[工学]第5章 自动控制仪表.ppt

化工仪表及自动化,昆明理工大学 杨彪 20102011学年下,化工仪表及自动化 Measurement &Process control Technology 第五章 控制器,中医学院,11:41:09,昆明理工大学,知识结构,第5章 自动控制仪表,第6章 执行器,第2章 过程特性,第3章 检测仪表与传感器,第4章 显示仪表,第1章自动控制系统基本概念,第7章 简单控制系统,第8章 复杂控制系统,第9章 新型控制系统,第10章 计算机控制系统,11:41:09,昆明理工大学,1 控制器概述,自动控制仪表,11:41:09,昆明理工大学,控制器在控制系统中处于重要地位：根据偏差按照一定的控制规律进行运算，将输出作用于操纵变量，使过程输出（被控变量）稳定在期望的数值。 种类很多： 常规控制器 以微处理器为基础的控制器,11:41:09,昆明理工大学,按照工作能源： 气动 电动 按照信号形式： 模拟式 数字式 按照结构形式： 基地式 单元组合 组装式 集散控制系统,11:41:09,昆明理工大学,第5章 (调节)控制器,(调节)控制器的功能： 将来自变送器（转换器）的测量信号与给定信号相比较，并对由此产生的偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器动作，以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动调节作用。,11:41:09,昆明理工大学,5.1 基本控制规律,控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。 按控制目标分类： 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态； 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差值）连续调整输出（控制参数）。,11:41:09,昆明理工大学,一、限位控制,控制规律 AB断开，低位，开启阀门； AC导通，高位，关闭阀门。,控,控制结果： 将液位限制在BC之间。,A,B,C,11:41:09,昆明理工大学,限位控制的过渡曲线,p,t,y,t,yH,yL,11:41:09,昆明理工大学,限位控制器电路举例,24V DC,0,A,B,C,控,A,B,C,AB断开阀门开启 ； AC接通阀门关闭,C,B,电磁阀,11:41:09,昆明理工大学,二、连续控制PID控制,根据测量值与设定值差异的大小连续调整输出量的大小。 分类： P控制比例控制 PI控制比例积分控制 PD控制比例微分控制 PID控制比例微分积分控制,11:41:09,昆明理工大学,2 控制器的基本控制规律,11:41:09,昆明理工大学,控制器的输入： 输出： 控制器的控制规律就是u(t)与e(t)之间的关系，是在人工经验的基础上总结并发展的。 控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分，此外还有如继电器特性的位式控制规律等。,11:41:09,昆明理工大学,图71 反应器的温度控制,11:41:09,昆明理工大学,人工操作过程分析,以蒸汽加热反应釜为例： 设反应温度：85度，轻微放热反应 操纵变量：蒸汽流量 被控变量：反应温度 干扰：蒸汽压力、进料流量等,11:41:09,昆明理工大学,人工操作（1）：开关控制,若温度低于85度，蒸汽阀门全开 若温度高于85度，蒸汽阀门全关 现象：温度持续波动，过程处于振荡中。 结果：双位控制规律控制品质差，满足不了生产要求。,11:41:09,昆明理工大学,温度为85度，蒸汽阀门开度是3圈 若温度高于85度，每高5度就关一圈阀门 若温度低于85度，每低5度就开一圈阀门 即开启圈数 相应控制规律可写为： u(0)：偏差为0时控制器输出 Kc：控制器比例放大倍数,人工操作（2）：比例控制,11:41:09,昆明理工大学,现象：温度控制得比较平稳 结果：控制品质有一定改善，但负荷变化时，会有余差。如工况有变动，当阀门开3圈时，温度不再保持在85度。,11:41:09,昆明理工大学,人工操作（3）：增加积分作用,首先按照比例控制操作，然后不断观察 若温度低于85度，慢慢地持续开大阀门 若温度高于85度，慢慢地持续开小阀门 直到温度回到85度 即控制器输出变化的速度与偏差成正比：,11:41:09,昆明理工大学,KI：积分控制作用放大倍数 现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。 结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余差。,11:41:09,昆明理工大学,人工操作（4）：增加微分作用,由于温度过程容量滞后大，当出现偏差时，其数值已经较大，因此，补充经验：根据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及时。,11:41:09,昆明理工大学,1. P调节,输出量与被控变量的差值成正比。 P= KP e 放大倍数KP：输出量与被控变量的差值的比例系数。 比例度：控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。 放大倍数KP与比例度成反比,11:41:09,昆明理工大学,KP（ ）值的影响,KP值过大（ 值过小） 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。 KP值过小（ 值过大） 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。 KP值（ 值）适中 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。,11:41:09,昆明理工大学,2. PI调节,加入积分调节的目的：缩短大偏差的调节时间，消除余差。 积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的积分成正比。 对于较大的偏差，容易导致调节时间过长，调节量过大而出现超调。因而通常与比例调节共同使用。,11:41:09,昆明理工大学,积分时间Ti的影响,Ti值过小 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。 Ti值过大 积分作用不明显，调节时间长，余差大。 Ti值适中 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。,11:41:09,昆明理工大学,3. PD调节,加入微分调节的目的：防止出现超调现象。 微分调节方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。 对于固定的偏差，没有输出。因而不能消除余差，通常与比例调节共同使用。,11:41:09,昆明理工大学,微分时间TD的影响,TD值过大 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。 TD值过小 微分作用不明显，超调量大。 TD值适中 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。,11:41:09,昆明理工大学,4. PID调节,同时采用比例、积分、微分调节方法。 通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。 采用比例积分微分（PID）调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。 PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用的控制方法。,11:41:09,昆明理工大学,几种调节方法的比较,P调节 PI调节 PD调节 PID调节,11:41:09,昆明理工大学,5.2 模拟式PID控制器,一、基本构成 比较环节 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏差信号。 放大器 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。 反馈环节 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。,给定信号,比较环节,测量信号,偏差,放大器,输出信号,反馈环节,-,11:41:09,昆明理工大学,二、 DDZ电动控制器 1. 仪表的特点,采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号： 420mA DC 或 15V DC，信号电流与电压的转换电阻为250。 高度集成化，可靠性高，维修量少。 全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。 功能齐全，结构合理。 具有本安（本质安全）性能。,11:41:09,昆明理工大学,二、 DDZ电动控制器 2. 基本功能,控制功能 自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。 手动控制：由人工直接设定输出值遥控执行器。 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 硬手动：瞬间直接改变输出值。 显示功能 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。 调整功能 给定输入调整： 控制参数整定：,11:41:09,昆明理工大学,无干扰切换,在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。 无干扰切换的实现： 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。,11:41:09,昆明理工大学,控制器的“正”“反”作用,控制器设有“正”“反”作用开关供选择，以满足控制系统要求。 偏差定义测量值设定值（e=y-r）。 正偏差：测量值大于设定值 负偏差：测量值小于设定值,11:41:09,昆明理工大学,正作用：控制器的输出随正偏差的增加而增加 反作用：控制器的输出随正偏差的增加而减小 若是负偏差，其控制器的输出在“正”、“反”作用下的输出与上述正偏差相反。,11:41:09,昆明理工大学,二、 DDZ电动控制器 3. 结构原理,输入电路,PD电路,PI 电路,输出电路,软手动电路,硬手动电路,显示电路,内给定 电路,给定显示,外给定值,测量信号,输出信号,11:41:09,昆明理工大学,二、 DDZ电动控制器 4. 外形结构,仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部 PID参数设定位于仪表内部，拉开整个仪表，可用螺丝刀调整变阻器。,炉温控制,11:41:09,昆明理工大学,5.3 数字量控制器,通过A/D，D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。 数字量控制器的基本结构原理为：,A/D,AIO,DIO,I/O,模拟量信号,数字量信号,CPU,计算电路,D/A,AIO,DIO,I/O,模拟量信号,数字量信号,11:41:09,昆明理工大学,数字量控制器的分类,单回路数字控制器 为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简易计算机控制系统。 PLC控制器 具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门的编程语言。 工业控制计算机 基于高性能商用CPU的计算机系统，可使用多种高级语言，具有普通家用计算机的全部功能。 集散控制系统(DCS) 现场总线控制系统(FCS),11:41:09,昆明理工大学,数字式控制器里处理的PID,常规模拟调节器中的PID作用，其原始算式为： 式中Dv偏差 TI积分时间 TD微分时间 Kp比例增益 MvPID调节器输出 该式为微分方程，不能直接用在数字调节器里，只能运算离散系统的差分方程。采用近似的办法： t采样一次所需间隔的时间，即采样周期Ts， i和n为采样序号。,11:41:09,昆明理工大学,数字式控制器里处理的PID(2),PID式为： Mvn为第n次采样时，控制器的输出。 位置型算式 增量型算式 速度型算式 微分先行算式 非线性PID控制,11:41:09,昆明理工大学,数字控制器的PID算法,位置式PID控制算法 和阀位对应，所以下式也称位置型PID算法。 位第n次采样时调节器的输出。,11:41:09,昆明理工大学,数字控制器的PID算法,增量式PID控制算法 第n-1次的采样输出 相邻两次采样的增量： 或者写为：,式（1）,11:41:09,昆明理工大学,数字控制器的PID算法,增量式PID控制算法 对应阀位的增量 或者写为： 其中,式（2）,优点：1. 仅决定于最近几次的采样值，