第4章基本控制規(guī)律知識分享

1、化工(hugng)儀表及自動化第四章第四章 基本控制基本控制(kngzh)規(guī)律規(guī)律 第一頁，共42頁。內(nèi)容提要內(nèi)容提要(ni rn t yo)n 位式控制位式控制n 雙位控制雙位控制n 具有中間區(qū)的雙位控制具有中間區(qū)的雙位控制n 多位控制多位控制n 比例控制比例控制n 比例控制規(guī)律及其特點比例控制規(guī)律及其特點(tdin)n 比例度及其對控制過程的影響比例度及其對控制過程的影響n 積分控制積分控制n 積分控制規(guī)律及其特點積分控制規(guī)律及其特點(tdin)1第二頁，共42頁。內(nèi)容提要內(nèi)容提要(ni rn t yo)n 比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律(gul)(gul)與積分時間與積分時間n 積分時

2、間對系統(tǒng)過渡過程的影響積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響n 微分控制微分控制n 微分控制規(guī)律微分控制規(guī)律(gul)(gul)及其特點及其特點n 實際的微分控制規(guī)律實際的微分控制規(guī)律(gul)(gul)及微分時間及微分時間n 比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程n 比例積分微分控制比例積分微分控制2第三頁，共42頁。概論概論(giln)3控制器的控制規(guī)律是指 控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。 xzeefp即 經(jīng)常是假定控制器的輸入信號e是一個階躍信號，然后來研究控制器的輸出信號p隨時間的變化規(guī)律。 第四頁，共42頁。概論概論(giln) 位式控制（其中以雙位控制比較常用）、比例控

3、制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）。 4第五頁，共42頁。第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制(kngzh)n 一、雙位控制一、雙位控制(kngzh)500,)0(0,minmaxeepeepp或或理想的雙位控制器其輸出p與輸入偏差額e之間的關(guān)系為圖4-1 理想雙位控制特性圖4-2 雙位控制示例（4-2）第六頁，共42頁。第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制(kngzh)6 將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。由于設(shè)置了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機構(gòu)不會動作，因此可以使控制機構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動(yndng)部件的使用

4、壽命。 圖4-3 實際的雙位控制規(guī)律n 二、具有中間(zhngjin)區(qū)的雙位控制圖4-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程第七頁，共42頁。第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制(kngzh)雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo) 結(jié)論結(jié)論被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。 雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于實現(xiàn)，因而應(yīng)用很普遍。7第八頁，共42頁。第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制(kngzh)n 三、多位控制三、多位控制(kngzh) 對系統(tǒng)的控制效果(xiogu)較好，但會使控制裝置的復(fù)雜程度增加。圖4-5 三位控制器特性圖8第九頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制9

5、在雙位控制系統(tǒng)中，被控變量不可避免地會產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩過程，為了避免這種情況，應(yīng)該使控制在雙位控制系統(tǒng)中，被控變量不可避免地會產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩過程，為了避免這種情況，應(yīng)該使控制閥的開度與被控變量的偏差成比例，根據(jù)閥的開度與被控變量的偏差成比例，根據(jù)(gnj)(gnj)偏差的大小，控制閥可以處于不同的位置，這樣就有可能獲偏差的大小，控制閥可以處于不同的位置，這樣就有可能獲得與對象負(fù)荷相適應(yīng)的操縱變量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。得與對象負(fù)荷相適應(yīng)的操縱變量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。 圖4-6 水槽液位控制第十頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制eKpC（4-3

6、）10n 一、比例控制規(guī)律(gul)及其特點比例控制器KCep圖4-7 比例控制器圖4-8 簡單比例控制系統(tǒng)示意圖比例比例(bl)控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量第十一頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制pbeaeKeabpC（4-5）11（4-4）第十二頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制12%100/minmaxminmaxpppxxe（4-7）n 二、比例度及其對控制過程二、比例度及其對控制過程(guchng)的影的影響響第十三頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制舉例一只比例作用的電動溫度控制器,它的量程是 100200

7、,電動控制器的輸出是010mA ,假如當(dāng)指示值從140變化到160時,相應(yīng)的控制器輸出從3mA變化到8mA ,這時的比例度為為 %40%100010/38100200/14016013第十四頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制 當(dāng)溫度(wnd)變化全量程的40%時,控制器的輸出從0mA變化到10mA。在這個范圍內(nèi),溫度(wnd)的變化和控制器的輸出變化p是成比例的。但是當(dāng)溫度(wnd)變化超過全量程的40%時 (在上例中即溫度(wnd)變化超過40時) ,控制器的輸出就不能再跟著變化了。 這是因為控制器的輸出最多只能變化100%。所以,比例度實際上就是使控制器輸出變化全范圍時,輸入偏差

8、改變量占滿量程的百分?jǐn)?shù)。 14第十五頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制15圖4-9 比例度與輸入輸出的關(guān)系%100)(1minmaxminmaxxxppKC即（4-8）%100)(minmaxminmaxxxpppe將式（4-7）改寫后得minmaxminmaxxxppK 對于一只具體的比例控制器，儀表的量程和控制器的輸出范圍都是固定的,令（4-9）第十六頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制對一只控制器來說， K是一個(y )固定常數(shù)。%100CKK將式 (4-9)代入式 (4-8) ，得（4-10）epKC而 KC值與值都可以用來表示比例控制作用(zuyng)的強弱。%10

9、01CK在單元組合式儀表中（9-11）16第十七頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制17左下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡左下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡(gud)過程。過程。圖4-10 簡單水槽的比例控制過程液位開始(kish)下降作用(zuyng)在控制閥上的信號進水量增加偏差的變化曲線圖4-11 比例度對過渡過程的影響在t=t0時，系統(tǒng)外加一個干擾作用第十八頁，共42頁。第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制 若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，控制器的比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大些以保證穩(wěn)定。

10、結(jié)論結(jié)論18第十九頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制n 一、積分控制規(guī)律一、積分控制規(guī)律(gul)及其特點及其特點19 當(dāng)對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要(xyo)在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。 edtKpI 積分控制作用的輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比，即 （4-12）圖4-12 積分控制規(guī)律對式 (4-12)微分,可得eKdtpdI（4-14）AtKedtKpII當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時（4-13）第二十頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制 20第二十一頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制圖4-13 液位控制系統(tǒng)(kn zh x tn)圖4-

11、14 積分控制過程(guchng)21第二十二頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制n 二、比例積分二、比例積分(jfn)控制規(guī)律與積分控制規(guī)律與積分(jfn)時間時間比例積分控制規(guī)律可用下式表示 edtKeKpIC（4-15）圖4-15 比例積分控制規(guī)律22第二十三頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制23IKT1由于（4-16）則edtTeKpIC1（4-17）AtTKAKpppICCIP若偏差是幅值為A的階躍干擾（4-18）PCCCIPpAKAKAKppp2在時間t = TI時，有（4-19）第二十四頁，共42頁。第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制n 三、積分時間對系統(tǒng)過渡過程三

12、、積分時間對系統(tǒng)過渡過程(guchng)的的影響影響圖4-16 積分時間對過渡過程的影響 當(dāng)縮短積分時間當(dāng)縮短積分時間, ,加強積分加強積分控制作用時控制作用時, ,一方面克服余差的一方面克服余差的能力增加。另一方面會使過程能力增加。另一方面會使過程振蕩加劇振蕩加劇, ,穩(wěn)定性降低。積分時穩(wěn)定性降低。積分時間越短間越短, ,振蕩傾向越強烈振蕩傾向越強烈, ,甚至?xí)踔習(xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩。成為不穩(wěn)定的發(fā)散振蕩。 24第二十五頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制比例積分控制器對于多數(shù)系統(tǒng)都可采用，比例度和積分時間兩個參數(shù)均可調(diào)整。 當(dāng)對象滯后很大時，可能控制時間較長、最大

13、偏差(pinch)也較大； 負(fù)荷變化過于劇烈時，由于積分動作緩慢，使控制作用不及時，此時可增加微分作用。 25第二十六頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制n 一、微分控制規(guī)律一、微分控制規(guī)律(gul)(gul)及其特點及其特點26 圖4-17 微分控制的動態(tài)特性dtdeTpD（4-20）第二十七頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制n 二、實際的微分控制二、實際的微分控制(kngzh)規(guī)律及微分時間規(guī)律及微分時間 實際微分控制規(guī)律是由兩部分組成：比例作用與近似微分作用，其比例度是固定不變的，恒等于100%，所以認(rèn)為：實際的微分控制器是一個比例度為 10

14、0%的比例微分控制器。 27第二十八頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制圖4-18 實際微分器輸出變化曲線tTKDDPDDeKAAppp1當(dāng)輸入是一幅值為 A的階躍信號時(4-21)可見(kjin)，t =0時, p=KDA；t =時,p =A。 微分控制器在階躍信號的作用下,輸出p一開始就立即升高到輸入幅值A(chǔ)的KD倍,然后再逐漸下降,到最后就只有(zhyu)比例作用A了。 微分放大倍數(shù)KD決定了微分控制器在階躍作用瞬間的最大輸出幅度。 28第二十九頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制 微分時間(shjin)TD是表征微分作用強弱的一個重要參數(shù)，它決

15、定了微分作用的衰減快慢，且它是可以調(diào)整的。tTKDDDDeKAp1(4-22)在t = T時,整個(zhngg)微分控制器的輸出為1368. 0DTKAAp(4-25)1368. 011DDDKAeKApDDKTT 假定則(4-23)(4-24)29第三十頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制n 三、比例微分控制系統(tǒng)的過渡三、比例微分控制系統(tǒng)的過渡(gud)(gud)過程過程dtdeTeKpppDCDP當(dāng)比例作用和微分作用結(jié)合時,構(gòu)成比例微分控制規(guī)律（4-27） 比例微分控制器的輸出比例微分控制器的輸出p等于比例作用的輸出等于比例作用的輸出pP與微分作用的輸出與微分作用的輸

16、出pD之和。改變比例度之和。改變比例度( (或或KC) )和微分和微分時間時間 TD分別可以改變比例作用的強弱和微分作用的強分別可以改變比例作用的強弱和微分作用的強弱。弱。 說明：說明：30第三十一頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制圖4-19 微分時間對過渡過程的影響 微 分 作 用 具 有 抑 制(yzh)振蕩的效果，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少被控變量的波動幅度,并降低余差。微分作用也不能加得過大。 微分控制具有“超前”控制作用。 31第三十二頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制n 四、比例積分微分四、比例積分微分(wi fn)控控制制 同時具有

17、比例、積分、微分三種控制作用(zuyng)的控制器稱為比例積分微分控制器。dtdeTedtTeKppppDICDIP1（4-28）32第三十三頁，共42頁。第四節(jié)第四節(jié) 微分微分(wi fn)控制控制圖4-20 PID控制器輸出特性 比例度、積分時間 TI和微分時間 TD。三個可調(diào)參數(shù)適用場合 對象滯后較大、負(fù)荷變化較快、不允許有余差的情況。 控制規(guī)律 比例控制、積分控制、微分控制。33第三十四頁，共42頁。例題例題(lt)分析分析 1.目前目前,在化工在化工(hugng)生產(chǎn)過程中的自動控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的自動控制系統(tǒng),常用控制器的控制規(guī)律有位式控制、比例控制、比常用控制器的控制規(guī)律有位式控

18、制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。試綜述它們的特點及使用場合。例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。試綜述它們的特點及使用場合。（a）（b）（c）（d）34第三十五頁，共42頁?？刂埔?guī)律輸入e與輸出p(或p)的關(guān)系式階躍作用下的響應(yīng)（階躍幅值為A）優(yōu)缺點適用場合位式P=pmax(e0)P=pmin(e0)結(jié)構(gòu)簡單 ;價格便宜 ;控制質(zhì)量不高 ;被控變量會振蕩 對象容量大 ,負(fù)荷變化小 ,控制質(zhì)量要求不高 ,允許等幅振蕩 比例（P）p=KCe(a)圖結(jié)構(gòu)簡單 ;控制及時 ;參數(shù)整定方便 ;控制結(jié)果有余差 對象容量大 ,負(fù)荷變化不大、純滯后小 ,允許有余差存在 ,例

19、如一些塔釜液位、貯槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)等 比例積分PI式(4-11)(b)圖能消除余差 ;積分作用控制緩慢 ;會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差 對象滯后較大 ,負(fù)荷變化較大 ,但變化緩慢 ,要求控制結(jié)果無余差。此種規(guī)律廣泛應(yīng)用于壓力、流量、液位和那些沒有大的時間滯后的具體對象 35第三十六頁，共42頁?？刂埔?guī)律輸入e與輸出p(或p)的關(guān)系式階躍作用下的響應(yīng)（階躍幅值為A）優(yōu)缺點適用場合比例微分PD式(4-27)(c)圖響應(yīng)快、偏差小、能增加系統(tǒng)穩(wěn)定性;有超前控制作用,可以克服對象的慣性;控制結(jié)果有余差對象滯后大,負(fù)荷變化不大,被控變量變化不頻繁,控制結(jié)果允許有余差存在 比例積分微分PID式(4-28)(d)圖控制質(zhì)量高;無余差;參數(shù)整定較麻煩 對象滯后大;負(fù)荷變化較大,但不甚頻繁;對控制質(zhì)量要求高。例如精餾塔、反應(yīng)器、加熱