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1、第五章 自动控制仪表 qq概述概述 qq基本控制规律基本控制规律 qq模拟式控制器模拟式控制器 qq数字式控制器数字式控制器 控制器是控制系统的核心。 控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求 。 控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变 量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运 算，最终输出控制信号作用于执行器上。 第一节第一节 概述概述 控制器的分类 控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。 按能源形式： 气动电动 气动控制仪表的特点：结构简单，性 能稳定可靠，维护方便，价格便宜， 并且具有本质安全防爆性能，特别适
2、用于石油、化工等有爆炸危险的场所 。 目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数 电动控制仪表的特点： 可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计 算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题， 电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产 过程中得到越来越广泛的应用。 控制器的分类 信号制及供电方式 信号制-指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间 采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。 气动控制仪表：0.020.1MPa 电动控制仪表，010mA（DC）电流信号作为电动型仪表 420mA（DC）电流信号 15V（DC）电压信号 电动型仪表 传输方式：进出
3、控制室的传输信号采用电流信号， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号 模拟式 传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单， 操作方便，价格较低 概 述 p一般与检测装置、显示装置一起组 装在一个整体之内 p同时具有检测、控制与显示的功能 p结构简单、价格低廉、使用方便 p通用性差，信号不易传递 p一般应用于简单控制系统中。 基地式仪表 概 述 单元组合式仪表仪表 按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元 ，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要 求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使 用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统； 数 字
4、式 它以微型计算机为核心，功能完善， 性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的 问题，满足现代生产过程的高质量控制要 求。它可实现连续生产过程、断续生产过 程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等 控制功能，实现批量控制。 概 述 5.1 5.1 基本控制规律及其对过渡过程的影响基本控制规律及其对过渡过程的影响 基本概念 控制规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 控制规律就是控制器的输出信号p(t)随输入信号e(t)变化的规律。 控制器 执行器 对象 测量 变送器 + SP x z ep qy f 在该控制系统中，被控变量由于受扰动在该控制系统中，被控变量由于受扰动f f（如生
5、产负荷的改变，上下工（如生产负荷的改变，上下工 段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量 产生了偏差：产生了偏差： 控制器接受了偏差信号控制器接受了偏差信号e e后，按一定的后，按一定的控制规律控制规律使其输出信号使其输出信号p p发生发生 变化，通过执行器改变操纵变量变化，通过执行器改变操纵变量q q，以抵消干扰对被控变量，以抵消干扰对被控变量y y的影响，从而的影响，从而 使被控变量回到结定值上来。使被控变量回到结定值上来。 比例作用比例作用( (P Proportional)roportional) 积分
6、作用积分作用( (I Integral)ntegral) 微分作用微分作用( (DDerivative)erivative) PID控制器的一般形式为：pf(e) 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为： 比例作用（P） 比例积分作用（PI） 比例微分作用（PD） 比例积分微分作用（PID） KP控制器的比例增益； TI控制器的积分时间； TD控制器的微分时间 ； 控制规律的表示形式 双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，理想的双位控双位控 制控制器输出只有制控制器输出只有2 2个固定的数值，即只有个固定的数值，即只有
7、2 2个极限位置，其基本的控制规律个极限位置，其基本的控制规律 可描述为：可描述为： 双位控制双位控制 图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制示例 实际双位控制双位控制 为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。 给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不 会动作。 图5-3 实际的双位控制规律 图5-4 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 结论 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。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而 应用很普遍。 比例控制比例控制 P P 由此可见，在该控制系统
8、中，阀门开度的改变量与被控变量由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量( (液位液位) )的的 偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号 ( (指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量) )的变化的变化 量之间成比例关系，这种控制规律称为量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制纯比例控制” ” 根据相似三角形原理，有 ： Kp放大倍数（比例增益） Kp越大，比例控制作用越强。比例控制作用越强。 控制器的输出信号p与输入信号e成
9、比例关系成比例关系 Kp（放大倍数或放大倍数或比例增益）衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中 ，习惯上使用比例度表示比例控制作用的强弱。 比例度 定义：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， 表达式为 其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号； (xmax-xmin)为控制器输入 信号的变化范围，即量程； p为控制器输出信号的变化量，即控制命令； (pmax-pmin)为控制器输出信号的变化范围。 例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为400800，控 制器的输出范围是420mA。当温度从600变化到700时，控制器相应 的输出从8mA变为12mA，试求该控
10、制器的比例度。 解： 这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于400 ）时，控制器的 输出从最小变为最大，在此区间内， p 和e是成一一对应比例关系。 可以看出比例度的具体意义为：使控制器的输出变化满刻度时，相应的控制 器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。即要使输出做全范围变化，输 入信号必须改变全量程的百分之几。 左图是比例度的示意图，当比例度分 别为50%、100%、200%时，只要偏 差e的变化占输入信号变化范围的 50%、100%、200%时，控制器的输 出就可以由最小pmin 变为最大pmax。 比例度的定义式可改写为 C为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化范围之比，称
11、为仪表 系数。 对于单元组合仪表，有 所以 结论：比例度 与放大倍数Kp成反比。比例度越小，放大倍数Kp越大， 它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。 为何会有余差 ？ 图5-7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 在t=t0时，系统外加一个干扰作 用 下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。 比例作用对过渡过程的影响比例作用对过渡过程的影响 在扰动即设定值变化时有余差存在。 比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳， 余差也愈大。比例度愈小，余差也愈小， 过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度减 小到某一数值时，系统会出现等幅振荡， 此时的比例度称
12、为临界比例度k。 太小太小 控制作用太强控制作用太强 稳定性降低、甚至造稳定性降低、甚至造 成系统不稳定成系统不稳定 图5-8 比例度对过渡过程的影响 纯比例控制适用场合：纯比例控制适用场合： 干扰幅度较小干扰幅度较小 纯滞后较小纯滞后较小 负荷变化不大负荷变化不大 控制要求不太高控制要求不太高 一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时， 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。渡过程曲线
13、的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。 比例控制系统的特点：比例控制系统的特点：反应快，控制及时反应快，控制及时 控制结果有余差控制结果有余差 比例控制特点：比例控制特点：最大的优点是反应快，控制作用及时最大的优点是反应快，控制作用及时 最大的缺点是控制结果存在余差最大的缺点是控制结果存在余差 当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，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。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。 输出p与输入e的关系为： 其中KI表示积分速度。 输出信号的大小不仅
14、与偏差信号的大小有关，而且与偏差信号存在的时 间长短有关。只有在偏差信号e 等于零的情况下，控制器的输出才能相对 稳定。因此，力图消除余差是积分控制作用的重要特性。 积分控制作用的输出信号p与偏差信号e的积分成正比。 积分控制规律 阶跃偏差下的开环输出特性： 在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分控 制器的开环输出特性为 如右图所示，这是一条斜率不变的直线 ，直到控制器的输出达到最大值或最小 值而无法再进行积分为止，输出直线的 斜率即输出的变化速度正比于控制器的 积分速度KI，即 dp/dt=KIA。 是比例作用和积分作用的合成，输出p与输入e的关系为： TI称为积分时间，TI=1/KI 积分控制的
15、特点 （1）能消除余差 （2）动作缓慢，调节不及时，一般不能单独使用 比例积分控制（比例积分控制（PIPI） 在幅度为A的阶跃输入下，比例输出立 即跳变到KpA，然后积分输出随时间 线性增长。输出特性是一根截距为 KpA、斜率为KpA/TI的直线。 开环输出特性： 积分时间TI越大，直线越平坦，说明积 分作用越弱；TI越小，直线越陡峭，说 明积分作用越强。 KI TI p 积分作用越强 积分时间TI定义：在阶跃偏差作用下 ，控制器的输出达到比例输出的两倍 所经历的时间，就是积分时间TI 。 积分时间TI测定： 将比例度置于100%的刻度上，然 后对控制器输入一个幅度为A的阶跃 偏差，测出控制器的输出跳变值， 同时按秒表计时，等到积分输出与 比例输出相同时所经历的时间就是 积分时间TI。 TI 积分作用对过渡过程的影响积分作用对过渡过程的影
