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1、自动控制系统基本控制规律,在过程控制系统中，控制器或称调节器是整个控制系统的核心，它将被控变量与给定值进行比较，得到偏差e(t)，然后按不同规律进行运算，产生一个能使偏差至零或很小值的控制信号u(t)。所谓控制器的控制规律就是指控制器的输入e(t)与u(t)输出的关系，即 u(t)=fe(t) 在生产过程常规控制系统中，应用的基本控制规律主要有位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。,位式控制,双位控制 当e0或e0时， u=umin,具有中间区的双位控制,对于双位控制过程，一般均采用振幅与周期(或频率)作为品质指标。如图1-21中振幅为(hHhL)，周期为T,多位控制,双位控制的特点是：控制
2、器只有最大与最小两个输出值；执行器只有“开与“关两个极限位置。因此，对象中物料量或能量总是处于严重的不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡，得不到比较平稳的控制过程。为了改善这种特性，控制器的输出可以增加一个中间值,XCT型动圈式三位指示调节仪进行温度的三位控制,三位指示调节仪有三个指针。其中一个为指示指针，另外两个为给定指针。给定指针的位置可以由面板上的两个给定指针调节旋钮分别调整在任意指示刻度上。,比例控制,一、比例控制规律 比例控制规律(P)可以用下列数学式来表示： u=Kce 式中 u控制器输出变化量； e控制器的输入，即偏差； Kc控制器的比例增益或比例放大系数。 由上式可以看出，比例控制
3、器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的。或者说，比例控制器的输出是与输入一一对应的。,比例控制规律,比例控制器的阶跃响应,比例控制系统,式中 u阀杆位移，相当于控制器的输出； e液位的变化量； KC比例放大系数。 Kc的数值可以通过改变支点O的位置加以调整。,比例度及其对控制过程的影响,对于使用在不同情况下的比例控制器，由于控制器的输入与输出是不同的物理量，因而Kc的量纲是不同的。这样，就不能直接根据Kc数值的大小来判断控制器比例作用的强弱工业生产上所用的控制器，一般都用比例度来表示比例作用的强弱。,100,=,控制器输入的变化范 围，即测量仪表的量程；,控制器输出的变化范围。,
4、比例度与输入输出关系,比例度与比例放大系数KC的关系为：,=,100,K=,由于K为常数，因此控制器的比例度与比例放大系数Kc成反比关系。比例度越小，则放大系数Kc越大，比例控制作用越强；反之，当比例度越大时，表示比例控制作用越弱,在单元组合仪表中，控制器的输入信号是由变送器来的，而控制器和变送器的输出信号都是统一的标准信号，因此常数K=1。所以在单元组合仪表中，与KC成互为倒数关系,比例度对过渡过程品质的影响,比例度对余差的影响,比例度对余差的影响是：比例度越大，Kc越小，由于u =KCe，要获得同样大小的控制作用，所需的偏差就越大。因此，在同样的负荷变化下，控制过程终了时的余差就越大；反之
5、，减小比例度，余差也随之减小。 余差的大小反映了系统的稳态精度。为了获得较高的稳态精度，应适当减小比例度。,比例度对系统稳定性的影响,比例度很大时，由于控制作用很弱，因此过渡过程变化缓慢，过渡过程曲线很平稳(图1-28中的曲线5、6)。减小比例度，由于控制作用增强，过渡过程曲线出现振荡(图中曲线3、4)。当比例度很小时，由于控制作用过强，过渡过程曲线可能出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度K，其相应的曲线如图211中曲线2所示。当比例度继续减小至K以下时，系统可能出现发散振荡(图中曲线1)，这时系统就不能进行正常的控制了。因此，减小比例度会减小系统的稳定性，反之，增大比例度会增强系统的稳定
6、性。,比例控制系统特点及其应用场合,在比例控制系统中，控制器的比例控制规律比较简单，控制比较及时，一旦有偏差出现，马上就有相应的控制作用。因此，比例控制规律是一种最基本最常用的控制规律。但是，由于比例控制作用u是与偏差e成一一对应关系，因此当负荷改变以后，比例控制系统的控制结果存在余差。比例控制系统适用于干扰较小且不频繁、对象滞后较小而时间常数较大、控制准确度要求不高的场合。,积分控制规律 当控制器的输出变化量u与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律(I)。其数学表达式为： 式中 KI积分比例系数 积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为A的阶跃信号时
7、，上式就可写为(式中 TI积分时间),积分控制及比例积分控制,当积分控制器的输入是一常数A时，输出是一直线，其斜率为KIA，KI的大小与积分速度有关。从图中还可以看出，只要偏差存在，积分控制器的输出随着时间不断增大(或减小),积分控制规律的特点,只要偏差存在，控制器的输出就会变化，执行器就要动作，系统就不可能稳定。只有当偏差消除(即e=0)时，输出信号不再变化，执行器停止动作，系统才可能稳定下来。积分控制作用达到稳定时，偏差等于零，这是它的一个显著特点，也是它的一个主要优点。由积分控制器构成的积分控制系统是一个无差系统。 由于积分控制器输出总是滞后于输入，故积分控制过程比较缓慢，控制作用不够及
8、时，过渡过程中被控变量波动较大，不易稳定。因此，积分控制作用一般不单独使用。,比例积分控制规律,输入偏差是一幅值为A的阶跃变化时， u的变化开始是一阶跃变化，其值为KcA(比例作用)，然后随时间逐渐上升(积分作用)。比例作用是即时的、快速的，而积分作用是缓慢的、渐变的,比例积分控制规律特点,由于比例积分控制规律是在比例控制的基础上加上积分控制，所以既具有比例控制作用及时、快速的特点，又具有积分控制能消除余差的性能，因此是生产上常用的控制规律。,积分时间常数对过渡过程的影响,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，这是有利的一面；但另一方面会使过程振荡加剧、稳定性降低，积分
9、时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会出现不稳定的发散振荡，这是不利的一面。 积分时间过大或过小均不合适。积分时间过大，积分作用太弱，余差消除很慢(曲线3)，当TI时，成为纯比例控制器，余差得不到消除(曲线4)；积分时间太小，过渡过程振荡太剧烈(曲线1)，只有当TI适当时，过渡过程能较快地衰减而且没有余差(曲线2)。,积分时间常数的选择,因为积分作用会加剧振荡，这种振荡对于滞后大的对象更为明显。所以，控制器的积分时间应按对象的特性来选择，对于管道压力、流量等滞后不大的对象，TI可选得小些；对温度对象，一般滞后较大，TI可选大些。 一般：流量0.3-1min,温度3-10min,压力0.4-3min,
10、微分控制及比例微分控制,微分控制规律 TD微分时间 在输入变化的瞬间，输出趋于。在此以后，由于输入不再变化，输出立即降到零。这种控制作用称为理想微分控制作用,微分控制规律特点,由于调节器的输出与调节器输入信号的变化速度成正比，变化速度越快，调节器的输出就越大；如果输入信号恒定不变，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零，则微分调节器就没有输出，因此微分调节器不能用来消除静态偏差。而且当偏差的变化速度很慢时，输入信号即使经过时间的积累达到很大的值，微分调节器的作用也不明显。所以这种理想微分控制作用一般不能单独使用，也很难实现。 理想微分控制规律的输出超前于输入，故是超前控制，适用于滞后比较大的
11、对象。,比例微分控制规律,PD控制器的斜坡响应,PD控制系统在不同微分时问的响应过程,P和PD控制过程的比较,实际的比例微分控制器，其比例放大系数Kc(或比例度)及微分时间TD都是可以调整的。微分控制的“超前”作用，能够增加系统的稳定性，改善控制系统的品质指标。对于一些滞后较大的对象(如温度)特别适用。但是，由于微分作用对高频信号特别敏感，因此，在噪声比较严重的系统中，采用微分作用要特别慎重。,比例积分微分控制规律,PID控制规律得点,实际PID控制器在阶跃输入下，开始时，微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生强烈的“超前”控制作用，这种控制作用可看成为“预调。然后微分作用逐渐消
12、失，积分作用的输出逐渐占主导地位，只要余差存在，积分输出就不断增加，这种控制作用可看成为“细调”，一直到余差完全消失，积分作用才有可能停止。而在PID控制器的输出中，比例作用的输出是自始至终与偏差相对应的，它一直是一种最基本的控制作用。在实际PID控制器中，微分环节和积分环节都具有饱和特性。 PID控制器可以调整的参数是Kc、T。、TD。适当选取这三个参数的数值，可以获得较好的控制质量。,改变参数KC、TI、TD，可以使对数幅频特性与相频特性曲线左右移动，也可以使其形状产生相应的变化。一般来说， TI不宜过小，TD不宜过大，以便使系统既能保证足够的稳定性，又能满足稳态准确度的要求。 由于PID
13、控制规律综合了比例、积分、微分三种控制规律的优点，具有较好的控制性能，因而应用范围更广，在温度和成分控制系统中得到更为广泛的应用。 需要说明的是，对于一台实际的PID控制器， KC、TI、TD的参数均可以调整。如果把微分时间调到零，就成为一台比例积分控制器；如果把积分时间放大到最大，就成为一台比例微分控制器；如果把微分时间调到零，同时把积分时间放到最大，就成为一台纯比例控制器了。,各控制规律的特点及使用场合,各控制规律的特点及使用场合,各种控制规律的响应过程,作 业,什么是比例控制器的比例度?一台DDZ-型比例控制器用以控制液位时，其液位的测量范围为01.2m，液位变送器的输出范围为010mA。当液位指示值从04m增大到06m时，比例控制器的输出从4mA增大到5mA。试求控制器的比例度及放大系数。 比例积分微分三作用控制器的控制规律是怎样的?它有什么特点?在什么场合下选用比例(P)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)调节规律?,THANK！,
