第九讲控制器

第九讲控制器第1页，课件共39页，创作于2023年2月第八章调节器与执行器本章主要内容：1、调节器①常用的调节规律（控制算法）；②模拟调节器；③数字调节器。2、执行器①气动执行器；②电动执行器；③智能执行器。2第2页，课件共39页，创作于2023年2月控制系统的基本概念回顾过程自动化的概念：过程自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业生产过程自动化的简称。在生产设备上，配上一些自动化装置（仪表），代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，并达到预定的目标，这种用自动化装置来管理生产过程的办法，称为生产过程自动化。3第3页，课件共39页，创作于2023年2月1、自动控制系统的基本组成

(1)、被控对象：生产中要求控制的生产设备（或过程）；

(2)、测量元件或变送器：对被控参数进行测量的仪表；

(3)、控制器：把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差，并按某种运算规律算出结果，同时将此结果送给调节阀；

(4)、调节阀：根据调节器送来的信号的大小，自动改变阀的开启度，调节介质的流量，实现控制的目的。控制系统的基本概念回顾4第4页，课件共39页，创作于2023年2月3、自动控制系统的有关名词术语

（1）被控对象（受控对象）；（2）被控变量（受控变量）：控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数（给定值）的变化而变化的变量；（3）给定值：要求被控参数所保持或遵循的数值（4）偏差：给定值与测量值的差值（5）干扰：影响被控变量，使其偏离给定值的因素（6）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）；（7）控制作用：控制器的输出控制系统的基本概念回顾5第5页，课件共39页，创作于2023年2月4、自动控制系统的分类（1）、定值控制系统：给定值保持不变的系统。系统的任务是是被控变量以一定的精度保持在给定值上不变；（2）、随动控制系统：给定值是随机变化的，这种变化是事先不知道的；（3）、程序控制系统：给定值是按事先规定的程序变化的。5、控制系统的任务6、系统的质量指标控制系统的基本概念回顾6第6页，课件共39页，创作于2023年2月7、影响控制系统控制质量的主要因素

被控对象是核心测量仪表是基础控制器是灵魂调节阀（执行器）是关键控制系统的基本概念回顾7第7页，课件共39页，创作于2023年2月换热器出口温度自动控制系统分析举例：

控制系统的基本概念回顾8第8页，课件共39页，创作于2023年2月控制器的功能将被控变量的测量值与给定值进行比较得出偏差，然后根据偏差的大小，按照某种运算规律发出控制信号，送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。…

8.1控制器常用的控制规律调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器4～20mA4～20mA被控变量干扰操纵变量操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）9第9页，课件共39页，创作于2023年2月比例控制系统示意图特点：及时；有余差（用此图说明）注：控制器的常用控制规律用黑板10第10页，课件共39页，创作于2023年2月控制器的其它功能一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：

偏差指示指示偏差信号模拟调节器——指针式表头全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在0～100％范围指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号±30％数字控制器——通过LED或者液晶屏显示11第11页，课件共39页，创作于2023年2月控制器的其它功能输出显示显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供内给定的调整正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值12第12页，课件共39页，创作于2023年2月控制器的其它功能手/自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？手动操作可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出无扰动切换手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）

Kp/Ti/Td的设置改变控制器的特性13第13页，课件共39页，创作于2023年2月8.2模拟控制器12345667DDZ－III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－双针全刻度指示表调节器的简单认识14第14页，课件共39页，创作于2023年2月控制器调节器的简单认识15第15页，课件共39页，创作于2023年2月模拟控制器结构方块图控制算法由电路实现，硬件决定一切16第16页，课件共39页，创作于2023年2月8.3数字控制器PLC数字控制器（含CPU，控制算法由程序实现）

注意：后面内容为选用17第17页，课件共39页，创作于2023年2月比例控制作用对过渡过程的影响18第18页，课件共39页，创作于2023年2月③比例积分控制算法uc(t)=

K

ce(t)+K

c/T

i0te(t)d(t)

19第19页，课件共39页，创作于2023年2月图1-3PI作用的阶跃响应在阶跃偏差输入作用下,控制器比例输出up=K

c

e；积分作用输出u

i＝K

c

e/T

i0tdt,随时间而增加。20第20页，课件共39页，创作于2023年2月随动控制系统过渡过程21第21页，课件共39页，创作于2023年2月

引人积分作用能消除余差，但加入积分作用要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度(削弱比例作用)，却又使控制质量有所下降,像最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加长。对于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制，采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量。图1-3所示为在阶跃输入作用下比例积分控制器的输出曲线。22第22页，课件共39页，创作于2023年2月④比例微分控制算法

uc(t)=K

ce(t)+K

cTd[de(t)/d

t]

引入微分产生超前控制作用，使系统稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快控制过程，改善控制质量。比例微分控制适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。23第23页，课件共39页，创作于2023年2月阶跃输入信号下的理想PD特性24第24页，课件共39页，创作于2023年2月阶跃输入信号下的实际PD特性25第25页，课件共39页，创作于2023年2月使用微分控制作用要注意下列事项。

①引入微分控制作用要合适。引入微分作用，使比例作用的开环频率矢量添加了一个相位超前90∘的D控制作用矢量，当微分控制作用合适时，它的引入使整个系统开环频率特性改善，即幅值稳定裕度和相位稳定裕度都减小,从而可进一步增大比例增益Kc，减小系统的动态偏差，缩短回复时间。例如，时间常数较大的温度、成分等控制系统，常常引入微分控制作用来改善系统的控制品质。26第26页，课件共39页，创作于2023年2月②对于纯滞后，微分控制作用不能改善控制品质。纯滞后的频率特性曲线是一个圆，引入微分控制作用后的频率特性仍是圆，并且半径更大．因此，不能期望通过引入微分控制作用来改善时滞系统的控制品质。当系统含有时滞环节时，引入微分作用同样不能改善控制系统的控制品质。③高频噪声大的被控对象不宜引入微分。从频率特性可知，微分作用对高频干扰的放大很厉害，因此．高频噪声大的被控对象(例如流量和液位控制系统)不宜引入微分。27第27页，课件共39页，创作于2023年2月对于高频噪声大的被控对象应采用反微分，它对测量信号进行滤波。下图所示为正反微分作用的阶跃响应曲线。正反微分作用的阶跃响应曲线④根据微分增益Kd大小，微分作用分为正微分(Kd>1)、反微分(Kd<1)。Kce28第28页，课件共39页，创作于2023年2月⑤微分控制作用的强弱可从阶跃输入信号作用下输出响应曲线的面积来衡量(见上图中的阴影)。响应曲线跳变的最大值为K

c

K

d

E。

E是阶跃偏差的幅值，K

c是比例增益，K

d是微分增益；响应曲线最终稳定在K

c

E，即比例作用的输出值。因此，微分增益K

d

表示引入微分后对比例作用的最大放大倍数。K

d越大，面积越大，微分作用越强。微分时间表征在输出初始跳变后，微分作用能够维持的时间，从响应曲线来看，微分时间表示从最大值下降到0.632(K

d-1)K

c

E所需的时间。微分时间越大，下降越慢，面积越大，微分作用越强。因此，T

d=0或K

d＝1表示没有微分作用。29第29页，课件共39页，创作于2023年2月⑥引入微分的目的是改善高阶系统的控制品质。从时间特性看，微分作用按偏差的变化率控制，控制及时，时间的超前有利于控制；从传递函数看，引入微分，相当于添加开环零点，如能与对象的极点发生对消，可使系统降阶，因此，合适配置微分作用有利于控制品质的改善；从频率特性看，引入微分使整个开环频率特性的幅值比增大，尤以高频段更甚，因此，随频率增大，系统频率特性幅值下降时，引入微分可改善系统的稳定性。同时，相位的超前也有利于提高系统的稳定性。换言之，在相同稳定性需要下引入微分，可提高比例增益，减小最大偏差或超调量，缩短过渡过程的回复时间，改善系统控制品质。30第30页，课件共39页，创作于2023年2月⑦微分先行。对于偏差微分，当设定突变时，因偏差等于设定值减测量值，它会随设定值变化而变化，从而造成控制器输出的变化，引起执行器全开或全关，不利于调节过程。为此，一方面设定值应缓慢变化，另一方面，可以只对测量信号进行微分，即微分环节放在比较环节前，这种微分称为微分先行，或测量微分。这时，调整设定值不受限制。⑧PD控制作用对定值控制系统的影响

图1-10所示，可见，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。31第31页，课件共39页，创作于2023年2月PD控制作用对定值控制系统的影响32第32页，课件共39页，创作于2023年2月⑤比例积分微分控制理想PID控制算法为:u

c(t)=K

c[e(t)+1/T

i0te(t)d(t)+Tdde(t)/d

t]

理想PID控制器传递函数为:(1-2)实际PID控制器传递函数为：(1-3)33第33页，课件共39页，创作于2023年2月

下图所示为在偏差阶跃输入作用下，实际PID控制器的输出响应曲线。在偏差阶跃作用下，PID控制器输出先跳变到最大值K

c

K

d

E(这是比例微分作用)，然后逐渐下降，并开始上升(这是比例微分和积分的共同作用)，最后由于积分作用，输出呈积分上升。34第34页，课件共39页，创作于2023年2月

上图中显示了比例、比例微分和比例积分微分三种控制作用的响应。可以看到，比例作用是最基本的控制作用，在整个控制过程中都起作用，微分作用主要在控制前期起作用，而积分作用主要在控制后期起作用。PID控制作用对过渡过程的影响：

PID控制作用对过渡过程的影响与PI控制作用的影响类似，其中，P作用是基本控制作用,增大K

C使系统振荡加剧；I作用能消除余差，但会使系统稳定性变差，闭环响应变慢；D作用使整个开环频率特性的幅值比增大，改善系统稳定性。35第35页，课件共39页，创作于2023年2月下图显示了PID控制器中不同的K

C值对过渡过程的影响。由于采用积分控制作用，使控制系统