工业自动化仪表与系统课件PPT(共 45张)
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• 模拟调节器
采用模拟技术，以运算放大器等模拟器件为基本部件。 模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基 本结构包括比较环节、反馈环节放大器等。比较环节
• 比较环节
将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器 是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。
• 反馈环节
控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通 过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。
整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅， 实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。
有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具
有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为 在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不 变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。
工业自动化仪表与系统
• 工业自动化仪表的分类 • 常用工业自动化仪表的工作原理 • 典型工业过程测控系统的构建
一、工业自动化仪表的分类
• 能源分类 • 结构分类 • 信号类型
1、能源分类
• 气动仪表
特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格 便宜，且在本质上是安全防爆的。
• 电动仪表
特点：信号的传输、放大、变换处理比气动仪 表容易，便于远距离监视和操作，还易于与计算 机等现代技术工具联用。
• 液动仪表
2、信号类型分类
• 模拟式
特点：线路较简单，操作方便，价格较低，在设 计、制造、使用上有较成熟的经验。
• 数字式
特点：以微型计算机为核心，功能完善，性能优 越，编程灵活。
3、结构分类
• 基地式控制仪表
以指示、记录为主体，附加控制机构组成。
• 单元组合式控制仪表
根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使 用要求，将整套仪表划分成独立实现某种功能的 若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。
１.比例调节
比例控制的输出与输入的关系为：y＝Kpe
KP是比例增益，它决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。 KP越小，
比例控制作用越弱。
特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马
上与偏差成比例地变化）
２．比例积分调节
比例积分作用的数学表达式为：
yKp(e1
• 组装式综合控制装置
在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能 分离、结构组件化的成套仪表装置。
• 集散控制系统
计算机控制装置。特点“集中管理、分散控制。
• 现场总线控制系统
全分布式的新型控制网络，特点”结构网络化 和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操 作性和功能自治性，以及对环境的适应性。
Êý ¾Ý Éè ¶¨Æ÷
Êä Èë ½Ó ¿Ú
ROM RAM
CPU
Óà »§
µç Ô´
ROM
Êä ³ö ½Ó ¿Ú
Êý Ö×
ͨѶ ¿Ú
ÏÔ Ê¾ Æ÷
Ä£ Äâ
¶à
·
A/D ¼° D/A
Êä ¿ª
Èë
• 单回路数字控制器
单回路数字控制器简介
• 概述
单回路数字控制器是以微处理机为核 心，接收和输出都可以是4~20mA DC标准的、 连续的电模拟量信号；内部处理信号为数 字量，可由用户编制程序，可组成多种控 制规律的一种数字式过程控制装置。
结构原理:
Ãæ å°¿ª ¹Ø Êä Èë
Êý Ö×
• 放大器
放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器 中可采用高增益的集成运算放大器。
DDZ-Ⅲ型电动单元调节器
是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的 1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比 较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或 4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。
t
edt)
TI 0
只要存在偏差，积分控制器的Βιβλιοθήκη Baidu出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，
控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。
积分作用的一个重要优点是能够消除余差， TI：积分时间，积分时间是指在阶跃信号作 用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。
积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。 ３．比例微分调节
比例微分的输出与输入信号的关系为：
de
yKpeKpDTdt
通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间Ｔ Ｄ成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。微分时间越长，微分作用越强。
（2）数字调节器
• 包括主机电路、过程输入通道、过程输出
通道、人机联系部分和通信部件等。
调零、零点迁移
Z0
X
Zi +
测量部分
e 放大部分
y
C
K
_
Zf
反馈部分 F
y1KKF(CxZ0)
（2）数字变送器组成
• 传感器部件 • 电子部件
由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信 器件等组成。
2、调节器
• 概念
调节器接收偏差信号后，按一定的运算规律输出控制 信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响， 从而使被控变量回到给定值上来。
采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流， 控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻 为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断 线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出 控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信 号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。
二、常用工业自动化仪表的工作原 理
• 变送器 • 调节器 • 执行器
给定值x
偏差e
调节器
测量值z
执行器 测量变送
干扰
对象
被控对象y
1、变送器
• 概念：
将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一 标准信号。包括测量部分（输入转换部分）、放 大器和反馈部分。
• 模拟变送器 • 数字变送器
（1）模拟变送器的构成
测量信号 指示电路
给定信号 指示电路
硬手操电路
输出指示
Ui 1~5V
Is 4~20mA
250Ω
U01 输入电路
U02 PD电路
PI电路
U03 输出电路
S6
外
内 1~5V
软手操电路
基型调节器方框图
I0 4~20mA
• 控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、
“硬手动”及“保持”四种。
DDZ-Ⅲ型电动单元调节器调节规律
采用模拟技术，以运算放大器等模拟器件为基本部件。 模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基 本结构包括比较环节、反馈环节放大器等。比较环节
• 比较环节
将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器 是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。
• 反馈环节
控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通 过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。
整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅， 实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。
有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具
有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为 在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不 变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。
工业自动化仪表与系统
• 工业自动化仪表的分类 • 常用工业自动化仪表的工作原理 • 典型工业过程测控系统的构建
一、工业自动化仪表的分类
• 能源分类 • 结构分类 • 信号类型
1、能源分类
• 气动仪表
特点：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格 便宜，且在本质上是安全防爆的。
• 电动仪表
特点：信号的传输、放大、变换处理比气动仪 表容易，便于远距离监视和操作，还易于与计算 机等现代技术工具联用。
• 液动仪表
2、信号类型分类
• 模拟式
特点：线路较简单，操作方便，价格较低，在设 计、制造、使用上有较成熟的经验。
• 数字式
特点：以微型计算机为核心，功能完善，性能优 越，编程灵活。
3、结构分类
• 基地式控制仪表
以指示、记录为主体，附加控制机构组成。
• 单元组合式控制仪表
根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使 用要求，将整套仪表划分成独立实现某种功能的 若干单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。
１.比例调节
比例控制的输出与输入的关系为：y＝Kpe
KP是比例增益，它决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。 KP越小，
比例控制作用越弱。
特点：及时、迅速（控制器的输出与输入成正比，只要有偏差存在，控制器输出就会马
上与偏差成比例地变化）
２．比例积分调节
比例积分作用的数学表达式为：
yKp(e1
• 组装式综合控制装置
在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能 分离、结构组件化的成套仪表装置。
• 集散控制系统
计算机控制装置。特点“集中管理、分散控制。
• 现场总线控制系统
全分布式的新型控制网络，特点”结构网络化 和全分散性，系统的开放性，现场仪表的互可操 作性和功能自治性，以及对环境的适应性。
Êý ¾Ý Éè ¶¨Æ÷
Êä Èë ½Ó ¿Ú
ROM RAM
CPU
Óà »§
µç Ô´
ROM
Êä ³ö ½Ó ¿Ú
Êý Ö×
ͨѶ ¿Ú
ÏÔ Ê¾ Æ÷
Ä£ Äâ
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·
A/D ¼° D/A
Êä ¿ª
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• 单回路数字控制器
单回路数字控制器简介
• 概述
单回路数字控制器是以微处理机为核 心，接收和输出都可以是4~20mA DC标准的、 连续的电模拟量信号；内部处理信号为数 字量，可由用户编制程序，可组成多种控 制规律的一种数字式过程控制装置。
结构原理:
Ãæ å°¿ª ¹Ø Êä Èë
Êý Ö×
• 放大器
放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器 中可采用高增益的集成运算放大器。
DDZ-Ⅲ型电动单元调节器
是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的 1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比 较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或 4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。
t
edt)
TI 0
只要存在偏差，积分控制器的Βιβλιοθήκη Baidu出就会不断地随时间积分而增大，只有当偏差为零时，
控制器才会停止积分，保持在一定的输出值不变。
积分作用的一个重要优点是能够消除余差， TI：积分时间，积分时间是指在阶跃信号作 用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。
积分时间TI是一个常数，它可以用来表示积分速度的大小和积分作用的强弱。 ３．比例微分调节
比例微分的输出与输入信号的关系为：
de
yKpeKpDTdt
通常称微分控制为“超前控制”。比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间Ｔ Ｄ成正比。微分作用的强弱用微分时间来衡量。微分时间越长，微分作用越强。
（2）数字调节器
• 包括主机电路、过程输入通道、过程输出
通道、人机联系部分和通信部件等。
调零、零点迁移
Z0
X
Zi +
测量部分
e 放大部分
y
C
K
_
Zf
反馈部分 F
y1KKF(CxZ0)
（2）数字变送器组成
• 传感器部件 • 电子部件
由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信 器件等组成。
2、调节器
• 概念
调节器接收偏差信号后，按一定的运算规律输出控制 信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响， 从而使被控变量回到给定值上来。
采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流， 控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻 为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断 线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出 控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信 号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。
二、常用工业自动化仪表的工作原 理
• 变送器 • 调节器 • 执行器
给定值x
偏差e
调节器
测量值z
执行器 测量变送
干扰
对象
被控对象y
1、变送器
• 概念：
将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一 标准信号。包括测量部分（输入转换部分）、放 大器和反馈部分。
• 模拟变送器 • 数字变送器
（1）模拟变送器的构成
测量信号 指示电路
给定信号 指示电路
硬手操电路
输出指示
Ui 1~5V
Is 4~20mA
250Ω
U01 输入电路
U02 PD电路
PI电路
U03 输出电路
S6
外
内 1~5V
软手操电路
基型调节器方框图
I0 4~20mA
• 控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、
“硬手动”及“保持”四种。
DDZ-Ⅲ型电动单元调节器调节规律