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1、化工仪表自动化 （Instruments & Automatics of Chemical Engineering） 第四章 自动控制仪表 主讲人：孙行衍 第四章 自动控制仪表 4.1 概述 4.1 概述 4.1 概述 控制系统方框图 4.1 概述 1.控制仪表发展经历的阶段： （1）基地式控制仪表 （2）单元组合仪表中的控制单元 （3）以微处理器为基元的控制装置 4.1 概述 （1）基地式控制仪表 构成：与检测装置、显示装置一起组装在一个整体 之内，同时具有检测、控制与显示的功能 优点：结构简单、价格低廉、使用方便 缺点：通用性差，信号不易传递 实例：沉筒式的气动液位控制器（UTQl型） 4
2、.1 概述 （2）单元组合式仪表中的控制单元 单元式组合仪表定义： 将仪表按其功能的不同分成若干单元（如变送单元、 给定单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完成 其中的一种功能。 特点：各个单元之间以统一的标准信号相互联系。 控制单元的功能：接受测量值与给定值信号，根据它们 的偏差发出与之有一定关系的控制作用信号。 气动：QDZ-型（膜片型)、 QDZ型（波纹管型) 。采用的是20100kpa的气动标准信号。 电动: DDZ型，采用的是010mA信号；DDZ 型，采用的是420mA信号。 4.1 概述 4.1 概述 （3）以微处理器为基元的控制装置 优点：灵敏、可靠、价廉、性能好、控制功能
3、丰富、 操作方便，很容易构成各种复杂控制系统。 举例：总体分散控制装置、单回路数字控制器、可编 程控制器 (PLC)和微计算机系统等。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 1.基本概念 控制规律 控制器的输出信号与输入信号之间的关系（控制规 律是控制器本身的特性） p=f(e)=f(z-x) 一个重要假定 在研究控制器的控制规律时，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。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 2.基本控制规律 双位控制 比例控制（Proportional） 积分控制（Integral） 微分控制（Deriv
4、ative） 比例积分控制（PI） 比例微分控制（PD） 比例积分微分控制（PID） 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 （1） 双位控制 (a)理想的双位控制器 缺点：执行器在频繁工作，容易出现故障。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 控制器控制器 罐 压力 变送器 排放 电磁阀 例:某压力控制系统，控制设定值为 100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时 ，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压 力稍稍大于100KPa时，调节器输出为1 ，电磁阀开，排出气体降低系统压力， 此时罐内压力马上又小于设定值100KPa ，电磁阀关，内部压力马上又会重新升 高，大于100 KP
5、a，调节器输出为1，电 磁阀开，这样调节器输出 在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开 ”和“关”二个状态上不停的动作。电 磁阀的使用寿命一般在10万50万次。 这种现象在实际工业系统中是绝对不允 许的。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (b) 实际中的双位控制器 实际的双位控制特性 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (c)双位控制过程的品质指标 出现了等幅振荡 振幅：yH-yL 周期：T 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 J 如何能够使被控变量稳定下来呢？ J e大u大 e小u小 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 （2）比例控制 (a)控制思想
6、 在双位控制中，被控变量不可避免地会产生等 幅振荡过程。能否考虑使控制阀的开度（即控制 器的输出值）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。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (b)实例分析 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量( (液位液位 ) )的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变 化量与输入信号化量与输入信号
7、( (指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控 变量测量值的变化量变量测量值的变化量) )的变化量之间成比例关系，这种控制的变化量之间成比例关系，这种控制 规律称为规律称为“纯比例控制纯比例控制”。纯比例控制也是一种最基本的控。纯比例控制也是一种最基本的控 制规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克制规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克 服位式控制振荡、不稳定的缺点。服位式控制振荡、不稳定的缺点。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (c)比例控制规律及其特点 比例调节规律表达式： 或 u0是偏差e=0时的调节器的稳定输出值 K
8、P是调节器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别） e(t) u(t) A Kp*A 根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点： 控制及时。一旦偏差不为0，调节器的输出即刻发生改变。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 n 工业上常用比例度代替Kp： 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。 比例度与放大倍数KP成反比。 控制器的比例度越小，它的放大倍数KP 就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能 力越强，反之亦然。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 DDZ-型比例作用控制，温度刻度范围为400800 ，控制器输出工作范围是01
9、0mA。当指示指针从 600移到700，此时控制器相应的输出从4mA变为 9mA，其比例度的值为 说明说明 对于这台控制器，温度变化全量程的50（相当于 200），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内 ，e和p是成比例的。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 比例控制系统的过渡过程 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 比例控制作用下系统的阶跃响应 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 为什么会有余差呢？ 存在余差是比例控制的必然结果，也是比例 控制的最大缺点。 因为杠杆是一种刚性结构，达到新的平衡时 浮球位置必然下移。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的
10、影响 如何减小余差? 对于一定的输出值，只要增大 （即减小 比例度）就可以减小余差。 一定的 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 1 2 3 4 5 6 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 控制器的输出变化 较小，控制阀开度 改变较小，被控变 量的变化就很缓慢 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小
11、将直接影响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 4 5 当比例度减小时， 在同样的偏差下， 控制器输出较大， 控制阀开度改变较 大，被控变量变化 也比较灵敏，开始 有些振荡，余差不 大 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 3 比例度再减小，控 制阀开度改变更大 ，大到有些过分时 ，被控变量也就跟 着过分地变化，再 拉回来时又拉过头 ，结果会出现激烈 地振荡 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小将直接影
12、响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 2 当比例度继续 减小到某一数 值时系统出现 等幅振荡，这 时的比例度称 为临界比例度 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 是否可以无限制地减小比例度呢？ n 比例度的大小将直接影响被控变量的变化，即系统的过 渡过程。从下图可以看出： 1当比例度小 于临界比例 度 时，在 干扰产生后 将出现发散 振荡 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 （3）积分控制 (a)控制思想 当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或 减小）当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在 某一值上。 积分控制作用的输出变化量uI与输入 偏差 e 的积分成
13、正比, KI 代表积分速度 。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (b)(b)积分控制规律及其特点：积分控制规律及其特点： 积分作用是指控制器的输出与输入（偏差）对时间的 积分成比例的特性。表达式为 ： 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (b)(b)积分控制规律及其特点：积分控制规律及其特点： uI(t) e(t) A A uI(t) e(t) A A T Ti i ：积分时间，因为：积分时间，因为T T i i 在分母上，所以在分母上，所以T T i i 越大积分作用越小。越大积分作用越小。 q只要有偏差存在，控制器输出会不断变化，直到偏差为0 消除余差 q控制器的输
14、出是偏差随时间的积分，当t较小时，调节器输出 u(t)很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用，所以一 般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (c)(c)比例积分控制规律与积分时间：比例积分控制规律与积分时间： 比例积分(PI)控制由比例和积分二种控制作用组合而成。 比例作用项比例作用项 积分作用项积分作用项 如果加入幅值为如果加入幅值为A A的阶跃信号：的阶跃信号： e(t) u(t) A uI=KPAt/Ti uP=KPA Ti 积分时间的定义：在阶跃输入下，积分时间的定义：在阶跃输入下， 积分作用的输出变化到比例作用的积分作用的输出变
15、化到比例作用的 输出所经历的时间。输出所经历的时间。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 (d)积分作用对过渡过程的影响 ： 采用比例积分控制作用时，积分时间 对过渡过程的影响具有两重性。在同样的 比例度下，缩短积分时间Ti，将使积分调 节作用加强，容易消除余差，这是有利的 一面。但缩短积分时间，加强积分调节作 用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的 倾向。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，这是不利 的一面。 由图可以看出，积分时间过大或过小 均不合适。Ti过大，积分作用不明显，余 差消除很慢，见曲线3，Ti过小，过渡过程 振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线1。 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 积分作用的特点： 消除余差，会降低系统稳定性。 注意事项： 引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定 性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例 作用（增大比例度或降低比例增益） 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 积分控制最大的优点是消除余差 最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低 4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 n 比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的 被控变
