过程控制仪表详解

发布者:admin 发布时间:2019-10-29 12:05 浏览次数:

  过程控制仪表.详解_人力资源管理_经管营销_专业资料。过程控制 第 三 章 过 程 控 制 仪 表 3.1 总体概述 一、过程控制仪表的分类及特点 1、按能源形式分类 过程控制 可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用 电动控制仪表

  过程控制 第 三 章 过 程 控 制 仪 表 3.1 总体概述 一、过程控制仪表的分类及特点 1、按能源形式分类 过程控制 可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用 电动控制仪表和气动控制仪表。 电动仪表 能源 传输信号 构成 接线VDC) 电信号(电流、电压或数字) 电子元器件 导线、印刷电路板 气动仪表 气源(140kPa) 气压信号 气动元件 导管、管路板 2、按信号类型分类 由模拟元件构成 模拟式 过程控制 传输信号通常为连续变化的模拟量,如电流信 号,电压信号,气压信号等 线路较简单,操作方便,使用灵活,价格较低 以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心 数字式 传输信号通常为断续变化的数字量,如脉冲信号 可以进行各种数字运算和逻辑判断,其功能完善, 性能优越,能解决模拟式仪表难以解决的问题 过程控制 3、按结构形式分类 ? 单元组合式仪表 ? 基地式仪表 ? 集散型计算机控制系统 ? 现场总线控制系统 过程控制 单元组合式仪表: 根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求,将仪表做 成能实现一定功能的独立仪表(称为单元),各个仪表之间 用统一的标准信号进行联系。 将各种单元进行不同组合,可以构成多种多样、适用于各种不 同场合需要的自动检测或控制系统。 有电动单元组合仪表(DDZ)和气动单元组合仪表(QDZ)两 大类。都经历了I型、II型(0?10mA) 、III型(4?20mA, 1?5v)的 三个发展阶段。 过程控制 温度变送器 压力变送器 将各种被测参数变换成相 应的标准统一信号传送到 接收仪表或装置,以供显 示、记录或控制 变送单元 单 元 组 合 仪 表 转换单元 差压变送器 流量变送器 液位变送器 直流毫伏转换器 频率转换器 电-气转换器 气-电转换器 将电压、频率等电信 号转换成标准统一信 号,或者进行标准统 一信号之间的转换, 以使不同信号在同一 控制系统中使用 过程控制 比例积分微分控制器 控制单元 单 元 组 合 仪 表 比例积分控制器 比例微分控制器 具有特种功能的控制器 加减器 运算单元 乘除器 开方器 指示仪 显示单元 指示记录仪 将变送单元的测 量信号与给定信 号比较,按偏差 给出控制信号, 去控制执行器 报警器 过程控制 输出统一标准信号,作为被控变量的给定值 给定单元 送到控制单元,实现定值控制。 给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参 考基准值。 按控制器输出的 角行程电动执行器 控制信号和手动 执行单元 直线行程电动执行器 操作信号,改变 控制变量 气动薄膜调节阀 操作器:手动操作及手动/自动的切换作用 辅助单元 阻尼器:压力或流量等信号的平滑、阻尼 限幅器:限制信号的上、下限值 安全栅:将危险场所与非危险场所隔开,起 安全防爆作用 单 元 组 合 仪 表 过程控制 工艺介质 阀门 被控对象 被调变量 检测元件 执行单元 自动 测量值 变送单元 调节单元 手动 操作单元 给定单元 给定值 显示单元 用电动单元组合仪表组成的控制系统 过程控制 基地式控制仪表 相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起,构成一个仪表。 通常以指示、记录仪表为主体,附加控制、测量、给定等部件 而构成; 其控制信号输出一般为开关量,也可以是标准统一信号; 一个基地式仪表具有多种功能,与执行器联用或与变速器联用, 便可构成一个简单的控制系统; 性能价格比高,适用于单参数的控制系统。 过程控制 集散控制系统(DCS系统):分散控制、集中管理 ? 数据采集、处理及控制 ? 由DCS系统的基本控制器(包括控 制卡、信号输入输出卡、电源等)构 控制站(下位机) 成 ? 或由可编程序控制器PLC(包括 CPU、I/O、电源等模块)或带有微处 理器的数字式控制仪表构成 ? 过程信息的集中显示、操作和管理 操作站(上位机) ? 由工业控制计算机、监视器、打印 机、鼠标、键盘、通信网卡等组成 过程通信网络 ? 实现操作站与控制站的连接 ? 提供与企业管理网络的连接 过程控制 现场总线控制系统(FCS系统) 现场控制和双向数字通信 将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中,实现 现场控制 现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。 过程控制 二、信号制 信号制即信号标准,是指仪表之间采用的传输信号的类型和 数值。 气动仪表的信号标准:20kPa ? 100kPa 电动仪表的信号标准 :4?20maADC DDZII型电动仪表的信号标准 : 0?10maADC 3.2 检测变送环节 一、检测变送环节的性能 过程控制 1、检测元件和变送器的作用 将工业生产过程的参数(流量、压力、温度、物位、成分等)经检 测、变送单元转换为标准的电或气信号。 变送器输出的是被控变量的测量值,它被送到显示和控制装置, 用于显示和控制。 标准信号 过程变量 位移、压力 检测元件 变送器 差压、电量等 检测变送环节工作原理 模拟仪表:标准信号通常采用4?20mA、0?10mA、1?5v电流或 电压信号,20?100kPa 气压信号; 现场总线仪表:标准信号是数字信号 2、对检测变送单元的基本要求 迅速:及时反映被控或被测变量的变化; 可靠:能在环境工况下长期稳定运行。 过程控制 准确:检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量,误差小; 3、选用时的基本考虑 首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀 性、粉尘和爆炸性环境,能否长期稳定运行; 仪表精度和量程的选择 选用仪表的精度要合适:应符合工业检测要求 仪表测量误差:仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差 量程选择:量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。 考虑仪表和变送器的线、动态特性 过程控制 Km Gm ( s ) ? e ?? m s Tm s ? 1 对Km的考虑: ? Km小,增大控制器的增益,有利于克服扰动对影响; ? Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关; ? 选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km 对Tm的考虑: ? 作为广义对象的组成,应考虑与Tp和Tv的匹配,及增大最 大时间常数与次大时间常数之间的比值; ? 相对于Tp ,Tm是较小的。但有例外: 过程控制 ? 成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大; ? 气动仪表的时间常数较电动仪表要大; ? 采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温 度有更大的时间常数。 ? 应考虑时间常数随过程运行而变化的影响: ? 保护套结垢,造成时间常数增大; ? 保护套磨损,造成时间常数减小。 减小Tm的措施: 检测点位置的合理选择; 选用小惯性检测元件; 缩短气动管线长度,减小管径; 正确使用微分单元; 选用继动器或放大器等。 过程控制 对?m的考虑 ( ?m = l / v ) : ? 与Tm一起考虑,应使?m / Tm小 ? 通常在温度、过程成分的检测变送中要考虑 ? 减小?m的途径: ? 选择合适的检测点位置; ? 减小传输距离l; ? 选用增压泵、抽气泵等装置,提高传输速度v; 二、对检测变送信号的处理 1、信号补偿 过程控制 ? 热电偶检测温度时,由于产生的热电偶不仅与热端温度有 关,也与冷端温度有关,因此需要进行冷端温度补偿; ? 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同,连接导线的类型和规 格不同,导致线路电阻不同,因此需要进行线路电阻补偿; ? 气体流量检测时,由于检测点温度、压力与设计值不一致, 因此需要进行温度和压力的补偿; ? 精馏塔内介质成分与温度、塔压有关,正常操作时,塔压 保持恒定,可直接用温度进行控制;当塔压变化时,需要用塔 压对温度进行补偿。 2、线性化 过程控制 ? 硬件组成非线性环节进行线性化处理,例如采用开方器对 差压进行开方运算; ? 也可用软件实现线、信号滤波 目的: ? 由于存在随机噪声,引起检测信号波动; ? 计算机控制时,由于信号是采样输入,因此,引入噪声 方法: ? 硬件滤波:RC电路、气阻气容等组成滤波线路 ? 数字滤波:数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有: 一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波 4、数学运算 过程控制 当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时,需要进行数 学运算获得实际的被控变量数值。 5、信号报警 如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围,就要进行信号 报警和连锁处理。 6、数字变换 例如快速傅里叶变换、小波变换; 在计算机控制系统中,模数转换和数模转换时经常使用的。 3.3 执行器 一、概述 形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚” 过程控制 作用:控制流入或流出被控过程的物料或能量,从而实现对过 程参数的自动控制。 执行器安装在生产现场,直接与介质接触,常常在高压、高温 等恶劣的状况下工作,因此,它是控制系统的薄弱环节 直接影响过程控制系统的质量。 过程控制 控制器输出 p0,I0 执行机构 推力、位移 调节机构 操纵变量 流量 接受调节器输出的控制信号,转换成直线位移或角位移,来改 变调节阀的流通截面积。 过程控制 根据执行机构使用的能源种类,执行器可分为气动、电动、液 动三种。 气动执行器: 结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、 防火防爆等优点 能源取用方便,信号传输速度快和传输距离 电动执行器: 远,动作较快; 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,但目前使用不多 调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。 二、执行器结构 1、气动执行器 膜片 过程控制 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。 p 执 行 机 构 调 节 机 构 平衡弹簧 阀杆 阀芯 阀座 典型的气动执行器的结构示意图 调节机构(控制阀体) 作用:是一个局部阻力可以变化的节流元件。 过程控制 流量方程 ?P ? p1 ? P2 ? ? Q ?? ? A ? 2 ? 2? ?Q ? A 2 ? ? (P 1?P 2) 调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时,流量Q仅随阻尼?的变化而变 化。 改变阀门的开启程度,可改变流通阻力而控制介质流量。 2、电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。 过程控制 其中调节机构和气动执行器是通用的,不同的只是电动执行器 使用电动执行机构,即使用电动机等电的动力启闭调节阀。 ? 最简单的电动执行器称为电磁阀 ? 其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件,将 调节阀的信号转变为阀的开度 + 伺服电动机 伺服放大器 - 减速器 位置发生器 电动执行机构的构成框图 三、调节阀的气开和气关 1、执行机构与调节机构的组合 过程控制 气开阀:在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关 气关阀:在有信号压力时阀关闭,无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发,气开阀为正作用,气关阀为反作用 过程控制 正作用执行机构:当输入气压信号增大时,阀杆向下移动 反作用执行机构:当输入气压信号增大时,阀杆向上移动 正作用执行机构 反作用执行机构 过程控制 正体阀:阀杆下移时流量减小 反体阀:阀杆下移时流量增大 正体阀 反体阀 过程控制 气关型 气开型 气开型 气关型 过程控制 2、选择原则 基本原则:根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关 考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。 当过程控制系统发生故障(如气源中断,控制器损坏或调节阀坏 了)时,调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。 考虑事故状态下减少经济损失,保证产品质量。 考虑介质的性质。 对装有易结晶、易凝固物料的装置,蒸汽流量调节阀需选用 气关式,一旦事故发生,使其处于全开状态,以防止物料结 晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦,甚至损坏设备。 四、调节阀的流量特性 1、理想流量特性 过程控制 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的 相对开度之间的关系,即: q q max l ? f( ) q max L :相对流量,即调节阀某一开度时流量与全开流量之比 q l :相对开度,即调节阀某一开度行程与全开行程之比。 L 理想流量特性:在阀前后压差为一定的情况下(?p=常数)得 到的流量特性。 取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。 100 过程控制 80 1 2 60 3 40 20 4 0 10 20 30 40 50 0 理想流量特性曲线、直线、对数 直线流量特性曲线: 过程控制 调节阀的相对流量与相对开度成直线关系,即单位位移变化所引 起的流量变化是一个常数。 d ( q / q max ) ? K d (l / L ) 边界条件:当l=0时,q=qmin K:常数,即执行器的放大系数 当l=L时,q=qmax q qmax 1? l? qmin l qmin ? ?1 ? ( R ? 1 ) ? ? (1 ? ) ? qmax L qmax R? L? 调节阀的可调比 ,R=30 q max R? q min 过程控制 调节阀的相对开度与相对流量(R=30) b a 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 直线.6 90.3 100 对数 3.3 4.67 6.58 9.26 13.0 18.3 25.6 36.2 50.8 71.2 100 快开 3.3 21.7 38.1 52.6 65.2 75.8 84.5 91.3 96.13 99.03 100 抛物线 a:l/L(%) b:q/qmax(%) 过程控制 只要阀芯位移量相同,则流量变化也总是相同的,即单位行程 变换所引起的流量变化是相等的。 相对流量的相对于当前值的相对变化量为: 22.7 ? 13 ? 100% ? 75% 在10%开度时: 13 61.3 ? 51.7 在50%开度时: ? 100% ? 19% 51.7 在80%开度时: 90.3 ? 80.6 ? 100% ? 11% 80.6 直线流量特性调节阀在小开度时,控制作用强,易产生振荡; 大开度时,调节缓慢,不够及时。 对过程控制系统来说,要求在小负荷时控制作用小一些,大负 荷时控制作用加强一些,这需要由调节阀的流量特性来补偿。 直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的。 对数(等百分比)流量特性: 过程控制 单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 成正比关系。 q d (q / qmax ) q 代入边界条件: ?K q max d (l / L) qmax ? R (l / L ?1) 在10%开度时: 在50%开度时: 在80%开度时: 6.58 ? 4.67 ? 100% ? 40% 4.67 25.6 ? 18.3 ? 100% ? 40% 18.3 71.2 ? 50.8 ? 100% ? 40% 50.8 从过程控制工程来看,利用对数(等百分比)流量特性是有利 的。调节阀在小开度时,调节阀的放大系数小,控制平稳缓和; 调节阀在大开度时,其放大系数大,控制作用灵敏有效。 抛物线流量特性: 过程控制 单位相对行程(开度)的变化所引起的相对流量变化与此点的 相对流量的平方根成正比关系。 d (q / q max ) q ?K d (l / L) q max 2 q 1? l? ? ?1 ? ( R ? 1) ? 将边界条件代入可得: q max R ? L? 它介于直线流量特性和对数流量特性之间,通常可用对数流量 特性来代替。 快开流量特性: 在小开度时流量就已很大,随着行程的增大,其流量就很快达到 最大,故称为快开特性。 当阀的行程大时,阀的流通面积不再增大,不能起控制作用。 这种调节阀通常用于二位式控制或程序控制。 2、工作流量特性 过程控制 调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性。 调节阀与管道设备串联时的工作流量特性 ?p p ?pv ?p ?pk ?pv ?pk 调节阀与管道设备串联 压力分布 qv 过程控制 令S为调节阀全开时的阀前后压差与管道系统的压差之比,即: ?pV min S? ?p q qmax 1 ?l? ? f? ? ? L ? ( s ?1 ? 1) f 2 ? l ? ? 1 ? ? ?L? 过程控制 串联管道调节阀工作特性 过程控制 ? 在S=1时,管道阻力损失为零,系统的总压差全部降在 调节阀上,实际工作流量特性与理想特性是一样的; ? 随着S值的减小,管道阻力损失增加,结果不仅调节阀全 开时的流量减小,而且流量特性也发生了很大的畸变: ? 直线特性趋向于快开特性; ? 等百分比特性趋向于直线特性 ? 并且S值越小,影响越大。因此在实际使用中,S值不能 太小,通常希望S值不低于0.3。 调节阀与管道设备并联时的工作流量特性过程控制 并联的目的:冗余措施;增大产量(流量) ?p Q1 Qi Q2 调节阀与管道设备并联 令S’为调节阀全开流量与总管最大流量之比,即: Qo Q1max S? ? Qi 直线 过程控制 对数 S’=0.2 S’=0.5 S’=0.8 S’=1.0 100% S’=0.2 S’=0.5 S’=0.8 S’=1.0 l/L l/L 100% 当s’=1时,即关闭旁路,调节阀工作流量特性西即为理想流量 特性。 随着旁路阀打开,即s’值逐渐减小时,系统可调范围大大下降, 这将使调节阀所能控制的流量变化很小。 过程控制 3、调节阀流量特性的选择 考虑系统的控制品质: 一个理想的控制系统,希望其总的放大系数在系统的整个操作 范围内保持不变。 过程控制 考虑工艺管道情况: 过程控制 调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关,即与 工艺配管情况有关。 配管情况 工作特性 理想特性 S=0.6 ? 1 直线 直线 等百分比 等百分比 S=0.3 ? 0.5 直线 等百分比 等百分比 等百分比 工艺配管情况与流量特性关系 过程控制 考虑负荷变化情况: 直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大,控制过于灵敏, 易引起振荡,且阀芯、阀座也易受到损坏,因此在S值小、负 荷变化大的场合,不宜采用。 等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大,流 量相对变化值是恒定不变的,因此它对负荷变化有较强的适应 性。 调节阀流量特性的选择一般分两步进行: ? 首先根据过程控制系统的要求,确定工作流量特性; ? 然后根据流量特性曲线的基本情况,确定理想流量特性,以 作为向生产厂家定货的内容。 由对象特性?选工作特性?推理想特性?查厂家手册。 3.4.3 电/气转换器与阀门定位器 1 电/气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出 信号,必须把标准电流信号转换为标准气压信号。 电/气转换器作用: 将4~20mA的电 流 信 号 转 换 成 20 ~ 100KPa 的 标 准 气 压 信号。 2018/10/5 50 力平衡式电/气转换器的原理图 I ↑? 吸力Fi↑ ? 杠杆偏转 ? 挡板与喷嘴间隙↓ ? 背压↑ ? 放大器输入↑ ? 输出压力P ↑ ? 杠杆 的反馈力Ff ↑ ? 杠杆平衡 ? P∝I Fi 调零 负反馈 Ff 磁铁 背压 2018/10/5 51 2 阀门定位器 气动调节阀中,阀杆的位 移是由薄膜上气压推力与弹簧 反作用力平衡确定的。 为了防止阀杆处的泄漏要 压紧填料,使阀杆摩擦力增大, 且个体差异较大,这会影响输 入信号P的执行精度。 2018/10/5 52 解决措施 在调节阀上加装阀 门定位器,引入阀杆位 移负反馈。使阀杆能按 输入信号精确地确定自 己的开度。 2018/10/5 53 电/气阀门定位器 实际应用中,常把电/气转换器和阀门定位器结 合成一体,组成电/气阀门定位器。 I↑?杠杆上端右移? 挡板靠近喷嘴 ? P压力↑ ?阀杆下移?反馈凸轮 右转 ?反馈弹簧右拉? 杠杆平衡 2018/10/5 54 3.2 DDZ-Ⅲ型模拟式调节器 DDZ仪表的发展简史 3.2.1 比例积分微分调节规律 理想PID的增量式数学表达式 : ? 1 de(t ) ? ?u (t ) ? K c ?e(t ) ? ? e(t )dt ? TD ? T dt I ? ? ?u(t )为调节器输出的增量值, e(t ) 为被控参数与给定值之差。 写成传递函数形式: Gc ( s ) ? ? ? ?U ( s) 1 ? ? Kc ? 1 ? s ? T s D ? ? E ( s) ? TI ? 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; K c 为调节器的比例增益,TI 为积分时间(以s或min为单位), TD 为微分时间(也以s或min为单位)。 2018/10/5 55 1 比例调节规律 比例控制数学表达式 : ?u(t ) ? Kce(t ) ?u(t )为调节器输出的增量值, e(t ) 为被控参数与给定值之差。 纯比例调节器的阶跃响应特性 2018/10/5 56 例:自力式液位比例控制系统: 浮球为水位传感器,杠杆为控制器,活塞阀为 执行器。如果某时刻Q2加大,造成水位下降,则浮 球带动活塞提高,使Q1加大才能阻止水位下降。 a p = b e p ? a ?e b y ? KCe 如果e = 0,则活塞 无法提高,Q1 无法加 大,调节无法进行。 2018/10/5 57 ? 比例控制过程 原来系统处于平衡, 进水量与出水量相等,此 时进水阀有一开度。 t=0时,出水量阶跃增 加,引起液位下降,浮球 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 水量相等时,系统重新平 衡,液位也不再变化。 2018/10/5 ?Q2 h t t e t p t ?Q1 t 58 ? ? 比例控制的特点 控制及时、适当。只要有偏差,输出立刻成比 例地变化,偏差越大,输出的控制作用越强。 ? 控制结果存在静差。因为,如果被调量偏差为 u = KC e 即调节作用是以偏差存在为前提条件,不可能 做到无静差调节。 2018/10/5 59 零,调节器的输出也就为零 在实际的比例控制器中,习惯上使用比例度δ来表 示比例控制作用的强弱。 所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化 值与相应的输出相对变化值之比,用百分数表示。 e u ? ?( / ) ?100% emax ? emin u max ? u min 式中e为输入偏差;u为控制器输出的变化量; (emax - emin)为输入的最大变化量,及输入量程; (umax –umin)为输出的最大变化量,即控制器的输 出量程。 2018/10/5 60 比例度: e u ? ?( / ) ?100% emax ? emin u max ? u min 如果控制器输入、输出量程相等,则: u umax e 1 ? ? ?100% ? ?100% u KC umin emin 2018/10/5 er emax 比例度除了表 示控制器输入和输 出之间的增益外, e 还表明比例作用的 有效区间。 61 比例带δ的物理意义: 使控制器输出变化 100% 时,所对应的偏差变 化相对量。如δ =50%表明: u 100% δ =50% δ =100% umin ur umax u 50% 0 控制器输入偏差 变化50% ,就可使控 制器输出变化100%, 若输入偏差变化超过 此量,则控制器输出 饱和,不再符合比例 关系。 62 2018/10/5 例 某比例控制器,温度控制范围为400~800℃, 输出信号范围是 4 ~ 20mA 。当指示指针从 600℃变 到700℃时,控制器相应的输出从8mA变为16mA。 u/mA 求设定的比例度。 解? ? ? ?e ?emax / ?u ?u max ? ?100% 20 δ =50% 700?600 16?8 ? ? 800 ? 400 / 20? 4 ? ?100% ? 50% 4 400 e 800 e/ ℃ 答 温度的偏差在输入量程的50%区间内 (即200℃)时,e和u是2倍的关系。 2018/10/5 63 2 比例积分控制(PI) 当要求控制结果无余差时,就需要在比例控制 的基础上,加积分控制作用。 (1) 积分控制(I) 输出变化量u(t)与输入偏差e的积分成正比 1 t e u(t) ? edt ? 0 TI —积分时间 TI E 当e是幅值为E的阶跃时 t u 1 u(t) ? TI 2018/10/5 E ?0 edt ? TI ? t t 64 t ? 积分控制的特点 当有偏差存在时,积分输出将随时间增长(或 减小);当偏差消失时,输出能保持在某一值上。 e ? 积分作用具有保持功能, 故积分控制可以消除余差。 ? 积分输出信号随着时间逐 渐增强,控制动作缓慢,故积 分作用不单独使用。 2018/10/5 E u t t 65 若将比例与积分组合起来,既能控制及时,又 能消除余差 。 (2) 比例积分控制(PI) 1 1? TI s GC ( s ) ? K C ? 1 1? K I TI s K I 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。 2018/10/5 66 比例积分调节器的阶跃响应特性 3 比例微分控制(PD) 对于惯性较大的对象,常常希望能加快控制速 度,此时可增加微分作用。 (1) 微分控制(D) 理想微分 u(t) ? TD de dt 式中:TD — 微分时间 e E t u de dt 2018/10/5 — 偏差变化速度 t 67 ? ? 微分控制的特点 微分作用能超前控制。 e E t 在偏差出现或变化的瞬间, 微分立即产生强烈的调节作 u 用,使偏差尽快地消除于萌 芽状态之中。 ? t 微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在, 但不变化时,微分输出为零,因此不能单独使用。 必须和P或PI结合,组成PD控制或PID控制。 2018/10/5 68 (2)比例微分控制(PD) 理想的比例微分控制 1 ? TD s GC ( s ) ? K C ? TD 1? s KD 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。 2018/10/5 理想微分作用持续时间太短, 执行器来不及响应。一般使用实 际的比例微分作用。 69 4 比例积分微分控制(PID) 1 1? ? TD s TI s GC ( s ) ? K C TD 1 1? ? s K I TI s K D ? 将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起, 只要三项作用的强度配合适当,既能快速调节,又 能消除余差,可得到满意的控制效果。 2018/10/5 70 ? PID控制作用中, 比例作用是基础控制; 微分作用是用于加快系 统控制速度;积分作用 是用于消除静差。 PID调节器的阶跃响应特性 3.2.2 DDZ-Ⅲ型基型调节器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展 经历了Ⅰ型(用电子管)、Ⅱ型(用晶体管)和Ⅲ 型(用集成电路)。 2018/10/5 71 1 DDZ-Ⅲ型仪表的特点及外形 特点: 测量信号:1~5V.DC; 外给定信号:4~20mA.DC; 内给定信号:1~5V.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%; 输出保持特性:-0.1%(每小时); 输出信号:4~20mA.DC; 调节精度:±0.5%; 负载电阻:250~750Ω。 2018/10/5 72 1-双针垂直指示器 2-外给定指示灯 3-内给定设定轮 4-自动—软手动—硬手动 切换开关 5-硬手动操作杆 6-输出指示器 7-软手动操作板键 2018/10/5 73 2 全刻度指示调节器的构成原理 DDZ-Ⅲ基型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。 全刻度指示调节器的构成框图 2018/10/5 74 全刻度指示调节器的线、整机传递函数 Ui -2 ? 1 ? Td s n 1 ? Td s Kd 1 Ti s C ? I CM 1 ? 1 K iTi s 1? Uo3 Us 调节器PID电路传递函数方框图 其传递函数为这三个电路的传递函数的乘积。化简后可得: Td 1 ? ? Td s Ti Ti s Gc ( s ) ? K c T 1 1? ? d s K iTi s K d 1? 过程控制 Td F ? 1? Ti Ti* ? FTi * Kc ? FK c * Td Td ? F 1 1 ? * ? Td* s Ti s * Gc ( s ) ? K c Td 1 1? ? s K iTi s K d 带*的量为调节器参数的实际值,不带*的为参数的刻度值。 F称为相互干扰系数。 3.4.4智能式电动执行器 1. 智能电动执行器的特点 与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点: 1)具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号,按 设定值自动进行PID调节,控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态 可按折线形成多种形状的非线性流量特性,实现对过程非线性特性的补偿, 以提高系统的控制精度,同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变 流量特性的落后状况; 2) 一体化的结构设计思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大 器、电-气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中,减少了信号传输 中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响;还采用电制动和断续调节 技术代替机械摩擦制动技术,以提高整机的可靠性; 3) 具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场 总线按规定的通信协议进行双向数字通信,并构成所需要的控制系统,这 是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。 2018/10/5 78 4) 具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、 机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时,均能 迅速识别并能有效采取保护措施,确保控制系统及生产过 程的安全。 5)具有灵活的组态功能,“一机多用”,提高了经济效 益。例如,对于输入信号,可通过软件组态来选择合适的 信号源;对于执行器的运行速度和行程,也可通过组态软 件进行任意设置,所有这些都无需更换硬件。这样一来, 只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的 不同需求,从而大大提高了制造商和用户的经济效益。 2018/10/5 79 2. 智能电动执行器的实例简 介 2018/10/5 美国Valtek公司生产的STARPAC智能执行器 80 3.5 安全栅 安全栅(又称防爆栅)是防止危险电能从控制 系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 1 安全防爆的基本概念 在大气条件下,气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维 状的易燃物质与空气混合,点燃后燃烧将在整个范 围内传播的混和物,称为爆炸性混合物。 含有爆炸性混合物的环境,称为爆炸性环境。 按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险 程度,又可将危险场所划分成不同级别的危险区。 2018/10/5 81 不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同, 煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备;有爆炸性气体的 工厂用电气设备属Ⅱ类设备;有爆炸性粉尘的工厂 用电气设备属Ⅲ类设备。 对于Ⅱ类电气设备,电路电压限制在30VDC时,各 种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。 爆炸性混合物的最小引爆电流 级 别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 2018/10/5 最小引爆电流(mA) i>120 70<i<120 i≤70 爆炸性混合物种类 甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 乙烯、、丙烯晴等 氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等 82 2 安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计 就开始考虑防爆,把电路在短路、开路及误操作等各 种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火 能量之下,则此仪表称为安全火花防爆仪表。 安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危 险火花,对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全 则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置 安全栅,防止危险能量进入,则完全做到了安全火花 防爆。 2018/10/5 83 构成安全火花防爆系统的二要素: ① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防 爆仪表(本安仪表)。 ② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须 经过安全栅(防爆栅)。 2018/10/5 84 3.5.1 齐纳式安全栅 安全栅的种类很多,有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐 纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。 基本原理:简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进 行限压、用固定电阻进行限流 。 当输入电压Vi在正常范围(24V)内时,齐纳二极管VD不导通; 当电压高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压(约28V)时,齐纳二 极管导通,在将电压钳制在安全值以下的同时,安全侧电流急剧增大, 使快速熔断丝FU很快熔断,从而将可能造成事故的高压与危险现场 隔断。固定电阻R的作用是限制流往现场的电流。 2018/10/5 85 两点不足: 一、固定的限流电阻其大小难以选择,选小了起 不到很好的限流作用,选大了又影响仪表的恒流特 性,理想的限流电阻应该是可变的,即电流在安全 范围内其阻值要足够小,而当电流超出安全范围时 其电阻要足够大; 二、接地不合理,通常一个信号回路只允许一点 接地,若有两点以上接地会造成信号通过大地短路 或形成干扰。 2018/10/5 86 改进后的齐纳式安全栅 ( 1 )用晶体管限流电路取代固定电阻。 VT3 工 作于零偏压,作为恒流源向VT1提供足够的基极电流, 保证信号在4~20mA范围内VT1处于饱和状态。 (2)由VD1~VD4和F1 ~ F’2组成限压电路。背靠 背的齐纳管中点接地,改直接接地为保护时接地。 2018/10/5 87 工作原理 正常时VT1饱和导通? VR1 = 0.1~ 0.5V ? VT2不通 过流时VR 1 0.6V ? VT2导通,分流VT3的电流? ? VT1退饱和 ? Vce1↑呈现较高的电阻 过压时VD1 ~ VD4中至少有一个被击穿,限压并接地 ? 要求 快速熔 断丝熔 断时间 1mS 2018/10/5 改进后的齐纳式安全栅 88 3.5.2 隔离式安全栅 用变压器作为隔离元件,分别将输入、输出和电源进行 隔离,可以对二线制变送器进行隔离供电。因而分检测端安全 栅和执行端安全栅。 1 检测端安全栅 检测端安全栅在向变送器提供电源的同时,将变送器的 测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。 2018/10/5 89 检测端安全栅是一个传递系数为 1 的传送器, 电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合,电路上 是隔离的。简化原理图如图所示。 + + 2018/10/5 90 + + (1)电源变压器 DC / AC:VT1、VT2, VD1~ VD4 及变压器T1构成 磁耦合自激多谐振荡器。 2018/10/5 91 (2)晶体管限压限流电路 串联使用了两套完全相同的限 压限流电路: VT3 、 VT4 和 VD15 ; VT5、VT6和VD16。 正常工作时VT4、 VT6饱和,VT3、VT5截止。 2018/10/5 92 晶体管限压限流电路原理 ① 电源出现过电压 ? VD15击穿(30V) ? ? IB3 R5 ? R6 ? 30 R4 ? R5 ? R6 ? ? 0.54mA ? VT3饱和 R4 //( R5 ? R6 ) ? Vce3≈0 ? VT4截止 ? VAB ↓—限压 2018/10/5 93 ② 变送器出现过电流 VR6 0.6V ? VT3导通,分流 ? VT4退饱和 ? Vce4↑ —限流 限流特性 限压特性 2018/10/5 94 (3)调制解调电路 解调: T2副边1:1耦合 ?复合管VT7~VT10整流 + + 调制: VD13、VD14交替工作?送往变 送器的DC4~20mA ? 交替通过T2原边 2018/10/5 95 2 执行端安全栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间 ,是 4~20mA调节信号送往现场的安检通道。与检测端安 全栅的区别: ① 信号传输方向相反,② 不需给现场供电。 电路原理基本相似。 2018/10/5 96 隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较,发见有如下 优点: 1)可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地 方接地,使用方便,通用性强; 2)隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均 可通过变压器耦合,实现信号的输入、输出完全隔 离,使安全栅的工作更加安全可靠; 3)隔离式安全栅由于信号完全浮空,大大增强了 信号的抗干扰能力,提高了控制系统正常运行的可 靠性。 2018/10/5 97 本章结束,谢谢! 2018/10/5 98


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