第4章过程控制仪表ppt课件.ppt

过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表第4章 过程控制仪表控制仪表2根本控制规律3 1位式控制律位式控制律PID控制律控制律模拟式调理器模拟式调理器数字式调理器数字式调理器可编程控制器可编程控制器§4-1 根本控制规律o过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的特过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的特性o控制器的特性，就是指控制器的输出信号随着输入信号变化控制器的特性，就是指控制器的输出信号随着输入信号变化的规律，又称作控制律的规律，又称作控制律euy ro在过程控制中，控制器的输入定义为被控变量的丈量值 y与给定值 r 的偏向 e ： o e = y-ro控制器的输出就是控制器送往执行器的控制信号u，所以控制器中的控制规律可以用下面的数学关系表示：o u = f (e)Øe>0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下△△u>0，称为正作用控制器；，称为正作用控制器；Øe>0,并且在控制律作用下并且在控制律作用下△△u<0，称为反作用控制器称为反作用控制器§4-1 根本控制规律p最简单的控制律：位式控制pPID控制律：比例控制〔P〕，积分控制〔I〕，微分控制〔D〕，以及PID组合。

§4-1 根本控制规律一、位式控制o位式控制规律可分为双位控制和多位控制o双位控制的特性可以用下面的数学表达式来描画例：储槽液位控制例：储槽液位控制槽内装有磁浮子液位槽内装有磁浮子液位传感器，作为液位的传感器，作为液位的丈量安装磁浮子液丈量安装磁浮子液位传感器的一端与继位传感器的一端与继电器的线圈电器的线圈 J 相接；相接；另一端正益处于液位另一端正益处于液位给定值的位置给定值的位置流体经装有电磁阀流体经装有电磁阀 V的管线进入贮槽，再的管线进入贮槽，再由出料管流出由出料管流出液位给定值液位给定值双位控制律：双位控制律： 当液位低于给定，舌簧当液位低于给定，舌簧管不吸合，继电器管不吸合，继电器J断开，断开，电磁阀电磁阀V全开，流体流全开，流体流入贮槽，入贮槽，H上升当液体高于给定，舌簧当液体高于给定，舌簧管吸合，继电器管吸合，继电器J接通，接通，电磁阀电磁阀V全关，流体不全关，流体不再进入贮槽，再进入贮槽，H下降如此反复循环如此反复循环液位给定值液位给定值o双位控制律优点：o控制律简单，对控制器硬件要求低，容易实现o双位控制律缺陷：o执行部件的动作非常频繁，这样使系统中的运动部件〔继电器、电磁阀〕易于损坏，降低了控制系统的可靠性。

o改良双位控制律：具有中间区的双位控制p具有中间区的双位控制器具有中间区的双位控制器p控制律可表示为：控制律可表示为：例：具有中间区的双位控例：具有中间区的双位控制律：制律： 当液体高于给定当液体高于给定yH ，上，上舌簧管吸合，继电器舌簧管吸合，继电器J接接通，电磁阀通，电磁阀V全关，流体全关，流体不再进入贮槽，不再进入贮槽，H下降但是留意：当液位低于但是留意：当液位低于yH，电磁阀，电磁阀V继续全关继续全关当液位低于给定当液位低于给定yL，下舌，下舌簧管断开，继电器簧管断开，继电器J断开，断开，电磁阀电磁阀V全开，流体流入全开，流体流入贮槽，贮槽，H上升但是留意：上升但是留意：当液位高于当液位高于yL，电磁阀，电磁阀V继续全开继续全开如此反复循环如此反复循环yHyL位式磁浮位式磁浮子液位传子液位传感器感器p具有中间区的双位控制曲线如以下图所示：具有中间区的双位控制曲线如以下图所示：阀关阀关阀开阀开To具有中间区的双位控制优点：具有中间区的双位控制优点：o构造简单，本钱较低，且易于实现构造简单，本钱较低，且易于实现o具有中间区的双位控制缺陷：具有中间区的双位控制缺陷：o 被控变量总是处在震荡过程，控制质量低。

被控变量总是处在震荡过程，控制质量低o适用场所适用场所o适用于某些对控制质量要求不高的运用场所适用于某些对控制质量要求不高的运用场所o如：空气紧缩机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温如：空气紧缩机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温度控制等度控制等p最简单的控制律：位式控制p过程控制中：pPID控制律：比例控制〔P〕，积分控制〔I〕，微分控制〔D〕，以及PID组合§4-1 根本控制规律二、比例控制 1. 比例控制规律比例控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏向成比例关系，普通用字母 P 表示 比例控制规律的数学表达式为： u = KP e 式中 u ― 控制器的输出变化量； e ― 控制器的输入，即被控变量丈量 值与控制器的给定值之差； KP― 比例控制的放大倍数，又称为比 例增益Ø比例控制规律的开环阶跃呼应特性如图比例控制规律的开环阶跃呼应特性如图:euttAKPA显然，在输显然，在输入偏向一样入偏向一样的情况下，的情况下，KP越大，控越大，控制器的输出制器的输出变化量也越变化量也越大，控制造大，控制造用就越强。

用就越强 o在过程控制中习惯于采用比例度在过程控制中习惯于采用比例度(也称比例带也称比例带)来衡来衡量比例控制造用的强弱量比例控制造用的强弱o比例度的定义可以用下式来表示比例度的定义可以用下式来表示:o比例度：指控制器的输入相对变化量与对应的比例度：指控制器的输入相对变化量与对应的输出相对变化量的百分比输出相对变化量的百分比p物理意义：代表使控制器的输出全范围变化时，物理意义：代表使控制器的输出全范围变化时，所需求的被控变量的变化范围只需当被控变量所需求的被控变量的变化范围只需当被控变量在这一范围内变化时，控制器的输出才与偏向成在这一范围内变化时，控制器的输出才与偏向成比例，假设超出了比例，假设超出了“比列带〞，控制器的输出将比列带〞，控制器的输出将暂时失去比例控制造用暂时失去比例控制造用例：在一个电动比例控制器构成的温度控制系统中，被例：在一个电动比例控制器构成的温度控制系统中，被控变量检测仪表的量程范围为：控变量检测仪表的量程范围为：200-300℃℃，控制，控制器的输出范围为器的输出范围为0-10mA，当温度从，当温度从250 ℃℃变化到变化到270 ℃℃，相应的控制器输出信号从，相应的控制器输出信号从4mA变化到变化到9mA，控制器的比例度？，控制器的比例度？物理意义：比例度物理意义：比例度40%阐明，只需温度变化阐明，只需温度变化40%(40 ℃℃ )，就可以使控制器的输出信号从，就可以使控制器的输出信号从0mA变化到变化到10mA. p在用在用DDZ-ⅢⅢ仪表构成的控制系统中，由于变送器仪表构成的控制系统中，由于变送器和控制器都是采用一致的规范信号：和控制器都是采用一致的规范信号：4-20mA，，1-5V。

p这阐明两者互为例数关系，即δ越小，KP越大，比例控制造用越强；δ越大，KP越小，比例控制造用越弱p比例度δ和放大倍数 KP的关系可进一步简化为：2．比例控制的特点．比例控制的特点o显著特点：有差控制，只需当偏向出现，才产生显著特点：有差控制，只需当偏向出现，才产生控制动作，偏向越大，控制器输出变化也越大控制动作，偏向越大，控制器输出变化也越大快速及时快速及时o缺陷：有余差缺陷：有余差o适用场所：比例控制系统适用于干扰较小、不频适用场所：比例控制系统适用于干扰较小、不频繁，对象滞后较小而时间常数较大，控制准确度繁，对象滞后较小而时间常数较大，控制准确度要求不高的场所要求不高的场所p减小比例度的影响如图：减小比例度的影响如图：减小比例度减小比例度3．比例度对控制过程．比例度对控制过程的影响的影响p从静态和动态两个方面思索：从静态和动态两个方面思索：p比例度对系统静态特性的影响是：减小比例度比例度对系统静态特性的影响是：减小比例度〔即增大放大倍数〔即增大放大倍数 KP〕，减小控制过程到达〕，减小控制过程到达稳态时的余差稳态时的余差p对动态特性的影响：减小比例度〔即增大放大对动态特性的影响：减小比例度〔即增大放大倍数倍数 KP〕，影响到系统的动态特性，使控制〕，影响到系统的动态特性，使控制系统的稳定性下降。

系统的稳定性下降三、积分控制 1．积分控制规律及其特点积分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏向的积分成比例关系，普通用字母 I 表示积分控制规律的数学表达式为：式中式中 Ti ― 积分时间常数，是一个可调的常数积分时间常数，是一个可调的常数Ø积分控制造用积分控制造用的特性可用在阶的特性可用在阶跃输入作用下的跃输入作用下的输出呼应曲线来输出呼应曲线来阐明Ø当控制器输入当控制器输入偏向偏向 e 为常数为常数 A 时：时：偏向只需存在，积分控制造用就存在，直到偏向消除偏向只需存在，积分控制造用就存在，直到偏向消除积分控制规律的特点：o优点：积分作用可以消除余差，这是积分控制规律最显著的特点；o缺陷：不能及时抑制干扰，会使控制系统的稳定性下降；o运用场所：积分控制规律普通不单独运用2．比例积分控制规律o比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控制规律结合而成，普通用字母 Pl 表示o比例积分控制规律的数学表达式为：oPI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速抑制干扰，又能消除系统的余差当输入偏向是一幅值为当输入偏向是一幅值为 A 的阶跃变化时，比例积分控制器的输的阶跃变化时，比例积分控制器的输出变化特性曲线如下图。

出变化特性曲线如下图3．积分时间对过渡过程的影响．积分时间对过渡过程的影响o比例积分〔PI〕控制器，比例度δ〔或比例增益 KP〕和积分时间 Ti 都是可调参数o讨论：比例度一定，积分时间 T i过大和过小对控制效果的影响 Ø积分时间无穷大，只需比积分时间无穷大，只需比例控制造用；例控制造用；Ø积分时间过大，积分作用积分时间过大，积分作用太弱，消除余差的过程很慢太弱，消除余差的过程很慢〔见曲线〔见曲线 b ) ；；Ø只需当只需当 T i适当时，过渡适当时，过渡过程能较快地衰减，而且没过程能较快地衰减，而且没有余差〔见曲线有余差〔见曲线c〕；〕；Ø积分时间太小，控制器的积分时间太小，控制器的输出变化太快，使过渡过程输出变化太快，使过渡过程振荡太猛烈，系统的稳定性振荡太猛烈，系统的稳定性大大下降〔见曲线大大下降〔见曲线 d ) P型控制器型控制器1．微分控制规律及其特点．微分控制规律及其特点 微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏向微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏向的变化速度成比例，普通用字母的变化速度成比例，普通用字母 D 表示微分控制规律的数学表达式为：微分控制规律的数学表达式为： 四、微分控制四、微分控制Ø当输入偏向信号为幅值当输入偏向信号为幅值 A 的阶跃变化时，微分控制的阶跃变化时，微分控制特性呼应曲线如下图。

特性呼应曲线如下图Ø实践上的工业控制器采实践上的工业控制器采用的都是采用一种近似的用的都是采用一种近似的微分作用，它在阶跃输入微分作用，它在阶跃输入作用下的开环呼应特性如作用下的开环呼应特性如下图Ø在阶跃输入的瞬间，输在阶跃输入的瞬间，输出忽然升到一个较大的值，出忽然升到一个较大的值，然后按指数规律衰减至零然后按指数规律衰减至零Ø变化特性可用下面的数变化特性可用下面的数学表达式描画：学表达式描画：微分控制规律的特点：o优点：微分作用是根据偏向的变化速度来进展控制，优点：微分作用是根据偏向的变化速度来进展控制，偏向变化速度越大，控制器输出越大对固定不变偏向变化速度越大，控制器输出越大对固定不变的偏向，控制器输出为零由于微分作用总是力图的偏向，控制器输出为零由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有提高控制系统稳定抑制被控变量的变化，所以它有提高控制系统稳定性的作用性的作用o缺陷：不能消除余差缺陷：不能消除余差o运用场所：微分控制规律普通不单独运用运用场所：微分控制规律普通不单独运用2．比例微分控制规律．比例微分控制规律o理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：p当输入偏向信号为幅值A 的阶跃变化时，实践比例微分控制开环输出呼应特性如下图。

o比例积分微分控制规律是由比例、积分和微比例积分微分控制规律是由比例、积分和微分三种控制造用组合而成，普通用字母分三种控制造用组合而成，普通用字母PID 表示o理想的理想的PID控制规律的数学表达式为：控制规律的数学表达式为：五、比例积分微分控制五、比例积分微分控制PID工业工业PID控制器控制器开环特性：开环特性：工业工业PID控制器控制器eeΔuΔuPID控制特点：控制特点：比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成由于在由于在 PID 控制器中，比例度控制器中，比例度δ、积分时间、积分时间 Ti 和微分时间和微分时间 TD 三个参数都是可调的，所以，只需这三个参数选择的适三个参数都是可调的，所以，只需这三个参数选择的适宜，就可以获得良好的控制质量宜，就可以获得良好的控制质量PID控制器可实现三种控制规律控制器可实现三种控制规律假设将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；假设将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；假设将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；假设将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；假设将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控假设将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制器。

制器数字式调理器数字式调理器模拟式调理器模拟式调理器DDZ-ⅢⅢ型调理器型调理器§4-2 控制仪表可编程控制器可编程控制器PLCKMM可编程调理器可编程调理器过程控制仪表：过程控制仪表：p模拟式调理器模拟式调理器p主要功能主要功能p接纳信号：接纳信号：1-5V DC信号p实现偏向计算：将接纳信号与给定值信号进实现偏向计算：将接纳信号与给定值信号进展比较，得到偏向信号展比较，得到偏向信号pPID控制律计算：将偏向信号进展控制律计算：将偏向信号进展PID运算，运算，产生相应的产生相应的4-20mA控制信号控制信号p具备相应值的指示功能具备相应值的指示功能一、 DDZ-Ⅲ型调理器构成原理构成原理由两大部分由两大部分构成构成设定值设定值丈量值丈量值一、 DDZ-Ⅲ型调理器控制单元：由自动操作和手动操作组成按一定的变按一定的变化率改动化率改动直接改动输直接改动输出信号出信号一、 DDZ-Ⅲ型调理器控制单元的内外给定值功能：实现复杂控实现复杂控制的需求制的需求一、 DDZ-Ⅲ型调理器控制器的正反作用功能：一、 DDZ-Ⅲ型调理器一、 DDZ-Ⅲ型调理器主要构成主要构成二、 KMM可编程调理器硬件部分：硬件部分： 主机部分〔主机部分〔CPU，，ROM，，RAM〕〕模拟量输入模拟量输入-输出通道〔输出通道〔AI-AO〕〕数字量输入数字量输入-输出通道〔输出通道〔DI-DO〕〕通讯接口通讯接口正面板，侧面板正面板，侧面板软件部分：软件部分：系统程序和用户程序系统程序和用户程序二、 KMM可编程调理器KMM正面板上控制方正面板上控制方式选择式选择:手动方式〔手动方式〔M〕〕自动方式〔自动方式〔A〕〕串级方式〔串级方式〔C)SP〔〔SV〕表示给定值〕表示给定值PV表示丈量值表示丈量值二、 KMM可编程调理器p数字式调理器数字式调理器p主要功能主要功能p输入信号处置功能〔温度补偿、开平方等〕输入信号处置功能〔温度补偿、开平方等〕p输出信号处置功能输出信号处置功能p运算处置功能〔加减乘除、运算处置功能〔加减乘除、PID控制计算等控制计算等〕〕p控制方式选择〔手动、自动、串级〕控制方式选择〔手动、自动、串级〕p自诊断功能自诊断功能p通讯功能通讯功能p指示功能指示功能数字温度控制器数字温度控制器 o具有可定义的多种输入类型，包括热电偶，具有可定义的多种输入类型，包括热电偶，Pt100型铂热电阻和高规范过程输入。

型铂热电阻和高规范过程输入 o控制回路均可被定义为控制回路均可被定义为PID，，On/Off 开开关量或阀位关量或阀位 oPID控制输出可用于继电器、逻辑、双向控制输出可用于继电器、逻辑、双向可控硅或直流等输出，此时，阀位输出应可控硅或直流等输出，此时，阀位输出应是继电器控制量，双向可控硅触发脉冲或是继电器控制量，双向可控硅触发脉冲或逻辑量 o自整定和自整定和PID增益表功能可以和过程最优增益表功能可以和过程最优简化调试、优化过程简化调试、优化过程 o开放的通讯功能，可以运用的通讯协议有：开放的通讯功能，可以运用的通讯协议有：Modbus, EI-Bisyncho控制器组态可经过前面板操作界面实现，控制器组态可经过前面板操作界面实现，也可运用组态软件包来实现也可运用组态软件包来实现 课程小结课程小结过程控制仪表：过程控制仪表： 了解位式控制规律了解位式控制规律掌握掌握PID三种根本控制规律、特点三种根本控制规律、特点掌握理想掌握理想PID控制器的控制算式，控制器的控制算式，KP、、TI、、TD与控与控制输出的关系制输出的关系了解了解DDZ-III调理器的特点及主要功能调理器的特点及主要功能。

了解了解KMM可编程调理器构成及主要功能可编程调理器构成及主要功能自动化系先进控制技术研讨所。