化工儀表格與自動化9-1

1、化工儀表及自動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課時2學時課程類型新課教學方法教學設備過程控制室教 學 目 標知識與技能1 熟悉控制規(guī)律特點對控制系統(tǒng)的影響2.掌握控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響過程與方法實訓基地、講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生探索，求知欲望，使學生積極觀察、分析，主動參與， 強化學生主體地位。教學重點1. 控制規(guī)律特點2. 控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響教學難點1. 控制規(guī)律特點2. 控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響重、難點解決措施教 學過程 教師活動教學步驟教學容液位的比例控制操作實訓設備實訓步驟學生活動觀摩操作時間分配25分種理論教學（

2、講解）重點：控制規(guī)律概50分鐘1 手動控制液位至穩(wěn)定值2 .給一合適比例度，自動控制，觀察曲線3.重復以上過程，改變比例度，觀察曲線概論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與輸入信號之間的關系即p f e e z x在研究控制器的控制規(guī)律時經(jīng)常是假定控制器的輸念入信號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。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)位式控制聽課重點：雙 位控制控 制器輸出 只有最大 值和最小 值、雙位控制 理想的雙位控制器其輸出p與輸入偏差額e之間的關系 為Pmax,e 0（或

3、e 0）Pmin , e 0 或 e 0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。由于設置了I OOM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產(chǎn)生持續(xù) 的等幅振蕩過程，為了避免這種情況，應該使控制閥的 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荷 相適應的操縱變量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，達到平圖9-6水槽液位控制、比例控制規(guī)律及其特點pKce（9-4）j比例控制器圖9-7比例控制器比例控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)

4、的放大量重點：比例控制規(guī)律圖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a be p所以，對于具有比例控制的控制器Kp e KCe (9-5) a二、比例度及其對控制過程的影響1 比例度(1)比例度 是指控制器輸入的變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數(shù)。XmaxXminPmaxPmin100% (9-7 )(2 )例一只比例作用的電動溫度控制器，它的量程 是100200 C，電動控制器的輸出是 010mA ,假如 當指示值從140 C變化到160 C時,相應的控制器輸出從 3mA變化到8mA ,這時的比例度為40%160 140 / 200 100 100%8 3 / 10

5、0說明當溫度變化全量程的40%時，控制器的輸出從0mA變化到10mA。在這個圍，溫度的變化和控制器的輸出變 化Ap是成比例的。但是當溫度變化超過全量程的40%時(在上例中即溫度變化超過40 C時)，控制器的輸出就 不能再跟著變化了。重點：什么是比例度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圍時 ，輸入偏差 改變量占滿量程的百分數(shù)。(3 )3與KC關系將式(9-7 )改寫后得 e (Pmax Pmin) 100%即pxmax xmin (Pmax Pmin) 100% (9-8 )KC X max xmin對于一只具體的比例控制器，儀表的量程和控制器

6、的輸出圍都是固定的，令KPmaxPmin (9-9 )Xmaxxmin圖9-9 比例度與輸入輸出的關系對一只控制器來說，K是一個固定常數(shù)。K將式(9-9)代入式(9-8)，得 100% ( 9-10 )KC而 Kc KC值與S值都可以用來表示比例控制作e用的強弱。1(4)在單元組合式儀表中100% (9-11 )Kc2 .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e=0 , Ap=0?？刂崎y不動作；S越小，Ap越大， 控制作用強。(2) 比例控制是有余差的，其原因是：若 e=0，Ap=0?？刂崎y無動作。要使控制器有輸出。偏差一定不為零。重點：比例

7、控制是有差控制重點：比 例度對過 渡過程的 影響重點：比 例控制適 用場合(ci胡141在t丸時f系働卜力IbTtft作用液位開始下降作用在控制砒的信號逬疥均）口偏差的變化齡圖9-10簡單水槽的比例控制過程3 比例度對過渡過程的影響比例度對過渡過程影響如圖9-11所示。圖9-11比例度對過渡過程的影響比例度對余差的影響是：比例度越小，余差越小；比例度對過渡過程的影響是：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：優(yōu)點：反應快，控制及時缺點：存在余差結論若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小 時

8、，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?；咏虒W總結（提冋）1 .什么是雙位控制2. 什么是比例控制3. 比例控制對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課時2學時課程類型新課教學方法教學設備過程控制室教 學 目 標知識與技能1 熟悉控制規(guī)律特點對控制系統(tǒng)的影響2.掌握控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響過程與方法講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生探索，求知欲望，使學生積極觀察、分析

9、，主動參與， 強化學生主體地位。教學重點1.控制規(guī)律特點2 .控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響教學難點1. 控制規(guī)律特點2. 控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響重、難點解決措施教學步驟理論教學（講解）重點：積分規(guī)律重點：積教 學過程第三節(jié)積分控制教師活動教學容學生活動時間分配、積分控制規(guī)律及其特點對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎上，再加上能消除余差的積分控制作用。出變化量厶p與輸入偏差e的積分成正比，即75分鐘edt (9-12 ) Ti當輸入偏差是常數(shù)A時p1Tiedt= t A (9-13 )Ti圖9-12積分控制規(guī)律2 .積分控制特點積分控制規(guī)律特點：（1） e<>0時,

10、p變化,聽課E=0 時,p不變化，保持。注意：積分控制作用輸出信號的大小不僅取決于偏差信號的大小，而且主要取決于偏差存在的時間長短。分控制特3 .積分控制過程占八、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9-14積分控制過程、比例積分控制規(guī)律與積分時間1.比例積分控制規(guī)律可用下式表示p Kc e Ki edt (9-15 )2.積分時間求法輸入為階躍信號，幅度為Ao積分時間與比例度求 法如圖圖9-15比例積分控制規(guī)律當有輸入A時，記下控制器輸出：KcA;當輸出為KcA2 K cA經(jīng)過時間為Ti，重點：積分時間求法理由：t1Ki（9-16）則pK

11、c e1Tiedt （ 9-17）pPpPiKcAKc AtTi（9-18）在時間t =Ti時，有pPpPiKcAKcA KcA 2 Pp三、積分時間對系統(tǒng)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縮短積分時間Ti,積分控制作用加強。后果是：（1） 克服余差的能力增加。（2）會使過程振蕩加劇，穩(wěn)定性降 低。注：積分時間越短，振蕩傾向越強烈，甚至會成為不穩(wěn)定的發(fā)散振蕩重點：積 分時間對 過渡過程 的影響圖9-16 積分時間對過渡過程的影響第四節(jié)微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。當對象滯后很大時，可能控制時間較長、最大偏差也較 大；負荷變化過于劇

12、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。一、微分控制規(guī)律及其特點具有微分控制規(guī)律的控制器p Td （ 9-20）dt(a)微分輸入 (b)理想微分輸出(c)實際微分輸出圖9-17微分控制的動態(tài)特性(1)微分控制特點偏差e不變，Ap=0;偏差變化，Ap與偏差變化率成正比(2)優(yōu)點：具有超前控制功能二、實際的微分控制規(guī)律及微分時重點：微分控制特占八、微分作用的特點一在偏差存在但不變化時，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，S恒等于100% ,所 以認為：實際的微分控制器是一個比例度為 100%的比 例微分控制

13、器。重點：求微分時間的方法當輸入是一幅值為A的階躍信號時，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, 下降為36.8%，此時T為微分時間Td當輸入是一幅值為A的階躍信號時P PpPdA A KDtd(9-21)可見，t =0 時，Ap=KDA ; t = x時,Ap =A。微分控制器在階躍信號的作用下，輸出Ap 開始就立即升高到輸入幅值A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。微分時間TD是表征微分作用強弱的一個重要參數(shù),它決定了微分作用的衰減快慢，且它是可以調(diào)整的。KDt1 e 右(9-22)

14、Pd a K d假定Tdt Kd(9-24)pD A K D11 e 0.368AKd 1(9-23)時，整個微分控制器的輸出為Pt A 0.368A Kd 1(9-25)、比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程當比例作用和微分作用結合時，構成比例微分控制重點：比 例微分控 制系統(tǒng)過 渡過程規(guī)律說明:十 de z - cr 、 p PpPdKc e Td (9-27 )dt比例微分控制器的輸出厶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S (或KC)和微分時間Td分別可以改變比例作用的強弱和微分作用的強弱。重點：PID應用場合圖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

15、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。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。1dep Pp PiPd Kc e 石 edt Td= （ 9-28）Tidt三個可調(diào)參數(shù)比例度3、積分時間TI和微分時間TD。適用場合對象滯后較大、負荷變化較快、不允許有余差的情況?？刂埔?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：賦?=遠少出 ?pr血/泗出網(wǎng)iHCt（凋鞋荀蛋雄制總吋彥 竝莎坐一喘啞雜計第砸* &馭比不太躺廚 小創(chuàng)SH5轄蒔在，噴世帥 戈.第:囁電冷歸世賑要封落PIW逹冊懿制t瑕祗融一賄酬較玄.M； 擾畳燮概1皤麻讎JtM# rWfflTB*.龍.樓炳甦ft卻打誦.軽卜慟 慈也簾超般IW瑕:花上貞嘆怦尢旦匪惱薑控蜒冊丹余権P©如BewiT強距婕取煤尢前副£ 曠哪轆潟 潮桎瞻.匹 黑加剋樣籬曲做睡蟻甘 沸耕p Kc e 丄 edt (9-11)TiKc