【机械行业标准(JB)】 工业过程控制系统用位式控制器 性能评定方法

ICS17.020
中华人民共和国机械行业标准
JB/T 8220—1999
工业过程控制系统用
位式控制器性能评定方法
Methods of evaluating the performance oftwo - and multi - step controllers for usein industrial - process control systems1999- 08-06发布
国家机械工业局
2000-01-01实施
JB/T8220—1999
本标准是对JB/T822095《工业过程控制系统用位式控制器性能评定方法》的修订。本标准与JB/T8220一95在主要技术内容上没有差异，仅对原标准作了编辑性修改。本标准自实施之日起，代替JB/T8220一95。本标准的附录A和附录B是标准的附录。本标准的附录C是提示的附录。
本标准由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会提出并归口。本标准主要起草单位：上海工业自动化仪表研究所。本标准主要起草人：杨伯松、陈诗恩。1范围
中华人民共和国机械行业标准
工业过程控制系统用
位式控制器性能评定方法
Methods of evaluating the performance oftwo-and multi -step controllers for usein industrial-process control systemsJB/T8220—1999
代替JB/T8220—95
本标准规定的性能评定方法适用于工业过程控制系统用位式控制器以及仪表中具有位式作用的附加装置(以下简称控制器）。
控制器可接受下列输人信号：
a）被测值为标准化气动或电动连续信号或其他连续信号；b）设定值为机械信号（位置、力等）或标准化信号。本标准仅适用于二般工作条件下使用的控制器，特殊工作条件下使用的控制器所额外要求的试验，不属于本标准范围。
本标准所规定的某些试验可能不适用于某些型式的控制器，而某些型式的控制器可能需要其他的附加试验。可根据控制器的型式选择所适用的试验和补充所需要的附加试验。2定义
本标准采用下列定义。
2.1两位控制器
two-step controller
具有两位作用的控制器称两位控制器。两位控制器的作用如附录A(标准的附录)图A1所示。两位控制器有一对切换值X,和X(X,>X,),其关系式为：当X当X>X2时,Y=Y2;
当X如果X通过的后一个切换值是X1,则Y是Yt；如果X通过的后一个切换值是X2,则Y是Y202.2多位控制器multi-stepcontroller具有n（n为位数，n>2)个输出值和n-对切换值的控制器称多位控制器。多位控制器的每一对切换值都可以看作一个两位控制器，并按两位控制器采用的步骤进行试验，如附录A(标准的附录)图A2所示。
2.3无切换差的控制器controllerwithnoswitchingdifferential切换差接近零的位式控制器。
2.4设定点[值]（W）setpoint
在主控系统中，用来设定被控变量的预期值的参比信号（即表示参比变量的信号）。2.5设定标度(指示)误差
setpointscaleerror
国家机械工业局1999-08-06批准2000-01-01实施
JB/T82201999
由参比输人元件造成的参比变量与参比信号间的差值。2.6位式作用stepaction
输出变量只取限定数目叫做“位”的值的作用方式。2.7两位作用two-stepaction
输出变量取两个值的位式作用。2.8通断作用
on-offactior
两个位中的一个位被定为零值的两位作用。2.9高低作用high-lowaction
两个位具有相同符号的两位作用。2.10正负作用positive-negativeaction两个位具有相反符号的两位作用。2.11多位作用multi-stepaction多于两个位的位式作用。
2.12正负三位作用positive-negativethree-step action三个位中的一个位被定为零值，另外两个位符号相反的多位作用，如附录A（标准的附录）图A3所示。
2.13切换值switchingvalue
在位式作用中，使输出变量改变的任一输入变量值。2.14上切换值（X2）upperswitchingvalue输入变量增大时，使输出变量改变的输人变量值。2.15下切换值（X.）lowerswitchingvalue输入变量减小时，使输出变量改变的输人变量值2.16切换中点[值]（X）mean switchingpoint上切换值与下切换值之中值。
2.17切换差（X）switchingdifferential上切换值与下切换值之差。
2.18切换（控制）范围（X）switchingrange多位控制器中，相当于极限切换值的被测值范围。2.19重复性误差
repeatability error
在同一条件下，输人变量按同一方向变化时连续多次测得的切换值的最大差值。2.20偏差信号deviationsignal
输人变量与参比信号之差的信号。2.21设定点偏差setpointdeviation输出变量按规定条件下的输出值输出时的偏差信号。2.22设定点误差set point error包括设定标度误差的设定点偏差。3试验条件
3.1环境条件
3.1.1参比大气条件
控制器的参比性能应在下述大气条件下进行试验：温度：20℃±2℃；
相对湿度：60%~70%；
大气压力：86kPa~106kPa。
JB/T8220—1999
热带、亚热带或其他特殊用途的控制器，其参比大气条件按有关标准规定。3.1.2一般试验的大气条件
无需在参比大气条件下进行的试验，推荐采用下述大气条件：温度：15℃~35℃；
相对湿度：45%~75%；
大气压力：86kPa~106kPa。
每项试验期间，允许的温度变化为1℃/10min3.1.3其他环境条件bzxZ.net
除上述大气条件外，试验尚应在下述环境条件下进行：磁场：除地磁场外,无其他外界磁场；机械振动：无机械振动。
3.2动力条件
3.2.1公称值
按有关标准或制造厂的规定
3.2.2允差
3.2.2.1电源
电压：±1%；
频率：±1%；
谐波失真：小于5%(交流电源）；纹波：小于0.2%（直流电源）
3.2.2.2气源
压力：±1%：
供气温度：环境温度±2℃；
供气湿度：露点低于控制器的表壳温度至少10℃4试验的一般规定
4.1控制器应按制造厂的使用说明书，特别是有关预调的说明，投入运行。4.2试验时输人信号的寄生感应或波动对测量应无明显影响。输人信号的变化速度应足够慢，保证有一定的响应时间和在任何试验点上不产生过冲。4.3除工作位置影响试验外，试验时控制器应处于有关标准或制造厂规定的正常工作位置。4.4在每项试验过程中，不得调整控制器的下限值和量程。4.5除非条文中另有规定，影响量只有所涉及的工作条件在规定范围内变化，其他工作条件均应在参比工作条件下保持恒定。影响量对控制器的影响应在有关标准或制造厂规定的正常工作条件极限值上确定。
由于条件限制不可能在参比大气条件下进行的影响量试验，可在一般试验的大气条件下进行。4.6试验采用的测量方法的误差限，应不超过被试控制器规定误差限的1/4,并应在试验报告中注明。4.7电动控制器在接通电源后，应按制造厂规定的时间进行预热，使控制器内部温度稳定。如制造厂未作规定，应预热至少30min。
4.8多位控制器应逐位按顺序试验。不在试验的各位，应位于不影响在试位读数的位置上。4.9除非有关标准另有规定，试验结果一般应按输人量程的百分数计。4.10有关标准或制造厂规定的技术指标，应列在试验报告有关试验结果旁的空白栏中，以便对照。3
5与控制性能有关的试验
5.1总则
JB/T8220-1999
5.1.1与控制性能有关的试验均应在参比工作条件下进行，且被试控制器和试验设备均应先在参比工作条件下使之稳定。所有可能影响试验结果的工作条件均应随时进行观察，并作出记录。5.1.2试验时，输入信号必须按初始输入信号的同一方向逼近试验点。5.1.3在正式试验之前，应使被试控制器的被测值在上、下行程上作三个循环的全范围移动。5.2负载阻抗
电动控制器：对电流输出信号取制造厂规定的最大值：对电压输出信号取制造厂规定的最小值：触点输出信号，除非条文中另有规定，可不带外负载，但应规定其触点容量。气动控制器：采用一个长8m，内径为4mm的刚性管道，后接一个容量为20cm的容器作为负载阻抗。应注意保证气源接头的密封。5.3测量循环
在每一个试验点（设定值）上，以上、下行程为一个循环，试验应进行至少三个循环。由上述三个测量循环确定上切换值和下切换值。切换差可调的控制器，还应将切换差调整到其可调范围的最大、最小和中间位置的值上分别进行试验。
5.4设定值（W）
5.4.1设定值可任意调整和直接测量按照试验程序，试验点应为包括10%，50%和90%量程附近标度线在内的至少三个点。将任一设定值上的上切换值平均值和下切换值平均值的中值，作为切换中值（X）。设定点偏差是由切换中值与直接测量的设定值之间的差值来确定。5.4.2有设定标度且设定值可任意调整按照试验程序，试验点应为包括10%，50%和90%量程附近标度线在内的至少三个点。将任一设定值上的上切换值平均值和下切换值平均值的中值，作为切换中值（X）。设定点误差是由切换中值与标度的设定值之间的差值来确定。5.4.3无设定标度但设定值可任意调整按照试验程序，试验点应为有效调整范围内至少三个近似均匀分布的设定值。分别确定任一设定值上的上切换值平均值和下切换值平均值，在这种情况下要确定设定点偏差或设定点误差是不可能的。5.4.4设定值是预选的固定值
按照试验程序，将预选的固定值上的上切换值平均值和下切换值平均值的中值，作为切换中值（Xm）。并按5.4.1或5.4.2计算设定点偏差或设定点误差。5.4.5控制器的切换差值可以调整，且上切换值或下切换值作为控制器设定值规定的预期值。按照试验程序，试验点应为包括10%，50%和90%量程附近标度线在内的至少三个点。设定点偏差是由上切换值平均值或下切换值平均值与直接测量的设定值之间的差值来确定。设定点误差是由上切换值平均值或下切换值平均值与标度的设定值之间的差值来确定。注：以上切换值或下切换值作为控制器设定值规定的预期值，应在有关标准或制造厂规定的技术指标中予以确定。5.4.6多位控制器
多位控制器应按二位控制器的试验方法对每位进行试验和计算。5.5切换差（X）
5.5.1切换差是固定值
切换差可由同一设定值上的上切换值平均值与下切换值平均值之间的差值来确定。5.5.2切换差可任意调整
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切换差可调的控制器，应在切换差调整范围的最大和最小值上分别测得同一设定值上的上切换值平均值与下切换值平均值之间的差值来确定切换差的可调范围。如对切换差的调整还有分辨力的要求，则应测定分辨力。
5.6重复性误差
控制器的重复性误差由同一设定值上所测得的上切换值的各数值之间的最大差值和下切换值的各数值之间的最大差值来确定。
6影响量试验
6.1总则
6.1.1除非条文中另有规定，影响量对控制器影响的试验仅在设定标度中点附近的标度线或有效调整范围的中间位置上进行。
6.1.2除非条文中另有规定，如果切换差可以调整，应设定在切换差可调范围中间标度线上；如果没有标度，则设定在有效调整范围的中间。6.1.3除非条文中另有规定影响量对控制器的影响应由同行程的三次测量结果的平均值来确定。6.1.4除非条文中另有规定，影响量一般是由切换值的变化来确定它对控制器的影响。6.2气候影响
6.2.1环境温度
本试验应在温度试验箱中进行，试验温度和试验的顺序如下：+20℃，+40℃，+55℃，+20℃，0℃，-10℃，-25℃，+20℃。控制器的正常工作温度范围所不包括的温度不进行试验。如控制器的正常工作温度范围的最高和（或）最低温度接近上述温度，则用正常工作温度范围的最高和（或）最低温度代替。温度应逐步变化。每一温度的允差为±2%。在每一温度上应保持足够的时间(不少于2h），使控制器内部达到热稳定。第一个循环结束后，控制器不作任何调整，即进行与第一次完全相同的第二次温度循环。
具有气动输出的控制器，其气源温度应与控制器本身温度相同。在每个温度上测量控制器的切换值，并计算相邻温度每变化10℃所造成的切换值变化。6.2.2湿热
控制器应先放在参比工作条件下不少于24h，测量控制器的控制性能。然后将控制器放进湿热试验箱内，使试验箱的温度为40℃±2℃和相对湿度91%~95%，并保持至少48h。在上述周期最后的4h内，接通能源。周期结束后，立即测量控制器的切换值，并计算由湿热造成的切换值变化。将控制器从试验箱中取出，检查控制器是否有飞弧现象、冷凝水聚集和元部件损坏。控制器应再放在参比工作条件下不少于24h，测量控制器的控制性能。6.3机械影响
6.3.1安装位置
试验时，将控制器从制造厂规定的正常工作位置前、后、左、右各倾斜10°或按制造厂规定的最大倾斜度，测量和计算各次倾斜所产生的控制器的切换值变化。6.3.2倾跌
本试验的目的在于确定控制器在使用和维修时，由于操作不慎可能产生的碰撞或摇动对控制器控制性能的影响，同时考核控制器的最低牢固性。将控制器按正常工作位置放在一个平滑、坚硬和牢固的混凝土或钢制平台上。控制器沿一个底边倾斜30°，或将一个底边升高，使其按有关标准的规定距台面为25mm，50mm或100mm，然后使底面自由跌落在平台上。控制器底面的四个边均各经受一次跌落，然后测量和计算控制器的控制性能，并仔细检查控制5
器有无损坏。
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控制器升高的高度和倾斜的角度，其允差为±10%。在倾斜30°和升高一个底边的两种试验方法中可选取要求较低的一种。6.3.3机械振动
本试验的目的在于确定控制器工作时所经受的机械振动对控制器的控制性能的影响，同时检查控制器的最低牢固性！
控制器应按规定安装方式安放在振动试验台上，并在三个互相垂直的平面上承受直线正弦振动，其中一个平面应为铅垂方向。用来安放控制器的振动台、安装板和任何安装托架的刚度应使传递到控制器上的脉冲的损耗为最小,且不增大振幅，亦不产生谐振。试验分三个阶段进行。
第一阶段：寻找初始谐振
本阶段的目的在于了解控制器对振动的响应，确定谐振频率和收集寻找最终谐振所需的资料。振动试验用的频率范围应从表1中选取。表1
验工作条件
安装场所
控制室
控制室(一般应用）
现场（低振动水平）
现场（一般应用
管道（低振动水平）
管道（一般应用）
剧烈振动水平
振动频率
60~150
60~500
60~2000
注：恒定振幅与恒定加速度之间的交越频率通常在60H2左右。扫频应是连续和对数的。扫描速率约为0.5倍频程/min。扫频期间，应记下引起下列现象的频率a）切换值显著变化或误动作及触点抖；b）机械谐振。
位移幅值
加速度幅值
为了测量机械振动对切换性能的影响，扫频应按照规定的步骤，将被测变量输入值设定在上切换值X2的上方或下切换值X，的下方两倍于切换差X值（或按有关标准规定）但不小于量程1%距离的位置上进行。如果扫频期间发生切换，则应在OHz时增大被测变量输入值与切换值间差距重复上述试验直至振动不引起切换为止，并记下最后发生切换时的差值和频率。第二阶段：耐振性试验
控制器应在三个互相垂直的平面上各承受1h（或按有关标准规定）的振动，其中一个平面应为铅垂方向。在每个平面上，试验应按第一阶段所得出的最大机械谐振频率进行。如未检出谐振，则振动频率应按工作条件所规定的频率范围连续扫描进行。第三阶段：寻找最终谐振
寻找最终谐振的方法与第一阶段相同，并用相同的频率范围和振幅或加速度。所得出的谐振频率和使切换值产生明显变化的频率应与第一阶段所得出的仔细对比。非弹性变形引起谐振频率的差异，可能导致机械结构产生破裂。
最终检查：振动试验后，应目视检查控制器有无机械损坏。如果控制器有机械设定值，须确定振动是6
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否改变了设定值，然后测量控制器的控制性能。示浪18图最的水
自电源畸的迅自尖，.0氏量的器容电，生电器6.4.1主电源变化
靠尖呢具
左当交流电源的电压和频率或直流电源的电压按下述组变化时，测量由此产生的控制器的切换值变化。
交流电源：
公称值
公称值
公称值
公称值的110%
公称值的110%
公称值的110%
公称值的85%
公称值的85%
公称值的85%
直流电源电压
公称值
公称值的110%返然变
公称值的85%
公称值
;，直
前丰设前国电范尘
公称值的105%
公称值的95%
公称值
公称值的105%
公称值的95%
公称值
公称值的105%
公称值的95%
巨器隔宝
量OR味PO2
如有关标准规定有较尔的电压和（或）频率的壳差，测应按有关标准的规定。号1
2必要时，交流电源的变化影响试验可简化为下述组合变化。就直(的间电压
公称值
公称值的110%
公称值的110%
公称值的85%
公称值的85%
电源短时中断
公称值
公称值的105%
公称值的95%
公称值的105%
公称值的95%
开申怕000F
本试验的目的在于确定由规定电源切换到备用电源时,控制器的瞬态特性和恢复时间。交流供电的控制器，中断时间为：10,20,200,1000ms。直流供电的控制器，中断时间为：5,20,200,1000ms。试验时，可按6.3.3机械振动的试验方法设定被测变量输欠值。试验应在输出带电和输出不带电的情况下重复进行。记下任何误切换和电源重新接通后恢复正常工作所需的时间或任何永久变化。每个中断时间应重复试验10次，两次试验之间的时间间隔至少等于中断时间的10倍。6.4.3电源低降
电源电压降低到公称值的75%，并保持5s。受情的
建器饰务
按6.3.3机械振动的试验方法设定被测变量输入值。观察和记录控制器输出的任何瞬态变化和永久变化。
电源瞬时过压
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试验线路如附录B（标准的附录）图B1所示。叠加到主电源上的尖峰电压由电容器放电产生，电容器的能量为0.1J，尖峰电压的幅值为主电源电压有效值的100%，200%和500%。主电源线应由包括一个至少为500μH流圈的抑制滤波器加以保护，所适用的电容值可按下式计算：
式中：C——电容值，F;
V——主电源电压有效值的倍数。在试验线路上，对每个幅值的尖峰电压施加与主峰值电压同相的两个脉冲，或施加与主电压随机相位的至少10个脉冲。
按6.3.3机械振动的试验方法设定被测变量输入值，观察和记录控制器输出的任何瞬态变化和永久变化。
6.5气源压力变化
试验时，控制器的设定值应设定在90%量程附近的标度线或有效调整范围最大值上。在气源压力分别为公称值公称值的110%和90%时，测量由此产生的控制器的切换值变化。6.6电干扰
6.6.1共模干扰
本试验仅适用于电输人对地绝缘的控制器。试验的目的在于确定施加在输人端子与地之间的共模电压对控制器切换值的影响。
试验线路如附录B(标准的附录)图B2所示。试验时，控制器的设定值应设定在10%，50%和90%量程附近的标度线或有效调整范围的最小、中间和最大值上。
在每个输人端子与地之间依次施加与主电源频率相同的有效值为250V(或制造厂规定的值）的正弦交流干扰信号，同时调整干扰信号的相位（0°360%)，使控制器切换值的变化为最大。必要时，控制器还应用一个正、反向的直流电压作用于对地绝缘的输人端子与地之间，直流电压采用50V或为输人量程1000倍的电势（两者中选较小值或按制造厂规定的较小值)进行试验。共模干扰试验时，控制器应由不受共模干扰的信号源提供输入信号。对于电流输人的控制器，信号源两端应并联不小于10uF电容；对于电压输入的控制器，信号源应为对主电源频率的交流阻抗不大于1002的电压源。测量由此产生的控制器的切换值变化。6.6.2串模干扰
本试验的目的在于确定一个与主电源频率相同的交流电压（串模信号）串联地叠加在输人端子上对控制器切换值的影响。
试验线路如附录B(标准的附录）图B3所示。串模电压由变压器的次级产生。变压器的次级用最大为100的并联电阻分路，并与输人端子串接。不直接与控制器联接的变压器次级与负载电阻并联的一侧应接地。试验时，控制器的设定值应设定在10%，50%和90%量程附近的标度线或有效调整范围的最小、中间和最大值上。
将控制器与试验线路断开，调整变压器的初级电压，使负载电阻两端的串模电压设定在1V峰值。然后将控制器接人试验线路，调整干扰电压的相位（0°~360°)，使控制器切换值的变化为最大。测量由此产生的控制器切换值变化。注：如有关标准规定小于1V峰值的串模电压，则应按有关标准的规定。6.7接地
本试验仅适用于电输入和输出对地绝缘的控制器。8
JB/T8220—1999
本试验应依次将每个接线端子与地联接，测量控制器的切换值变化和任何瞬时变化。试验时，必须注意消除因试验设备输入电路接地造成的影响。6.8外界磁场
本试验应在由频率为50Hz的交流电或直流电产生的磁场强度为400A/m的外界磁场中进行。试验时，将控制器放到磁场线圈的中心转台上。信号源和标准仪器应离开磁场至少3m。转动中心转台和磁场线圈，对交流外磁场影响试验还应调整移相器（0°~360°)，使控制器处于最不利的磁场方向和相位上。在该条件下测量由此产生的控制器的切换值变化。注：如有关标准规定小于400A/m的磁场强度，则应按有关标准的规定。6.9负载影响
本试验适用于电流或电压输出的控制器。试验时，将负载阻抗从最小值改变到最大值，测量由此产生的控制器的切换值变化。6.10漂移
6.10.1始动漂移
本试验的目的在于确定控制器接通能源后即刻和以后一段时间内产生的切换值变化。试验前，控制器应放在参比工作条件下24h，但不接通能源。然后将控制器的设定值设定在10%量程附近的标度线或有效调整范围的最小值上，接通能源和被测值。测量5min，1h和4h的切换值。断开能源，控制器再放在参比工作条件下24h，把控制器设定值设定在90%量程附近的标度线或有效调整范围的最大值上，重复上述试验。相邻两时间的切换值的最大差值即为始动漂移。6.10.2长期漂移
控制器应在参比工作条件下，将控制器的设定值设定在90%量程附近的标度线或有效调整范围的最大值上，接通能源和被测值运行30天。试验前，控制器应在参比工作条件下放置24h，测量控制器的切换值。试验期间，每天测量和计算控制器的切换值变化。在试验结束后，紧接着测量控制器的切换值。试验前后切换值的变化即为长期漂移。6.11加速寿命试验
在控制器上施加峰-峰值约为50%量程，且其中点位于标度中点的交变输入信号，其频率应使增益不小于0.9，且能足以驱动控制器进行切换。试验时，控制器的设定值应设定在标度尺50%附近的标度线或有效调整范围中间值上；除非有关标准另有规定，应在制造厂规定的额定负载下运动10个循环。试验后，测量控制器的控制性能。6.12过范围
6.12.1短时过范围
在控制器上施加下限值的输入信号，并缓慢增加到有关标准规定的过范围值，持续1min，接着将输入信号降到下限值。过5min后，测量由此产生的控制器切换值的变化。输人为零点下降信号的控制器，应将被测变量输入值设定在零值上（实际零值，而不是下限值）重复该项试验。
6.12.2长期过范围
除过范围值为量程的5%，持续时间为7天外，试验步骤与6.12.1相同7其他试验
7.1二位控制器的阶跃响应
本试验由阶跃响应来测定被测值通过一个切换值时，可能产生延迟输出的相应变化。试验时，应使被测值的变化值大于切换差，以保证每次变化均能出现切换。不同的被测值变化可能得出不同的结果，从而表明非线性。在试验中，有些控制器上，某些阶跃变化会导致多次切换。要进行这种测量，可将被测值从其范围的9
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