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1、化工仪表及自动化,第五章 基本控制规律,化工仪表及自动化第五章 基本控制规律,位式控制双位控制具有中间区的双位控制多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,1,目录：,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实际的微分控制规律及微分时间比例微分控制系统的过渡过程比例积分微分控制,位式控制1目录：积分控制,第一节 概论,3,控制仪表经历三个发展阶段,基地式控制仪表 单元组合式仪表中的控制单元 以微处理器为基元的控制装置,第一节 概论3控制仪表经历三个发展阶段 基地式控制仪表,概论,3,p = f(e) =
2、 f(z-x),概论3控制器的控制规律是指即 经常是假定,概论,4,概论控制器的基本控制规律位式控制（其中以双位控制比较常用）4,第一节 位式控制,一、双位控制,5,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,图5-1 理想双位控制特性,图5-2 双位控制示例,第一节 位式控制一、双位控制5理想的双位控制器其输出p与输入,第一节 位式控制,6,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5-3 实际的双位控制
3、规律,二、具有中间区的双位控制,图5-4 具有中间区的双位控制过程,第一节 位式控制6 将上图中的测量装置及继电器,第一节 位式控制,7,第一节 位式控制双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标,第一节 位式控制,三、多位控制,对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。,图5-5 三位控制器特性图,8,以电炉加热为例。三位式调节可以用两个继电器在的触点组成“升温加热”、“恒温调节”及“停止加热”三种输出状态。具体实现方法为采用辅助加热器A和主加热器B两组加热器: 当测量值低于下限设定值时，上、下限继电器均吸合，系统进入“升温加热”状态，此时A、B二组加热器同时加热，因此升温速度较
4、快。 当测量值到达下限设定值，但尚低于上限设定值时，下限继电器释放，断开辅助加热器A的能源供给，升温速率随之下降，系统进入“恒温加热”状态。 当测量值到达上限设定值时，下限继电器仍保持断开状态，上限继电器开始释放，断开主加热器B 能源供给。此时由于主辅加热器均失去能源供给，故温度逐渐下降，直至降到上限设定回差的下限时，上限继电器又吸合，接通主加热器B的能源供给，温度又逐渐上升，周而复始。 由此可见三位式调节比二位式调节升温的速度快，进入恒温调节状态后温度的波动小，精度高。,第一节 位式控制三、多位控制 对系统的控制效果较,第二节 比例控制,9,在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等
5、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。,图5-6 水槽液位控制,第二节 比例控制9 在双位控制系统中，被控变量不可,第二节 比例控制,（9-4）,10,一、比例控制规律及其特点,图5-8 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,第二节 比例控制（9-4）10 一、比例控制规律及其特点比例,第二节 比例控制,如上图，根据相似三角形原理,所以，对于具有比例控制的控制器,（5-4）,11,第二节 比例控制如上图，根据
6、相似三角形原理所以，对于具有比例,第二节 比例控制,12,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。,（5-5）,二、比例度及其对控制过程的影响,1.比例度,第二节 比例控制12 比例度 是指控制器输入,第二节 比例控制,13,第二节 比例控制举例一只比例作用的电动温度控制器,它的量程是,第二节 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。但是当温度变化超过全量程的40%时 (在上例中即温度变化超过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
7、%。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。,说明,14,第二节 比例控制 当温度变化全量程的40%时,11,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。,比例度示意图,（5-5）,11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,第二节 比例控制,15,图5-9 比例度与输入输出的关系,将式（5-5）改写后得,第二节 比例控制15图5-9 比例度与输入输出的关系即（5,第二节 比例控制,对一只控制器来说， K是一个固定常数。,式中,Kp值与值都可以用来表示比例控制作用的强弱。,16,第二节 比例控制对一只控制器来说，
8、 K是一个固定常数。将其代,第二节 比例控制,17,左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。,图5-10 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,图5-11 比例度对过渡过程的影响,在t=t0时，系统外加一个干扰作用,第二节 比例控制17左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程,第二节 比例控制,优点：反应快，控制及时缺点：存在余差,18,第二节 比例控制优点：反应快，控制及时 若对象的,第三节 积分控制,一、积分控制规律及其特点,19,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。,图5-12 积分控制规
9、律,对上式微分,可得,当输入偏差是常数A时,第三节 积分控制一、积分控制规律及其特点19,第三节 积分控制,20,第三节 积分控制结论 积分控制作用输出信号的大小不仅取决,第三节 积分控制,图5-13 液位控制系统,图5-14 积分控制过程,21,第三节 积分控制图5-13 液位控制系统图5-14 积,第三节 积分控制,二、比例积分控制规律与积分时间,比例积分控制规律可用下式表示,（5-8）,图5-15 比例积分控制规律,22,第三节 积分控制 二、比例积分控制规律与积分时间比例积分控,第三节 积分控制,23,第三节 积分控制23由于则（5-9）若偏差是幅值为A的阶跃,第三节 积分控制,三、积
10、分时间对系统过渡过程的影响,图5-16 积分时间对过渡过程的影响,24,第三节 积分控制三、积分时间对系统过渡过程的影响图5-16,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。,25,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,第四节 微分控制,一、微分控制规律及其特点,26,图9-17 微分控制的动态特性,第四节 微分控制一、微分控制规律及其特点26优点具有超前控制,第四节 微分控制,二、实际的微分控制规律及微分时间,
11、微分作用的特点在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。,实际微分控制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，恒等于100%，所以认为：实际的微分控制器是一个比例度为 100%的比例微分控制器。,微分作用,27,第四节 微分控制二、实际的微分控制规律及微分时间微分作用的特,第四节 微分控制,图5-18 实际微分器输出变化曲线,可见，t =0时, p=KDA；t =时,p =A。,微分控制器在阶跃信号的作用下,输出p一开始就立即升高到输入幅值A的KD倍,然后再逐渐下降,到最后就只有比例作用A了。 微分放大倍数KD决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度。,28,第四
12、节 微分控制图5-18 实际微分器输出变化曲线当输入是,第四节 微分控制,微分时间TD是表征微分作用强弱的一个重要参数，它决定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。,在t = T时,整个微分控制器的输出为,取 时,则,29,第四节 微分控制 微分时间TD是表征微分作用强,第四节 微分控制,三、比例微分控制系统的过渡过程,30,第四节 微分控制 三、比例微分控制系统的过渡过程当比例作用和,第四节 微分控制,图5-19 微分时间对过渡过程的影响,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。 微分控制具有“超前”控制作用。,31,第
13、四节 微分控制图5-19 微分时间对过 微分作用具有抑制,第四节 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。,（9-28）,32,第四节 微分控制四、比例积分微分控制 同时具有比例、积,第四节 微分控制,图9-20 PID控制器输出特性,33,第四节 微分控制图9-20 PID控制器输出特性 比,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、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:,34,例题分析 1.目前,在化工生产过程中的自动控制系
14、统,常用控制,35,控制规律输入e与输出p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶,36,控制规律输入e与输出p(或p)的关系式阶跃作用下的响应（阶,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9-21所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。,图5-21 输入偏差信号变化曲线,38,例题分析 2.对一台比例积分控制器作开环试验。已知Kp=2，,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5-22(a)所示。,积分部分的输出为,39,例题分析解：对于PI控制器,其输入输出的关系式为 将输,例题分析,图5-22 输出曲线图,当Kp = 2 , TI = 0. 5min时,故pI输出波形如图5-22 (b)所示。,将图5-22(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图5-22 (c)所示。,40,例题分析图5-22 输出曲线图当Kp = 2 , TI =,END,END,
