化工儀表與自動(dòng)化9-1(控制規(guī)律)

1、化工儀表及自動(dòng)化教案課 題第九章 基本控制規(guī)律（1）授課教師授課日期授課班級(jí)課時(shí)2學(xué)時(shí)課程類型新課教學(xué)方法教學(xué)設(shè)備過程控制室教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1熟悉控制規(guī)律特點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的影響2掌握控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響過程與方法實(shí)訓(xùn)基地、講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生探索，求知欲望，使學(xué)生積極觀察、分析，主動(dòng)參與，強(qiáng)化學(xué)生主體地位。教學(xué)重點(diǎn)1控制規(guī)律特點(diǎn)2控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響教學(xué)難點(diǎn)1控制規(guī)律特點(diǎn)2控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響重、難點(diǎn)解決措施 教 學(xué) 過 程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容液位的比例控制操作一 實(shí)訓(xùn)設(shè)備二 實(shí)訓(xùn)步驟1 手動(dòng)控制液位至穩(wěn)定值2 給一合適

2、比例度，自動(dòng)控制，觀察曲線3 重復(fù)以上過程，改變比例度，觀察曲線觀摩操作25分種 理論教學(xué)（講解）重點(diǎn)：控制規(guī)律概念重點(diǎn)：雙位控制控制器輸出只有最大值和最小值重點(diǎn)：比例控制規(guī)律重點(diǎn)：什么是比例度重點(diǎn)：比例控制是有差控制重點(diǎn)：比例度對(duì)過渡過程的影響重點(diǎn)：比例控制適用場合概論1 控制規(guī)律控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系即 在研究控制器的控制規(guī)律時(shí)經(jīng)常是假定控制器的輸入信號(hào)e是一個(gè)階躍信號(hào)，然后來研究控制器的輸出信號(hào)p隨時(shí)間的變化規(guī)律。 2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） 第一節(jié) 位式控制一、雙位控制理想的雙位

3、控制器其輸出p與輸入偏差額e之間的關(guān)系為圖9-1 理想雙位控制特性圖9-2 雙位控制示例二、具有中間區(qū)的雙位控制 將上圖中的測(cè)量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個(gè)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(shí)，控制機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。 圖9-3 實(shí)際的雙位控制規(guī)律圖9-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程結(jié)論：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(dòng)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(shí)現(xiàn)，因而應(yīng)用很普遍。三、多位控制 對(duì)系統(tǒng)的控制效果較好，

4、但會(huì)使控制裝置的復(fù)雜程度增加。圖9-5 三位控制器特性圖第二節(jié) 比例控制 在雙位控制系統(tǒng)中，被控變量不可避免地會(huì)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(duì)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 一、比例控制規(guī)律及其特點(diǎn) （9-4） 圖9-7 比例控制器比例控制器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大量 圖9-8 簡單比例控制系統(tǒng)示意圖如上圖，根據(jù)相似三角形原理所以，對(duì)于具有比例控制的控制器（9-5）二、比例度及其對(duì)控制過程的影響1比例度 （1）比例度

5、是指控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)。 （9-7）（2）例 一只比例作用的電動(dòng)溫度控制器,它的量程是 100200,電動(dòng)控制器的輸出是010mA ,假如當(dāng)指示值從140變化到160時(shí),相應(yīng)的控制器輸出從3mA變化到8mA ,這時(shí)的比例度為說明 當(dāng)溫度變化全量程的40%時(shí),控制器的輸出從0mA變化到10mA。在這個(gè)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(shí) (在上例中即溫度變化超過40時(shí)) ,控制器的輸出就不能再跟著變化了。這是因?yàn)榭刂破鞯妮敵鲎疃嘀荒茏兓?00%。所以,比例度實(shí)際上就是使控制器輸出變化全范圍時(shí),輸入偏差改變量占滿

6、量程的百分?jǐn)?shù)。 （3）與KC關(guān)系將式（9-7）改寫后得即 （9-8）對(duì)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（9-9）圖9-9 比例度與輸入輸出的關(guān)系對(duì)一只控制器來說， K是一個(gè)固定常數(shù)。將式 (9-9)代入式 (9-8) ，得（9-10）而 KC值與值都可以用來表示比例控制作用的強(qiáng)弱。（4）在單元組合式儀表中（9-11）2 比例控制系統(tǒng)的過渡過程及余差左下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡過程。 （1） 比例控制特點(diǎn) e=0，p=0?？刂崎y不動(dòng)作；越小，p越大，控制作用強(qiáng)。（2）比例控制是有余差的，其原因是：若e=0，p=0?？刂崎y無動(dòng)作。要使控制器有輸出。偏差一定

7、不為零。圖9-10 簡單水槽的比例控制過程3比例度對(duì)過渡過程的影響 比例度對(duì)過渡過程影響如圖9-11所示。圖9-11 比例度對(duì)過渡過程的影響比例度對(duì)余差的影響是：比例度越小，余差越??；比例度對(duì)過渡過程的影響是：比例度越大，過渡過程曲線越平穩(wěn)；比例度越小，過渡過程越振蕩。所以一般要求衰減比為：4：110：1之間的過渡過程為佳。比例控制優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)快，控制及時(shí)缺點(diǎn)：存在余差結(jié)論若對(duì)象的滯后較小、時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，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。 聽課50分鐘 互動(dòng)教學(xué)總結(jié)（提問）1 什么是

8、雙位控制2 什么是比例控制3 比例控制對(duì)過渡過程的影響回答10分種布置作業(yè)作業(yè)（P143）1、2、4、5、6、7、85分鐘化工儀表及自動(dòng)化教案課 題第九章 基本控制規(guī)律（2）授課教師授課日期授課班級(jí)課時(shí)2學(xué)時(shí)課程類型新課教學(xué)方法教學(xué)設(shè)備過程控制室教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1熟悉控制規(guī)律特點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的影響2掌握控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響過程與方法講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生探索，求知欲望，使學(xué)生積極觀察、分析，主動(dòng)參與，強(qiáng)化學(xué)生主體地位。教學(xué)重點(diǎn)1控制規(guī)律特點(diǎn) 2控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響教學(xué)難點(diǎn)1控制規(guī)律特點(diǎn)2控制不同規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的影響重、難點(diǎn)解決措施 教 學(xué) 過 程教師

9、活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容理論教學(xué)（講解）重點(diǎn)：積分規(guī)律重點(diǎn)：積分控制特點(diǎn)重點(diǎn)：積分時(shí)間求法重點(diǎn)：積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響重點(diǎn)：微分控制特點(diǎn)重點(diǎn)：求微分時(shí)間的方法重點(diǎn)：比例微分控制系統(tǒng)過渡過程重點(diǎn)：PID應(yīng)用場合第三節(jié) 積分控制一、積分控制規(guī)律及其特點(diǎn) 對(duì)控制質(zhì)量有更高要求時(shí)，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。1 積分控制出變化量p與輸入偏差e的積分成正比，即 （9-12）當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時(shí)=（9-13）圖9-12 積分控制規(guī)律2積分控制特點(diǎn)積分控制規(guī)律特點(diǎn)：（1）e<>0時(shí)，變化， E=0時(shí)，不變化，保持。注意：積分控制作用輸出信號(hào)的大小不僅取

10、決于偏差信號(hào)的大小,而且主要取決于偏差存在的時(shí)間長短。3積分控制過程下圖是一液位控制系統(tǒng)，控制器具有積分控制規(guī)律，其在階躍干擾下的控制過程如圖9-14。圖9-13 液位控制系統(tǒng) 圖9-14 積分控制過程二、比例積分控制規(guī)律與積分時(shí)間1比例積分控制規(guī)律可用下式表示（9-15）2積分時(shí)間求法 輸入為階躍信號(hào)，幅度為A。積分時(shí)間與比例度求法如圖圖9-15 比例積分控制規(guī)律當(dāng)有輸入A時(shí)，記下控制器輸出：KCA；當(dāng)輸出為KCA 2 KCA經(jīng)過時(shí)間為TI，理由： （9-16）則 （9-17） （9-18）在時(shí)間t = TI時(shí)，有三、積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響具有兩重性當(dāng)縮短積分時(shí)

11、間TI,積分控制作用加強(qiáng)。后果是：（1）克服余差的能力增加。（2）會(huì)使過程振蕩加劇,穩(wěn)定性降低。注：積分時(shí)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。 圖9-16 積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響第四節(jié) 微分控制比例積分控制器對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)都可采用，比例度和積分時(shí)間兩個(gè)參數(shù)均可調(diào)整。 當(dāng)對(duì)象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長、最大偏差也較大； 負(fù)荷變化過于劇烈時(shí)，由于積分動(dòng)作緩慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用。 一、微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)具有微分控制規(guī)律的控制器（9-20）（a）微分輸入 （b）理想微分輸出 （c）實(shí)際微分輸出圖9-17 微分控制的動(dòng)態(tài)特性（1）微分控制特點(diǎn) 偏差e不變，p=0;

12、 偏差變化，p與偏差變化率成正比。（2）優(yōu)點(diǎn)：具有超前控制功能 二、實(shí)際的微分控制規(guī)律及微分時(shí)微分作用的特點(diǎn)在偏差存在但不變化時(shí),微分作用都沒有輸出。 實(shí)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(shí)際的微分控制器是一個(gè)比例度為 100%的比例微分控制器。 微分作用圖9-18 實(shí)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(hào)時(shí)，其微分輸出最大值（KD-1）A，其微分輸出慢慢下降。經(jīng)過T時(shí)，下降為36.8%，此時(shí)T為微分時(shí)間TD當(dāng)輸入是一幅值為 A的階躍信號(hào)時(shí)(9-21)可見，t =0時(shí), p=KDA；t =時(shí),p =A。 微分控制

13、器在階躍信號(hào)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。 微分時(shí)間TD是表征微分作用強(qiáng)弱的一個(gè)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)假定 (9-24)則 (9-23)在t = T時(shí),整個(gè)微分控制器的輸出為 (9-25)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(shí),構(gòu)成比例微分控制規(guī)律（9-27）說明：比例微分控制器的輸出p等于比例作用的輸出pP與微分作用的輸出pD之和。改變比例度(或KC)和微分時(shí)間 TD分別可以改變比例作用的強(qiáng)弱和微分作

14、用的強(qiáng)弱。 圖9-19 微分時(shí)間對(duì)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(dòng)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。 四、比例積分微分控制 同時(shí)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。（9-28）三個(gè)可調(diào)參數(shù)比例度、積分時(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD。適用場合對(duì)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。圖9-20 PID控制器輸出特性例題分析 1目前,在化工生產(chǎn)過程中的自動(dòng)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(diǎn)及使用場合。解：列表分析如下:(9-11)（9-27）（9-28）2對(duì)一臺(tái)比例積分控制器作開環(huán)試驗(yàn)。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(hào)變化曲線。圖9-21 輸入偏差信號(hào)變化曲線當(dāng)KC = 2時(shí),輸出波形如圖9-22(a)所示。解：對(duì)于PI控制器,其輸入輸出的關(guān)系式為將輸出分為比例和積分兩部分,分別畫出后再疊加就得到PI控制器的輸出波形。比例部分的輸出為 故pI輸出波形如圖9-22 (b)所示積分部分的輸出為 當(dāng)KC = 2 , TI = 0.