课题4化工自动控制仪表.ppt

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1、 自动控制仪表 自动控制仪表1第五章 自动控制仪表第一节 概述一、控制系统按被调参数的变化规律分类：定值调节系统：给定值为常数；随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。二、控制目的的实现：通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出简单；将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。自动控制仪表 自动控制仪表2三、控制仪表的分类：基地式控制仪表 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。单元组合式控制仪表 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。计算机控制系统 以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构

2、等单元为外围设备的系统。自动控制仪表 自动控制仪表3第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的基本控制规律及其对系统过渡过程的 影响影响基本的控制规律 基本的控制规律 调节器执行器对象传感器、变送器+SPxze uqyf 在 在该 该控 控制 制系 系统 统中 中，被 被控 控变 变量 量由 由于 于受 受扰 扰动 动f f（如 如生 生产 产负 负荷 荷的 的改 改变 变，上 上下 下工 工段 段间 间出 出现 现的 的生 生产 产不 不平 平衡 衡现 现象 象等 等）的 的影 影响 响，常 常常 常偏 偏离 离给定值，即被控变量产生了偏差：给定值，即被控变量产生了偏差：问 问题 题：被

3、 被控 控变 变量 量能 能否 否回 回到 到给 给定 定值 值上 上，或 或者 者以 以什 什么 么样 样的 的途 途径 径、经 经过多长时间回到给定值上来？过多长时间回到给定值上来？与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性有关。与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性有关。自动控制仪表 自动控制仪表4双 双位 位控 控制 制是 是自 自动 动控 控制 制系 系统 统中 中最 最简 简单 单也 也很 很实 实用 用的 的一 一种 种控 控制 制规 规律 律，调 调节 节器 器输 输出 出只 只有 有2 2个 个固 固定 定的 的数 数值 值，即 即只 只有 有2 2个 个极 极限 限位 位置

4、 置，其 其基 基本 本的 的控 控制 制规 规律 律可描述为：可描述为：一、双位控制 一、双位控制第一节 位式控制x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumineu 自动控制仪表 自动控制仪表5二、具有中间区的双位控制 二、具有中间区的双位控制 控制器 控制器罐压力变送器排放电磁阀例 例如 如：某 某压 压力 力控 控制 制系 系统 统，控 控制 制设 设定 定值 值为 为100KPa 100KPa，当 当 罐 罐 内 内 压 压 力 力 刚 刚 好 好 达 达 到 到100KPa 100KPa时 时，调 调节 节器 器输 输出 出为 为0 0，电 电磁 磁阀 阀关 关；罐 罐内 内压

5、压力 力稍 稍稍 稍大 大于 于 100KPa 100KPa时 时，调 调节 节器 器输 输出 出为 为1 1，电 电磁 磁阀 阀开 开，排 排除 除气 气体 体降 降低 低系 系统 统压 压力 力，此 此时 时罐 罐内 内压 压力 力马 马上 上又 又小 小于 于设 设定 定值 值 100KPa 100KPa，电 电磁 磁阀 阀关 关，内 内部 部压 压力 力马 马上 上又 又会 会重 重新 新升 升高 高，大 大于 于100 100 KPa KPa，调 调节 节器 器输 输出 出为 为1 1，电 电磁 磁阀 阀开 开，这 这样 样调 调节 节器 器输 输出 出在 在 0 0与 与1 1之

6、之间 间不 不断 断变 变化 化，电 电磁 磁阀 阀也 也在 在“开 开”和 和“关 关”二个状态上不停的动作。二个状态上不停的动作。这 这种 种现 现象 象在 在实 实际 际工 工业 业系 系统 统中 中是 是绝 绝对 对不 不允 允许 许的 的，因 因为 为任 任何 何一 一种 种设 设备 备都 都有 有一 一定 定的 的使 使用 用寿 寿命 命，电 电磁 磁阀 阀的 的使 使用 用寿 寿命 命一 一般 般在 在10 10万 万 50 50万次。万次。如果把双位 如果把双位特性调整为 特性调整为 ux(t)z(t)e(t)u(t)+umaxuminue 自动控制仪表 自动控制仪表6双位控制

7、 双位控制 总结 总结 由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置 由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置所以整个系统不可能保持在一个平衡状态 所以整个系统不可能保持在一个平衡状态被控变量总在设定值附近波动，其过渡过程是持续等幅振荡 被控变量总在设定值附近波动，其过渡过程是持续等幅振荡滞回区间的大小影响振荡频率。滞回区间的大小影响振荡频率。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器寿命。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器寿命。位式控制的 位式控制的特 特 点 点：简单、过渡过程是振荡的：简单、过渡过程是振荡的位 位式 式控 控制 制的 的适 适用 用范

8、范围 围：时 时间 间常 常数 数大 大,纯 纯滞 滞后 后小 小,负 负荷 荷变 变化 化不 不大 大也 也不激烈 不激烈,控制要求不高。控制要求不高。u 自动控制仪表 自动控制仪表7纯比例控制 纯比例控制 P PabOOabeu 由 由此 此可 可见 见，在 在该 该控 控制 制系 系统 统中 中，阀 阀门 门开 开度 度的 的改 改变 变量 量与 与被 被控 控变 变量 量(液 液位 位)的 的偏 偏差 差值 值成 成比 比例 例，这 这就 就是 是比 比例 例控 控制 制规 规律 律，其 其输 输出 出信 信号 号的 的变 变化 化量 量与 与输 输入 入信 信号 号(指 指偏 偏差

9、差，当 当给 给定 定值 值不 不变 变时 时，偏 偏差 差就 就是 是被 被控 控变 变量 量测 测量 量值 值的 的变 变化 化量 量)的 的变 变化 化量 量之 之间 间成 成比 比例 例关 关系 系，这 这种 种控制规律称为 控制规律称为“纯比例控制 纯比例控制”纯纯比比例例控控制制也也是是一一种种最最基基本本的的控控制制规规律律，从从上上面面这这个个例例子子可可以以看看出出来来，纯纯比比例例控控制制至至少少能能克克服位式控制振荡、不稳定的缺点。服位式控制振荡、不稳定的缺点。比例控制 自动控制仪表 自动控制仪表8比例调节规律表达式：比例调节规律表达式：一、比例控制规律及其特点 一、比例

10、控制规律及其特点 或 或 u u0 0是偏差 是偏差e=0 e=0时的调节器的稳定输出值 时的调节器的稳定输出值K KP P是调节器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别）是调节器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别）KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)A AKp*A Kp*A根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点：根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点：控制及时。控制及时。一旦偏差不为 一旦偏差不为0 0，调节器的输出即刻发生改变。，调节器的输出即刻发生改变。自动控制仪表 自动控制仪表9比例增益 比例增益K KP P是比例调节器输出变化量 是

11、比例调节器输出变化量 u u与偏差 与偏差e e之比：之比：比例增益 比例增益K KP P和比例度 和比例度 K KP P越大，比例作用越强，越大，比例作用越强，K KP P越小比例作用越弱。越小比例作用越弱。但是，在工业现场，一般都习惯于用 但是，在工业现场，一般都习惯于用比例度 比例度 来表示比例作用的强弱 来表示比例作用的强弱比 比例 例度 度 的 的定 定义 义：输 输入 入信 信号 号的 的相 相对 对变 变化 化量 量占 占输 输出 出信 信号 号的 的相 相对 对变 变化量的百分数 化量的百分数。其中：其中：C C仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数 仪表常数，当输入输出是

12、统一信号时，仪表常数C C 1 1，在没有特定指明的情况下，在没有特定指明的情况下，C C 1 1，因为在一个系统中所选用仪表的信号制一般都是统一的。，因为在一个系统中所选用仪表的信号制一般都是统一的。K KP P越大 越大 越小 越小 比例作用越强。比例作用越强。自动控制仪表 自动控制仪表10二、比例度及其对控制过程的影响 二、比例度及其对控制过程的影响 某 某控 控制 制系 系统 统的 的方 方块 块图 图如 如右 右图 图所 所示 示，求 求设 设定 定值 值、干 干扰 扰分 分别 别发生阶跃变化时的稳态变化量。发生阶跃变化时的稳态变化量。先求 先求 Y(s)=Y(s)=?X(s)+X(

13、s)+?F(s)F(s)令设定值发生单位阶跃变化：令设定值发生单位阶跃变化：则：则：存在余差 存在余差 令干扰发生单位阶跃变化：令干扰发生单位阶跃变化：则：则：对 对被 被控 控变 变量 量有 有影 影响 响，产生余差。产生余差。Kp Kp增大，余差减小。增大，余差减小。自动控制仪表 自动控制仪表11结 结论 论：纯 纯比 比例 例控 控制 制系 系统 统，过 过渡 渡过 过程 程结 结束 束以后必定存在余差。以后必定存在余差。K KP P越大或 越大或 越小 越小 余差越小 余差越小K KP P 越大或 越大或 越小 越小 控制作用越强 控制作用越强 余 余差 差越 越小 小、最 最大 大偏

14、 偏差 差越小 越小K KP P 太大或 太大或 太小 太小 控制作用太强 控制作用太强 稳 稳定 定性 性降 降低 低、甚 甚至 至造 造成系统不稳定 成系统不稳定 自动控制仪表 自动控制仪表12 纯比例调节系统的特点：控制及时 控制结果有余差 纯比例控制适用场合：干扰幅度较小 纯滞后较小 负荷变化不大 控制要求不太高 一 一般 般来 来说 说，若 若对 对象 象滞 滞后 后较 较小 小、时 时间 间常 常数 数较 较大 大以 以及 及放 放大 大倍 倍数 数较 较小 小时 时，比 比例 例度 度可 可以 以选 选得 得小 小些 些，以 以提 提高 高系 系统 统的 的灵 灵敏 敏度 度，使

15、 使反 反应 应快 快些 些，从 从而 而过 过渡 渡过 过程 程曲 曲线 线的 的形 形状 状较 较好 好。反 反之 之，比 比例 例度 度就要选大些以保证稳定。就要选大些以保证稳定。自动控制仪表 自动控制仪表13比例积分控制 比例积分控制 PI PI比例控制 比例控制最大的优点 最大的优点是反应快，控制作用及时 是反应快，控制作用及时 最大的缺点 最大的缺点是控制结果存在余差 是控制结果存在余差 当 当工 工艺 艺对 对控 控制 制质 质量 量有 有更 更高 高要 要求 求，不 不允 允许 许控 控制 制结 结果 果存 存在 在余 余差 差时 时，就 就需 需要 要在 在比 比例 例控 控

16、制 制的 的基 基础 础上 上，再 再加 加上 上能 能消 消除 除余差的积分控制作用。余差的积分控制作用。比 比例 例积 积分 分控 控制 制就 就是 是由 由比 比例 例作 作用 用和 和积 积分 分作 作用 用二 二种 种控 控制 制作 作用 用组合而成 组合而成 积分控制 自动控制仪表 自动控制仪表14积 积分 分作 作用 用是 是指 指调 调节 节器 器的 的输 输出 出与 与输 输入 入（偏 偏差 差）对 对时 时间 间的 的积 积分 分成 成比 比例 例的 的特 特性 性。表达式为 表达式为：一、积分控制规律及其特点：一、积分控制规律及其特点：积分u(t)e(t)z(t)+_x(

17、t)uI(t)e(t)A Aq q 只 只要 要有 有偏 偏差 差存 存在 在，调 调节 节器 器输 输出 出会 会不 不断 断变 变化 化，直 直到 到偏 偏差 差为 为0 0消除余差 消除余差q q 调 调节 节器 器的 的输 输出 出是 是偏 偏差 差随 随时 时间 间的 的积 积分 分，当 当t t较 较小 小时 时，调 调节 节器 器输 输出 出u(t)u(t)很 很小 小，控 控制 制作 作用 用很 很弱 弱，不 不能 能及 及时 时克 克服 服干 干扰 扰作 作用 用，所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。uI(t)e

18、(t)A A 自动控制仪表 自动控制仪表15二、比例积分控制规律与积分时间：二、比例积分控制规律与积分时间：比例积分 比例积分(PI)(PI)控制 控制由比例和积分二种控制作用组合而成 由比例和积分二种控制作用组合而成 比例作用项 比例作用项积分作用项 积分作用项如果加入幅值为 如果加入幅值为A A的阶跃信号：的阶跃信号：积 积分 分时 时间 间的 的定 定义 义：在 在阶 阶跃 跃输 输入 入下 下，积 积分 分作 作用 用的 的输 输出 出变 变化 化到 到比 比例 例作 作用 用的输出所经历的时间。的输出所经历的时间。自动控制仪表 自动控制仪表16三、积分作用对过渡过程的影响 三、积分作

19、用对过渡过程的影响 某 某控 控制 制系 系统 统的 的方 方块 块图 图如 如图 图所 所示 示，求 求设 设定 定值 值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量 干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量先求 先求 Y(s)=Y(s)=?X(s)+X(s)+?F(s)F(s)令设定值发生单位阶跃变化：令设定值发生单位阶跃变化：则：则：无余差 无余差 令干扰发生单位阶跃变化：令干扰发生单位阶跃变化：则：则：无余差 无余差 积分作用能消除余差！积分作用能消除余差！自动控制仪表 自动控制仪表17 采 采用 用比 比例 例积 积分 分控 控制 制作 作用 用时 时，积 积分 分时 时间 间对 对过 过渡 渡过

20、 过程 程的 的影 影响 响具 具有 有两 两重 重性 性。在 在同 同样 样的 的比 比例 例度 度下 下，缩 缩短 短积 积分 分时 时间 间T Ti i，将 将使 使积 积分 分调 调节 节作 作用 用加 加强 强，容 容易 易消 消除 除余 余差 差，这 这是 是有 有利 利的 的一 一面 面。但 但缩 缩短 短积 积分 分时 时间 间，加 加强 强积 积分 分调 调节 节作 作用 用后 后，会 会使 使系 系统 统振 振荡 荡加 加剧 剧，有 有不 不易 易稳 稳定 定的 的倾 倾向 向。积 积分 分时 时间 间越 越短 短，振 振荡 荡倾 倾向 向越 越强 强烈 烈，甚 甚至 至会

21、 会成 成为 为不 不稳 稳定 定的 的发 发散 散振 振荡 荡，这 这是 是不 不利 利的一面。的一面。由 由图 图可 可以 以看 看出 出，积 积分 分时 时间 间过 过大 大或 或过 过小 小均 均不 不合 合适 适。T Ti i过 过大 大，积 积分 分作 作用 用不 不明 明显 显，余 余差 差消 消除 除很 很慢 慢，见 见曲 曲线 线3 3，T Ti i过 过小 小，过 过渡 渡过 过程 程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线 振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线1 1。自动控制仪表 自动控制仪表18 积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；注意事项：引入积分作用以后，能消除余差，但

22、系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）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 自动控制仪表 自动控制仪表19比例微分控制 比例微分控制 PD PD积分控制 积分控制最大的优点 最大的优点是消除余差 是消除余差 最 最大 大的 的缺 缺点 点是 是动 动作 作缓 缓慢 慢、产 产生 生相 相位 位滞 滞后 后、稳 稳定 定性 性降低 降低 微微分分控控制制主主要要用用来来克克服服被被控控对对象象的的容容量量滞滞后后(时间常数时间常数T)T)，但不能克服纯滞后，但

23、不能克服纯滞后。第四节 微分控制 自动控制仪表 自动控制仪表20微 微分 分作 作用 用是 是指 指调 调节 节器 器的 的输 输出 出与 与输 输入 入变 变化 化率 率成 成比 比例关系，成比例的特性。表达式为：例关系，成比例的特性。表达式为：一、微分控制规律及其特点：一、微分控制规律及其特点：微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)T Td d：微分时间，：微分时间，T Td d越大微分作用越强。越大微分作用越强。q q 微分作用的 微分作用的目的 目的：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。q q 微 微分 分作 作用 用的 的原 原理 理：

24、根 根据 据偏 偏差 差信 信号 号变 变化 化速 速度 度来 来确 确定 定调 调节 节器 器的 的输 输出 出，改 改变 变操 操作 作变 变量 量（超前控制）。（超前控制）。e(t)u(t)00+AtTdAe(t)u(t)t0t0 自动控制仪表 自动控制仪表21二、比例微分控制作用 二、比例微分控制作用比例微分 比例微分(PD)(PD)控制 控制由比例和微分二种控制作用组合而成 由比例和微分二种控制作用组合而成 比例作用项 比例作用项微分作用项 微分作用项e(t)Ae(t)0At 从 从(b)(b)图 图中 中可 可以 以看 看出 出，当 当输 输入 入为 为斜 斜坡 坡曲 曲线 线时

25、时存 存在 在：u(t)u(t)e(t e(t T Td d)，所以微分控制起到了超前的作用，即：调节器输出比输入超前 所以微分控制起到了超前的作用，即：调节器输出比输入超前T TD D时间 时间 从 从(a)(a)图 图上 上可 可得 得出 出，当 当加 加入 入阶 阶跃 跃输 输入 入时 时，微 微分 分作 作用 用产 产生 生了 了一 一个 个 函 函数 数，当 当t0 t0时 时，u(t)u(t)e(t)e(t)，很 很显 显然 然这 这种 种控 控制 制作 作用 用在 在实 实际 际应 应用 用中 中没 没有 有什 什么 么态 态大 大的意义 的意义 根 根据 据这 这2 2个 个特

26、 特点 点不 不难 难理 理解 解：微 微分 分作 作用 用不 不能 能作 作为 为一 一种 种单 单独 独的 的调 调节 节规 规律 律来 来使 使用 用，理 理想 想的 的PD PD作 作用 用不 不能 能直 直接 接使 使用 用；微 微分 分作 作用 用一 一般 般多 多用 用于 于对 对象 象时 时间 间常数较大的系统之中。常数较大的系统之中。u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)自动控制仪表 自动控制仪表22三、实际的比例微分控制作用 三、实际的比例微分控制作用 从 从前 前面 面的 的波 波形 形图 图中 中可 可以 以看 看到 到，如 如

27、果 果调 调节 节器 器的 的输 输入 入为 为阶 阶跃 跃信 信号 号，理 理想 想PD PD调 调节 节器 器的 的输 输出 出为 为脉 脉冲 冲信 信号 号，而 而脉 脉冲 冲信 信号 号不 不可 可能 能被 被其 其它 它环 环节 节（执 执行 行器 器）所 所接 接收 收到 到。在 在工 工业 业应 应用 用现场时不采用理想的 现场时不采用理想的PD PD作用，而采用实际的 作用，而采用实际的PD PD作用。作用。实际的 实际的PD PD作用表达式为：作用表达式为：式中，式中，Kd Kd为微分增益，它反映了实际微分特性与理想微分特性接近的程度 为微分增益，它反映了实际微分特性与理想微

28、分特性接近的程度 Kd Kd越大微分作用越接近理想程度，越大微分作用越接近理想程度，Kd Kd一般为 一般为5 5 10 10。另外还有一类 另外还有一类Kd1 Kd1的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。自动控制仪表 自动控制仪表23实际比例微分控制作用的阶跃响应 实际比例微分控制作用的阶跃响应e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPad当t=0+时 uKdKPa当t 时 uKpa当t=d时 uKPa 0.368（Kd1）KPaKp的测定：u()/aKd的测定：u(0)/u()Td的测定：测出d后乘

29、以Kd 自动控制仪表 自动控制仪表24微分作用对过渡过程的影响 微分作用对过渡过程的影响 从 从图 图看 看出 出，微 微分 分时 时间 间太 太大 大及 及太 太小 小均 均不 不合 合适 适，应 应取 取适 适当 当的 的数 数值 值。由 由于 于增 增加 加微 微分 分作 作用 用，可 可以 以减 减小 小比 比例 例度 度，因 因而 而微 微分 分时 时间 间越 越大 大，余 余差 差也 也就 就越 越小 小。一 一般 般温 温度 度调 调节 节系 系统 统常 常需 需加 加微 微分 分作 作用 用，其 其他 他系 系统 统需 需要 要较 较少 少。有 有些 些系 系统 统由 由于 于

30、反 反应 应太 太快 快，可 可加 加“反 反微 微分 分”，以降低系统的灵敏度。，以降低系统的灵敏度。自动控制仪表 自动控制仪表25微分作用的特点：对于有过渡滞后的对象，采用PD控制能明显改善过渡过程的品质；PD控制有超前作用 Td，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为：衰减比增大；过渡过程最大偏差减少emax；过渡时间tp；Td太大，微分作用太强，导致反应速度过快，引起系统振荡 引入微分作用以后，不能消除余差，但余差会有所减少 微分作用对纯滞后的对象不起作用。自动控制仪表 自动控制仪表26微分作用适用于过渡滞后强的对象，如：温度对象(其他系统较少用)微分作用对高频噪声非常敏感，在流量控制系

31、统总流量测量信号通常包含脉冲干扰，象这类对象一般不加微分作用。有些系统由于反应太快，可加“反微分”，以降低系统的灵敏度。现场控制系统中用比例微分作用的不多，较常见的是比例积分微分三作用控制规律（通常称为PID控制）。自动控制仪表 自动控制仪表27常见对象特点及其常用调节器类型 常见对象特点及其常用调节器类型液位 液位 滞后不大，一般控制要求不高，常用 滞后不大，一般控制要求不高，常用P P或 或PI PI调节器；调节器；流 流量 量 滞 滞后 后很 很小 小，响 响应 应快 快，测 测量 量信 信号 号有 有脉 脉动 动信 信号 号，常 常用 用PI PI调 调节器（一般不能加 节器（一般不能加D D）；）；压 压力 力 液 液体 体介 介质 质：滞 滞后 后小 小，气 气体 体介 介质 质：滞 滞后 后适 适中 中，常 常用 用P P或 或PI PI调节器，有时可用位式控制；调节器，有时可用位式控制；温度 温度 滞后较大，响应较慢，常用 滞后较大，响应较慢，常用PID PID调节器。调节器。