《化工儀表及自動化第9章課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《化工儀表及自動化第9章課件.ppt（42頁珍藏版）》請在匯文網(wǎng)上搜索。

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第九章第九章 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律 內(nèi)容提要內(nèi)容提要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1內(nèi)容提要內(nèi)容提要n比例積分控制規(guī)律與積分時間比例積分控制規(guī)律與積分時間n積分時間對系統(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)律及其特點微分控制規(guī)律及其特點n實際的微分控制規(guī)律及微分時間實際的微分控制規(guī)律及微

2、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概論概論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。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)律時在研究控制器的控制規(guī)律時概論概論控制器的基本控制規(guī)律控制器的基本控制規(guī)律控制器的基本控制規(guī)律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）。4第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制n一、雙位控制一、雙位控制5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9-1

3、 理想雙位控制特性圖9-2 雙位控制示例第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制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(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。圖9-3 實際的雙位控制規(guī)律n二、具有中間區(qū)的雙位控制二、具有中間區(qū)的雙位控制圖9-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程第一節(jié)第一節(jié) 位式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) 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

4、。7第一節(jié)第一節(jié) 位式控制位式控制n三、多位控制三、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9-5 三位控制器特性圖8第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制9 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)。圖9-6 水槽液位控制第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制（9-4）10n 一、比例控制規(guī)律及其特點比例控制器KCep圖9-7 比例控制器圖9-8 簡單比例控制系統(tǒng)示意圖比例控制器實際

5、上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量比例控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制如上圖，根據(jù)相似三角形原理如上圖，根據(jù)相似三角形原理所以，對于具有比例控制的控制器所以，對于具有比例控制的控制器（9-5）11第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制12 比例度比例度 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)。（9-7）n 二、比例度及其對控制過程的影響二、比例度及其對控制過程的影響1.1.1.1.比例度比例度比例度比例度第二節(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,電動控制器的輸出是010mA,假如當(dāng)指示值從140變化到1

6、60時,相應(yīng)的控制器輸出從3mA變化到8mA,這時的比例度為為 13第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制 當(dāng)溫度變化全量程的40%時,控制器的輸出從0mA變化到10mA。在這個范圍內(nèi),溫度的變化和控制器的輸出變化p是成比例的。但是當(dāng)溫度變化超過全量程的40%時(在上例中即溫度變化超過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,輸入偏差改變量占滿量程的百分?jǐn)?shù)。說明說明14第二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制15圖9-9 比例度與輸入輸出的關(guān)系即（9-8）將式（9-7）改寫后得 對于一只具體的比例控制器，儀表的量程和控制器

7、的輸出范圍都是固定的,令（9-9）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是一個固定常數(shù)。將式(9-9)代入式(9-8)，得（9-10）而 KC值與值與 值都可以用來表示值都可以用來表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例控制作用的強(qiáng)弱。在單元組合式儀表中（9-11）16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)的過渡過程。左下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡過程。圖9-10 簡單水槽的比例控制過程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9-11 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二節(jié)第二節(jié) 比例控制比例控制優(yōu)點優(yōu)點：反應(yīng)快，控制及

8、時缺點缺點：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)論結(jié)論18第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制n一、積分控制規(guī)律及其特點一、積分控制規(guī)律及其特點19 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（9-12）圖9-12 積分控制規(guī)律對式(9-12)微分,可得（9-14）當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時（9-13）第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制結(jié)結(jié)論論 積積分分控控制制作作用用

9、輸輸出出信信號號的的大大小小不不僅僅取取決決于于偏偏差差信信號的大小號的大小,而且主要取決于偏差存在的時間長短。而且主要取決于偏差存在的時間長短。積分控制器輸出的變化速度與偏差成正比。積分控制器輸出的變化速度與偏差成正比。積分控制作用在最后達(dá)到穩(wěn)定時，偏差等于零。積分控制作用在最后達(dá)到穩(wěn)定時，偏差等于零。20第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制圖9-13 液位控制系統(tǒng)圖9-14 積分控制過程21第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制n 二、比例積分控制規(guī)律與積分時間二、比例積分控制規(guī)律與積分時間比例積分控制規(guī)律可用下式表示（9-15）圖9-15 比例積分控制規(guī)律22第三節(jié)第三節(jié) 積分控制積分控制23由于（9

10、-16）則（9-17）若偏差是幅值為A的階躍干擾（9-18）在時間t=TI時，有（9-19）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)過渡過程的影響三、積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響圖9-16 積分時間對過渡過程的影響 積積分分時時間間對對過過渡渡過過程程的的影響具有兩重性影響具有兩重性 當(dāng)縮短積分時間當(dāng)縮短積分時間,加強(qiáng)積分加強(qiáng)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(qiáng)烈振蕩傾向越強(qiáng)烈,甚至甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩。會成為不穩(wěn)定的發(fā)散振蕩

11、。24第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制比例積分控制器對于多數(shù)系統(tǒng)都可采用，比比例例度度和和積積分分時間時間兩個參數(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。25第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制n一、微分控制規(guī)律及其特點一、微分控制規(guī)律及其特點26優(yōu)點優(yōu)點具有超前控制功能。具有超前控制功能。圖9-17 微分控制的動態(tài)特性具有微分控制規(guī)律的控制器具有微分控制規(guī)律的控制器（9-20）第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制n二、實際的微分控制規(guī)律及微分時間二、實際的微分控制規(guī)律及微分時間微分作用的特點微分作用的特點在偏

12、差存在但不變化時,微分作用都沒有輸出。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 100%的比例微分控制器。微分作用微分作用微分作用微分作用27第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制圖9-18 實際微分器輸出變化曲線當(dāng)輸入是一幅值為 A的階躍信號時(9-21)可見，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第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制

13、 微分時間TD是表征微分作用強(qiáng)弱的一個重要參數(shù)，它決定了微分作用的衰減快慢，且它是可以調(diào)整的。(9-22)在t=T時,整個微分控制器的輸出為(9-25)假定則(9-23)(9-24)29第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制n 三、比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程三、比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程當(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（9-27）比比例例微微分分控控制制器器的的輸輸出出p等等于于比比例例作作用用的的輸輸出出pP與與微微分分作作用用的的輸輸出出pD之之和和。改改變變比比例例度度(或或KC)和和微微分分時時間間 TD分分別別可可以以改改變變比比例例作作用用的的強(qiáng)強(qiáng)弱弱和和微微分分作作用用的

14、強(qiáng)弱。的強(qiáng)弱。說明：說明：30第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制圖9-19 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。31第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制n四、比例積分微分控制四、比例積分微分控制 同時具有比例、積分、微分三種控制作用的控制器稱為比例積分微分控制器比例積分微分控制器。（9-28）32第四節(jié)第四節(jié) 微分控制微分控制圖9-20 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?？刂埔?guī)律

15、 比例控制、積分控制、微分控制。33例題分析例題分析 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：解：解：解：列表分析如下:（a）（b）（c）（d）34控制規(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

16、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(9-11)(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控制規(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(9-27)(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(9-28)(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、加熱爐等溫度控制系統(tǒng)及某些成分控制系統(tǒng) 36例題分析例題分析(9-11)（9-27）（9-28）37例題分析例題分析 2.對一臺比例積分控制器作開環(huán)試驗。已知KC=2，TI=0.5min。若輸入偏差如圖9-21所示,試畫出該控制器的輸出信號變化曲線。圖9-21