六章控制器ppt课件

化工过程自动化西北民族大学化工学院6控制器6.1概述6.2基本控制规律6.3模拟式控制器6.4数字式控制器6.1概述控制器是控制系统的核心。6.1.1控制器的作用6.1.2控制器的分类6.1.1控制器的作用控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送环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控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。6.1.2控制器的分类控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。（1）按能源形式：电动和气动（2）按信号类型：模拟式和数字式（3）按结构形式：基地式、单元组合式、组装式、集散控制系统气动控制仪表气动控制仪表发展较早，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，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动控制仪表电动控制仪表相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，并且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极为迅速，应用极为广泛。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场所也能使用电动控制仪表。目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数。模拟式控制仪表模拟式控制仪表的传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简单，操作方便，在过程控制中已经广泛应用。数字式控制仪表数字式控制仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，能够解决模拟式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制中，以提高控制质量。基地式控制仪表基地式控制仪表将控制机构与指示、记录机构组成一体，结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般仅用于一些简单控制系统。单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表是将整套仪表划分成能独立实现某种功能的若干单元，各个单元之间用统一标准信号联系。将各个单元进行不同的组合，可以构成具有各种功能的控制系统，使用灵活方便。目前使用较多的单元组合式控制器属电动Ⅲ型，而在一些老装置上电动Ⅱ型控制器还在使用，气动单元控制器由于控制滞后太大已经很少使用。组装式控制器组装式控制器是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。集散控制系统随着计算机技术发展，出现了各种以微处理器为基础的控制器，在结构、功能、可靠性等各个方面都使控制器进入一个新阶段。近二十多年来出现了许多基于集散控制系统或者现场总线的控制器，它们除了控制功能外，还具有网络通信等功能，适应信息社会大规模生产需要。6.2基本控制规律6.2.1基本概念6.2.2双位控制6.2.3比例控制(P)6.2.4比例积分控制(PI)6.2.5比例微分控制(PD)6.2.6比例积分微分控制(PID)6.2.1基本概念过程控制一般是指连续控制系统，控制器的输出随时间的变化发生连续变化。不管是何种控制器，都有其基本的控制规律。控制规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制器的输入信号e(t)：是测量值y(t)与被控变量的设定值之差，即e(t)=y(t)-r(t)；控制器的输出信号：是送往执行机构的控制命令u(t)。基本的控制规律研究控制器的控制规律时是把控制器与系统断开的，即只在开环时单独研究控制器本身的特性。在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号u(t)随时间的变化规律。基本的控制规律共有四种，即：位式控制（其中以双位控制比较常见）、比例控制、积分控制、微分控制，以及它们的组合形式。研究基本的控制规律的意义不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。要选用合适的控制器，首先必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后，根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。举例说明选用控制系统以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度为85℃，反应过程是轻微放热的，还需要从外界补充一些热量。双位控制发现温度一低于85℃，就把蒸汽阀门全开，一高于85℃，就全关，这种做法称双位控制，因为阀门开度只有两个位置，全开或全关。可以看到，阀门在全开时，供应的蒸汽量一定多于需要量，因此温度将会上升，超过设定值85℃；阀门在全关时，供应的蒸汽量一定少于需要量，因此温度将会下降，低于设定值85℃。有了这一多一少能起到控制温度的作用，然而又使供需一直不平衡，温度波动不可避免，它是一个持续振荡过程。用双位控制规律来控制反应器温度，显然控制质量差，一般不采用。改进控制方案若在正常情况下，温度为85℃，阀门开度是三圈，有人这样做，若温度高于85℃，每高出5℃就关一圈阀门；若低于85℃，每降低5℃就开一圈阀门。显然，阀门的开启度与偏差成比例关系，用数学公式表示则为：式中y是测量值。）（开启圈数85513y比例控制比例控制规律模仿上述操作方式，控制器的输出u(t)与偏差e(t)有一一对应关系：u(t)=u(0)+Kce(t)式中u(t)是比例控制器的输出；u(0)是偏差e为零时的控制器输出，e=y-r；Kc是控制器的比例放大倍数。比例控制的缺点是在负荷变化时有余差。例如，在这一例子中，如果工况有变动，阀门开三圈，就不再能使温度保持在85℃。再次改进控制方案比例操作方式不能使温度回到设定值，有余差存在。为了消除余差，有人这样做：把阀门开启数圈后，不断观察测量值，若低于85℃，则慢慢地继续开大阀门；若高于85℃，则慢慢地把阀门关小，直到温度回到85℃。与上一方式的基本差别是，这种方式是按偏差来决定阀门开启或关闭的速度，而不是直接决定阀门开启的圈数。积分控制积分控制规律就是模仿上述操作方式。控制器输出的变化速度与偏差成正比，即或由积分式可看出，只要有偏差随时间而存在，控制器输出总是在不断变化，直到偏差为零时，输出才会稳定在某一数值上。)()(teKdttduItIdtteKutu0)()0()(微分控制由于温度过程的容量滞后较大，当出现偏差时，其数值已较大，为此，有人再补充这样的经验，观察偏差的变化速度即趋势来开启阀门的圈数，这样可抑制偏差幅度，易于控制。微分控制规律就是模仿这种操作方式，控制器的输出与偏差变化速度成正比，用数学公式表示为：dttdeTtuD)()(6.2.2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：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，输出值为最小（或最大）。控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置。maxmaxminmin,0,0,0,0ueueuuueue或uminumaxu(t)e(t)实际的双位控制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。maxmaxmaxminmaxminmin,,ueeuuueeueemin保持或不变,e实际的双位控制特性uminumaxu(t)e(t)eminemax6.2.3比例控制(P)(1)比例控制规律(2)比例度δ(3)比例度δ对系统过渡过程的影响(1)比例控制规律输出信号与输入信号之间的关系为式中：Kc——比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。比例增益Kc是控制器的输出变量Δu(t)与输入变量e(t)之比。Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出Δu(t)也越大。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。()()cutKet比例控制规律的开环输出特性：比例增益——Kc衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用比例度δ表示比例控制作用的强弱。Δu(t)tOAe(t)tOKcA阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性(2)比例度δ定义：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，表达式为其中：e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；Δu为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(umax-umin)为控制器输出信号的变化范围。maxminmaxmin100%eZZuuu比例度的具体意义可以看出比例度的具体意义为：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信号变化范围的百分数。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。比例度示意图右图是比例度的示意图，当比例度分别为50%、100%、200%时，只要偏差e的变化占输入信号变化范围的50%、100%、200%时，控制器的输出就可以由最小umin变为最大umax。100%50%50%umaxuminmaxmin%eZZΔ=50%Δ=100%Δ=200%比例度示意图仪表系数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范围之比，称为仪表系数。maxminmaxmin1100%1100%ccuuKZZCK比例度δ与比例增益Kc的关系由前面得：对于单元组合仪表，有所以1100%cKmaxminmaxmin()()ZZuumaxminmaxmin11100%100%ccuuCKZZK结论结论：比例度δ与放大倍数Kc成反比。比例度δ越小，放大倍数Kc越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为400~800℃，控制器的输出范围是4~20mA。当温度从600℃变化到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为12mA，试求该控制器的比例度。例题求解解：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，在此区间内，e和u是成比例的。maxminmaxmin700600800400100%100%100%128204eZZuuu(3)比例度δ对系统过渡过程的影响①在扰动即设定值变化时有余差存在。②比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度δ减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度δk。③如果δ较小，振荡频率提高，把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。比例度对过渡过程影响的图解ttttytyyyyyδ小于临界值δ等于临界值δ偏小δ适当δ偏大δ太大比例度对过渡过程的影响tttttytyyyyδ小于临界值δ等于临界值δ偏小δ适当δ偏大δ太大比例度δ对系统过渡过程的影响（2）④最大偏差在两类外作用下不一样，在扰动作用下，δ越小，最大偏差越小；在设定作用下且系统处于衰减振荡时，δ越小，最大偏差却越大。因为最大偏差取决于余差和超调量。在扰动作用下，主要取决于余差，δ小则余差小，所以最大偏差也小；在设定作用下，最大偏差取决于超调量，δ小则超调量大，所以最大偏差就大。比例度对过渡过程影响的图解（2）y(t)δ减小y(0)y(t)δ减小y(0)t（a）扰动作用（b）设定作用新的设定值t比例度对过渡过程的影响选择比例度δ的原则一般地，若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度δ要小，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。反之，比例度δ就要大，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、应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。适用场合：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。6.2.4比例积分控制(PI)(1)积分控制规律(2)比例积分控制规律(3)积分时间TI对系统过渡过程的影响(4)积分饱和及防止(1)积分