(自动控制原理)第三章2课件.ppt

1、第第3 3章章 建筑设备自动化中的监控设备建筑设备自动化中的监控设备4 4传感器传感器1 1控制器控制器3 3调节阀的选择与应用调节阀的选择与应用5 5变送器变送器1 1执行器执行器 变送器（变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。源）的转换器。对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，不必用变送器，如热电偶。不必用变

2、送器，如热电偶。反馈部分 Kf放大器 K测量部分 Ki零点迁移零点调整图1.3 模拟式变送器的构成示意图变送器的作用与构成变送器的作用与构成变即转换、送即传送、器即仪器装置之意。变即转换、送即传送、器即仪器装置之意。所以变送器是完成工艺参数转换、传送的过程控制仪表。所以变送器是完成工艺参数转换、传送的过程控制仪表。（T、P、F、L）（420mA、20100KPa、010mA等）等）在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流电桥或交流电桥的方式转换为电信号。电桥或交流电桥的方式转换为电信号。如热电阻采用四边形直流电桥：如热电阻采用四边形直流电桥：当输出端

3、接阻抗比较高的当输出端接阻抗比较高的放大器时，电桥输出端电流为放大器时，电桥输出端电流为零，此时有：零，此时有：)R(4411的电流通过RRVIi)R(3322的电流通过RRVIiibcVRRRRI41111V可以求出可以求出bc和和dc之间的电位差：之间的电位差：idcVRRRRI32222V输出电压为：输出电压为：iiibcdcVRRRRRRRRVRRRVRRR)(VVV324131424113220若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：3142RRRR 变送器信号调整部分由：变送器信号调整部分由：放大器、反馈电路和调放大器、反馈电路和调零

4、与零点迁移零与零点迁移电路组成。电路组成。被测参数被测参数X转换成放大器可以接受的信号转换成放大器可以接受的信号Zi，放，放大，反馈电路把变送器输出的大，反馈电路把变送器输出的Y变成反馈信号变成反馈信号Zf,在把在把调零与零点迁移电路产生的信号调零与零点迁移电路产生的信号Z0一同放入放大器一同放入放大器进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准信号信号Y输出。输出。反馈部分 Kf放大器 K测量部分 Ki零点迁移零点调整图1.3 模拟式变送器的构成示意图变送器组成变送器组成变送器的输入输出关系：变送器的输入输出关系：)(10ZXKKKKYif上式

5、可改写为：上式可改写为：ffiKKKZXKKKKY110当当KKf1时：上式为时：上式为ffiKZXKKY0此时，变送器此时，变送器的输入与输出的输入与输出与放大器特性与放大器特性无关，只与测无关，只与测量和反馈特性量和反馈特性有关。有关。Xmin=0时，称为零点调整；当时，称为零点调整；当Xmin0时，称为零时，称为零点迁移。，当测量起始点由零变为正值时，称为正迁点迁移。，当测量起始点由零变为正值时，称为正迁移；反之，负迁移。移；反之，负迁移。零点调整和零点迁移的方法：改变放大器输入端零点调整和零点迁移的方法：改变放大器输入端上的调零信号上的调零信号Z0.0minx0minx二、温度变送器二

6、、温度变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于 变 量 种 类 多，因 此，变 送 器 的 类 型 也 较 多于 变 量 种 类 多，因 此，变 送 器 的 类 型 也 较 多变送器分类变送器分类变送器变送器3.3.1自动控制仪表的分类自动控制仪表的分类(1)电动仪表电动仪表是以电作为能源及传送信号的仪表，电动仪表电动仪表是以电作为能源及传送信号的仪表，传送距离远，便

7、于与计算机配合，在生产自动化中被广泛传送距离远，便于与计算机配合，在生产自动化中被广泛应用。应用。又分为：电气（从被控介质中取得能量）和电子式两种。又分为：电气（从被控介质中取得能量）和电子式两种。(2)自力式自动控制仪表这种仪表不需要辅加能源，只是自力式自动控制仪表这种仪表不需要辅加能源，只是传感器从被控介质中取得能量，就足以推动执行器动作传感器从被控介质中取得能量，就足以推动执行器动作（从被控介质中取得能量）（从被控介质中取得能量）。左上图：左上图：散热器散热器恒温阀恒温阀下图：下图：自力式自力式流量控流量控制阀制阀(1)基地式仪表这种仪表以指示、记录仪表为主体，附加调基地式仪表这种仪表以

8、指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成，即把变送、控制、显示等部分装在一个壳内节装置而组成，即把变送、控制、显示等部分装在一个壳内形成整体。形成整体。(2)单元式组合仪表这种仪表根据自动检测与控制的要求，单元式组合仪表这种仪表根据自动检测与控制的要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，单元之将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，单元之间统一的标准信号联系。间统一的标准信号联系。(3)组装电子式调节仪表这种仪表是在单元组合仪表的基础组装电子式调节仪表这种仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组件是具有不同功能上发展起来的成套仪表装置，它的基本组件是具有

9、不同功能的功能模件。的功能模件。自力式自力式电电气气式式1)两位式电子模拟控制器。2)三位式电子控制器。3)位式输出的补偿式控制器。3.3.2软件控制器软件控制器1.直接数字控制器直接数字控制器(DDC)2.计算机控制系统的基本控制算法计算机控制系统的基本控制算法3.可编程控制器可编程控制器(PLC-Programmable Logic Controller)4.现场控制单元的软件结构现场控制单元的软件结构1)DDC系统具有如下的特点：计算机运算速度快，能分系统具有如下的特点：计算机运算速度快，能分时处理多个生产过程时处理多个生产过程(被控参数被控参数)，代替几十台模拟控制器，代替几十台模拟控

10、制器，实现多个单回路的实现多个单回路的PID控制。控制。2)DDC系统由被控对象系统由被控对象(生产过程生产过程)、检测变送器、执行器、检测变送器、执行器和工业计算机组成，图和工业计算机组成，图3-15是是DDC系统的组成框图。系统的组成框图。输入通道输入通道A/D：把传感器或变送器送来的反映被控参数：把传感器或变送器送来的反映被控参数的模拟量的模拟量(电阻、电流、电压信号电阻、电流、电压信号)，转换为数字信号送往，转换为数字信号送往计算机。为了避免现场输入线路电磁干扰和变送器交流噪计算机。为了避免现场输入线路电磁干扰和变送器交流噪声，用滤波网络对各输入信号分别滤波声，用滤波网络对各输入信号分

11、别滤波(见见DDC控制器框控制器框图图)。采样器：在时序控制器作用下，以一定的速度按顺序采样器：在时序控制器作用下，以一定的速度按顺序把输入信号送入放大器，然后选择送到把输入信号送入放大器，然后选择送到A/D转换器，变成转换器，变成数字信号送入计算机。数字信号送入计算机。输出通道输出通道D/A：把经过计算机计算输出的数字信号转换：把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号成能控制执行器动作的模拟信号AO或数字信号或数字信号DO。显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作重要功能

12、，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作人员监视。人员监视。通讯接口CPU键盘晶振复位ROMRAM显示A/DD/ADIDO多路开关放大放大放大放大信号电路驱动电路测头测头执行执行测头执行数字式风机盘数字式风机盘管房间温度等管房间温度等控制器控制器S2000-2011A端子线接线图端子端子(1)PID控制算法控制算法按照偏差信号的比例按照偏差信号的比例P(Proportional)、积分积分I(Integral)和微分和微分D(Derivative)进行控制的进行控制的PID算法，算法，以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控制工程领域应用

13、最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本制工程领域应用最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本控制算法。控制算法。(2)改进型改进型PID控制算法控制算法在计算机控制系统中，如果单在计算机控制系统中，如果单纯用数字纯用数字PID调节器去模仿模拟调节器，不会获得更好调节器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。的效果。KP值过大（值过大（值过小）值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。幅振荡。KP值过小（值过小（值过大）值过大）系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。KP值（值（值）适中值）适中经过少数几个减幅振荡

14、后，逐渐趋于稳定，有一经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的静差。定的静差。静静差差当系统稳定运行时，设定值和运行参数之当系统稳定运行时，设定值和运行参数之间的差值。间的差值。Ti值过小值过小系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。幅振荡。Ti值过大值过大积分作用不明显，调节时间长，余差大。积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中值适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。差。加入微分控制的目的：防止出现超调现象。加入微分控制的目的：防止出现超调现象。微分控制方法：输出量与输入偏

15、差对时间的微分成微分控制方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。正比。根据被控参数变化的快慢进行调节，属根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。超前控制。TD值过大值过大 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。甚至会出现大幅振荡。TD值过小值过小微分作用不明显，超调量大微分作用不明显，超调量大。TD值适中值适中 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。微分控制可以减少超调量和调节时间，提微分控制可以减少超调

16、量和调节时间，提高系统的高系统的平稳性和快速性平稳性和快速性，单纯的微分控制会单纯的微分控制会发生高频发生高频扰动扰动，因此，不单独使用。，因此，不单独使用。1)增量型增量型PID控制算法的输出控制算法的输出u(k)仅取决于最近仅取决于最近3次的次的e(k)、e(k-1)和和e(k-2)的采样值，计算较为简便，所需的内存容量的采样值，计算较为简便，所需的内存容量不大。不大。2)由于微机输出增量，所以误动作影响较小，必要时可用由于微机输出增量，所以误动作影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。逻辑判断的方法去掉。3)在手动在手动/自动无扰动切换中，增量型自动无扰动切换中，增量型PID控制算法要优

17、于控制算法要优于位置型位置型PID控制算法。控制算法。4)不产生积分失控，所以能容易获得较好的调节效果，一不产生积分失控，所以能容易获得较好的调节效果，一旦计算机发生故障，则停止输出旦计算机发生故障，则停止输出u(k)，阀位大小保持发，阀位大小保持发生故障前的状态，对生产过程无影响。生故障前的状态，对生产过程无影响。1)积分项的改进有如下方法：积分项的改进有如下方法：分离分离的的PID控制算法。在控制算法。在PID控制中，积分的作用是为了消控制中，积分的作用是为了消除残差，提高控制性能指标。除残差，提高控制性能指标。但在过程的启动、结束或大幅度但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，此时系统

18、有较大的偏差，增减设定值时，此时系统有较大的偏差，会造成会造成PID运算的积运算的积分积累，使得系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作所分积累，使得系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作所对应的极限控制量，最终导致系统较大的超调、长时间波动，对应的极限控制量，最终导致系统较大的超调、长时间波动，甚至引起系统的振荡。甚至引起系统的振荡。变速变速积分的积分的PID控制算法。一般的控制算法。一般的PID控制中，积分系数控制中，积分系数KI是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量保持不变。而是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量保持不变。而系统对积分项的要求则是，偏差大时，积分作用减弱；偏差系统

19、对积分项的要求则是，偏差大时，积分作用减弱；偏差小时，积分作用增强。否则，会因为积分系数小时，积分作用增强。否则，会因为积分系数KI的数值取大的数值取大了，导致系统产生超调，甚至积分饱和；反之，积分系数了，导致系统产生超调，甚至积分饱和；反之，积分系数KI的数值取小了，造成了系统消除残差过程的延长。的数值取小了，造成了系统消除残差过程的延长。2)微分项的改进方法如下：微分项的改进方法如下：微分先行的微分先行的PID控制算法。为了避免给定值的改变，给系控制算法。为了避免给定值的改变，给系统带来的影响统带来的影响(如超调量过大、系统振荡等如超调量过大、系统振荡等)。可采用微分先。可采用微分先行的行

20、的PID控制技术。它只对控制技术。它只对被控变量被控变量y(t)进行微分进行微分，而不对偏，而不对偏差微分，即对给定值无微分作用，消除了给定值频繁升降给差微分，即对给定值无微分作用，消除了给定值频繁升降给系统造成的冲击。系统造成的冲击。不完全微分不完全微分PID控制算法。普通的控制算法。普通的PID控制算式，对具有高频扰控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一

21、定时间，如果输出较大，在短暂时间而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要微分作用有效，可以在缺点，同时又要微分作用有效，可以在PID控制输出串入一阶惯控制输出串入一阶惯性环节，这就组成了不完全微分性环节，这就组成了不完全微分PID调节器。调节器。PLC可编程逻辑控制器，它采用一类可编程可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等。顺序控制、定时、

22、计数与算术操作等。单片机单片机是将电子计算机的基本环节是将电子计算机的基本环节,采用集成采用集成电路技术集成在一片硅基片上。由于单片计算机体电路技术集成在一片硅基片上。由于单片计算机体积很小积很小(仅手指般大小仅手指般大小),),功能强功能强(具有一个简单计算具有一个简单计算机的功能机的功能),),因而广泛用于电子设备中作控制器之用。因而广泛用于电子设备中作控制器之用。目前目前,大到导弹火箭国防尖端武器大到导弹火箭国防尖端武器,小至电视机微波小至电视机微波炉等现代家用电器炉等现代家用电器,内中都毫无例外地运用单片计内中都毫无例外地运用单片计算机作为控制器算机作为控制器.PLC目前大量地用单片机

23、制成。可以说,PLC是单片机在继电控制系统中的一种应用，而PLC所采用的梯形图类似于继电器线路图,易于为广大电气工程技术人员所接受。3.4执行器执行器3.4.1膨胀阀膨胀阀1.热力膨胀阀热力膨胀阀2.电子膨胀阀电子膨胀阀阀门阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截断、是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。能。阀门分类阀门分类一、按用途和作用分类一、按用途和作用分类1、截断阀类：、截断阀类：主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。截止

24、阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。2、调节阀类：、调节阀类：主要用于调节介质的流量、压力等。包括主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。调节阀、节流阀、减压阀等。3、止回阀类：、止回阀类：用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。阀。4、分流阀类：、分流阀类：用于分配、分离或混合介质。包括各种结用于分配、分离或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。构的分配阀和疏水阀等。5、安全阀类：、安全阀类：用于超压安全保护。包括各种类型的安全用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀。阀。二、按主要参数分类二、按主要参数分类1、按压力分类、按压力分类

25、(1)真空阀真空阀 工作压力低于标准大气压的阀门。工作压力低于标准大气压的阀门。(2)低压阀低压阀 公称压力公称压力PN1.6MPa的阀门。的阀门。(3)中压阀中压阀 公称压力公称压力PN450的阀门。的阀门。(2)中温阀中温阀 120t450的阀门。的阀门。(3)常温阀常温阀-40t120的阀门。的阀门。(4)低温阀低温阀-100t-40的阀门。的阀门。(5)超低温阀超低温阀 t-100的阀门。的阀门。三、按阀体材料分类三、按阀体材料分类(1)(1)非金属材料阀门非金属材料阀门 如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。(2)(2)金属材料阀门金属材料阀门 如铜合金阀

26、门、铝合金阀门、铅合金阀如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门铁阀门、碳钢阀门、低合金钢阀门、高门、钛合金阀门铁阀门、碳钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。合金钢阀门。(3)(3)金属阀体衬里阀门金属阀体衬里阀门 如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。阀门。固定铁心复位弹簧线圈阀盖活动铁心阀塞图2-2 电磁阀结构2134567891-平衡孔2-活动铁心 3-固定铁心4-线圈5-阀盖6-复位弹簧7-排出孔8-上腔9-主阀塞图2-3 分导式电磁阀结构原理电动调电动调节阀节阀 球阀、蝶阀、隔膜阀等都可以作为调节阀3.4.2调节阀的流量特性调节阀的流量特性1.理想

27、流量特性理想流量特性2.工作流量特性工作流量特性(1)直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。(2)等百分比等百分比(对数对数)流量特性等百分比流量特性指单位相对行流量特性等百分比流量特性指单位相对行程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，程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，即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。(3)抛物线流量特性抛物线流量特性(4)

28、快开曲线调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增快开曲线调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性，如图大，流量很快就达到最大，故称为快开特性，如图3-40曲线曲线4所示。所示。maxmin3.4.3调节阀的选择调节阀的选择1.流量特性选择2.调节阀结构形式的选择3.调节阀开闭形式的选择4.阀门工作范围的选择5.调节阀口径的计算配管状态S=106S=0603S03实际工作流量特性直线等百分比直线等百分比调节不适宜所选流量特性直线等百分比等百分比等百分比3.4.4调节风阀的选择调节风阀的选择1.风阀的流量特性2.风阀的性能3.风阀执行器(1)固有特性。(2

29、)风阀的工作特性风阀的工作特性又称为安装特性，其与调节水阀一样，与串接元件有关，串接元件(如风管、风口)的阻力使风阀压降随着风阀叶片开度变化而改变，故而风阀的工作特性与基于恒定的风阀压降的阀的固有特性是不同的。(1)漏风量调节风阀的漏风量是指风阀在承受静压的条件下，风阀全关状态的泄漏量。(2)额定温度调节风阀的最大运行温度是指风阀能完成正常功能的最高环境温度。(3)额定压力调节风阀的额定压力是指在叶片关闭时，作用在风阀前后的最大允许静压差。(4)额定风速调节风阀的额定风速是指风阀处于全开状态时，气流进入风阀时的最大速度，也称为最大流入速度。(5)力矩要求风阀正常开关运行的力矩需求直接影响到执行器的选择。