课件：化工仪表自动化第4章-自动调节仪表.ppt

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1、第四章 自动调节仪表4.1概述概述11.在化工、造纸、炼油等工业生产过程中，对于生产装置中的压力、流量、液位、温度等参数常要求维持在一定的数值上或按一定的规律变化，以满足生产要求。2. 人工控制，操作者根据参数测量值和规定的参数值(给定值)相比较的结果，决定开大或关小某个阀门以维持参数在规定的数值上。 自动控制，可以在检测的基础上，再应用控制仪表(常称为控制器)和执行器来代替人工操作。 3.从调节仪表的发展来看，大体上经历了以下三个阶段: (1)基地式调节仪表 (2)单元组合式仪表中的调节单元 (3)以微处理器为基元的控制装置2o 第四章 自动调节仪表4.2基本控制规律及其对系统过渡过程的影响

2、基本控制规律及其对系统过渡过程的影响自动控制系统方块图1.自动调节仪表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，产生一定的偏差偏差e，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，以实现对于被控变量的自动控制。2.控制器的输出信号就是控制器送往执行器(常用气动执行器)的信号u:3控制仪表2基本控制规律3 1位式控制律位式控制律PID控制律控制律模拟式调节器模拟式调节器数字式调节器数字式调节器可编程控制器可编程控制器o 第四章 自动调节仪表4一、位式控制一、位式控制o 位式控制规律可分为双位控制和多位控制。位式控制规律可分为双位控制和多位控制。o

3、双位控制的特性可以用下面的数学表达式来描述。双位控制的特性可以用下面的数学表达式来描述。5例：储槽液位控制例：储槽液位控制槽内装有电极，作为槽内装有电极，作为液位的测量装置。电液位的测量装置。电极的一端与继电器的极的一端与继电器的线圈线圈 J 相接；另一相接；另一端正好处于液位给定端正好处于液位给定值的位置。值的位置。导电流体经装有电磁导电流体经装有电磁阀阀 V的管线进入贮槽，的管线进入贮槽，再由出料管流出。再由出料管流出。6双位控制律：双位控制律： 当液位低于给定，当液位低于给定，电极与流体不接触，电极与流体不接触，继电器继电器J断开，电磁断开，电磁阀阀V全开，流体流入全开，流体流入贮槽，贮

4、槽，H上升。上升。当液体高于给定，当液体高于给定，电极与流体接触，继电极与流体接触，继电器电器J接通，电磁阀接通，电磁阀V全关，流体不再进全关，流体不再进入贮槽，入贮槽，H下降。下降。如此反复循环。如此反复循环。7o 双位控制律缺点：双位控制律缺点： 执行部件的动作非常频繁，这样使系统中的执行部件的动作非常频繁，这样使系统中的运动部件（继电器、电磁阀）易于损坏，降运动部件（继电器、电磁阀）易于损坏，降低了控制系统的可靠性。低了控制系统的可靠性。p 改进双位控制律：具有中间区的双位控制改进双位控制律：具有中间区的双位控制o 第四章 自动调节仪表8p具有中间区的双位控制器具有中间区的双位控制器其特

5、性可表示为：其特性可表示为：注意注意:被控被控变量有两个变量有两个给定值！给定值！9o 具有中间区的双位控制特性如图具有中间区的双位控制特性如图 4-3 所示。所示。10例：储槽液位具有中间例：储槽液位具有中间区的双位控制律：区的双位控制律： 当液体高于给定当液体高于给定yH ，上磁浮子闭合，继电器上磁浮子闭合，继电器J接通，电磁阀接通，电磁阀V全关，全关，流体不再进入贮槽，流体不再进入贮槽，H下降。下降。但是注意：当液但是注意：当液位低于位低于yH，电磁阀电磁阀V继续继续全关。全关。当液位低于给定当液位低于给定yL，下磁浮子闭合，继电器下磁浮子闭合，继电器J断开，电磁阀断开，电磁阀V全开，全

6、开，流体流入贮槽，流体流入贮槽，H上升。上升。但是注意：当液位高于但是注意：当液位高于yL，电磁阀，电磁阀V继续全开。继续全开。如此反复循环。如此反复循环。yHyL位式磁浮位式磁浮子液位传子液位传感器感器11p具有中间区的双位控制曲线如下图所示：具有中间区的双位控制曲线如下图所示：阀关阀关阀开阀开12o 双位控制优点：双位控制优点： 结构简单，成本较低，且易于实现，适用于某些结构简单，成本较低，且易于实现，适用于某些对控制质量要求不高的应用场合。对控制质量要求不高的应用场合。如：空气压缩机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘如：空气压缩机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温度控制等。箱的温度控制等。p

7、缺点：缺点： 被控变量总是处在震荡过程，控制质量低。被控变量总是处在震荡过程，控制质量低。o 第四章 自动调节仪表13二、比例控制二、比例控制 1. 比例控制规律比例控制规律p 比例控制规律是指控制器的输出变化量与输比例控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差成比例关系，一般用字母入偏差成比例关系，一般用字母 P 表示。表示。 14p比例控制规律的数学表达式为：比例控制规律的数学表达式为： u = KP e 式中式中 u 控制器的输出变化量；控制器的输出变化量； e 控制器的输入，即被控变量测量值与控制控制器的输入，即被控变量测量值与控制器的给定值之差；器的给定值之差； KP 比例控制的放大倍

8、数，又称为比例增益。比例控制的放大倍数，又称为比例增益。o 第四章 自动调节仪表可以看出，比例控制的放大倍数可以看出，比例控制的放大倍数Kp是一个重要的系数，它决定比例控制作是一个重要的系数，它决定比例控制作用的强弱。用的强弱。Kp越大，比例控制作用越强。在实际的比例控制器中，习惯上越大，比例控制作用越强。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度使用比例度而不用放大倍数而不用放大倍数Kp来表示比例控制作用的强弱。来表示比例控制作用的强弱。15比例控制规律的开环阶跃响应特性如图比例控制规律的开环阶跃响应特性如图:euttAKPA显然，在输入偏显然，在输入偏差相同的情况下，差相同的情况下，KP越大，

9、控制越大，控制器的输出变化量器的输出变化量也越大，控制作也越大，控制作用就越强。用就越强。16 o 在过程控制中习惯于采用比例度在过程控制中习惯于采用比例度(也称比例带也称比例带)来衡来衡量比例控制作用的强弱。量比例控制作用的强弱。o 比例度的定义可以用下式来表示比例度的定义可以用下式来表示:17o 比例度就是指控制器的输入相对变化量与对应比例度就是指控制器的输入相对变化量与对应的输出相对变化量的百分比。的输出相对变化量的百分比。o 物理意义：物理意义： 代表使控制器的输出全范围变化时，所需要的被代表使控制器的输出全范围变化时，所需要的被控变量的变化范围。只有当被控变量在这一范围控变量的变化范

10、围。只有当被控变量在这一范围内变化时，控制器的输出才与偏差成比例，如果内变化时，控制器的输出才与偏差成比例，如果超出了超出了“比列带比列带”，控制器的输出将暂时失去比，控制器的输出将暂时失去比例控制作用。例控制作用。18例：在一个电动比例控制器构成的温度控制系统中，被例：在一个电动比例控制器构成的温度控制系统中，被控变量检测仪表的量程范围为：控变量检测仪表的量程范围为：200-300，控制，控制器的输出范围为器的输出范围为0-10mA，当温度从，当温度从250 变化到变化到270 ，相应的控制器输出信号从，相应的控制器输出信号从4mA变化到变化到9mA，控制器的比例度？，控制器的比例度？(27

11、0250)/(300200)100%40%(94)/(100)比例度比例度40%说明：只要温度变化说明：只要温度变化40%(40 )，就可以使控制器的输出信号从就可以使控制器的输出信号从0mA变化到变化到10mA.19 p 在用单元组合仪表构成的控制系统中，DDZ-变送器和控制器都是采用统一的标准信号：4-20mA。p这说明两者互为例数关系，即越小，KP越大，比例控制作用越强；越大，KP越小，比例控制作用越弱。p比例度和放大倍数 KP的关系可进一步简化为：202比例控制的特点比例控制的特点o 显著特点：有差控制，只有当偏差出现，才产生显著特点：有差控制，只有当偏差出现，才产生控制动作，偏差越大

12、，控制器输出变化也越大。控制动作，偏差越大，控制器输出变化也越大。o 快速及时。快速及时。o 缺点：有余差。缺点：有余差。o 比例控制系统适用于干扰较小、不频繁，对象滞比例控制系统适用于干扰较小、不频繁，对象滞后较小而时间常数较大，控制精确度要求不高的后较小而时间常数较大，控制精确度要求不高的场合。场合。21o 例:水加热器温度控制系统曲线曲线3：Q1Q0Q1设定设定值值阀门开度阀门开度曲线曲线2：流量为：流量为Q0，阀开度变，阀开度变化对应温度变化化对应温度变化温度温度O点至点至B点至点至A点，有余差点，有余差223 比例度对控制过程的影响比例度对控制过程的影响比例度影响可从静态和动态两个方

13、面考虑：比例度影响可从静态和动态两个方面考虑：o 比例度对系统静态特性的影响是：比例度对系统静态特性的影响是：比例度越大（即放比例度越大（即放大倍数大倍数 KP越小），控制过程达到稳态时的余差就越越小），控制过程达到稳态时的余差就越大。大。o 对动态特性的影响：对动态特性的影响：减小比例度虽然有利于减小系统减小比例度虽然有利于减小系统达到新稳态时的余差，但却影响到系统的动态特性，达到新稳态时的余差，但却影响到系统的动态特性，使控制系统的稳定性下降。使控制系统的稳定性下降。23对动态特性的影对动态特性的影响：响：可由图所示的在可由图所示的在干扰作用下的闭环干扰作用下的闭环响应曲线来描述：响应曲线

14、来描述：24三、比例积分控制三、比例积分控制 1积分控制规律及其特点积分控制规律及其特点o 积分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差积分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差的积分成比例关系，一般用字母的积分成比例关系，一般用字母 I 表示。表示。o 积分控制规律的数学表达式为：积分控制规律的数学表达式为：式中式中 Ti 积分时间常数，是一个可调的常数。积分时间常数，是一个可调的常数。25积分控制作用积分控制作用的特性可用在阶的特性可用在阶跃输入作用下的跃输入作用下的输出响应曲线来输出响应曲线来说明。说明。当控制器输入当控制器输入偏差偏差 e 为常数为常数 A 时：时：26积分控制规律的

15、特点：积分控制规律的特点：o 积分作用能够消除余差，这是积分控制规律最积分作用能够消除余差，这是积分控制规律最显著的特点，也是它的突出优点；显著的特点，也是它的突出优点；o 主要缺点：不能及时克服干扰，会使控制系统主要缺点：不能及时克服干扰，会使控制系统的稳定性下降；的稳定性下降；o 积分控制规律一般不单独使用。积分控制规律一般不单独使用。272比例积分控制规律比例积分控制规律o 比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控制规律结比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控制规律结合而成，一般用字母合而成，一般用字母 Pl 表示。表示。o 比例积分控制规律的数学表达式为：比例积分控制规律的数学表达式

16、为：o PI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速克服干扰，又能消除系统的余差。既能快速克服干扰，又能消除系统的余差。28当输入偏差是一幅值为当输入偏差是一幅值为 A 的阶跃变化时，比例积分的阶跃变化时，比例积分控制器的输出变化特性曲线如图控制器的输出变化特性曲线如图 4-10 所示。所示。293积分时间对过渡过程的影响o 比例积分（比例积分（PI）控制器，比例度）控制器，比例度（或比例增益（或比例增益 KP）和积分时间）和积分时间 Ti 都是可调参数。都是可调参数。o 讨论：积分时间讨论：积分时间 T i过大和过小对控制效果的影过大和过小对

17、控制效果的影响。响。30 积分时间过大，积分积分时间过大，积分作用太弱，消除余差的作用太弱，消除余差的过程很慢（见曲线过程很慢（见曲线 b ) ；只有当只有当 T i适当时，适当时，过渡过程能较快地衰减，过渡过程能较快地衰减，而且没有余差（见曲线而且没有余差（见曲线c）；）；积分时间太小，控制积分时间太小，控制器的输出变化太快，使器的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降系统的稳定性大大下降（见曲线（见曲线 d ) 。P型控制器型控制器31四、比例微分控制四、比例微分控制 1微分控制规律及其特点微分控制规律及其特点 微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入

18、偏微分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成比例，一般用字母差的变化速度成比例，一般用字母 D 表示。表示。微分控制规律的数学表达式为：微分控制规律的数学表达式为： 当输入偏差信号为幅值当输入偏差信号为幅值 A 的阶跃变化时，微分控制的阶跃变化时，微分控制特性响应曲线如图所示。特性响应曲线如图所示。这种控制器用在系统中，即使偏差很小这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，只要出现变化趋势，马上就进行控制，放有超前控制之称，这是它的优点。，放有超前控制之称，这是它的优点。它的输出不能反映偏差的大小，假如偏它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数

19、值很大，微分作用也没差固定，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，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，它常与所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制例积分微分控制。33实际上的工业控制器实际上的工业控制器采用的都是采用一种近采用的都是采用一种近似的微分作用，它在阶似的微分作用，它在阶跃输入作用下的开环响跃输入作用下的开环响应特性如图所示。应特性如图所示。在阶跃输入的瞬间，在阶跃输入的瞬间，输出突然升到一个较大输出突然升到一个较大的值，然后按指数规律的值，然后按指数规律衰减

20、至零。衰减至零。变化特性可用下面的变化特性可用下面的数学表达式描述：数学表达式描述：34微分控制规律的特点：微分控制规律的特点：o 微分作用是依据偏差的变化速度来进行控制，偏差变化微分作用是依据偏差的变化速度来进行控制，偏差变化速度越大，控制器输出越大。对固定不变的偏差，控制速度越大，控制器输出越大。对固定不变的偏差，控制器输出为零。器输出为零。o 由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化，所以它有提高控制系统稳定性的作用。提高控制系统稳定性的作用。o 不能消除余差。不能消除余差。o 微分控制规律一般不单独使用。微分控制规律一般不单独使用。352比

21、例微分控制规律比例微分控制规律o 理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：p当输入偏差信号为幅值A 的阶跃变化时，实际比例微分控制开环输出响应特性如图所示。36五、比例积分微分控制五、比例积分微分控制o 比例积分微分控制规律是由比例、积分和微分三种控制作用组合而成，一般用字母 PID 表示。o 理想的比例积分微分控制规律的数学表达式为：小结：小结：1.比例调节：根据偏差大小输出，调节及时，但有余差， 越小，调节作用越强， 过小，引起系统震荡。2.积分调节：根据偏差存在时间输出，可消除余差， 但会使最大偏差增大，过渡时间增加，TI 越小，调节作用越强， TI 过小，引起系统震荡。3.微分调节：根

22、据偏差变化速度输出，有超前调节作用，对过渡滞后大的对象有较好效果，可使最大偏差减小，过渡时间减小，余差减小。TD 越大，调节作用越强， TD 过大，引起系统震荡。38PID39PID控制特点：控制特点：p比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。p由于在由于在 PID 控制器中，比例度控制器中，比例度、积分时间、积分时间 Ti ，和微分，和微分时间时间 TD 三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择的合适，就可以获得良好的控制质量。的合适，就可以获得良好的控制质量。pPID控制选用通用的控制器

23、，可实现三作用控制规律。控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器；若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制器制器4.3模拟式控制器模拟式控制器o 第四章 自动调节仪表 控制器的作用是将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，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。气动控制器电动控制器不

24、需要防爆，技术成熟，信号传送慢，不能远距离传送，与现在各种电动仪表难以配套，要实现转换需要转换器。反应速度快，信号易远传，容易与其他仪表配套，功能丰富，符合发展趋势，特别注意防爆问题。1.比较环节2.放大器3.反馈环节 在气动控制器中，给定信号与测量信号都是与它们成一定比例关系的气压信号；在电动控制器中，给定信号与测量信号都是以电信号出现的，在输入电路中进行电压或电流信号的比较。一、主要功能p输入信号：420mAp输出信号：420mAp供电电压：24V DCp控制室联络信号：1-5V DC信号p实现偏差检测：将接收信号与给定值信号进行比较，得到偏差信号。pPID计算：将偏差信号进行PID运算，

25、分别设定P、I、D参数，产生相应的4-20mA控制信号。p具备相应值的指示功能。p整套仪表构成安全火花型防爆系统，与危险场所隔离。DDZ-型调节器型调节器o 第四章 自动调节仪表42二、构成原理由两大部分由两大部分构成构成43控制单元：由自动操作和手动操作组成。控制单元：由自动操作和手动操作组成。44控制单元的内外给定值功能：控制单元的内外给定值功能：45控制器的正反作用功能：控制器的正反作用功能：47一、构成数字式控制器：数字式控制器：KMM可编程调节器可编程调节器硬件部分：硬件部分： p主机部分主机部分p模拟量输入模拟量输入-输出通道输出通道p数字量输入数字量输入-输出通道输出通道p通信接口通信接口p正面板，侧面板正面板，侧面板软件部分：软件部分：p系统程序和用户程序系统程序和用户程序4849KMM正面板上控制方式选择:o 手动方式（M）o 自动方式（A）o 串级方式（C)5051课程小结过程控制仪表：过程控制仪表： o 了解位式控制规律。了解位式控制规律。o 掌握掌握PID三种基本控制规律、特点。三种基本控制规律、特点。o 掌握理想掌握理想PID控制器的控制算式，控制器的控制算式，KP、TI、TD与与控制输出的关系。控制输出的关系。o 掌握掌握DDZ-III调节器的特点及主要功能。调节器的特点及主要功能。 52