化工仪表及自动化 第四章

1、第四章自动控制仪表第四章自动控制仪表 第一节第一节 概述概述第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡基本控制规律及其对系统过渡过程的影响过程的影响 第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器 第四节第四节 数字式控制器数字式控制器 第五节第五节 可编程序控制器可编程序控制器第一节第一节 概述概述 当当e0, P0 正作用调节器正作用调节器 当当e0, Po时或时或(e0)Pmin eo)P例：液位控制系统例：液位控制系统当当HH0 液体接触电极，继电器接通，电磁阀全闭，液体接触电极，继电器接通，电磁阀全闭，液体不流进。液体不流进。 问题：系统中问题：系统中 的运动部件例如继电器、电磁阀等的运动部件

2、例如继电器、电磁阀等控控 制机构的动作非常频繁，因动作频繁而易损坏。制机构的动作非常频繁，因动作频繁而易损坏。 (1) HHH 电磁阀全闭电磁阀全闭2.品质指标品质指标 振幅：振幅：yH-yL 周期：周期： T3. 特点特点 双位控制器结构简单、成本较低、双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。易于实现，因而应用很普遍。实际控制器的控制规律实际控制器的控制规律 HL H给定值给定值 HH二比例调节二比例调节 具有比例调节规律的调节器称为比例调节器，其输出具有比例调节规律的调节器称为比例调节器，其输出信号变化量信号变化量 P 与偏差信号与偏差信号 e 之间成比率关系。之间成比率关

3、系。例：例：即：即：PKpeKp决定了比例控制作用的强弱决定了比例控制作用的强弱 工业上常用比例度工业上常用比例度代替代替Kp 所谓比例度就是指控制器输入的变化相对所谓比例度就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，值与相应的输出变化相对值之比的百分数，例如例如 比例作用控制器比例作用控制器,温度量程温度量程400800，控制器，控制器输出工作范围是输出工作范围是420mA,当指示指针从当指示指针从600 移移到到700此时控制器相应的输出从此时控制器相应的输出从6 mA变为变为14 mA,其比例度其比例度的值为的值为?解：解： 比例度就是使控制器比例度就是使控制器的输出

4、变化满刻度时，的输出变化满刻度时，相应的仪表测量值变相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的化占仪表测量范围的百分数。百分数。意义：意义： 比例比例 度度与放大倍数与放大倍数Kp成反比，成反比， Kp越大，表示控制作用越强，越大，表示控制作用越强， 越大，表示控制作用越弱越大，表示控制作用越弱 输出与输入都为标准对象，则输出与输入都为标准对象，则 PKpe 优点优点: 调节及时，若有偏差，输出立即成比例变化，调节及时，若有偏差，输出立即成比例变化，产生调节作用，偏差越大，输出的作用越强。产生调节作用，偏差越大，输出的作用越强。 缺点缺点: 有余差，受扰动后，稳定值不等于设定值。有余差，受扰动后，稳

5、定值不等于设定值。在在t=tt=t0 0时，系统外加一个干扰作用时，系统外加一个干扰作用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例：例：4、对系统过渡过程的影响、对系统过渡过程的影响 Kp （K ） 系统发散振荡，很危险系统发散振荡，很危险Kp较小（较小（太大太大 ） 调节作用较弱，被调参数变化缓慢。调节作用较弱，被调参数变化缓慢。Kp （） 调节作用加强，系统出现振荡，有余差调节作用加强，系统出现振荡，有余差Kp （）调节作用很强，被调参数剧烈变化，调节作用很强，被调参数剧烈变化，Kp （ K ） 系统出现等幅振荡，此时

6、的比例系统出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度度称为临界比例度 一般地说，若对象的滞后一般地说，若对象的滞后较小、时间较小、时间常数常数T较大以及放大倍数较大以及放大倍数K较小时，控制较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统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，从而过渡过程的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好，反之，比例度就要选曲线的形状较好，反之，比例度就要选大些以保证稳定。大些以保证稳定。三、积分调节三、积分调节1.表达式表达式 输出的变化量输出的变化量p与输入的偏差与输入的偏差e的积分成正比的积分成正比2.特点：特点： 控制作用是随着时间积累才逐渐

7、增强，直至消除余差控制作用是随着时间积累才逐渐增强，直至消除余差当当e=A时时 PKI At KI积分速度积分速度3、比例积分调节规律、比例积分调节规律 1) 特殊点特殊点 t=0 时时: P=KpA, t=Ti时：时：P2 KpA, 2)积分时间积分时间Ti越小，积分速度越小，积分速度Ki越大，积分作用越强。越大，积分作用越强。反之，积分时间越大，积分作用越弱。反之，积分时间越大，积分作用越弱。 特点特点: 无余差、动作快无余差、动作快 TI 积分时间积分时间 Ti较大较大 积分作用弱积分作用弱,调节时间长，调节时间长，消除静差缓慢消除静差缓慢4积分对过渡过程影响积分对过渡过程影响比例积分控

8、制器对于多数系统都可采用，但当对象比例积分控制器对于多数系统都可采用，但当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；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。作用不及时，此时可增加微分作用。Ti 积分作用过强，易振荡积分作用过强，易振荡Ti 积分作用加强，有利于消除积分作用加强，有利于消除静差静差四、微分调节四、微分调节 1、表达式、表达式 实际微分实际微分:TD 微分时间微分时间 2、微分特点、微分特点 优点：优点： 这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出这

9、种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称。现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称。 缺点：缺点： 但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，但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不能消除偏差 不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组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比例积分微分控制器。合构成比例微分或比例积分微分控制器。3、PD比例微分调节规律比例微分调节规律PD特点：特点： 1）其作用比比例作用快，

10、因而对惯性大的对象用比）其作用比比例作用快，因而对惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控例微分可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控制时间。制时间。2）微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的）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会引起被控变量大幅度的振荡 4微分对过渡过程影响微分对过渡过程影响4、PID比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律 特点特点1）消除静差）消除静差2）快速进行控制）快速进行控制 3）减少超调）减少超调 PID具有较好的控

11、制性能具有较好的控制性能 例例1 几种规律比较几种规律比较例例2：某调节器处于反作用状态，当：某调节器处于反作用状态，当 =80% ，Ti=2min，Td=0 时，在时，在 t= t0时刻加入一幅值为时刻加入一幅值为 1mA 的阶跃信号，若调节器的起始工作点为的阶跃信号，若调节器的起始工作点为 6mA，试画出调节器的输出波形图。试画出调节器的输出波形图。解：解：例例3：某调节器处于正作用状态，：某调节器处于正作用状态， =100% ，Ti=30s，Td=0，若调节器的起始工作点为，若调节器的起始工作点为 6mA，试画出调节器，试画出调节器在在 输入如下的输出波形图。输入如下的输出波形图。解：该

12、输入可看成如下解：该输入可看成如下 两个输入的叠加：两个输入的叠加：将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它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。们的偏差成比例的偏差信号。 是一个稳态增益很大的比例环节。是一个稳态增益很大的比例环节。通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器1组成组成 主要由输入电路、给定电路、主要由输入电路、给定电路、PIDPID运算电路、自动运算电路、自动与手动切换电路、输出电路及指示电路等组成。与手动切换电路、输出电路及指示电路等组成。2工作过程工

13、作过程 来自变送器的信号来自变送器的信号输入电路与给定信号比较输入电路与给定信号比较偏差偏差PIDPID运算电路运算电路输出转换电路输出转换电路4 420mA 20mA 3 3仪表外观及操作仪表外观及操作11自动自动- -软手动软手动- -硬手动切换开关；硬手动切换开关；22双针垂直指示器；双针垂直指示器；33内给定设定轮；内给定设定轮；44输出指示器；输出指示器；55硬手动操作杆；硬手动操作杆；66软手动操作板键；软手动操作板键；77外给定指示外给定指示灯；灯；88阀位指示器；阀位指示器；99输出记录指示；输出记录指示；1010位号牌；位号牌；1111输入检测插孔；输入检测插孔；1212手动

14、输出插孔手动输出插孔 无扰动切换无扰动切换 在切换的瞬间在切换的瞬间,应当保持控制器的输出不变应当保持控制器的输出不变,这样才能使执行器的位置在这样才能使执行器的位置在切换过程中不致于突变切换过程中不致于突变,不不会对生产过程引起附加的扰会对生产过程引起附加的扰动动,这称为无扰动切换这称为无扰动切换 软手动软手动：在软手动状态，并同时按下软手动操作板键：在软手动状态，并同时按下软手动操作板键, ,调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小，若调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小，若手离开操作板键则当时的信号值就被保持。手离开操作板键则当时的信号值就被保持。 硬手动：硬手动：调节器输出完全

15、决定于硬手动操作杆的位置。调节器输出完全决定于硬手动操作杆的位置。 第四节第四节 数字式控制器数字式控制器 数字式控制器数字式控制器模拟式控制器模拟式控制器构成原理构成原理数字技术数字技术模拟技术模拟技术所用器件所用器件以微处理机为以微处理机为核心部件核心部件以运算放大器等模拟以运算放大器等模拟电子器件为基本部件电子器件为基本部件仪表总的功能和输入输出关系基本一致。仪表总的功能和输入输出关系基本一致。 一、单回路数字调节器（一、单回路数字调节器（YS-170）1、特点、特点1）在外形、结构和使用上都与原来的模拟仪）在外形、结构和使用上都与原来的模拟仪表十分相似；表十分相似；2）主要由软件实现各

16、种不同的控制功能；）主要由软件实现各种不同的控制功能；3）微机化的数字调节器具有比模拟调节器更）微机化的数字调节器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能丰富的运算控制功能4）具备完善的数字通信功能，可以以数字通）具备完善的数字通信功能，可以以数字通信的方式完成与集中的数字采集系统及上信的方式完成与集中的数字采集系统及上位计算机的信息交换从而实现管理控制位计算机的信息交换从而实现管理控制一体化。一体化。2基本构成基本构成 硬件硬件:CPUMI /O+通信接口人机接口通信接口人机接口3工作节拍工作节拍4、功能、功能 1 1）运算控制功能）运算控制功能）备用功能）备用功能）程序功能）程序功能4 4）上

17、位通信功能）上位通信功能5 5）自整定功能）自整定功能5、显示画面、显示画面1）前面板介绍）前面板介绍2)画面组的构成画面组的构成操作画面组操作画面组 调整画面组调整画面组 工程画面工程画面 操作画面组操作画面组 回路画面回路画面 趋势画面趋势画面 报警画面报警画面 菜单画面菜单画面 细目画面细目画面 调整画面组调整画面组 工程画面组工程画面组 菜单画面菜单画面 细目画面细目画面小测验：小测验：1.PID控制中积分控制的主要目的是什么？控制中积分控制的主要目的是什么？2. 微分作用可以用来（）微分作用可以用来（） A.消除余差消除余差 B.克服纯滞后克服纯滞后 C.克服容量滞后克服容量滞后 D.克服传递滞后克服传递滞后3. 控制系统中，调节器的积分时间越大，则控制系统中，调节器的积分时间越大，则( ) A.积分速度越慢积分速度越慢 B. 积分作用越弱积分作用越弱 C. 积分作用越强积分作用越强 D. 余差越大余差越大 E. 余差越小余差越小4设某设某PI调节器输入阶跃信号如图（调节器输入阶跃信号如图（e），判断图），判断图中哪一个是该调节器的输出响应曲线？中哪一个是该调节器的输出响应曲线？（A）图（）图（a）；）； （B）图（）图（b）；）；（C）图（）图（c）；）； （D）图（）图（d）。）。5比