工业仪表及自动化控制 化工自动化控制 基本控制规律 课件

工业仪表及自动化控制模块二化工自动化控制项目三基本控制规律课程目标能力（技能）目标1.能识读调节器面板显示数据，并能进行手动/自动操作2.能读懂AI-519产品说明书，并能正确设置操作参数3.能根据控制要求正确接线，理解比例、积分、微分控制的物理意义01知识目标021.掌握连续PID控制算法，理解比例、积分、微分控制的物理意义2.掌握比例度、积分时间、微分时间大小对过渡过程的影响3.掌握各种控制算法的适用场合位式控制比例控制积分控制目录微分控制讨论思考

在自动化控制中，最基本的控制规律有哪些？1控制器的基本控制规律有：(

)

A、位式控制

B、

比例控制（P）

C、积分控制（I）

D、微分控制（D）正确答案：ABCD概述概述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

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。在研究控制器的控制规律时图

控制系统方块图概述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）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）。不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求选用适当的控制规律，因此必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能做出正确选择。位式控制01位式控制1.双位控制双位控制系统：规律是当测量值大于给定值时，控制器输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，控制器输出为最小（或最大），即控制器只有两个输出值，又称为开关控制。数学表达式：双位控制特性：缺点：执行器频繁工作，易出现故障。位式控制2.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。如恒温炉、管式炉的温度控制。位式控制2.具有中间区的双位控制位式控制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，因而应用很普遍。例如仪表用压缩空气贮罐的压力控制，恒温炉、管式炉的温度控制等，常采用双位控制。工厂中常用的最简单的双位控制元件有带电触点的压力表、带电触点的水银温度计、双金属温度计等。结论图双金属温度信号器1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯位式控制3.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。图三位控制器特性图比例控制02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。

如图，根据相似三角形原理

所以，对于具有比例控制的控制器比例控制

1.比例控制规律及其特点比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量比例控制的放大倍数Kc是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。比例控制器KCeΔp比例控制

2.比例度及其对控制过程的影响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。

图

比例度示意图比例度是使控制器的输出变化满刻度时，相应的仪表测量值变化占测量范围的百分数。难点比例控制

2.比例度及其对控制过程的影响举例DDZ-Ⅱ型比例作用控制，温度刻度范围为400～800℃，控制器输出工作范围是0～10mA。当指示指针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，其比例度的值为说明

对于这台控制器，温度变化全量程的50％（相当于200℃），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，e和p是成比例的。比例度是使控制器的输出变化满刻度时，相应的仪表测量值变化占测量范围的百分数。比例控制

2.比例度及其对控制过程的影响

比例度δ与放大倍数KP成反比。控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。结论对于比例控制器来说，常用比例度来表示比例控制作用的强弱，比例度越大，控制作用（

），余差越大。

A、越大

B、

不变

C、

越强

D、

越弱正确答案：D

以下为比例度的表达式：

正确答案：

√比例控制

2.比例度及其对控制过程的影响图

比例控制系统过渡过程在t=t0时，系统外加一个干扰作用液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线图

比例度对过渡过程的影响液面稳定在比原来值低的位置，其差值就是余差Q0Qi比例控制

2.比例度及其对控制过程的影响优点：反应快，控制及时缺点：存在余差

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。结论

比例控制的特点是（

）

A、反应快，控制及时，有余差存在

B、反应慢，控制不及时，有余差存在

C、反应快、控制及时、能消除余差

D、反应慢，控制不及时，但能消除余差

正确答案：A积分控制03积分控制

当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。积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即图

积分控制器特性当输入偏差是常数A时

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，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。结论积分控制

把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。图比例积分控制器特性比例积分控制规律可用下式表示或K1越大，积分特性越明显，反之越弱，如果无限小，纯比例控制器积分控制

积分时间对系统过渡过程的影响图

积分时间对过渡过程的影响

积分时间对过渡过程的影响具有两重性

当缩短积分时间,加强积分控制作用时,一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过程振荡加剧,稳定性降低。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。积分控制规律的特点是（

）A、反应快，控制及时，有余差存在

B、反应慢，控制不及时，有余差存在

C、反应快、控制及时、能消除余差

D、反应慢，控制不及时，但能消除余差

正确答案：D正确答案：C积分控制

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。对象的滞后较大

(温度),可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。微分控制04微分控制

在自动控制时，控制器具有微分控制规律图

理想微分控制器特性优点具有超前控制功能。缺点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，因而控制结果不能消除偏差，所以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三作用控制器。微分控制

图

实际微分器输出变化曲线

微分控制器在阶跃信号的作用下,输出Δp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。微分控制

图

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。微分控制具有“超前”控制作用。微分控制

20比例微分控制规律图

比例微分控制器特性比例积分微分控制规律图

三作用控制器特性图9-17PID控制器输出特性

微分控制的特点是（

）

A、

按偏差变化的速度进行控制，具有超前控制之称；当偏差固定时，没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用。B、

按偏差的大小进行控制，偏差大，控制作用也越强；控制及时，但是控制结果存在余差。C、

按偏差的积分进行控制，当偏差存在时，输出信号将随时间增长（或者减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而可以消除余差。D、当偏差固定时，没有输出，因而控制比较缓慢，且不能消除偏差。正确答案：A例题分析

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:（a）（b）（c）（d）34重点控制规律输入e与输出p(或Δp)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合位式P=pmax(e>0)P=pmin(e<0)结构简单;价格便宜;控制质量不高;被控变量会振荡对象容量大,负荷变化小,控制质量要求不高,允许等幅振荡比例（P）Δp=KCe(a)图结构简单;控制及时;参数整定方便;控制结果有余差对象容量大,负荷变化不大、纯滞后小,允许有余差存在,例如一些塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控制系统等比例积分PI式(9-12)(b)图能消除余差;积分作用控制缓慢;会使系统稳定性变差

对象滞后较大,负荷变化较大,但变化缓慢,要求控制结果无余差。此种规律广泛应用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象控制规律输入e与输出p(或Δp)的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优缺点适用场合比例微分PD式(9-15)(c)图