第五章自动控制仪表

1、,第五章 自动控制仪表,第一节 概述 第二节 基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响 第三节 模拟式控制器 第四节 数字式控制器,第一节 概述,偏差信号e: 给定值与测量信号之差 (Z-X),测量信号Z: 代表被控变量大小的信号,给定值X: 代表规定值之大小的信号,控制信号p : 控制器的输出信号,控制规律:,第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响,基本控制规律：位式控制 比例控制 积分控制 微分控制,一、双位控制,1.理想双位控制规律,pmax e0 （e0） p= pmin e0 （e0）,理想双位控制规律,2.实例,液位 电磁线圈 阀门 进料 液位,HH0 通电 关闭 切断进料 H

2、H0,HH0 断电 打开 进料 HH0,中间区：被控变量有一定 的变化范围,3.品质指标：振幅 周期,原则：使振幅在允许的范围内，尽可能的使周期延长,4.特点：结构简单、成本低、易实现,二、比例控制,1.比例控制规律及比例度,控制规律,测量元件浮球,控制器杠杆,执行器调节阀,e,液位控制系统,放大倍数,KP 控制作用,KP 控制作用,比例控制规律的输出变化量与输入偏差e成正比。,比例度使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变了满量程的百分数。,比例度,由于比例增益Kp是有量纲的量，在工程上常将其转换 成一个无量纲的量：比例度,例如：一台电动比例控制器，输入信号的变化范围为100200，输出信号的

3、变化范围为420mA，当输入变量从140变化到160时，控制器输出信号从12mA16mA，问该控制器的比例度？,解：,当测量温度变化了全量程的80%时，控制器的输出 从4mA20mA。在这个范围内，控制器的输出p与温度的变化是成比例的。,对于单元组合仪表：K=1,d KP 控制作用 d KP 控制作用,比例控制系统的过渡过程,Q2 Q2 Q1h Q1 Q1 = Q2,比例度对过渡过程的影响,使系统出现等幅振荡时的d，称为临界比例度。,t T K t T K ,优、缺点,优点：控制及时，简单、可靠,缺点：余差存在,三.积分控制,1.积分控制规律,KI 积分速度 TI 积分时间,TI1TI2TI3

4、,p与e的积分成比例,有e存在,输出就会变化,直到 e=0,p才稳定,故可消除余差。,动作缓慢控制不及时,一般不单独采用。,TI积分作用，TI，积分作用为零。,特点：,2.比例积分控制规律(PI),积分时间： 在阶跃偏差作用下，积分作用的输出达到比例作用的输出所经历的时间。,KPA,积分时间对过渡过程的影响,TI KI 积分作用 TI KI 积分作用, P动作快,I消除余差。用于要求无余差的系统。,适用于滞后小,负荷变化不大,不允许有余差要求 的场合。如：压力、流量等控制系统，不允许有 余差的液位控制等。,TI积分作用系统稳定性。, 当TI时,积分作用趋于零,PIP，即比例 积分变成纯比例控制

5、规律。,特点：及时、消除余差,四、微分控制,1.理想微分控制规律,TD微分时间,t=t0， de/dt，p,t t0，de/dt=0， p=0,特点：,不管有无输入和它的数值如何，只要输入不改变， 微分作用的输出总是零。,不能消除偏差，不能单独使用。,2.实际的微分控制规律,KD微分增益,3.比例微分控制规律,理想：,实际：,TD 微分作用 TD 微分作用,4.比例积分微分（PID）控制,理想：,实际：,常用的控制规律：P PI PID,特点：,集P、I、D三者之优点， 克服其不足；,实际系统并非PID是最好， 应根据具体情况进行选择。,控制规律是通过控制器来实现的。控制器有模拟控制器、数字控

6、制器、PLC、DCS、FCS等形式，无论何种控制器，它们均具有一些相同的基本功能。,控制器,控制器的基本功能：,1.控制运算：常规PID、自整定PID、自适应等。,2.显示功能：偏差、输出、测量值、给定值以及编程 参数等。,外给定:来自外部输入，一般用于复杂控制系统。,3.内外给定信号：,内给定:来自仪表内部设置，一般用于定值简单控制 系统；,4.控制器的正、反作用选择 （实现控制系统的闭环负反馈）,e=Z-X,正作用：正偏差越大，,测量值越大，,反作用：负偏差越大，,测量值越小，,则控制器输出越大；,则控制器输出越大。,5.手动/自动切换与手动操作,自动：控制器的输出信号Mv根据控制规律随偏

7、差Dv 变化而变；,手动：控制器的输出信号Mv与偏差Dv无关，这时 控制规律无效； 直接由手操纵Mv，类似于直接用手调节阀门。,无扰动切换：控制器的输出不能由于切换而发生变化。,解： ,又 测量值减少时，控制器输出减少， 是正作用方向,答:控制器的实际比例度为100%，控制器是正作用方向。,例1、当智能单元型电动控制器的测量指针由50变化到25，若控制器的纯比例输出信号由12mA下降到8mA，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制器的作用方向。,例2、实验测得标准信号为420mA电动控制器的阶跃响 应曲线，如图所示。,问： 该控制器的控制规律？ 控制器的比例度、积分时间、微分时间？,解: 该控制器为PI控制规律,答：控制器的比例度为200%、积分时间为2分、 微分时间为0,有一比例积分调节器（智能单元型），测量值与给定值均为12mA，若将比例度定在50，积分时间定在最大，调节器的作用方向定在反作用位置，则当测量值由12mA 变化到13mA时，p将由12mA变化到什么数值？当积分时间不是定在最大时，则情况又会如何？,作业:,又 控制器的作用方向定在反作用位置。 测量值增加，输出将减少。,答:p将由12mA变化到10mA。,解：,当积分时间不是定在最大时，p将一直减小下去， 直到最小值。,某台智能单元