1、 自动控制仪表 内容提要 概 述 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响双位控制比例控制积分控制微分控制 控制仪表或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。一、控制仪表的能源形式按照仪表所用的能源控制仪表直接作用式控制器间接作用式控制器概论 按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等。1、基地式控制仪表 基地式控制仪表是将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表。结构比较简单,常用于。二、控制仪表的结构形式概论 2、单元组合
2、式仪表的控制单元 单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。优点 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。概论 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。有利于发展新品种,采用
3、新工艺、新技术。概论 分类 根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。单元组合仪表一般可以分为七大类单元。变送单元(B)显示单元(X)给定单元(G)辅助单元(F)控制单元(T)计算单元(J)转换单元(Z)在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。概论 是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为1级。：DDZ-型电子管器件为主要器件 DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-型线性集成电路作为核心器件概论 控制仪表模拟式控制仪表数字是控制仪表三、控制仪表的信号形式概论 谢谢 谢谢 基本控制
4、规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 xzeefp控制器的控制规律是指 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。(4-1)基本控制规律及其对系统过度过程的影响 位式控制位式控制（其中以双位控制比较常用）、（其中以双位控制比较常用）、比例控制比例控制（P P）、）、积分控制积分控制（I I）、）、微分控制微分控制（D D）、）、比例积分（比例积分（PIPI）、比例微分（）、比例微分（PDPD）、比例积分微分）、比例积分微分（PIDPID）。）。基本控制规律及其对系统过度过程的影
5、响 基本控制规律及其对系统过度过程的影响例如：设反应温度为85，反应过程是轻微放热的，还需从外界补充一些热量。基本控制规律及其对系统过度过程的影响有人这样做，发现温度低于85，就把蒸汽阀门全开；一高于85就全关。这种做法称双位控制，因为阀门开度只有两个位置，全开或全关。00,)0(0,minmaxeepeepp或或基本控制规律及其对系统过度过程的影响一、双位控制理想的双位控制器其输出p与输入偏差e之间的关系为图4-1 理想双位控制特性图4-2 双位控制示例 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会
6、动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。图4-3 实际的双位控制规律图4-4 具有中间区的双位控制过程基本控制规律及其对系统过度过程的影响 双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 多位控制对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。图4-5 三位控制器特性图基本控制规律及其对系统过度过程的影响 基本控制规律及其对系统过度过程的影响例如：设反应温度为85，反应过程是轻微放热的，还需从外
7、界补充一些热量。基本控制规律及其对系统过度过程的影响若在正常工况下，温度为85，阀门开度是三圈，有人这样做，若温度高于85，每高出5就关一圈阀门；若低于85，每降低5就开一圈阀门。显然，阀门的开启度与偏差成比例关系，用数学公式表示则为：13-(85)5yC开 启 圈 数 二、比例控制 在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。图4-6 水槽液位控制基本控制规律及其对系统过度过程的影响 eKpP
8、（4-24-2）1、比例控制规律及其特点比例控制器KPep图4-7 比例控制器图4-8 简单比例控制系统示意图比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量基本控制规律及其对系统过度过程的影响 pbeaeKeabpP（4-34-3）基本控制规律及其对系统过度过程的影响%100/minmaxminmaxpppxxe 比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。（4-4）2、比例度及其对控制过程的影响1.比例度基本控制规律及其对系统过度过程的影响 举例一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是 100200,电动控制器的输出是010mA
9、,假如当指示值从140变化到160时,相应的控制器输出从3mA变化到8mA,这时的比例度为:%40%100010/38100200/140160基本控制规律及其对系统过度过程的影响 当温度变化全量程的40%时,控制器的输出从0mA变化到10mA。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化P是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%时(在上例中即温度变化超过40时),控制器的输出就不能再跟着变化了。这是因为控制器的输出最多只能变化100%。所以,比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变量占满量程的百分数。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 minmaxminmaxxxppK%1
10、00)(minmaxminmaxxxpppe%100)(1minmaxminmaxxxppKP图4-9 比例度与输入输出的关系即（4-5）将式改写后得 对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令（4-6）基本控制规律及其对系统过度过程的影响%1001PKepKP%100PKK对一只控制器来说，K是一个固定常数。得（4-74-7）而 K KP P值与值与值都可以用来表值都可以用来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。在单元组合式仪表中（4-84-8）基本控制规律及其对系统过度过程的影响 左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。左下图为简单水槽的比例控制系统的过
11、渡过程。图4-10 简单水槽的比例控制过程液位开始下降 作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线图4-11 比例度对过渡过程的影响在t=t0时，系统外加一个干扰作用基本控制规律及其对系统过度过程的影响 基本控制规律及其对系统过度过程的影响图4-11 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响比例度 越小，控制作用越强，当小于临界值时，系统的过渡过程为发散振荡，系统不稳定。比例度 越大，过渡过程曲线越平稳，但余差越大。根据“偏差的大小”控制：优点：反应快，控制及时缺点：存在余差 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从
12、而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。结论基本控制规律及其对系统过度过程的影响eKpP 结论基本控制规律及其对系统过度过程的影响 在基本控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能较为迅速克服扰动的影响，使系统很快地稳定下来。比例控制作用通常适用扰动幅度较小，负荷变化不大，过程的滞后较小或控制要求不高的场合。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 在这一例子中，如果工况有变 动，阀门开三圈，就不再能使温度保持在85。比例操作方式不能使温度回到设定值，有余差存在，为了消除余差，有人这样做，把阀门开启数圈之后，不断观察测量值，若低于85，则慢慢的继续打开阀
13、门；若高于85，则慢慢地把阀门关小，直到温度回到85。与上一方式的基本差别在于，这种方式是按偏差来决定阀门开启或关闭的速度，而不是直接决定阀门开启的圈数。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 AtKedtKpIIedtKpI三、积分控制1、积分控制规律及其特点 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制作用的输出变化量P与输入偏差e的积分成正比，即（4-94-9）图4-12 积分控制规律微分,可得eKdtpdI（4-11）当输入偏差是常数A时（4-10）基本控制规律及其对系统过度过程的影响积分控制器的输出变化速度和偏差成正比 结论 基本控制规律
14、及其对系统过度过程的影响 图4-13 液位控制系统图4-14 积分控制过程基本控制规律及其对系统过度过程的影响原始平衡状态：Q1=Q2,h=H,e=0,P=0 edtKeKpIP 2、比例积分控制规律与积分时间比例积分控制规律可用下式表示（4-12）图4-15 比例积分控制规律基本控制规律及其对系统过度过程的影响 PPPPIPpAKAKAKppp22在时间t=TI时，有（4-164-16）AtTKAKpppIPPIPIIKT1由于（4-134-13）则edtTeKpIP1（4-144-14）若偏差是幅值为A的阶跃干扰（4-154-15）基本控制规律及其对系统过度过程的影响 3、积分时间对系统过
15、渡过程的影响图4-16 积分时间对过渡过程的影响 当缩短积分时间,加强积分控制作用时,一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过程振荡加剧,稳定性降低。积分时间越短,振荡倾向越强烈,甚至会成为不稳定的发散振荡。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 基本控制规律及其对系统过度过程的影响总结：根据e存在控制。一个比例积分调节器可看作是粗调的比例作用与细调的积分作用的组合。可以看成是工作点不断改变的比例调节器。思考：由于温度对象的容量滞后较大，当出现偏差时，其数值已较大，这时应该如何操作？P与e 的大小及存在时间有关，积分控制规律可以消除余差，但控制缓慢，动态偏差大，不单独使用。基本控制规律及其对系统
16、过度过程的影响由于温度对象的容量滞后较大，当出现偏差时，其数值已较大，为此，有人再补充这样的经验，观察偏差的变化速度即趋势，来开启阀门的圈数，这样可抑制偏差幅度，易于控制。P与e的大小及存在时间有关。四、微分控制比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 dtdeTpD1、微分控制规律及其特点优点具有超前控制功能阻止e的变化 图4-17 微分控制的动态特性具有微分控制规律的控制器（4-17）基本控制规律及
17、其对系统过度过程的影响根据偏差的变化速度进行控制 2、实际的微分控制规律及微分时间微分作用的特点微分控制可以减小余差，但不能消除余差，所以一般不能单独使用；超前控制的作用。微分作用基本控制规律及其对系统过度过程的影响它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。dtdeTeKpppDCDP 3 3、比例微分控制系统的过渡过程、比例微分控制系统的过渡过程当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（4-184-18）比例微分控制器的输出P等于比例作用的输出P
18、P与微分作用的输出PD之和。改变比例度(或KP)和微分时间 TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。说明说明：基本控制规律及其对系统过度过程的影响 图4-19 微分时间对过渡过程的影响 微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,减少被控变量的波动幅度,并降低余差。微分作用也不能加得过大。微分控制具有“超前”控制作用。31基本控制规律及其对系统过度过程的影响 dtdeTedtTeKppppDIPDIP14、比例积分微分控制 同时具有比例、积分、微分三种控制作用的控制器称为。（4-194-19）基本控制规律及其对系统过度过程的影响 图4-20 PID控制器输出特性 比例度、积分时间
19、 TI和微分时间 TD。三个可调参数适用场合对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 dtdeTedtTeKpDIP1dtdeTeKPDPedtTeKPIP1(4-20)(4-20)（4-214-21）(4-22(4-22）基本控制规律及其对系统过度过程的影响 1.目前,在化工生产过程中的自动控制系统,常用控制器的控制规律有位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。试综述它们的特点及使用场合。列表分析如下:（a）（b）（c）（d）基本控制规律及其对系统过度过程的影响 控制规律输入e与输出
20、p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合位式P=Pmax(e0)P=Pmin(e0)结构简单;价格便宜;控制质量不高;被控变量会振荡 对象容量大,负荷变化小,控制质量要求不高,允许等幅振荡 比例（P）P=KCe(a)图结构简单;控制及时;参数整定方便;控制结果有余差 对象容量大,负荷变化不大、纯滞后小,允许有余差存在,例如一些塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控制系统等 比例积分PI式(4-20）(b)图能消除余差;积分作用控制缓慢;会使系统稳定性变差 对象滞后较大,负荷变化较大,但变化缓慢,要求控制结果无余差。此种规律广泛应用于压力、流量、液位和那些没有大
21、的时间滞后的具体对象 基本控制规律及其对系统过度过程的影响 控制规律输入e与输出p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合比例微分PD式(4-21)(c)图响应快、偏差小、能增加系统稳定性;有超前控制作用,可以克服对象的惯性;控制结果有余差对象滞后大,负荷变化不大,被控变量变化不频繁,控制结果允许有余差存在 比例积分微分PID式(4-22)(d)图控制质量高;无余差;参数整定较麻烦 对象滞后大;负荷变化较大,但不甚频繁;对控制质量要求高。例如精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统 基本控制规律及其对系统过度过程的影响 基本控制规律及其对系统过度过程的影响一
22、台具有比例积分控制规律的DDZ型控制器，其比例度为20%，积分时间为1min,开始时，测量给定和输出都在50%。当测量变化到55%时，输出变化到多少？1min后又变化到多少？举例解：由比例积分调节器的输出和输入的关系为edtTKeKpIPP当e=A 时为一阶跃信号时1IPKp AKp A tT 51PK当测量由50%跃变到55%的一瞬间，t=0%250%)50%55(15%50%555min1PTI所以输出跃变到25%+50%=75%1min后，输出变化为%501%)50%55(15%50%555P即1min后输出变化到50%+50%=100%2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知KP=2，
23、TI=0.5min。若输入偏差如图所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。图4-21 输入偏差信号变化曲线基本控制规律及其对系统过度过程的影响举例 edtTKpIPIeKpPp对于PI控制器,其输入输出的关系式为edtTeKpIP1 将输出分为比例和积分两部分,分别画出后再叠加就得到PI控制器的输出波形。比例部分的输出为当KP=2时,输出波形如图4-22(a)所示。积分部分的输出为基本控制规律及其对系统过度过程的影响 31430244dtdtpI3184dtpIedtpI4图4-22 输出曲线图当KP=2,TI=0.5min时 在t=01min期间,由于e=0,故输出为0。在t=13min期间,由于e=1,所以t=3min时,其输出 在t=34min期间,由于e=-2,故t=4min时,其积分总输出 故pI输出波形如图(b)所示。将图(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图(c)所示。基本控制规律及其对系统过度过程的影响 谢谢观看
