第4章 过程控制仪表

1控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—过程控制系统及仪表2第4章过程控制仪表控制仪表2基本控制规律31位式控制律PID控制律模拟式调节器数字式调节器可编程控制器3§4-1基本控制规律过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的特性。控制器的特性，就是指控制器的输出信号随着输入信号变化的规律，又称作控制律。控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—euyr4在过程控制中，控制器的输入定义为被控变量的测量值y与给定值r的偏差e：e=y-r控制器的输出就是控制器送往执行器的控制信号u，所以控制器中的控制规律可以用下面的数学关系表示：u=f(e)e0,并且在控制律作用下△u0,称为正作用控制器；e0,并且在控制律作用下△u0,称为反作用控制器；5基本控制规律最简单的控制律：位式控制PID控制律：比例控制（P），积分控制（I），微分控制（D），以及PID组合。6一、位式控制位式控制规律可分为双位控制和多位控制。双位控制的特性可以用下面的数学表达式来描述。7例：储槽液位控制槽内装有电极，作为液位的测量装置。电极的一端与继电器的线圈J相接；另一端正好处于液位给定值的位置。导电流体经装有电磁阀V的管线进入贮槽，再由出料管流出。8双位控制律：当液位低于给定，电极与流体不接触，继电器J断开，电磁阀V全开，流体流入贮槽，H上升。当液体高于给定，电极与流体接触，继电器J接通，电磁阀V全关，流体不再进入贮槽，H下降。如此反复循环。9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。改进双位控制律：具有中间区的双位控制10具有中间区的双位控制器其特性可表示为：注意:被控变量有两个给定值！11具有中间区的双位控制特性如图4-3所示。12例：储槽液位具有中间区的双位控制律：当液体高于给定yH，上磁浮子闭合，继电器J接通，电磁阀V全关，流体不再进入贮槽，H下降。但是注意：当液位低于yH，电磁阀V继续全关。当液位低于给定yL，下磁浮子闭合，继电器J断开，电磁阀V全开，流体流入贮槽，H上升。但是注意：当液位高于yL，电磁阀V继续全开。如此反复循环。yHyL位式磁浮子液位传感器13具有中间区的双位控制曲线如下图所示：阀关阀开14双位控制优点：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。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。缺点：被控变量总是处在震荡过程，控制质量低。15二、比例控制1.比例控制规律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P表示。比例控制规律的数学表达式为：u=KPe式中u―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器的给定值之差；KP―比例控制的放大倍数，又称为比例增益。16比例控制规律的开环阶跃响应特性如图:euttAKPA显然，在输入偏差相同的情况下，KP越大，控制器的输出变化量也越大，控制作用就越强。17在过程控制中习惯于采用比例度(也称比例带)来衡量比例控制作用的强弱。比例度的定义可以用下式来表示:18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。物理意义：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内变化时，控制器的输出才与偏差成比例，如果超出了“比列带”，控制器的输出将暂时失去比例控制作用。19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：200-300℃，控制器的输出范围为0-10mA，当温度从250℃变化到270℃，相应的控制器输出信号从4mA变化到9mA，控制器的比例度？(270250)/(300200)100%40%(94)/(100)比例度40%说明：只要温度变化40%(40℃)，就可以使控制器的输出信号从0mA变化到10mA.20在用单元组合仪表构成的控制系统中，由于变送器和控制器都是采用统一的标准信号：4-20mA，1-5V。这说明两者互为例数关系，即δ越小，KP越大，比例控制作用越强；δ越大，KP越小，比例控制作用越弱。比例度δ和放大倍数KP的关系可进一步简化为：212．比例控制的特点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，控制器输出变化也越大。快速及时。缺点：有余差。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场合。22例:水加热器温度控制系统曲线3：Q1Q0Q1设定值阀门开度曲线2：流量为Q0，阀开度变化对应温度变化温度O点至B点至A点，有余差233．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面考虑：比例度对系统静态特性的影响是：比例度越大（即放大倍数KP越小），控制过程达到稳态时的余差就越大。对动态特性的影响：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，使控制系统的稳定性下降。24对动态特性的影响：可由图所示的在干扰作用下的闭环响应曲线来描述：25三、比例积分控制1．积分控制规律及其特点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I表示。积分控制规律的数学表达式为：式中Ti―积分时间常数，是一个可调的常数。26积分控制作用的特性可用在阶跃输入作用下的输出响应曲线来说明。当控制器输入偏差e为常数A时：27积分控制规律的特点：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；主要缺点：不能及时克服干扰，会使控制系统的稳定性下降；积分控制规律一般不单独使用。282．比例积分控制规律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Pl表示。比例积分控制规律的数学表达式为：PI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。29当输入偏差是一幅值为A的阶跃变化时，比例积分控制器的输出变化特性曲线如图4-10所示。303．积分时间对过渡过程的影响比例积分（PI）控制器，比例度δ（或比例增益KP）和积分时间Ti都是可调参数。讨论：积分时间Ti过大和过小对控制效果的影响。31积分时间过大，积分作用太弱，消除余差的过程很慢（见曲线b)；只有当Ti适当时，过渡过程能较快地衰减，而且没有余差（见曲线c）；积分时间太小，控制器的输出变化太快，使过渡过程振荡太剧烈，系统的稳定性大大下降（见曲线d)。P型控制器32四、比例微分控制1．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偏差的变化速度成比例，一般用字母D表示。微分控制规律的数学表达式为：33当输入偏差信号为幅值A的阶跃变化时，微分控制特性响应曲线如图所示。34实际上的工业控制器采用的都是采用一种近似的微分作用，它在阶跃输入作用下的开环响应特性如图所示。在阶跃输入的瞬间，输出突然升到一个较大的值，然后按指数规律衰减至零。变化特性可用下面的数学表达式描述：35微分控制规律的特点：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，控制器输出为零。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。不能消除余差。微分控制规律一般不单独使用。362．比例微分控制规律理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：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。37五、比例积分微分控制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。理想的比例积分微分控制规律的数学表达式为：38PID39PID控制特点：比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。由于在PID控制器中，比例度δ、积分时间Ti，和微分时间TD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。PID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，就是一台比例控制器．40模拟式调节器数字式调节器可编程控制器控制仪表DDZ-Ⅲ型调节器KMM可编程调节器41一、主要功能接收信号：1-5VDC信号。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。PID计算：将偏差信号进行PID运算，产生相应的4-20mA控制信号。具备相应值的指示功能。§4-2DDZ-Ⅲ型调节器42二、构成原理由两大部分构成43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：45控制器的正反作用功能：4647一、构成§4-3KMM可编程调节器硬件部分：主机部分模拟量输入-输出通道数字量输入-输出通道通信接口正面板，侧面板软件部分：系统程序和用户程序4849KMM正面板上控制方式选择:手动方式（M）自动方式（A）串级方式（C)5051课程小结过程控制仪表：了解位式控制规律。掌握PID三种基本控制规律、特点。掌握理想PID控制器的控制算式，KP、TI、TD与控制输出的关系。掌握DDZ-III调节器的特点及主要功能。了解KMM可编程调节器特点。52电信学院自动化系先进控制技术研究所