化工仪表及其自动化课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 自动控制系统基本概念,第一节 化工自动化的主要内容,第二节 自动控制系统的组成,第三节 工艺管道及控制流程图,第四节 自动控制系统方块图,第五节 自动控制系统的分类,第六节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,复习,第一节 化工自动化的主要内容,1、自动检测系统,2、自动信号和连锁保护系统,3、自动操纵及开停车系统,4、自动控制系统,第二节 自动控制系统的组成,一 控制的目的与要求,二 举例说明自动控制系统的组成,冷流体,蒸,汽,热流体,凝,液,测量元件及变送器,控制器,Q,i,给定,h,Q,0,控制器,变送器,抑制外界扰动的影响，确保生产过程的稳定性，使,生产过程的工况最优化。,第三节 工艺管道及控制流程图,LT,LC,Q,i,Q,0,给定,h,冷流体,蒸,汽,凝,液,TT,TC,在化工控制流程图中，一般以细实线圆圈来表示仪表；圆圈内写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。,在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表都有自己,的仪表位号。,仪表位号由字母代号和数字编号两部分组成。,如,PIC,207,三 系统中常用术语,被控对象、被控变量、操纵变量、扰动、设定值、偏差,第四节 自动控制系统方块图,定义：描述系统各组成元、部件之间信号传递关系的图形。,控制器输出,_,z,x +,控制器,控制阀,被控对象,测量元件变送器,给定值,偏差,操纵变量,干扰作用,被控变量,测量值,y,f,e,p,q,第五节 自动控制系统的分类,一 开环控制系统,定义：输入量对输出量只有顺向影响，,而输出对输入无影响。,1、按设定值进行控制 2、按扰动进行控制即前馈控制,控制装置,设定值,蒸汽,冷物料,热物料,FT,控制装置,蒸汽,二 闭环控制系统,1、定义:不仅输入对输出有顺向影响，,且输出对输入有反向影响。,控制器输出,_,z,x +,控制器,控制阀,被控对象,测量元件变送器,给定值,偏差,操纵变量,干扰作用,被控变量,测量值,y,f,e,p,q,反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节回送,到输入端的做法叫反馈。,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环控制系统。,它是按偏差进行控制的。,2、闭环控制系统的类型,定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统,3、闭环控制系统动态的概念,4、开环与闭环系统的比较（精度、稳定性、抗干扰.),三 复合控制系统,前馈-反馈控制系统,反馈控制器,y,f（t）,测量元件变送器,+,x,-,控 制 阀,+,+,前馈控制器,对 象,测量变送,e,Z,第六节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,1、静态,一、控制系统的静态与动态,2、动态,前馈控制的优点是及时克服主要扰动对被控变量的影响。反馈控制系统的优点是检查控制效果，克服其它扰动。两者组合在一起，可提高控制质量。,1、定义：,由于干扰或设定的作用，使系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,二、控制系统的过渡过程,2、系统过渡过程的分析方法：,常选阶跃扰动对系统的过渡过程进行分析。,0,时间t,输,入,量,t,0,选择原因,：1)因为阶跃扰动比较突然，比较危险，对被控变量的影响最大，如果一个控制系统能够有效地克服这类干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很好的克服。2）在生产过程中，阶跃扰动最为多见。3）这种干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,第二章 被控对象的数学模型,第一节 化工对象的特点及其描述方法,第二节 描述对象特性的参数,第三节 对象数学模型的建立,第四节 对象特性的实验测取,二、描述对象特性的方法,第一节 化工对象的特点及其描述方法,一、概念：,1、描述对象输入输出关系的数学表达式,2、描述对象在一定形式输入作用下的输出数据或曲线,当以阶跃信号作为输入量时，其响应曲线主要类,型有 有自衡的非振荡过程；无自衡的非振荡过程；,被控对象的数学模型是指对象在各输入量,（控制量和扰动量）的作用下，其相应输出量（被,控变量）变化的函数关系数学表达式。,h(t),t,阀门节流,h(t),t,定量泵,第二节 描述对象特性的参数,一、放大系数K,1.定义,2.对系统的影响,A,控制通道,K应适当大一些,以使控制作用显著。,B 扰动通道,对扰动通道Kf,f 应小些，以使被控变量偏离设定值小些，以利于控制。,2.对系统的影响,二、时间常数T,U,0,t,0,U,i,T,63.2%U,i,U,0,(t),A,控制通道,T 太大、太小在控制上都存在一定困难，所以需根据实际情况适中考虑。,1.定义,4.对系统的影响,y,t,0,B,x,t,0,0,y,t,三、时滞,2.纯滞后 3.容量滞后,A,控制通道,B 扰动通道,B 扰动通道,时间常数 T大些有一定的好处，这相当于将扰动信号进行滤波。,滞后的存在不利于控制,扰动通道存在纯滞后，对,控制系统的品质无影响；扰动通道存在容量滞后，对系统是有利的。,1.定义,第三节 对象数学模型的建立,一、有自衡对象的数学模型,一阶对象（单容对象）,h=h,0,q,2,=q,0,1,2,q,1,=q,0,+q,1,+h,+q,2,根据平衡关系有：对象物料储存量的变化率=单位时间流入对象的物料变化量单位时间流出对象的物料变化量,=q,1,-q,2,其中T=RA，K=R,（t-,),二阶对象（双容对象）,h,1,q,1,q,i,h,2,q,2,R,2,R,1,二阶对象,一阶对象,二、无自衡对象的数学模型,h,q,2,q,1,第四节 对象特性的实验测取,所谓对象特性的实验测,取，就是在我们所要研究的被控对象上，人为的施加一个干扰作用(输入量)，然后用仪表测量和记录对象的输出量随时间而变化的规律，可得到表征对象特性的一些数据和曲线，而后对这些数据或曲线进行分析整理，可得描述对象特性的数学表达式。,当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录对象输出量随时间变化的数值，即可得到输出量随时间而变化的曲线（即所谓反应曲线或飞升曲线），这种方法称为阶跃响应曲线法。,被控对象,操纵变量,干扰作用,被控变量,f,q,y,一、阶跃扰动法（阶跃响应曲线法）,用阶跃响应曲线法来测取对象动态特性的原因：,阶跃响应曲线能直观、完全的描述被控对象的动态特性。实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一突然改变即可（如流量），不需要特殊的信号发生器。输出参数的变化过程可利用原来的仪表记录下来，测试工作量不大，数据处理也比较方便，所以广泛应用。,实验时必须注意：,合理选择阶跃扰动量,。,通常取阶跃信号值为正常输入信号的515%。试验应在相同的测试条件下重复作几次，需获得两次以上比较接近的响应曲线，减少干扰的影响。实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测得其响应曲线，以检验被控对象的非线性程度。在实验前即在输入阶跃信号前，被控对象须处于稳定的工作状态。,测试和记录工作应该持续进行到输出量达到新稳态值为止。,其缺点是：,对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定一般所需时间较长，在这段时间内对象不可避免的要受到许多其它干扰的影响，使测试精度受到限制；为提高精度就须加大输入作用幅值，这就意味着对正常生产的影响增加，工艺上往往是不允许的。,所以对于有些不允许长时间偏离正常操作条件的被控对象，及阶跃信号幅值受生产条件限制而影响对象的模型精度时，可用矩形脉冲信号作为对象的输入信号，其响应曲线为矩形脉冲响应曲线,二、矩形脉冲法（矩形脉冲响应曲线法）,0,t,0,时间t,输,入,量,t,1,y(t),a,x(t),t,x,0,0,x,1,(t),x,2,(t),a,2a,3a,4a,y(t),t,0,y*(t),设被控对象为线性，则y*(t)=y(t)-y(t-a),或,y(t)=y*(t)+y(t-a),t=0,a时，y(a)=y*(a)；,t=a2a时，y(2a)=y*(2a)+y(a)；,2.,优点：,用矩形脉冲干扰来测取对象的特性时，由于加在对象上的干扰经过一段时间后便被除去，使对象的输出量不致长时间偏离给定值，对生产影响较小；因此干扰的幅值可取的比较大，以提高实验精度。,B,A,y(t),t,0,y(),y(0),在对象输入阶跃信号x,0,的瞬时，其响应曲线的斜率最大，以后逐渐减小，直到新的稳态值。此时对象的数学模型可用一阶惯性环节来近似，即：,其参数求法为：,（1）对象的静态放大系数K,1.确定一阶惯性环节的参数,或,63.2%,三、由阶跃响应曲线辨识被控对象的数学模型,根据放大系数的定义有：,（2）对象的时间常数T,方法一：,根据T的定义，当响应曲线达到63.2%y()-y(0)时所需时间。,|,t=0,=,，,在对象输入阶跃信号的瞬时，其响应曲线的斜率为0，之后逐渐增大，最后又逐渐减小，达到稳态值时曲线呈S形，此时对象的数学模型可用有时滞的一阶环节来近似，即：,可过O点作阶跃响应曲线的,方法二：,根据,切线，交最终稳态值的渐进线,y(),于,A,点，其,投影,OB,即,为对象的时间常数,T,。,2.,确定有时滞的一阶环节的参数,（1）K可用式求得,（2）T、的求法,方法一：,过响应曲线的拐点P作曲线的切线，交时间轴于点B，交y()于点A，A在时间轴的投影为C，,则OB为对象的,BC为对象的T。,方法二：,当拐点不易确定时，可取阶跃响应曲线最终稳态值的28%和63%所对应的时间为t,1,和t,2,，按下式计算与T：,B,C,A,P,y(t),y(),0,t,t,1,t,2,t,y(t),y(),63%y(),28%y(),0,或,当阶跃响应曲线开始时变化速度较慢，后来才等,速,上升，此时其数学模型可用有时滞的积分环节来近似，即:,当阶跃响应曲线为一条等速变化的直线时，对象的数学模型可用积分环节来描述，即：,此时,积分时间常数,求参数时，在阶跃响应曲线上作其变化速度最大处的切线，交时间轴于A点，则,OA为滞后时间，,y(t),t,0,0,y(t),t,A,3.确定积分环节的参数,4.确定有时滞的积分环节的参数,或,或,5.确定有纯滞后，一阶和积分环节的参数,参数确定方法：作响应曲线的渐近线，交时间轴于B点，,OA为纯滞后时间,0,;AB为时间常数T;积分时间Ta=x,0,/tg。,0,y(t),t,A,B,或,第三章 检测仪表与传感器,第一节 自动检测仪表的原理性组成,第二节 仪表的性能指标,第三节 压力检测及仪表,第四节 流量检测及仪表,第五节 物位检测及仪表,第六节 温度检测及仪表,第一节 自动检测仪表的原理性组成,从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成，,中间部件,显示器,被测参数,参数显示,传感器,一、传感器,它的作用是感受被测参数的变化并发出,与之相适应的信号,要求具有高准确性、高稳定性、高灵敏性,它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。,按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递,（三）信号形式的转换,二、中间部件,三、显示器,它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化,。它的形式有：,（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表 （四）信号式仪表（五）调节式仪表,第二节 仪表的性能指标,（一）读数误差,仪表读数误差是读数与标准测量值之差，即:,=,M-A,读数的相对误差,（二）仪表误差,在测量标尺范围内，各读数误差的最大值，定义为仪表的绝对误差。,m,仪表的相对误差,（三）基本误差、允许误差和精度等级,1、,仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件下，仪表的相对误差。,3、,仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。,仪表的精度等级在数值上为仪表的允许误差去掉“”号及“”号后的数值。,2、,允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。,注意：基本误差必须与允许误差相一致。,（四）仪表的灵敏度与刻度分格标准,仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的被,仪表的变差不应超过仪表的允许误差。,（六）线性度(非线性误差),（即,用实际测得的输入输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差和,测量仪表量程之比的百分数来表示）,测参数的变化X之比即为仪表灵敏度，即,（五）指示变差,：指在外界条件不变时，使用同一仪表,对相同的被测参数值进行正、反行程测量时，其所得到,的仪表指示值是不相等的，两者之差称为仪表在此读数,点的指示变差。,被测变量,仪表输出,理论,实际,（七）反应时间：,它反应了仪表动态特性的好坏。,三、工业仪表的分类,第三节 压力检测及仪表,一、压力单位及测压仪表,按照转换原理的不同，大致可分为四大类:,1.液柱式压力计 2.弹性式压力计 3.电气式压力计 4.活塞式压力计,2、按信息的获取、传递、反映和处理的过程来分类。,3、按仪表的组成形式来分：,基地式仪表、单元组合式仪表。,1、按仪表使用的能源来分：,气动仪表、电动,仪表、液动仪表。,二、弹性式压力计,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,1.弹性元件,（1）弹簧管式弹性元件,（2）薄膜式弹性元件,（3）波纹管式弹性元件,2.弹簧管压力表,三、电气式压力计,1.霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。U,H,=R,H,BI,p,(a),自由端,p,(b),p,(c),3.压阻式压力传感器:,是利用单晶硅的压阻效应而构成的。,4.力矩平衡式压力变送器：,是根据力矩平衡原理工的。有电动和气动两种,。,它们都由测量部分和转换部分组成。,5.电容式压力变送器：,是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。,3,2,2,1,4,2.应变片式压力传感器：,是利用电阻应变原理构成的。,四、压力计的选用,（1）仪表类型的选用；,（2）仪表测量范围的确定；,（3）仪表精度等级的选取;,第四节 流量检测及仪表,第五节 物位检测及仪表,测量物位的仪表种类很多,一、概述,物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。,二、差压式物位计,：,基于静力学原理，利用液位变化引起压差变化的原理而工作。,+,-,P,A,P,B,h,q,i,q,0,1、液位测量,2、液体分界面的测量,三、电容式物位计,电容器的极板间充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。,四、核辐射物位计,利用核辐射射线的透射强度随介质层厚度的变化而变化的原理进行测量,，即射线的透射强度随着介质层厚度增加呈指数规律衰减，关系为穿过介质后的射线强度,I,=入射强度,I,0,*,，,五、称重式液罐计量仪,第六节 温度检测及仪表,一、测温仪表的分类,按测量方式不同,分为接触式与非接触式两类。接触式测温利用热交换原理,非接触式测温利用热辐射原理。,三、热电偶温度计,热电偶温度计是基于,热电效应,原理来测量温度的。,二、温度测量的基本原理,温度参数是不能直接测量的，,一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，来实现间接测量。,温度测量的基本原理与这些特性值的选择密切相关。,3.测量仪表,热电偶温度计,测量系统原理图,1.热电偶,2.导线,t,0,A,t,B,E,t,0,1、,热电偶,它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成。焊接的,一端,插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的,工作端或热端，另一端,与导线连接，称为,冷端或自由端,。,(1)热电现象及测温原理,1,2,t,0,A,B,t,0,t,3,e,AB,(t,0,),2,A,B,1,e,AB,(t),A,B,2,4,1,t,t,1,B,t,1,t,0,3,热电现象,则此闭合回路的总热电势E（t,t,0,）为：,E（t,t,0,）=e,AB,(t)-e,AB,(t,0,),热电偶构成条件：两种不同材料的导体；两接点温度不相同，,在热电偶回路中接入第三种导线对原产生的热电势数值并无影响，不过必须保证引入线两端的温度相同。,（2）插入第三种导线的问题,2、补偿导线的选用,为什么要采用补偿导线,采用一种专用导线，,将热电偶冷端延伸出来，,此导线为,“补偿导线”。,t,t,0,康铜,t,1,镍,铬,_,t,1,镍,硅,A,B,+,热电偶,铜,补偿导线,t,0,铜导线,测温毫伏表,由于不同热电偶所用补偿导线不同，在使用补偿导,线时，注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导,线连接端所处的温度不应超过100。,铜导线,_,测温毫伏计,冰水混合物,+,t,补偿导线,油,（1）冷端温度保持为0的方法,（2）冷端温度修正的方法,E(t,0)=E(t,t,1,)+E(t,1,0),3、冷端温度补偿,（3）校正仪表机械零点法,+,_,Rt,a,R,1,R,2,R,3,b,（4）补偿电桥法,利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度变化引起的热电势变化值。,t,仪表,A,B,t,1,t,1,t,1,t,1,t,0,（5）补偿热电偶法,P,85,四、热电阻温度计,热电阻温度计由热电阻、显示仪表以及连接导线组成，其,连接导线采用三线制接法。,仪表,热电阻,Rt,1、,热电阻,是测温（感温）元件。,（1）测温原理,利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。,金属导体都具有正的温度系数，其阻值与温度关系为：,Rt=Rt,0,1+(t-t,0,),（为电阻温度系数）即,Rt=Rt,0,*,t,工业上常用的铂热电阻有,R,0,10、R,0,100,它们的分度号分别为,Pt10、Pt100,。,铂热电阻,在0650范围内，铂电阻与温度的关系为：,（Rt,0,为0时电阻值）,（2）常用热电阻,（3）热电阻结构,铜热电阻,在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的，即,Rt=Rt,0,1+(t-t,0,),工业上常用的,铜热电阻有,R,0,50,和,R,0,100,两种，分度号分别为,Cu50,和,Cu100。,DBW,主要由输入回路（测量桥路）和电压电流转换器两部分组成。,输入回路,将热电偶产生的电势或热电阻的阻值转换成相应的电压信号，,电压电流转换器,又将,五、（DBW）电动温度变送器,此电压信号转换成一一对应的010mA的直流电流信号。,输入,回路,电压电流转换器,Et(或Rt),U,I,（一）输入回路,DBW的输入回路实际上是一个直流不平衡桥路，,按测温元件的不同可分为热电偶、热电阻、热电偶温差、热电阻温差桥路和直流毫伏测量桥路五种,（只要改变接线端子的连接方式就能组成各种测量桥路）。,1、热电偶温度测量,桥路,U=U,AL,=E,T,+U,BL,=E,T,+R,Cu,I,1,-Rw,2,I,2,C,_,L,-,B,A,+,输出U,K,工作,E,T,T,+,R,C,u,E,R,21,R,20,W,3,I,2,I,W,2,R,18,I,1,检查,（1）自动补偿由于冷端温度变化而引起的测量误差,（2）实现零点调整和迁移,（3）对仪表作定值检查,输出U,_,+,T,L,E,R,21,R,20,C,W,3,I,2,I,W,2,R,18,B,R,I,1,T,H,检查,_,+,工作,K,A +,L,-,U,AL,=E,TH,-E,TL,+I,1,R-I,2,R,w2,2、热电偶温差测量桥路,作用是：把热电阻的阻值变化转换成相应的毫伏电压信号，实现零点迁移并送出一个固定数值的电压来对仪表进行定值检查。,3、热电阻温度测量桥路,U=I,1,Rt-I,2,Rw,2,输出U,E,R,21,R,20,C,W,3,I,2,I,W,2,R,18,B,I,1,检查,工作,K,A,+,L,-,R,t,为克服导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法，,即在W,2,桥路中也串入一条与Rt桥臂中相同粗细，相同长度，相同材料的连接线，且二桥臂电流相等，所以在二桥臂中两根连接导线上产生的压降相等，从而相互抵消。,U=I,1,Rt,H,-I,2,Rt,L,-I,2,R,W,2,只要保证接线长度相等即可，无需采用三线制,4、热电阻温差测量桥路,输出U,E,R,21,R,20,W,3,I,2,I,W,2,R,18,B,I,1,检查,工作,K,A,+,L,_,Rt,H,C,Rt,L,（二）电压电流转换器,I,0,=U/R,f,六、测温元件的选用及安装,p,91,第四章 显示仪表,第二节 自动电子电位差计,第三节 自动电子平衡电桥,R,动,R,并,R,调,R,T,R,串,+,_,冷端补偿器,补偿导线,补,偿,电,阻,连接铜导线,量程电阻,第一节 动圈式显示仪表,一、测量机构及作用原理,二、XCZ101型动圈式仪表,R,外,=15,动圈式仪表实质上是一种测量电流的仪表。,被测参数,检测元件,E或R,测量电路,动圈,I,(微安),指针,指示,配热电偶,1、外接调整电阻,2、动圈的温度补偿,串一,热敏电阻Rt,，用锰铜丝绕制的,R,并,和Rt并联,，还串入一恒定,R,串,。,三、XCZ102型动圈式仪表,a,稳压电源,R,动,R,串,R,T,R,t,R,并,R,4,R,3,R,0,R,1,R,1,R,1,R,2,b,c,d,+,-,配热电阻,1、不平衡电桥,2、三线制,3、外接调整电阻,4、稳压电源,R,1,=5。,五、缺点,属开环式仪表；由于是测量电流的仪表，因此能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差；它的可动部分易损坏，怕震动和阻尼时间较长，且不便于实现自动记录。,四,、动圈式仪表使用中注意的问题,第一节 自动电子电位差计,电子电位差计是用来测量电压信号的，凡是能转换成电压的工艺变量都能用它来测量,。,一、工作原理,电子电位差计是根据,“电压补偿原理”,工作的。,这种,用已知电压来补偿未知电压，使测量线路中电流等于0的测压方法称为“电压补偿法”,。,用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。,R,2,R,3,I,2,I,1,R,4,R,P,C,R,G,B,U,x,+,_,_,+,E,D,R,B,R,M,F,H,A,E,C,可逆电机 ND,指示记录结构,放大器的输入电压,U,CE,=U,CD,-U,x,=U,CF,+U,FB,-U,DB,-U,x,二、测量桥路中各电阻的作用,1、起始电阻R,G,2、量程电阻R,M,3、上支路限流电阻R,4,4、下支路限流电阻R,3,5、冷端温度补偿电阻R,2,第三节 自动电子平衡电桥,项目,热电偶系统,热电阻系统,输入信号,电动势,电阻,电桥输出,E,0,冷端温度补偿,有,无,接线方式,双补偿线，桥外,三线，桥臂,电源,直流,直流或交流,自动电子电位差计与自动电子平衡电桥的比较,第五章 自动控制仪表,第一节,概述,第二节,比例控制,第三节,比例积分控制,第四节,微分控制,第五节,模拟式控制器,第六节,可编程序控制器,p(t)=K,p,e(t),一、比例控制规律及特点,二、积分控制规律及特点,三、比例积分控制规律,P(t),K,p,A,t,P(t),K,I,At,t,K,p,A,t,p(t),比例度,四、微分规律及特点,P,0,t,五、PID控制器,K,p,A,t,p(t),P(t),K,p,A,t,t,e,(t),A,第二节 比例控制(P),控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上没有延滞。,图为阶跃偏差作用下，比例控制器的开环输出特性。,p(t)=K,p,e(t),一、比例控制规律及特点,K,p,是衡量比例作用强弱的物理量。,二、比例度,所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出的相对变化量之比的百分数，,即：,三、比例作用及对系统过渡过程的影响,1、在扰动及设定值变化时有余差存在,2、比例度越大，过渡过程的曲线越平稳，随着比例度的减小，余差逐渐减小,但系统的振荡程度加剧，当继续减小到某一数值，系统会出现等幅振荡。,P117图5-8,在基本控制规律中，比例,控制规律,是最基本、最主要、最普遍的控制规律。它能较为迅速地克服扰动的影响，使系统很快的稳定下来。,比例控制规律通常适用于扰动幅度较小，负荷变化不大，过程滞后较小和控制要求不高,允许有余差的场合。,第三节 比例积分控制(PI),一、积分控制规律,1.,当控制器的输出变化量p与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律。,(K,I,为积分速度),可见，具有积分控制的控制器，其输出信号的大小不仅与偏差的大小有关，而且还取决于偏差存在的时间长短。,力图消除余差是积分控制作用的重要特点。,e,(t),t,A,P(t),K,I,At,t,2.在幅值为A的阶跃偏差作用下，积分控制器的开环输出特性，如图：,3.,积分控制作用总是滞后于偏差的存在，不能及时有效地克服扰动的影响，,波动较大，难以使控制系统较快稳定下来，因而生产上都是将比例作用与积分作用组合成比例积分控制规律来使用。,二、比例积分控制规律,1.比例积分控制规律的数学表达式为：,在PI控制器中经常采用积分时间常数T,I,来表示积分速度K,I,的大小，在数值上有T,I,=1/K,I,则（1）式可写为：,（1）,（2）,e,(t),t,A,T,I,增大,K,p,A,t,p(t),2.在阶跃偏差作用下，比例积分控制器的开环输出特性,T,I,是描述积分作用强弱的一个物理量。,3.,T,I,的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到两倍比例输出时,所经历的时间。,三、积分作用及积分时间T,I,对系统过渡过程的影响,p118图,引入积分作用后消除了偏差，但降低了系统的稳定性。,比例积分控制规律通常适用于扰动幅度较小，负荷变化不大，过程滞后较小和控制要求较高,不允许有余差的场合。,四、积分饱和,此现象是具有积分作用的控制器的特殊问题（PI和PID控制器）。,当某一极性的偏差持续存在时，控制器输出将会达到上、下限值，以后即使偏差减小，控制器的输出仍维持在极限值，控制阀仍处在全关或全开的极限位置，直到偏差改变极性，输出才发生变化，从而阀门开度也发生变化。,这种由于积分作用而使输出长期处于极限值的现象称为积分饱和。,解决积分饱和的常用方法是使控制器,实现PI-P的控制规律,。,一、微分规律及特点,第四节 微分控制(D),从公式可知，偏差变化的速度越大，则控制器的输出变化也越大，D作用越强，反之亦然;对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分作用的输出总为零，,即微分作用对恒定不变的偏差没有克服能力，,这就是微分作用的特点。,微分作用有一种“超前”性质。只要被控参数有变化的趋势，通过微分作用就会阻止被控参数发生变化，使其稳定在给定值附近，提高系统的稳定性，减小被控参数的波动幅度，并降低余差。,1.理想的微分控制规律，输出的大小与偏差的变化速度呈正比，,2.阶跃信号下微分控制器的输出,P,0,t,(c),t,e,0,(a),三、比例微分控制器,四、PID控制器,e,(t),t,A,K,p,A,t,p(t),在阶跃输入下，开始时D作用的输出变化最大，使总的输出大幅度变化，产生一“超前”控制作用；然后微分作用逐渐消失，积分输出逐渐占主要地位，只要有余差，I作用不断增加，进行“细调”，直至余差完全消失，I作用停止；而PID的输出中，P是自始至终与偏差相对立，一直是最基本的控制作用。,一般来说，当对象滞后较大，负荷变化较快，不允许有余差的情况下，可采用PID控制器。,液位,：一般要求不高，用P或PI。,流量,：时间常数小，测量信息中含有噪音，用PI或加反微分控制。,压力,：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI。,温度,：容量滞后较大，用PID。,第五节 模拟式控制器,一、基本构成原理及部件,二、气动控制器,它信号传送慢、滞后大，不易与计算机联用,，故近年来使用较少。,三、电动控制器,电动单元组合仪表是以电为能源的仪表。它已经历了：,DDZ-型,电子管为基本放大元件，,笨重、易燃易爆。,DDZ-型,晶体管为基本放大元件，,采用220V交流电源，各单元间以010mADC统一联络信号，信号传输是电流传送电流接收的串联制形式。,DDZ-型,线性集成电路为主，,采用24VDC电源，以420mADC为现场传输信号，以15VDC为控制室联络信号。,（一）.DDZ-型控制器的特点,指示单元,控制单元,(1).,输入电路能实现给定信号,V,S,与测量信号,V,i,的相减运算，得到被放大两倍的偏差信号,V,01,。,(2).,采用了电平移动，将两个以零伏为基准的输入信号转换成以V,B,=10V为基准的输出信号V,01,，满足了运算放大器共模电压的范围要求,。,(3).,输入电路采用,差动输入,方法，避免了导线电阻和公共电源地线上出现电压降带来的误差。,V,01,=2(V,S,-V,i,),输入电路实际上是偏差差动电平移动电路。,(二).控制器各组成部分的原理,1.输入电路,2.PD电路,对,输入电路的,输出信号以V,B,=10V为基准的15VDC 的V,01,进行PD运算，输出以10V电平为基准的15V电压V,02,作为PI电路的输入信号。,3.PI电路,PI电路接受以10V电平为基准的PD的输出V,02,，对其进行PI运算后输出以10V电平为基准的15V电压V,03,送至输出电路。,4.输出电路,输出电路将PI电路以V,B,=10V为基准的15VDC输出信号转换为以0V为基准的420mADC的信号,送往执行器。,输出电路是一个电平移动的电压-电流转换电路,作用是把OV为基准的1-5V测量信号转换成以V,B,为基准的1-5mA的电流信号,用满偏转为5mA的电流表指示。,5.指示电路,第六章 执行器,第一节,气动薄膜执行器,第二节,控制阀的流量特性,第三节,控制阀的选择与计算,第四节,阀门定位器与电气转换器,第六章 执行器,执行器按使用能源可分为气动、电动、液动三大类。,气动执行器,具有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，在工业控制中广泛应用。,电动执行器,的优点是使用能源方便，信号传输速度快，距离远；缺点是结构复杂，推力小，价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。,液动执行器,推力最大，但较笨重。,一、气动执行器的组成与分类,二,、,气动薄膜执行器的结构,执行机构,用来产生推力,用来控制介质的流量,控制机,构,气开和气关组合方式,三、气动薄膜控制阀的类型,气开式是输入气压信号越高，开度越大；而失气时则全关。气关式是输入气压信号越高，开度越小；,而失气时则全开,。,1.直通单座控制阀,阀体内有一个阀芯和阀座，流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。它的特点是：,（1）.阀关闭时泄漏量较小，适用于要求泄漏量较小的场合。,（2）.流体作用在阀芯上的不平衡推力较大，,因此,单座阀适用于压差较小的场合。,（3）.稳定性较好，自动降压差，自发恢复稳定。,2.直通双座控制,特点与单座阀相反,（1）（2）（3）（4）,3.角形控制阀,4.隔膜控制阀 5.三通控制阀,四、气动薄膜控制阀的材质,一般情况下阀体采用铸铁，特殊情况下如高温、高压、腐蚀性时可用铸钢、不锈钢。,第二节 控制阀的流量特性,控制阀的流量特性是指流过阀门的被控介质的相对流量与阀杆的相对行程（即阀门的相对开度）之间的关系。,即,一、理想流量特性,在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系。它完全取决于阀芯形状。,典型的理想流量特性有直线型、对数型、抛物线型及快开型四种。,二、工作流量特性,快开特性,主要适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。,指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。工作特性不仅取决于阀的结构参数，也与配管情况有关。,1.串联管道中的工作流量特性,R=（Qmax/Qmin）,且特性发生畸变,2.并联管道,中,的工作流量特性,旁路阀,第三节,控制阀的选择与计算,一、控制阀结构形式及材质的选择,需考虑：被控介质的工艺条件和被控介质的特性。,二、控制阀的气开、气关选择,从生产安全角度考虑,三、控制阀流量特性的选择,指合理地选择线性和对数流量特性,四、控制阀口径的确定,控制阀口径的选择是由控制阀流通能力,（流量系数）,C值决定的。,第四节 电气转换器与电气阀门定位器,一、电气转换器,二、电气阀门定位器,三、阀门定位器的作用,1.实现准确定位（改善阀的静态特性）,2.改善阀的动态特性,一阶滞后特性成为比例特性。,3.改变阀的流量特性,改变反馈凸轮的几何形状,4.实现分程控制,5.用于阀门的反向动作,采用反作用式定位器(改变 反馈凸轮的安装位置)可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。,第七章 简单控制系统,第一节,简单控制系统,组成和设计、分析原则,第二节,被控变量的选择,第三节,操纵变量的选择,第四节,测量元件特性的影响,第五节,控制器的选择,第六节,控制器参数的工程整定,第一节 组成和设计、分析原则,控制器输出,_,z,x +,控制器,控制阀,被控对象,测量元件变送器,给定值,偏差,操纵变量,干扰作用,被控变量,测量值,y,f,e,p,q,尤其适用于被控过程的纯滞后与惯性不大，负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。,控制系统的设计,控制器参数整定,方案设计,工程设计,工程安装,仪表调校,选择被控参数,选择操纵变量,被控参数的获取与变送,控制器正、反作用方式的确定,控制器控制规律的选取,控制阀的选择,选择被控参数,，一般遵循的原则：,1.,把影响生产的关键变量作为被控变量。,2.,尽量采用,直接指标,作为被控变量,。也,可选择,与直接指标有单值对应关系的,间接指标,作为被控变量。,3.,被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。,4.,被控变量应是独立可控的。,5.,必须注意控制系统之间的相互影响，即相互关联问题。,选择,操纵变量,的原则是：,把对被控参数影响较显著的可控因素作为,操纵变量,；,测量元件特性的影响：,一、测量元件的时间常数,快速测量元件，如快速热点偶；,在测量元件之后引入微分作用，补偿测量滞后引起的动,态误差即,解决办法：,使 ；,二、测量元件的纯滞后,合理选择测量元件及安装位置,。,三、信号的传递滞后,主要指气信号的传递滞后。,二、测量元件的纯滞后,由纯滞后的定义可知，纯滞后不能使测量信号及时反映y的实际值，引起测量动态误差，降低控制质量，微分作用对纯滞后无能为力（,0,段为固定不变的偏差）。,快速测量元件，如快速热点偶；,在测量元件之后引入微分作用，补偿测量滞后引起的动,态误差即,由（）,解决办法：,使 ；,纯滞后,0,的影响,无纯滞后,有纯滞后,解决办法,只能,合理选择测量元件及安装位置，,如测量元件应靠近对象处。,P,31,控制器的选择,一、控制规律的选择,PI,PID,P,二、控制器正、反作用的确定,在控制系统中，控制器、被控对象、测量元件变送器、控制阀都有各自的作用方向，应使总的作用方向构成负反馈。,整个控制系统应是“反作用”方向。,控制器,，当,变送器送来的信号,增加,或（,当给定值,增加）,后，控制器的输出增加,或（减小),，称为“正作用”方向。,变送器,，其作用方向一般都是“正”的。,控制阀,气开阀,为,“正作用”方向，气关阀,为,“反作用”方向。,对象,，,当操纵变量增加时，被控参数的输出也增加，称为“正作用”方向。,控制器参数的工程整定,是指决定控制器的比例度、积分时间T,I,和微分时间T,D,的具体数值。,整定实质是取得最佳控制效果。,1.临界比例度法,优点,缺点,2.衰减曲线法,3.经验凑试法,（关键是看曲线、调参数）,例 简单控制系统设计,1.被控参数的选择,2.操纵变量的选择,3.检测控制仪表的选用 4.测量元件及变送器的选择,5.控制阀的选择 6.控制器的选择,7.画如前的温度控制流程图及方块图,8.控制器参数整定,第八章 复杂控制系统,第一节 串级控制系统,一.串级控制系统的结构及原理,串级控制系统有两个闭合回路