化工仪表第三章

本文由０９化工昌永进贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 第三章 控制仪表 第三章 控制仪表 一、控制规律 二、控制仪表原理、结构 三、单元组合仪表简介 第三章 控制仪表 第一节 控制规律 所谓控制器 的 控 制 规 律， 就是指当控制器接受了 偏 差 信 号 后， 它 的 输 出 信 号 的 变 化规律。 基本的控制规律却只有四种： 双位控制、比例控制 、积分控 制、微分控制。实际应用中由 这四种基本规律可以组合成多 种形式。 一、双位控制规律 １、概念 双位控制是位式控制的最 简单形式。例：贮槽液位 调节，工艺生产要 求贮槽 的液面保持在一定的高度 Ｈ０附近。当液面低于Ｈ０时， Ｈ 打开进液阀，向贮槽 进液； 当液面高于Ｈ０时，关闭进 液阀，停止向贮槽进液。 为实现这一要求，在进液 管上安装一常开电磁阀Ｖ， 如图３－１所示 第三章 控制仪表 乐建波 Ｊ Ｖ Ａ Ｂ Ｈ ０ 图３－１ 双位控制示例 ２． 特性分析 （１）理想特性 第三章 控制仪表 Δｐ 双位控制只有两个输 出值，相应的执行器 也只有两个位置，不 是开就是关（ 不是最 小就是最大），而且 从一个位置到另一个 位置在时间上是很快 的，如图３－ ２所示。 开位 ｅ 关位 图３－２ 理想的双位控制特性 第三章 控制仪表 Ｑ Δｐ 开位 １００％ ０％ ｔ Ｈ ＋ε Ｈ０ （２） 实 际 特 性 ＋ε －ε 关位 ｅ －ε ｔ 图３－３ 实际的双位控制特性 图３－４ 双位式液位控制过程 实际应用的双位控制器都有一个中间区（也称不灵敏区）。 在中间区内阀门是 不动的。这样既满足了工艺要求，又减少 了执行器频繁动作引起的磨损，延长了使用 寿命。实际的双 位控制器的控制特性如图３－３所示。 第三章 控制仪表 ３．特点 特点 （１） 双位控制结构简单，成本较低，易 于实现，因此应用很普遍； （２） 存在不 灵敏区； （３） 控制结果是便被控变量在上限与下 限之间做等幅振荡。 ４． 应用 第三章 控制仪表 工厂和实验 室中，常用 ＸＣＴ型动圈 式指示控制 仪对一些电 加热设备进 行双 位式温 度控制，其 工作原理如 图３－５所示。 图３－５ ＸＣＴ型动圈式双位指示调节仪工作原理
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ｔ ｐ （ｂ） （ｃ） 图３－９微分控制规律阶跃响应曲线 ｔ ２．实际微分控制规律及微分时间ＴＤ 实际微分控制规律是 比例作用与近似微分作用 第三章 控制仪表 Ｐ ＝ ？Ｐｐ ＋ ？ＰＤ ＝ Ａ ＋ Ａ ？ （Ｋ Ｄ ？１） ？ ｅ ｅ Ａ ＫＤ ＴＤ ｔ ＰＤ ？Ｐｐ ｐ 图３－１０ 实际微分的阶跃响应曲 线 第三章 控制仪表 ３、比例微分控制规律 、 实际微分控制器的比例度是固定不变的。所以也不能单独 使用。工程上常把微 分控制器与比例控制器组合使用，构成 比例度和微分时间都可调整的比例微分控制器 。它的控制规 律实质上是比例控制作用和微分控制作用的叠加，既有比例 的控制作 用迅速及时的特点，又有微分控制的超前作用。可 用数学表达式为： ｄｅ（ｔ ） ？ｐ ＝ ｋｃ ［ｅ（ｔ０ ） ＋ Ｔｄ ？ ］ ｄｔ 第三章 控制仪表 例 有一微分控制器，当输入阶跃变化量１ｍＡ，输出由 ５ｍＡ到１ ５ｍＡ，经过３０秒钟，输出下降到８．３１ｍＡ， 最后稳定在６ｍＡ上。问，此控制器的微分时间 是多少？ 解：分析输出变化情况可知：开始的跳变量为： ＝１５－５＝１０ｍＡ，因Ａ＝１ｍＡ， 所以，ＫＤ＝１０； 最后的输出变化量为：６－１＝１ｍＡ Ｔ＝０时，；１０－１＝９ Ｔ＝３０秒时，８ ．３１－６＝２．３１ ２．３１ｍＡ 刚好是９ｍＡ的３６．８％，即这３０秒就是时间常数Ｔ，Ｔ＝３０秒。 因为， ＴＤ＝ＫＤＴ， 所以，ＴＤ＝１０×３０＝３００秒。 第三章 控制仪表 ４．比例积分微分控制规律 比例积分微分控制规律 比例、积分、微分控制规律简称ＰＩＤ三作用控制规律，它 是比例、积分、微分三 种基本控制规律的组合，集三类的优点 于一体，广泛应用于容量滞后大，又要进行无 差控制的场合， 它以比例作用为基本控制作用，以微分的超前控制作用克服被 控对 象的容量滞后，以积分作用最后消除余差。其特性可用数 学表达式表示为： １ ｄｅ ？Ｐ ＝ Ｋ ｃ ｅ ＋ Ｋ ｃ ∫ ｅｄｔ ＋ Ｋ ｃＴｄ Ｔｉ ｄｔ 第三章 控制仪表 如下图所示，开始瞬间ｔ０时刻积分作用为零，？Ｐ＝ ？ＰＰ＋ ？ＰＤ。 在ｔ２ 时刻之后，微分作用完成，？ＰＤ＝０，？Ｐ＝ ？ＰＰ＋ ？ＰＩ 。在ｔ１时刻，？ＰＤ＝ ？ＰＩ， Ｐ＝ ？ＰＰ＋２ＰＩ。 在任何时刻输 出Ｐ都是比例作用 ？ＰＰ、积分作用 ？ＰＩ和微分作用 ？ＰＤ三者 之和。 根据叠加原则找到若干点，然后把它们连成一条 平滑曲线，即为ＰＩＤ 三作用 控制器在阶跃输入作用下的输 出特性曲线─ＰＩＤ 三作用控制器阶跃响应曲线。 ｐ ｅ ｋｃ Ａ Ａ ｔ ｔ０ ｔ１ ｔ２ ｔ 总结 第三章 控制仪表 通过上述比例、积分、微分三种控制规律，进行组合， 就可 获得生产控制中所需的比例Ｐ、比例微分ＰＤ、比 例积分ＰＩ及比例积分微分ＰＩＤ等多种控 制规律。 在 ＰＩＤ 控制中，有三个操纵变量，就是比 例度δ，积分时间 Ｔｉ，微分时
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间 Ｔｄ，适当组 合这三个 参 数，可 以 获 得 良 好 的控制质量。 把 ＰＩＤ 控 制器的 Ｔｄ调到零，就构成一个 ＰＩ控制器。如果把 ＰＩＤ 控制器的 Ｔｉ调到 最大，就构成了一个 ＰＤ 控制器，把 ＰＩＤ 控 制器的δ 调到最 大，Ｔｉ调到最 大，Ｔｄ调到最 小，就几乎不起任何控制作用了。 第三章 控制仪表 第二节 ＤＤＺ—ＩＩＩ型调节器的组成、性能 一、ＩＩＩ型调节器的 组成 正 反 输入电路 比例微分 自 比例积分 硬 软 图３－１１ ＤＤＺ—ＩＩＩ基型调节器组成框图 第三章 控制仪表 全刻度指示型调节器的正面板布置图 在调节器在输入电路中 采用了偏差差动电平移 动 电 路 ， 解 决 了 ２４ＶＤＣ 单 电 源 集 中 供 电带来的问题，简化了 供电系统；可以与其它 ＤＤＺ—ＩＩＩ 型 单 元 仪 表 配合，组成安全火花防 爆系统。 还可与多种附加单元 （如输入报警、偏 差报 警、输出限幅单元等） 配合，实现附加特殊需 求，扩大了调节器的功 能。 图３－１２ 调节器正面板布置图 １－标牌；２－仪表前面弧；３－全刻度指示仪表； ４－ 外给定指示灯；５－内给定拨盘；６－切换开关 ；７－硬手动操作杆；８－输出指示表；９－软 手动 按键 应用举例反应器的简单温度控制系统 第三章 控制仪表 第三章 控制仪表 二、ＩＩＩ型调节器的主要性能指标 测量信号：１—５ＶＤＣ； 内给定信号：１—５ＶＤＣ； 外给定信号：４—２０ｍＡＤＣ（２５０Ω ±０．５％）； 测量、给定信号指示精度：±１％； 输出信号：４—２０ｍＡＤＣ； 比例度δ： ２％￣５００％； 微分增益ＫＤ：１０； 积分时间ＴＩ：０．０１￣２．５ｍｉｎ及０．１￣２５ｍｉｎ； 软手动输出 速度：６￣１００Ｓ； 环境温度：０￣５０℃； 输出保持特性：—０．１％／ｈ； 环境湿度：≤８５ ％； 输入阻抗影响：≤满度０．１％ 负载电阻：２５０￣７５０Ω； 微分时间ＴＤ：全关、０．０４￣ １０ｍｉｎ； 绝缘电阻：＞２０ＭΩ（各端子连接后对接地端电阻） 精度：±０．５％； 供电电压： ２４Ｖ±１０％ 第三章 控制仪表 第三节 单元组合仪表 一、单元组合仪表分类 １．变送单元类（Ｂ） 主要品种有温度变送器、压力变送 器、差压变送器、流 量变送器等。 ２．转换单元类（Ｚ） 主要品种有直流毫伏转换器 、频率转换器、电—气转换 器、气—电转换器等。 ３．控制单元类（Ｔ） 主要品种有 ：比例积分微分调节器，比例积分调节器、 微分调节器、特种调节器（间隙、自选择 、前馈、非线 性等）。 第三章 控制仪表 ４．计算单元类（Ｊ） 主要品种有加减器、乘除器、开方器等 。 ５．显示单元类（Ｘ） 主要品种有：比例积算器、开方积算器、指示仪、报警器等 ６．执行单元类（Ｋ） 电动角程执行器、电动直程执行器等。需指出的是，气动执行 器不属于单元组合仪表类。 ７．给定单元类（Ｇ） 主要品种有：恒流给定器、分流器 、气动定值器等。 ８．辅助单元类（Ｆ） 主要品种有：操作器、阻尼器、限幅器、安 全保持器、配电器 等。 第三章 控制仪表 二、ＤＤＺ—ＩＩＩ型仪表简介 １．ＤＤＺ—ＩＩＩ型仪表信号制与传输方式 现场变送 器 ４—２０ｍＡ．ＤＣ 控制 器 ２４Ｖ．ＤＣ
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二、比例控制规律（Ｐ） １．比例控制规律 第三章 控制仪表 比例控制规律是指控制器的输出变化 量—控制信号Δｐ（也即阀门的开度改变量 ） 与控制器的输入（偏差）成正比。 Δｐ ＝ ｋｐ ｅ ２．控制器阶跃响应关系 ２．控制器阶跃响应关系 第三章 控制仪表 ｅ ｅ 比例控制器 ｋｐ ｐ ？ｐ ｋｐｅ ｔ ｔ （ａ） 图３－６ 比例控制器的阶跃响应特性 （ｂ） 第三章 控制仪表 ３． 应用 （ａ） （ｂ） 图３－７ 简单比例控制系统示意图 第三章 控制仪表 ４．特点 特点 （１）比例控制及时； （２）比例控制有余差； （３）比例放大倍数ｋｐ表示比例 控制作用的强弱， ３ ｋ ｋｐ越大，比例作用越强。 第三章 控制仪表 ５．比例度（δ） （１） 所谓比例度就是指控制器输入的相对变 化量与相应输出的相对变化量之比 的百分数。用 式子可表示为： ｅ δ ＝ ｘ ｐ ｐ ｍａｘ ？ ｘ ｍｉｎ × １００ ％ ｍａｘ ｐ ｍｉｎ （２） 对于单元仪表而言，Ｘｍａｘ—Ｘｍｉｎ 、Ｐｍａｘ—Ｐｍｉｎ是固 定的 δ ＝ １ ｋ ｐ × １００ ％ 例： 第三章 控制仪表 一台温度控制器，它的量程（温度范围）是４００℃￣８００℃， 电动温度控制器的输 出是４￣２０ｍＡ，当测量指针由６００℃ 变到７００℃时，控制器的输出由８ ｍＡ变到了１６ ｍＡ， 其比 例度为： ７００？ ６００ ８００？ ４０００×１００％ ＝ ５０％ δ＝ ×１００％ ＝ ？ｐ １６ ？ ８ ２０ ？ ４ ｐｍａｘ ？ ｐ
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ｍｉｎ ｅ ｘｍａｘ ？ ｘｍｉｎ 第三章 控制仪表 （３） 比例度的意义 ｅ ？ｐ ＝δ × ×１００ ％ ｘｍａｘ ？ ｘｍｉｎ ｐｍａｘ ？ ｐｍｉｎ 当Δｐ＝Ｐｍａｘ—Ｐｍｉｎ，即输出变化全范围时， ｘ ｍａｘ ｅ ？ ｘ ＝ δ × １００ ｍｉｎ ％ 比例度的含义在于表示了使控制器输出变化全 范围（１００％），输入偏差ｅ变化量 为输入量程范 围的百分数。 第三章 控制仪表 三、积分控制规律（Ｉ） １．积分控制规律及特点 所谓积分控制规律就是控制器的输出变 化量Δｐ与偏差的积分成正比。习惯上作 “Ｉ”表示。 Ｐ ＝ Ｋ Ｉ ∫ ｅ ？ ｄｔ 第三章 控制仪表 积分控制规律在阶跃输入下的输出变化曲线 如下特点： ｅ ｔ ？ｐ Ｋ Ｉ大 Ｋ Ｉ大 ３－８ 积分控制的阶跃响应曲线 ｔ ⑴积分控制无余差； ⑵积分控制过程比较 缓慢； ⑶积分放大倍数越大， 积分 作用越强。 第三章 控制仪表 ２．比例积分控制规律（ＰＩ）中，将比例控制规律与积分控制规 律结合起来，构成比例积分控制 规律 Ｐ ＝ ｋ ｐ ｅ ＋ ｋ Ｉ ∫ ｅ ？ ｄｔ 令 ＴＩ ＝ １ ｋＩ （ ） 积分时间，以时间为单位 积分时间ＴＩ与积分速度ＫＩ成反比。积分时间ＴＩ越小， 积分速度ＫＩ越大，积分作 用变化越快，积分作用越 强，反之，积分时间ＴＩ越大，表示积分作用越弱； 积分时 间为无穷大，则表示没有积分作用，控制规 律就成为纯比例了。 第三章 控制仪表 四、微分控制规律（Ｄ） １．微分控制规律及特点 Ｐ ＝ ＴＤ ｄｅ ｄｔ 理想的微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入 偏差的变化速度成正比。 用数学式表示为： 微分控制规律具有如下特点： ⑴微分控制规律具有“超前作用” ； ⑵对于固定不变的偏差，不管有多大，微分控制作用为零； ⑶微分时间ＴＤ表示微 分作用的强弱。ＴＤ越大，作用越强；ＴＤ 等于零，没有微分作用。 第三章 控制仪表 在实用工作中，一般采用似微分控制规律。 微分控制规律表示为： ｅ ｔ ？ｐ （ａ） Ｐ ＝ Ｋ Ｄ ？ Ａ ？ ｅ ｔ ＫＤ ＴＤ