自动控制仪表--课件

第四章第四章 自动控制仪表自动控制仪表第一节第一节 概述概述第二节第二节 基本控制规律及其对系统过基本控制规律及其对系统过 渡过程的影响渡过程的影响1ppt课件 第一节第一节 概概 述述构成自动控制系统的仪表称为构成自动控制系统的仪表称为自动控制仪表自动控制仪表。主要包括变送器、控制器和执行器。还包括很多种主要包括变送器、控制器和执行器。还包括很多种辅助仪表。辅助仪表。给定值给定值(x)：工艺要求的量值。工艺要求的量值。测量值测量值(z):被控变量实际值。被控变量实际值。偏偏 差差(e):测量值与给定值之差测量值与给定值之差(e=z-x)。操纵值操纵值(P)：控制器的输出信号。控制器的输出信号。ez xP 执行器2ppt课件1、基地式控制仪表、基地式控制仪表 与检测装置、显示装置一与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示功能，具有检测、控制与显示功能，所以其结构简单、价格低廉、所以其结构简单、价格低廉、使用方便。使用方便。2、单元组合式仪表中的控制单元、单元组合式仪表中的控制单元 接受测量值与给定值信号，然后根据它们的偏差发出接受测量值与给定值信号，然后根据它们的偏差发出与之有一定关系的控制作用信号。与之有一定关系的控制作用信号。3、以微处理器为单元的控制装置、以微处理器为单元的控制装置控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统。控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统。从控制仪表的发展来看，从控制仪表的发展来看，大体上经历了三个阶段：大体上经历了三个阶段：3ppt课件 第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表第一节第一节 概述概述第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响过程的影响4ppt课件第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响控制规律指控制器的控制规律指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。输出信号与输入信号之间的关系。控制规律研究的是控制规律研究的是p与与e之间的函数关系之间的函数关系，即，即 最常用的控制规律是最常用的控制规律是PID算法，它由基本控制规律算法，它由基本控制规律P、I、D组成组成P、PI、PD、PID，统称统称PID。(5-1)ez xP 执行器 当给定值当给定值x不变时，偏差不变时，偏差e就是被控变量测量值的变化量。就是被控变量测量值的变化量。5ppt课件一、双位控制一、双位控制(开关控制开关控制)1 1、双位控制规律、双位控制规律 Pmax e0 （或（或e0）P Pmin e0 （或（或e0）2 2、举例、举例 液位液位 电磁线圈电磁线圈 阀门阀门 进料进料 液位液位 H HH H0 0 通电通电 关闭关闭 切断进料切断进料 HHHH0 0 H HH H0 0 断电断电 打开打开 进料进料 HHHH0 0 6ppt课件中间区：被控变量有一定的变化范围中间区：被控变量有一定的变化范围 7ppt课件8ppt课件3、品质指标：振幅、品质指标：振幅 周期周期 原则：使振荡幅值在允许的范围内，尽可能的使周原则：使振荡幅值在允许的范围内，尽可能的使周 期延长。期延长。4、特点：结构简单、成本低、易实现、特点：结构简单、成本低、易实现 9ppt课件1、比例控制规律（、比例控制规律（P）二、比例控制二、比例控制ez xp 执行器 控制阀的开度（即控制器的输出值）与被控变量的偏控制阀的开度（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差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置。即：位置。即：10ppt课件ab 比例控制系统示意图比例控制系统示意图举例：如图是一液位控制系统。举例：如图是一液位控制系统。当液位上升时，控制阀就关小；当液位上升时，控制阀就关小；当液位下降时，控制阀就开大。当液位下降时，控制阀就开大。p eeKP比例增益比例增益;(;(放大倍数放大倍数)杠杆就是控制器；杠杆就是控制器；p:控制器的输出；控制器的输出；e:控制器的输入；控制器的输入；a,b杠杆支点与两端的距离杠杆支点与两端的距离(5-4)比例控制器的输出信号比例控制器的输出信号p与输入信号与输入信号e之间成比例之间成比例关系，即：关系，即：(5-3)定义：定义：比例控制规律的比例控制规律的输出变化量输出变化量与与输入偏差输入偏差e成正比。成正比。11ppt课件ett Pt0Ct0KpC12ppt课件2、比例度、比例度由于比例增益由于比例增益KP是有量纲的量，在工程上常将其转换是有量纲的量，在工程上常将其转换成一个无量纲的量：成一个无量纲的量：比例度比例度 比例度比例度就是指控制器就是指控制器输入的相对变化值输入的相对变化值与与相应的输出相应的输出相对变化值相对变化值之比的百分数。用式子表示：之比的百分数。用式子表示：(5-5)e输入变化量；输入变化量；p相应的输出变化量；相应的输出变化量；xmax-xmin 输入的最大变化量，即仪表的量程；输入的最大变化量，即仪表的量程；pmax-pmin 输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围 比例度就是使控制器的比例度就是使控制器的输出变化满刻度时输出变化满刻度时，相应相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数 13ppt课件对于一个具体的比例作用控制器对于一个具体的比例作用控制器:pmax-pmin/xmax-xmin=K所以所以（控制作用强）（控制作用强）故：故：（对于单元组合仪表：（对于单元组合仪表：K=1=1）(5-6)14ppt课件例题例题:一一DDZII型比例控制器温度刻度范围是型比例控制器温度刻度范围是400800，控制器的输出工作范围是，控制器的输出工作范围是010mA。当指示值。当指示值从从600 变化到变化到700时，控制器的输出从时，控制器的输出从4mA变化到变化到9mA。比例度是多少？。比例度是多少？=50%当测量温度变化了当测量温度变化了全量程的全量程的50%时，控制器的时，控制器的输出从输出从最小变为最大最小变为最大(0(010mA)。在这个范围内，温度的变化。在这个范围内，温度的变化与控制器的输出与控制器的输出p是成比例的。是成比例的。15ppt课件pminpmaxe%0%100%也可以说比例度就是使控制器输出变化全范围时，也可以说比例度就是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了输入量程的百分数。输入偏差改变了输入量程的百分数。50%16ppt课件050%100%e%PmaxPminPmax-Pmin2图图5-6 比例度示意图比例度示意图 3、控制器比例度、控制器比例度与输入、输出的关系与输入、输出的关系 =200%=100%=50%17ppt课件eP4 4、比例控制作用的特性、比例控制作用的特性1)1)静态特性：静态特性：控制结束后控制结束后有余差有余差。（即新稳态值不等于给定值）（即新稳态值不等于给定值）2)2)动态特性：动态特性：控制及时，控制及时，无滞后无滞后。teCt0tPt0KpC18ppt课件5、比例控制特点：、比例控制特点：2)动作迅速，作用及时。动作迅速，作用及时。适用于滞后小，负荷变化不适用于滞后小，负荷变化不大，无余差要求的场合。大，无余差要求的场合。3)最终稳定时，最终稳定时，p=0，p=KPe，e()0，即，即存在余差存在余差。KP余差余差C，但但KP过大，过大，系统易发生震荡系统易发生震荡 而不稳定。而不稳定。1)KP()P，即：比例作用越强。即：比例作用越强。如：中间储罐液位，精馏塔塔如：中间储罐液位，精馏塔塔釜液位等釜液位等。19ppt课件6、比例度对过渡过程的影响、比例度对过渡过程的影响比例度比例度越大越大(即即Kp越小越小)，过渡过程，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。比例度曲线越平稳，但余差也越大。比例度越小，则过渡过程曲线越振荡。越小，则过渡过程曲线越振荡。当当比例度比例度大大时即放大倍数时即放大倍数Kp小小，被控变量的被控变量的变化就很缓慢变化就很缓慢(曲线曲线6)。当比例度当比例度减小减小时，时，Kp增大，被控增大，被控变量变化也比较灵敏，开始变量变化也比较灵敏，开始有些振荡，有些振荡，余差不大余差不大（曲线（曲线5，4）.再减小，会出现激烈的振荡再减小，会出现激烈的振荡(曲线曲线3)当当继续减小到某一数值继续减小到某一数值时，系统时，系统出现出现等幅振荡等幅振荡，这时的比例度称为，这时的比例度称为临界比例度临界比例度k(曲线曲线2)。当当小于小于k 时，在干扰产生后将时，在干扰产生后将出现出现发散振荡发散振荡（曲线（曲线1），），20ppt课件7、生产过程常用比例度范围、生产过程常用比例度范围21ppt课件三、积分控制三、积分控制KI 积分速度积分速度1 1、积分、积分(I)(I)控制规律控制规律(5-7)当输入偏差是常数当输入偏差是常数A时，时，即输出是一条直线。即输出是一条直线。e（mA）t0At0P（mA）e（mA）t0At0P（mA）KI1KI2KI3KI1KI2KI3图图5-9 积分控制器特性积分控制器特性 输出信号的输出信号的变化速度变化速度与与偏差偏差e及及KI成正比成正比.22ppt课件2、求积分时间、求积分时间TI：由上式可看出，当输入由上式可看出，当输入e为幅值为为幅值为A的阶跃时，的阶跃时，t=TI 时，输出时，输出p=A。t0e（mA）A0tp（mA）TIA积分时间：在阶跃偏差作用下，输出达到偏差值时的时间。积分时间：在阶跃偏差作用下，输出达到偏差值时的时间。23ppt课件 3)T I积分作用积分作用，TI，积分作用为零。积分作用为零。2)2)动作缓慢控制不及时动作缓慢控制不及时,一般不单独采用。一般不单独采用。1)p与与e的积分成比例的积分成比例,有有e 存在存在,输出就会变化输出就会变化,直到直到 e=0,P才稳定才稳定,故故 可消除可消除 余差。余差。3 3、积分控制器的特点：、积分控制器的特点：被控对象被控对象积分时间（分钟）积分时间（分钟）压压 力力 0.43 流流 量量 0.11 温温 度度 3104)4)生产过程中常用的积分时间。生产过程中常用的积分时间。te（mA）00tp（mA）t1t124ppt课件4 4、比例积分（、比例积分（PIPI）规律）规律 积分作能消除余差，但有滞后。一般与比例作规律积分作能消除余差，但有滞后。一般与比例作规律组合。组合。比例积分比例积分(PI)(PI)控制规律控制规律(5-8)(5-9)当当e为幅值为为幅值为A的阶跃干扰时，可得：的阶跃干扰时，可得：25ppt课件 积分时间：积分时间：在阶跃偏差作用下，输出达到跃变值在阶跃偏差作用下，输出达到跃变值(KpA)的的两倍两倍时的时间。时的时间。1）求放大倍数）求放大倍数KP及积分时间及积分时间TI：当当t=TI时，输出时，输出p=2KpA。t0e(mA)At0P(mA)KPAKPATI 当当e为幅值为为幅值为A的阶跃干扰时：的阶跃干扰时：26ppt课件5 5、积分时间对过渡过程的影响：、积分时间对过渡过程的影响：同样比例度同样比例度下积分时间下积分时间T TI I对过渡过程的影响：对过渡过程的影响：T TI I过大过大，积分作用不明显，积分作用不明显，余差消除慢余差消除慢(曲线曲线3 3）；）；T TI I小小，积分作用明显，积分作用明显，易于易于消除余差消除余差(曲线曲线2 2）；）；27ppt课件1）P动作快动作快,I消除余差。用于要求无余差的系统。消除余差。用于要求无余差的系统。6 6、比例积分控制器特点：、比例积分控制器特点：适用于滞后小适用于滞后小,负荷变化不大负荷变化不大,不允许有余差要求不允许有余差要求的场合。如：压力、流量等控制系统的场合。如：压力、流量等控制系统,不允许有余差不允许有余差的液位控制等的液位控制等 。3）TI积分作用积分作用系统稳定性系统稳定性。对过渡滞后较大的对象，采用对过渡滞后较大的对象，采用PI控制过渡过程时间较长，控制过渡过程时间较长，最大偏差加大，虽最终可消除偏差，但调节质量较差，一最大偏差加大，虽最终可消除偏差，但调节质量较差，一般可加入微分控制。般可加入微分控制。2）当）当TI时时,积分作用趋于零积分作用趋于零,PIP，即比例积分，即比例积分变成纯比例控制规律。变成纯比例控制规律。28ppt课件1、微分、微分(D)控制规律控制规律TD 微分时间常数；微分时间常数；de/dt偏差变化速度。偏差变化速度。四、微分控制四、微分控制t=t0，de/dt，p；t t0，de/dt=0，p=0控制器的输出信号与偏差的控制器的输出信号与偏差的变化速度成正比变化速度成正比，即，即图图5-12 理想微分控制器特性理想微分控制器特性优点：优点：超前控制。超前控制。缺点：缺点：当输入偏差不随时间变化当输入偏差不随时间变化时时,微分作用很快降到零，不能微分作用很快降到零，不能反映偏差大小，不能消除偏差。反映偏差大小，不能消除偏差。注意：微分控制注意：微分控制不能单独使用。不能单独使用。TD 微分作用微分作用 TD 微分作用微分作用 当当t=t0时，控制器输入时，控制器输入e为阶跃信号时，为阶跃信号时，29ppt课件2、比例微分、比例微分(PD)控制规律控制规律 对惯性大的对象用比例微对惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量，分可以改善控制质量，减小减小最大偏差，节省控制时间最大偏差，节省控制时间。(5-11)30ppt课件3、微分时间、微分时间TD对过渡过程的影响对过渡过程的影响 微分作用微分作用力图阻止被控变量的变化，力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的有抑制振荡的效果效果，但如果加得，但如果加得过大过大，反而，反而会引起被控变量大幅度会引起被控变量大幅度的振荡。的振荡。31ppt课件4、微分控制器的特点：、微分控制器的特点：1）T D微分作用微分作用2）若若有偏差且可能很大，有偏差且可能很大，但但e=常数，常数，de/dt=0，则则p=0，不能克服静偏差，不能克服静偏差，有余差，但比纯比例控制要有余差，但比纯比例控制要小；小；3）具有）具有超前控制超前控制的作用。的作用。适用于温度、成分等容量滞后的对象，不适用适用于温度、成分等容量滞后的对象，不适用纯纯滞后对象滞后对象。32ppt课件AA五、比例积分微分五、比例积分微分(PID)控制规律控制规律(5-12)PID控制特点：控制特点：1.集集P、I、D三者之优三者之优点，克服其不足；点，克服其不足；2.实际系统并非实际系统并非PID是最好，是最好，应根据具体情况应根据具体情况 进行选择。进行选择。常用的控制规律：常用的控制规律：P PI PID 正作用控制器：当控制器的输入信号增大正作用控制器：当控制器的输入信号增大(或减小或减小)时，时，其输出信号其输出信号随之增大随之增大(或减小或减小)；反作用控制器：当控制器的输入信号增大反作用控制器：当控制器的输入信号增大(或减小或减小)时，时，其输出信号其输出信号随之减小随之减小(或增大或增大)。33ppt课件例例1:实验测得标准信号为实验测得标准信号为420mA电动调节器的阶跃电动调节器的阶跃响应曲线，如图所示。响应曲线，如图所示。问：问：该控制器的控制规律？该控制器的控制规律？控制器的比例度、积分时间、微分时间？控制器的比例度、积分时间、微分时间？解：解：该控制器为该控制器为PIPI控制规律控制规律 答：控制器的比例度为答：控制器的比例度为200%、积分时间为、积分时间为2分、微分、微 分时间为分时间为0 34ppt课件解：解：又又 测量值减少时，控制器输出减少，测量值减少时，控制器输出减少，是正作用方向。是正作用方向。答答:控制器的实际比例度为控制器的实际比例度为100%，控制器是正作用方向。，控制器是正作用方向。例例2、当、当DDZ型电动控制器的测量指针由型电动控制器的测量指针由50变化变化到到 25，若控制器的纯比例输出信号由，若控制器的纯比例输出信号由12mA下降到下降到 8mA，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制 器的作用方向。器的作用方向。35ppt课件 各种常见控制器的特性及选用参考表各种常见控制器的特性及选用参考表控制器控制器名名 称称 控制作用控制作用 控制质量控制质量 适用对象特性适用对象特性 适用适用 系统系统 纯纯滞后滞后负荷负荷变化变化时间时间常数常数 比例比例控制器控制器控制作用与偏控制作用与偏 差大小成例。差大小成例。控制速度快而稳控制速度快而稳 定，但有余差。定，但有余差。小小 小小较大较大 液位液位 比例比例 积分积分控制器控制器控制作用与偏控制作用与偏差大、小；与差大、小；与偏差对时间的偏差对时间的积分成比例。积分成比例。控制迅速，无余控制迅速，无余差。但积分作用差。但积分作用太强（太强（Ti小），小），使系统震荡。使系统震荡。中等中等 小小稍大稍大 大大 中中 小小液位液位压力压力流量流量 比例比例 微分微分控制器控制器不但与偏差大不但与偏差大小成比例，还小成比例，还与偏差的变化与偏差的变化速度成比例。速度成比例。控制迅速，超调控制迅速，超调量小，有余差，量小，有余差，微分作用太强，微分作用太强，系统震荡不定系统震荡不定。中中较大较大 小小 大大要求要求不高不高 温度温度比例积比例积分微分分微分控制器控制器与偏差大小偏与偏差大小偏差对时间的积差对时间的积分，偏差的变分，偏差的变化速度成例。化速度成例。控制迅速，无余控制迅速，无余差，超调量小，差，超调量小，控制时间短，控控制时间短，控制质量高。制质量高。大大 中中 小小 大大 中中 小小 大大 中中 小小温度温度36ppt课件