第四章 自动控制仪表 基本要求： 掌握各种基本控制规律及其特点。 熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系 统的影响。 了解DDZ-型控制器的特点和基本组成。 1 第一节 概 述 1.作用：回忆控制器作用 被控对象 测量变送 控制器 执行器 被控变量 设定值 扰动 2 2. 发展 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。 单元组合式仪表中控制单元 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； l计算机控制系统 以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构等单 元为外围设备的系统。 3 第二节第二节 基本控制规律及其对控制过程的影响 q控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之 间的关系，即输出p与输入e之间的函数关系。 p=f(e)=f(z - x ) q基本控制规律： 位式、P、I、D或PID的组合 4 一、位式控制 双位控制 5 2、具有中间区的双位控制过程 p t y t yH yL 图4-3 6 3 3、品质指标品质指标等等 3、品质指标： 振幅：yH-yL 周期：T 4、特点： 结构简单、成本较低、 易于实现，应用普遍。 5、适用场合 控制质量不高、适于位式控制。 图4-4 7 二、比例控制P 1.定义：输出p与输入 e成比例关系，即： p=Kpe Kp-比例增益 例： 2.特点： Kp可调； 无时间因子，变化迅 速、及时； 存在余差（e0）。 8 3、比例度（带） 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。 公式： 具体意义：使控制器的输出变化满刻度时(也就是控制 阀从全关到全开或相反)，相应的仪表测量值变化占仪 表测量范围的百分数。 9 比 例 度 10 练习 例：某DDZ-型比例作用控制器，温度刻度范围为 400800、控制器输出工作范围是010mA。当 指示指针从600 移到700 ，此时控制器相应的输 出从4mA变为9mA，其比例度的值为多少？ 11 4 4、比例度比例度对对过渡过程的影响过渡过程的影响 越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越强 。 v比例度的选择原则: 若对象的滞后较小， 时间常数较大以及放大倍 数较小，那么可以选择小 的比例度来提高系统的灵 敏度，从而使过渡过程曲 线的形状较好。反之，为 保证系统的稳定性，就要 选择大的比例度来保证稳 定。 12 三、积分控制 I 1、定义：积分控制作用 的输出变化量p与输入偏 差e的积分成正比。 2.比例积分控制 TI积 分时间 ； KI:积分速度 13 3、积分时间对过渡过程的影响 左图表示在同样比例度下积分 时间对过渡过程的影响。由图 中曲线可以看出，TI过大时 积分作用不明显，余差消除地 也慢，从图中曲线、可以 看出，TI较小时易于消除余差 ，但系统的振荡加剧。相比之 下，曲线就比较理想。 积分作用可以消除余差。 14 四、微分控制 D 1.定义：输出信号与偏差 信号的变化速度成正比， 即： e t0 t t0 t P q在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为 无穷大，其余时间输出为零。 TD控制器的微分时间； 15 2.比例微分控制 PD t e t p 理想PD控制器的阶 跃响应曲线 实际的PD控制器的 阶跃响应曲线 e t t p 16 3、微分时间对过渡过程的影响 PD控制优点：能提高系统的响应 速度，同时改善过程的动态品质 ，抑制过渡过程的最大动态偏差 ，有助于提高系统的稳定性。 PD控制不足之处： 一般只适应于时间常数较大或多 容过程的调节控制，而不适用于 流量、压力等一些变化剧烈的过 程。其次，当微分作用太强时会 导致系统中的控制阀频繁开启， 容易造成系统振荡。 PD控制一般总是以比例动作为主 ，微分动作为辅。 17 五、比例积分微分控制规律 PID PID阶跃响应特性曲线 PID控制规律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，从控制效果看，是比较理想的一种控制 规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲 线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但 并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因 为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间 和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难 将这三个变量都整定到最佳值。 18 几种调节方法的比较 19 例 ： 一台具有比例积分控制规律的DDZ-型控制器，其比例度 为80，积分时间TI为1min。稳态时，输出为6mA。某瞬间 ，输入偏差突然增加了0.3mA，问其输出为多少?经过3min后 ，其输出将为多少? 解： 比例度为80，故比例放大系数Kp1/1.25, 输入变 化了0.3mA，输出在比例作用下将变化0.31.250.375mA, 假定控制器为正作用式的，输出将在6mA的基础上增加 0.375mA、故为6.375mA。 由于积分时间为1min，故在积分作用下，每经过1min，输 出将增加0.375mA。经过了3min后，在积分作用下，输出将 增加的数值为30.3751.125mA。所以，在经过3min后，由 于比例作用与积分作用共同作用的结果，使输出共增加了 0.375+1.1251.5mA。由于稳态时为6mA，故经过3min后， 输出将变为7.5mA(如果是反作用式控制器，输出将变为 4.5mA)。 20 第三节 模拟式控制器 信号形式：连续的模拟信号信号形式：连续的模拟信号 一、基本构成 比较环节 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减） ，产生偏差信号。 放大器 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。 反馈环节 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端 ，以实现比例、积分、微分等控制规律。 21 一、基本构成 给定信号 比较环节 测量信号 偏差 放大器 输出信号 反馈环节 - 22 二、气动控制器 QDZ 20100KPa 工作原理：力平衡和力矩平衡 特点：结构简单、价格便宜 缺点：信号传送慢、滞后大，不易与计算机联用 气动单元组合仪表气动单元组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单 元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准信号相联系,整 套仪表的精度一般为1.0级。 23 三、DDZ电动控制器 1. 仪表的特点 l采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号： 420mA DC 或 15V DC，信号电流与电压的转换电阻为250。 电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，容易识别断电、 断线等故障。 l高度集成化，可靠性高，维修量少。 l全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。 l功能齐全，结构合理。 l具有本安（本质安全）性能。 DDZ-型电子管器件为主要器件 DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-型线性集成电路作为核心器件 24 2. 基本功能 l控制功能 自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。 手动控制：由人工直接设定输出值遥控执行器。 l软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 l硬手动：瞬间直接改变输出值。 l显示功能 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、 （输出）限位报警。 l调整功能 给定输入调整： 控制参数整定： 25 无干扰切换 l在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和 系统状态不发生突变。 l无干扰切换的实现： 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使 输出值与自动输出值保持一致。 26 3. 结构原理 27 4. 外形结构 炉温控制 仪表整体为长方 体，伸入控制箱 （盘）内部 PID参数设定位于 仪表内部，拉开 整个仪表，可用 螺丝刀调整变阻 器。 28 4. 外形结构 图5-18 DTL-3110型调节器正面图 1自动-软手动-硬手动切换 开关；2双针垂直指示器 ；3内给定设定轮；4输 出指示器；5硬手动操作 杆；6软手动操作板键；7 外给定指示灯；8阀位 指示器；9输出记录指示 ；10位号牌；11输入检 测插孔；12手动输出插孔 29 四、数字式控制器 通过A/D，D/A转换，可以实现模拟量与数字 量之间的相互转化。 数字量控制器的基本结构原理为： A/D AIO DIO I/O 模拟量信号 数字量信号 CPU 计算 电路 D/A AIO DIO I/O 模拟量信号 数字量信号 30 数字控制器的分类 单回路数字控制器 为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的 简易计算机控制系统。 PLC控制器 具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门 的编程语言。 工业控制计算机 基于高性能CPU的计算机系统，可使用多种高级语 言，具有普通计算机的全部功能，可靠性更高。 31 数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路( (单回路数字控制器) 图4-19 数字式控制器的硬件电路 32 数字式控制器的主要特点 1. 实现了模拟仪表与计算机一体化。 2. 具有丰富的运算控制功能。 3. 使用灵活方便，通用性强。 4. 具有通讯功能，便于系统扩展。 5. 可靠性高，维护方便 。 33 endend 34