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1、化工仪表及自动化,第四章 自动控制仪表,第一节 概述,自动控制仪表（控制器）在自动控制系统中的作用是： 将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。,图1-4 自动控制系统方块图,第一节 概述,控制仪表发展的三个阶段： 1、基地式控制仪表：它与检测、显示等仪表组装在一起，结构简单、方便，但通用性差，只在特定或小化工厂使用。 2、单元组合式仪表中的控制单元：它是单元（变送单元、定值单元、控制单元、显示单元）组合式，则各单元间以统一的标准信号相互联系。 3、以微处理器为基元的控制装置：其
2、控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统。目前，有总体分散控制装置、单回路数字控制器、可编程数字控制器（PLC）和微计算机系统等。,内容提要,位式控制 双位控制 具有中间区的双位控制比例控制 比例控制规律及其特点 比例度及其对控制过程的影响,第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响,内容提要,积分控制 积分控制规律及其特点 比例积分控制规律与积分时间 积分时间对系统过渡过程的影响微分控制 微分控制规律及其特点 比例微分控制系统的过渡过程 比例积分微分控制,概论,2.1 位式控制,一、双位控制,理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为,双位控制系统：双位控制系统的规律是当
3、测量值大于给定值时，控制器输出为最小（或最大），而当测量值大于给定值时，则输出为最大（或最小），即控制器只有两个数出值。又称为开关控制。,图4-1 理想双位控制特性,图4-2 双位控制示例,缺点：执行器在频繁工作，容易出现故障。,2.1位式控制,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4-3 实际的双位控制规律,二、具有中间区的双位控制,图4-4 具有中间区的双位控制过程,2.1位式控制,图4-4 具有中间区的双
4、位控制过程,2.2 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。,2.2比例控制,一、比例控制规律及其特点,图4-5 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量,2.2比例控制,如上图，根据相似三角形原理,从例题中发现： 该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例控制。,2.2比例控制,比例度 是指控制器输入的变化相对值与相应的
5、输出变化相对值之比的百分数。,（4-5）,二、比例度及其对控制过程的影响,1.比例度,输入的最大变化量,输出的最大变化量,2.2比例控制,可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义： 比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。 或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。比例度越小则输入变化范围就越小。,2.2比例控制,2.2比例控制,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。当温度变化超过全量程的40%时 (在上例中即
6、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,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。,2.2比例控制,即,（4-6）,将式（4-5）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,2.2比例控制,对一只控制器来说， K是一个固定常数。,而,Kp值与值都可以用来表示比例控制作用的强弱。,控制作用强弱：对一个具体比例控制器，放大倍数KP与比例度成反比， KP 越大，则越小，它将偏差（控制器的输入）放大的能力越强，这种放大能力称为控制作用的强弱。反之越弱。即KP 越大，表示控
7、制作用越强，而越大，表示控制作用越弱。,2.2比例控制,左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。,图4-7 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,（1）比例控制的优缺点：优点是反应快，控制及时；即有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。 缺点:系统有余差。,图4-8 比例度对过渡过程的影响,（2）比例度与系统的稳定性关系：, 越小，系统控制越强，只能说明控制是及时，并不能说明 越小越好。 从比例度对过渡过程的影响可得出：小于临界值时，系统过渡过程为发散振荡，系统不稳定；等于
8、临界值时，系统的过渡过程为等幅振荡，系统处于稳定与不稳定之间；适当时，系统的过渡过程为衰减振荡，系统稳定；太大时，系统的过渡过程为非周期振荡，系统较稳定。总之：越大，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。,2.2比例控制,（3）最佳取值：如果对象的滞后较小（/T）、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的可以选小些，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。,参考资料,讨论：被控对象的放大倍数它是对象的静态参数，对象放大倍数较大时，即对象的输出信号的变化量与输入信号（操纵变量）的变化量之比是比较大。如果对象的放大倍数较小时，控制器的比例度应选择小
9、点。会让系统曲线会更好，控制质量更高。,例如，水槽的液位控制系统中，水槽的直径有两种：,1、 直径为1米：水槽的放大倍数较大；对象的液位变化较灵敏，系统灵敏度也较高（过渡过程基本是衰减振荡过程或等幅衰减振荡过程）；如果此时让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原较灵敏的系统对干扰更加敏锐，更有可能让系统振荡而不稳定，出现发散型振荡。,2、直径为10米：水槽的放大倍数相对较小；对象的液位变化相对较迟缓，系统的灵敏度相对来说也较低（过渡过程基本是非周期衰减振荡过程）；如果让控制器的比例度设置较小，即是控制器的放大倍数选择较大，这样会让原不灵敏的系统更加灵敏，让系统更加稳定
10、，出现衰减振荡过程。,2.3 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。,当输入偏差是常数A时,积分控制器特性,2.3积分控制,积分控制器组成的控制系统可以达到无余差,2.3积分控制,二、比例积分控制规律与积分时间,图4-10 比例积分控制规律,积分控制的控制作用是随时间积累才逐渐增强的，所以控制动作缓慢，会出现控制不及时，因此常把比例与积分组合起来，控制及时，同时消除余差。,2.3积分控制,积分时间TI,则,（4-9）,若偏差是幅值为A的阶跃干扰,在时间t = TI时，有,2.3积分控制,三、积分时间对系统过渡过程
11、的影响,积分时间TI越小，积分速度KI越大，积分作用越强。反之，积分时间越大，积分作用越弱。若积分时间无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器。,积分时间对过渡过程的影响 此图是比例积分控制规律,积分时间TI太小时，曲线振荡剧烈，其振幅较大，频率较小； TI太大时，积分作用不明显；只有TI适当时，才能消除余差。,图4-11 积分时间对过渡过程的影响,2.3积分控制,比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。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。,在工程上，一般是先确定好了一个大
12、约的比例度，然后保持比例度不变情况下，加积分作用，特别是积分应从积分时间较大开始，逐步减小积分时间。除稳定性外，指标全好，但实际应用中，应保证一定衰减比（即保证未加积分时比例作用下的衰减比）,2.4微分控制,一、微分控制规律及其特点,微分控制规律特点：只要出现变化趋势，马上就进行控制，所以它具有超前控制能力。但是输出不能反映大小，即使偏差再大，微分作用出没有输出。所以不能单独使用。,2.4微分控制,二、比例微分控制系统的过渡过程,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Kp)和微分时间 TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。,说明：,比例微
13、分控制器特性,2.4微分控制,图4-14 微分时间对过渡过程的影响 此图是比例微分控制规律,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。TD太大时，系统振荡加剧，但其振荡的幅度不大，可是频率较高；TD太小时，微分作用不明显。只有TD适当时，系统才比较平衡。微分控制具有“超前”控制作用。,2.4微分控制,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。,（4-12）,2.4微分控制,PID控制器输出特性,例题分析,1.目前,在化工生产过程中的自动控制系统,常用控制器的控制规律有位式控制、
14、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。试综述它们的特点及使用场合。,解：列表分析如下:,例题分析,（1）,（2）,（3）,例题分析,2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知Kp=2，TI= 0.5min。若输入偏差如图所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。,输入偏差信号变化曲线,例题分析,解：对于PI控制器,其输入输出的关系式为,将输出分为比例和积分两部分,分别画出后再叠加就得到PI控制器的输出波形。比例部分的输出为,当Kp = 2时,输出波形如图 (a)所示。,积分部分的输出为,例题分析,输出曲线图,当Kp = 2 , TI = 0. 5min时,故pI输出波形如图 (b
15、)所示。,将图 (a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图 (c)所示。,3.某台DDZ-III型比例积分控制器，比例度为100%，积分时间为2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将为多少mA？,解：对于DDZ-III型控制器输入和输出范围相同，均为4-20mA，比例系数KP=1/=1。 根据得I0=0.7mA即输出将由5mA变为5.7mA。,4.某台DDZ-III型比例积分控制器，比例度为200%，稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.5mA，经过30s后，输出由5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间为多少？,解：对
16、于DDZ-III型控制器输入和输出范围相同，均为4-20mA，比例系数KP=1/=0.5。 根据积分时间TI=10s,第三节 模拟式控制器,一、概述,模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号。,基本功能,PID运算功能测量值、给定值与偏差显示 输出显示手动与自动的双向切换内、外给定信号的选择正、反作用的选择,控制器的作用？,第三节 模拟式控制仪表,二、DDZ-型电动控制器,1. DDZ-型仪表的特点,（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。,优点,电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。本信号制的电流-电压转换电阻为250。 由于联络信号为15V DC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。,第三节 模拟式控制仪表,（2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。,优点,由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。,
