工業(yè)儀表及自動化控制 化工自動化控制 基本控制規(guī)律 課件

工業(yè)儀表及自動化控制模塊二化工自動化控制項目三基本控制規(guī)律課程目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)1.能識讀調(diào)節(jié)器面板顯示數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行手動/自動操作2.能讀懂AI-519產(chǎn)品說明書，并能正確設(shè)置操作參數(shù)3.能根據(jù)控制要求正確接線，理解比例、積分、微分控制的物理意義01知識目標(biāo)021.掌握連續(xù)PID控制算法，理解比例、積分、微分控制的物理意義2.掌握比例度、積分時間、微分時間大小對過渡過程的影響3.掌握各種控制算法的適用場合位式控制比例控制積分控制目錄微分控制討論思考

在自動化控制中，最基本的控制規(guī)律有哪些？1控制器的基本控制規(guī)律有：(

)

A、位式控制

B、

比例控制（P）

C、積分控制（I）

D、微分控制（D）正確答案：ABCD概述概述控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。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。在研究控制器的控制規(guī)律時圖

控制系統(tǒng)方塊圖概述控制器的基本控制規(guī)律位式控制（其中以雙位控制比較常用）、比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）及它們的組合形式，如比例積分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例積分微分控制（PID）。不同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，必須根據(jù)生產(chǎn)要求選用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，因此必須了解常用的幾種控制規(guī)律的特點與適用條件，然后根據(jù)過渡過程品質(zhì)指標(biāo)要求，結(jié)合具體對象特性，才能做出正確選擇。位式控制01位式控制1.雙位控制雙位控制系統(tǒng)：規(guī)律是當(dāng)測量值大于給定值時，控制器輸出為最大（或最?。?dāng)測量值小于給定值時，控制器輸出為最小（或最大），即控制器只有兩個輸出值，又稱為開關(guān)控制。數(shù)學(xué)表達(dá)式：雙位控制特性：缺點：執(zhí)行器頻繁工作，易出現(xiàn)故障。位式控制2.具有中間區(qū)的雙位控制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(jī)構(gòu)不會動作，因此可以使控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動部件的使用壽命。如恒溫爐、管式爐的溫度控制。位式控制2.具有中間區(qū)的雙位控制位式控制雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標(biāo)。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。例如儀表用壓縮空氣貯罐的壓力控制，恒溫爐、管式爐的溫度控制等，常采用雙位控制。工廠中常用的最簡單的雙位控制元件有帶電觸點的壓力表、帶電觸點的水銀溫度計、雙金屬溫度計等。結(jié)論圖雙金屬溫度信號器1—雙金屬片；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—絕緣子；4—信號燈位式控制3.多位控制對系統(tǒng)的控制效果較好，但會使控制裝置的復(fù)雜程度增加。圖三位控制器特性圖比例控制02比例控制

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)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)。

如圖，根據(jù)相似三角形原理

所以，對于具有比例控制的控制器比例控制

1.比例控制規(guī)律及其特點比例控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量比例控制的放大倍數(shù)Kc是一個重要的系數(shù)，它決定了比例控制作用的強(qiáng)弱。比例控制器KCeΔp比例控制

2.比例度及其對控制過程的影響比例度是指控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)。

圖

比例度示意圖比例度是使控制器的輸出變化滿刻度時，相應(yīng)的儀表測量值變化占測量范圍的百分?jǐn)?shù)。難點比例控制

2.比例度及其對控制過程的影響舉例DDZ-Ⅱ型比例作用控制，溫度刻度范圍為400～800℃，控制器輸出工作范圍是0～10mA。當(dāng)指示指針從600℃移到700℃，此時控制器相應(yīng)的輸出從4mA變?yōu)?mA，其比例度的值為說明

對于這臺控制器，溫度變化全量程的50％（相當(dāng)于200℃），控制器的輸出就能從最小變?yōu)樽畲螅诖藚^(qū)間內(nèi)，e和p是成比例的。比例度是使控制器的輸出變化滿刻度時，相應(yīng)的儀表測量值變化占測量范圍的百分?jǐn)?shù)。比例控制

2.比例度及其對控制過程的影響

比例度δ與放大倍數(shù)KP成反比?？刂破鞯谋壤圈脑叫?，它的放大倍數(shù)KP就越大，它將偏差（控制器輸入）放大的能力越強(qiáng)，反之亦然。結(jié)論對于比例控制器來說，常用比例度來表示比例控制作用的強(qiáng)弱，比例度越大，控制作用（

），余差越大。

A、越大

B、

不變

C、

越強(qiáng)

D、

越弱正確答案：D

以下為比例度的表達(dá)式：

正確答案：

√比例控制

2.比例度及其對控制過程的影響圖

比例控制系統(tǒng)過渡過程在t=t0時，系統(tǒng)外加一個干擾作用液位開始下降作用在控制閥上的信號進(jìn)水量增加偏差的變化曲線圖

比例度對過渡過程的影響液面穩(wěn)定在比原來值低的位置，其差值就是余差Q0Qi比例控制

2.比例度及其對控制過程的影響優(yōu)點：反應(yīng)快，控制及時缺點：存在余差

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。結(jié)論

比例控制的特點是（

）

A、反應(yīng)快，控制及時，有余差存在

B、反應(yīng)慢，控制不及時，有余差存在

C、反應(yīng)快、控制及時、能消除余差

D、反應(yīng)慢，控制不及時，但能消除余差

正確答案：A積分控制03積分控制

當(dāng)對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。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，即圖

積分控制器特性當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時

當(dāng)有偏差存在時，輸出信號將隨時間增長（或減?。．?dāng)偏差為零時，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一值上，因而用積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達(dá)到無余差。結(jié)論積分控制

把比例與積分組合起來，這樣控制既及時，又能消除余差。圖比例積分控制器特性比例積分控制規(guī)律可用下式表示或K1越大，積分特性越明顯，反之越弱，如果無限小，純比例控制器積分控制

積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響圖

積分時間對過渡過程的影響

積分時間對過渡過程的影響具有兩重性

當(dāng)縮短積分時間,加強(qiáng)積分控制作用時,一方面克服余差的能力增加。另一方面會使過程振蕩加劇,穩(wěn)定性降低。積分時間越短,振蕩傾向越強(qiáng)烈,甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩。積分控制規(guī)律的特點是（

）A、反應(yīng)快，控制及時，有余差存在

B、反應(yīng)慢，控制不及時，有余差存在

C、反應(yīng)快、控制及時、能消除余差

D、反應(yīng)慢，控制不及時，但能消除余差

正確答案：D正確答案：C積分控制

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、最大偏差也較大；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。對象的滯后較大

(溫度),可延長爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量。微分控制04微分控制

在自動控制時，控制器具有微分控制規(guī)律圖

理想微分控制器特性優(yōu)點具有超前控制功能。缺點它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)值很大，微分作用也沒有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，所以不能單獨使用這種控制器，它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或三作用控制器。微分控制

圖

實際微分器輸出變化曲線

微分控制器在階躍信號的作用下,輸出Δp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。微分控制

圖

微分時間對過渡過程的影響微分作用具有抑制振蕩的效果，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。微分控制

20比例微分控制規(guī)律圖

比例微分控制器特性比例積分微分控制規(guī)律圖

三作用控制器特性圖9-17PID控制器輸出特性

微分控制的特點是（

）

A、

按偏差變化的速度進(jìn)行控制，具有超前控制之稱；當(dāng)偏差固定時，沒有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，所以不能單獨使用。B、

按偏差的大小進(jìn)行控制，偏差大，控制作用也越強(qiáng)；控制及時，但是控制結(jié)果存在余差。C、

按偏差的積分進(jìn)行控制，當(dāng)偏差存在時，輸出信號將隨時間增長（或者減?。?。當(dāng)偏差為零時，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一值上，因而可以消除余差。D、當(dāng)偏差固定時，沒有輸出，因而控制比較緩慢，且不能消除偏差。正確答案：A例題分析

1.目前,在化工生產(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。解：列表分析如下:（a）（b）（c）（d）34重點控制規(guī)律輸入e與輸出p(或Δp)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(e>0)P=pmin(e<0)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）Δp=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(9-12)(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控制規(guī)律輸入e與輸出p(或Δp)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(9-15)(c)圖