1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第五章第五章 基本控制规律基本控制规律 v位式控制位式控制v双位控制双位控制v具有中间区的双位控制具有中间区的双位控制v多位控制多位控制v比例控制比例控制v比例控制规律及其特点比例控制规律及其特点v比例度及其对控制过程比例度及其对控制过程的影响的影响1目录：目录：v积分控制积分控制v积分控制规律及其特点积分控制规律及其特点v比例积分控制规律与积分时间比例积分控制规律与积分时间v积分时间对系统过渡过程的影响积分时间对系统过渡过程的影响v微分控制微分控制v微分控制规律及其特点微分控制规律及其特点v实际的微分控制规律及微分时间实际的微分控制规律及微分时间v比例微分控制
2、系统的过渡过程比例微分控制系统的过渡过程v比例积分微分控制比例积分微分控制第一节第一节 概论概论3 基地式控制仪表 单元组合式仪表中的控制单元 以微处理器为基元的控制装置概论概论3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。xzeefp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。p=f(e)=f(z-x)概论概论位式控制（其中以双位控制比较常用）比例控制（Proportion）积分控制（Integration）微分控制（Differentiation）4第一节第一节 位式控制位式控制一、双位控制一、双位控制500,)0(0,mi
3、nmaxeepeepp或或理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制示例第一节第一节 位式控制位式控制6 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5-3 实际的双位控制规律二、具有中间区的双位控制二、具有中间区的双位控制图5-4 具有中间区的双位控制过程第一节第一节 位式控制位式控制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
4、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。7第一节第一节 位式控制位式控制三、多位控制三、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5-5 三位控制器特性图8 以电炉加热为例。三位式调节可以用两个继电器在的触点组成“升温加热”、“恒温调节”及“停止加热”三种输出状态。具体实现方法为采用辅助加热器A和主加热器B两组加热器:当测量值低于下限设定值时，上、下限继电器均吸合，系统进入“升温加热”状态，此时A、B二组加热器同时加热，因此升温速度较快。当测量值到达下限设定值，但尚低于上限设定值时，下限继电器释放，断开辅助加热器A的能源供给，升
5、温速率随之下降，系统进入“恒温加热”状态。当测量值到达上限设定值时，下限继电器仍保持断开状态，上限继电器开始释放，断开主加热器B 能源供给。此时由于主辅加热器均失去能源供给，故温度逐渐下降，直至降到上限设定回差的下限时，上限继电器又吸合，接通主加热器B的能源供给，温度又逐渐上升，周而复始。由此可见三位式调节比二位式调节升温的速度快，进入恒温调节状态后温度的波动小，精度高。第二节第二节 比例控制比例控制9 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
6、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5-6 水槽液位控制第二节第二节 比例控制比例控制eKpp（9-4）10 一、比例控制规律及其特点比例控制器Kpep图5-7 比例控制器图5-8 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第二节第二节 比例控制比例控制pbeaeKeabpp（5-4）11第二节第二节 比例控制比例控制12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。%100/minmaxminmaxpppxxe（5-5）二、比例度及其对控制过程的影响二、比例度及其对控制过程的影响第二节第二节
7、比例控制比例控制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,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,这时的比例度为为%40%100010/38100200/14016013第二节第二节 比例控制比例控制 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
8、差改变量占满量程的百分数。14%100/minmaxminmaxpppxxe11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。比例度示意图（5-5）第二节第二节 比例控制比例控制15图5-9 比例度与输入输出的关系%100)(1minmaxminmaxxxppKp即（5-6）%100)(minmaxminmaxxxpppe将式（5-5）改写后得minmaxminmaxxxppK 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,令第二节第二节 比例控制比例控制对一只控制器来说，K是一个固定常数。%100pKK将其代入式(5-6)，得epKp式中 Kp值与值与 值
9、都可以用来表示值都可以用来表示比例控制作用的强弱。比例控制作用的强弱。%1001pK在单元组合式仪表中16第二节第二节 比例控制比例控制17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渡过程。图5-10 简单水槽的比例控制过程液位开始下降液位开始下降作用在控制阀上的信号作用在控制阀上的信号进水量增加进水量增加偏差的变化曲线偏差的变化曲线图5-11 比例度对过渡过程的影响在在t=tt=t0 0时，系统外时，系统外加一个干扰作用加一个干扰作用第二节第二节 比例控制比例控制：反应快，控制及时：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
10、以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从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。结论结论18第三节第三节 积分控制积分控制一、积分控制规律及其特点一、积分控制规律及其特点19 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。edtKpI 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（5-7）图5-12 积分控制规律对上式微分,可得eKdtpdIAtKedtKpII当输入偏差是常数A时第三节第三节 积分控制积分控制 20第三节第三节 积分控制积分控制图5-13 液位控制系统图5-14 积分控制过程21第三节第三节 积分控制积
11、分控制 二、比例积分控制规律与积分时间二、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 edtKeKpIp（5-8）图5-15 比例积分控制规律22第三节第三节 积分控制积分控制23IKT1由于则edtTeKpIp1（5-9）AtTKAKpppIppIP若偏差是幅值为A的阶跃干扰PpppIPpAKAKAKppp2在时间t=TI时，有第三节第三节 积分控制积分控制三、积分时间对系统过渡过程的影响三、积分时间对系统过渡过程的影响图5-16 积分时间对过渡过程的影响 当缩短积分时间当缩短积分时间,加强积分加强积分控制作用时控制作用时,一方面克服余差一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过的
12、能力增加。另一方面会使过程振荡加剧程振荡加剧,稳定性降低。积稳定性降低。积分时间越短分时间越短,振荡倾向越强烈振荡倾向越强烈,甚至会成为不稳定的发散振荡。甚至会成为不稳定的发散振荡。24比例积分控制器对于多数系统都可采用，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。25第四节第四节 微分控制微分控制一、微分控制规律及其特点一、微分控制规律及其特点26 图9-17 微分控制的动态特性dtdeTpD（9-20）第四节第四节 微分控制微分控制二、实际的微分控制规律及微分时间二、实际的微分控制规律及微
13、分时间在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。实际微分控制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，恒等于100%，所以认为：实际的微分控制器是一个比例度为 100%的比例微分控制器。27第四节第四节 微分控制微分控制图5-18 实际微分器输出变化曲线tTKDDPDDeKAAppp1当输入是一幅值为 A的阶跃信号时可见，t=0时,p=KDA；t=时,p=A。微分控制器在阶跃信号的作用下,输出p一开始就立即升高到输入幅值A的KD倍,然后再逐渐下降,到最后就只有比例作用A了。微分放大倍数KD决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度。28第四节第四节 微分控制微分控制
14、微分时间TD是表征微分作用强弱的一个重要参数，它决定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。tTKDDDDeKAp1在t=T时,整个微分控制器的输出为1368.0DTKAAp1368.011DDDKAeKApDDKTTt取 时则29第四节第四节 微分控制微分控制 三、比例微分控制系统的过渡过程三、比例微分控制系统的过渡过程dtdeTeKpppDpDP当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（9-27）比例微分控制器的输出比例微分控制器的输出p等于比例作用的输出等于比例作用的输出pP与微分作用的输出与微分作用的输出pD之和。改变比例度之和。改变比例度(或或Kp)和微和微分时间分时间 TD
15、分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。强弱。说明：说明：30第四节第四节 微分控制微分控制图5-19 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第四节第四节 微分控制微分控制四、比例积分微分控制四、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。dtdeTedtTeKppppDICDIP1（9-28）32第四节第四节 微分控制微分控制图9-20 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和微分时间 TD
16、。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。33例题分析例题分析 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）34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=Kpe(a)图结构
17、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(5-8)(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、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象 35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(5-11)(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
18、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(5-12)(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 36例题分析例题分析 2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知Kp=2，TI=0.5min。若输入偏差如图9-21所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。图5-21 输入偏差信号变化曲线38例题分析例题分析对于PI控制器,其输入输出的关系式为edtTeKpIp1eKppp 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5-22(a)所示。积分部分的输出为edtTKpIpI39例题分析例题分析图5-22 输出曲线图edtpI4当Kp=2,TI=0.5min时31430244dtdtpI3184dtpI 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5-22(b)所示。将图5-22(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图5-22(c)所示。40
