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自动控制仪表现在学习的是第1页，共44页 第一节第一节 概概 述述构成自动控制系统的仪表称为构成自动控制系统的仪表称为过程控制仪表过程控制仪表。主要包括变送器、控制器和执行器。还包括很主要包括变送器、控制器和执行器。还包括很多种辅助仪表。多种辅助仪表。ez xP 现在学习的是第2页，共44页给定值（给定值（x x）：）：工艺要求的量值。工艺要求的量值。测量值（测量值（z z）:被控变量实际值。被控变量实际值。偏偏 差（差（e e）:测量值与给定值之差（测量值与给定值之差（e=z-xe=z-x)。正偏差：正偏差：exex时。时。负偏差：负偏差：exe Q00时，时，控制阀控制阀如何控制如何控制?现在学习的是第5页，共44页控制规律的研究内容控制规律的研究内容:当当zx时时，P有有一一个个变变化化量量P，使使执执行行器器产产生生控控制制作作用用，zx。即即：P是是用用来来克克服服偏偏差差的的，则则控控制制规规律律研研究究的的是是P与与e之间随时间变化的关系之间随时间变化的关系。控制规律有自适应、预估控制规律有自适应、预估 、模糊控制算法、模糊控制算法 、PIDPID算法等。算法等。最常用的控制规律是最常用的控制规律是PID算法，它由基本控制规律算法，它由基本控制规律P、I、D组成组成P、PI、PD、PID，统称统称PID。自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第6页，共44页一、双位控制一、双位控制 1 1、双位控制规律、双位控制规律 Pmax e0 （e0）P Pmin e0 （e0）2 2、举例、举例 液位液位 电磁线圈电磁线圈 阀门阀门 进料进料 液位液位 H HH H0 0 通电通电 关闭关闭 切断进料切断进料 HHHH0 0 H HH H0 0 断电断电 打开打开 进料进料 HHHH0 0 现在学习的是第7页，共44页中间区：被控变量有一定的变化范围中间区：被控变量有一定的变化范围 现在学习的是第8页，共44页现在学习的是第9页，共44页3 3、品质指标：振幅、品质指标：振幅 周期周期 原则：使振荡幅值在允许的范围内，尽可能的原则：使振荡幅值在允许的范围内，尽可能的 使周期延长。使周期延长。4 4、特点：结构简单、成本低、易实现、特点：结构简单、成本低、易实现 现在学习的是第10页，共44页1 1、比例控制规律（、比例控制规律（P P）e P z x 自动控制仪表自动控制仪表二、比例控制二、比例控制现在学习的是第11页，共44页ab 比例控制系统示意图比例控制系统示意图举例：如图是一液位控制系统。举例：如图是一液位控制系统。当液位下降时，当液位下降时，浮球跟随下降，浮球跟随下降，P e 自动控制仪表自动控制仪表e现在学习的是第12页，共44页KP比例增益比例增益;（放大倍数）（放大倍数）杠杆就是控制器，杠杆就是控制器，p p是控制器的输出。是控制器的输出。e e是控制器的输入。是控制器的输入。epab e P Z x所以所以 自动控制仪表自动控制仪表因此因此，现在学习的是第13页，共44页定义：定义：比例控制规律的比例控制规律的输出变化量输出变化量与与输入偏差输入偏差e e成正比。成正比。ettPt0Ct0KpC 自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第14页，共44页比例度就是指控制器输入的相对值与相应的输出的比例度就是指控制器输入的相对值与相应的输出的相对相对变化变化值之比的百分数。用式子表示：值之比的百分数。用式子表示：由于比例增益由于比例增益KP是有量纲的量，在工程上常将其转换是有量纲的量，在工程上常将其转换成一个无量纲的量：成一个无量纲的量：比例度比例度2、比例度比例度 自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第15页，共44页e e:输入的最大变化量，即仪表的量程。输入的最大变化量，即仪表的量程。P:P:输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第16页，共44页对于控制器对于控制器采用标准信号时采用标准信号时：P变化范围变化范围 =e变化范围变化范围 所以所以（强）（强）故：故：（对于单元组合仪表：（对于单元组合仪表：K=1=1）现在学习的是第17页，共44页例题例题:一一型比例控制器温度刻度范围是型比例控制器温度刻度范围是100200 控制器的输出工作范围是控制器的输出工作范围是420mA。当指示值。当指示值 从从140 变化到变化到160 时控制器的输出从时控制器的输出从8mA变化变化 到到16mA。比例度是多少？比例度是多少？=40%当测量温度变化了全量程的当测量温度变化了全量程的40%时，控制器的输出时，控制器的输出从从4mA20mA。在这个范围内，温度的变化与控。在这个范围内，温度的变化与控制器的输出制器的输出P是成比例的。是成比例的。自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第18页，共44页PminPmaxe%0%100%也可以说比例度就是使控制器输出变化全范围时，也可以说比例度就是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了输入量程的百分数。输入偏差改变了输入量程的百分数。40%自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第19页，共44页050%100%e%PmaxPminPmax-Pmin2比例度示意图比例度示意图 2 2、控制器比例度、控制器比例度 与输入、输出的关系与输入、输出的关系 =200%=100%=50%自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第20页，共44页eP3 3、比例控制作用的特性、比例控制作用的特性1)1)静态特性：静态特性：控制结束后控制结束后有余差有余差。（即测量值不等于给定值）（即测量值不等于给定值）2)2)动态特性：动态特性：控制及时，控制及时，无滞后无滞后。teCt0tPt0KpC 自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第21页，共44页4 4、特点：、特点：2 2)动作迅速，作用及时。动作迅速，作用及时。适用于滞后小，负荷变化不大，适用于滞后小，负荷变化不大，无余差要求的场合。无余差要求的场合。3)3)最终稳定时，最终稳定时，P=0 P=KPe，e()0e()0，即，即存在余差存在余差。KP余差余差C，但，但KP过大，过大，系统易发生震荡系统易发生震荡 而不稳定。而不稳定。自动控制仪表自动控制仪表1)1)KP()P，即：比例作用越强。即：比例作用越强。如：中间储罐液位，精馏塔塔釜液位等如：中间储罐液位，精馏塔塔釜液位等。现在学习的是第22页，共44页5 5、比例度对过渡过程的影响、比例度对过渡过程的影响6 6、生产过程常用比例度范围、生产过程常用比例度范围 自动控制仪表自动控制仪表现在学习的是第23页，共44页三、积分控制三、积分控制TI 积分时间积分时间。e（mA）t02t0P（mA）Ti1Ti2Ti3Ti1Ti2t0，de/dt=0，P=0TD 微分作用微分作用 TD 微分作用微分作用 现在学习的是第32页，共44页2、实际微分规律、实际微分规律实际微分规律是由两部分组成：比例和近似微分。实际微分规律是由两部分组成：比例和近似微分。+t0t比例比例AP=Pt0（KDA）t微分微分P63.2%tPDTD/KD100%Atet0A比例度比例度 =100%（KP=1）现在学习的是第33页，共44页3、积分时间对过渡过程的影响、积分时间对过渡过程的影响现在学习的是第34页，共44页4、特点：、特点：1 1）T D微分作用微分作用2 2）若）若有偏差且可能很大，有偏差且可能很大，但但e=e=常数，常数，de/dt=0de/dt=0，则则P=0P=0，不能克服静偏差，不能克服静偏差，有余差，但比纯有余差，但比纯 比例控制要小；比例控制要小；3 3）具有超前控制的作用。）具有超前控制的作用。适用于温度、成分等容量滞后的对象，不适用适用于温度、成分等容量滞后的对象，不适用纯滞后纯滞后对象对象。现在学习的是第35页，共44页2t0 e(mA)P(mA)t02五、比例积分微分控制规律五、比例积分微分控制规律(PID)(PID)理想：理想：实际：实际：现在学习的是第36页，共44页特点：特点：1.1.集集P P、I I、D D三者之优点，克服其不足；三者之优点，克服其不足；2.2.实际系统并非实际系统并非PIDPID是最好，应根据具体情况是最好，应根据具体情况 进行选择。进行选择。常用的控制规律：常用的控制规律：P PI PID 正反作用：正反作用：e=Z-Xe=Z-X正作用控制器：正偏差越大，则调节器输出越大；正作用控制器：正偏差越大，则调节器输出越大；测量值越大，测量值越大，反作用反作用控制器控制器：负偏差越大，则调节器输出越大。：负偏差越大，则调节器输出越大。测量值越小，测量值越小，现在学习的是第37页，共44页例例1 1、实验测得标准信号为、实验测得标准信号为4 420mA20mA电动调节器的电动调节器的 阶跃响应曲线，如图所示。阶跃响应曲线，如图所示。问：问：该控制器的控制规律？该控制器的控制规律？控制器的比例度、积分时间、微分时间？控制器的比例度、积分时间、微分时间？解：解：该控制器为该控制器为PIPI控制规律控制规律 答：控制器的比例度为答：控制器的比例度为200%200%、积分时间为、积分时间为2 2分、微分、微 分时间为分时间为0 0 现在学习的是第38页，共44页解：解：又又 测量值减少时，控制器输出减少，测量值减少时，控制器输出减少，是正作用方向。是正作用方向。答答:控制器的实际比例度为控制器的实际比例度为100%100%，控制器是正作用方向。，控制器是正作用方向。例例2 2、当、当DDZDDZ型电动控制器的测量指针由型电动控制器的测量指针由5050变化到变化到 2525，若控制器的纯比例输出信号由，若控制器的纯比例输出信号由12mA12mA下降到下降到 8mA8mA，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制 器的作用方向。器的作用方向。现在学习的是第39页，共44页 各种常见控制器的特性及选用参考表各种常见控制器的特性及选用参考表控制器控制器名名 称称 控制作用控制作用 控制质量控制质量 适用对象特性适用对象特性 适用适用 系统系统 纯纯滞后滞后负荷负荷变化变化时间时间常数常数 比例比例控制器控制器控制作用与偏控制作用与偏 差大小成例。差大小成例。控制速度快而稳控制速度快而稳 定，但有余差。定，但有余差。小小 小小较大较大 液位液位 比例比例 积分积分控制器控制器控制作用与偏差控制作用与偏差大、小；与偏差大、小；与偏差对时间的对时间的积分成比例。积分成比例。控制迅速，无余控制迅速，无余差。但积分作用差。但积分作用太强（太强（Ti小），小），使系统震荡。使系统震荡。中等中等 小小稍大稍大 大大 中中 小小液位液位压力压力流量流量 比例比例 微分微分控制器控制器不但与偏差大小不但与偏差大小成比例，还与偏成比例，还与偏差的变化速度成差的变化速度成比例。比例。控制迅速，超调控制迅速，超调量小，有余差，量小，有余差，微分作用太强，微分作用太强，系统震荡不定系统震荡不定。中中较大较大 小小 大大要求不要求不高高 温度温度比例积比例积分微分分微分控制器控制器与偏差大小偏差与偏差大小偏差对时间的积分，对时间的积分，偏差的变化速度偏差的变化速度成例。成例。控制迅速，无余控制迅速，无余差，超调量小，差，超调量小，控制时间短，控控制时间短，控制质量高。制质量高。大大 中中 小小 大大 中中 小小 大大 中中 小小温度温度现在学习的是第40页，共44页第六章第六章 控制器控制器控制规律是通过控制器来实现的。控制器有模拟调节器、控制规律是通过控制器来实现的。控制器有模拟调节器、数字调节器、数字调节器、PLCPLC、DCSDCS、FCSFCS等形式，无论何种控制器，等形式，无论何种控制器，它们均具有一些相同的基本功能。它们均具有一些相同的基本功能。第一节第一节 模拟式控制器模拟式控制器 e P z x现在学习的是第41页，共44页 控制器控制器现在学习的是第42页，共44页 控制器控制器控制器的基本功能控制器的基本功能：1.1.控制运算：控制运算：常规常规PIDPID、自整定、自整定PIDPID、自适应等。、自适应等。2.2.显示功能：显示功能：偏差、输出、测量值、给定值以及编程参数等。偏差、输出、测量值、给定值以及编程参数等。3.3.内外给定的选择与提供内给定信号内外给定的选择与提供内给定信号：内给定内给定:来自仪表内部设置，一般用于定值简单控制系统；来自仪表内部设置，一般用于定值简单控制系统；外给定外给定:来自外部输入，一般用于复杂控制系统的来自外部输入，一般用于复杂控制系统的副副控制控制器器。现在学习的是第43页，共44页 控制器控制器4.4.控制器的正、反作用选择控制器的正、反作用选择（实现控制系统的闭环负反馈）（实现控制系统的闭环负反馈）DvDv0 0时，若时，若MvMv0 0，则控制器为，则控制器为正作用正作用；若若MVMV0 0，为，为反作用反作用；DvDv0 0时，若时，若MvMv0 0，则控制器为，则控制器为反作用反作用；若若MVMV0 0，为，为正作用正作用。5.5.手手/自切换与手动操作自切换与手动操作 自动：自动：控制器的输出信号控制器的输出信号MvMv根据控制规律随根据控制规律随DvDv变化而变；变化而变；手动：手动：控制器的输出信号控制器的输出信号MvMv与与DvDv无关，这时控制规律无效，无关，这时控制规律无效，直接由手操纵直接由手操纵MvMv，类似于直接用手调节阀门。，类似于直接用手调节阀门。现在学习的是第44页，共44页