第4章过程控制仪表

V03 4Rf
I0 I0' I f Ib I0'
I0
V03 4Rf
Rf 62.5 V03 1 5V I0 4 20 mA
4.1.6 手动操作电路及自动手动切换
① 软手动操作
V03
VM RM CM
t
t 为S4接通VM的时间。
② 硬手动操作 V03=-VH
③ 切换过程 无扰动切换：调节器的输出不能由于切换而发生变化。
u 15 13
t
作业:
1.有一比例积分调节器（智能单元型），测量值与 给定值均为12mA，若将比例度定在50％，积分时间定 在最大，调节器的作用方向定在反作用位置，则当测 量值由12mA 变化到13mA时，u将由12mA变化到什么 数值？当积分时间不是定在最大时，则情况又会如何？
2.某台智能单元型比例积分调节器，比例度为100 ％，积分时间为2分，稳态时，输出为5mA。某瞬间， 输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将变 化多少？
R3 R4 10K R1 R2 4R3
I0 I0' I f
VT
24 VB
R2 R3
R2
VB
VB 5
4 24 5
Vf VF VF V03 VB VF V03 VB
R4
R1
4R4
VF
4 5Vf
1 5
V03
VB
VT VF
Vf
24
1 4
V03
Vf 24 I0' Rf
I
' 0
⑶TI↑→积分作用↓，TI→∞，积分作用为零。
2.比例积分控制规律
u
Kc
e
1 TI
edt
W
S
U E
S S
Kc
1
1 TI S
e A
u
KcA
Kc TI
At
∆uP
比例 t ∆uI
积分 t ∆u
t
PI
t TI u 2Kc A
积分时间： 在阶跃偏差作用下，积分作用的输出达到比例作用 的输出所经历的时间。
第四章 过程控制仪表
基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响
4.1 DDZ—Ⅲ型调节器
4.2 改进型调节器 4.3 数字式调节器 4.4 执行器 4.5 电—气转换器和阀门定位器
基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
测量信号Z:代表被控参数大小的信号 给定信号X:代表规定值之大小的信号 偏差信号e: 给定值与测量信号之差 (X-Z) 控制信号u: 用以改变控制作用大小的信号
测量元件——浮球 调节器——杠杆 执行器——调节阀
液位控制系统 a
e
b u
e
比例控制系统示意图
u Kce
W
S
U E
S S
Kc
a
a e
e
b u
u b
Kc —放大倍数,可调整
比例控制规律的输出变化量与输入偏差e成正比。
Kc↑ 控制作用↑ Kc↓ 控制作用↓
⑵比例度
由于比例增益Kc是有量纲的量，在工程上常将其转换
K 1
1 100%
Kc
↓ Kc↑ 控制作用↑ ↑ Kc↓ 控制作用↓
⑶比例控制系统的过渡过程 Q2↑→Q2′〉Q1→h↓→ Q1↑ →Q1′= Q2′
ab
比例控制系统示意图
⑷比例度对过渡过程的影响
ab
比例控制系统示意图
τ↓ T↑ K0↓ δ↓ τ↑ T↓ K0↑ δ↑
⑷优、缺点 优点：控制及时，简单、可靠 缺点：余差存在
液位 电磁线圈 阀门 进料 液位
H＞H0 H＜H0
通电 断电
关闭 切断进料 H→H0 打开 进料 H→H0
中间区： 被控参数有一定的变化范围
3.品质指标：振幅、周期 原则：使振幅在允许的范围内，尽可能的使周期延长。 4.特点：结构简单、成本低、易实现
二、比例控制
1.比例控制规律及比例度 ⑴控制规律
四、比例积分微分控制
㈠理想微分控制规律
de u TD dt
TD—微分时间
t=t0， de/dt→∞，Δu→∞
t >t0，de/dt=0， Δu=0
e(mA)
2
0 t0
t
u(mA)
“∞”
0
“0”
t
t0
特点： ①不管有无输入和它的数值如何，只要输入不改变， 微分作用的输出总是零。
②不能消除偏差，不能单独使用。
VF
s
-
1
a
V02
s
VT
s
V01 s
n
n
1 n V01
s
RD
RD 1
CD s
1 n
1 nRDCDs 1 RDCDs
V01
s
VT s VF s V02 s aVT s
V02
s
a
n
1 nRDCDs Biblioteka RDCDsV01s
设：
KD n TD nRDCD KD RDCD
V02
s
a
KD
1 TD 1 TD
成一个无量纲的量：比例度
比例度使调节器输出变化全范围时,输入偏差改变了 满量程的百分数。
e
xmax xmin 100%
u umax umin
例如：一台比例调节器，输入信号的变化范围为 100℃～200℃，输出信号的变化范围为4～20mA， 当输入变量从140℃变化到160℃时，调节器输出信 号从12mA～16mA，问该调节器的比例度？
三.比例积分控制
1.积分控制规律
1
u TI edt
TI —积分时间
e A
u 1 edt 1 At
TI
TI
e（mA）
A
0
t
Δu（mA）
TI1 TI2
TI3
0
t
TI1<TI2<TI3
特点：
⑴△u与e的积分成比例,有e存在,输出就会变化,直到 e=0,u才稳定,故可消除余差。
⑵动作缓慢控制不及时,一般不单独采用。
调 节 器:根据测量值与给定值所的偏差按一定的数学 运算规律输出操纵值。
控制规律: u f e f z x
基本控制规律：位式控制 比例控制 积分控制 微分控制
一、双位控制
1.双位控制规律
umax u=
umin
e＞0 （e＜0） e＜0 （e＞0）
u umax
e umin
理想双位控制规律
2.实例
解: ① 该调节器为PI控制规律
u 12.5 12 Kc e 1 0.5
1 100% 200%
Kc
14
12
0.5
1
1 TI
6
0
1dt
TI 2
答：调节器的比例度为200%、积分时间为2分、 微分时间为0
例3：有一台PI调节器，=100%，TI =1分，
输入、输出信号： 4～20mA 。
1 TI S
1 TDS 1 TD S
KD
u
Kc
A
Kc TI
At Kc A
KD 1
KD t
e TD
特点：
Δu (mA)
⑴集P、I、D三者之优点，
A
克服其不足；
0
t
⑵实际系统并非PID是最好，
应根据具体情况进行选择。
常用的控制规律：P PI PID
正反作用：e=Z-X 正作用：正偏差越大，
VT
KVs 1 K
VT VF K 2
V01 K Vs Vi V01 2Vi Vs
① vi +VCM，VCM的引入将产生运算误差。
②
VF
VT
2 1
3
5V 0.67
3.3V
共模输入范围（2～19）V
偏差差动电平移动电路
Vi VCM1
VF
VB
1 2
V01
VF
VF VCM 2
R
㈡实际的微分控制规律
W
S
U E
S S
1 TD 1 TD
S S
A
KD
KD—微分增益
e=A E s A
s
KD t
u A A KD 1 e TD
实际微分规律是由两部分组成：比例和近似微分。 比例度 =100% （Kc=1）
㈢比例微分控制规律
理想：
u
Kc
e
TD
de dt
W
S
U E
S S
解：
20 /100 100% 80%
4 /16
当测量温度变化了全量程的80%时，调节器的输出 从4mA～20mA。在这个范围内，温度的变化与调节器 的输出u是成比例的。
0% Δumin
80% 100% Δe%
Δumax
umax
=50%
=100%
umax-umin 2
umin 0
=200%
e
A
t0
△u
KcA
t
t
t0
比例
△u
Kc(KD-1)A
t
t0
微分
△u
63.2% 100%
KcA TD/KD
t
PD
㈣比例积分微分（PID）控制 理想：
u(mA)
“∞”
u
Kc
e
1 TI
edt
TD
de dt
0
t
t0
W
S
U E
S S
Kc
1
1 TI S
TD S
实际：
W
S
U E
S S
Kc
1
Kc
1
TD S
实际：
t=0
t TD KD
W
S
U E
S S
Kc
1 TDS 1 TD S
KD
KD t
u Kc A Kc A KD 1 e TD
u Kc A Kc AKD 1
u Kc A K c AKD 1e1 Kc A 0.368Kc AKD 1
T TD KD
TD KDT
TD↑ 微分作用↑ TD↓ 微分作用↓
e(mA)
A 0
Δu(mA)
Kce Kce
t
0
t
TI
积分时间对过渡过程的影响 TI ↑ 积分作用↓ TI ↓ 积分作用↑ TI→∞ ？？？
特点：及时、消除余差
⑴ P动作快,I消除余差。 ⑵ 当TI→∞时,积分作用趋于零，PI→P。 ⑶TI↓→积分作用↑→系统稳定性↓。
适用于滞后小,负荷变化不大,不允许有余差要求 的场合。如：压力、流量、温度等控制系统及不允 许有余差的液位控制等。
则调节器输出越大； 测量值越大， 反作用：负偏差越大，
则调节器输出越大。 测量值越小，
例1、当电动智能调节器的测量指针由50％变化到25％， 若调节器的纯比例输出信号由12mA下降到8mA，则调 节器的实际比例度为多少？并指出调节器的作用方向。
解： ∵ e 50% 25%20 4 4mA
u 12 8 4mA
解2：
u
Kc
e
1 TI
edt
u
0.2+
1 2
5 0
0.2dt
0.2 0.5=0.7mA
答：调节器的输出将变化0.7mA。
4.1 DDZ—Ⅲ型调节器
Ⅲ型仪表的特点：
1.采用线性集成电路 2.采用国际标准信号制
4～20mA现场传输信号 1～5V 控制室联络信号
信号传输方式为：电流传送—电压接收的并联制。
优点：① 容易识别断电、断线等故障。 ② 采用并联信号制。 ③ 现场变送器：两线制
这两根线即是电源线，又是信号线。这样不但节省 了大量的电缆线和安装费用，而且有利于安全放爆。
3.集中统一供电(24VDC) 4.整套仪表可构成安全火花型防爆系统
安全栅：实现了控制室与危险场所之间的能量 限制与隔离
DDZ—Ⅲ型调节器
1 100% e 100% 4 100% 100%
Kc
u
4
又 ∵ 测量值减少时，调节器输出减少，
∴ 是正作用方向
答:调节器的实际比例度为100%，调节器是正作用方向。
例2、实验测得标准信号为4～20mA电动调节器的阶跃响 应曲线，如图所示。
问：① 该调节器的控制规律？ ② 调节器的比例度、积分时间、微分时间？
50%
e% 比例度示意图
100%
⑶ 与放大系数Kc的关系
e
xmax xmin 100%
u umax umin
e umax umin 100% u xmax x min
Kc
u e
K umax umin xmax xmin
K 100%
Kc
对于单元组合仪表
umax umin xmax xmin
s s
V01
s
KD
V02
t
a
KD
1 KD
KD t
1 e TD
V01 t
当t=0时 t：∞
V02 aV01
V02
a
KD
V01
4.1.3 比例积分（PI）电路
V02 s V02 s V03 s
1
mRI
1
CI s
CM s
V03
s
CI CM
V02
s
1 mRI CM
s
V02
s
CI CM
V02
s
1 mRI CI
s
V
02
s
V03
CI CM
V02
1 mRI CI
V02dt
设： TI mRI CI
V03
CI CM
V02
1 TI
V02dt
"1" 档时 m 1 TI RICI
"10" 档时 m 10 TI 10RICI
4.1.4 整机传递函数
4.1.5 输出电路
解1：∵ 50% e 1312 1mA TI :
1 100% 50%
Kc
Kc 2
u Kce 2mA
又 ∵ 调节器的作用方向定在反作用位置。 测量值增加，输出将减少。
u 12 2 10mA
答:u将由12mA变化到10mA。
当积分时间不是定在最大时，u将一直减小下去， 直到最小值。
R
R
VF
1 3
Vi
VCM 1 VCM 2
1 2
V01
VB
0伏
1
VT
3
Vs VCM1 VCM 2 VB
VT VF
V01 2Vi Vs
输出信号VO1与导线压降VCM1、VCM2无关 VT=VF=（3.7～5.7）V
4.1.2 比例微分（PD）电路
（VF=-1/aV02） V02= aVT
① 虚地原理
vi
v0 Av
A
Zf
Z1 vi
Av
v0
② 差动输入信号与共模输入信号
vi vid v1 v2
v1
vic
v1
v2 2
v2
A V0
要满足共模输入信号范围，否则放大器无法正常工作。
4.1.1 输入电路
Vi VF VF V01
R
KR
VF
Vi K V01 1 K
Vs VT VT R KR