化工仪表与自动化9

1、化工仪表及自动化教案课 题第九章基本控制规律（1）授课教师授课日期授课班级课时2学时课程类型新课教学方法教学设备过程控制室教 学 目 标知识 与技 能1 熟悉控制规律特点对控制系统的影响2.掌握控制不同规律对控制系统的影响过程 与方 法实训基地、讲解、多媒体展示。情感 与态 度创设问题情境，激发学生探索，求知欲望，使学生积极观察、分析，主动参与， 强化学生主体地位。教学重点1. 控制规律特点2. 控制不同规律对控制系统的影响教学难点1. 控制规律特点2. 控制不同规律对控制系统的影响重、难点 解决措施教学过 程教师活动时间分配教学步骤教学内容学生活动液位的比例控制操作一.实训设备观摩操作25分

2、种理论教学（讲解）重点：控制规律概念实训步骤1 手动控制液位至稳定值2. 给一合适比例度，自动控制，观察曲线3. 重复以上过程，改变比例度，观察曲线概论1.控制规律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即 p f e e z x在研究控制器的控制规律时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。2.控制器的基本控制规律位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）积分控制（I）微分控制（D）第一节位式控制一、双位控制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Pmax , e 0（或 e 0）Pmin , e50分

3、钟听课图9-1理想双位控制特性重点：双 位控制控 制器输出 只有最大 值和最小 值图9-2双位控制示例、具有中间区的双位控制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。i幵11111111J11关图9-3实际的双位控制规律图9-4具有中间区的双位控制过程结论：双位控制过程中一般采用 振幅与周期作为品质指 标，被控变量波动的上、下限在允许范围内，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

4、很普遍。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。1-tTHVh"% ；1O -:图9-5三位控制器特性图第二节比例控制在双位控制系统中，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 相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平 衡状态。pKce(9-4)匚比例控制器.图9-7比例控制器比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量重点：比图9-8简单比例控制系统示意图例控制规律如上图，根据相似三角形原理a be p所以，对于具

5、有比例控制的控制器p e KCe (9-5)a二、比例度及其对控制过程的影响1 比例度(1) 比例度 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。e/P100% (9-7)Xmax XminPmaxPmin(2) 例一只比例作用的电动温度控制器，它的量程 是100200C,电动控制器的输出是 010mA，假如当 指示值从140C变化到160C时,相应的控制器输出从 3mA变化到8mA，这时的比例度为160 140 / 200 100 100%40%8 3 / 10 0说明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

6、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 C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，输入偏差改变量占满量程的百分数。(3) 3与KC关系将式(9-7)改写后得e ( pmax pmin) 100%即pXmax Xmin1(PmaxPmin) 100% (9-8)KC X maxxmin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KPmaxPmin ( 9-9)Xmax Xmin重点：什 么是比例 度图9-9比例度与输入输出的关

7、系 对一只控制器来说，K是一个固定常数。K将式(9-9)代入式(9-8)，得 K 100%( 9-10)Kc而 KcP KC值与S值都可以用来表示比例控制作e用的强弱。1(4)在单元组合式仪表中1 100% (9-11)Kc2. 比例控制系统的过渡过程及余差左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。(1) 比例控制特点e=0, p=0。控制阀不动作；S越小， p越大, 控制作用强。(2) 比例控制是有余差的，其原因是：若e=0, p=0。控制阀无动作。要使控制器有输出。偏差一定不为零。液位开始下降进水量增加偏差9勺变化庄线作用在控制阀1上捞言号在时f系统外JUTit作用图9-10简单水槽的比例

8、控制过程3. 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程影响如图9-11所示。图9-11比例度对过渡过程的影响重点：比例控制是有 差控制重点：比 例度对过 渡过程的 影响比例度对余差的影响是：比例度越小，余差越小； 比例度对过渡过程的影响是：比例度越大，过渡过程曲 线越平稳；比例度越小，过渡过程越振荡。所以一般要求衰减比为: 4: 110: 1之间的过渡过程为佳。重点：比 例控制适 用场合比例控制优缺点：优点：反应快，控制及时缺点：存在余差结论若对象的滞后较小、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

9、就要选大些以保证稳定。互动教学总结（提冋）1. 什么是双位控制2. 什么是比例控制3. 比例控制对过渡过程的影响回答10分种布置作业作业（P143）1、2、4、5、6、7、85分钟化工仪表及自动化教案课 题第九章基本控制规律（2）授课教师授课日期授课班级课时2学时课程类型新课教学方法教学设备过程控制室教学目标知识 与技 能1熟悉控制规律特点对控制系统的影响2.掌握控制不同规律对控制系统的影响过程 与方 法讲解、多媒体展示。情感 与态 度创设问题情境，激发学生探索，求知欲望，使学生积极观察、分析，主动参与， 强化学生主体地位。教学重点1.控制规律特点2.控制不同规律对控制系统的影响教学难点1.

10、控制规律特点2. 控制不同规律对控制系统的影响重、难点 解决措施教学过 程教师活动学生活动时间分配教学步骤教学内容理论教学(讲解)重点：积分规律第三节积分控制一、积分控制规律及其特点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。1.积分控制出变化量厶p与输入偏差e的积分成正比，即1p edt(9-12)Ti1t当输入偏差是常数A时pedt= A (9-13)TiTi75分钟图9-12积分控制规律听课重点：积 分控制特 占八、2 积分控制特点 积分控制规律特点：（1） e<>0时，p变化,E=0时，p不变化，保持。 注意：积分控制作用输出信号的大

11、小不仅取决于偏差 信号的大小，而且主要取决于偏差存在的时间长短。 3.积分控制过程 下图是一液位控制系统，控制器具有积分控制规律， 其在阶跃干扰下的控制过程如图 9-14。图9-14积分控制过程二、比例积分控制规律与积分时间1 比例积分控制规律可用下式表示p KC e KI edt （ 9-15）2积分时间求法输入为阶跃信号，幅度为Ao积分时间与比例度求法如图重点：积分时间求法图9-15比例积分控制规律当有输入A时，记下控制器输出：KcA;当输出为KcA 2 KA经过时间为Ti,理由：T1Ki(9-16)则PKc e1Tiedt(9-17)PPpPiKcAKc AtTi（9-18）在时间t =

12、；Ti时，有PPpPiKcAKcA KcA 2 Pp三、积分时间对系统过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响具有两重性当缩短积分时间Ti,积分控制作用加强。后果是：（1） 克服余差的能力增加。（2）会使过程振荡加剧，稳定性降 低。注：积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳 定的发散振荡。重点：积 分时间对 过渡过程 的影响图9-16积分时间对过渡过程的影响第四节微分控制比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和 积分时间两个参数均可调整。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一、微分控制规律及其特

13、点 具有微分控制规律的控制器p Td（ 9-20）dtT(a)（a）微分输入 （b）理想微分输出 （c）实际微 分输出图9-17微分控制的动态特性（1）微分控制特点偏差e不变， p=0;偏差变化， p与偏差变化 率成正比。（2）优点：具有超前控制功能二、实际的微分控制规律及微分时微分作用的特点一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，3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。重点：微 分控制特 占八、重点：求 微分时间 的方法当输入是一幅值为A的阶跃信号时，其微

14、分输 出最大值(Kd-1)A,其微分输出慢慢下降。经过 T时， 下降为，此时T为微分时间Td当输入是一幅值为A的阶跃信号时pPpPd A AKd 1eTD (9-21)可见，t =0 时， p=KDA t =x 时， p =A0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。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。Pd a Kd 1 e Td (9-22)假定 T (9-24)Kd贝UpDA Kd 1e 1

15、0.368a Kd 1 (9-23)在t = T时，整个微分控制器的输出为Pt A 0.368a Kd 1(9-25)三、比例微分控制系统的过渡过程当比例作用和微分作用结合时，构成比例微分控制规律pPpPdKc eTdde dt(9-27)说明：比例微分控制器的输出厶p等于比例作用的输出 pp与微分作用的输出 Pd之和。改变比例度S (或 KC)和 微分时间Td分别可以改变比例作用的强弱和微分作用 的强弱。重点：比 例微分控 制系统过 渡过程图9-19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

16、具有“超前”控制作用。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比例积分微分控制器1deP PpPiKc e 丄 edt Td 竺(9-28)Tdt三个可调参数比例度3、积分时间 TI和微分时间TD。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重点：PID应用场合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。解：列表分析如下1sat?=卩宜:砂出?pr血/呦號縫丈盘询豎忖嘶輕?iHCt(凋鞋荀虫弄制恳吋彥計第齬* &敬It不太

17、施帝 小抢评宵讎蒔在脚皿一帥(bxS潼胳勰倒t瑕祗魅一軀酬较丈毆+C 擾畳燮槻皤黑徳 JtM# .口5应月于玉t醴蒂炳把鞍 有坤門间同訓且肪懦慈胆赳.髓前鯛 書用,克农象池谶:花丈贞理忖一旦匪恼薑控蜒册海権p©祿诺心附喷尢前副£醫加就P等離控制敷蛭乌毎 沸.至英p Kc e dep Kc e edt Td(9-28)TIdt2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知KC=2TI=。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。 edt (9-11)T|dep Kc e Td (9-27)dt图9-21输入偏差信号变化曲线Ti将输出分为比例和积分两部分，分别画出后再叠加就得故厶pl输出波形如图9-22 (b)所示积分部分的输出为Ti其输出故厶pl输出波形如图9-22 (b)所示。当Kc = 2时,输出波形如图9-22(a)所示。解：对于PI控制器，其输入输出的关系式为在t=01min期间