调节器和执行器分解.pptx

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,#,智能建筑环境检测与控制技术,4,调节器和执行器,本章主要介绍过程控制中常用的调节器和执行器的工作,原理、种类、特点及其在过程控制中的应用。在调节器的讲,述中，主要介绍工业控制中最为普遍和最为常用的比例,（,P,）、积分（,I,）、微分（,D,）调节器的控制原理，以及由,此基本调节器衍生出的其他类型的调节器，包括比例积分,（,PI,）、比例微分（,PD,）和比例积分微分（,PID,）调节器。,除此之外，还以,SLPC,为例介绍了目前较为先进的可编程序调,节器的特点和工作原理。在执行器部分，对常用的气动、液,动和电动执行器的特点、种类及工作原理进行了介绍。本章,要求重点掌握比例、积分、微分控制规律的特点及应用，了,解执行器的工作原理及选择方法。,4.1,典型控制系统,典型的单回路控制系统的结构框图如图所示。,其中，虚线框内部分为调节器 ，是包括执行,器、被控对象和测量变送元件在内的广义被控对象,的传递函数，为干扰通道的传递函数。,进入调节器的偏差信号定义为,4.1,典型控制系统,当系统稳定时，偏差信号为,0,或接近于,0,。当干,扰作用于系统而使被控变量偏离设定值时，偏差信,号出现。调节器在接收到偏差信号以后，期望根据,预设好的控制规律改变其输出信号，通过执行器作,用于被控对象，使被控量向系统设定值方向改变，,重新回到稳定状态。,4.1,典型控制系统,只有存在偏差,时，调节单元才会真正发挥其,作用。对于调节器而言，有正、反作用两种工作方,式。所谓正作用方式是指调节器的输出信号,u,随被,调量,y,的增大而增大，此时整个调节器的增益为,“,+”,。反作用方式则是指,u,随被调量,y,的增大而,减小，调节器的增益为“”。,4.2 PID,控制规律,PID,调节器结构简单，使用方便，且其控制品质,对被控对象特性不敏感。因此，具有广泛的适应性。,据统计，在过程控制领域中，大约,90%,的控制回路都,采用,PID,控制。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,一）比例（,P,）控制规律,比例控制规律的调节器的输出信号的变化量,与偏差信号 之间存在比例关系，用微,分方程形式可表示为,为可调的放大倍数（比例增益），,其大小反映了比例作用的强弱。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,一）比例（,P,）控制规律,需要注意的是，当偏差信号,为,0,时，由上式可,知，调节器的输出信号的变化量 为,0,。但并不意,味着此时调节器没有输出或输出为,0,，只能说明此时,调节器的输出为某个平衡值 。平衡值 的大小一,般可通过调整调节器的工作点加以改变。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,一）比例（,P,）控制规律,比例调节是最基本、应用最普遍的控制规律，,其显著特点是有差调节。比例调节器的输出信号变,化量 与输入信号之间始终保持比例关系，也即调,节作用是以偏差的存在为前提的，因此系统稳定,后，被控变量也无法达到系统给定值，即存在一定,的残余偏差。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,一）比例（,P,）控制规律,比例度是调节器输入的,相对变化量与相应的输,出的相对变化量之比的百分数，可以表示为,比,例度越小，放大倍数越大，将偏差放大的能,力越强，控制作用也越强，反之亦然。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,二）积分（,I,）控制规律,积分控制规律的调节器的输出信号的变化量,与偏差信号 的积分成正比，用微分方,程形式可表示为,为积分时间；为积分速度。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,二）积分（,I,）控制规律,积分调节器的输出信号变化量 不仅与偏差,信号 有关，与其存在的时间也有关。偏差信号存,在的时间越长，就越大，直至调节器的输出达到,极限值。只有 等于零时，输出信号才能相对稳,定，且可稳定在任意值上。积分调节规律的显著特,点是希望消除残差并最终消除残差。积分调节器的,缺点是动作过于迟缓，因此具有滞后调节特点。,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,三）微分（,D,）控制规律,微分控制规律的调节器的输出信号的变化量,与偏差信号 的变化速度成正比，用微分方程形式,可表示为,为微分时间,为偏差信号变化速度,4.2 PID,控制规律,一、基本控制规律及其表现形式,（,三）微分（,D,）控制规律,微分控制规律的调节作用是与偏差信号的变化,的速度成正比的，可以根据偏差信号的变化趋势及,时地产生调节作用，将偏差尽早消除，因此具有超,前调节能力。,微分调节在实际工程中不能单独使用，只能起,辅助调节作用。,4.2 PID,控制规律,二、常规,PID,控制规律,（一）比例积分（,PI,）调节器,由比例与积分两种调节作用结合而成，既能达,到控制及时的目的，又能消除残差，可以提高控制,精度。,4.2 PID,控制规律,二、常规,PID,控制规律,（二）比例微分（,PD,）调节器,微分调节器不能单独使用。实际应用时，至少,与比例控制组合成比例微分（,PD,）调节,器使用。,4.2 PID,控制规律,二、常规,PID,控制规律,（三）比例积分微分（,PID,）调节器,当控制对象惯性较大且对控制精度要求较高,时，可采用将比例、积分与微分三种调节作用结合,而成的比例积分微分（,PID,）调节器。,4.2 PID,控制规律,三、数字,PID,控制规律,对,采取近似算法，,为采样周期。,4.2 PID,控制规律,三、数字,PID,控制规律,（一）位置型,这,种算式的输出,u,k,是通过逐次采样偏差,i,进,行求和、求增量获得，便于计算机实现。因,u,k,与,实际控制中的阀位相对应，因此称为位置型算式。,4.2 PID,控制规律,三、数字,PID,控制规律,（二）增量型,增,量型算式的输出只取决于最后几次偏差，计,算相对简单，提高了实时性，因此得到了广泛的应,用。,4.2 PID,控制规律,三、数字,PID,控制规律,（三）速度型,由,于采样周期,T,为常数，因此速度型算式与增,量型算式在本质上是相同的。速度型算式主要应用,于控制步进电机等单元构成的系统。,4.3,模拟式,PID,调节器,模拟式,PID,调节器采用模拟电路实现各种控制规,律，也称电动调节器。,目前仍在使用的主要为,DDZ-III,型调节器，它广,泛采用了集成电路，提高了可靠性和安全性；符合,国际电工委员会（,IEC,）推荐的,4,20mA DC,和,1,5V,DC,统一信号标准；增加了安全栅，构成安全火花型,防爆系统，可适应化工厂及炼油厂的防爆要求。,4.3.1,DDZ-,型,PID,调节器的组成,4.3.2,输入电路,由,叠加原理可写出放大器同相与反相输入端电,压分别为,设,A,1,为理想放大器，则有,V,-,=,V,+,，即,和,4.3.3,PID,运算电路,一、比例微分电路,设,A,2,为理想放大器，通过电容,C,D,上的充电电流为,则对于,A,2,的输入端，有,4.3.3,PID,运算电路,一、比例微分电路,又因,，,，则有,比例微分电路传递函数为,4.3.3,PID,运算电路,一、比例微分电路,则有,当输入信号为,阶跃信号时，可得,V,o2,的时域,响应为,4.3.3,PID,运算电路,二、比例积分电路,设,A,3,为理想放大器，则对比例调节电路有,对积分调节电路有,4.3.3,PID,运算电路,二、比例积分电路,又,因,V,o3,(,s,)=,V,o3P,(,s,)+,V,o3I,(,s,),，假设,V,o2,(,t,),为阶跃信,号，则,V,o2,(,t,),在,t,0,时为常数，则有,比例积分电路传递函数,4.3.3,PID,运算电路,二、比例积分电路,当输入信号为阶跃信号时，可得,V,o3,的时域响应为,4.3.4,输出电路,R,3,=,R,4,=10k,，,R,1,=,R,2,=4,R,3,，假设,A,4,为理想放大器，则有,又,V,-,=,V,+,，由式（,4-27,）,和式（,4-28,）进行整理，,可得,4.3.4,输出电路,由图可知,由式（,4-29,）和式（,4-30,），可得,而,I,o,又远大于,I,f,和,I,B,，,故可近似有,4.4,可编程调节器,可编程调节器也称为数字式调节器，不同于模,拟式调节器那样所有控制功能都由硬件电路实现，,而是采用了数字技术，以微处理器（,CPU,）为核心部,件，极大地增强了其使用功能，可以同时控制单个,或者多个回路。加之配有多路模拟量及数字量输入,接口，可以取代多台模拟仪表，实现复杂的控制运,算。,4.4,可编程调节器,可编程,调节器定义了相应的编程语言，即面向,过程语言（,Procedure Oriented Language,，,POL,）。,用户使用它可以将各软件功能模块进行组态，用以,指明模块之间的连接顺序，定义数据的输入与输,出，进行各种运算，进而实现某种确定的调节功,能，以适应各种不同的控制场合。,4.4.1,可编程调节器的特点,（,1,）实现了模拟仪表与数字式仪表的一体化，通用性强。,（,2,）运算控制功能强大。,（,3,）所有控制功能通过软件实现。,（,4,）具有通信功能，便于系统扩展。,（,5,）可靠性高，具有自诊断功能，维护方便。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,一、,SLPC,调节器的组成及外部结构,SLPC,调节器主要由,CPU,、,ROM,、,RAM,、,D/A,转换器、,过程输入,/,输出接口、数据通信接口及人机接口组成。,SLPC,调节器的外形结构和操作方式与模拟控制仪表类,似，具有,5,个,1,5V DC,模拟量输入通道；,6,个的可编程数字,量输入,/,输出通道（其输入输出由用户决定）；,2,个,1,5V DC,模拟量输出通道，用以输出控制信号给其他仪表；,1,个,4,20mA DC,模拟量输出通道，用以驱动调节阀；,1,个点故障状,态输出通道和,1,个全双工串行通信通道。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,二、,SLPC,调节器的用户程序,SLPC,调节器所有的功能都是借助于对寄存器,的定义完成的，不同的数据存放在对应的寄存器中,。,SLPC,调节器内部有许多与应用软件密切相关的,用户寄存器，主要分为基本寄存器和功能扩展寄存,器两类。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,二、,SLPC,调节器的用户程序,（一）基本寄存器,（,1,）模拟量输入数据寄存器,Xn,。,（,2,）模拟量输出数据寄存器,Yn,。,（,3,）开关量输入寄存器,DIn,。,（,4,）开关量输出寄存器,DOn,。,（,5,）可变参数寄存器,Pn,。,（,6,）固定常数寄存器,Kn,。,（,7,）中间数据暂存寄存器,Tn,。,（,8,）运算寄存器,Sn,。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,二、,SLPC,调节器的用户程序,（二）功能扩展寄存器,为了扩展其控制功能,，,SLPC,调节器还设置了,A,类、,B,类,和,FL,类功能扩展寄存器，每一类均包括多个寄存器。倘若,不需要进行功能扩展，则可对全部寄存器置于初始值。,（,1,）,A,类寄存器。,（,2,）,B,类寄存器。,（,3,）,FL,类寄存器,。,需要注意的是，上,述所有寄存器均对应着,RAM,中不同,的存储单元，这种对应关系可以通过软件进行指定和修改。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,三、程序控制规律的构成及实现,可编程调节器是通过控,制语句来实现程序控制规律的。,在可编程调节器的程序存储区（,ROM,）中，既存放有软件,管理程序，又存放有各种运算模块和功能模块。用户只需将,这些运算模块和功能模块通过指令连接起来，就完成了编程,，这一过程也称为“组态”。,SLPC,调节器的用户指令,分为输入指令、输出指令、基,本运算指令、函数运算指令、条件判断指令、存储位移指令,、控制功能指令和结束指令,8,类，参见课本表,4-1,。,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,三、程序控制规律的构成及实现,SLPC,可编程调节器中的控制功,能语句包含,3,条,，即基本控制语句,BSC,、串级控制语句,CSC,和选择,控制语句,SSC,。,BSC,CSC,SSC,4.4.2,可编程调节器,SLPC,简介,三、程序控制规律的构成及实现,【,例,4-1】,把两个输入变量,X1,和,X2,相加后，由,Y1,输出。,解 程序如下：,LD,X1,（读入,X1,数据）,LD,X2,（读入,X2,数据）,+,（对,X1,、,X2,求和）,ST,Y1,（将结果送往,Y1,）,END,（程序结束）,4.5,执行器,执行器的作用是接受来自调节器的控制信号，,将其转换为直线位移或角位移，控制调节机构的开,度，最终实现对被控对象的调节，因此可以说执行,器是工业自动化的“手脚”。,执行器因工作原理简单，容易成为控制系统中,被忽视的环节。,4.5.1,执行器的原理及分类,一、执行器的原理,执行器一般由执,行机构和调节机构两部分组成,执行机构是推动装置，将,控制信号转变为调节机构,位移。,调节机构是控制部分，在,执行机构的推动下，实现,对被控对象的调节。,4.5.1,执行器的原理及分类,二、执行器的分类,执行器按照使用能源的不同，分为气动、液动,和电动三种。,气动执行器因结构简单，动作可靠，输出动力,较大，价格低廉，维修方便，防火防爆等。,液动执行器输出推力很大，但其辅助设备往往,较为笨重，体积较大。,电动执行器能源取用方便，信号传递迅速，传,输距离远，结构复杂，推力小，防火防爆性能差。,4.5.2,气动执行器,常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类,气动薄膜式执行机构采用弹性膜片将输入气压,转变为推力，带动膜片上,的阀杆移动，使阀芯产生,位移，从而改变调节阀的,开度。这类执行机构结构,简单，价格便宜，适用于,输出力较小、精度较高的,场合。,4.5.2,气动执行器,常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类,气动活塞式执行机构采用无弹簧的气缸活塞将,输入气压转换为活塞的位移，,通过阀杆等结构来改变调节,阀的开度。这类执行器结构,可以获得较大的推力，允许,活塞产生较大的位移，因而,适用于长行程的场合。,4.5.3,阀门定位器,阀门定位器是气动执行器主要的辅助装置，与,气动执行器配套使用。用于提高调节阀位置精度，,实现准确定位，并改善调节阀的工作特性。,4.5.4,电动执行器,电动执行器也由执行机构和调节阀两部分组成,，与气动执行器不同之处在于执行机构采用电动机,等电的动力来启闭调节阀。根据配用的阀门的要求,，电动执行器的输出方式主要有直线行程、角行程,和多转式三种。电动执行器接受调节器输出的,0,10mA,或,4,20mA,的直流电流信号，并将其转换为对应,的角位移或直线位移，用以操纵执行机构，实现对,被控量的自动调整。,4.5.4,电动执行器,以,角行程电动执行器为例，以 表示输入电流,，,表示输出轴转角，两者间存在下述线性关系,K,比例系数,4.5.4,电动执行器,为保证电动执行器的输入与输出之间严格按比,例关系变化，可采用比例负反馈构成闭环控制回路,。电动执行器还提供手动输入方式，以便在系统掉,电时，可进行手动操作。,4.5.4,电动执行器,伺服放大器由前置的磁放大器、可控硅触发电,路和可控硅交流开关组成。,4.5.5,调节阀,一、调节阀的工作原理,调节阀是各种执,行器的调节机构，主,要由阀体、阀座、阀,芯、阀杆等组成，其,本质上是一个局部阻,力可以改变的节流元,件。,4.5.5,调节阀,二、调节阀的分类及结构,（一）直通单座阀,直,通单座阀的阀体内,只有一个阀芯和阀座。其,结构简单，泄漏量小，流体对阀芯上下面作用的不,平衡推力较大。当阀前后差压较大或阀芯尺寸较大,时，这种不平衡力可能会相当大，影响阀芯的准确,定位。这种阀门一般应用在对泄漏量要求严格、小,口径、低压差的场合。,4.5.5,调节阀,二、调节阀的分类及结构,（二）直通双座阀,直通双座阀的阀体内,有两个阀,芯和阀座，流体对上下阀芯的推力,方向相反，大小近乎相等。因此，,使用时允许有较大的差压，流通 能,力比同口径的单座阀要大。由于加工的限制，上下两个阀芯,、阀座不易保证同时密闭，因此关闭时泄漏量较大；此外，,阀体内流路复杂，高差压时流体对阀体的冲蚀较严重，也不,适用高黏度与含悬浮颗粒的控制介质。,4.5.5,调节阀,二、调节阀的分类及结构,（三）角形阀,角形阀,的阀体呈直角形，阀,芯与直通单座控制阀类似，一般,为底进侧出。这种阀流路简单且,阻力小，适用于现场管道要求直,角连接，高黏度、高差压和含有,少量悬浮物的控制介质。,4.5.5,调节阀,二、调节阀的分类及结构,（四）球阀,（五）蝶阀,4.5.5,调节阀,二、调节阀的分类及结构,（六）凸轮挠曲阀,4.5.5,调节阀,三、调节阀的流量特性,调节阀的流量特性是,指被控介质流过阀门的相,对流量和阀门相对开度之间的关系，即,相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开时流量之比；,相对行程，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。,4.5.5,调节阀,三、调节阀的流量特性,典型的理想流量特性曲线,阀芯形状,4.5.5,调节阀,四、调节阀的选择,（一）调节阀的阀体类型选择,（二）调节阀执行机构的选择,（三）调节阀的作用方式选择,（四）调节阀流量特性的选择,（五）调节阀口径的选择,