[教育]浙江師范大學(xué)-化工儀表及自動化第4章

1、第四章 自動控制儀表,內(nèi)容提要,概述基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響雙位控制比例控制積分控制微分控制模擬式控制器基本構(gòu)成原理及部件DDZ-Ⅲ型電動控制器,數(shù)字式控制器數(shù)字式控制器的主要特點數(shù)字是控制器的基本構(gòu)成KMM型可編程序調(diào)節(jié)器可編程序控制器概論可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的編程語言O(shè)MRON C 系列 PLC應(yīng)用實例,第一節(jié) 概論,控制儀表經(jīng)歷三個發(fā)展階段,基地式控制儀表單元組合

2、式儀表中的控制單元以微處理器為基元的控制裝置,? 控制器的作用：將來自變送器的測量值與給定值相比較，對差值進行一定的處理后輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。,第二節(jié) 基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響,控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。,即,在研究控制器的控制規(guī)律時,經(jīng)常是假定控制器的輸入信號e是一個階躍信號，然后來研究控制器的輸出信號p隨時間的變

3、化規(guī)律。,控制器的基本控制規(guī)律：,位式控制（其中以雙位控制比較常用）、比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）及它們的組合形式，如比例積分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例積分微分控制（PID）。,一、雙位控制,理想的雙位控制器其輸出p與輸入偏差額e之間的關(guān)系為,圖4-1 理想雙位控制特性,圖4-2 雙位控制示例,將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區(qū)的雙位控制器。由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變

4、化時，控制機構(gòu)不會動作，因此可以使控制機構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動部件的使用壽命。,圖4-3 實際的雙位控制特性,圖4-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程,雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)。,二、連續(xù)控制,基本概念,● 基本連續(xù)控制規(guī)律有比例（P）、積分（I）和微分（D）三種，各種控制器的運算規(guī)律均由這些基本運算規(guī)律組合而成。,● 習(xí)慣上稱 e> 0 為正偏差；e< 0 為負(fù)偏差,● 偏差

5、e定義為,● e> 0 時， ? p> 0 稱控制器為正作用 e 0 稱控制器為反作用,● PID控制規(guī)律,如左圖，根據(jù)相似三角形原理,對于具有比例控制的控制器,比例控制的放大倍數(shù)KP是一個重要的系數(shù)，它決定了比例控制作用的強弱。,（一） 比例控制,比例度是指控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)。,經(jīng)整理后可得,比例度δ與放大倍數(shù)KP成反比。 控制器的比例度δ越小，它的放大倍數(shù)

6、KP就越大，它將偏差（控制器輸入）放大的能力越強，反之亦然。,結(jié)論,,比例度對過渡過程的影響,液位比例控制系統(tǒng)的過渡過程,在t=t0時，系統(tǒng)外加一個干擾作用,液位開始下降,作用在控制閥上的信號,進水量增加,偏差的變化曲線,優(yōu)點：反應(yīng)快，控制及時缺點：存在余差,若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，控制器的比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩(wěn)定。,結(jié)論

7、,P控制的特點：,（二） 積分控制,當(dāng)對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。,積分控制作用的輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比，即,當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時,當(dāng)有偏差存在時，輸出信號將隨時間增長（或減?。?。 當(dāng)偏差為零時，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一值上，因而用積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達到無余差。,結(jié)論,把比例與積分組合起來，這樣控制既及時，又能消除余差。,比例積分控制規(guī)律可用下式表示,或,若

8、偏差是幅值為A的階躍干擾,（三） 比例積分控制,比例積分控制器對于多數(shù)系統(tǒng)都可采用，比例度和積分時間兩個參數(shù)均可調(diào)整。 當(dāng)對象滯后很大時，可能控制時間較長、最大偏差也較大； 負(fù)荷變化過于劇烈時，由于積分動作緩慢，使控制作用不及時， 此時可增加微分作用。,積分時間對過渡過程的影響,（四）微分控制,微分控制規(guī)律表達式,圖4-12 理想微分控制器特性,優(yōu)點,具有超前控制功能。,缺點,它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)

9、值很大，微分作用也沒有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，所以不能單獨使用這種控制器，它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或三作用控制器。,（五）比例微分控制,圖4-13 比例微分控制器特性,圖4-14 微分時間對過渡過程的影響,（六）比例積分微分控制,第三節(jié) 模擬式控制器,第四節(jié) 數(shù)字式控制器,數(shù)字式控制器與模擬式控制器的異同點：,不同點,相同點,儀表總的功能和輸入輸出關(guān)系基本一致。,一、數(shù)字式控制器的主要特點,1. 實現(xiàn)了模擬儀表與計

10、算機一體化。 2. 具有豐富的運算控制功能。 3. 使用靈活方便，通用性強。 4. 具有通訊功能，便于系統(tǒng)擴展。 5. 可靠性高，維護方便 。,二、數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成,1.硬件電路,圖4-19 數(shù)字式控制器的硬件電路,（1）主機電路,主機電路是數(shù)字式控制器的核心，用于實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)運算處理及各組成部分之間的管理。,（2）過程輸入通道,過程輸入通道包括模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道，模擬量輸入通道用于連接模擬量輸入信號，開關(guān)量輸

11、入通道用于連接開關(guān)量輸入信號。,（3）過程輸出通道,過程輸出通道包括模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道，模擬量輸出通道用于輸出模擬量信號，開關(guān)量輸出通道用于輸出開關(guān)量信號。,（4）人／機聯(lián)系部件,人／機聯(lián)系部件一般置于控制器的正面和側(cè)面。,（5）通信接口電路,通信接口將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信格式的數(shù)字信號，經(jīng)發(fā)送電路送至通信線路（數(shù)據(jù)通道）上；同時通過接收電路接收來自通信線路的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換成能被計算機接收的數(shù)據(jù)。,2.軟件系統(tǒng),（

12、1）系統(tǒng)程序,系統(tǒng)程序是控制器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控程序和功能模塊兩部分組成。,（2）用戶程序,用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)則連接起來的結(jié)果。,用戶程序的編程通常采用面向過程POL語言。通常有組態(tài)式和空欄式語言兩種，組態(tài)式又有表格式和助記符式之分?？刂破鞯木幊坦ぷ魇峭ㄟ^專用的編程器進行的，有“在線”和“離線”兩種編程方法。,三、KMM型可編程序調(diào)節(jié)器,是一種單回路的數(shù)字控制器

13、。,KMM型調(diào)節(jié)器正面布置圖,1～7—指示燈；8，9—按鈕；10～13—指針,可以接收五個模擬輸入信號，四個數(shù)字輸入信號，輸出三個模擬信號，輸出三個數(shù)字信號。,功能強大；能用于單回路的簡單控制系統(tǒng)與復(fù)雜的串級控制系統(tǒng)；控制精度高、使用方便靈活；有自我診斷的功能，維修方便；可與電子計算機聯(lián)用。,第五節(jié) 可編程序控制器,一、概述,1969年美國研制出了第一臺可編程序控制器。 可編程序控制器初期主要用于順序控制，稱為可編程邏輯控制器，

14、簡稱PLC。 可編程序控制器的出現(xiàn)是基于微計算機技術(shù)，用來解決工藝生產(chǎn)中大量的開關(guān)控制問題。 可編程序控制器最大特點是在于可編程序，可通過改變軟件來改變控制方式和邏輯規(guī)律， PLC在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、等各行各業(yè)，目前已廣泛應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。,PLC產(chǎn)品的分類方法,1.按容量分,（1）小型PLC,I／O點總數(shù)一般為20～128點。,主要功能,邏輯運算、定時計數(shù)、移位處理等，采用專用簡易編程器。,（2）中型

15、PLC,其I／O點總數(shù)通常為129～512點，內(nèi)存在８K以下，適合開關(guān)量邏輯控制和過程變量檢測及連續(xù)控制。,主要功能,除有小型PLC的功能外，還有算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理及A／D、D／A轉(zhuǎn)換、聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程I／O等功能，可用于比較復(fù)雜過程的控制。,（3）大型PLC,其I／O點總數(shù)在513點以上。,主要功能,除了具有中小型PLC的功能外，還具有PLD運算及高速計數(shù)等功能，用于機床控制時，具有增加刀具精確定位、機床速度和閥門控制等功能，配有CRT

16、顯示及常規(guī)的計算機鍵盤，與工業(yè)控制計算機相似。,編程可采用梯形圖、功能表圖及高級語言等多種方式。,２.按硬件結(jié)構(gòu)分,（1）整體式PLC,它將PLC各組成部分集裝在一個機殼內(nèi)，輸入、輸出接線端子及電源進線分別在機箱的上、下兩側(cè)，并有相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示輸入／輸出狀態(tài)。面板上留有編程器的插座、EPROM存儲器插座、擴展單元的接口插座等。,這種結(jié)構(gòu)的可編程序控制器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。,圖4-21 SIMENS SIMATIC S7-2

17、00的外形圖,（2）模塊式PLC,輸入／輸出點數(shù)較多的大型、中型和部分小型PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點為：,圖4-22 SIMENS SIMATIC S7-300的外形圖,采用積木搭接的方式組成系統(tǒng)，便于擴展，其CPU、輸入、輸出等都是獨立的模塊，有的PLC的電源包含在CPU模塊之中。 品種多，硬件配置靈活，更換模塊方便。,（3）疊裝式PLC,它吸收了整體式和模塊式PLC的優(yōu)點，其基本單元、擴展單元等高等寬，它們不用基板，僅用扁平電

18、纜連接，緊密拼裝后組成一個整齊的體積小巧的長方體，而且輸入、輸出點數(shù)的配置也相當(dāng)靈活。,二、可編程序控制器的基本組成,1.中央處理器,2.存儲器,4.編程器,3.輸入輸出模塊,三、可編程序控制器的編程語言,目前常用的編程語言有以下幾種：,梯形圖語言 助記符語言 功能表圖 某些高級語言,,四、OMRON C 系列 PLC,1.簡介,微型PLC以C20P和C40H為代表，是整體結(jié)構(gòu)，I／O容量為幾十點，最多可擴至120點。,小型PLC

19、分為C120和C200H兩種，C120最多可擴展256點I／O，是緊湊型整體結(jié)構(gòu)。,中型PLC有C500和C1000H兩種，I／0容量分別為512點和1024點。,大型PLC有C2000H，I／O點數(shù)可達2048點，同時多處理器和雙冗余結(jié)構(gòu)使得C2000H不僅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模塊化結(jié)構(gòu)，外形與C200H相近。,圖4-26 SYSMAC C28H外形示意圖,圖4-27 CPM1ACA外觀圖,圖4-28 C200H

20、 外觀示意圖,微型PLC,小型PLC,小型PLC,OMRON PLC的程序,五、應(yīng)用實例——水箱液位控制,為了保證水箱液位保持在一定范圍，分別在控制的上限和下限設(shè)置檢測傳感器，用PLC控制注入水電磁閥。 當(dāng)液位低于下限時，下限檢測開關(guān)斷開，打開電磁閥開始注水；當(dāng)注水達到上限位置時，上限檢測開關(guān)閉合，切斷電磁閥。 PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工藝要求如圖4-33所示。,輸入、輸出點分配如下：上限檢測開關(guān)