单元二(任务一)基本控制规律综述

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1、认识调节器的基本控制规律 一、概述： 1.位式控制 （1）双位控制 （2）具有中间区的双位控制 （3）多位控制 2.比例控制 （1）比例控制规律及其特点 （2）比例度及其对控制过程的影响 3.积分控制 （1）积分控制规律及其特点 （2）比例积分控制规律与积分时间 （3）积分时间对系统过渡过程的影响 4.微分控制 （1）微分控制规律及其特点 （2）实际的微分控制规律及微分时间 （3）比例微分控制系统的过渡过程 （4）比例积分微分控制 5.控制器的控制规律： 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 即 经常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

2、究控制器的控制规律时 二、 位式控制 （一）双位控制 理想的双位控制器其输出p与输入偏差e之间的关系为 图1 理想双位控制特性图2 双位控制示例 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成 为一个具有中间区的双位控制器，见下图。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。 图3 实际的双位控制规律 （二）具有中间区的双位控制 图4 具有中间区的双位控制过程 双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期 长些比较有利。 特点：双位控制器结构简单、成本较

3、低、易于实现， 因而应用很普遍。缺点：被控变量不断振荡。适用 于对控制质量要求不高的场合。 冰箱、空调等 （三）结论 三、比例控制 在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续 的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开 度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可 以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应 的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。 图5 水槽液位控制 1. 比例控制规律及其特点 比例控制器 KC ep 图6 比例控制器 图7 简单比例控制系统示意图 比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大器 如上图，根据相似三角形原理 所以，对于具有比例控

4、制的控制器 只有当偏差e存在， 才能存在。 2.数学表达式和时间特性 表达式为： p=Kce 其阶跃响应曲线(在输入端加阶跃信号,其输出随时间变 化的曲线) 响应快，调节及时，是最基本的调节规律，但是会 产生静差。 e=0，p=0，调节器无输出，调节作用丧失。 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。 3. 比例度及其对控制过程的影响 用比例度来表示其作用的强弱,比例度越小 ,调节作用越强,相反,比例度越大,调节作用就 越弱;比例作用太强时,会引起震荡. 调节器的输出变化量与输入偏差信号成比 例的控制规律。 1.过程简单快速，比例作用大，可以加快调节，减少误差；

5、 2.比例作用过大，使系统稳定性下降，造成不稳定。 3.有余差存在。 比例(P) 控制 P = Kc*e =1/KP*100% 举例 一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是 100200,电动控制器的输出是010mA ,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 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 p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

6、,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。 说明说明 图8 比例度与输入输出的关系 即 将式 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 对一只控制器来说， K是一个固定常数。 将式 代入得 而 KC值与值都可以用来表示 比例控制作用的强弱。 在单元组合式仪表中 左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。 图9 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 图10 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 优点优点：反应快，控制及时和稳定 缺点缺点：存在

7、余差 比例控制规律适应于对象容量大、负荷变化不大 、纯滞后小，允许有余差存在的系统，一般可用于液 位、压力的控制。 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。 四、 积分控制 （一）积分控制规律及其特点 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控 制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。 积分控制作用的输出变化量p与输入 偏差e的积分成正比。 即 ： 积分控制规律 积分控制作用输出信号的大小不仅取决于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 , ,

8、而且主要取决于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。积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。 积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积 分作用就越强。与比例调节相比，积分调节使调节过程缓 慢，波动加大，系统稳定性下降。 优点：优点：无余差，实现无差控制无余差，实现无差控制；缺点：缺点：控制控制过程缓慢过程缓慢 、有滞后、波动较大、不易稳定。积分控制规律一般、有滞后、波动较大、不易稳定。积分控制规律一般 不单独使用。不单独使用。 液位控制系统 积分控制过程 （ 二）比

9、例积分控制规律与积分时间 比例积分控制规律可用下式表示 比例积分控制规律 比例积分控制规律利用比例控制 较及时稳定，积分控制无余差的 特点。 （三）积分时间对系统过渡过程的影响 积分时间对过渡过程的影响 积分时间对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响 具有两重性：具有两重性：当缩短积分时间, 加强积分控制作用时,一方面克 服余差的能力增加。另一方面会 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。 必须选择合适的比例度和积分时间 。 四、 微分控制 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

10、作用不及时，此时可增加微分 作用。 比例积分适应于对象滞后大，负荷变化较大，但 变化速度缓慢并要求控制结果没有余差。广泛使用于 流量，压力，液位。 (一)微分控制规律及其特点 微分控制的动态特性 控制器输出变化量与输入偏差 信号的微分成正比的控制规律 。 TD越大，微分控制作用越强； TD越小，微分控制作用越弱； 1.消除系统滞后；2.超前控制功能；3.易引起系统振荡； 微分控制主要用于容量滞后大，控制反应慢的对象。 赋予调节器的预见性。 微分控制有超前作用，存在余差，易波动，不能单独 使用。 (二)实际的微分控制规律及微分时间 微分作用的特点在偏差存在但不变化时, 微分作用没有输出。 微分调

11、节作用与偏差的变化速度成正比。其效果 是阻止被控变量的变化，有超前调节的作用。对 滞后大的对象有很好的效果。但不能克服纯滞后 。适用于温度调节。 微分作用的强弱取决于微分时间常数Ti，TD越大， 微分作用就越强。 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。 微分控制具有“超 前”控制作用。 (三)比例微分控制系统的过渡过程 当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律： 比例微分控制器的输出p等于比例作用的输 出pP与微分作用的输出pD之和。改变比例度( 或KC)和微分时间 TD分别可

12、以改变比例作用的强弱 和微分作用的强弱。 (四)比例积分微分控制 同时具有比例、积分、微分三种控制作用的控制器称 为比例积分微分控制器。 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和 微分时间 TD。 三个可调参数 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。 控制规律 比例控制、积分控制、微 分控制。 控制规律 特点 控制及时 快速 存在余差 比例度 控制器参数 比例控制 比例度越小，控制作用越 强，比例作用太强引起振 荡。 对象容量大 ,负荷变 化不大、纯滞后小 , 允许有余差存在 .例 如一些塔釜液位、贮 槽液位、冷凝器液位 和次要的蒸汽压力控 制系统等 积分控制 控制

13、规律 特点 控制器参数 控制过程缓慢 可消除余差 积分时间 积分时间越短，控制作用 越强，积分作用太强引起 振荡。 比例积分适应对象 滞后较大 ,负荷变 化较大 ,但变化缓 慢 ,要求控制结果 无余差。此种规律 广泛应用于压力、 流量、液位和那些 没有大的时间滞后 的具体对象 微分控制 控制规律 特点 控制器参数 有超前控 制的作用 微分时间 对滞后大的对象有很好 的效果，使控制过程的 动偏差减小 微分时间越长，控制作 用越强，微分作用太强 引起振荡。 比例微分适应于 对象滞后大,负荷 变化不大,被控变 量变化不频繁,控 制结果允许有余 差存在 比例积分微分PID 优缺点：控制质量高;无余差;

14、参数整定较麻烦。 适应场合：对象滞后大;负荷变化较大,但不甚频繁 ;对控制质量要求高。例如精馏塔、反应器、加热炉等 温度控制系统及某些成分控制系统 。 P、I、D控制规律小结： 控制 规律 特性 参数 控制依据特性参数的影响特点 P偏差大小越小，控制作用越强控制及时存在余差 ITi偏差是否存在Ti越小，控制作用越强消除余差，存在滞后 DTd偏差的变化速度Td越大，控制作用强超前控制、存在余差 在实际试验中，只能先大致确定一个经验值，根据调节效果修改 ： 对于温度系统：P(%) 20-60;I(分钟）3-10；D(分钟）0.5-3 对于流量系统： P(%) 40-100;I(分钟）0.1-1； 对于压力系统： P(%) 30-70;I(分钟）0.4-3； 对于液位系统： P(%) 20-80;I(分钟）1-5； PID参数的整定方法 经 验 口 诀 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低 4 比 1 一看二调多分析，调节质量不会低