误差一般为士05，少数品种为土02、土1.0、土15；响应时间不超过1S；输出交流分量一般不超过输出上、下限之差的 1；负载电阻一般为 250 750；供电 24V（DC）；测量和给定信号指示精度 1；比例度 2一500；积分时间 00122min（分两挡）；微分时间 00410min。,基型调节器线路原理图,基型调节器线路原理图,基型调节器线路原理图,基型调节器线路原理图,基型调节器的构成方框图基型调节器由控制单元和指示单元两部分组成。控制单元：输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操和硬手操电路指示单
20、元：测量信号指示电路和给定信号指示电路,基型调节器的电路分析,1 输入电路是由运算放大器等组成的偏差差动电平移动电路。它的作用：一是偏差检测与放大；二是电平移动。输出U012 比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号U01进行比例微分运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。它由无源RC比例微分电路和同相端输入运算放大电路串联而成。输出U023 比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号U02进行比例积分运算。输出U03,4 整机传递函数：调节器的PID 电路由上述的输入电路、PD电路和PI电路三者串联构成,TD F=1+Ti,设：,化简得：,5 输出电路的作用是将比例积分电路
21、输出的以UB为基准的15VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的420mADC输出电流I0。实际上是一个电压/电流转换电路。6 手动操作电路是在比例积分电路的基础上附加软手操和硬手操电路来实现的。手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式。软手操又称速度式手操，是指调节器的输出电流随手动输入时间而逐渐改变（积分作用）。硬手操是指调节器输出电流随手动输入而立即改变（比例作用）。,7 指示电路：在DDZ-III型调节中，有全刻度指示调节器和偏差调节器之分，前者以0-100%的刻度分别指示1-5VDC的测量信号和给定信号，后者指示测量信号和给定信号之差；二者的指示电路完
22、全一样。,PID电路阶跃输入信号的表达式,11.2.8 数字式控制器,数字控制器具有丰富的运算控制功能和数字通讯功能、灵活而方便的操作手段、形象而直观的数字或图形显示、高度的安全可靠性，实现了仪表和计算机的一体化。,（一）数字式控制器构成原理,*模拟控制器只由硬件（模拟元器件）构成，其功能由硬件构成形式决定。*数字式控制器由以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路和由系统程序、用户程序构成的软件二大部分组成。其功能由软件决定。,（二）数字式控制器的特点,1 智能化,2 适应性强,3 具备通讯能力,4 可靠性高,根据应用场合、规模和控制功能，可将基于微处理器的数字控制器分为：单回路或多回路控制器
23、；可编程序逻辑控制器(PLC)；工业控制计算机(IPC)；集散控制系统(DCS)；现场总线控制系统(FCS)。以下只讲单(或多)回路控制器，其它的数字控制器容后再述，并称其为数字控制器。,（三）数字式控制器的硬件电路,数字控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成。,用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。主机电路由微处理器、只读存储器、随机存储器、定时/计数器以及输入、输出接口等组成。,（1）CPU通常采用8位微处理器，完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能。（2）存储器：ROM存放系统程序；EPROM存放用户程序；RAM 存放
24、输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。,（1）主机电路,（3）CTC的定时功能用来确定控制器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲；计数功能主要用来对外部事件进行计数。（4）IO接口：IO接口是CPU同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件，它有并行接口和串行接口两种。并行接口具有数据输入、输出双向传送和位传送的功能，用来连接过程输入、输出通道，或直接输入、输出开关量信号。串行接口具有异步或同步传送串行数据的功能，用来连接可接收或发送串行数据的外部设备。,（2）过程输入通道,模拟量输入通道：,将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。它包括多路模拟开关、采样/保持器、A/D
25、转换器和信号放大器。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用 AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。常用的有逐位比较型、双积分型和V/F转换型等几种。有时为了降低成本，不采用专门的A/D转换器，而是利用DA转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。,开关量输入通道：,开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。,开头量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号。,为了抑制来自现场的干扰开关量输入通道常采用光电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。因为彼此间无公共接地点
26、，所以具有抗共模干扰的能力。,（3）过程输出通道,模拟量输出通道：,依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换，并经多路模拟开关送入输出保持电路暂存，以便分别输出模拟电压或电流信号。该通道包括D/A转换器、多路模拟开关、输出保持电路和V/I转换器。,DA转换器起数模转换作用。,VI转换器将15V的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。,开关量输出通道：,开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。,采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输,（4）人机联系部件,人机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。正面板有测
27、量值和给定值显示器、输出电流显示器、运行状态（自动串级手动）切换按钮、给定值增减按钮和手动操作按钮等，还有一些状态显示灯。侧面板有设置和指示各种 参数的键盘、显示器。有些控制器中附带后备手 操器。,（5）通信接口电路,通信接口将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。控制器的通讯部件包括通信接口芯片和发送、接收电路等。通信接口有并行和串行两种：并行传送是以位并行、字节串行形式，连续传送，其优点是数据传输率高，适用于短距离传输。串行传送为串行形式，即一次传送一位，连续传送。优点是所
28、用电缆少，成本低，适用于远距离传输。可编程调节器大多采用串行传送方式。,（四）数字式控制器的软件,数字式控制器的软件分为：系统程序和用户程序,（1）系统程序:,系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。,监控程序：监控程序使控制器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。其主要完成的任务有：,系统初始化 键盘和显示管理中断管理 自诊断处理 键处理 定时处理 通信处理掉电处理 运行状态控制,功能模块：功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使控制器实现用户所规定的功能。控制器提供的功能模块主要有：,数据传送 高值选
29、择和低值选择PID运算 上限幅和下限幅 四则运算 折线逼近法函数运算 逻辑运算 一阶惯性滞后处理 开平方运算 纯滞后处理 取绝对值运算 移动平均值运算 脉冲输入计数与积算脉冲输出 控制方式切换,（2）用户程序,用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果，其作用是使控制器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。,用户程序的编程通常采用面向过程POL语言(Procedure-Oriented Language)特点：容易掌握、程序设计简单、软件结构紧凑、便于调试和维修控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法：第一种：编程器与控制器通过总线连接共用一个CPU第二种：编程器自带一个CPU构成一台独立的仪表,重点与难点,比例控制规律的特点；比例增益与比例度积分作用；积分时间的定义与测定方法；积分增益与开环放大倍数微分作用；微分时间常数；微分增益；微分时间掌握模拟控制器的PID运算式，了解数字控制器的PID运算式模拟控制器的性能指标、电路分析和整机传递函数表达式数字控制器的硬件组成、软件组成和特点,
