自动控制仪表

§5自动控制仪表

§5.1控制仪表及其分类§5.2基本控制规律§5.3模拟式控制器§5.4数字式控制器§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类控制仪表：也称控制器，是将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差，进行一定的运算，并将运算结果以一定信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制的仪表。控制仪表分类： 按控制仪表的结构形式：基地式控制仪表

基地式控制仪表是将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表。它结构比较简单，常用于简单控制系统。§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类控制仪表分类： 按控制仪表的结构形式：单元组合式仪表

单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类单元组合式仪表优点①高度的通用性和灵活性：可以用有限的单元组成各种各样的控制系统；②各种能源的仪表混合使用：可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来；③安装、维护方便：各单元独立作用，故在布局、安装、维护上也更合理、更方便。④仪表精度高、使用寿命长：仪表一般采用力平衡或力矩平衡原理，工作位移小、无机械摩擦、性能较好。⑤零部件标准化、系列化：有利于大规模生产，降低了成本，提高了产量和质量。§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类控制仪表分类：单元组合式仪表按使用的能源来分：

单元组合式仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。单元组合仪表一般可以分为七大类单元。变送单元(B)显示单元(X)给定单元(G)辅助单元(F)控制单元(T)计算单元(J)转换单元(Z)执行单元(K)

（电动）§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类控制仪表分类：单元组合式仪表

电动单元组合式仪表的发展阶段：

DDZ-Ⅰ型——电子管器件为主要器件

DDZ-Ⅱ型——晶体管等分立元件为主要器件

DDZ-Ⅲ型——线性集成电路作为核心器件

气动单元组合仪表是以压缩空气为能源，各单元之间以统一的0.02～0.1MPa气压标准信号相联系。§5自动控制仪表§5.1控制仪表及其分类控制仪表分类：按控制仪表的信号形式来分模拟式控制仪表数字式控制仪表§5自动控制仪表§5.2基本控制规律控制规律：控制器的输出信号与输入信号之间的关系。

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§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：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）、比例积分微分控制（PID）、

。

§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：位式控制：双位控制（理想）理想的双位控制器

理想双位控制特性§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：位式控制：双位控制（实际）----（具有中间区）

实际的双位控制规律由于设置了中间区，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。

§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：位式控制：双位控制

有中间区的双位控制过程

双位控制过程的品质指标：振幅、周期双位控制过程：是持续的等幅振荡过程中间区的宽度：与工艺要求有关；若被控变量允许较宽的波动范围，则中间区的宽度就大一些，响应的周期就长些双位控制器的优点：结构简单、成本低、易于实现，因而应用很普遍§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：位式控制：三位（多位）控制

三位控制规律

对系统的控制效果较好，但增加控制装置的复杂程度§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例控制（P）比例控制器KCep

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器简单比例控制系统示意图§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例度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。

举例一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是100～200℃,电动控制器的输出是0～10mA,假如当指示值从140℃变化到160℃时,相应的控制器输出从3mA变化到8mA,这时的比例度为为§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例度

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输出变化Δp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℃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。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例度

比例度与输入输出的关系即将比例度公式改写后得

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§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例度故：对一个具体的控制器来说，K是一个固定常数。

KC值与δ值都可以用来表示比例控制作用的强弱。δ值越大，控制作用越弱左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。

简单水槽的比例控制过程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

比例度对过渡过程的影响在t=t0时，系统外加一个干扰作用§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例控制（P）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§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：积分控制（I）

积分控制作用的输出变化量Δp与输入偏差e的积分成正比，即

积分控制规律当偏差是常数A时对积分作用公式微分,可得§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：积分控制（I）结论

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。

积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。

积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。（即：积分作用可以消除余差）积分控制动作缓慢、控制不及时（对象惯性大时，出现大的超调，过度时间延长）§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例积分控制（PI）

比例积分控制规律比例积分控制规律可用下式表示

若偏差是幅值为A的阶跃干扰在时间t=TI时，有§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例积分控制（PI）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

积分时间对过渡过程的影响

当缩短积分时间：加强积分控制作用时,克服余差的能力增加；但会使过程振荡加剧,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。积分时间无穷大：就没有积分，变为纯比例。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例积分控制（PI）注：比例积分控制器适用面广：多数系统都可采用；比例度和积分时间两个参数均可调整。不太适合对象滞后很大的、负荷变化过于剧烈的系统：会导致控制时间较长、最大偏差较大、控制作用不及时（需增加微分作用）§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：微分控制（D）--理想优点：超前控制功能缺点：不能消除偏差§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：微分控制（D）--实际微分作用的特点——在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。故：不能单独使用

实际微分控制规律常与比例作用结合。一般其比例度是固定不变的，如δ恒等于100%

改变比例度δ(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。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：微分控制（D）

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。否则引起被控变量的大幅度振荡微分控制具有“超前”控制作用。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：比例积分微分控制（PID）

也称为三作用控制器：同时具有比例、积分、微分三种控制作用§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：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。

比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。

三个可调参数控制规律

比例控制、积分控制、微分控制。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：例题分析例：对一台比例积分控制器作试验。已知KC=2，TI=0.5min。若输入偏差如图所示，试画出该控制器的输出信号变化曲线。

输入偏差信号变化曲线§5自动控制仪表§5.2基本控制规律基本控制规律：解：对于PI控制器,其输入输出的关系式为例题分析

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。§5自动控制仪表§5.2基本控制规律当KC=2,TI=0.5min时

在t=0～1min期间,由于e=0,故输出为0。在t=1～3min期间,由于e=1,所以t=3min时,其输出

在t=3～4min期间,由于e=-2,故t=4min时,其积分总输出

故pI输出波形如图

(b)所示。

将图

(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图

(c)所示。§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表模拟式控制器

所传送的信号为连续模拟信号的控制仪表典型代表：电动控制器基本结构比较环节反馈环节放大器§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表模拟式控制器

DDZ-Ⅲ电动控制器特点（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。现场输出信号4-20mA。电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。

I/V转换电阻250Ω。只要改变转换电阻的数值，便可接受任何1：5的电流信号（如1-5mA ）安装方便、成本低。现场变送器与控制室仪表只需要2根导线连接起来即可§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表模拟式控制器

DDZ-Ⅲ电动控制器特点（2）广泛采用线性集成电路，提高了可靠性，减少维修工作量。。

仪表的稳定性高。由于集成运算放大器均为差分放大器，其输入对称性好，漂移小，。仪表的精度高。由于集成运算放大器有高增益，其开环放大倍数很高，对提高仪表的精度很有好处。仪表的可靠性高。采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表模拟式控制器

DDZ-Ⅲ电动控制器特点（3）使用统一电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源。

干扰少、安全防暴。各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表（无工频电干扰）；不需考虑仪表发热问题，为仪表的防爆提供了有利条件。有利于安全生产。在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表模拟式控制器

DDZ-Ⅲ电动控制器特点

（4）方便与计算机联用。在与直接数字计算机控制系统（DDC）配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。

（5）自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。（6）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表DDZ-Ⅲ电动控制器结构DDZ-Ⅲ型控制器结构方框图

主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。DDZ-Ⅲ电动控制器外观1—自动-软手动-硬手动切换开关；2—双针垂直指示器；3—内给定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输入检测插孔；12—手动输出插孔§5自动控制仪表§5.4模拟式控制仪表数字式控制器

所传送的信号为离散数字信号的控制仪表结构硬件电路。过程输入输出通道、主机电路、人机接口电路、通信借口电路软件。系统程序（监控程序和功能模块）和用户程序（组态）§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表可编程调节器

结构一种单回路的数字控制器。

可编程调节器的原理方框图§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表KMM可编程调节器

结构

可以接收5个模拟输入信号，4个数字输入信号；输出3个模拟信号，输出3个数字信号。可编程调节器的原理方框图§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表KMM可编程调节器

侧面

KMM调节器的右侧面1—数据设定器(任选)；2—备用手操器；3—辅助开关；4—电源单元；5—BUF板(前)；6—IOC板(中)；7—CPU板(后)§5自动控制仪表§5.3模拟式控制仪表KMM可编程调节器

操作(1)准备(2)正常运行方式

①手动(MAN)方式②自动(AUTO)方式③串级(CAS)方式④跟踪(FOLLOW)方式(3)非正常运行方式

①联锁手动方式(IM)②后备方式(S)§5自动控制仪表§5.5典型控制规律的电路实现理想运算放大器