自动控制仪表PPT课件

-,1,第五章自动控制仪表,第一节概述第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响第三节模拟式控制器第四节数字式控制器,-,2,第一节概述,自动控制仪表在自动控制系统中的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。控制仪表发展的三个阶段：1、基地式控制仪表：它与检测、显示等仪表组装在一起，结构简单、方便，但通用性差，只在特定或小化工厂使用。2、单元组合式仪表中的控制单元：它是单元组合式，则各单元间以统一的标准信号相互联系。控制仪表有电动和气动两大类。3、以微处理器为基元的控制装置：其控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统。目前，有总体分散控制装置、单回路数字控制器、可编程数字控制器（PLC）和微计算机系统等。,-,3,第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响,1、控制规律：指p与e之间的函数关系。p=f(e)=f(z-x)。指控制器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。通常是在控制器的输入端加入一个阶跃信号，研究其输出信号变化情况。研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开，即只单独研究控制器本身的特性。其中p是控制器的输出信号；e是控制器的输入信号经比较机构后的偏差信号；x是给定值；z是测量值。2、基本控制规律：双位式控制、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，PI、PD、PID。3、不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求一选用适当的控制规律，因此首先必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后，根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能作出正确的选择。,一、双位控制二、比例控制三、积分控制四、微分控制,-,4,一、双位控制,1、双位控制系统：双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时，控制器输出为最小（或最大），而当测量值大于给定值时，则输出为最大（或最小），即控制器只有两个数出值。又称为开关控制。2、数学表达式：3、双位控制特性：如图4、缺点：执行器在频繁工作，容易出现故障。,理想双位控制特性双位控制示例,-,5,具有中间区的双位控制,实际应用的双位控制器具有一个中间区，被控参数在中间区时，控制机构不工作，当参数上升至测量值高于给定值某一数值后，控制机构才关；当参数下降至测量值低于给定值某一数值后，控制机构才开，这样，控制机构开关的频率程度大为降低，从而起到保护的作用。特点是结构简单、成本低、易实现，应用很普遍；如恒温炉、管式炉的温度控制等。,实际的双位控制特性,具有中间区的双位控制过程,-,6,二、比例控制,从例题中发现：该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例控制。,简单的比例控制系统示意图,1、比例控制与比例度2、比例控制系统的过渡过程3、比例度对过渡过程的影响,动画,-,7,简单的比例控制系统动画,动画（flash）,-,8,比例控制：具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，其输出信号变化量P与输入信号（指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）e之间成比率关系。（Kp为放大系数）工业上常用比例度代替Kp：仪表量程：控制器的输出范围：可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义。比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。比例度越小则输入变化范围就越小。若输出与输入都为标准对象，则,1、比例控制与比例度,控制作用强弱：对一个具体比例控制器，放大倍数KP与比例度成反比，KP越大，则越小，它将偏差（控制器的输入）放大的能力越强，这种放大能力称为控制作用的强弱。反之越弱。即KP越大，表示控制作用越强，而越大，表示控制作用越弱。,-,9,比例度的动画,-,10,2、比例控制系统的过渡过程,动画（flash）,-,11,3、比例度对过渡过程的影响,比例度对过渡过程的影响,（1）比例控制的优缺点：优点是反应快，控制及时；即有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。缺点是系统有余差。（2）比例度与系统的稳定性关系：越小，系统控制越强，只能说明控制是及时，并不能说明越小越好；从比例度对过渡过程的影响可得出：小于临界值时，系统的过渡过程为发散振荡，系统不稳定；等于临界值时，系统的过渡过程为等幅振荡，系统处于稳定与不稳定之间；适当时，系统的过渡过程为衰减振荡，系统稳定；太大时，系统的过渡过程为非周期振荡，系统较稳定。总之：越大，过渡过程曲线越平衡，但余差也越大。,-,12,（3）最佳取值范围：一般取值小于20%，如果对象的滞后较小（/T）、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的可以选得小些，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。,参考资料,-,13,对象的滞后较小时如何选择比例度,滞后较小：指被控对象的控制通道滞后时间与其时间常数之比/T值较小，则表明对象显的较迟动，所以提高比例控制作用，提高控制系统的灵敏度，让比例度减小些。,-,14,图1中，C表示被控变量受到干扰后，操纵变量没有起到校正作用，被控变量逐渐偏离给定值。A与B都表示被控变量分别在不同的滞后时间时受到操纵变量的校正作用开始回落。但两者个操纵变量的控制通道的滞后时间不同，即对象滞后大小不同，其超调量、过渡时间随滞后时间增加而增大。,图2中，曲线C含义同图1。A与B都表示被控变量在相同的滞后时间时分别受到两个大小不同的操纵变量的校正作用开始回落。对象的控制通道的滞后大小与放大系数大小都相同，A、B的斜率是相同的；但操纵变量的大小不同表示控制器的比例度大小不同，比例度大表示控制不及时A，其超调量、过渡时间较大，反之控制及时B，其超调量、过渡时间较小。,-,15,图3中，曲线C含义同图1。A与B都表示被控变量在相同的滞后时间时分别受到两个大小相同的操纵变量的校正作用开始回落。对象的控制通道的滞后大小相同，但其放大系数大小不同，A、B的斜率是不相同的；放大系数较大（时间常数较小）的斜率较大B，反应迅速较快，其超调量、过渡时间较小；反之放大系数较小（时间常数较大）斜率较小的A，反应迅速较缓慢，其超调量、过渡时间较大。结论：滞后时间一定下，时间常数大的则对象的滞后较小，对象反应迟动，所以要减小比例度，加强比例作用来提高系统的灵敏度。,-,16,时间常数较大如何选择比例度,时间常数较大：时间常数T越大，表示对象受干扰作用后，被控变量变化越慢，过渡时间长，超调量大，系统反应缓慢。如果图两个水槽，一个直径大，其时常数大，另外一个直径相对较小，其时间常数也相对较小。如果时间常数大的水槽，其水位被控变量发生了变化，而采用比例控制的比例度较大。说明水位在下降时，因时间常数较大，水位变化速度肯定较慢，所产生的偏差也较小，而控制器的比例度又较大，即输入偏差变化更较小，控制器的输出信号变化量也将更较小，那么，加入到水槽内水的增加量没有水槽放出水量大，水位将继续下降，被控变量将越来越偏离给定值。可能控制时间较长、最大偏差也较大。因此，时间常数较大的对象，比例度应选择小点，提高系统反应速度。,对象时间常数较大与其放大倍数较小意义是相同的，因此选择比例度的要求上也是一同的。,-,17,-,18,当控制系统有更高的要求时，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。1、积分控制：（1）定义：输出的变化量p与输入的偏差e的积分成正比。（2）数学表达示：（3）积分控制器特性：见图2、积分控制的特点：有偏差时，输出信号将随时间增长；无偏差时，输出才停止变化而稳定在某一值上。因而用积分分控制器组成控制系统可以达到无余差。但控制运用缓慢，控制不及时。,三、积分控制,积分控制器特性,-,19,比例积分控制,输出信号的变化速度与偏差e及KI成正比，而其控制作用随时间积累才逐渐增强，所以控制动作缓慢，控制不及时，当对象惯性较大时，被控变量将出较大的超调量，过渡时间也将延长，所以应比例的基础上加入积分作用组成比例积分控制规律。1、数学表达式：因为，上式可表示为：TI称为积分时间，是积分控制器的参数。若偏差是幅值为A的阶跃干扰，则2、比例积分控制器特性：见图,比例积分控制器特性,-,20,积分时间对过渡过程的影响,积分时间TI越小，积分速度KI越大，积分作用越强。反之，积分时间越大，积分作用越弱。若积分时间无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器。,积分时间对过渡过程的影响此图是比例积分控制规律,积分时间TI太小时，曲线振荡剧烈，其振幅较大，频率较小；TI太大时，积分作用不明显；只有TI适当时，才能消除余差。比例积分控制器，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，此时可用微分作用来控制。,-,21,在工程上，一般是先确定好了一个大约的比例度，然后保持比例度不变情况下，加积分作用，特别是积分应从积分时间较大开始，逐步减小积分时间。除稳定性外，指标全好，但实际应用中，应保证一定衰减比（即保证未加积分时比例作用下的衰减比）,-,22,对象惯性较大时，所以对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分运作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。微分作用就象人工控制中，人能根据虽然偏差可能较小，但参数变化很快，来推测偏差可能会变的更大，而提前改变阀门开度来克服干扰的影响。1、微分控制规律：控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比。2、数学表达式：TD微分时间，它是微分控制器的参数3、理想微分控制器特性：见图4、微分控制规律特点：只要出现变化趋势，马上就进行控制，所以它具有超前控制能力。但是输出不能反映大小，即使偏差再大，微分作用出没有输出。,四、微分控制,-,23,比例积分微分控制规律,1、比例微分控制规律：（1）数学表达式：（2）比例微分控制器特性：见图2、比例积分微分控制规律：（1）数学表达式：（2）比例积分微分控制器特性：见图,比例微分控制器特性,比例积分微分控制器特性,-,24,微分时间对过渡过程的影响,微分时间对过渡过程的影响此图是比例微分控制规律,微分作用按偏差的变化速度进行控制，其作用比比例作用快，因而对惯性大的对象用比例微分作用可以改善控制质量减小最大偏差，节省控制时间。微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，由于控制作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡。TD太大时，系统振荡加剧，但其振荡的幅度不大，可是频率较高；TD太小时，微分作用不明显。只有TD适当时，系统才比较平衡。PID控制规律既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。,-,25,第三节模拟式控制器,模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。分为气动与电动两控制器。,控制器基本构成,一、基本构成原理及部件1、比较环节：是将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。2、放大器：是一个增益很大的比例环节（电动为高放大倍数的运算放大器）。3、反馈环节：是通过正、反反馈来实现比例、积分、微分等腰三角形控制规律的。,-,26,电动控制器,无干扰切换：在控制系统投运过程中，一般总是先手动遥控，待工况正常后，再切向自动。当系统运行中出现工况异常时，往往又需要从自动切向手动，所以控制器一般而论都兼有手动和自动两方面的功能。但是，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样才能使执行器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这就是无扰动切换。,-,27,第四节数字式控制器,数字式控制器与模拟式控制器的构成原理和工作方式有根本的差别，但从仪表总的功能和输入输出关系来看，财政开支数字式控制器备有模数和数模转换器件（/或/），因此两者无外在的明显差异。,DPC-101单回路调节仪：多种调节系统选择、参数在线修改。伺放集成一体化设计，使用方便可靠。输入输出带光电隔离。多通道输入、输出。输入路数：7路模拟量，2路开关量。输出路数：3路模拟量，2路开关量。输入开关量类型：0-30VDC，接点输入。输入模拟量信号：热电阻和热电偶；0-10mA或4-20mA；0-5V或1-5V；输入输出精度：0.5%；可组成复杂系统：三冲量水位系统、串级汽温系统、除氧器水位、压力系统；伺放输出：220VAC，10A；系统内部运算模块：加减乘除折线滤波高限低限、PID控制、模糊控制、不灵敏区等。,DPC-101单回路调节仪,-,28,可编程序控制器,可编程序控制器：又称为PLC它的出现基于微计算机技术，用来解决工艺生产中大量的开关控制问题。与过去的继电器系统相比，它的最大特点是在于可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律，同时，功能丰富、可靠性强，可组成集中分散系统或纳入局部网络。与通常的微计算机相比，它的优点是语言简单、编程简便、面向用户、面向现场、使用方便。目前能广泛用于连续生产过程的闭环控制，现代大型的PLC都配有PID子程序或PID模块，可实现单回路控制与各种复杂控制，也可组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。,-,29,PLC基本组成,-,30,PLC,-,31,PLC,-,32,PLC,-,33,参考资料（一）,一、被控对象的放大倍数：它是对象的静态参数，对象的放大倍数较大时，即对象的输出信号的变化量与输入信号（操纵变量）的变化量之比是比较大。如果对象的放大倍数较小时，控制器的比例度应选择小点。会让系统曲线会更好，控制质量更高。例如，水槽的液位控制系统中，水槽的直径有两种：1、直径为1米：水槽的放大倍数较大；对象的液位变化较灵敏，系统的灵敏度也较高（过渡过程基本是衰减振荡过程或等幅衰减振荡过程）；如果此时让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原较灵敏的系统对干扰更加敏锐，更有可能让系统振荡而不稳定，出现发散型振荡。2、直径为10米：水槽的放大倍数相对较小；对象的液位变化相对较迟缓，系统的灵敏度相对来说也较低（过渡过程基本是非周期衰减振荡过程）；如果让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原不灵敏的系统更加灵敏，让系统更加稳定，出现衰减振荡过程。,-,34