化工仪表第五章 自动控制仪表讲解

5.1 基本控制规律及其对过渡过程的影响
基本概念
控制规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
控制规律就是控S制+P器的e输出控信制号器p(pt)随输执入行器信号q e(t)f对变象化的规y律。
x－
z
测量
变送器
在该控制系统中，被控变量由于受扰动f（如生产负荷的改变，上下工
段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量
产生了偏差：
e(t) x(t) z(t) 0
控制器接受了偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出信号p发生 变化，通过执行器改变操纵变量q，以抵消干扰对被控变量y的影响，从而 使被控变量回到结定值上来。
控制规律的表示形式
PID控制器的一般形式为：p＝f(e)
几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：
概述
单元组合式仪表仪表
按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元， 各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求 挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用 维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；
概述
数字式 它以微型计算机为核心，功能完善， 性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的 问题，满足现代生产过程的高质量控制要 求。它可实现连续生产过程、断续生产过 程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等 控制功能，实现批量控制。
de
edt
0
TD
) dt
KP—控制器的比例增益； TI—控制器的积分时间； TD—控制器的微分时间；
双位控制
双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，理想的双位控
制控制器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律
可描述为：
p


pmax pmin
, ,
e e
pmin ,
e emax emin e emax e emin
图5-3 实际的双位控制规律
图5-4 具有中间区的双位控制过程
结论
双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长 些比较有利。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而 应用很普遍。
Kp越大，比例控制作用越强。
Kp（放大倍数或比例增益）——衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中， 习惯上使用比例度δ表示比例控制作用的强弱。
比例度δ
定义：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，
表达式为
e
xmax xmin 100%
p
pmax pmin
其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号； (xmax-xmin)为控制器输入 信号的变化范围，即量程； p为控制器输出信号的变化量，即控制命令； (pmax-pmin)为控制器输出信号的变化范围。

0 0
或
p


pmax pmin
, ,
e e

0 0
图5-1 理想双位控制特性
图5-2 双位控制示例
实际双位控制
为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。
给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不
会动作。
p

保持ppmmaaxx或, pmin不变,
比例控制 P
控制器的输出信号p与输入信号e成比例关系
根据相似三角形原理，有：
b p ae
p be a
Kp e
Kp—放大倍数（比例增益）
由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的 偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号 (指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化 量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制”
•控制器的分类
控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。
按能源形式：
气动
电动
气动控制仪表的特点：结构简单，性 能稳定可靠，维护方便，价格便宜， 并且具有本质安全防爆性能，特别适 用于石油、化工等有爆炸危险的场所。
•控制器的分类
电动控制仪表的特点： 可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计 算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题， 电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产 过程中得到越来越广泛的应用。
传输方式：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
概述
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
基地式仪表
一般与检测装置、显示装置一起组 装在一个整体之内
同时具有检测、控制与显示的功能 结构简单、价格低廉、使用方便 通用性差，信号不易传递 一般应用于简单控制系统中。
比例作用（P） p KPe
比例作用(Proportional)
比例积分作用（PI）
p

K
P
(e

1 TI
t 0
edt)
积分作用(Integral) 微分作用(Derivative)
比例微分作用（PD）
de
源自文库
p

K P (e TD
) dt
比例积分微分作用（PID）p

K
P
(e

1 TI
t
第五章 自动控制仪表
概述 基本控制规律 模拟式控制器 数字式控制器
第一节 概述
控制器是控制系统的核心。 •控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。
控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变 量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运 算，最终输出控制信号作用于执行器上。
目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数
信号制及供电方式
信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间 采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。
气动控制仪表：0.02～0.1MPa
电动控制仪表，0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表 4～20mA（DC）电流信号 1～5V（DC）电压信号 电动Ⅲ型仪表
例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为400~800℃，控 制器的输出范围是4~20mA。当温度从600℃变化到700℃时，控制器相应 的输出从8mA变为12mA，试求该控制器的比例度。
解：
e
700 600


xmax xmin p
100%