化工自动化及仪表.pptx

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1、6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 基本控制规律基本控制规律6.3 6.3 模拟式控制器模拟式控制器6.4 6.4 数字式控制器数字式控制器本章的主要内容：本章的主要内容：第1页/共104页6.1 6.1 概述概述控制器是控制系统的核心。控制器是控制系统的核心。简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图第2页/共104页6.1 6.1 概述概述控制器的作用：控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。使被控变量符合生产要求。控制器的作用？控制器的作用？第3页/共104页 控制器在闭环控制系统中将检测变送环控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过

2、来的信息与被控变量的设定值比较节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制控制规律规律进行运算，最终输出控制信号作用于执进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。行器上。第4页/共104页按能源形式：按能源形式：控制器的分类控制器的分类控控制制器器一一般般可可依依据据能能源源形形式式、信信号号类类型型和和结构形式进行分类。结构形式进行分类。电动控制器电动控制器气动控制器气动控制器第5页/共104页发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，可靠性高、价格便宜

3、，且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。场所。气动控制仪表气动控制仪表第6页/共104页 相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，而等方面比气动仪表容易得多，而且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，故且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，故电动控制仪表的发展非常迅速，应用极为广泛。电动控制仪表的发展非常迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制仪表普遍采取了安全

4、火花防爆近年来，电动控制仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动控制仪表。场所也能使用电动控制仪表。电动控制仪表电动控制仪表第7页/共104页目前采用的控制器以电动控制器占绝目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数。大多数。第8页/共104页按信号类型：按信号类型：数字式数字式模拟式模拟式第9页/共104页 传传输输信信号号通通常常是是连连续续变变化化的的模模拟拟量量，其其线线路路较较为为简简单单，操操作作方方便便，在在过过程程控控制制中中已已经广泛应用。经广泛应用。模拟式控制仪表模拟式控制仪表第10页/共10

5、4页数字式控制仪表数字式控制仪表 数数字字式式控控制制仪仪表表的的传传输输信信号号通通常常是是断断续续变变化化的的数数字字量量，以以微微处处理理器器为为核核心心，其其功功能能完完善善，性性能能优优越越，能能够够解解决决模模拟拟式式仪仪表表难难以以解解决决的的问问题题。近近二二十十年年来来数数字字式式控控制制仪仪表表不不断断涌涌现现新新品品种种应应用用于于过过程程控控制制中中，以提高控制质量。以提高控制质量。第11页/共104页按结构形式：按结构形式：基地式基地式集散控制系统集散控制系统(DCS)(DCS)单元组合式单元组合式组装式组装式第12页/共104页将将控控制制机机构构与与指指示示、记记

6、录录机机构构组组成成一一体体，结结构构简简单单，但但通通用用性性差差，使使用用不不够够灵灵活活，一般仅用于一些简单控制系统。一般仅用于一些简单控制系统。基地式控制仪表基地式控制仪表第13页/共104页将将整整套套仪仪表表划划分分成成能能独独立立实实现现某某种种功功能能的的若若干干单单元元，各各个个单单元元之之间间用用统统一一标标准准信信号号联联系系。将将各各个个单单元元进进行行不不同同的的组组合合，可可以以构构成成具具有有各种功能的控制系统，使用灵活方便。各种功能的控制系统，使用灵活方便。目目前前使使用用较较多多的的单单元元组组合合式式控控制制器器属属电电动动型型，而而在在一一些些老老装装置置

7、上上电电动动型型控控制制器器还还在在使使用用，气气动动单单元元控控制制器器由由于于控控制制滞滞后后太太大已经很少使用。大已经很少使用。单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表第14页/共104页是是在在单单元元组组合合仪仪表表的的基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。功能分离、结构组件化的成套仪表装置。组装式控制仪表组装式控制仪表第15页/共104页 随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展，出出现现了了各各种种以以微微处处理理器器为为基基础础的的控控制制器器，在在结结构构、功功能能、可可靠靠性性等等各各个个方方面面都都使使控控制制器器进进入入一一个个新新阶阶

8、段段。近近二二十十多多年年来来出出现现了了基基于于集集散散控控制制系系统统或或者者现现场场总总线线的的控控制制器器，它它们们除除了了控控制制功功能能外外，还还具具有有网网络络通通信信等等功功能能，适适应应信信息息社社会会大规模生产需要。大规模生产需要。集散控制系统集散控制系统第16页/共104页6.2 6.2 基本控制规律基本控制规律 6.2.0 6.2.0 基本概念基本概念6.2.1 6.2.1 双位控制双位控制6.2.2 6.2.2 连续连续PIDPID控制算法控制算法第17页/共104页6.2.0 6.2.0 基本概念基本概念 过过程程控控制制一一般般是是指指连连续续控控制制系系统统，控

9、控制制器器的的输输出出随随时时间间的的变变化化发发生生连连续续变变化化。不不管管是是何何种种控控制制器器，都都有有其其基基本本的的控制规律。控制规律。第18页/共104页控控制制规规律律就就是是控控制制器器的的输输出出信信号号u(t)随随输输入入信号信号e(t)变化的规律。变化的规律。控控制制器器的的输输出出信信号号u(t)：是是送送往往执执行行机机构构的的控制命令控制命令。控控制制器器的的输输入入信信号号e(t)：是是测测量量值值y(t)与与被被控控变量的设定值之差变量的设定值之差，即，即e(t)=y(t)-r(t)；控制规律的定义：控制规律的定义：是指控制器的是指控制器的输出信号输出信号与

10、与输输入信号入信号之间的关系。之间的关系。第19页/共104页双位控制（开关控制）：双位控制（开关控制）：比例控制：比例控制：积分控制：积分控制：微分控制：微分控制：基本控制规律：基本控制规律：第20页/共104页以以蒸蒸汽汽加加热热反反应应釜釜为为例例：设设反反应应温温度度为为85，反反应应过过程程是是轻轻微微放放热热的的，还需要从外界补充一些热量。还需要从外界补充一些热量。发发现现温温度度一一低低于于85，就就把把蒸蒸汽汽阀阀门门全全开开，一一高高于于85，就就全全关关，这这种种做做法法称称双双位位控控制制，阀阀门门开度只有两个位置，全开或全关。开度只有两个位置，全开或全关。蒸汽加热反应釜

11、蒸汽加热反应釜第21页/共104页蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜供供需需一一直直不不平平衡衡，温温度度波波动动不不可可避免避免显然控制质量差。显然控制质量差。双位控制结果双位控制结果第22页/共104页式中式中y是测量值。是测量值。如如果果在在某某一一静静态态，温温度度为为85，阀阀门门开开度度是是三三圈圈。试试着着这这样样调调节节：当当温温度度高高于于85时时，每每高高出出5就就关关一一圈圈阀阀门门；当当低低于于85时时，每每降降低低5就就开开一一圈圈阀阀门门。这这样样，阀阀门门的的开开启启度度与与偏偏差差成成比比例例关关系系，用数学公式表示则为：用数学公式表示则为：蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应

12、釜第23页/共104页比比例例控控制制规规律律模模仿仿上上述述操操作作方方式式，控控制制器器的的输输出出u(t)与偏差与偏差e(t)的对应关系为：的对应关系为：u(t)=u(0)+Kce(t)式式中中u(t)是是比比例例控控制制器器的的输输出出；u(0)是是偏偏差差e为为零零时时的的控控制制器器输输出出，e=y-r；Kc是是控控制制器器的的比比例例放大倍数。放大倍数。第24页/共104页比比例例控控制制的的缺缺点点是是在在负负荷荷变变化化时时有有余余差差。例例如如，在在该该例例子子中中，如如果果工工况况有有变变动动（如如要要求求出出料料量量增增加加），阀阀门门开开三三圈圈，就就不不再再能能使使

13、温温度度保保持持在在85。第25页/共104页 比比例例操操作作方方式式会会有有余余差差存存在在。为为了了消消除除余余差差，人人们们试试图图寻寻求求新新的的控控制制方方法法：把把阀阀门门开开启启数数圈圈后后，不不断断观观察察测测量量值值，若若低低于于85，则则慢慢慢慢地地继继续续开开大大阀阀门门；若若高高于于85，则则慢慢慢慢地地把把阀阀门门关关小小，直直到到温温度度回回到到85。这这种种方方式式的的特特点点：是是按按偏偏差差来来决决定定阀阀门门开开启启或或关关闭闭的的速速度度，而而不不是是直直接接决决定定阀阀门开启的圈数。门开启的圈数。控制器输出的变化速度与偏差成正比。控制器输出的变化速度与

14、偏差成正比。第26页/共104页由由上上式式可可看看出出，只只要要有有偏偏差差随随时时间间而而存存在在，控控制制器器输输出出总总是是在在不不断断变变化化，直直到到偏偏差差为为零零时时，输输出出才才会会稳定在某一数值上。稳定在某一数值上。积分后得积分后得 控控制制器器输输出出与与偏偏差差成成积积分分关关系系这这就就是是积积分分控控制制规律规律。第27页/共104页 对对于于容容量量滞滞后后较较大大的的过过程程（如如下下图图），当当出出现现偏差时，其数值已较大，对控制及生产不利。偏差时，其数值已较大，对控制及生产不利。第28页/共104页此此时时，人人们们需需要要寻寻求求新新的的方方法法：观观察察

15、偏偏差差的的变变化化速度速度即趋势即趋势来开启阀门的圈数来开启阀门的圈数控控制制器器的的输输出出与与偏偏差差对对时时间间的的微微分分成成正比，正比，所以称为微分控制所以称为微分控制规律。规律。第29页/共104页6.2.1 6.2.1 双位控制双位控制理想的双位控制器输出与输入偏差之间的关系为：理想的双位控制器输出与输入偏差之间的关系为：当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为最小（或最大）。最小（或最大）。控制器只有两个输出值，相应控制器只有两个输出值，相应的执行机构只

16、有开和关两个极限位置的执行机构只有开和关两个极限位置。第30页/共104页为了降低控制机构的开关频率，延长控制为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作。化时，控制机构不会动作。实际的双位控制特性实际的双位控制特性第31页/共104页6.2.2 6.2.2 连续连续PIDPID控制算法控制算法6.2.2.1 6.2.2.1 比例控制比例控制(P)P)(1)比例控制规律比例控制规律 输出信号与输入信号之间的关系为输出信号与输入信号之间的关

17、系为 式中：式中：Kc 比例增益，衡量比例控制作用强弱的比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。变量。比例增益比例增益Kc是控制器的输出变量是控制器的输出变量u(t)与输入变量与输入变量e(t)之比。之比。Kc越大，在相同偏差越大，在相同偏差e(t)输入下，输出输入下，输出u(t)也越大。也越大。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有滞后。上没有滞后。第32页/共104页比例增益比例增益Kc衡量比衡量比例控制作用强弱的变量。例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用在实际中，习惯上使用比例度比例度表示比例控制表示比例控制作用的强弱作用的强弱

18、。阶跃偏差作用下比例控阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性制器的开环输出特性比例控制规律的开环输出特性：比例控制规律的开环输出特性：第33页/共104页(2)(2)比例度比例度 定义：控制器输入的定义：控制器输入的变化相对值变化相对值与与相应的输出变化相相应的输出变化相对值之比的百分数对值之比的百分数，表达式为表达式为其中：其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；(Zmax-Zmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程；为控制器输入信号的变化范围，即量程；u为为控制器输出信号的变化量，即控制命令；控制器输出信号的变化量，即控制命令；(umax-um

19、in)为控为控制器输出信号的变化范围。制器输出信号的变化范围。第34页/共104页可以看出比例度的具体含义为：可以看出比例度的具体含义为：使控制器的输出使控制器的输出变化满刻度时，相应的控制器输入变化量占输入变化满刻度时，相应的控制器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。信号变化范围的百分数。即要使输出做全范围变即要使输出做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几化，输入信号必须改变全量程的百分之几（P107）。）。比例度示意图比例度示意图左图是比例度的示意图，左图是比例度的示意图，当比例度分别为当比例度分别为50%、100%、200%时，只要偏时，只要偏差差e的变化占输入信号变化的变化占

20、输入信号变化范围的范围的50%、100%、200%时，控制器的输出时，控制器的输出就可以由最小就可以由最小umin 变为最变为最大大umax。第35页/共104页比例度的定义式可改写为比例度的定义式可改写为C为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化范围之比，称为范围之比，称为仪表系数。仪表系数。第36页/共104页对于单元组合仪表，有对于单元组合仪表，有由前面得：由前面得：所以所以结论：结论：比例度比例度 与放大倍数与放大倍数Kc成反比。比例度成反比。比例度越小，放大倍数越小，放大倍数Kc越大，它将偏差（控制器输越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力

21、越强，反之亦然。入）放大的能力越强，反之亦然。第37页/共104页例题：例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为化范围为400800，控制器的输出范围是，控制器的输出范围是420mA。当温度从当温度从600变化到变化到700时，控制器时，控制器相应的输出从相应的输出从8mA变为变为12mA，试求该控制器的比试求该控制器的比例度。例度。这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于400 ）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，间内，e和和u是成比例的。是成比例的

22、。解：解：第38页/共104页(3)(3)比例度比例度对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响 在扰动（如负荷）及设定值在扰动（如负荷）及设定值变化时变化时有余差存在。有余差存在。比例度越大，过渡过程曲线比例度越大，过渡过程曲线越平稳，余差越大。比例度越小，越平稳，余差越大。比例度越小，过渡过程曲线振荡越厉害。当比过渡过程曲线振荡越厉害。当比例度例度减小到某一数值时，系统减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度会出现等幅振荡，此时的比例度称为称为临界比例度临界比例度k k。第39页/共104页对两类控制系统来说，最大偏差不一样，对对两类控

23、制系统来说，最大偏差不一样，对与定值控制系统，与定值控制系统，越小，最大偏差越小；对越小，最大偏差越小；对于随动控制系统，于随动控制系统，越小，最大偏差却越大。越小，最大偏差却越大。这是因为这是因为最大偏差取决于余差和超调量。最大偏差取决于余差和超调量。比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响在定值控制系统中，主要取决于在定值控制系统中，主要取决于余差余差，小则余差小，小则余差小，所以最大偏差也小；在随动控制系统中，最大偏差取所以最大偏差也小；在随动控制系统中，最大偏差取决于决于超调量超调量，小则超调量大，所以最大偏差就大。小则超调量大，所以最大偏差就大。定值 控制随动控制第40页/共10

24、4页选择比例度选择比例度的原则：的原则：一般地，若对象的一般地，若对象的滞后较小、时间常数较大滞后较小、时间常数较大以及以及放大倍数较小放大倍数较小时，控制器的比例度时，控制器的比例度要小，要小，以提高系以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程的曲线较好。统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程的曲线较好。反之，比反之，比例例度度就要大就要大，以保证系统稳定。以保证系统稳定。比例控制特点：比例控制特点：是最基本、最主要的控制规律，应是最基本、最主要的控制规律，应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。定。适用场合：适用场合：扰动幅度较小、

25、负荷变化不大、过程时滞扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞较小或控制要求不高的场合。较小或控制要求不高的场合。第41页/共104页6.2.2.2 6.2.2.2 比例积分控制比例积分控制(PI)PI)(1)(1)积分控制规律积分控制规律输出输出u(t)u(t)与输入与输入e(t)e(t)的关系为的关系为其中其中KI表示表示积分速度积分速度。输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且与输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且与偏差信号存在的时间长短有关。只有在偏差信号偏差信号存在的时间长短有关。只有在偏差信号e e 为为零的情况下，控制器的输出才会稳定。所以，零的情况下，控制器的输出才会稳

26、定。所以，消除余消除余差是积分控制作用的主要特点。差是积分控制作用的主要特点。第42页/共104页阶跃偏差下的开环输出特性阶跃偏差下的开环输出特性阶跃偏差下的开环输出特性：阶跃偏差下的开环输出特性：在幅度为在幅度为A的阶跃偏差作的阶跃偏差作用下，积分控制器的用下，积分控制器的开环输出开环输出特性为特性为如右图所示，这是一条直线，如右图所示，这是一条直线，直到控制器的输出达到最大值直到控制器的输出达到最大值或最小值而无法再进行积分为或最小值而无法再进行积分为止，输出的变化速度正比于控止，输出的变化速度正比于控制器的积分速度制器的积分速度KI，即即 第43页/共104页积分作用的落后性积分作用的落

27、后性积分作用的落后性：积分作用的落后性：积分控制作用总是滞后于积分控制作用总是滞后于偏差的存在，偏差的存在，所以在工业所以在工业生产中不单独使用生产中不单独使用。常常将比例作用和积分作常常将比例作用和积分作用相结合组成比例积分控用相结合组成比例积分控制作用来使用。制作用来使用。第44页/共104页(2)(2)比例积分控制规律比例积分控制规律是是比例作用比例作用和和积分作用积分作用的的合成合成，因此，输出因此，输出u(t)u(t)与与输入输入e(t)e(t)的关系为的关系为其中：其中：Kce(t)是比例项，是比例项，（Kc/TI）t0e(t)dt是积分项，是积分项，TI称为积分时间，称为积分时间

28、，（Kc/TI）=KI。第45页/共104页开环输出特性：开环输出特性：在幅度为在幅度为A的阶跃输入作用下，的阶跃输入作用下，比例输出立即跳变到比例输出立即跳变到KCA，然后然后积分输出随时间线性增长，输出积分输出随时间线性增长，输出特性是一根截距为特性是一根截距为KCA、斜率为斜率为KCA/TI的直线。的直线。积分时间积分时间TI越大越大TI越小越小积分作用越弱积分作用越弱积分作用越强积分作用越强第46页/共104页积分时间积分时间TI测定测定：将比例度将比例度置于置于100%的刻度上，的刻度上，然后对控制器输入一个幅度为然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的的阶跃偏差，测出控

29、制器的输出跳变值，同时按秒表计时，输出跳变值，同时按秒表计时，等到积分输出与比例输出相同等到积分输出与比例输出相同时所经历的时间就是积分时间时所经历的时间就是积分时间TI。积分时间积分时间TI定义：定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的出达到比例输出的两倍两倍所经历的时间，就是积分时所经历的时间，就是积分时间间TI。第47页/共104页(3)积分时间积分时间TI对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，随着随着TI减小，则积分作用增强，消除余差较快，但减小，则积分作用

30、增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；TI过小，过小，可能导致系统不稳定。可能导致系统不稳定。TI小，扰动作用下的最大偏小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。差下降，振荡频率增加。扰动作用扰动作用第48页/共104页结论：结论：在比例控制系统中引入在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够消积分作用的优点是能够消除余差，但是降低了系统的稳定性除余差，但是降低了系统的稳定性；若要保持系统若要保持系统原有的衰减比，必须相应加大控制器的比例度，这原有的衰减比，必须相应加大控制器的比例度，这会使系统的其它控制指标下降。会使系统的其它控制指

31、标下降。与比例控制相比，比例积分控制器适用范围比较宽与比例控制相比，比例积分控制器适用范围比较宽广。广。第49页/共104页(4)(4)积分饱和及防止积分饱和及防止 积分饱和指的是一种积分过量现象。积分饱和指的是一种积分过量现象。第50页/共104页压力放空系统（保证压力不超限）中，设定值为压力的容许限压力放空系统（保证压力不超限）中，设定值为压力的容许限值，在正常情况下，放空阀是全关的，实际压力总是低于此设值，在正常情况下，放空阀是全关的，实际压力总是低于此设定值，定值，偏差长期存在。偏差长期存在。假设采用气关阀，由于正常工况下偏差一直存在，控制器输出假设采用气关阀，由于正常工况下偏差一直存

32、在，控制器输出会达到上限。在偏差反向后，阀门的开关状态不变，控制器未会达到上限。在偏差反向后，阀门的开关状态不变，控制器未能起到它应该起的作用。能起到它应该起的作用。第51页/共104页结论：结论：积分饱和现象常出现在长期存在偏差的简单控制系积分饱和现象常出现在长期存在偏差的简单控制系统中以及某些统中以及某些复杂控制系统中。复杂控制系统中。解决积分饱和问题的常用方法是解决积分饱和问题的常用方法是积分分离法积分分离法（PI-P）：在大偏差时不进行积分，防止积分饱和；：在大偏差时不进行积分，防止积分饱和；当偏差小于某一阈值时才进行积分，目的是消除余当偏差小于某一阈值时才进行积分，目的是消除余差。差

33、。另外，还有另外，还有积分限幅法，变速积分法积分限幅法，变速积分法等等。第52页/共104页6.2.2.3 6.2.2.3 比例微分控制比例微分控制(PD)PD)(1)(1)微分控制规律微分控制规律 理想的微分控制规律，其输出信号理想的微分控制规律，其输出信号u(t)u(t)正正比于输入信号比于输入信号e(t)e(t)对时间的导数：对时间的导数：T TD D为微分时间为微分时间 第53页/共104页理想微分器在阶跃偏差信号作用下的理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性开环输出特性是是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏差的变化速度有

34、关，而与偏差的存在与否无关。差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关。纯粹的微分控制是不能单独使用的，所以常与其他控纯粹的微分控制是不能单独使用的，所以常与其他控制规律结合使用。如制规律结合使用。如PIPI、PIDPID第54页/共104页（2）比例微分控制规律）比例微分控制规律理想的比例微分控制规律的数学表达式为理想的比例微分控制规律的数学表达式为理想的比例微分控制器在制造上是无法实现的，工业理想的比例微分控制器在制造上是无法实现的，工业上用实际比例微分控制器。上用实际比例微分控制器。理想比例微分理想比例微分开环输出特性开环输出特性理想的比例微分控制器理想的比例微分控制器的的开环输出特性开环

35、输出特性如左图如左图所示所示第55页/共104页实际比例微分控制规律的数学表达式为实际比例微分控制规律的数学表达式为 KD为微分增益（微分放大倍数）为微分增益（微分放大倍数）在幅度为在幅度为A的阶跃偏差信号作用下，实际的阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的控制器的输出为输出为 其中其中T=TD/KD 第56页/共104页实实际际比比例例微微分分控控制制器器在在幅幅度度为为A的的阶阶跃跃偏偏差差作作用用下下的的开开环环输出特性。输出特性。阶跃偏差作用下实际比阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性例微分开环输出特性由：由：得：得：见右图见右图第57页/共104页决定微分作用强弱的有两个因素：决定微

36、分作用强弱的有两个因素：阶跃偏差作用下实际比阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性例微分开环输出特性（1）开始跳变的幅度，由微分）开始跳变的幅度，由微分增益增益KD来决定来决定（2）降下来所需要的时间，用）降下来所需要的时间，用微分时间微分时间TD来衡量。来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。示微分作用越强。第58页/共104页 微微分分增增益益KD只只与与控控制制器器的的类类型型有有关关。电电动动控控制制器器的的KD一一般般为为510。如如果果KD=1，则则此此时时等等同同于于纯纯比比例例控控制制。KD 1，称称为为正正微微分分。KD 1的的，称称为

37、为反反微微分分器器，它它的的控控制制作作用反而减弱。用反而减弱。阶跃偏差作用下实际比阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性例微分开环输出特性第59页/共104页TD的测定：的测定：先测定在阶跃信号先测定在阶跃信号A作用下，作用下，比例微分输出从比例微分输出从KDKcA下降下降到到KCA+0.368KCA(KD-1)所经历所经历的时间的时间t，此时此时t=TD/KD，再再将该时间将该时间t乘以微分增益乘以微分增益KD即可。即可。实际比例微分控制实际比例微分控制器微分时间测定器微分时间测定微分时间微分时间TD第60页/共104页因为因为微分作用在输入偏差变化微分作用在输入偏差变化的瞬间就有较大的输

38、出响应的瞬间就有较大的输出响应，所以微分控制被认为具有所以微分控制被认为具有超前超前控制的作用。控制的作用。实际比例微分控制实际比例微分控制器微分时间测定器微分时间测定在工业生产中常常将微分与比在工业生产中常常将微分与比例积分结合在一起组成例积分结合在一起组成PID控控制。制。第61页/共104页6.2.2.4 6.2.2.4 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID)PID)(1)(1)理想比例积分微分控制理想比例积分微分控制(PID)PID)理想理想PIDPID控制器的运算规律数学表达式为：控制器的运算规律数学表达式为：式中第一项为比例（式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（部分，第二

39、项为积分（I）部部分，第三项为微分（分，第三项为微分（D）部分。部分。Kc为控制器的比例增益；为控制器的比例增益；TI为积分时间（以秒或分为单位）；为积分时间（以秒或分为单位）；TD为微分时间为微分时间（也以秒或分为单位）。（也以秒或分为单位）。第62页/共104页改变改变P、I、D三项三个参数的大小，相应地改变控制三项三个参数的大小，相应地改变控制规律及控制作用的大小：规律及控制作用的大小：（1）若）若TI为为，TD为为0，积分项和微分项都不起作用，积分项和微分项都不起作用，则为比例控制。则为比例控制。（2）若）若TD为为0，微分项不起作用，则为比例积分控制。，微分项不起作用，则为比例积分控

40、制。（3）若）若TI为为，积分项不起作用，则为比例微分控制，积分项不起作用，则为比例微分控制第63页/共104页控制器运算规律通常都是用增量形式表示，控制器运算规律通常都是用增量形式表示，式中式中u(t)=u(t)+u(0)，u(0)为控制器初始输出值，即为控制器初始输出值，即t=0瞬间偏差为瞬间偏差为0时的控制器输出。时的控制器输出。若用若用实际值实际值表示，则改写为：表示，则改写为：第64页/共104页实际的实际的PID控制规律比较复杂。控制规律比较复杂。在在幅幅度度为为A的的阶阶跃跃偏偏差差作作用用下下，实实际际PID控控制制可可看看成成是是实实际际的的比比例例、积积分分和和微微分分三三

41、种种作作用用的的叠叠加加，即即(2)(2)实际比例积分微分控制实际比例积分微分控制(PID)PID)其开环特性如右图所示。其开环特性如右图所示。阶跃偏差作用下阶跃偏差作用下PID控制器开环输出特性控制器开环输出特性 第65页/共104页（3）微分时间）微分时间TD对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响适当的微分作用：适当的微分作用：在在负荷变化剧烈、扰动幅度较大负荷变化剧烈、扰动幅度较大或或过程容量滞后较大过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可利用微分作用超前的系统中，适当引入微分作用，可利用微分作用超前控制的特性来改善系统的控制质量，提高系统的稳定控制的特性来改善系统的控制质量，提

42、高系统的稳定性。性。第66页/共104页如上图所示。如上图所示。如如果果TD太太小小：对对系系统统的的控控制制指指标标几几乎乎没没有有什什么么影影响响，如如曲线曲线1；（；（做无用功做无用功）TD过过大大：导导致致系系统统产产生生振振荡荡加加剧剧，稳稳定定性性变变差差，如如曲曲线线3。TD适适当当：系系统统的的控控制制指指标标会会得得到到全全面面的的改改善善，如如曲曲线线2；第67页/共104页保持原来的衰减比保持原来的衰减比n：引引入入微微分分作作用用可可提提高高系系统统的的稳稳定定性性，所所以以如如果果要要求求引引入入微微分分作作用用后后仍仍然然保保持持原原来来的的衰衰减减比比n，就就需需

43、要要减减小小控制器的比例度控制器的比例度，以改善控制系统的控制指标。以改善控制系统的控制指标。第68页/共104页 PID控制器适用范围较广，因为它控制器适用范围较广，因为它有比例度有比例度、积分时间积分时间TI、微分时间微分时间TD三个参数可以调节，所三个参数可以调节，所以在一些之后较大的系统中常常使用，如温度控以在一些之后较大的系统中常常使用，如温度控制系统。制系统。适用场合：适用场合：用于时滞大的场合。用于时滞大的场合。第69页/共104页液位：液位：一般要求不高用一般要求不高用P即可，要求高时用即可，要求高时用PI；各类化工过程常用的控制规律如下：各类化工过程常用的控制规律如下：流流量

44、量：时时间间常常数数小小，测测量量信信息息中中有有噪噪音音，用用PI或或加加反反微分控制规律；微分控制规律；压力：压力：时间常数不大，用时间常数不大，用P或或PI控制规律；控制规律；温度：温度：容量滞后较大，用容量滞后较大，用PID控制规律。控制规律。第70页/共104页例：某台例：某台PIDPID控制器偏差为控制器偏差为1 1mAmA时，输出表达式为时，输出表达式为 （t t单位为分钟）。试问：单位为分钟）。试问：（1 1）这是什么控制规律？）这是什么控制规律？（2 2）求出控制器各个控制参数。）求出控制器各个控制参数。（3 3）画出其开环输出特性图。）画出其开环输出特性图。举例：举例：第7

45、1页/共104页(1)PD控制规律。控制规律。解：解：解之得：解之得：KC=2，KD=5，TD=5。(2)由题意得：由题意得：第72页/共104页(3)开环输出特性曲线：开环输出特性曲线：因为因为 KCA=2，KCKDA=10所以所以 曲线如右图所示曲线如右图所示第73页/共104页6.2.3 离散离散PID控制算法控制算法 将连续的将连续的PID规律离散化：令规律离散化：令t=nT,T为采样为采样周期，周期，n为采样序号，用为采样序号，用T代替代替dt，用误差的增量，用误差的增量e(nT)代替代替de(t)，并且在不致引起混淆的情况下并且在不致引起混淆的情况下省略省略nT中的中的T，则可得，

46、则可得6.2.3.1 PID算法的基本形式（完全微分型算法的基本形式（完全微分型PID算法）算法）连续性算式连续性算式第74页/共104页其中：其中：e(n)第第n次采样的偏差值，次采样的偏差值，e(n)=r(n)-y(n)离散化后的离散化后的PID规律的表达式为：规律的表达式为：增量型增量型输出值与执行机构的变化量相对应输出值与执行机构的变化量相对应第75页/共104页速度型速度型输出值与执行机构的位置的变化率相输出值与执行机构的位置的变化率相对应对应位置型位置型输出值与执行机构的位置相对应输出值与执行机构的位置相对应PID 算式有算式有位置型、增量型位置型、增量型和和速度型速度型三种不同的

47、差三种不同的差分方程形式，常用增量型算式。分方程形式，常用增量型算式。第76页/共104页一般地，在数字式控制器中，将增量型算式整理一般地，在数字式控制器中，将增量型算式整理得到如下形式得到如下形式其中的其中的a0,a1,a2是是PID控制器参数的函数。控制器参数的函数。第77页/共104页6.3.1模拟式控制器基本结构模拟式控制器基本结构 模模拟拟式式控控制制器器所所传传送送的的信信号号形形式式为为连连续续的的模模拟拟信信号号，其其基基本本结结构构包包括括比比较较环环节节、反反馈馈环环节节、放放大大器器三部分。三部分。6.3 模拟式控制器模拟式控制器 第78页/共104页比较环节比较环节 比

48、比较较被被控控变变量量的的测测量量值值与与设设定定值值以以得得到到偏偏差差。电电动动控控制制器器是是在在输输入入电电路路（模模拟拟电电路路）中中进进行行电电压压或电流信号的比较。或电流信号的比较。反馈环节反馈环节 控制器的控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。控制规律是通过反馈环节进行的。放大器放大器 放放大大器器实实质质上上是是一一个个稳稳态态增增益益很很大大的的比比例例环环节节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。第79页/共104页6.3.2 DDZ-型电动单元控制器型电动单元控制器 是是模模拟拟式式控控制制器器中中常常见见的的一

49、一种种，它它的的输输入入信信号号为为来来自自变变送送器器的的15V直直流流测测量量信信号号，设设定定信信号号为为15V直直流流信信号号，两两者者相相比比较较得得到到偏偏差差信信号号，然然后后对对此此信信号号进进行行PID运运算算后后，输输出出15V或或420mA直流控制信号给执行器。直流控制信号给执行器。第80页/共104页型控制器的特点是型控制器的特点是：与与II型（晶体管）仪表相比型（晶体管）仪表相比采采用用高高增增益益、高高阻阻抗抗线线性性集集成成电电路路组组件件，提提高高了了仪仪表精度、稳定性和可靠性，表精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。降低了功耗。由由于于采采用用集集成成电电路路，扩

50、扩展展功功能能变变得得很很方方便便，在在基基型型控控制制器器的的基基础础上上可可增增加加各各种种功功能能，如如可可以以根根据据需需要要在在控控制制器器上上附附加加一一些些单单元元如如偏偏差差报报警警、输输出出双双向向限限幅等电路。幅等电路。第81页/共104页 整整套套仪仪表表利利用用安安全全栅栅，实实现现控控制制室室与与危危险险场场所所之之间间的能量限制和隔离，解决了安全防爆问题的能量限制和隔离，解决了安全防爆问题 有有软软、硬硬两两种种手手动动操操作作方方式式，软软手手动动与与自自动动之之间间相相互互切切换换具具有有双双向向无无扰扰动动特特性性。这这是是因因为为在在自自动动与与软软手手动动