5.第五章 自动控制仪表

操作站
功能：信号的采集、运算（决策）、控制信号的输出、报警 处理、网络通信（与其它控制站或者与操作站）……
控制站（器） ……
IPC、数字调节器、PLC、专用控制器……
系统的设计 硬件设计和实现★ 软件设计和实现
PLC概述
早期
逻辑控制为主
可编程逻辑控制器 Programmable Logical Controller ——PLC

1 p K pe T1 edt
积分时间Ti的影响

Ti值过小
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。


Ti值过大
– 积分作用不明显，调节时间长，余差大。
Ti值适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
无余差。
3. PD调节
加入微分调节的目的：防止出现超调现 象。 微分调节方法：输出量与输入偏差对时 间的微分成正比。——根据被控参数变 化的快慢进行调节，属超前控制。 对于固定的偏差，没有输出。因而不能 消除余差，通常与比例调节共同使用。
四、各种仪表的优缺点： 基地式控制仪表
– 结构简单，价格低廉，使用方便。通用性差。
ห้องสมุดไป่ตู้

单元组合式控制仪表
– 按功能的不同分成不同的单元，每个单元只
完成一种功能。气动表：20-100kPa；二型 电动仪表：0-10mA；三型电动仪表：420mA

计算机控制系统
– 灵敏、可靠、价廉、性能好。
§5.2 基本控制规律
C B A


控制结果： 将液位限制在BC之间。
限位控制的过渡曲线
p t
y yH yL t
限位控制器电路举例
24V DC 控 B A C C B A B C 电磁阀 AB断开——阀门开启 ； AC接通——阀门关闭 0
二、连续控制——PID控制
根据输入量与设定值差异的大小连续调整 输出量的大小。 分类：
初 衷——开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统
美国数字设备公司DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出了世界上第一台 可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用
PLC的特点
可靠性高、抗干扰能力强 功能完善，通用灵活
编程简单、使用方便
此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、
计算 电路 CPU
AIO
模拟量信号 DIO I/O
DI/O I/O
数字量控制器的分类

单回路数字控制器
– 为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的
简易计算机控制系统。

PLC控制器
– 具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门
的编程语言。

商用计算机
– 基于高性能商用CPU的计算机系统，可使用多种高
控制规律：控制系统输入与输出之间的 关系。 按控制目标分类：

– 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制
器改变输出状态； – 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差 值）连续调整输出（控制参数）。
一、限位控制

控
控制规律
– AB断开，低位，开启阀门； – AC导通，高位，关闭阀门。
p max AB 导通 p p min AC 导通
仪表整体为长 方体，伸入控 制箱（盘）内 部 PID参数设定 位于仪表内部， 拉开整个仪表， 可用螺丝刀调 整变阻器。

§5.3 数字量控制器
通过A/D，D/A转换，可以实现模拟量与 数字量之间的相互转化。 数字量控制器的基本结构原理为：

模拟量信号 A/D 模拟量信号 D/A
AI/O
模拟量信号
第五章 自动控制仪表 §5.1 概述
三、控制仪表的分类： 基地式控制仪表
– 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。

单元组合式控制仪表
– 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出
相应的控制信号。

计算机控制系统
– 以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行
机构等单元为外围设备的系统。
第五章 自动控制仪表 §5.1 概述

KP（ ）值的影响

KP值过大（ 值过小）
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产
生大幅振荡。

KP值过小（ 值过大）
– 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。

KP值（ 值）适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
有一定的余差。
比例控制的特点
反应快，控制及时；有偏差信号输入时，输出 信号立刻与它成比例的变化，偏差越大，输出 的控制作用越强。 比例作用后，新的稳态值与原来的稳态值之间 存在余差。
可编程序控制器 (可编程控制器 )
本义 Programmable Controller ——PC
现代PLC绝不意味着只有逻辑控制的功能，它是一种以微处理器为基础，综合 了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控 制装置；具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系 列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使PLC广 泛应用于各种工业领域。

软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 硬手动：瞬间直接改变输出值。

显示功能
– 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、
（输出）限位报警。

调整功能
– 给定输入调整： – 控制参数整定：
无干扰切换
在不同的控制方式相互切换过程中，输 出参数和系统状态不发生突变。 无干扰切换的实现：

de p K p e Td dt
微分时间TD的影响

TD值过大
– 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有
时甚至会出现大幅振荡。

TD值过小
– 积分作用不明显，超调量大。

TD值适中
– 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。
特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。

– 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使
输出值与自动输出值保持一致。
二、 DDZ—Ⅲ电动控制器 3. 结构原理
外给定值
内给定 电路 输入 电路
给定显示 PD 电路 PI 电路
测量信号
输出 电路
输出信号
显示 电路
软 手 动 电 路
硬 手 动 电 路
二、 DDZ—Ⅲ电动控制器 4. 外形结构
炉温控制
PLC的产生
在PLC问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由 继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差： · 需要使用大量的继电器 · 继电器间通过硬接线相连接 · 一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系 统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统
原动力——60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展
第五章 自动控制仪表 §5.1 概述
一、控制系统按被调参数的变化规律分类： 定值调节系统：给定值为常数； 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化； 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。 二、控制目的的实现： 通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输 出——简单； 将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控 制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。
4~20mA DC 或 1~5V DC，信号电流与电压的转换 电阻为250。

高度集成化，可靠性高，维修量少。 全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表 无须单独设置电源。 功能齐全，结构合理。 具有本安（本质安全）性能。
二、 DDZ—Ⅲ电动控制器 2. 基本功能

控制功能
– 自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。 – 手动控制：由人工直接设定输出值——遥控执行器。
体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，
使得PLC在设计、结构上具有其它许多控制器所
无法相比的优越性。
PLC的发展趋势
长期以来PLC走的是专有化的道路，这使其获得成功的同时也带来了
许多制约因素，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件
或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。就PLC系统而言，现代PLC 主要有以下二种发展趋势： 向大型网络化、综合化方向发展 向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展

– P控制——比例控制 – PI控制——比例积分控制
– PD控制——比例微分控制
– PID控制——比例微分积分控制
1. P调节
输出量与被控量的差值成正比。 P= KP · e 放大倍数KP：输出量与被控量的差值的 比例系数。 比例度：控制器输入变化相对值与相应 的输出变化相对值之比的百分数。 放大倍数KP与比例度成反比
4. PID调节
同时采用比例、积分、微分调节方法。 通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等 三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。 采用比例积分微分（PID）调节，既能快速进行控 制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行 有效的控制，因而具有较好的控制性能。 PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用 的控制方法。

放大器
– 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。
反馈环节
– 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，
以实现比例、积分、微分等控制规律。
给定信号 比较环节 偏差
放大器 反馈环节
输出信号
测量信号
-
二、 DDZ—Ⅲ电动控制器 1. 仪表的特点

–
采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准 信号：

注：