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第一章要点
一、反馈控制系统基本概念
(一)控制系统组成
1、控制对象 2、测量单元
3、调节单元 4、执行机构
注意:比较环节不是基本单元。
(二)传递方框图
1、环节
输出量的变化取决于输入量的变化和环节特性。
信号传递的单向性:输出量的变化不会直接影响输入量。
2、扰动
外部扰动:不可控制的扰动,如负荷的变化、电源的波动等。
基本扰动:人为可以控制的扰动,如给定值的变化、调节器参数的调节等。
3、反馈
含义: 将输出全部或部分地回送到输入端以影响输入效应。
负反馈 —— 削弱输入效应的反馈。只有采用负反馈,才能形成偏差。运行参数的自动
控制系统必定是负反馈控制系统,亦称为偏差控制系统。
正反馈 —— 加强输入效应的反馈。为了实现某种复杂的控制规律和作用,自动化仪表
(如调节器)往往采用局部正反馈。
4、闭环和开环
开环控制的两种情形: ( 1)按给定值进行控制; ( 2 )按扰动进行控制。
(三)系统类型(按给定值分类)
1、定值控制系统
给定值恒定不变,系统的主要任务是克服外部扰动的影响。
2、程序控制系统
给定值按确定的规律随时间变化,即给定值是确定的时间函数。
系统的主要任务是跟随给定值的变化而变化。
3、随动控制系统
给定值随时间变化且无法预知变化规律,即给定值是某个参数的函数且参数的变化是
任意的。
(四)动态过程的品质指标
1、稳定性
(1)衰减率w
W < Q为发散振荡过程; W = Q为等幅振荡过程;
0 ACK和INTR。
只有PA才能工作在方式2下,此时,PC7〜PC3作为A 口的控制线。
注意:PB、PC三个口都具有方式 0, PA可有三种方式,PB只有方式0和方式1, PC在 方式1或方式2时作为PA、PB的控制口。
(4)控制命令字
作用:确定芯片各口的输入输出及工作方式。
典型方式控制字:80H (简单输出方式),9BH (简单输入方式)。
2、A/D和D/A转换器
(1) A/D转换器
作用:将模拟量转换成数字量
组成:比较器、逐次比较寄存器、控制逻辑电路、 D/A转换器。
(2) D/A转换器
作用:将数字量转换成模拟量。
组成:电子模拟开关、电阻网络、比例运算放大器。
二、可编程控制器 (PLC)
可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机。
(一)可编程控制器的特点
1、软硬件功能强
PLC 具备的功能:如时序、计算器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等,能够
方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制 I/O 等。
PLC 不仅可进行逻辑运算、算术运算、数据转换以及顺序控制,还可实现模拟运算、
显示、监控、打印及报表生成等,并具有完善的输入输出系统。
2、使用维护方便
输入接口可以与各种开关、按钮、传感器等连接;
输出接口可以直接驱动的负载:电磁阀、接触器、继电器、指示灯、小型电动机、电
动机起动器等。
3、运行稳定可靠
(二)可编程控制器的功能
1、开关量的开环控制
最基本的控制功能。包括:时序、组合、延时、计数、计时等。
2、模拟量的闭环控制
3、数字量的智能控制
4、数据采集与监控
5、联网、通信及集散控制
可实现 PLC 与 PLC 、PLC 与上位计算机之间的联网和通信, 由上位计算机来实现对 PLC 的管理和编程。 PLC 也能与智能仪表、智能执行装置 (如变频器等 )进行联网和通信。
(三)可编程控制器的基本结构和工作原理
1 、可编程控制器的基本结构
主要组成: CPU 、存储器、 I/O 接口、通信接口和电源等。
1) CPU
PLC 的微处理器:通用微处理器、单片机、位片式微处理器。
CPU 模块:微处理器 +存储器
2)存储器
PLC 的存储器:系统程序存储器、用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操
作系统,由生产厂家设计并固化在 ROM 中,用户不能读取。用户程序由用户设计,它使
PLC 完成用户要求的特定功能。
① RAM 可以用编程装置读出 RAM 中的内容, 也可以将用户程序写入 RAM 。 断电后,
可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用 2〜5年。
要经常注意电池故障灯状况,一旦灯亮,就应在一周之内更换电池。对于断电更换电
池的 PLC ,往往要求在数十秒内完成。为防止意外,要求船上始终要存有电池的备件。
② EPROM 和 EEPROM 用来固化系统程序和用户程序。
3)I/O 接口
除了传递信号外,还有电平转换、光电隔离和滤波作用。
4) 电源
PLC 使用 220V 交流电源或 24V 直流电源。
5) 编程装置
编程装置用来生成用户程序,并对其进行编辑、检查和修改。
使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、控制流程图,并可以实
现不同编程语言的相互转换。
编程器的工作方式:
①编程工作方式 输入新的控制程序,或对已有的程序进行编辑。
②监控工作方式 对运行中的 PLC 的工作状态进行监视和跟踪。
2、可编程控制器的工作原理
PLC 采用循环扫描工作方式。 PLC 经历 5 个工作阶段:自诊断;与编程器或计算机的
通信;现场输入信号的采集;执行用户程序;输出刷新。
第1阶段:自诊断。检查内部 I/O、存储器、CPU等,将监控定时器复位,发现异常
停机显示出错。
第 2 阶段:与编程器或计算机通信。检查是否有编程器或计算机等的通信请求,若有
则进行相应处理。
第 3 阶段:读入现场信号。 PLC 对全部输入通道进行采样,并将采样结果储存在内存
的输入信息状态区。
第 4 阶段:执行用户程序。 CPU 将指令逐条调出并执行,以对输入和原输出的状态进
行运算处理,再将运算结果送到输出信号状态缓冲区。
第 5 阶段;输出结果(输出刷新) 。当所有的指令执行完毕时,集中把输出信号状态缓
冲区中的内容送至输出通道的对应端口上,经输出模块隔离和功率放大后驱动外部设备。
PLC 的扫描周期主要与用户程序的长短和扫描速度有关。
3、可编程控制器的编程语言
编程语言包括:梯形图 LAD 、语句表 STL 、控制系统流程图 CSF 和高级语言等,以梯
形图最为常用。
梯形图中使用的基本符号 : 连线、母线、线圈、触点、指令框和标号等。
梯形图中触点的来源 : PLC 内部输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计
数器和状态元件等的触点。
梯形图中线圈的来源 : PLC 内部输出继电器、 辅助继电器、 定时器和计数器等的线圈。
注意: 梯形图中的继电器、定时器、计数器等不是物理器件,而是存储器中的一个存储位;
梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线,然后是触点
的串、并联接,最后是线圈与右母线相联;
触点可以任意串并联,线圈只能并联而不能串联;
同一触点的使用次数不受限制,而同一线圈一般不能重复使用;
触点应画在水平分支上,而不应画在垂直线上。
(四) PLC 的常用模块
特点:采用积木式结构,由基板和功能模块组成。总线多为基板形式,并采用紧凑的 无槽位限制的模块化结构。
组成:电源模块、 CPU模块、I/O模块、通信模块和等。
1、电源模块
与其它模块之间通过电缆(而不是背部总线)连接。
2、CPU模块
微处理器+存储器
3、I/O模块
(1) DI模块
将现场开关量信号转换成 PLC内部信号电平。有直流输入和交流输入方式。
(2) DO模块
类型:直流输出、交流输出和交直流输出;
继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出,一般采用继电器输出。
(3) AI模块
一般共用一个A/D转换器;
AI模块的循环时间: 某一通道从开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间。
(4) AO模块
模块的循环时间:所有活动的输出通道的转换时间总和。
输出检测:对电流输出进行断线检测,对电压输出进行短路检测。
4、智能I/O模块
可以实现闭环控制和专门功能;模块带有 CPU。
5、通信模块
第三章要点
一、自动化仪表的品质指标
1、绝对误差
定乂 : △ = A — A 0
2、相对误差
含义:绝对误差占仪表指示值的百分数。
定义: 上9x100%
A
作用:可反映仪表的测量准确度。
3、基本误差
含义:最大指示误差占最大测量范围(量程)的百分数。
定义: 、;0 = -m^x 1 0 %
A
作用:基本误差是仪表本身缺陷(如间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等)所造成的
误差。其大小可反映仪表的准确度。
4、精度
定义:与基本误差相同,只是用去掉百分号的级表示,如 0.1级、0.2级、0.35级、0.5 级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级。0.1级、0.2级、0.35级可用作标准仪表。
5、附加误差
仪表在使用过程中由于外界条件的影响而造成的误差。
6、灵敏度
人 》 “ ,- 乙…、 Ay
含义:仪表对输入信号开始有反应的灵敏程度,即 S= — o
葭
小量程仪表的灵敏度比大量程仪表的灵敏度高。
7、仪表的稳定性
含义:仪表在相同的外界条件下,对同一个测量点多次测量结果的稳定程度。
8、不灵敏区、灵敏限、变差
灵敏限:使仪表输出有一微小变化时所需输入量的最小变化值。一般为 1/2不灵敏区。
变差: 多次输入同一真值时,仪表指示值间的最大误差,即仪表在同一测量点,正
反行程指示值之差。
说明:不灵敏区是以输入量的变化来表示仪表结构的不完善程度,而变差则是以输出 量的指示变化来表示不完善程度。
二、气动仪表的主要元部件
1、弹性元件
类型:1)弹性支承元件;2)弹性敏感元件
弹性敏感元件作用: 将压力或轴向推力转换为位移信号。
安装波纹管时采用预压缩的目的: 增加线性使用范围。
采用多圈弹簧管的目的: 获得较大变形。
金属膜片做成波纹状且与平面成一角度的目的:增加线性变形范围。
2、节流元件
作用:对气体流动起阻碍作用,产生气压降、改变气体流量。
类型:1)恒节流孔一毛细管式、小孔式
2)变节流孔一圆锥-圆锥形;圆柱-圆锥形;圆球-圆锥形
参数:气阻
3、气容
作用:对气体压力起惯性作用。
类型:1)定容气室;2)弹性气室。
参数:气容
4、喷嘴挡板机构
作用:把挡板微小的位移转换成相应的气压信号输出。
工作原理:h0。
给定值Ub的调整:WiT-UbT -Tsh
( 2 )指示电路
调整W2可以调节零点: W2T,零点指示值 K
调整W3可以改变量程: W3T,仪表满度指示值 量程明
2 )比例微分电路 MRV
作用:对温度偏差信号 U15进行比例微分运算(输出信号 U5与输入信号U15同极性)。
组成: TU1— 实际微分电路; TU2— 反相比例运算电路; TU3— 反相加法器。
运放反馈回路中电容的作用:增强抗干扰能力,提高电路稳定性,防止运放产生振荡。
调整:调节 Wi,改变比例带, WiTfKpTf PB;J
调节W2,改变微分时间, Wi T f Td K
3 )脉冲宽度调制电路 MRD
作用:将 MRV 板送来的比例微分控制信号转换成脉冲信号。
( i )不灵敏区
输入电压绝对值大于运放 TUi (或TU2)同相端电位时,TUi (或TU2)才会有脉冲信
号输出,因而可避免电机频繁起动。
将 W2 调大,不灵敏区变大,反之变小。
不灵敏区过大,系统稳态偏差大;不灵敏区过小,会使电机 M 起停频繁。
( 2 )测量值大于给定值并超过不灵敏区
运放 TU i 输出一系列负脉冲信号,减少输出继电器间断有电,电机间断正转,使冷却
水增加、旁通水减少,水温下降,直至 T=T S。
( 3 )测量值小于给定值并超过不灵敏区
运放 TU 2 输出一系列正脉冲信号,增加输出继电器间断有电,电机间断反转,使冷却
水减少、旁通水增加,水温上升,直至 T=T S。
( 4 )影响脉宽的因素
①调节 Wi,可以改变运转脉冲宽度 Ton,而停转脉冲宽度 Toff不变。
Wi T - Ton T (Toff不变)-积分作用T T急定性J。
( 温度偏差电压 U5 T fTon卡Toffk
4、典型故障分析
(i)自动运行状态下偏差超过不灵敏区但执行电机不转
( 2)自动运行状态下电机只能单向运转
( 3) T802 短路或开路
短路:相当于 T 极高,温度表显示最大值而实际温度却极低,旁通阀关死。
开路:相当于 T 极低,温度表显示最小值而实际温度却极高,旁通阀全开。
二、燃油粘度自动控制系统
(一) NAKAKITA 燃油粘度自动控制系统
1 、系统功能
2 i )粘度定值控制 ( 2)温度程序控制
3 3 )轻油 /重油自动切换 ( 4 )温度 /粘度控制自动切换
2、系统组成
4 i )粘度定值控制系统:测粘计、差压变送器、反作用式 PID 粘度调节器、气关式蒸
汽调节阀。
5 2 )温度程序控制系统:温度变送器、正作用式 PID 温度程序调节器、气关式蒸汽调 节阀。
6 )轻油 — 重油转换装置
7 )温度 — 粘度控制选择阀
5)控制电路
3、温度程序调节器
组成:正作用式 PID 调节器 +温度程序设定装置
作用:以设定的速度增加(或减少) Ts,并按PID调节规律使T跟踪Tso
注意: ( 1 ) T L、 T H 和 TM 的设定(上、下限温度限位开关和调整凸轮) ; ( 2 )温度给定值上升速度的设定
sM1: 1℃/分
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