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1、第4章 控制器,本章内容,2,2019/5/26,过程仪表及自动化,控制器的作用： 将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，针对其偏差按照设计的控制策略进行运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，再由执行器通过改变阀的开度，使被控变量参数数值在工艺要求规定的误差允许范围内。,2019/5/26,3,过程仪表及自动化,本章内容,4,2019/5/26,过程仪表及自动化,4.1 概述,控制器的发展,2019/5/26,5,过程仪表及自动化,以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。信号一般仅在本仪表内起作用，目前较少使用,将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之
2、间采用标准信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合。,DDZ-II型，使用AC220V电源，输出标准信号为010mA； DDZ-III型，使用DC24V电源，输出标准信号为420mA或DC15V。,容易构成各种复杂控制系统，具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。主要有数字控制器、可编程序控制器（PLC）和微型计算机系统、现场总线仪表等。,本章内容,6,2019/5/26,过程仪表及自动化,4.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响,2019/5/26,7,过程仪表及自动化,被控变量由于受扰动f（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
3、值，即产生了偏差e，控制器接收了偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出信号p发生变化，通过控制阀改变操纵变量q，以抵消干扰f对被控变量y的影响，从而使被控变量回到给定值上来。,1.被控变量能否回到给定值上？ 2.或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来?,2019/5/26,8,过程仪表及自动化,这不仅与被控对象的特性有关，而且还与控制器的特性有关。,控制规律,控制规律：控制器的输出信号p随输入信号（偏差e）变化的规律,2019/5/26,9,过程仪表及自动化,正偏差：,负偏差：,正作用控制器：,反作用控制器：,相应的输出,相应的输出,控制规律,基本控制规律有： 位式控制（双位控制较常用
4、） 比例作用(Proportional) 积分作用(Integral) 微分作用(Derivative） 工业上常用的控制规律： 双位控制 纯比例控制 P 比例积分控制 PI 比例微分控制 PD 比例积分微分控制 PID,2019/5/26,10,过程仪表及自动化,4.2.1 双位控制,双位控制的动作规律: 当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称为开关控制。 1.理想的双位控制,2019/5/26,11,过程仪表及自动化,一个采用双位控制的液位控制系统,当液位低于
5、给定值H0时，流体未接触电极，继电器线圈断路，此时电磁阀V全开流体流入贮槽使液位上升 当液位上升至稍大于给定值时，流体与电极接触，于是继电器线圈接通，从而使电磁阀全关，流体不再进入贮槽。 但槽内流体仍在继续往外排出，故液位将要下降。 当液位下降至稍小于给定值时，流体与电极脱离，于是电磁阀V又开启，如此反复循环,2019/5/26,12,过程仪表及自动化,理想双位控制的缺点： 输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在开和关两个状态上不停地动作，这样会因动作频繁而容易损坏，这种现象在实际工业系统中是不允许的。 实际的双位控制 实际使用的是：具有中间区的双位控制。,2019/5/26,13,过程仪表及自
6、动化,2.实际的双位控制,2019/5/26,14,过程仪表及自动化,当偏差大于emax时，控制器的输出变为最大pmax，控制机构处于开（或关）的状态； 当偏差小于emin时，控制器的输出变为最小pmin，控制机构处于关（或开）的状态 e处于emin和emax中间时，控制机构不动作.,液位控制的改进,当液位y低于下限值 时，电磁阀是开的，流体流入贮槽，由于流入量大于流出量，故液位上升。 当升至上限值 时，阀关闭，流体停止流入，由于此时流体只出不入，故液位下降， 直到液位值下降至下限值 时，电磁阀重新开启，液位又开始上升。 是一个等幅振荡过程。,2019/5/26,15,过程仪表及自动化,控制机
7、构开关动作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。,双位控制总结,采用振幅与周期作为品质指标，在设计双位控制系统时，一般希望振幅小而周期长。 如果生产工艺允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控制器的中间区就可以宽一些，这样振荡周期较长，可使可动部件动作的次数减少，于是减少了磨损，减少了维修的工作量，因此，只要被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。 结构简单、成本较低、易于实现，适用于单容量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、工艺允许被控参数在一定范围内波动和要求不高的场合，例如仪表用压缩空气贮罐的压力控制，恒温炉、管式炉的温度控制等。,2019/5/26
8、,16,过程仪表及自动化,4.2.2 比例控制,1.比例控制规律 双位控制的缺点：被控变量会产生持续的等幅振荡过程，这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只用两个极限位置（开或关）。 比例控制：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。,2019/5/26,17,过程仪表及自动化,当液位高于给定值时，控制阀就关小，液位越高，阀关得越小； 若液位低于给定值，控制阀就开大，液位越低，阀开得越大。,2019/5/26,18,过程仪表及自动化,阀门开
9、度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例控制规律。,比例控制的输入输出特性,输入输出关系为：,2019/5/26,19,过程仪表及自动化,比例增益或放大倍数,比例控制器的阶跃响应特性：,Kp决定了比例控制作用的强弱 Kp越大 比例作用越强,比例度,比例度：,2019/5/26,20,过程仪表及自动化,代入，则得,比例度与放大倍数Kp成反比,Kp、反映比例控制作用的强弱 Kp越大 越小 比例作用越强,液位比例控制系统的过渡过程,2019/5/26,21,过程仪表及自动化,在t=t0时，系统外加一个干扰作用Q2,液位h开始下降,作用在控制阀上的信号p,进水量Q1增加,偏差的变化曲线,
10、控制过程结束时，液位的新稳态值将低于给定值，它们之间的差就叫余差。,比例控制规律的特点,优点： 反应快，控制及时。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： 存在余差,2019/5/26,22,过程仪表及自动化,2.比例控制规律对过渡过程的影响,2019/5/26,23,过程仪表及自动化,越大或Kp越小曲线越平稳、余差越大 越小或Kp越大过渡过程曲线振荡越强 比例度过小可能出现发散振荡,系统稳定性和余差是一对矛盾，需要统筹兼顾，调节得到合适的比例度。,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
11、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。,4.2.3 积分控制,1.积分控制规律,2019/5/26,24,过程仪表及自动化,KI积分增益，代表积分速度,当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小） 当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上 因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。 控制动作缓慢，会出现控制不及时,2.比例积分控制规律,比例控制与积分控制组合起来,2019/5/26,25,过程仪表及自动化,TI积分时间,如果加入幅值为A的阶跃信号：,积分时间,积分时间定义：在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化到等于比例作用输出所经历的时间就是积分时间TI TI的大小
12、影响曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢，是表征积分控制作用强弱的一个重要参数。 TI越小（KI越大），直线上升越快，积分控制作用越强。 TI越大（KI越小），直线上升越慢，积分作用越弱。 若TI为无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器。,2019/5/26,26,过程仪表及自动化,3.积分控制规律对过渡过程的影响,积分时间对过渡过程的影响具有两重性，积分时间过大或过小均不合适。,2019/5/26,27,过程仪表及自动化,TI过大，积分作用不明显，余差消除很慢,TI过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低,积分时间TI为无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器,比例积分控制-总结,优点：能消除余
13、差 缺点：但当对象滞后很大，负荷变化剧烈时，控制不能及时，控制时间较长，此时可增加微分作用。 使用场合：控制对象负荷变化不大，过程较缓慢，惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许有余差的场合。,2019/5/26,28,过程仪表及自动化,4.2.4 微分控制,1.微分控制规律,2019/5/26,29,过程仪表及自动化,TD微分时间,优点：只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称。 缺点：输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器。,2.比例微分控制规律,比例微分控制规律,2019/5/26,30,过程仪表
14、及自动化,当TD增大时，微分曲线下降慢，微分作用增强； 当TD减小时，微分曲线下降快，微分作用减弱 当TD=0时，无微分作用，比例微分控制器变为纯比例控制器。,微分时间TD是表征微分控制作用强弱的一个重要参数。,微分时间对过渡过程的影响,TD增大，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为衰减比增大，过渡过程最大偏差减少，过渡时间减小。 TD太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡； 引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有所减少， 微分作用对纯滞后的对象不起作用。,2019/5/26,31,过程仪表及自动化,3. 比例积分微分控制规律PID,PID控制规律：,2019/5/26,32,
15、过程仪表及自动化,PID控制器综合了各种控制规律的优点，取长补短，只要合理选择、TI、TD这3个参数，就能获得较高的控制质量。,本章内容,33,2019/5/26,过程仪表及自动化,4.3 模拟式控制器,4.3.1 模拟式控制器的基本结构 4.3.2 DDZ-型电动单元控制器,2019/5/26,34,过程仪表及自动化,4.3.1 模拟式控制器的基本结构,比较环节：将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。 放大器：一个稳态增益很大的比例环节。 反馈环节：通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。,2019/5/26,35,过程仪表及自动化,4.3.2 DDZ-
16、型电动单元控制器,1.DDZ-型电动控制器特点 1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的标准信号，现场传输信号为DC 420mA，控制室联络信号为DC 15V，信号电流与电压的转换电阻为250 2）采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少 3）DDZ-型仪表统一由电源箱供给DC 24V电源，并有蓄电池作为备用电源。 4）结构合理，与DDZ-型单元组合仪表相比有许多先进之处。 5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。,2019/5/26,36,过程仪表及自动化,2. DDZ-型电动控制器的组成与操作,两个基型品种：全刻度指示和偏差指示 功能： 对偏差进行PID运算 偏差指示 正反作用选择 内外给定切换 产生内给定信号 手动/自动双向切换 阀位显示等 特殊控制器，例如断续控制器、自整定控制器、前馈控制器、非线性
