《自动化仪表》PPT课件

第四章,调节器,2,附录,第四章调节器,调节器参数整定,控制规律选择,控制规律,3,一、基本控制规律分析,控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。这个规律常称为控制器的特性。,第一节控制规律,最常用的调节器，我们一般选择PID调节器，因为这类调节器原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性变化不太敏感。,4,典型PID调节器功能框图,第一节控制规律,5,第一节控制规律,Kc:比例系数；Ti：积分时间；Td：微分时间；,PID调节器的调节参数,6,第一节控制规律,比例P、积分I、微分D比例P：有两种表示方式:比例度%和增益K，K=1/%,K增大，系统的稳定性变差，控制质量提高。纯比例调节时，K=输出/输入积分I：积分时间以Ti（分）来表示，积分作用的基本目的是在系统经受干扰后使系统输出返回设定值（即消除余差）。Ti系统稳定性，Ti积分作用越强。微分D：微分时间以Td（分）来表示，微分作用的基本目的是能补偿容量的滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益，并提高响应速度。Td作用强，太强会振荡。,6,7,Kd：微分增益,二、比例控制规律,第一节控制规律,1、控制输出与偏差之间在一定范围内保持比例关系。,8,通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入(偏差)的范围，因此，比例度又称为比例带。,第一节控制规律,9,如果u直接代表调节阀的开度，当调节阀开度改变100，即从全关到全开，,则可以看出，就代表对应的被调量的相对变化范围。只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器也至少暂时失去其控制作用了。,例如，若测量仪表的量程为100C，则=50%就表示被调量需要改变50C才能使调节阀从全关到全开。,第一节控制规律,10,控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正负之分。,当控制器的测量y增加时，控制器的输出u增加，正作用控制器当控制器的测量y增加时，控制器的输出u增加，反作用控制器,由于：u=Kc(ry)=Kce，则：,正作用控制器，Kc为负号；反作用控制器，Kc为正号,第一节控制规律,11,2、比例增益对控制系统的影响,第一节控制规律,12,A、对余差的影响,Kce(),定值控制系统：当干扰是幅值为F的阶跃信号,Kce(),（1）自衡非振荡过程时,随动控制系统：输入信号是幅值为R的阶跃信号，根据终值定理,第一节控制规律,13,（2）无自衡非振荡过程,随动控制系统：e()=0,定值控制系统：,Gf(s)具有自衡特性时，e()0,Gf(s)具有无自衡特性，即e()0,第一节控制规律,14,B、对系统过渡过程的影响,衰减比，最大动态偏差，余差，振荡，周期,第一节控制规律,15,第一节控制规律,16,C、对控制系统稳定性的影响,系统的开环频率特性曲线,系统的开环频率特性曲线随比例增益的增加向(-1,j0)点移动，系统的稳定性变差。,随着比例增益的增大，系统的稳定性变差。,第一节控制规律,17,上述的结果适用于大多数工业过程被控对象的稳定性分析，但对具体被控对象和扰动通道还应具体分析。,设开环不稳定对象：,采用比例控制器，Kc增大时，控制系统的根轨迹,Kc小时，系统不稳定，随着Kc的增大，系统的改善，直到系统阻尼,第一节控制规律,18,比例增益对控制指标的影响,Kc增加：系统稳定性变差，振荡加剧。系统频率增加，响应加快。稳态误差减少，准确性提高,第一节控制规律,19,总之：一般比例度太大、太小对系统的动特性均不利，通常对于采用比例调节器的自调系统，衰减比在4-10的范围内较为适当，据经验，此时比例度大约为临界比例度的二倍左右。比例调节规律的优点是：对干扰有及时而有力的抑制作用，即当偏差存在的瞬间，调节器即有相应的输出，因此生产上有一定的应用，但它有一个不可避免的缺点，即存在静态误差，一时被调量偏差不存在，调节器的输出也就为零，即调节器的调节作用是以偏差的存在作为前提条件的，所有使用这种比例调节器，不可能做到无静差调节。要消除静差，就要引入积分调节器，对偏差信号进行积分处理。,设开环不稳定对象：,第一节控制规律,20,Ti为积分时间Ki为积分增益,1、积分控制的主要作用在于消除余差,u(t),三、比例积分控制规律：,第一节控制规律,21,2、对PI控制作用的分析,A、PI控制作用是P作用和I作用之和,比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用，直到余差消除，偏差为零时积分输出才停止。,第一节控制规律,22,B、PI控制作用是比例增益不断调整的P作用,C、PI控制作用是初始稳态值不断移动的P作用,第一节控制规律,23,D、对系统过渡过程的影响,第一节控制规律,24,Ti对定值控制系统过渡过程的影响(Kc相同),Ti减小,第一节控制规律,25,当Kc不变时，减小Ti，积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加快，振荡频率升高。,PI控制器中，保持Kc不变而减小Ti，或保持Ti不变而增大Kc，都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，超调量或最大偏差增大。,积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。这是由于引入积分后，闭环系统阶数增大，并引入相位滞后所造成的。,第一节控制规律,26,1、微分控制规律,比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，不管当时偏差的变化趋势。,四、比例微分控制算法,如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么控制的效果会更好，等于赋予控制器以某种程度的预见性，这种控制作用称为微分控制。,此时控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的导数成正比。,第一节控制规律,27,理想比例控制算法为：,2、比例微分控制规律,写成增量式为：,微分时间Td是在斜坡信号输入下，达到同样输出值u，PD作用比纯比例P作用提前的时间。,第一节控制规律,28,Td越大，微分作用越强，控制系统的最大偏差越小，振荡周期和回复时间缩短。,第一节控制规律,29,3、比例微分控制的特点,A、微分作用总是力图抑止被控量的振荡，它有利于控制系统稳定性，减小系统动态偏差，缩短回复时间。,B、时间常数较大的温度、成分等控制系统，常引入微分控制作用来改善系统的控制品质。,C、适度引入微分作用可以允许稍许减少比例带，同时保持衰减率不变。,微分调节动作也有一些不利之处：,A、微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此以比例为主，微分为辅。,B、抗干扰能力差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，不用于流量和液位控制系统。,C、微分能够克服容量滞后，对纯滞后无效。,第一节控制规律,30,微分控制作用的强弱可以从阶跃输入信号下输出响应曲线的面积来衡量。,Kd越大，面积越大，微分作用越强；,Td越大，下降越慢，面积越大，微分作用越强。,微分先行：只对测量值进行微分作用，也称测量微分，常用于随动控制系统。,Td=0和Kd=1表示没有微分作用。,注意：引入微分作用要适度。大多数控制系统随微分时间的增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当微分时间超出某一上限后，系统反而变得不稳定了。,第一节控制规律,31,五、比例积分微分控制规律,理想PID控制算法为：,实际PID控制器传递函数为：,第一节控制规律,32,第一节控制规律,33,PID调节器的调节过程,第一节控制规律,34,实际PID调节器的阶跃响应,微分作用的效果主要出现在阶跃信号输入的瞬间，积分作用的效果随时间而增加的.,第一节控制规律,35,第二节控制规律的选择,PPIPDPID,36,一、PID参数与控制性能的关系,1、Kc越大控制作用越强，随着Kc的增加(比例度减小)，余差下降，最大偏差减小，但稳定性变差。2、积分时间Ti越短，积分作用越强，Ti趋向无穷大时无积分作用。3、引入积分作用I后，为保持稳定性裕度，Kc应减少10-20%。4、微分时间Td越大，微分作用越强，系统响应越灵敏。Td=0无微分作用。5、引入微分作用D后，Kc应增加10-20。,第三节调节器参数整定,37,二、调节器参数的整定确定最佳过渡过程中的调节器的比例度、积分时间、微分时间的具体数值。,第三节调节器参数整定,最佳过渡过程：在某种质量脂标下系统达到最佳调整状态。此时的调节器参数就是所谓的最佳整定参数。,整定控制器的参数，使控制系统达到最佳整定状态的前提条件：1、系统结构必须合理2、仪表和控制阀选型正确3、安装无误和调校正确,38,第三节调节器参数整定,三、调节器参数整定方法：,39,1、稳定边界法（临界比例度法）,调节器参数整定例：,第三节调节器参数整定,40,2、衰减曲线法,用纯比例控制器，阶跃信号作为输入。逐渐减小，直至系统出现41的衰减过程为止。记录下此时的比例带2和两相邻波峰之间的时间T2，然后，按照表来确定控制器的参数。,第三节调节器参数整定,41,3、动态特性参数法（响应曲线法）,是一种开环整定方法，即利用系统广义过程的阶跃响应特性曲线对调节器参数进行整定，其整定精神将更高一些。,第三节调节器参数整定,注意：调节器参数工程整定的主要难度在如何做好实验上，一旦试验结果得出，理论计算上则相对简单这就是工程整理定的优越性所在。此外在采用同一工程整定方法时，使用不同经验公式计算的调查节器参数会有一定的差别，即依靠试验和经验公式所作的调节器参数整定存在一定的分散性。,5、三种工程整定方法的比较,4、经验法,42,常用被控量PID参数经验选择,第三节调节器参数整定,43,某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，TS=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。,44,一、模拟控制器,控制器除了对偏差信号进行PID运算外，一般控制器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：,第四节、附录,无扰动切换,偏差显示,输出显示,提供内给定信号及内、外给定的选择,正、反作用的选择,手动操作与手动自动双向切换,附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警等，以提高控制器的性能。,45,二、基型调节器的构成,第四节、附录,46,DDZ-III型全刻度指示电动调节器的主要性能如下：,三、DDZ-III型电动调节器有两个基型品种：全刻度指示调节器偏差指示调节器,第四节、附录,47,四、DDZIII调节器方框图,第四节、附录,48,五、DDZ-型调节器的接线图,第四节、附录,49,六、DDZ-调节器的切换特性,第四节、附录,50,七、气动调节器(PneumaticController),第四节、附录,51,补：工艺管道及控制流程图,工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图。,52,一、图形符号1.测试点（包括检出元件、取样点）,检试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,53,2.连接线,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。,54