第4章自动控制仪表

1、第四章第四章 自动控制仪表自动控制仪表本章在全书中的位置本章在全书中的位置本章的内容本章的内容本章在全书中的位置本章在全书中的位置回顾方块图方块图 自动控制仪表在自动控制系统中处于自动控制仪表在自动控制系统中处于核心位置，控制规律选择的恰当与否核心位置，控制规律选择的恰当与否将直接影响到控制质量的好坏。将直接影响到控制质量的好坏。 本章的内容本章的内容第一节第一节 概述概述第二节第二节 基本控制规律及对系统过渡过程的影响基本控制规律及对系统过渡过程的影响 1 1、 双位控制双位控制 2 2、 比例控制比例控制 3 3、 积分控制积分控制 4 4、 微分控制微分控制第三节第三节 模拟式控制器模拟

2、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 可编程控制器可编程控制器 第一节第一节 概述概述 自动控制的目的自动控制的目的 自动控制仪表的作用自动控制仪表的作用 控制仪表的发展阶段控制仪表的发展阶段 自动控制的目的自动控制的目的 使生产装置中的压力、流量、液使生产装置中的压力、流量、液位、温度等参数维持在一定的数值上位、温度等参数维持在一定的数值上或按一定的规律变化，以满足生产要或按一定的规律变化，以满足生产要求求 。自动控制仪表的作用自动控制仪表的作用 将被控变量的测量值与给定值相将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该

3、偏差进行一定的数学运算，并将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运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对于被控变量的自动控制。器，以实现对于被控变量的自动控制。 控制仪表的发展阶段控制仪表的发展阶段1.1. 基地式控制仪表基地式控制仪表 2.2. 单元组合式仪表中的控制单元单元组合式仪表中的控制单元 3.3. 以微处理器为基元的控制装置以微处理器为基元的控制装置 1.1.基地式控制仪表基地式控制仪表构成：与检测装置、显示装置一起组装在构成：与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能制与显示的功能 优点

4、：结构简单、价格低廉、使用方便优点：结构简单、价格低廉、使用方便 缺点：通用性差，信号不易传递缺点：通用性差，信号不易传递 2.2.单元组合式仪表中的控制单元单元组合式仪表中的控制单元 单元组合式仪表单元组合式仪表 单元组合式仪表中的控制单元单元组合式仪表中的控制单元 单元组合式仪表单元组合式仪表定义：将仪表按其功能的不同分成若干单定义：将仪表按其功能的不同分成若干单元（例变送单元、定值单元、控制元（例变送单元、定值单元、控制单元、显示单元等），每个单元只单元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种功能。完成其中的一种功能。特点：各个单元之间以统一的标准信号相特点：各个单元之间以统一的标准信号

5、相互联系。互联系。控制单元控制单元功能：接受测量值与给定值信号，根据它们功能：接受测量值与给定值信号，根据它们的偏差发出与之有一定关系的控制作的偏差发出与之有一定关系的控制作用信号。用信号。按能源形式：按能源形式：电动电动气动气动发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等便宜，且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。有爆炸危险的场所。气动控制仪表气动控制仪表QDZ-QDZ-型（膜片型型（膜片型) )、 QDZQDZ型（波纹管型（波纹管型型) )。采用的是。采

6、用的是2020100kpa100kpa的气动标准信号。的气动标准信号。电动控制仪表电动控制仪表 相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表在相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作等方面信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，并且容易与计算机等现代化信息技术比气动仪表容易得多，并且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极为迅速，应用极为广工具联用，因此电动控制仪表的发展极为迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制仪表普遍采取了安全火花防爆措施，泛。近年来，电动控制仪表普遍采取了安全火花防

7、爆措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动控制仪表。控制仪表。目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数DDZDDZ型，采用的是型，采用的是0 010mA10mA信号；信号；DDZDDZ型，采用的是型，采用的是4 420mA20mA信号。信号。按信号类型：按信号类型：数字式数字式模拟式模拟式 传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简单，操作方便，在过程控制中已经广泛应用。单，操作方便，在过程控制中已经广泛应用。模拟式控制仪表模拟式控制仪表数字式

8、控制仪表数字式控制仪表 数字式控制仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，数字式控制仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，能够解决模以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，能够解决模拟式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式控制仪表不断拟式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制中，以提高控制质量。涌现新品种应用于过程控制中，以提高控制质量。3.3.以微处理器为基元的控制装置以微处理器为基元的控制装置优点：灵敏、可靠、价廉、性能好、控制功优点：灵敏、可靠、价廉、性能好、控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种能丰富、操作方便

9、，很容易构成各种复杂控制系统。复杂控制系统。举例：总体分散控制装置、单回路数字控制举例：总体分散控制装置、单回路数字控制器、可编程数字控制器器、可编程数字控制器 (PLC)(PLC)和微计和微计算机系统等算机系统等。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 第四章第四章 自动控制仪表自动控制仪表 两个基本概念两个基本概念 七个基本控制规律七个基本控制规律 两个基本概念两个基本概念 控制规律控制规律 一个重要假定一个重要假定 控制规律控制规律控制器的输出信号控制器的输出信号p与输入信号与输入信号e之之间的关系间的关系（控制规律是控制器本身的（控制规律

10、是控制器本身的特性）特性） 研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开的，即只在开环单独研究控制器本身的特性。的，即只在开环单独研究控制器本身的特性。控制规律f（）z(t)x(t)e(t)p(t) xzfefp说明：在分析自动化系统时，偏差采用说明：在分析自动化系统时，偏差采用e=x-z, e=x-z, 但在单独分析控制仪表但在单独分析控制仪表时时, ,习惯上采用测量值减去给定习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。控制器的输出信号值作为偏差。控制器的输出信号就是控制器送往执行器的信号就是控制器送往执行器的信号P P。(t) (t) 一个重要假定一个重要假

11、定在研究控制器的控制规律时，经常假在研究控制器的控制规律时，经常假定控制器的输入信号定控制器的输入信号e e是一个阶跃信号，然是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号后来研究控制器的输出信号p p随时间的变化随时间的变化规律。规律。 七个基本控制规律七个基本控制规律 双位控制双位控制 比例控制（比例控制（ProportionalProportional） 积分控制（积分控制（IntegralIntegral） 微分控制（微分控制（DerivativeDerivative） 比例积分控制（比例积分控制（PIPI） 比例微分控制（比例微分控制（PDPD） 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PI

12、DPID） 双位控制（开关控制）双位控制（开关控制） 理想的双位控制器理想的双位控制器 实际的双位控制器实际的双位控制器 双位控制过程的品质指标双位控制过程的品质指标 理想的双位控制器理想的双位控制器maxmin0(0)0(0)peeppee或时或时罐压力变送器排放电磁阀例如：某压力控制系统，控制设定值为例如：某压力控制系统，控制设定值为100KPa100KPa，当罐内压力刚好达到，当罐内压力刚好达到100KPa100KPa时，调节器输出为时，调节器输出为0 0，电磁，电磁阀关；罐内压力稍稍大于阀关；罐内压力稍稍大于100KPa100KPa时，时，调节器输出为调节器输出为1 1，电磁阀开，排出

13、，电磁阀开，排出气体降低系统压力，此时罐内压力气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值马上又小于设定值100KPa100KPa，电磁阀，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，关，内部压力马上又会重新升高，大于大于100 KPa100 KPa，调节器输出为，调节器输出为1 1，电，电磁阀开磁阀开，这样调节器，这样调节器输出在输出在0 0与与1 1之间不断变化，电磁阀之间不断变化，电磁阀也在也在“开开”和和“关关”二个状态上不二个状态上不停的动作。电磁阀的使用寿命一般停的动作。电磁阀的使用寿命一般在在1010万万5050万次。这种现象在实际万次。这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的工业系统中

14、是绝对不允许的. . 1P 110( )0 1 90P 1100P 90u t或实际的双位控制特性实际的双位控制特性 偏差在中间区内时，控制机构不动作。当偏差在中间区内时，控制机构不动作。当被控变量的测量值上升到高于给定值某一数被控变量的测量值上升到高于给定值某一数值（即偏差大于某一数值）后，控制器的输值（即偏差大于某一数值）后，控制器的输出变为最大出变为最大pmax，控制机构处于开（或关），控制机构处于开（或关）的位置；当被控变量的测量值下降到低于给的位置；当被控变量的测量值下降到低于给定值某一数值（即偏差小于某一数值）后，定值某一数值（即偏差小于某一数值）后，控制器的输出变为最小控制器的输

15、出变为最小pmin，控制机构处于，控制机构处于关（或开）的位置。将上图中的测量装置及关（或开）的位置。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，见图。由于设置了中间间区的双位控制器，见图。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度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。用寿命。 212121minminmax21max,e ee ep pp pp pe ep

16、 pp p或或p 开 关 e 2121出现了等幅振荡出现了等幅振荡双位控制过程的品质指标双位控制过程的品质指标振幅：振幅：yH-yL周期：周期：THL 双位控制过程中一般采用双位控制过程中一般采用振幅振幅与与周期周期作为品质指标作为品质指标 如工艺生产允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控如工艺生产允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控制器的中间区就可以宽些，这样振荡周期较长，可使可动制器的中间区就可以宽些，这样振荡周期较长，可使可动部件动作的次数减少，于是减少了磨损，也就减少了维修部件动作的次数减少，于是减少了磨损，也就减少了维修工作量，因此被控变量波动的上、下限在允许范围内，使工作量，因此

17、被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长周期长些比较有利。些比较有利。 双位控制器双位控制器结构简单结构简单、成本较低成本较低、易于实现易于实现，因而，因而应用很普遍。如恒温炉、管式炉的温度控制。应用很普遍。如恒温炉、管式炉的温度控制。比例控制比例控制 控制思想控制思想 实例分析实例分析 问题分析问题分析 小结小结 控制思想控制思想 在双位控制中，被控变量不可避免地会在双位控制中，被控变量不可避免地会产生等幅振荡过程。能否考虑使控制阀的开产生等幅振荡过程。能否考虑使控制阀的开度（即控制器的输出值）与被控变量的偏差度（即控制器的输出值）与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于成

18、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。定，达到平衡状态。 实例分析实例分析 eKebapepbap即,ee杠杆左端的位移，即液位的变化量；杠杆左端的位移，即液位的变化量；p p杠杆右端的位移，即阀杆的位移量；杠杆右端的位移，即阀杆的位移量；a,ba,b分别为杠杆支点与两端的距离；分别为杠杆支点与两端的距离；）放大倍数放大倍数K KP P是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。比

19、例控制规律表达式：比例控制规律表达式： 比例控制规律及其特点比例控制规律及其特点 puK e 或或 0 puuK eu u0 0是偏差是偏差e=0e=0时的控制器的稳定输出值时的控制器的稳定输出值K KP P是控制器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别）是控制器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别） KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)AKp*A根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点：根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点：控制及时。一旦偏差不为控制及时。一旦偏差不为0 0，调节器的输出即刻发生改变。，调节器的输出即刻发生改变。 o 工业上常

20、用工业上常用比例度比例度代替代替Kp：是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变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。化相对值之比的百分数。%100/minmaxminmaxpppxxee e输入变化量；输入变化量；p p相应的输出变化量；相应的输出变化量；xmax-xmin输入的最大变化量，即仪表的量程；输入的最大变化量，即仪表的量程；pmax-pmin输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。举例DDZ-DDZ-型比例作用控制，温度刻度范围为型比例作用控制，温度刻度范围为400400800800，控制器，控制器输出工作范围是输

21、出工作范围是0 010mA10mA。当指示指针从。当指示指针从600600移到移到700700，此时，此时控制器相应的输出从控制器相应的输出从4mA4mA变为变为9mA9mA，其比例度的值为，其比例度的值为 %50%10001049/400800600700%100/minmaxminmaxpppxxe 可以从控制器表盘上的指示值变化看出比例度的具体意义。比可以从控制器表盘上的指示值变化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（即控制阀从全开到全关例度就是使控制器的输出变化满刻度时（即控制阀从全开到全关或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或或相反），相应的仪

22、表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或说，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。的百分数。 对于这台控制器，温度变化全对于这台控制器，温度变化全量程的量程的50（相当于（相当于200），），控制器的输出就能从最小变为最控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，大，在此区间内，e和和p是成比例是成比例的。的。图图5-6 比例度示意图。当比例度比例度示意图。当比例度为为50、 100、 200时，分时，分别说明只要偏差别说明只要偏差e变化占仪表全变化占仪表全量程的量程的50、 100、 200时，时，控制器的输出就可

23、以由最小控制器的输出就可以由最小pmln变为最大变为最大pmax 。%1001%1001%100%100/minmaxminmaxminmaxminmaxminmaxminmaxpPKCxxppKxxpppepppxxe其中：其中：C C仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数C C1 1，1100%pK结论 比例度比例度 与放大倍数与放大倍数K KP P成反比成反比。 控制器的比例度控制器的比例度 越小，它的放大倍数越小，它的放大倍数K KP P就越大，就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反

24、之亦然。比例度的动画 可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义。比例度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，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。输入变化范围就越小。 若输出与输入都为标准信号，则若输出与输入都为标准信号，则

25、 控制作用强弱：对一个具体比例控制器，放大倍数控制作用强弱：对一个具体比例控制器，放大倍数KP与与比例度比例度成反比，成反比， KP越大，越大，则越小，它将偏差（控则越小，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。作用的强弱。反之越弱。 即即KP越大，表示控制作用越强，而越大，表示控制作用越强，而越大，表示控制作越大，表示控制作用越弱。用越弱。参考资料比例控制系统的过渡过程比例控制系统的过渡过程 动画（flash）参考资料（一）o 一、被控对象的放大倍数：一、被控对象的放大倍数：它是对象的静态参数，对象的放

26、大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）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：例如，水槽的液位控制系统中，水槽的直径有两种：o 1 1、 直径为直径为1 1米：水槽的放大倍数较大；对象的液位变化较米：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

27、过程基本是衰减振荡过程或等幅灵敏，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。有可能让系统振荡而不稳定，出现发散型振荡。o 2 2、 直径为直径为1010米：水槽的放大倍数相对较小；对象的液位变米：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（过渡过程基本是非化相对较迟缓，系统的灵敏度

28、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。统更加稳定，出现衰减振荡过程。二、被控对象的时间常数：二、被控对象的时间常数：o 它是对象的动态参数，时间常数越大，表示对象受到干它是对象的动态参数，时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化越慢，到达新的稳定值所需的扰作用后，被控变量变化越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。时间越长。o 理论研究

29、发现，对象的时间常数与对象的放大倍数是成理论研究发现，对象的时间常数与对象的放大倍数是成反比的，因此对象的时间常数较大时，控制器的比例度反比的，因此对象的时间常数较大时，控制器的比例度应选择小点来提高控制质量。应选择小点来提高控制质量。参考资料（二）参考资料（三）o三、滞后时间：三、滞后时间：如果对象的如果对象的较大时，说明对象受到干扰后要经过较大时，说明对象受到干扰后要经过较长时间被控变量才能发现变化，假设相对应的控制器比例度此时较长时间被控变量才能发现变化，假设相对应的控制器比例度此时选择较小时，控制器根据较小的输入偏差信号，迅速发出一个较大选择较小时，控制器根据较小的输入偏差信号，迅速发

30、出一个较大的输出控制信号，让执行器的阀门开启度发生较高的变化，即产生的输出控制信号，让执行器的阀门开启度发生较高的变化，即产生较大的流量变化，流量的迅速较大的变化来消除干扰，但是，对象较大的流量变化，流量的迅速较大的变化来消除干扰，但是，对象滞后时间较大，较大的流量变化量不能马上传送到被控变量，此时滞后时间较大，较大的流量变化量不能马上传送到被控变量，此时过程中被控变量还在继续偏离给定值，偏差在继续增大，控制器的过程中被控变量还在继续偏离给定值，偏差在继续增大，控制器的输出也在成比例的继续增大，流量的变化量同样也在继续增大，等输出也在成比例的继续增大，流量的变化量同样也在继续增大，等到前面流量

31、的变化影响到被控变量时，后面控制器发出的控制信号，到前面流量的变化影响到被控变量时，后面控制器发出的控制信号，让流量发生变化的量会让被控变量产生反向偏差，这样会因滞后时让流量发生变化的量会让被控变量产生反向偏差，这样会因滞后时间较大而易产生振荡。因此对象的滞后时间较大时，控制器的比例间较大而易产生振荡。因此对象的滞后时间较大时，控制器的比例度应选择较大一些，就是缓慢（对象滞后较大）对缓慢（控制器的度应选择较大一些，就是缓慢（对象滞后较大）对缓慢（控制器的比例度较大，比例度大会系统动作缓慢下来的），这样不会产生过比例度较大，比例度大会系统动作缓慢下来的），这样不会产生过分的控制现象。分的控制现象

32、。o对象的滞后时间较小，控制器的比例度应选择较小点；另一方面对对象的滞后时间较小，控制器的比例度应选择较小点；另一方面对象的时间常数较大，同样控制器的比例度也要选择小点才能得到较象的时间常数较大，同样控制器的比例度也要选择小点才能得到较高的控制质量。高的控制质量。 问题分析问题分析 为什么会有余差呢？ 如何减小余差? 是不是可以无限制地减小比例度呢？ 为什么会有余差呢？为什么会有余差呢？ 存在余差是比例控制的必然结果，也是比例控制的最大缺点。 因为杠杆是一种刚性结构，达到新的平衡时浮球位置必然下移。 如何减小余差如何减小余差? ?对于一定的输出值，只要增大对于一定的输出值，只要增大 （即减小比

33、例度）就可以减小余差。（即减小比例度）就可以减小余差。 pKeeKpp1是不是可以无限制地减小比例度呢？是不是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 123456是不是可以无限制地减小比例度呢？是不是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 6控制器的输出变化控制器的输出变化较小，控制阀开度较小，控制阀开度改变较小，被控变改变较小，被控变量的变化就很缓慢。量的变化就很缓慢。过渡过程曲线越平过渡过程曲线越平稳，但余差很大稳，但余差很大 是不是可以无限制地减小比例度呢？是不

34、是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 45当比例度减小时，当比例度减小时，在同样的偏差下，在同样的偏差下，控制器输出较大，控制器输出较大，控制阀开度改变较控制阀开度改变较大，被控变量变化大，被控变量变化也比较灵敏，开始也比较灵敏，开始有些振荡，余差不有些振荡，余差不大大 是不是可以无限制地减小比例度呢？是不是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 3比例度再减小，控比例度再减小，控制阀开度改变更大，制阀开度改变更大，大到有些过分时，大到有些过分时，被控变量也就跟着

35、被控变量也就跟着过分地变化，再拉过分地变化，再拉回来时又拉过头，回来时又拉过头，结果会出现激烈地结果会出现激烈地振荡振荡 是不是可以无限制地减小比例度呢？是不是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 2当比例度继续当比例度继续减小到某一数减小到某一数值时系统出现值时系统出现等幅振荡，这等幅振荡，这时的比例度称时的比例度称为临界比例度为临界比例度 k是不是可以无限制地减小比例度呢？是不是可以无限制地减小比例度呢？ o比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过渡过程。从下图可以看出： 1当比例度小当比例度小于临界比例于临界比例度

36、度 时，在时，在干扰产生后干扰产生后将出现发散将出现发散振荡振荡 k小结小结可见，对于比例控制可见，对于比例控制 比例度的大小将直接影响到系统的稳比例度的大小将直接影响到系统的稳定性与稳态精度，比例度选得过小，定性与稳态精度，比例度选得过小，系统振荡严重，甚至发散；比例度选系统振荡严重，甚至发散；比例度选得过大，过渡过程曲线越平稳，但余得过大，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。差也越大。 eeKpp1PP K, K余 差小或一对矛盾 要统筹兼顾稳定性高或 那么有没有一种控制规律能那么有没有一种控制规律能消除余差呢？消除余差呢？积分控制积分控制u 控制思想控制思想 u 积分控制积分控制 u 比例

37、积分控制比例积分控制 u 问题分析问题分析 控制思想控制思想 当有偏差存在时，输出信号将随当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）当偏差为零时，时间增长（或减小）当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上输出才停止变化而稳定在某一值上 积分控制积分控制IpKedt 积分控制作用的输出变化量积分控制作用的输出变化量p p 与输入偏与输入偏差差 e e 的积分成正比。的积分成正比。KI代表积分速度代表积分速度AtTAdtTpII11当输入偏差是常数当输入偏差是常数A时时edtTIKTII11TI表示积分时间表示积分时间积分积分p(t)e(t)z(t)+_x(t)pI(t)e(t)IAtTp

38、I(t)e(t)IAtTedtTpI1 当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。 当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。即调节器输出会不断积分控制器组成控制系统可以达到无余差。即调节器输出会不断变化，直到偏差为变化，直到偏差为0 0消除余差消除余差q 输出是偏差随时间的积分，控制作用是随时间积输出是偏差随时间的积分，控制作用是随时间积累才逐渐增强的，所以控制缓慢，会出现控制不及时，累才逐渐增强的，所以控制缓慢，会出现控制不及时，当对象惯

39、性较大时，被控变量会出现大的超调，过渡当对象惯性较大时，被控变量会出现大的超调，过渡时间也将延长。时间也将延长。 所以一般不单独采用积分作用，而与所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。比例作用配合使用。这样控制既及时，又能消除余差。这样控制既及时，又能消除余差。eKppiKedtT( )e tA1( )() 1 () ()pipipiu tKeedtTKAAdtTAKAtTe(t)u(t)AuI=KPAt/TiuP=KPATi(0)puK A( )2pu TK AedtKeKpIP或或edtTeKpIp15100%302020151015u(t)mine(t)102431mintT

40、AAKAdtTAKedtTeKpIpIpIp11积分作用对过渡过程的影响积分作用对过渡过程的影响 积分时间积分时间TI越短，积分速度越快，积分作用越越短，积分速度越快，积分作用越强。反之，积分时间强。反之，积分时间TI越长，积分作用越弱。若积越长，积分作用越弱。若积分时间为无穷大，就没有积分作用，成为纯比例分时间为无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器了。控制器了。 图图5-11表示在同样的比例度下积分时间表示在同样的比例度下积分时间TI对过对过渡过程的影响渡过程的影响 。 TI过大，积分作用不明显，余差过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线消除很慢，见曲线3； TI小，易于消除余差，但

41、系小，易于消除余差，但系统振荡加剧，曲线统振荡加剧，曲线2适宜；适宜； TI过小，过渡过程振荡过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线太剧烈，稳定程度降低，见曲线1。 采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两重性。在同样的比例度下，缩短程的影响具有两重性。在同样的比例度下，缩短积分时间积分时间TI，将使积分调节作用加强，容易消除余，将使积分调节作用加强，容易消除余差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向

42、。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至的倾向。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，这是不利的一面。会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。图图5-115-11积分时间对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响 问题分析问题分析 积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；注意事项：注意事项： 引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）作用（增大比例度或降低比例增益） 当对象

43、滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏当对象滞后很大时，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）慢，使控制作用不及时。（此时可增加微分作用）微分控制微分控制 控制思想控制思想 微分控制微分控制 比例微分控制比例微分控制 比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的被控变量与给比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的被控变量与给定值的偏差而进行动作。但对于惯性较大的对象，为了使控制作用定值的偏差而进行动作。但对于惯性较大的对象，为了使控制作用及时，常常希望能根据被控变量变化的

44、快慢来控制。在人工控制时，及时，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会先改变阀门开度以克服干扰影响，它是根据偏差的速偏差，此时会先改变阀门开度以克服干扰影响，它是根据偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，度而引入的超前控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好。微分作用就是模拟这一实践活动而采用这样控制的效果将会更好。微分作用就是模拟这一实践活动而采用的控制规律。的控制规律。微分控制主要用来克服被控对

45、象的容量滞后微分控制主要用来克服被控对象的容量滞后( (时间常时间常数数T)T)，但不能克服纯滞后，但不能克服纯滞后。 控制思想控制思想积分控制积分控制最大的优点最大的优点是消除余差是消除余差 最大的缺点最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低微分微分p(t)e(t)z(t)+_x(t) dtdeTpD图5-12 理想微分控制器特性这种控制器用在系统中，即使偏差很小，这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，故只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称。有超前控制之称。但它的输出不能反映偏差的大小，假如但它的输出不能

46、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，因而控制结果不能消除偏差，所有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器。以不能单独使用这种控制器。eKp( )pdde tK TdtdtdeTeKpDPe(t)Ae(t)0Atp(t)T+KpA(a)p(t)0+e(t)=Atp(t)=Kp(TD+t)A(b)(dtdeTeKdtdpKTpDpDD当t = 0+时 PKDKPA当t 时 PKpA当t =D时 PKPA0.368（KD1）KPAKp的测定：的测定：p( )/AKD的测定：的测定：p(0)/p( )TD的测定：测出的

47、测定：测出D后乘以后乘以KDDDDtDPKTeKAKpD11图5-13 比例微分控制器特性u(t)0.632KP(Kd-1)AKPAKdKPa(Kd-)KPad当t = 0+时 PKDKPA当t 时 PKpA当t =D时 PKPA0.368（KD1）KPAKp的测定：的测定：p( )/AKD的测定：的测定：p(0)/p( )TD的测定：测出的测定：测出D后乘以后乘以KDe(t)ADDDtDPKTeKAKpD11 TD ，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为：，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为： 衰减比增大；过渡过程最大偏差减少衰减比增大；过渡过程最大偏差减少emaxemax ；过渡时间；过

48、渡时间tptp ； TD太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡起系统振荡. . 引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有所减少所减少. .微分作用对纯滞后的对象不起作用。微分作用对纯滞后的对象不起作用。)(dtdeTeKdtdpKTpDpDD)1(dtdeTedtTeKpDIpuPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI)1(dtdeTedtTeKpDIp)1(dtdeTedtTeKdtdpKTpDIpDD当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分、微分三部分输出之和。这种控当有阶跃信号输入时

49、，输出为比例、积分、微分三部分输出之和。这种控制器既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。制器既能快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。图5-15 三作用控制器特性第三节第三节 模拟式控制器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。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。分为气动与电动两控制器。控制器的作用控制器的作用是将被控变量测量值与结定值进行比较，是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送

50、往执行器，以实现对被控变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。量的自动控制。 模拟调节器（控制算法由电路实现）模拟调节器（控制算法由电路实现） 数字控制器（含数字控制器（含CPUCPU，控制算法由程序实现），控制算法由程序实现） 一、基本构成原理及部件一、基本构成原理及部件 1 1、比较环节：是将给定信号、比较环节：是将给定信号与测量信号进行比较，产生一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个与它们的偏差成比例的偏差信号。信号。 2 2、放大器：是一个稳态增益、放大器：是一个稳态增益很大的比例环节（电动为高放很大的比例环节（电动为高放大倍数的运算放大器

51、）。大倍数的运算放大器）。 3 3、反馈环节：是通过正、负、反馈环节：是通过正、负反馈来实现比例、积分、微分反馈来实现比例、积分、微分等控制规律的。等控制规律的。控制器基本构成12345667图4-2 DDZIII型调节器正面图1位号牌 2内外给定指示 3内给定设定拨盘4-A/M/H切换 5阀位表 6软手动操作扳键7双针全刻度指示表DDZ型电动调节器型电动调节器 DDZ型调节器有两种：型调节器有两种：和和它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的:对偏差进行对偏差进行PID

52、PID运算运算偏差指示偏差指示正反作用切换正反作用切换内外给定切换内外给定切换( (产生内给定信号产生内给定信号) )手动手动/ /自动双向切换自动双向切换阀位显示等功能。阀位显示等功能。在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器。算机联用的调节器。 当控制器处于当控制

53、器处于“自动自动”状态状态时，测量信号与设定信号通过时，测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行进行PD和和PI运算后，再经过电路转换为运算后，再经过电路转换为420mA直流电流，直流电流，作为控制器的输出信号，去控制执行器。作为控制器的输出信号，去控制执行器。 当控制器处于当控制器处于“保持保持”状态（即它的输出保持切换前瞬间状态（即它的输出保持切换前瞬间的数值）时，若同时将控制器切换到的数值）时，若同时将控制器切换到“软手动软手动”状态，输出可状态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺

54、过程进行手动按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。控制。当控制器处于当控制器处于“硬手动硬手动”状态时，控制器的输出与手操电压成状态时，控制器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。 控制器的工作状态有控制器的工作状态有“自动自动”、“软手动软手动”、“硬手动硬手动”及及“保持保持”四种四种控制器中将偏差控制器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（定义为测量值与设定值之差（e=y-r），若），若测量值大于设定值，称为正偏差；若测量值小于设定值，称测量值大于设定值，称为正偏差；若测量值小于设定值，称为负偏差。为

55、负偏差。当控制器置于当控制器置于“正正”作用时，控制器的输出随着正偏差的增作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加；置于加而增加；置于“反反”作用时，控制器的输出随着正偏差的作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而减小。增加而减小。若是负偏差，其控制器在若是负偏差，其控制器在“正正”、“反反”作用下的输出刚好作用下的输出刚好与正偏差的情况相反。与正偏差的情况相反。 控制器还设有控制器还设有“正正”、“反反”作用开关供选择，以满足作用开关供选择，以满足控制系统的控制要求控制系统的控制要求 使用基型控制器时有几点应注意：使用基型控制器时有几点应注意： 正确设置内、外设定开关正确设置内、外设定开关

56、“内内”设定时，设定电压信号由控制器内部的设定电路产设定时，设定电压信号由控制器内部的设定电路产生，操作者通过设定值拨盘确定设定信号大小。生，操作者通过设定值拨盘确定设定信号大小。在定值控制系在定值控制系统中，控制器应置于统中，控制器应置于“内内”设定设定。 “外外”设定时，由外部装置提供设定值信号。设定时，由外部装置提供设定值信号。在随动控制在随动控制系统中，控制器应置于系统中，控制器应置于“外外”设定。设定。如串级控制系统中的副控如串级控制系统中的副控制器设定值由主控制器的输出值提供；比值控制中的从动量控制器设定值由主控制器的输出值提供；比值控制中的从动量控制器设定值由主动量测量值提供。制

57、器设定值由主动量测量值提供。 无扰切换：无扰切换：在控制系统在控制系统投运过程中，一般总是投运过程中，一般总是先手动遥控，待工况正先手动遥控，待工况正常后，再切向自动。当常后，再切向自动。当系统运行中出现工况异系统运行中出现工况异常时，往往又需要从自常时，往往又需要从自动切向手动，所以控制动切向手动，所以控制器一般而论都兼有手动器一般而论都兼有手动和自动两方面的功能。和自动两方面的功能。但是，在切换的瞬间，但是，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出应当保持控制器的输出不变，这样才能使执行不变，这样才能使执行器的位置在切换过程中器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生不致于突变，不会对生产过程引起

58、附加的扰动，产过程引起附加的扰动，这就是无扰动切换。这就是无扰动切换。 调节器在进行手动调节器在进行手动- -自动切换时，自动与自动切换时，自动与软手动之间的切换是双软手动之间的切换是双向无平衡无扰动的，由向无平衡无扰动的，由硬手动切换为软手动或硬手动切换为软手动或由硬手动直接切换为自由硬手动直接切换为自动也是无平衡无扰动的，动也是无平衡无扰动的，但是由自动或软手动切但是由自动或软手动切换为硬手动时，必须预换为硬手动时，必须预先平衡方可达到无扰动先平衡方可达到无扰动切换，也就是说，再切切换，也就是说，再切换硬手动之前，必须先换硬手动之前，必须先调整硬手动操作杆，使调整硬手动操作杆，使操作杆与输

59、出对齐，然操作杆与输出对齐，然后才能切换到硬手动。后才能切换到硬手动。 一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控制，待一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控制，待系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控制。系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控制。自动自动( (A A) )、软手动软手动( (M M) )、硬手动硬手动( (H H) )AMAM无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换MAMA无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换MHMHHMHM无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换AHAHHAHA无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换 数字式调节器数字式调节器定程序调节器定程序调节器 可编程调节器可编程调节器 混合调节

60、器混合调节器批量调节器批量调节器数字式调节器类型数字式调节器类型 ：实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化 将将CPUCPU引入控制器，使其功能得到来很大引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一，一台数字控制器既可