P控制器和PI控制器.ppt

1、自动化专业英语教程,教学课件,July 28, 2007,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,A P控制器和PI控制器 1.课文内容简介：主要介绍过程控制系统中比例控制器和比例-积分控制器的工作原理、作用、传递函数和各自的优、缺点。并以图解的方式形象地说明比例系数和积分常数发生变化时对控制输出的影响。 2.温习过程控制系统中有关比例积分控制的内容。 3. 生词与短语,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,calibrati

2、on n. 校准，检查 fraction n. 分数，小数 offset n. 静差 ultimate adj. 临界的 weight n. 权 reset time 复位时间 reset rate 复位速率,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,4. 难句翻译 1 Proportional only controllers have the advantage of only one tuning parameter, Kc. 纯比例控制器的优点是只需整定一个参数Kc。 2 Also, from Eq.(5

3、-3A-6) we note that as long as the error term is present, the controller will keep changing its output, thereby integrating the error, to remove the error. 从式(5-3A-6)中，我们注意到只要误差项存在，控制器就会不断改变其输出，从而通过对误差积分来消除误差。 5. 参考译文,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,A P 控制器和 PI 控制器 为了维持

4、参考点，反馈控制器做出决定的方法是通过在被控量与参考点差别的基础上，计算输出。在本单元中，我们将通过描述其操作的公式着眼于最普通的控制器。 比例控制器(P) 除了在这里不考虑的开-断控制器，比例控制器是最简单的控制器，描述其操作的方程式如下： (4-3A-1) 或 (4-3A-2),P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,式中 控制器的输出，psig或mA 参考点，psig或mA 被控量，psig或mA，这是热敏电阻的信号。 误差信号，psig或mA，参考点与被控量的差别。 控制器增益， 或 偏差值，psig或

5、mA，此值的意义在于它是误差为零时的输出，在中比例的刻度控制器中，此值通常被设定为9 psig或12 mA。因为输入与输出范围是相同的（315 psig 或420mA），输入信号和输出信号以及参考点有时候也可用分数或百分数来表示。 可以有趣的看到等式（4-3A-1）描述的是一个反作用控制器。如果控制器变量 c(t)，超过参考点r(t)，误差变负，并且,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,等式表明控制器的输出 m(t)，下降。在数学上显示正作用控制器的一般方法是使控制器的增益Kc为负。然而，必须牢记，在工业控

6、制器中没有负增益，只有正增益。反/正开关可以做到这一点。当做正作用控制器的控制系统的数学分析时，负增益Kc被使用。 等式（4-3A-1）和等式（4-3A-2）表明控制器的输出正比于参考点和被控量间的误差。比例由控制器的增益Kc给出。此增益或控制器的灵敏度决定对于给定的误差变化，控制器输出的变化程度。如图4-3A-1所示。 纯比例控制器的优点是只需整定一个参数Kc，然而，它有一个很大的缺点，就是用偏移量或“稳态误差”来操作被控量。为用图表表明此偏移量，考虑如图4-2B-2所示的液面控制回路，假设设计条件为 和 ，再假设为了使出口阀超过150gpm，作用其上的空气压力为9 psig。如果入口流量增

7、加，纯比例控制器的系统的响应如图4-3A-2所示。控制器使被控量回到稳定值，但此值不是期望参考点。被控量的参考点和稳定值间的差别就是偏差。图4-3A-2显示了对应于两个不同整定,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,图4-3A-1 控制器增益对控制器输出的作用,图4-3A-2 液面系统的响应,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,参数Kc 的两条响应曲线，数据表明Kc值越大，偏差越小，但过程响应越振荡。然而，对于大多数过程，

8、Kc有最大值，超过此最大值，过程将不稳定。增益最大值的计算我们称之为极限增益Kcu。 为得到纯比例控制器的传递函数，等式（4-3A-1）写成 定义如下的两个偏差量： (4-3A-3) (4-3A-4) 那么 用拉普拉斯变换得到如下的传递函数：,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,简单的说，纯比例控制器是仅有一个整定参数的最简单Kc或PB的控制器。此控制器的缺点是在控制器变量中用偏差操作。在象调压槽似的一些过程中，可能不会有严重的后果。在过程被控制在参考点上下范围内的情况下，纯比例控制器就足够了。然而，在过程

9、必须控制在参考点的情况下，纯比例控制器就不能提供满意的控制。 比例-积分控制器(PI) 大多数的过程不能用偏差控制，也就是说，它们必须被控制在参考点，在这些情况下，纯比例控制器中必须加入额外的信息以消除偏差，新的信息或新型控制是积分或复位作用，因此，控制器成为比例-积分控制器（PI）。等式描述如下：,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,或 (4-3A-6) 式中 积分或复位时间，分钟/次 因此，PI控制器有两个参数Kc和，这两个参数必须被调整以获得满意的控制。 为了理解复位时间的物理意义，考虑如图4-3A-

10、3所示的假设的例子。,图4-3A-3比例-积分 (PI) 控制器对阶跃误差的响应,P4U3A P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,是控制器重复比例作用的时间，因此单位是分钟/次。 值越小，响应曲线越陡，这就意味着控制器响应越快。解释这一点的另一种方法是查看等式（4-3A-6）， 值越小，积分前的项 越大，因此，积分或复位作用的权越大。 从式中，我们注意到只要误差项存在，控制器就会不断改变其输出，从而通过对误差积分来消除误差。记住，积分也意味着求和。 为得到PI控制器的传递函数，式（4-3A-6）描述如下：,P4U3A

11、P Controllers and PI Controllers 第四部分第三单元课文A P控制器和PI控制器,利用式（4-3A-3）和（4-3A-4）给出的偏差的相同的定义，采用拉普拉斯变换，重新排列得到： 总之，比例-积分控制器有两个参数：增益或比例带，复位时间或复位速率。此类控制器的优点是积分或复位作用消除偏差。,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,B PID控制器和其它控制器 1.课文内容简介：主要介绍过程控制系统中比例-积分-微分控制器的工作原理、作用、传递函数和控制特点。并以“预测

12、误差变化”的说法形象地揭示了微分控制器的作用，特别说明了比例-微分控制器有增大比例系数的作用。最后特别指出比例系数、积分常数、微分常数之间是互相影响的。 2.温习过程控制系统中有关比例积分微分控制的内容。 3. 生词与短语,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,preact v.; n. 超前；提前修正量 susceptive adj. 对敏感的；易受影响的 lead n. 超前 lag n. 滞后 discrete adj. 离散的；分离的 get around 回避，躲开 detriment

13、al adj. 不利的,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,4. 难句翻译 1 PID controllers are recommended for long time constant loops which are free of noise. PID控制器适用于不易受噪声干扰的具有长时间常数的环路系统。 2 A few other comments on controllers are in order before closing this section. 在结束这节之前，有必要再

14、对控制器作一些说明。 be in order 完备的，适用的，适宜的，必要的 3 The slope of the ramp is predetermined by the operating personnel. 斜坡函数的斜率要由操作人员预先设定。,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,5. 参考译文 B PID控制器和其它控制器 比例-积分-微分控制器 (PID) 有时候另一种控制加在了PI控制器上，这种新的控制是微分作用，也称为比率作用或超前。它的目的是预料过程率先查看误差变化的时间速率

15、，即微分。描述等式如下： (4-3B-1) 式中 微分或比率，时间单位为分钟 因此，PID控制器有三个参数Kc 或PB, 或 和 ，必须整定这三个参数来达到满意的控制。注意：只有一个微分,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,整定参数 ，对于生产者，它有相同的单位：分钟。 如上所述，微分作用是通过误差求导，使控制器具有预料过程变化，也就是说，“预测未来”的能力。“预料”的程度由整定值 决定。 考虑如图4-2B-1所示的热交换器，并利用它通过“预料过程变化的地方”来阐明其意思。假设入口过程温度下降

16、了一些，出口温度会如图4-3B-1所示的那样相应的下降。在时间ta，误差量是正值且可能很小，因此，由PI 提供的控制修正量很小。然而，误差的微分、误差曲线的斜度是大的和正的，使得微分提供的控制修正量很大。通过查看误差微分，控制器就可知被控量率,图4-3B-1 热交换器控制,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,先相当快的远离参考点。因此可利用这个事实来帮助控制。在时间tb误差依然是正的且必以前更大，由比例积分提供的控制更正量的大小也比以前的大，且仍然加到控制器的输出来更大的打开蒸汽阀门，然而，在

17、这个时刻的是误差微分是负的，表明误差正在减小，也就是说，被控量开始下降到参考点。再次利用这个事实可知，自从误差开始下降后，微分的作用开始从其他两种形式中下降，通过这一点，过程将花费较长的时间返回到参考点，然而，在参考点上下的超调和振荡下降。 PID控制器应用于长时间常数的系统中，典型的例子是温度浓缩回路，短时间常数（小电容）的过程很快且易受噪声干扰。此过程的典型例子是流量回路和控制液体流压力的回路。考虑如图4-3B-2所示的流量记录，,图4-3B-2 流量回路记录,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它

18、控制器,由于快速变换的噪声的微分数值很大，因此微分形式的应用仅仅造成了噪声的放大。长时间常数的过程（大电容）通常是衰减的，因此不易受噪声的干扰。然而，注意：你可能有一个长时间常数的过程，例如带有噪声热敏电阻的温度回路，在这种情况下，应用PID控制器前必须安装热敏电阻。 式（4-3B-1）整理后得到“理想” PID控制器的传递函数如下： 利用式（4-3A-3）和式（4-3A-4）给出的微分变量的相同的定义，采用拉普拉斯变换，整理得到： 传递函数被称为“理想的”是因为在实际中此微分计算不可能获得的。用超前/滞后近似微分得到“实际的”传递函数为：,P4U3B PID Controllers and

19、Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID控制器和其它控制器,(4-3B-2) 典型值范围是0.05 到0.1。 总之，PID控制器有三个整定参数：增益或比例带、复位时间或复位速率和速率时间。额定时间或微分时间总以分钟为单位。PID控制器适用于不易受噪声干扰的具有长时间常数的环路系统。微分形式的优点是可以提供“查看过程快速变化的地方”的能力。 比例-微分控制器 (PD) 此类控制器用于纯比例控制器被应用但一定程度的“预料”被需要的过程中。描述公式如下：,P4U3B PID Controllers and Other Controllers 第四部分第三单元课文B PID

20、控制器和其它控制器,“理想的”传递函数是： PD控制器的缺点是用被控量偏差来操作，只有积分作用能够消除偏差。然而，在相同的回路中，PD控制器能够获得比纯比例控制器更高的增益，从而可造成更小的偏差。 数字控制器和其它说明 如前所述，式（4-3B-2）是工业模拟控制器的传递函数，然而，数字控制器是式（4-3B-1）的离散形式。整定数字控制器的方法与整定模拟控制器的方法差别不大。在结束这节之前，有必要再对控制器作一些说明。式（4-3B-1）表明在任何时候，增益 都是变化的，这将影响积分和微分作用，因为 和 必须变换以适应Kc的变换。所有的模拟控制器都是这种类型，有时候其被指定为“相互作用控制器”。大部分基于微处理器的控制器也是这种类型。然而也有一些控制器用一个术语KI来替代Kc / ，用 KD替代 Kc 以避免这个问题，这就意味着三个整定参数是,P4U3B PID Controllers and Other Contro