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第三章 控制仪表
一、控制规律
二、控制仪表原理、结构
三、单元组合仪表简介
第三章 控制仪表
第一节 控制规律
所谓控制器 的 控 制 规 律， 就 是 指 当 控 制 器 接 受 了 偏 差 信 号 后， 它 的 输 出 信 号 的 变 化规律。
基本的控制规律却只有四种：双位控制、比例控制、积分控制、微分控制。实际应用中由这四种基本规律可以组合成多种形式。
第三章 乐建波
1、概念
双位控制是位式控制的最简单形式。例：贮槽液位调节，工艺生产要求贮槽的液面保持在一定的高度H0附近。当液面低于H0时，打开进液阀，向贮槽进液；当液面高于H0时，关闭进液阀，停止向贮槽进液。为实现这一要求，在进液管上安装一常开电磁阀V，如图3-1所示
J
H0
A
B
图3-1 双位控制示例
V
一、双位控制规律
2. 特性分析 (1)理想特性
双位控制只有两个输出值，相应的执行器也只有两个位置，不是开就是关（不是最小就是最大），而且从一个位置到另一个位置在时间上是很快的，如图3-2所示。
Δp
e
开位
开位
关位
图3-2 理想的双位控制特性
实际应用的双位控制器都有一个中间区（也称不灵敏区）。在中间区内阀门是不动的。这样既满足了工艺要求，又减少了执行器频繁动作引起的磨损，延长了使用寿命。实际的双位控制器的控制特性如图3-3所示。
图3-3 实际的双位控制特性
Δp
e
开位
关位
+ε
-ε
H0
+ε
-ε
H
Q
100%
0%
t
t
图3-4 双位式液位控制过程
(2)
实际特性
3.特点
(1) 双位控制结构简单，成本较低，易于实现，因此应用很普遍；
(2) 存在不灵敏区；
(3) 控制结果是便被控变量在上限与下限之间做等幅振荡。
4. 应用
图3-5 XCT型动圈式双位指示调节仪工作原理
工厂和实验室中，常用XCT型动圈式指示控制仪对一些电加热设备进行双位式温度控制，其工作原理如图3-5所示。
二、比例控制规律（P）
1．比例控制规律
比例控制规律是指控制器的输出变化量—控制信号Δp（也即阀门的开度改变量）与控制器的输入（偏差）成正比。
Δp = kp e
2.控制器阶跃响应关系
比例控制器
kp
e
Δp
e
t
t
Δp
kpe
(a) (b)
图3-6 比例控制器的阶跃响应特性
3. 应用
(a) (b)
图3-7 简单比例控制系统示意图
4.特点
（1）比例控制及时；
（2）比例控制有余差；
（3）比例放大倍数kp表示比例控制作用的强弱，kp越大，比例作用越强。
5．比例度（δ）
(1) 所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。用式子可表示为：
(2) 对于单元仪表而言，Xmax—Xmin 、Pmax—Pmin是固定的
例：
一台温度控制器，它的量程（温度范围）是400℃~800℃，电动温度控制器的输出是4~20mA，当测量指针由600℃变到700℃时，控制器的输出由8 mA变到了16 mA，其比例度为：
(3) 比例度的意义
当Δp=Pmax—Pmin，即输出变化全范围时，
比例度的含义在于表示了使控制器输出变化全范围（100%），输入偏差e变化量为输入量程范围的百分数。
三、积分控制规律（I）
1．积分控制规律及特点
所谓积分控制规律就是控制器的输出变化量Δp与偏差的积分成正比。习惯上作“I”表示。
积分控制规律在阶跃输入下的输出变化曲线
KI大
KI大
e
Δp
t
t
3-8 积分控制的阶跃响应曲线
如下特点：
⑴积分控制无余差； ⑵积分控制过程比较缓慢；
⑶积分放大倍数越大，积分作用越强。
2．比例积分控制规律（PI）与积分时间（TI）
在实际应用中，将比例控制规律与积分控制规律结合起来，构成比例积分控制规律
积分时间，以时间为单位
积分时间TI与积分速度KI成反比。积分时间TI越小，积分速度KI越大，积分作用变化越快，积分作用越强，反之，积分时间TI越大，表示积分作用越弱；积分时间为无穷大，则表示没有积分作用，控制规律就成为纯比例了。
四、微分控制规律（D）
理想的微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比。用数学式表示为：
微分控制规律具有如下特点：
⑴微分控制规律具有“超前作用”；
⑵对于固定不变的偏差，不管有多大，微分控制作用为零；
⑶微分时间TD表示微分作用的强弱。TD越大，作用越强；TD等于零，没有微分作用。
1．微分控制规律及特点
在实用工作中，一般采用似微分控制规律。
Δp
Δp
e
(a)
(b)
(c)
图3-9微分控制规律阶跃响应曲线
t
t
t
微分控制规律表示为：
2．实际微分控制规律及微分时间TD
ΔPp
ΔPD
Δp
e
A
图3-10 实际微分的阶跃响应曲线
实际微分控制规律是 比例作用与近似微分作用
3、比例微分控制规律
实际微分控制器的比例度是固定不变的。所以也不能单独使用。工程上常把微分控制器与比例控制器组合使用，构成比例度和微分时间都可调整的比例微分控制器。它的控制规律实质上是比例控制作用和微分控制作用的叠加，既有比例的控制作用迅速及时的特点，又有微分控制的超前作用。可用数学表达式为：
例
有一微分控制器，当输入阶跃变化量1mA，输出由5mA到15mA，经过30秒钟，输出下降到8.31mA，最后稳定在6mA上。问，此控制器的微分时间是多少？
解：分析输出变化情况可知：开始的跳变量为：
=15-5=10mA，因A=1mA，
所以，KD=10；
最后的输出变化量为：6-1=1mA
T=0时，；10-1=9
T=30秒时，8.31-6=2.31
2.31mA 刚好是9mA的36.8%，即这30秒就是时间常数T，T=30秒。
因为，TD=KDT，
所以，TD=10×30=300秒。
4.比例积分微分控制规律
比例、积分、微分控制规律简称PID三作用控制规律，它是比例、积分、微分三种基本控制规律的组合，集三类的优点于一体，广泛应用于容量滞后大，又要进行无差控制的场合，它以比例作用为基本控制作用，以微分的超前控制作用克服被控对象的容量滞后，以积分作用最后消除余差。其特性可用数学表达式表示为：
t
t
e
p
A
t0
t1
t2
如下图所示，开始瞬间t0时刻积分作用为零，ΔP= ΔPP+ ΔPD。在t2 时刻之后，微分作用完成，ΔPD=0，ΔP= ΔPP+ ΔPI 。在t1时刻，ΔPD= ΔPI， P=ΔPP+2PI。 在任何时刻输出P都是比例作用 ΔPP、积分作用 ΔPI和微分作用 ΔPD三者之和。 根据叠加原则找到若干点，然后把它们连成一条平滑曲线，即为PID 三作用控制器在阶跃输入作用下的输出特性曲线─PID 三作用控制器阶跃响应曲线。
总结
通过上述比例、积分、微分三种控制规律，进行组合，就可获得生产控制中所需的比例P、比例微分PD、比例积分PI及比例积分微分PID等多种控制规律。
在 ＰＩＤ 控制中，有三个操纵变量，就是比例度δ，积分时间 Ｔｉ，微分时间 Ｔｄ，适当组合这三个 参 数，可 以 获 得 良 好 的控制质量。
把 ＰＩＤ 控制器的 Ｔｄ调到零，就构成一个 ＰＩ控制器。如果把 ＰＩＤ 控制器的 Ｔｉ调到最大，就构成了一个 ＰＤ 控制器，把 ＰＩＤ 控制器的δ 调到最 大，Ｔｉ调到最大，Ｔｄ调到最小，就几乎不起任何控制作用了。
第二节 DDZ—III型调节器的组成、性能
一、III型调节器的组成
图3-11 DDZ—III基型调节器组成框图
输入电路
比例微分
比例积分
硬
自
软
正
反
全刻度指示型调节器的正面板布置图
图3-12 调节器正面板布置图
1-标牌；2-仪表前面弧；3-全刻度指示仪表；4-外给定指示灯；5-内给定拨盘；6-切换开关；7-硬手动操作杆；8-输出指示表；9-软手动按键
在调节器在输入电路中采用了偏差差动电平移动电路，解决了24VDC单电源集中供电带来的问题，简化了供电系统；可以与其它DDZ—III型单元仪表配合，组成安全火花防爆系统。
还可与多种附加单元（如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等）配合，实现附加特殊需求，扩大了调节器的功能。
应用举例---反应器的简单温度控制系统
二、III型调节器的主要性能指标
测量信号：1—5VDC； 内给定信号：1—5VDC；
外给定信号：4—20mADC（250Ω±0.5%）；
测量、给定信号指示精度：±1%； 输入阻抗影响：≤满度0.1%
输出信号：4—20mADC； 负载电阻：250~750Ω；
比例度δ：2%~500%； 微分时间TD：全关、0.04~10min；
微分增益KD：10；
积分时间TI：0.01~2.5min及0.1~25min；
软手动输出速度：6~100S； 输出保持特性：—0.1%／h；
环境温度：0~50℃； 环境湿度：≤85%；
绝缘电阻：>20MΩ（各端子连接后对接地端电阻）
精度：±0.5%； 供电电压：24V±10%
第三节 单元组合仪表
一、单元组合仪表分类
1．变送单元类（B）
主要品种有温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器等。
2．转换单元类（Z）
主要品种有直流毫伏转换器、频率转换器、电—气转换器、气—电转换器等。
3．控制单元类（T）
主要品种有：比例积分微分调节器，比例积分调节器、微分调节器、特种调节器（间隙、自选择、前馈、非线性等）。
4．计算单元类（J）
主要品种有加减器、乘除器、开方器等。
5．显示单元类（X）
主要品种有：比例积算器、开方积算器、指示仪、报警器等
6．执行单元类（K）
电动角程执行器、电动直程执行器等。需指出的是，气动执行器不属于单元组合仪表类。
7．给定单元类（G）
主要品种有：恒流给定器、分流器、气动定值器等。
8．辅助单元类（F）
主要品种有：操作器、阻尼器、限幅器、安全保持器、配电器等。
二、DDZ—III型仪表简介
1．DDZ—III型仪表信号制与传输方式
现场变送器
现场执行装置
控制
器
R=250
1—5V.DC
4—20mA.DC
4—20mA.DC
24V.DC
图3—13 Ⅲ型仪表的信号传输方式
现场
控制室
2．特点
①采用4—20mA DC信号制；
②为现场变送器实现二线制创造了条件；
③室内联络信号采用1—5V DC的电压信号，接收同一信号的仪表呈并联方式，可以实现共同接地；
④采用了线性集成运算放大器作为基本电路元件，简化了线路，减少了电路元件，可靠性高；
⑤采用了24V.DC集中供电；
⑥结构合理、功能更加完善、使用更加灵活；
⑦整套DDZ—Ⅲ型仪表在设计与制造工艺方面，均按国家防爆规程进行。
3．DDZ—Ⅲ型仪表的主要技术性能
①基本误差为±0.5%，变差不超过基本误差允许值的二分这一；
②供电电压为24V.DC±10%，当电源电压在此范围内变化时，仪表的附加误差不超过基本误差允许值；
③使用环境温度，控制室仪表为0—50℃，现场安装仪表为-40—+82℃；
④使用环境湿度，控制室仪表小于85%，现场安装仪表小于95%；
⑤环境振动影响，当振动频率为25Hz，控制室仪表在振幅不大于0.2 mm，现场安装仪表在振幅不大于0.5mm时，仪表的附加误差均不超过基本误差的允许值；
⑥长期运行漂移，仪表通电四小时后，连续运行七天，其附加误差不超过基本误差允许值；
⑦防爆等级可达到iaⅡCT6。
4．DDZ—Ⅲ型仪表的型号与命名
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
第一部分 第二部分 第三部分
ⅧⅦ
第一字母为“D”表示电动单元组合仪表。
第二字母代表产品大类，表示方法如下：
B——变送单元 Z——转换单元 J——计算单元
T——调节单元 X——显示单元 K——执行单元
G——给定单元 F——辅助单元
第一部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由三个汉语拼音大写字母组成，表示产品的类别。各字母含义为
第三字母代表各大类中的产品小类，同一字母在不同大类中的含义可能不同。表示方法如下：
变送单元中 W——温度或温差；Y——压力；C——压差；L——流量；U——液位。
转换单元中 J——交流毫伏；H——直流毫伏；P——频率；Q——气／电转换。
计算单元中 J——加减；S——乘除；K——开方。
调节单元中 L——连续；D——断续。
显示单元中 Z——指示；J——记录；S——积算；B——报警。
执行单元中 Z——直行程；J——角行程。
给定单元中 A——恒流；F——分流。
辅助单元中 D——电动伺服操作器（配电动调节阀用）；Q——便携式操作器（配气动调节阀用）；Z——阴尼；C——选择。
第二部分Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ 由四位阿拉伯数字组成。用于表示仪表系列、规格、结构特征。
每三部分Ⅷ由一个或数个大写汉字拼音字母组成，表示产品的变形结构或特殊用途。如字母A、B、C、F分别表示安全火花防爆、隔离防爆、船用型、防腐型等特殊用途。

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