21与22概述基本控制规律与控制器

中南大学能源科学与工程学院SchoolofScienceandEngineering.CSU11过程控制仪表与装置中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制主要内容11.1概述11.2基本控制规律与控制器11.3变送器11.4执行器中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.1概述控制仪表包括调节器(控制器)、变送器、执行器等装置，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制装置等阶段。中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.1概述基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)两类。组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。结构形式：从简单到复杂，从分散到集中到分散到集中中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制按结构形式分类按能源形式分类按信号类型分类11.1概述过程控制仪表与装置的分类：中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。表1-1电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC）（24VDC）气源（140kPa）传输信号电信号（电流、电压或脉冲）气压信号构成电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路等）气动元件（气阻、气容、气动放大器等）接线导线，印刷电路板导管，管路板中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制按信号类型分类模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为连续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。分为模拟式和数字式两大类：中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制按信号类型分类电信号：电流信号：4-20mA电压信号：1-5V气信号：气压信号：20-100kPa标准模拟信号：中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器11.2.1双位控制11.2.2比例（P）控制规律11.2.3比例积分（PI）控制规律11.2.4比例微分（PD）控制规律11.2.5比例积分微分（PID）控制规律11.2.6PID控制算式11.2.7模拟控制器11.2.8数字控制器中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器控制器：控制器是自动控制系统中重要的组成部分。它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律(称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器控制规律：控制器的输出信号y与输入偏差信号e之间随时间变化的规律叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。()yfe中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器△x=Xm-Xs△x——偏差Xs——给定值Xm——测量值被控变量接受干扰后能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来，这不仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性有关。中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器!!!须注意：(△x=Xm–Xs)在研究控制器特性时1、输入是被控变量与给定值之差即偏差⊿x，输出是输出信号的变化量△y。2、△x＞0称正偏差△x＜0称负偏差3、△x＞0相应的△y＞0,称为正作用控制器△x＞0相应的△y＜0,称为反作用控制器中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2基本控制规律与控制器控制器规律的分类：控制器的形式虽然很多，有不用外加能源的(自力式的)，有需要外加能源(电动或气动)，但基本控制规律只有有限的几种，即位式控制、比例(Proportional)控制、比例积分(ProportionalIntegral)控制、比例微分控制(ProportionalDerivative)和比例积分微分(ProportionalIntegralDerivative)控制。注意：不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.1双位控制规律双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。（即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制）理想的双位控制器其输出y于输入偏差e之间的关系为：maxmin0(0)0(0)yeeyyee或或中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.1双位控制规律特点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅震荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，这是过量调节所致。实例：液位双位控制系统中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.2比例控制规律23456abey(a)(b)1图液位比例控制系统(a)系统组成(b)比例系数计算示意图1－浮球2－浮球杆3－杠杆4－支点5－阀杆6－控制阀例子：中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.2比例控制规律23456abey(a)(b)1控制器的输出变化量Δy（即阀门开度）与输入变化量e（即液位偏差）之间的关系：byeaabKp则Δy＝KPe令中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.2比例控制规律只具有比例控制规律的控制器为比例控制器，其输出与输入成比例关系。XKYPP（1）定义中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制（2）比例控制规律的参数比例增益Kp和比例度δKp反映比例作用的强弱，Kp越大，比例作用越强，即在一定的输入量下，控制器输出的变化量越大，控制作用越强，反之亦然。在模拟控制器中，比例作用的强弱是用Kp的倒数——比例度δ进行刻度的。中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制δ与Kp的关系:比例度的一般表达式%1001PK%100/minmax12minmax12yyyyxxxx（2）比例控制规律的参数中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求控制器的比例度。（2）比例控制规律的参数中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求控制器的比例度。[解]控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA（2）比例控制规律的参数%50%100816610%1001pK中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制（3）比例控制规律的特点优点：及时迅速缺点：有余差在控制器的输出变化量相同情况下，Kp越大，比例度δ越小，余差也越小。但是，若Kp过分大，系统容易振荡，甚至发散。此外，余差还与扰动的幅值有关，若为阶跃扰动，其幅值越大，在相同Kp下，余差也越大。比例控制器一般适用于负荷变化不大、允许有余差的系统。不同比例带时的输入和输出关系中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.3比例积分控制规律1、积分作用定义：积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例关系。XdtTYI1中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制积分作用的特点优点：能消除余差缺点：慢，控制不及时一般不单独使用中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制2、比例积分控制规律比例积分控制规律——比例与积分两种作用的输出之和IPIPYYXdtTXKY)1(XKYPPXdtTKYIPI中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制3、积分作用的参数积分时间TI——反映积分作用的强弱（TI越小，积分作用越强）积分时间的定义：在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间TI。积分时间基本确定方法：在阶跃信号输入中，积分作用输出为若取积分作用的输出等于比例作用的输出tATKttATKAdtTKYIPttIPIPI)(1212AKtATKPP1tT1中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.4比例微分控制规律1、微分控制规律：控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比。dtdXTYD理想微分控制器的阶跃响应曲线中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制理想的微分作用是不能单独作为控制规律使用的，为什么？中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制微分作用的特点：1-输入偏差变化的速度越大，则微分作用的输出越大，然而对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零。2-或有变化，但变化量小，微分不起作用。3-或变化时间接近零，调节器也起不到调节作用。理想的微分作用不能单独作为控制规律使用中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制2、实际比例微分控制规律XdtdXTKYdtdYKTDPDDSKTSTKSXSYSGDDDP11)()()(比例微分控制器传递函数中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制3、微分作用的参数及其测定在阶跃信号输入时，经拉氏反变换τD微分时间常数当t→0时Y（0）=KPKDA当t→时Y（）=KPADtDpeKXKtY)1(1)(DDDKT中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制微分作用的参数及其测定假定t=τDYD（τD）=KP（KD-1）X·e–1=KP（KD-1）X·36.8%微分时间常数τD：在阶跃信号输入下，比例微分调节器的输出，从一开始的跳变值，下降了微分作用输出部分的63.2%所经过的时间中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制微分作用的参数及其测定微分增益：ＫＤ在阶跃输入下，实际比例微分控制器的输出一开始（t=0）的变化量与最终（t→）的变化量的比值微分时间：TD=KDτD微分时间TD反映了微分作用的强弱：TD越大，微分作用越强，但TD太大，容易引起系统的不良振荡。ＫＤ越大，微分作用也越强，但ＫＤ过大，系统容易受到高频干扰的影响。)()0(YYKDY（0）=KPKDAY（）=KPADDDKT中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制4、比例微分控制规律的特点－超前DDDtaTKKT1图2-10微分作用的超前作用中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制11.2.5比例积分微分控制规律理想的PID作用的微分方程为传递函数为dtdXTXdtTXKYDIP1STSTKSGDIP11)(中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制基本控制规律的比较中南大学能源科学与工程学院自动检测与过程控制（1）比例控制参数Kp对系统性能的影响对动态特性的影响：比例控制Kp加大，使系统的动作灵敏提高，速度加快，Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影响：在系统稳定的情况下，加大比