2012第五章 自动控制仪表

—自动控制仪表—12012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—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、执行机构等单元为外围设备的系统。—自动控制仪表—3第二节基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本的控制规律调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf在该控制系统中，被控变量由于受扰动f（如生产负荷的改变，上下工段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差：()()()0etxtzt问题：被控变量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经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。—自动控制仪表—4双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，调节器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律可描述为：maxmine(t)0()e(t)0uutu当打开当关闭一、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—5二、具有中间区的双位控制控制器罐压力变送器排放电磁阀例如：某压力控制系统，控制设定值为100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压力稍稍大于100KPa时，调节器输出为1，电磁阀开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值100KPa，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，大于100KPa，调节器输出为1，电磁阀开······，这样调节器输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开”和“关”二个状态上不停的动作。这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的使用寿命一般在10万～50万次。如果把双位特性调整为1P110()0190P1100P90ut或u－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△ue—自动控制仪表—6双位控制——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。位式控制的特点：简单、过渡过程是振荡的位式控制的适用范围：时间常数大,纯滞后小,负荷变化不大也不激烈,控制要求不高。u—自动控制仪表—7纯比例控制Pabiq0qOiq0qOabeu()()putKet*()pKet由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号(指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制”纯比例控制也是一种最基本的控制规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克服位式控制振荡、不稳定的缺点。比例控制—自动控制仪表—8比例调节规律表达式：一、比例控制规律及其特点puKe或0puuKeu0是偏差e=0时的调节器的稳定输出值KP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)AKp*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：控制及时。一旦偏差不为0，调节器的输出即刻发生改变。—自动控制仪表—9比例增益KP是比例调节器输出变化量u与偏差e之比：比例增益KP和比例度puKeKP越大，比例作用越强，KP越小比例作用越弱。但是，在工业现场，一般都习惯于用比例度来表示比例作用的强弱比例度的定义：输入信号的相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。maxminmaxmin*100%zzzuuumaxminmaxmin**100%uuzzzumaxminmaxmin**100%uuezzu1**100%pCK其中：C——仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数C＝1，%1001pK在没有特定指明的情况下，C＝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。KP越大越小比例作用越强。—自动控制仪表—10二、比例度及其对控制过程的影响某控制系统的方块图如右图所示，求设定值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量。Kp231s11s()Ys()Fs()Xs先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)231()()()312(1)(312)KpsYsXsFssKpssKp令设定值发生单位阶跃变化：1()Xss则：21()312KpYssKps02()lim[*()]112sKpysYsKp存在余差令干扰发生单位阶跃变化：1()Fss则：311()(1)(312)sYsssKps01()lim[*()]012sysYsKp对被控变量有影响，产生余差。Kp增大，余差减小。—自动控制仪表—11结论：·纯比例控制系统，过渡过程结束以后必定存在余差。·KP越大或越小余差越小KP越大或越小控制作用越强余差越小、最大偏差越小KP太大或太小控制作用太强稳定性降低、甚至造成系统不稳定PPK,K余差小或一对矛盾要统筹兼顾稳定性高或—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•控制要求不太高一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。—自动控制仪表—13比例积分控制PI比例控制最大的优点是反应快，控制作用及时最大的缺点是控制结果存在余差当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。比例积分控制就是由比例作用和积分作用二种控制作用组合而成积分控制—自动控制仪表—14积分作用是指调节器的输出与输入（偏差）对时间的积分成比例的特性。表达式为：一、积分控制规律及其特点：1(t)dtiiueT积分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(t)AIAtT只要有偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差为0――消除余差调节器的输出是偏差随时间的积分，当t较小时，调节器输出u(t)很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用，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(t)AIAtT—自动控制仪表—15二、比例积分控制规律与积分时间：比例积分(PI)控制由比例和积分二种控制作用组合而成1()[()()]piutKetetdtT1()(1)piGsKTs比例作用项eKp积分作用项piKedtT如果加入幅值为A的阶跃信号：()etA1()()1()()pipipiutKeedtTKAAdtTAKAtT(0)puKA()2puTKA积分时间的定义：在阶跃输入下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。—自动控制仪表—16三、积分作用对过渡过程的影响某控制系统的方块图如图所示，求设定值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量1(1)IKpTs231s11s()Ys()Fs()Xs先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)2(1)(31)()()()(31)2(1)(1)[(31)2(1)]iiiiiiKpTsTssYsXsFsTssKpTssTssKpTs令设定值发生单位阶跃变化：1()Xss则：2(1)1()(31)2(1)iiiKpTsYsTssKpTss0()lim[*()]1sysYs无余差令干扰发生单位阶跃变化：1()Fss则：(31)1()(1)[(31)2(1)]iiiTssYssTssKpTss0()lim[*()]0sysYs无余差积分作用能消除余差！！！—自动控制仪表—17采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两重性。在同样的比例度下，缩短积分时间Ti，将使积分调节作用加强，容易消除余差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线3，Ti过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线1。—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—19比例微分控制PD积分控制最大的优点是消除余差最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低微分控制主要用来克服被控对象的容量滞后(时间常数T)，但不能克服纯滞后。第四节微分控制—自动控制仪表—20微分作用是指调节器的输出与输入变化率成比例关系，成比例的特性。表达式为：一、微分控制规律及其特点：dddeuTdt微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分时间，Td越大微分作用越强。微分作用的目的：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。微分作用的原理：根据偏差信号变化速度来确定调节器的输出，改变操作变量（超前控制）。e(t)u(t)00+AtTdAe(t)u(t)t0t0—自动控制仪表—21二、比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二种控制作用组合而成()()[()]pddetutKetTdt()(1)pdGsKTs比例作用项eKp微分作用项()pddetKTdte(t)Ae(t)0At从(b)图中可以看出，当输入为斜坡曲线时存在：u(t)＝e(t＋Td)，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TD时间从(a)图上可得出，当加入阶跃输入时，微分作用产生了一个函数，当t0时，u(t)＝e(t)，很显然这种控制作用在实际应用中没有什么态大的意义根据这2个特点不难理解：微分作用不能作为一种单独的调节规律来使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于对象时间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—22三、实际的比例微分控制作用从前面的波形图中可以看到，如果调节器的输入为阶跃信号，理想PD调节器的输出为脉冲信号，而脉冲信号不可能被其它环节（执行器）所接收到。在工业应用现场时不采用理想的PD作用，而采用实际的PD作用。实际的PD作用表达式为：()()dpddTdudeuKeTKdtdt(1)()()()1pdddKTsUsGsTsEsK式中，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Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般为5～10。另外还有一类Kd1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—23实际比例微分控制作用的阶跃响应d1:11(1)()[]11[]111[]1[1(1)]dddpdddTddKdpdddpdtp