控制器儀表PPT通用課件

1、過程控制與自動化儀表主講教師：趙 躍西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院信息與控制工程系第三章 3.1調(diào)節(jié)器儀表 一 調(diào)節(jié)器（控制器）的概念二 最簡單的兩位式調(diào)節(jié)器三 PID控制的基本特性 四 PID算法的常見問題五 工業(yè)標準PID調(diào)節(jié)器六 PID控制器使用中的問題調(diào)節(jié)器(控制器)的概念 調(diào)節(jié)器 是指把測量值和給定值進行比較，得出被調(diào)量的偏差并根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行器對生產(chǎn)過程進行自動控制的裝置。 要掌握一個調(diào)節(jié)器，首要的問題是弄清楚它具有什么樣的調(diào)節(jié)規(guī)律，即它的輸出量與輸入量(偏差信號)之間具有什么樣的函數(shù)關(guān)系。返回最簡單的兩位式調(diào)節(jié)器例1:兩位式溫度控制器兩位式調(diào)節(jié)器兩位式調(diào)

2、節(jié)器特性曲線 過程控制系統(tǒng)中大多數(shù)對象都可以用下式所示的一階加純滯后環(huán)節(jié)近似。 使用這種調(diào)節(jié)器時后面的執(zhí)行器特別簡單，例如控制電能時只需要電磁開關(guān)，控制流量時只要用通斷閥便可進行調(diào)節(jié)，因此在要求不高的場合獲得了廣泛的應(yīng)用。 顯然，調(diào)節(jié)對象的滯后時間愈小，爐溫的擺動幅度就愈小，但調(diào)節(jié)器動作頻率將愈大，有甚至?xí)_到不能容許的程度。兩位式調(diào)節(jié)器實驗兩位式調(diào)節(jié)器的滯回特性 為了降低開關(guān)動作頻率兩位式調(diào)節(jié)器都設(shè)置了不靈敏區(qū)，其控制特性如圖示。使用這種兩位式調(diào)節(jié)器可以使開關(guān)動作頻率降低，延長執(zhí)行器的壽命。實驗滯回調(diào)節(jié)器的響應(yīng)特性 缺點：過程變量會圍繞期望值在一定范圍內(nèi)不停的震蕩。 原因：兩位式控制實際上是

3、一種“斷續(xù)”的控制方式，即每當誤差超出上限或低于下限時控制器才會動作。而其他時刻，系統(tǒng)實際處于開環(huán)狀態(tài)。任憑被控變量緩慢波動而不調(diào)節(jié)！ 結(jié)論：兩位式調(diào)節(jié)時一種非常粗糙的調(diào)節(jié)方式，結(jié)構(gòu)簡單精度差。兩位式調(diào)節(jié)器的特性兩位式調(diào)節(jié)器實例返回PID控制的基本特性一比例調(diào)節(jié)的動作規(guī)律 P為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，為被控參數(shù)與給定值之差。 純比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 比例控制數(shù)學(xué)表達式 ：P控制的比例帶稱為比例帶比例帶對系統(tǒng)響應(yīng)的影響比例帶對系統(tǒng)的影響：比例帶減小系統(tǒng)靜差將減小，震蕩頻率提高響應(yīng)速度加快但同時超調(diào)增大穩(wěn)定性降低。比例調(diào)節(jié)動作規(guī)律分析水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)實例 已知水箱水位控制系統(tǒng)如圖所示，假設(shè)系統(tǒng)處于初始

4、無偏差狀態(tài)。此時將輸出水閥開度增大，試分析系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程！比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)實例 自力式液位比例控制系統(tǒng)Q2htepQ1tttt 原來系統(tǒng)處于平衡，進水量與出水量相等，此時進水閥有一開度。 t=0時，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。 當進水量增加到與出水量相等時，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。 響應(yīng)分析比例調(diào)節(jié)動作規(guī)律分析比例控制特點： 控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。 控制結(jié)果存在靜差。因為，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零 u = KC e比例調(diào)節(jié)在什么情況下可以達到穩(wěn)態(tài)無差？1、KC趨于無窮大2、使穩(wěn)態(tài)誤差等于0

5、的ussu0實驗23、提高系統(tǒng)型次積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律二積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律 I 積分調(diào)節(jié)規(guī)律是一種無差調(diào)節(jié)，采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度，但是積分調(diào)節(jié)的過渡過程時間很長而且會加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度。實驗3積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律 PI實驗4 比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律將比例的快速性與積分的消除靜差結(jié)合起來具有比較好的控制效果。積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律 PI所以積分調(diào)節(jié)部分可以看作是自動的u0重置！積分調(diào)節(jié)消除誤差的原理積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律積分時間常數(shù) 的物理含義比例積分積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。划斊钕r，輸出能

6、保持在某一值上。eEttu積分控制的特點 比例積分積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。積分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律積分調(diào)節(jié)存在的不足 比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律沒有利用系統(tǒng)輸出的趨勢信息，沒有預(yù)測能力，導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不理想！微分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律三比例微分調(diào)節(jié)的動作規(guī)律 PD實驗5微分調(diào)節(jié)的預(yù)測能力 微分調(diào)節(jié)規(guī)律是一種有差調(diào)節(jié)不能單獨使用，PD調(diào)節(jié)器能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，有效抑制過渡過程的超調(diào)，而且微分的存在允許減小比例帶減小靜差。但D調(diào)節(jié)不適用于變化劇烈的對象。微分時間常數(shù)的物理含義 微分輸出正比于TD時間后的預(yù)測誤差！PID調(diào)節(jié)的動作規(guī)律四 PID調(diào)節(jié)的動作規(guī)律實驗6 PID控制作用中，

7、比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 PID控制的特點PID控制器 取P,I,D三者的長處，與PD相比提高了系統(tǒng)無差度，與PI相比系統(tǒng)多了一個零點可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。因此PID兼顧了動靜兩方面要求，達到較完美的控制效果。返回2、執(zhí)行器難以響應(yīng)理想微分的輸出PID算法需要注意的問題一、不完全微分算法1、理想微分算法物理無法實現(xiàn) 不完全微分算法可以看作是誤差信號先進行一階慣性濾波，再進行理想微分運算。PID算法需要注意的問題階躍輸入下不完全微分響應(yīng)曲線微分增益 微分調(diào)節(jié)對高頻噪聲有放大作用，因此只適用于時間常數(shù)較大的多容過程。對

8、流量、壓力等變化劇烈的對象容易引起系統(tǒng)震蕩。微分突變 控制器設(shè)置微分運算的目的是為了預(yù)測偏差的變化趨勢，按TD時刻后的預(yù)測誤差進行調(diào)節(jié)。然而設(shè)定值改變時也會產(chǎn)生很強的階躍誤差干擾，會給控制系統(tǒng)造成很大的沖擊。為了解決這個問題提出了微分先行算法！PID算法需要注意的問題二、微分先行算法微分先行控制器結(jié)構(gòu)返回PID算法需要注意的問題三、積分飽和問題返回晶閘管外殼氬弧焊機電流控制實例控制實例：PID算法需要注意的問題返回實驗7 積分飽和是因控制系統(tǒng)間歇工作或大偏差長時間得不到矯正使得調(diào)節(jié)器輸出達到極值產(chǎn)生的。積分飽和使控制器不能及時反向動作而暫時喪失調(diào)節(jié)能力，對控制系統(tǒng)性能帶來嚴重影響！積分飽和的對

9、策？工業(yè)標準PID控制器1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動軟手動硬手動 切換開關(guān)5-硬手動操作桿6-輸出指示器7-軟手動操作板鍵DDZ-型調(diào)節(jié)儀模擬PID控制器原理圖比例微分運算電路微分時間調(diào)節(jié)比例度調(diào)節(jié)IDPD傳遞函數(shù)PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)S8打向“斷”時，構(gòu)成 P電路；開關(guān)S8打向“通”時，構(gòu)成 PD電路。ID因 得 推導(dǎo)可得 ：由 和推導(dǎo)過程 ：PD傳遞函數(shù)推導(dǎo)V02TD/nV01/n63%tPD控制參數(shù)的物理含義 當 S8 置于“斷”時，微分被切除，A2只作比例運算。有：這時微分電容被開關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始

10、終跟隨電壓V01/n。當開關(guān)S8切換到“通”時，保證無擾動切換。PD控制器微分切除方法數(shù)字式PID調(diào)節(jié)儀實驗用AI-808系列調(diào)節(jié)儀介紹(7)數(shù)據(jù)減少鍵(8)數(shù)據(jù)增加鍵(9)光柱（選購件）可指示測量值或輸出值(10)給定植顯示窗(11)測量值顯示窗(1)調(diào)節(jié)輸出指示燈(2)報警1指示燈(3)報警2指示燈(4)AUX輔助接口工作指示燈(5)顯示轉(zhuǎn)換（兼參數(shù)設(shè)置進入)(6)數(shù)據(jù)移位（兼手動/自動切換）YS-80系列PID控制器返回YS-80硬件結(jié)構(gòu)框圖YS-80電路示意圖YS-80運算流程YS-80功能組態(tài)返回PID控制器使用中的幾個問題一 內(nèi)給定與外給定 在左圖所示的控制系統(tǒng)中控制器AC和TC的

11、給定值是確定的，它們的給定值由控制器內(nèi)部產(chǎn)生的，屬于定值控制 而控制器PC的給定值是控制器TC的輸出，對PC而言給定值是外部輸入的，屬于隨動控制 通用的標準PID控制器既可以接受外部給定有能產(chǎn)生內(nèi)部給定信號。內(nèi)給定與外給定 由測量元件送來的被控量的測量值（4-20MA）被轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號輸入到調(diào)節(jié)器，與給定值比較產(chǎn)生偏差信號進行PID運算。系統(tǒng)的給定值有兩種可能的來源，對于定值控制系統(tǒng)設(shè)定值由PID調(diào)節(jié)器內(nèi)部的基準源和電位器產(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)電位器就可以改變設(shè)定值。對于隨動控制系統(tǒng)其設(shè)定值由外部輸入的標準信號產(chǎn)生。正作用與反作用二 正作用與反作用 左圖所示的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)與前面提到的加熱爐溫度控制系統(tǒng)都是負反饋系統(tǒng)但兩者有很明顯的不同，在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中當溫度升高時需要開大閥門而在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中需要關(guān)小閥門。 在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中偏差為負（被控量大于給定值）時要求輸出增大，而加熱爐溫度控制系統(tǒng)中偏差為負時要求輸出減小，也就是調(diào)節(jié)器的增益為負。 標準的PID控制器都設(shè)有正反作用開關(guān)來適應(yīng)這兩種情況。正作用與反作用DDZ-的正反作用切換電路硬手動與軟手動 在PID控制器的使用中經(jīng)常需要手動操作系統(tǒng)，例如在測定被