《過程控制技術(shù)》課件-第3章 控制儀表

控制儀表及位式控制規(guī)律

控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器，其作用是把被控參數(shù)的測量值PV和給定SV進行比較，得出偏差后e，按一定的控制（或調(diào)節(jié)）規(guī)律進行運算，輸出控制信號MV，以推動執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制?？刂苾x表按工作能源可分為：1.電動儀表

以AC220V或DC24V作為工作能源，其輸入輸出信號均采用DC0～10mA/DC0～10V或DC4～20mA/DC1～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號。2.氣動儀表以140kPa的氣壓信號作為工作能源，其輸入輸出信號均采用20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。hQ1Q2

3.自力式儀表不需要專門提供工作能源。

例如右圖所示的自力式液位控制/調(diào)節(jié)器?；究刂埔?guī)律及特點所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出值MV

(ManipulationValue)與輸入偏差e之間的關(guān)系控制器的輸入信號e是變送器送來的測量值PV（ProcessValue）和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定值SV

(SettingValue)。設(shè)定信號和測量信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號e

，它是設(shè)定值SV與測量值PV

之差。

MV

=f(e)

e=PV–SVe=SV–PV或控制規(guī)律可分為斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：①斷續(xù)控制——控制器輸出接點信號，如雙位控制、三位控制。②連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號，如比例（P）控制、比例積分控制（PI）、比例微分控制（PD）、比例積分微分控制（PID）。位式控制

雙位控制雙位控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱開關(guān)控制。理想的雙位控制器輸出值MV

與輸入偏差e

之間的關(guān)系：e

≥0

（或e

<0）時=MVmaxMVminMVe

≤0

（或e

>

0）時理想雙位控制特性MVmaxMVmineMVMV有中間區(qū)的雙位控制特性MVmaxMVmine例1：雙位溫度控制系統(tǒng)：溫度低于給定值時，溫控器輸出高電平，繼電器閉合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電?！?20V進水出水溫度給定值二位式控制器電路原理框圖：測量信號給定信號－＋＋∞U0二位式控制是一種最簡單的控制/調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差e符號的正、負，輸出MV只有兩個位置，高電平或低電平，可以作為一個電氣開關(guān)使用。有中間區(qū)的雙位控制效果：被控溫度在T0

上下振蕩，不能穩(wěn)定在T0

。雙位控制效果：tMVTT0ttMVTT0t三位控制控制器有三個輸出狀態(tài)值，可以控制兩個繼電器。MVmaxMVmineMVe2e1測量信號給定1－＋＋∞U01－＋＋∞U02給定2三位控制器電路原理框圖：例2：溫度三位控制系統(tǒng)

溫度低于T1時，溫控器使繼電器1、2都吸合，加熱器1、2都通電加熱；溫度高于T1低于T2時，溫控器使繼電器1吸合、繼電器2斷開，只有加熱器1通電；溫度高于T2時，繼電器1、2都斷開。J1J2T2T112220V進水出水

溫度三位控制效果溫度偏差大時，升溫速度快；溫度偏差小時，小幅調(diào)整。要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用控制輸出值能連續(xù)變化的控制器。tMVTT2T1t2025/7/14位式控制特點：核心原理：輸出為有限離散狀態(tài)（如全開/全關(guān)、高/低電平），根據(jù)偏差閾值切換狀態(tài)。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)。

缺點：被控量易波動（因狀態(tài)跳躍式切換，可能引發(fā)振蕩）、控制精度低。典型應(yīng)用：對精度要求不高的場景（如家用溫控器、水位高低位控制）。1.比例（P）控制控制器輸出MV(t)

和偏差信號e(t)成比例關(guān)系Kp—比例增益

＋－Kpe被控參數(shù)測量值PV被控參數(shù)給定值SV控制器輸出值MV

MV(t)=Kpe(t)

傳遞函數(shù)為控制器浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使Q1加大，才能阻止水位下降。

如果e=0，則活塞閥關(guān)閉，Q1

=0。例：自力杠桿式液位比例控制系統(tǒng)：

MV=p=e

比例增益Kp

代表了比例控制的強弱。但在實際工程中，習(xí)慣用比例度（也稱比例帶）P表示比例控制作用的強弱。所謂比例度是指純比例控制器輸入偏差的相對（變化）值與相應(yīng)的輸出相對（變化）值之比的百分數(shù)，

式中e(Δe)

為輸入偏差(變化)值；MV(ΔMV)

為控制器輸出(變化)量；(PVmax

-

PVmin)為測量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；（MVmax

-MVmin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。比例度P的工程意義：在純比例控制下，使控制器輸出變化100%時，所對應(yīng)偏差e的相對量變化。例如P=50%，則表明輸入偏差變化滿量程的50%時，就可使控制器輸出變化100%。若輸入偏差變化超過此范圍(50%)，則控制器輸出進入飽和狀態(tài)，不再符合比例關(guān)系。如左圖所示。MVSV0%(4mA)100%(20mA)50%PVmaxPVminP=50%P=100%PV/SV例

某比例控制器，溫度控制范圍為400～800℃，輸出信號范圍是4～20mA。當(dāng)測量指示值指針從600℃變到700℃時，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求控制器的比例度。解:答:比例度為50%，即溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間（即200℃）內(nèi)時，e和MV（滿量程相對值）是2倍的關(guān)系。MV/mAPV/℃Δe420800400P=50%ΔMV2.比例積分控制（PI）當(dāng)要求定值控制系統(tǒng)被控參數(shù)無余差時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，增加積分控制。（1）積分（I）控制輸出變值MV與輸入偏差e的積分成正比當(dāng)e是幅值為E的階躍值時TI

—積分時間eEttMV0MV0

3.比例微分控制（PD）

對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分控制。TD

—微分時間—偏差變化速度理想微分控制（1）微分（D）控制eEttMV

理想的比例微分控制

理想微分控制（對階躍擾動）持續(xù)時間太短，執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥）來不及響應(yīng)（右中圖所示）。工程中一般采用實際微分控制（右下圖所示）。eE/PttMVtMV

理想比例微分控制實際的比例微分控制E/P將比例、積分、微分三種控制結(jié)合在一起，只要三項控制作用配合適當(dāng)，即可得即能快速控制，又能消除余差的滿意控制效果。4.比例+積分+微分（PID）控制MVe0t0t積分控制部分比例控制部分微分控制部分PID控制作用E

在PID控制中，比例（P）控制是基礎(chǔ)；微分（D）控制用于抑制偏差（增加）變化，加快系統(tǒng)控制速度；積分（I）控制用于在偏差e=0時，保持控制器輸出MV，消除靜差。2025/7/14控制類型核心作用主要優(yōu)點主要缺點比例（P）直接按誤差比例調(diào)節(jié)響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)簡單易超調(diào)、可能存在靜態(tài)誤差積分（I）消除累計誤差（靜態(tài)誤差）無靜差調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后、可能積分飽和微分（D）預(yù)測誤差變化趨