过程控制仪表与装置

第三章过程控制仪表与装置

教学要求：掌握基本控制规律的数学表示形式

掌握基本控制规律对过渡过程的影响

掌握气动、电动执行器的组成和特点

了解 DDZ-Ⅲ控制器的组成及特性

掌握工作流量特性和理想流量特性

掌握执行器的选型、气开气闭方式的选择

了解可编程控制器的编程方法

了解可编程控制器的组成、工作过程

重点：基本控制规律对过渡过程的影响

理想流量特性

执行器气开、气闭方式的选择

难点：基本控制规律对过渡过程的影响

直线流量特性分析

执行器气开、气闭方式的正确选择

§３.1 概述

一、过程控制仪表与装置的分类和特点

控制仪表------控制器、执行器、运算器以及可编程控制器等。

按所用能源分类：气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。

按信号类型分类：模拟式和数字式两种。

气动控制仪表的特点。

电动控制仪表的特点。

模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低模拟式仪表：基地式

单元组合式

组件组装式仪表

数字式传输信号为断续变化的数字量。

现场级数字仪表

可编程调节器

可编程控制器

二、信号制及供电方式

气动控制仪表：0.02～0.1MPa的模拟气压信号，作为仪表间的标准联络信号。

电动控制仪表：0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表的统一标准联络信号，4～20mA（DC）电流信号和1～5V（DC）电压信号确定为过程控制系统

中电动Ⅲ型仪表统一标准的模拟信号。

电动仪表信号之间的传输方式是：进出控制室的传输信号采用电流信号，

控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号，

电动仪表的供电方式有交流供电和直流集中供电两种形式。

。

§3.2基本控制规律及其对控制过程的影响

一、基本控制规律概述

1. 控制规律概述

控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。 正作用控制器：输入e 与输出Δy 的变化方向相同； 反作用控制器：输入e 与输出Δy 变化方向相反。 本节中以正作用的控制器为例进行研究。

工程实际中应用最广泛的控制规律为比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）控制规律，简称PID 控制规律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成。

２.控制规律的表示形式

PID 控制器的一般形式为： △y ＝f(e) 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：

比例作用（P ） e K y P =∆ 比例积分作用（PI ） )1(0

edt T e K y t

I

P ⎰

+

=∆

比例微分作用（PD ） )(dt

de

T e K y D P +=∆ 比例积分微分作用（PID ）

)1(0

dt

de

T edt T e K y D

t

I

P ++

=∆⎰

二、PID 控制规律对控制过程的影响

１.比例控制规律对控制过程的影响 当控制器只具有比例控制规律时，称此控制器为比例控制器。比例控制的输出与输入的关系为

△ y ＝K P e

K P 是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。

K P 越大，比例控制作用越强。 K P 越小，比例控制作用越弱。

比例作用最大的特点：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．比例积分控制规律对系统控制质量的影响

积分作用是指控制器的输出与输入的积分成比例的作用。数学表达式为：

dt e T y t

I

⎰=

∆0

1

只要存在偏差，积分控制器的输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，

积分时间T I 的物理意义 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T I 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。T

３．比例微分控制规律对系统控制质量的影响 理想微分控制器的输出与输入信号的关系为： dt

de

T y D

=∆ 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ＴＤ成正比。

微分作用的强弱用微分时间来衡量。由图3.8可以看出微分时间T D 对过渡过程的影响。微分时间越长，微分作用越强。

4. PID 控制规律

PID 控制规律是三种控制规律的线性组合。它吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能， §3.3 DDZ-Ⅲ型控制器

一、 PID 控制器的组成原理

3.3.2 ＰID 控制器的特性分析

1. 输入电路

输入电路------偏差差动电平移电路。

作用------产生与输入信号和给定信号差值成比例的偏差信号。（是对输入信号和给定信

号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V 参考电压为基准的输出电压信号）

输入信号和给定信号均为1～5V 直流电压信号。 2. PD 电路

比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号V O1进行比例微分运算。

3. PI 电路

T I