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 解决措施教学步骤 液位的比 例控制操 作教 学过程 教师活动学生活动 时间分配观摩25分种操作教学容实

2、训设备实训步骤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，观察曲线理论教学（讲解）重点：控制规律概念概论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）第一节位式控制听课50分钟重点：双 位控制控 制器输出 只有最大 值和最小 值一、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

3、系 为Pmax , e 0（或 e 0）Pmin, e 0 或 e 0图9-1理想双位控制特性图9-2双位控制示例二、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。1 t1i幵1111J1童图9-3实际3的双位控制规律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、下限在允许围，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 用很普遍。三、多位控制对系统

4、的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程 度增加。 1- r IV"% :重点：比例控制规律图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。图9-6水槽液位控制、比例控制规律及其特点p 3（ 9-4）匚比何控制器 'P .隔图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：什 么是比例 度图9-8简单比例控制系统示意

5、图如上图，根据相似三角形原理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。(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 ,这时的比例度为说明当温度变化全量程的40%寸，控制器的输出从0mA变a be p160 140 / 200 100100%40%8 3 / 10 0e /P100% (9-7)xmax Xmin pmaxpmin所以，对于具有比例控制的控制器二、比例度及其对控制过程的影响Kp e KCe (9-5)a化到

6、10mA在这个围，温度的变化和控制器的输出变化 p是成比例的。但是当温度变化超过全量程的 40%寸 （在上例中即温度变化超过40C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 丄（2max 也n） 100%即P Xmax Xmi n1（Pmax Pmin） 100% （9-8）KC x max xmin对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出围都是固定的,令KPmaxPmin(9-9)xmaxxmin将式（9-9）代入式（9

7、-8），得K；100%（ 9-10）而 K； P KC值与S值都可以用来表示比例控制作e用的强弱。重点：比例控制是有差控制(4)在单元组合式仪表中1KC100% （ 9-11）重点：比 例度对过 渡过程的 影响重点：比例控制适用场合2 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。液位开始下降作用在控制阀上的信号偏差的变化庄技逬水屋増加在t丸时,系统外力LmN"用图9-10简

8、单水槽的比例控制过程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。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

9、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.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教

10、学步骤教学容学生活动时间分配理论教学第三节积分控制(讲解)一、积分控制规律及其特点75分钟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，即重点：积分规律1p 一 edt Ti(9-12)1t当输入偏差是常数A时P Ti edt=TiA (9-13)*1听课r图9-12积分控制规律2 积分控制特点积分控制规律特点：（1） e<>0时，p变化，重点：积 分控制特 占八、E=0时，p不变化，保持。注意：积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差 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

11、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、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 K| edt ( 9-15)2积分时间求法输入为阶跃信号，幅度为A。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：KA;当输出为KcA 2 Kca经过时间为Ti,1理由： T 一(9-16)Ki则 p KC e edt (9-17)TIKCpPpPi KCA At (9-18)T i在时间t = Ti时，有pPpPi KCA KC A KCA 2 Pp三、

12、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)重点：积 分时间对 过渡过程 的影响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。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点具有微分控制规律的控制器p Td de （ 9-20）dt重点：微 分控制特 占八、重点：求 微分时间 的方法（a）微分输入 （b）理想微分输出（c）实际微分输出图9-17

13、 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。微分作用重点：比 例微分控 制系统过 渡过程出最大值(K-1 ) A,其微分输出慢慢下降。经过 T时,下降为36.8%,此时T为微分时间Td当输入是一幅值为A的阶跃信号时KDtpPpPd a AKd 1e Td (9

14、-21)可见，t =0 时， p=KDA t = x时, p =A。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咅,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。KDtPd AKd 1e Td (9-22)假定TdTK；(9-24)pD A Kd 1 e 10.368a Kd 1 (9-23)时，整个微分控制器的输出为pTA 0.368A Kd 1(9-25)重点：PID应用场合、比例微分控制系统的过渡过程当比例

15、作用和微分作用结合时，构成比例微分控制规律de /c cr、 p PpPd Kc e Td(9-27)dt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。廿八微分时间对过渡过程的影响"图9二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。1depPpPipDKC e edt TD(9-28)Td

16、t三个可调参数比例度3、积分时间 TI和微分时间TDo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：列表分析如下賦?=远少出 ?pr血/泗出网iHCt（凋鞋荀蛋雄制总吋彥 竝莎坐一喘啞雜計第砸* &馭比不太躺厨 小创SH5辖蒔在，喷世帥 戈.第:囁电冷歸世賑要封落PIW逹冊懿制t瑕祗融一贿酬较玄.M； 擾畳燮概1皤麻讎JtM# rWfflTB*.龍.樓炳甦ft却打诵.軽卜慟 慈也帘超般IW瑕:花上贞叹怦尢

17、旦匪恼薑控蜒册丹余権P©如BewiT強距婕取煤尢前副£ 旷哪轆潟 潮桎瞻.匹 黑加剋样籬曲做睡蚁甘 沸耕p Kc e 丄 edt (9-11)TiKcTDde(9-27)Kc1 edtTiTDde(9-28)2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知 KC=2 TI= 0.5min。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。2345 ；图9-21输入偏差信号变化曲线当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Kc eTi edt将输出分为比例和积分两部分，分别画出后再叠加就得 到pi控制器的输出波形。比例部分的输出为Pp Kce故厶pI输出波形如图9-22 (b)所示积分部分的输出为Pi