化工仪表及自动化第四章

1、第四章自动控制仪表,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 第五节 可编程序控制器,第一节 概述,当e0, P0 正作用调节器 当e0, P0 反作用调节器 另一种表述: 当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为正作用， 反之，如果测量值增加，控制器的输出减小称为反作用。,第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响,控制器的控制规律是指,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,控制器的输出信号与输入信号之间的关系。,控制器的基本

2、控制规律,双位调节、比例调节(P)、积分调节(I)、微分调节(D),双位调节、P、PI、PD 、PID,常用控制规律,一、双位调节 1控制规律 双位调节系统的规律是当测量值大于给定值时，调节器输出为最小（或最大），而当测量值小于给定值时，则输出为最大（或最小），即调节器只有两个数出值。,Pmax eo时或(e0),Pmin eo),P,例：液位控制系统,当HH0 液体接触电极，继电器接通，电磁阀全闭，液体不流进。 问题：系统中 的运动部件例如继电器、电磁阀等控 制机构的动作非常频繁，因动作频繁而易损坏。,(1) HHH 电磁阀全闭,2.品质指标 振幅：yH-yL 周期： T 3. 特点 双位控

3、制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。,实际控制器的控制规律,HL H给定值 HH,二比例调节,具有比例调节规律的调节器称为比例调节器，其输出信号变化量 P 与偏差信号 e 之间成比率关系。,例：,根据相似三角形原理,即：PKpe,Kp决定了比例控制作用的强弱,工业上常用比例度代替Kp 所谓比例度就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，,例如 比例作用控制器,温度量程400800，控制器输出工作范围是420mA,当指示指针从600 移到700此时控制器相应的输出从6 mA变为14 mA,其比例度的值为? 解：,比例度就是使控制器的输出变化满刻度时，相应的仪表

4、测量值变化占仪表测量范围的百分数。,意义：,比例 度与放大倍数Kp成反比， Kp越大，表示控制作用越强， 越大，表示控制作用越弱,输出与输入都为标准对象，则,PKpe,优点: 调节及时，若有偏差，输出立即成比例变化，产生调节作用，偏差越大，输出的作用越强。 缺点: 有余差，受扰动后，稳定值不等于设定值。,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,例：,4、对系统过渡过程的影响,Kp （K ） 系统发散振荡，很危险,Kp较小（太大 ） 调节作用较弱，被调参数变化缓慢。,Kp （） 调节作用加强，系统出现振荡，有余差,Kp （） 调节作用很

5、强，被调参数剧烈变化，,Kp （ K ） 系统出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度,一般地说，若对象的滞后较小、时间常数T较大以及放大倍数K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。,三、积分调节,1.表达式 输出的变化量p与输入的偏差e的积分成正比,2.特点： 1）能消除余差 2）控制作用是随着时间积累才逐渐增强,Ti 积分时间,当e=A时 PKi At,3、比例积分调节规律,1) 特殊点 t=0 时: P=KpA, t=Ti时：P2 KpA, 2)积分时间Ti越小，积分速度Ki越大，积分作用越强。反

6、之，积分时间越大，积分作用越弱。 特点: 无余差、动作快,Ti较大 积分作用弱,调节时间长，消除静差缓慢,4积分对过渡过程影响,比例积分控制器对于多数系统都可采用，但当对象滞后很大时，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。,Ti 积分作用过强，易振荡,Ti 积分作用加强，有利于消除静差,四、微分调节,1、表达式,实际微分:,TD 微分时间,2、微分特点 优点： 这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称。 缺点： 但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

7、也没有输出，因而控制结果不能消除偏差 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比例积分微分控制器。,3、PD比例微分调节规律,PD特点： 1）其作用比比例作用快，因而对惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控制时间。 2）微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，由于控制作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡,4微分对过渡过程影响,4、PID比例积分微分调节规律,特点 1）消除静差I 2）快速进行控制 P、D 3）减少超调 D PID具有较好的控制性能,例1 几种规律比较,例2：某调节器处于反作用状态，当 =80% ，Ti=2

8、min，Td=0 时，在 t= t0时刻加入一幅值为 1mA 的阶跃信号，若调节器的起始工作点为 6mA，试画出调节器的输出波形图。 解：,例3：某调节器处于正作用状态， =100% ，Ti=30s，Td=0，若调节器的起始工作点为 6mA，试画出调节器在 输入如下的输出波形图。,解：该输入可看成如下 两个输入的叠加：,1.比较环节,将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它 们的偏差成比例的偏差信号。,2.放大器,是一个稳态增益很大的比例环节。,3.反馈环节,通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。,第三节 模拟式控制器,1组成 主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动切

9、换电路、输出电路及指示电路等组成。 2工作过程 来自变送器的信号输入电路与给定信号比较偏差PID运算电路输出转换电路420mA,3仪表外观及操作,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,无扰动切换 在切换的瞬间,应当保持控制器的输出不变,这样才能使执行器的位置在切换过程中不致于突变,不会对生产过程引起附加的扰动,这称为无扰动切换,软手动：在软手动状态，并同时按下软手动操作板键,调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小，若手离开

10、操作板键则当时的信号值就被保持。 硬手动：调节器输出完全决定于硬手动操作杆的位置。,第四节 数字式控制器,数字式控制器与模拟式控制器的异同点：,不同点,相同点,仪表总的功能和输入输出关系基本一致。,一、单回路数字调节器（YS-170） 1、特点 1）在外形、结构和使用上都与原来的模拟仪表十分相似； 2）主要由软件实现各种不同的控制功能； 3）微机化的数字调节器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能 4）具备完善的数字通信功能，可以以数字通信的方式完成与集中的数字采集系统及上位计算机的信息交换从而实现管理控制一体化。,2基本构成 硬件:CPUMI /O+通信接口人机接口,3工作节拍,4、功能 1）

11、运算控制功能 ）备用功能 ）程序功能 4）上位通信功能 5）自整定功能,5、显示画面 1）前面板介绍,2)画面组的构成 操作画面组 调整画面组 工程画面,操作画面组 回路画面 趋势画面 报警画面,菜单画面 细目画面,调整画面组,工程画面组 菜单画面 细目画面,小测验： 1.PID控制中积分控制的主要目的是什么？消除余差 2. 微分作用可以用来（C） A.消除余差 B.克服纯滞后 C.克服容量滞后 D.克服传递滞后,3. 控制系统中，调节器的积分时间越大，则( ABD ) A.积分速度越慢 B. 积分作用越弱 C. 积分作用越强 D. 余差越大 E. 余差越小,4设某PI调节器输入阶跃信号如图（e），判断图中哪一个是该调节器的输出响应曲线？B （A）图（a）；（B）图（b）； （C）图（c）；（D）图（d）。,5比