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1、过程控制系统,自动化071-4,第三章 过程控制仪表,31过程控制仪表概述 在过程控制中，常将调节器(含可编程序控制器)、电气转换器、执行器、安全栅等称为过程控制仪表，它们是实现工业生产过程自动化的核心装置。 在过程控制系统中，参数检测仪表将被控量转换成电流(电压)信号或气压信号，一方面通过显示仪表对其进行显示和记录，另一方面则将其送往调节器与给定信号进行比较产生偏差，并按照一定的调节规律产生调节作用去控制执行器，以改变控制介质的流量从而使被控量符合生产工艺要求。,DDZ仪表应用举例： 广泛应用于冶金、电站、建筑、石油、化工等工业部门，现以电动单元组合仪表构成的单回路反馈控制系统为例说明其应用
2、。如图所示： 控制系统由控制对象与电动单元组合仪表组成，对象的输出是被控量，如温度、压力、流量、液位等工艺参数，它经变送器转换成相应的电信号后，一方面送到显示单元指示或记录，另一方面送到调节单元，与给定单元送来的给定值进行比较，调节单元按其比较后的偏差，以一定的控制规律发出控制命令，控制执行单元动作，以开大或关小调节阀的开度，改变控制量，使被控量与给定值相等。,目前使用的调节器以电动调节器占绝大多数，而执行器则以气动为主，它们之间需要用电气转换器进行信号转换。此外，智能式电动执行器将逐渐取代常规的气动执行器而成为执行器新的发展方向。 1调节器的功能 一般调节器除了对偏差信号进行各种控制运算外，
3、还需具备如下功能： (1)偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。 (2)输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。,(3)内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。(4)正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器
4、；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。为了构成一个负反馈控制系统，必须正确地确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统将无法正常运行。调节器的正、反作用，可通过正、反作用开关进行选择或由软件实现。 (5)手动切换操作 调节器的手动操作功能是必不可少的。在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动自动双向切换开关，可以对调节器进行手动自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。,(6)其他功能 除
5、了上述功能外，有的调节器还有一些附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制功能。 2执行器的作用 执行器在过程控制中的作用： 接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。因此，执行器也是过程控制系统中一个重要的、必不可少的组成部分。 执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀等恶劣条件下工作，因而是过程控制系统的最薄弱环节。如果执行器的选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困难，甚至会导致严重的生产事故。为此，对于执行器的正确选用以及安装、维修
6、等各个环节，必须给以足够的重视。 若执行器是采用电动式的，则无需电气转换器；若执行器是采用气动式的，则电气转换器是必不可少的。,3.安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用： 一方面：保证信号的正常传输， 另一方面：控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。 本章重点介绍DDZ-型模拟式调节器、执行器、电气转换器和安全栅等控制仪表。,32 DDZ-型模拟式调节器,DDZ是电动单元组合仪表汉语拼音的缩写，它经历了以电子管、晶体管和线性集成电路为基本放大元件的I型、型和型系列产品阶段。其中DDZI、型已经停产，这里主要介绍DDZ
7、一型模拟式调节器。 在此之前先对调节规律的数学描述及其特性进行一些简单的介绍。有关调节规律对系统调节质量的影响、调节规律的选择和调节器的参数整定将在第5章中进行详细的讨论。321 比例积分微分调节规律 比例积分微分调节规律是指调节器的输出分别与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的变化率成比例，其英文缩写为PID(proportional integral derivative，PID)。 理想PID的增量式数学表达式为,写成传递函数形式，则为 式中，第一项为比例(P)部分，第二项为积分(I)部分，第三项为微分(D)部分；Kc调节器的比例增益；TI积分时间(以s或min为单位)；TD微分时间(也以
8、s或min为单位)。 通过改变这三个参数的大小，可以相应改变调节作用的大小及规律。,1.比例调节,当TI 、TD=0时，积分项和微分项都不起作用，上式变为纯比例调节。 纯比例调节器的单位阶跃响应特性如图31所示。由图31可见，纯比例调节器的输出与输入偏差成正比，比例增益的大小决定了比例调节作用的强弱，Kc越大，比例调节作用越强。,在工程上，习惯用比例度表示比例调节作用的强弱。它定义为：调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比，用百分数表示为,在DDZ-III型仪表中，由于输入、输出的统一标准信号均为420mA，因而比例度为：,比例调节的优点：调节及时，反应灵敏，当偏差一旦出现，就能
9、及时产生与之成比例的调节作用，偏差越大，调节作用越强，因而是一种最常用、最基本的调节规律。,2比例积分调节 当TD=0时，微分项不起作用，为比例积分调节。比例积分调节器的阶跃响应特性如图3-2所示。图3-2中，实线为理想比例积分调节器的阶跃响应特性，虚线表示实际比例积分调节器的阶跃响应特性；TI为一常数，它表示积分作用的强弱。TI越大，积分作用越弱；反之，积分作用越强。,比例积分调节器的输出可以看成比例和积分两项输出的合成，即在阶跃输入的瞬间有一比例输出，随后在比例输出的基础上按同一方向输出不断增大，这就是积分作用。只要输入不为零，输出的积分作用会一直随时间增长，如图中实线所示。而实际的比例积
10、分调节器，由于放大器的开环增益为有限值，输出不可能无限增大，积分作用呈饱和特性，如图中虚线所示。 具有饱和特性的PI调节器的传递函数可写成以下的标准形式：,KI称为PI调节器的积分增益。,它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,3.比例微分调节 当TI 时，积分项不起作用，为比例微分调节。在阶跃输入下，理想微分作用的输出如图3-3所示。,由图可见，在t=t0时加入阶跃输入，在t=t0的瞬间输出为无穷大，而在tt0时输出立即变为零。,图33 理想微分器的阶跃响应特性,由实际应用可知，调节器不允许具有理想的微分作用，这是因为具有理想微分作用的调节器缺乏抗干扰能
11、力，即当输入信号中含有高频干扰时，会使输出发生很大的变化，引起执行器的误动作。因此，实际的微分调节器常常具有饱和微分特性。具有饱和微分特性的比例微分调节器的传递函数为,式中，KD称为PD调节器的微分增益，它定义为： 在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,具有饱和特性的比例微分调节器的阶跃响应特性如图3-4所示。,4PID调节 同时具有比例、积分、微分作用的调节器称为PID调节器，理想PID调节规律的传递函数如前所示，而实际PID调节器的积分和微分作用都具有饱和特性，其传递函数为,理想PID调节器的阶跃响应特性如图35中实线所示；而实际PID调节器的阶跃响应特性
12、如图35中虚线所示。,在生产过程自动化的发展进程中，PID调节规律是应用时间最长、生命力最强的一种控制方式。 在20世纪40年代前后，除在最简单的情况下采用开关式控制外，它是唯一被采用的控制方式。此后，随着控制理论和科学技术的发展，虽然出现了许多新的控制方式，然而截至目前为止，PID调节方式依然被广泛地采用。 据有关资料统计，目前世界上90以上的过程控制系统采用的依然是PID调节或基于PID调节的各种改进型控制方式。PID调节的主要优点体现在以下几个方面：,1）PID调节模拟了人脑的部分思维，原理简单、容易理解与实现，使用方便。2）应用范围广。它能广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材
13、等各种控制过程。按照PID控制方式工作的自动调节器产品早已标准化和系列化，即使在过程计算机控制中，其基本的控制方式也依然采用的是PID调节或新型PID调节。3）鲁棒性强。由PID调节规律构成的控制系统当被控过程的特性发生改变时，只要重新整定调节器的有关参数，即可使系统的控制性能不会产生明显的变化。,3.2.2 DDZ-III型PID基型调节器,DDZ一III型PID基型调节器有两个品种，即全刻度指示调节器和偏差指示调节器。它们的电路结构基本相同，仅指示电路有差异。这里仅介绍全刻度指示调节器。3221 全刻度指示调节器的技术参数及外形 DDZIII型全刻度指示调节器的主要技术参数有：测量信号：1
14、5V DC； 外给定信号：420mA DC； 内给定信号：15V DC；测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：满刻度的0.1；输出信号：420mA DC；负载电阻：250750。输出保持特性：-0.1h；调节精度：0.5；DDZ-III型全刻度指示调节器的外形如图3-6所示。,3.2.2.2全刻度指示调节器的构成原理,全刻度指示调节器的构成框图如图3-7所示。 由图3-7（P77)可知，调节器由控制单元和指示单元组成。 控制单元包括：输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路； 指示单元包括：输入信号指示电路和给定信号指示电路。,调节器的作用： 将变送器送来的15VDC的
15、测量信号，与15VDC的给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出420mADC信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。全刻度指示调节器框图：,调节器的测量输入信号与内给定输入信号均是以零伏为基准的l5V DC信号，而外给定则是由420mA DC通过250精密电阻转换成以零伏为基准的15V DC信号，内、外给定由开关S6进行选择。 调节器有自动、软手动和硬手动三种工作状态，并通过联动开关进行切换。,一、输入电路 Vo1=-2(vi-vs) (正作用）作用：（1）用来获得与输入信号vi和给定信号vs之差成比例的偏差信号。(输入电路的输出电压是偏差电压的两倍）（2）对偏差信号实现电平移动(将两个以零伏为基准的输入电压，转换成以电平VB(10v)为基准的偏差电压输出，从而实现了电平移动。) 其电路图如图4-3所示。,
