化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表5.1 自动控制仪表发展历程自动控制仪表发展历程5.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响5.3 模拟式控制器模拟式控制器5.4 数字式控制器数字式控制器5.5 可编程序控制器可编程序控制器(自学自学)1化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.1 自动控制仪表发展历程自动控制仪表发展历程 控制器的作用：是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。 模拟调节器（控制算法由电路实现） 数字控制器（含CPU，控制算法由程序实现）发展历程:(1)基地式控制仪表;(2)单元组合式仪表中的控制单元;(3)以微处理器为基元的控制装置(即计算机控制系统计算机控制系统).2化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn3控制器的控制规律是指：控制器的输出信号与输入信号之间的关系。即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。 在研究控制器的控制规律时3化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影响5.2.1 双位控制双位控制5.2.2 比例控制比例控制5.2.3 积分控制积分控制5.2.4 微分控制微分控制根据输入量与设定值差异的大小连续调整输出量的大小。分类：分类：P控制比例控制PI控制比例积分控制PD控制比例微分控制PID控制比例微分积分控制4化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.1 双位控制双位控制5理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图5-1 理想双位控制特性图5-2 双位控制示例双位控制的动作规律双位控制的动作规律: 当测量值大于给定值时,控制器的输出为最大或最小,而当测量值小于给定值时,则输出为最小或最大,即控制器只有两个输出值,相应的控制机构只有开和关两个极限位置,因此又称为开关控制。(5-1)5化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.1 双位控制双位控制 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。 图5-3 实际的双位控制规律具有中间区的双位控制具有中间区的双位控制图5-4 具有中间区的双位控制过程6化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。7化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.2 比例控制比例控制在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。图5-5 简单比例控制系统示意图8化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.2 比例控制比例控制比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量根据相似三角形原理所以，对于具有比例控制的控制器比例度比例度 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。 (5-3)(5-2)(5-4)9化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.2 比例控制比例控制例如DDZ-型比例作用控制的电动温度控制器;其温度测量的范围为200400,控制器的输出范围为010mA ,假如当指示值从340变化到380时,相应的控制器输出从4mA变化到8mA ,这时的比例度为: 由式5-3和5-4可得即（5-5）其中: 对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令（5-6）10化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.2 比例控制比例控制左下图为液位比例控制系统的过渡过程。左下图为液位比例控制系统的过渡过程。图5-6 比例系统过渡过程液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线在t=t0时，系统外加一个干扰作用优点：反应快，控制及时缺点：存在余差11化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn比例度的选择原则: 若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。 图5-7 比例度对过渡过程的影响12化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.3 积分控制积分控制(PID控制规律控制规律)积分作用能够消除余差积分作用能够消除余差,比例控制相比，积分控制过渡过比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢程比较缓慢 积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即 （5-7）图5-8 积分控制规律对上式微分,可得（5-8）当输入偏差是常数A时13化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.3 积分控制积分控制(PID控制规律控制规律)比例积分控制规律可用下式表示 （5-9）图5-9 比例积分控制规律若偏差是幅值为A的阶跃干扰(5-10)14化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.3 积分控制积分控制(PID控制规律控制规律)图5-10 积分时间对过渡过程的影响微分时间微分时间TD的影响的影响Ti值过小值过小系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。Ti值过大值过大积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中值适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。15化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn“积分饱和积分饱和”现象现象 积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零时，控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小。时，控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小。产生这种现象的条件有三个：产生这种现象的条件有三个： 其一是控制器具有积分作用；其一是控制器具有积分作用； 其二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执其二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器；行器； 其三是控制器的输入偏差信号长期存在。在选择性控制其三是控制器的输入偏差信号长期存在。在选择性控制系统中，没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和系统中，没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和现象。现象。16化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn“积分饱和的危害积分饱和的危害 ” 控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围(对于气动薄膜控制阀来说，其有效输入信号范围一般为20100kPa)。出现这种现象，对控制系统的工作是很不利的。因为当需要该控制器恢复工作状态(在取代控制系统中，控制器重新被选择器选中)时，它不能马上动作，必须待它的输出退出饱和区，返回到执行器的有效输入信号范围内后，才能使执行器开始动作。所以取代是不及时的，这样会对系统的工作带来严重的后果，甚至会造成事故。 抗积分饱和的主要方法有抗积分饱和的主要方法有限幅法和积分切除法限幅法和积分切除法等。等。 17化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.4 微分控制微分控制比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。 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。优点优点具有超前控制功能。 具有微分控制规律的控制器（5-11） 实际微分控制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，恒等于100%，所以认为：实际的微分控制器是一个比例度为 100%的比例微分控制器。 18化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.4 微分控制微分控制当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（5-12） 比例微分控制器的输出p等于比例作用的输出pP与微分作用的输出pD之和。改变比例度(或KC)和微分时间 TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。 TD值过大值过大系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。TD值过小值过小积分作用不明显，超调量大。TD值适中值适中经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。(TD微分时间)19化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.4 微分控制微分控制图5-10 微分时间对过渡过程的影响注:(1) 微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,减少被控变量的波动幅度,并降低余差。(2)微分作用也不能加得过大。 20化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.2.4 微分控制微分控制比例积分微分控制比例积分微分控制（5-13）注：(1)同时采用比例、积分、微分调节方法。(2)通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。(3)采用比例积分微分（PID）调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。(4)PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用的控制方法。21化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.3 模拟式控制器模拟式控制器一基本构成模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，主要是电动控制器基 本结构比较环节放大器反馈环节控制仪表分为模拟控制仪表和数字式控制仪表22化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.3 模拟式控制器模拟式控制器比较环节比较环节将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏差信号。放大器放大器将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。反馈环节反馈环节将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。给定信号比较环节测量信号偏差放大器输出信号反馈环节-23化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn 5.3 模拟式控制器模拟式控制器二 DDZ电动控制器特点:(1)采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号：(2)广泛采用集成电路，可靠性高，维修量少。(3)全系统统一采用24V DC电源供电，有蓄电池作为备用电源,单元仪表无须单独设置电源。(4)功能齐全，结构合理。(5)整套仪表可构成安全火花型防暴系统.24化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn 5.3 模拟式控制器模拟式控制器图5-11 DDZ-型控制器结构方框图型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种。炉温控制图5-12 外形结构25化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cnDDZ电动控制器的基本功能电动控制器的基本功能控制功能控制功能自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。手动控制：由人工直接设定输出值遥控执行器。1.软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。2.硬手动：瞬间直接改变输出值。显示功能显示功能输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。调整功能调整功能1.给定输入调整：2.控制参数整定：无干扰切换无干扰切换: : 在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。无干扰切换的实现：无干扰切换的实现：在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。26化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.4 数字式控制器数字式控制器数字式控制器与模拟式控制器的比较： 数字式控制器模拟式控制器构成原理数字技术模拟技术所用器件以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件相同点:仪表总的功能和输入输出关系基本一致。 27化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.4 数字式控制器数字式控制器一一 数字式控制器的主要特点数字式控制器的主要特点(1)实现了模拟仪表与计算机一体化;(2)具有丰富的运算控制功能;(3)使用灵活方便,通用性强;(4)具有通讯功能,便于系统扩展;(5)可靠性高,维护方便.28化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn5.4 数字式控制器数字式控制器二数字式控制器的基本构成二数字式控制器的基本构成硬件电路:主机电路,过程输入通道,过程输出通道,人机接口电路,通信接口电路等.数字式控制器的软件包括系统程序和用户程序.三 KMM可编程序调节器是一种单回路的数字控制器。可以接收5个模拟输入信号，4个数字输入信号，输出3个模拟信号，输出3个数字信号。 29化工自动化及仪表化工自动化及仪表 http:/www.swust.net.cn休休息息30