第三讲 控制器与执行机构

第三章控制器与执行机构3.1控制规律比例控制（P）积分比例控制（PI）微分比例控制（PD）比例积分微分控制规律（PID）3.2控制器模拟式控制器数字控制器3.3执行器执行机构调节机构的性能指标选用3.1控制规律什么是控制器的控制规律?控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制规律有哪些?有很多：PID、非线性、自适应、智能等控制器的基本控制规律？位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式：比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）控制规律的实现?控制器执行器被控对象测量元件与变送器测量值给定值偏差输出变量被控变量控制器操纵干扰作用SVPVDVMVqyD3.1控制规律比例积分微分控制(PID)是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高及对大多数控制系统的适应性，所以被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立数学模型的确定性控制系统。3.1控制规律•双位控制理想的双位控制器其输出Dv与输入偏差额Mv之间的关系为：00,)0(0,minmaxDvDvMvDvDvMvMv或或3.1控制规律实际的双位控制特性3.1控制规律一、比例控制规律比例控制器的其输出与输入成比例关系，即△Mv=KpDv式中Kp----比例放大倍数，或称比例增益。3.1控制规律比例度:是指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。%100/变化范围变化范围MvMvPvDvpB%1001%100变化范围变化范围变化范围变化范围PvMvPvMvMvDvKpPB比例度δ与放大倍数KP成反比。控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。3.1控制规律举例：比例作用控制，温度刻度范围为400～800℃，控制器输出工作范围是4～20mA。当指示指针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从12(10)变为16(18)，其比例度的值为?%100%1004201216/400800600700PB3.1控制规律优点：反应快，控制及时缺点：不能消除余差（？）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。结论：3.1控制规律对于比例作用的控制器来说，只要有偏差输入，其输出立即按比例变化，因此比例控制作用及时迅速；但只具有比例控制规律的控制系统，当被控变量受扰动影响而偏离给定值后，控制器的输出必定要发生变化而在系统达到新的稳态以后，为了克服扰动的影响，控制器的输出不是原来的数值。由于控制器的输出与偏差成比例关系，被控变量也就不可能回到原来的数值上，即存在残余偏差——余差。余差是比例控制器应用方面的一个缺点，在控制器的输出变化量相同的情况下，Kp越大，即比例度越小，余差也越小。但是，若Kp过分大，系统容易振荡，甚至发散。此外，余差的大小还与扰动的幅值有关，若为阶跃扰动，其幅值越大，在相同Kp下，余差也越大。由于负荷的变化是系统的一种扰动，一次比例控制器一般实用于负荷不大、允许有余差的系统。3.1控制规律二、积分和比例积分控制规律当对控制质量有更高要求时，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。积分作用：输出与偏差对时间的积分成比例关系，即式中Ti――积分时间。3.1控制规律0Dv0MvMv0t1ttt方波信号下积分作用的响应当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。3.1控制规律比例积分控制规律：Dv0Mv0ttCKPTi比例积分控制器阶跃响应曲线C比例积分控制器对于多数系统都可采用，具有消除余差和动作快的特点。比例度和积分时间两个参数均可调整。3.1控制规律三、微分和比例微分控制规律比例作用根据偏差的大小进行自动控制，积分作用可以消除被控变量的余差。对于一般控制系统来说，使用比例积分作用已经能满足生产过程自动控制的要求了。但是对一些要求比较高自动控制系统，常希望根据被控变量变化的趋势，而采取控制措施，防止被控变量产生过大的偏差。为此可使用具有微分作用控制规律的控制器。3.1控制规律微分控制规律所谓被控变量的变化趋势，就是偏差变化的速度。控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比，可用下式表示式中dtdDV为偏差变化的速度；DT为微分时间。比例微分控制规律3.1控制规律0VMtt比例微分控制器的阶跃响应曲线DvC0CKPDDKT/%2.63%1003.1控制规律优点：具有超前控制功能缺点：它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。3.1控制规律四、比例积分微分控制规律3.2控制器一、模拟控制器功能：对偏差进行PID运算偏差显示输出显示提供内给定信号调整及内、外给定的选择正、反作用的选择手动操作与手动/自动双向切换正作用与反作用•输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节•输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节•例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关进料口执行器变送器调节器液位调节器液体储槽液位变送器+－SP执行器“反”“正”“正”“正”“反”“反”由于被控对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的，所以应当通过控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。输出显示显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供内给定的调整若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。3.2控制器手/自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？手动操作可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出无扰动切换手、自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）Kp/Ti/Td的设置改变控制器的特性3.2控制器某型调节器正面图1—自动-软手动-硬手动切换开关；2—双针垂直指示器；3—内给定设定轮；4—输出指示器；5—硬手动操作杆；6—软手动操作板键；7—外给定指示灯；8—阀位指示器；9—输出记录指示；10—位号牌；11—输入检测插孔；12—手动输出插孔3.2控制器3.2控制器组成：主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。3.2控制器二、数字控制器特点：1、实现了模拟仪表与计算机一体化将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。3.2控制器2、运算控制功能强数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。3.2控制器3、通过软件实现所需功能数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。3.2控制器4、具有和模拟调节器相同的外特性尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（4～20mADC，1～5VDC），可以方便地与DDZ－III型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。3.2控制器5、具有通讯功能，便于系统扩展数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCS（DIstributedControlSystem，集散控制系统）控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PID参数及输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。3.2控制器6、可靠性高，维护方便在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。3.2控制器构成：硬件电路以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件数字调节器的主要功能由软件决定模拟调节器：硬件决定一切，功能单一3.2控制器主机电路：多为单片机，是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。ROM：存放系统程序EPROM：存放用户程序RAM：存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等3.2控制器3.2控制器模拟量输入通道：将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样／保持器。采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用。A／D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。3.2控制器开关量输入通道：开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号。开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。3.2控制器模拟量输出通道：依次将多个运算处理后的数字信号进行数／模转换。D/A转换器起数／模转换作用。V／I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。3.2控制器开关量输出通道：开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输3.2控制器通信接口电路：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据。工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用：串行通信原因：实施方便、成本低、适于远距离传输3.2控制器构成：软件系统程序:系统程序是调节器软件的主体部分通常由监控程序和功能模块两部分组成。数字式调节器的软件分为系统程序和用户程序两大部分用户程序:用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。作用：使调节器完成预定的控制与运算功能。·系统初始化·中断管理·自诊断处理·键处理·定时处理·通信处理·掉电处理·运行状态控制一般来说，数字调节器需要完成以下一些任务：监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。3.2控制器监控程序：功能模块·数据传送用户可以选择所需要的功能模块以构成用户程序，使调节器实现用户所规定的功能。调节器提供的功能模块主要有：·PID运算·四则运算·逻辑运算·开平方运算·取绝对值运算·脉冲输入计数与积算脉冲输出·高值选择和低值选择·上限幅和上限幅·折线逼近法函数运算·一阶惯性滞后处理·纯滞后处理·移动平均值运算·控制