《第九讲控制器ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九讲控制器ppt课件（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章第八章 调理器与执行器调理器与执行器n本章主要内容：本章主要内容：n1 1、调理器理器n常用的常用的调理理规律控制算法；律控制算法；n模模拟调理器；理器；n数字数字调理器。理器。n2 2、执行器行器n气气动执行器；行器； n电动执行器；行器；n智能智能执行器。行器。控制系统的根本概念回想控制系统的根本概念回想n过程自动化的概念：过程自动化的概念：n 过程自动化是化工、炼油、食品、过程自动化是化工、炼油、食品、轻工、电力等流程工业消费过程自动轻工、电力等流程工业消费过程自动化的简称。在消费设备上，配上一些化的简称。在消费设备上，配上一些自动化安装仪表，替代操作人员自动化安装仪表，替代操作人
2、员的部分直接劳动，使消费在不同程度的部分直接劳动，使消费在不同程度上自动地进展，并到达预定的目的，上自动地进展，并到达预定的目的，这种用自动化安装来管理消费过程的这种用自动化安装来管理消费过程的方法，称为消费过程自动化。方法，称为消费过程自动化。控制器的功能控制器的功能 将将将将被被被被控控控控变变量量量量的的的的丈丈丈丈量量量量值值与与与与给给定定定定值值进进展展展展比比比比较较得得得得出出出出偏偏偏偏向向向向，然然然然后后后后根根根根据据据据偏偏偏偏向向向向的的的的大大大大小小小小，按按按按照照照照某某某某种种种种运运运运算算算算规规律律律律发发出出出出控控控控制制制制信信信信号号号号，送
3、送送送往往往往执执行行行行器器器器，以以以以实实现现对对被被被被控控控控变变量量量量的自的自的自的自动动控制。控制。控制。控制。 8.18.1控制器常用的控制规律控制器常用的控制规律调理器被控对象丈量变送安装+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA被控变量干扰支配变量支配变量支配支配变量：影响被控量：影响被控变量，抑制干量，抑制干扰使被控使被控变量回到量回到给定定值的的调理理阀的的输出出比例控制系统表示图比例控制系统表示图特点：及时；有余差特点：及时；有余差用此图阐明用此图阐明注：控制器的常用控制规律用黑板控制器的其它功能控制器的其它功能 普普普普通通通通调调理理理理器器器器还
4、还需需需需求求求求具具具具备备如如如如下下下下功功功功能能能能，以以以以顺顺应应自自自自动动控制的需求：控制的需求：控制的需求：控制的需求： 偏向指示偏向指示偏向指示偏向指示指示偏向信号指示偏向信号指示偏向信号指示偏向信号模模模模拟调拟调理器理器理器理器指指指指针针式表式表式表式表头头全全全全刻刻刻刻度度度度指指指指示示示示：输输入入入入信信信信号号号号和和和和设设定定定定值值分分分分别别由由由由不不不不同的指同的指同的指同的指针针在在在在0 0 0 0100100100100范范范范围围指示指示指示指示偏偏偏偏向向向向值值指指指指示示示示：仅仅利利利利用用用用一一一一个个个个指指指指针针来来
5、来来指指指指示示示示偏偏偏偏向向向向信号信号信号信号30303030数字控制器数字控制器数字控制器数字控制器经过经过LEDLEDLEDLED或者液晶屏或者液晶屏或者液晶屏或者液晶屏显显示示示示控制器的其它功能控制器的其它功能输输 出出出出显显 示示示示 显显示示示示调调理理理理器器器器输输出出出出信信信信号号号号的的的的大大大大小小小小，习习惯惯上上上上输输出出出出显显示表也称作示表也称作示表也称作示表也称作阀阀位表。位表。位表。位表。内内内内、外外外外给给定的定的定的定的选择选择给给定定定定信信信信号号号号可可可可以以以以由由由由调调理理理理器器器器内内内内部部部部产产生生生生，也也也也可以
6、由其它可以由其它可以由其它可以由其它仪仪表外部提供表外部提供表外部提供表外部提供内内内内 给给 定定定定的的的的调调 整整整整 正正正正、反反反反作作作作用的用的用的用的选择选择何何何何谓谓正作用？何正作用？何正作用？何正作用？何谓谓反作用？反作用？反作用？反作用？为为了了了了构构构构成成成成一一一一个个个个负负反反反反响响响响控控控控制制制制系系系系统统，必必必必需需需需正正正正确确确确确确确确实实定定定定调调理理理理器器器器的的的的正正正正、反反反反作作作作用用用用。调调理理理理器器器器的的的的正正正正、反反反反作作作作用用用用，是是是是经过经过正、反作用开关来正、反作用开关来正、反作用开
7、关来正、反作用开关来选择选择的。的。的。的。 假假假假设设设设定定定定值值为为内内内内给给定定定定，用用用用户户可可可可以以以以调调整整整整调调理器上的内理器上的内理器上的内理器上的内给给定定定定拨盘拨盘来改来改来改来改动设动设定定定定值值控制器的其它功能控制器的其它功能 手手手手/ / / /自自自自动动双向切双向切双向切双向切换换何何何何谓谓手手手手动动？何何何何谓谓自自自自动动？为为什什什什么要么要么要么要进进展手自展手自展手自展手自动动切切切切换换？ 手手手手动动操作操作操作操作 可可可可以以以以调调整整整整手手手手操操操操拨拨盘盘或或或或者者者者手手手手操操操操扳扳扳扳键键来改来改来
8、改来改动调动调理器的理器的理器的理器的输输出出出出 无无无无扰动扰动切切切切换换 手手手手自自自自动动切切切切换换时时都都都都希希希希望望望望不不不不给给控控控控制制制制系系系系统统带带来来来来扰扰动动，即即即即调调理理理理器器器器的的的的输输出出出出信信信信号号号号不不不不发发生生生生突突突突变变即即即即必必必必需需需需求求求求求求求求无无无无扰扰动动切切切切换换 Kp/Ti/Td Kp/Ti/Td Kp/Ti/Td Kp/Ti/Td的的的的设设置置置置 改改改改动动控制器的特性控制器的特性控制器的特性控制器的特性8.2 模拟控制器模拟控制器12345667DDZIII型调理器正面图1位号牌
9、 2内外给定指示 3内给定设定拨盘4-A/M/H切换 5阀位表 6软手动操作扳键7双针全刻度指示表调调理器的理器的简单认识简单认识控制器控制器调调理器的理器的简单认识简单认识模拟控制器构造方块图模拟控制器构造方块图 控制算法由控制算法由控制算法由控制算法由电电路路路路实现实现， 硬件决硬件决硬件决硬件决议议一切一切一切一切8.3 数字控制器数字控制器PLC 数字控制器含数字控制器含数字控制器含数字控制器含CPUCPUCPUCPU，控制算法由程序，控制算法由程序，控制算法由程序，控制算法由程序实现实现 留意：后面内容为选用比例控制造用对过渡过程的影响比例控制造用对过渡过程的影响比例比例积分控制算
10、法分控制算法uc(t)= K cuc(t)= K c e(t)+K c/T ie(t)+K c/T i0te(t)d(t) 0te(t)d(t) 图图1-3 PI1-3 PI作用的阶跃呼应作用的阶跃呼应在阶跃偏向输入作用下,控制器比例输出up=K c e；积分作用输出u iK c e/T i0tdt,随时间而添加。随动随动控制控制系统系统过渡过渡过程过程 引人积分作用能消除余差，但参与积分作用要保引人积分作用能消除余差，但参与积分作用要保持系统原有的稳定性，必需加大比例度持系统原有的稳定性，必需加大比例度( (减弱比例作减弱比例作用用) )，却又使控制质量有所下降，却又使控制质量有所下降, ,
11、像最大偏向和振荡周像最大偏向和振荡周期相应增大，过渡时间加长。对于控制通道滞后小，期相应增大，过渡时间加长。对于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场所，如流负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场所，如流量或压力的控制，采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量或压力的控制，采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量。图量。图1-31-3所示为在阶跃输入作用下比例积分控制器的输出曲所示为在阶跃输入作用下比例积分控制器的输出曲线。线。比例微分控制算法比例微分控制算法 uc(t)=K c uc(t)=K c e(t)+K ce(t)+K c Tdde(t)/d tTdde(t)/d t
12、 引入微分引入微分产生超前控制造用，使系生超前控制造用，使系统稳定性添加，最大偏向和余差减小，加快控制定性添加，最大偏向和余差减小，加快控制过程，改善控制程，改善控制质量。量。 比例微分控制适用于比例微分控制适用于过程容量滞后程容量滞后较大大的的场所。所。对于滞后很小和于滞后很小和扰动作用作用频繁的系繁的系统，应尽能尽能够防止运用微分作用。防止运用微分作用。阶跃输入信号下的理想阶跃输入信号下的理想PDPD特性特性阶跃输入信号下的实践阶跃输入信号下的实践PDPD特性特性运用微分控制造用要留意以下事运用微分控制造用要留意以下事项。 引入微分控制造用要适宜。引入微分控制造用要适宜。 引入微分作用，使
13、比例作用的开引入微分作用，使比例作用的开环频率矢率矢量添加了一个相位超前量添加了一个相位超前9090 的的D D控制造用矢量，控制造用矢量，当微分控制造用适宜当微分控制造用适宜时，它的引入使整个系，它的引入使整个系统开开环频率特性改善，即幅率特性改善，即幅值稳定裕度和相位定裕度和相位稳定裕度都减小定裕度都减小, ,从而可从而可进一步增大比例增益一步增大比例增益K c K c ，减小系，减小系统的的动态偏向，偏向，缩短回复短回复时间。例如，。例如，时间常数常数较大的温度、成分等控制系大的温度、成分等控制系统，经常常引入微分控制造用来改善系引入微分控制造用来改善系统的控制的控制质量。量。对于纯滞后
14、，微分控制造用不能改善控制质量。纯滞后的频率特性曲线是一个圆，引入微分控制造用后的频率特性仍是圆，并且半径更大因此，不能期望经过引入微分控制造用来改善时滞系统的控制质量。当系统含有时滞环节时，引入微分作用同样不能改善控制系统的控制质量。高频噪声大的被控对象不宜引入微分。 从频率特性可知，微分作用对高频干扰的放大很厉害，因此高频噪声大的被控对象(例如流量和液位控制系统)不宜引入微分。对于高频噪声大的被控对象应采用反微分，它对丈量信号进展滤波。以下图所示为正反微分作用的阶跃呼应曲线。正反微分作用的阶跃呼应曲线正反微分作用的阶跃呼应曲线根据微分增益K d 大小，微分作用分为正微分(K d 1)、反微
15、分(K d 1)。K c e微分控制造用的强弱可从阶跃输入信号作用下输出呼应曲线的面积来衡量(见上图中的阴影)。呼应曲线跳变的最大值为K c K d E。 E是阶跃偏向的幅值， K c是比例增益，K d是微分增益；呼应曲线最终稳定在K c E，即比例作用的输出值。因此，微分增益K d 表示引入微分后对比例作用的最大放大倍数。K d越大，面积越大，微分作用越强。微分时间表征在输出初始跳变后，微分作用可以维持的时间，从呼应曲线来看，微分时间表示从最大值下降到0.632(K d-1)K c E所需的时间。微分时间越大，下降越慢，面积越大，微分作用越强。因此，T d=0或K d1表示没有微分作用。 引
16、入微分的目的是改善高阶系统的控制质量。 从时间特性看，微分作用按偏向的变化率控制，控制及时，时间的超前有利于控制；从传送函数看，引入微分，相当于添加开环零点，如能与对象的极点发生对消，可使系统降阶，因此，适宜配置微分作用有利于控制质量的改善；从频率特性看，引入微分使整个开环频率特性的幅值比增大，尤以高频段更甚，因此，随频率增大，系统频率特性幅值下降时，引入微分可改善系统的稳定性。同时，相位的超前也有利于提高系统的稳定性。换言之，在一样稳定性需求下引入微分，可提高比例增益，减小最大偏向或超调量，缩短过渡过程的回复时间，改善系统控制质量。微分先行。 对于偏向微分，当设定突变时，因偏向等于设定值减丈
17、量值，它会随设定值变化而变化，从而呵斥控制器输出的变化，引起执行器全开或全关，不利于调理过程。为此，一方面设定值应缓 慢变化，另一方面，可以只对丈量信号进展微分，即微分环节放在比较环节前，这种微分称为微分先行，或丈量微分。这时，调整设定值不受限制。PD控制造用对定值控制系统的影响 图1-10所示，可见，Td越大，微分作用越强，控制系统的最大偏向越小，振荡周期和回复时间缩短。PDPD控制造用对定值控制系统的影响控制造用对定值控制系统的影响比例比例积分微分控制分微分控制 理想理想PIDPID控制算法控制算法为: :u c(t)=K ce(t)+1/T u c(t)=K ce(t)+1/T i i0
18、te(t)d(t)+Td0te(t)d(t)+Td de(t)/d tde(t)/d t 理想理想PIDPID控制器控制器传送函数送函数为: : (1-2)实践PID控制器传送函数为：(1-3) 以下图所示为在偏向阶跃输入作用下，实践PID控制器的输出呼应曲线。在偏向阶跃作用下，PID控制器输出先跳变到最大值K c K d E(这是比例微分作用)，然后逐渐下降，并开场上升(这是比例微分和积分的共同作用)，最后由于积分作用，输出呈积分上升。 上图中显示了比例、比例微分和比例积分微分三种控制造用的呼应。可以看到，比例作用是最根本的控制造用，在整个控制过程中都起作用，微分作用主要在控制前期起作用，而
19、积分作用主要在控制后期起作用。PID控制造用对过渡过程的影响： PID控制造用对过渡过程的影响与PI控制造用的影响类似，其中，P作用是根本控制造用,增大K C使系统振荡加剧；I作用能消除余差，但会使系统稳定性变差，闭环呼应变慢；D作用使整个开环频率特性的幅值比增大，改善系统稳定性。 以下图显示了PID控制器中不同的K C值对过渡过程的影响。由于采用积分控制造用，使控制系统无余差，由于添加微分作用，使系统的呼应变快，回复时间缩短。但应留意，过量的微分作用会使控制系统的振荡加剧，稳定性变差。 图图1-12 PID1-12 PID控制造用对过渡过程的影响控制造用对过渡过程的影响8.4 8.4 调理器
20、控制理器控制规律算法的律算法的选择 控制控制规律主要根据律主要根据过程特性和要求来程特性和要求来选择。 当广当广义过程控制通道的程控制通道的时间常数大，或常数大，或多容量引起的容量滞后大多容量引起的容量滞后大时，采用微分作，采用微分作用有良好效果，用有良好效果，积分作用可以消除余差，分作用可以消除余差，因此，可因此，可选用用PIDPID或或PDPD控制控制规律。例如温度律。例如温度过程，此程，此时假假设选用用PIPI控制控制规律那么因律那么因积分作用有滞后，致使控制分作用有滞后，致使控制质量差。量差。当广当广义过程控制通道存在程控制通道存在纯滞后滞后时，假，假设用微分作用来改善控制用微分作用来
21、改善控制质量是无效的。量是无效的。也就是也就是说，微分作用，微分作用对抑制抑制纯滞后是无能滞后是无能为力的。力的。 当广当广义过程控制通道的程控制通道的时间常数常数较小，系小，系统负荷荷变化也化也较小小时。为了消除余差，可以采用了消除余差，可以采用PIPI控控制制规律，如流量律，如流量过程。程。当广当广义过程控制通道程控制通道时间常数常数较小，而小，而负荷荷变化很大化很大时，这时采用微分作用和采用微分作用和积分作用都易引分作用都易引起振起振荡。假。假设控制通道控制通道时间常数很小常数很小时，可采用，可采用反微分作用来提高控制反微分作用来提高控制质量。量。当广当广义过程控制通道的程控制通道的时间常数或常数或时滞很大，滞很大，而而负荷荷变化又很大化又很大时，简单控制系控制系统无法无法满足要足要求，可以求，可以设计复复杂控制系控制系统来提高控制来提高控制质量。量。
