化工儀表及自動(dòng)化：chap08 控制規(guī)律

1、第八、九章 控制規(guī)律和控制器 第一節(jié) 基本概念 第二節(jié) 控制規(guī)律 第三節(jié) 控制器 第四節(jié) 集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線第一節(jié) 基本概念單元組合儀表控制單元可編程控制器PLC集散控制系統(tǒng)DCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS第一節(jié) 基本概念一、 名稱上的歧義1、控制單元也稱控制器、調(diào)節(jié)單元或調(diào)節(jié)器，主要實(shí)現(xiàn)模擬量的閉環(huán)控制2、可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程控制器的區(qū)別液體混合裝置按下啟動(dòng)按鈕，打開(kāi)閥A，液體A流入容器中；中限位開(kāi)關(guān)變?yōu)镺N時(shí)，關(guān)閉閥A，打開(kāi)閥B，液體B流入容器。液面升到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，關(guān)閉閥B，電動(dòng)機(jī)M開(kāi)始運(yùn)行，攪拌液體； 60S后停止攪拌，打開(kāi)閥C，放出混合液體；當(dāng)液面降至下限位開(kāi)關(guān)之后再過(guò)5s，容器

2、放空，開(kāi)始新的周期。 順序控制系統(tǒng)二、控制器的作用控制器執(zhí)行器變送器被控對(duì)象偏差DV操縱變量測(cè)量值PV給定值SV被控變量干擾控制信號(hào)MV將被控變量穩(wěn)定在工藝要求的數(shù)值（給定值SV）上控制器的作用：相當(dāng)于人的大腦，起到比較和運(yùn)算的作用根據(jù)偏差DV，按一定的運(yùn)算規(guī)律計(jì)算操作信號(hào)MV，以消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。 第一節(jié) 基本概念第一節(jié) 基本概念三、術(shù)語(yǔ)控制器執(zhí)行器變送器被控對(duì)象偏差DV操縱變量測(cè)量值PV給定值SV被控變量干擾控制信號(hào)MV偏差：DV=PV-SV （PV-Process Variable; SV-Set Variable)控制信號(hào)：MVf (DV)正偏差：DV0負(fù)偏差：DV0第一節(jié) 基

3、本概念三、術(shù)語(yǔ)控制器執(zhí)行器變送器被控對(duì)象偏差DV操縱變量測(cè)量值PV給定值SV被控變量干擾控制信號(hào)MV正作用調(diào)節(jié)器：DV0，MV0；或 DV 0，MV 0反作用調(diào)節(jié)器：DV0，MV 0；或 DV 0，MV 0 第一節(jié) 基本概念三、術(shù)語(yǔ)控制器執(zhí)行器變送器被控對(duì)象偏差DV操縱變量測(cè)量值PV給定值SV被控變量干擾控制信號(hào)MV測(cè)量值增加，控制器輸出增加，控制器是正作用控制器？第一節(jié) 基本概念控制器的控制規(guī)律是指控制器輸出的控制信號(hào)MV 和輸入偏差DV之間隨時(shí)間變化的規(guī)律。PID控制規(guī)律由比例（P）、積分（I）和微分（D）三種基本運(yùn)算規(guī)律組合而成，包括比例、比例積分、比例微分、比例積分微分控制規(guī)律等?？刂?/p>

4、規(guī)律廣義上也稱控制算法，包括PID調(diào)節(jié)規(guī)律、模糊控制算法、預(yù)估控制算法等。PID控制規(guī)律是基本的控制方式，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，適用于大多數(shù)工業(yè)對(duì)象和場(chǎng)合。第八、九章 控制規(guī)律和控制器 第一節(jié) 基本概念 第二節(jié) 控制規(guī)律 第三節(jié) 控制器 第四節(jié) 集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線 一、 比例控制規(guī)律 二、 比例積分控制規(guī)律 三、比例微分控制規(guī)律 四、比例積分微分控制規(guī)律第二節(jié) 基本控制規(guī)律 控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差之間成比例關(guān)系一、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）KP：比例增益或比例放大倍數(shù)tDVtKP可大于1，也可小于1。KP越大，輸出變化越大，控制作用越強(qiáng)。 在實(shí)際控制器中常用比

5、例度（或稱比例帶）PB來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱。PB-Proportional Band一、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）控制器執(zhí)行器變送器被控對(duì)象偏差DV操縱變量測(cè)量值PV給定值SV被控變量干擾控制信號(hào)MV 在實(shí)際控制器中常用比例度（或稱比例帶）PB來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱。PB-Proportional Band一、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）對(duì)于變送器、控制器、執(zhí)行器均采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)： Mv變化范圍 =Pv 變化范圍 則：PBKp比例控制作用2.2.1 比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）調(diào)節(jié)器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變

6、化量MVDV0100%50%100%0%PB =50%PB =100%PB=50%表明：控制器輸入偏差變化50% ，就可使控制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過(guò)此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系。 在實(shí)際控制器中常用比例度（或稱比例帶）PB來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱。PB-Proportional Band一、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）tDV2mAPB可調(diào)范圍：5%250%2mA4mAtKP2，PB50KP1，PB100PB50或PB100時(shí)，輸出如何變化？ 控制特性反應(yīng)快，控制及時(shí)，但系統(tǒng)存在余差。比例增益與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系: KP越大，系統(tǒng)控制越強(qiáng)，但并不是

7、KP越大越好。 KP增大將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振蕩。P控制器一般用于干擾較小，允許有余差的系統(tǒng)中。一、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）tDVt余差：控制器輸出穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量值與給定值之間的偏差如：中間儲(chǔ)罐或精餾塔塔釜液位等 。一、 比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）MV=kpDv液位變送器液位控制器執(zhí)行器LTLC給定值1）初始液位在給定值上進(jìn)水=出水；閥維持在某一開(kāi)度上 MV=MV0，MV=02）有干擾加入進(jìn)水出水；液位上升，出現(xiàn)偏差3）比例控制器工作MV 0，閥關(guān)，系統(tǒng)穩(wěn)定滿足： 進(jìn)水+干擾=出水干擾MV MV0， MV=kpDv，DV 0一、

8、比例控制規(guī)律-P（Proportional mode）MV=kpDvLTLC給定值進(jìn)水=出水；閥維持在某一開(kāi)度上 MV=MV0，MV=0干擾MV MV0， MV=kpDv，DV 0DVMVMV0余差大小跟Kp有關(guān)嗎？余差維持閥關(guān)度的量 一、 比例控制規(guī)律 二、 比例積分控制規(guī)律 三、比例微分控制規(guī)律 四、比例積分微分控制規(guī)律第二節(jié) 基本控制規(guī)律二、比例積分控制規(guī)律-PI PI-Proportional Integral mode PI表達(dá)式TI為積分時(shí)間，單位為秒 TI增加，積分作用減弱；TI，積分作用為零積分作用取決于偏差的存在與否；偏差為0時(shí)，輸出停止變化比例作用積分作用tDV0t0MVK

9、PDVyIyP比例作用輸出積分作用輸出二、比例積分控制規(guī)律-PI積分時(shí)間的含義若DV為階躍信號(hào)，則有：321tDV0t0MVKPDVy = yIPyPTI比例作用輸出積分作用輸出二、比例積分控制規(guī)律-PI積分時(shí)間的含義若DV為階躍信號(hào)，則有：若取yP=yI ,則 t=TI測(cè)定積分時(shí)間的依據(jù)積分作用的輸出值變化到等于比例作用的輸出值所經(jīng)歷的時(shí)間就是積分時(shí)間321二、比例積分控制規(guī)律-PI比例積分控制規(guī)律的特點(diǎn)（1）積分作用可以消除余差只要偏差存在，積分作用的輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷變化，直到偏差消除，控制器的輸出才穩(wěn)定不變，因此積分作用可消除余差。DVMV干擾二、比例積分控制規(guī)律-PI比例積分控制規(guī)律

10、的特點(diǎn)（2）PI作用是P和I作用的綜合；即可快速反應(yīng)，也可消除余差由于積分輸出是隨時(shí)間積累而逐漸增大的，故控制作用緩慢積分作用一般不單獨(dú)使用，而是和比例作用組合起來(lái)構(gòu)成PI控制器。（1）積分作用可以消除余差（3）TI增加，積分作用減弱；TI，積分作用為零二、比例積分控制規(guī)律-PI 適用滯后小，負(fù)荷小，不允許有余差的場(chǎng)合。 如：壓力、流量或不允許有余差的液位控制 。對(duì)容量滯后較大對(duì)象，采用PI控制過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，最大偏差加大，雖最終可消除偏差，但控制質(zhì)量較差。容量滯后： 因物料或能量的傳遞需要通過(guò)一定的阻力所致。 二、比例積分控制規(guī)律-PI容量滯后： 因物料或能量的傳遞需要通過(guò)一定的阻力所致。

11、 PV閥門開(kāi)度MVPVSV 一、 比例控制規(guī)律 二、 比例積分控制規(guī)律 三、比例微分控制規(guī)律 四、比例積分微分控制規(guī)律第二節(jié) 基本控制規(guī)律三、 比例微分控制規(guī)律-PD PD-Proportional Derivative modeSVPV三、 比例微分控制規(guī)律-PD PD-Proportional Derivative mode 理想PD表達(dá)式TD為微分時(shí)間，單位為秒微分作用是根據(jù)偏差變化速度進(jìn)行控制的，有超前控制之稱。在溫度、成分等控制系統(tǒng)中，往往引入微分作用，以改善控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。比例作用微分作用三、比例微分控制規(guī)律-PD 階躍響應(yīng)tDV0(mA)3t(mA)3KPDV 不完全微分PD

12、 理想PD輸出會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在極短時(shí)間內(nèi)由原來(lái)的開(kāi)度變化到全開(kāi)或全關(guān)，然后立即回復(fù)到與比例作用相對(duì)應(yīng)的某個(gè)開(kāi)度上，這種情況在生產(chǎn)中是不允許的。 理想微分作為運(yùn)算關(guān)系是成立的，但要能有效地用于控制系統(tǒng)，必須限制在階躍輸入下輸出跳變的幅度，同時(shí)使輸出跳變后能緩慢下降，以滿足控制過(guò)程的需要。 三、比例微分控制規(guī)律-PD 不完全微分PD 理想PD輸出會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在極短時(shí)間內(nèi)由原來(lái)的開(kāi)度變化到全開(kāi)或全關(guān)，然后立即回復(fù)到與比例作用相對(duì)應(yīng)的某個(gè)開(kāi)度上，這種情況在生產(chǎn)中是不允許的。 理想微分作為運(yùn)算關(guān)系是成立的，但要能有效地用于控制系統(tǒng)，必須限制在階躍輸入下輸出跳變的幅度，同時(shí)使輸出跳變后能緩慢下降，以滿足控制

13、過(guò)程的需要。 tDV0t0MV比例微分微分增益123三、比例微分控制規(guī)律-PD 不完全微分PDtDV0t0MV在階躍偏差信號(hào)作用下，實(shí)際PD的輸出從最大值下降了微分輸出幅度的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間，就是微分時(shí)間常數(shù)TD/KD 。此時(shí)間常數(shù)再乘上微分增益KD就是微分時(shí)間TD。TD/KD312比例微分控制規(guī)律的特點(diǎn)三、比例微分控制規(guī)律-PD（1）微分作用大小與微分時(shí)間有關(guān)。（2）超前作用微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比。這種根據(jù)偏差變化的趨勢(shì)提前采取控制措施是微分作用的特點(diǎn)，稱為超前。可用于克服對(duì)象的容量滯后。用于對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大，純滯后不是過(guò)大的場(chǎng)合。 TD 增大，微分作用增強(qiáng) ； TD 減小，微分作用減弱 ； TD 為零，無(wú)微分作用；t0MV123純滯后 溶液濃度的變化落后于料斗加料量變化的時(shí)間稱為純滯后時(shí)間。 在某一時(shí)刻，料斗處加大送料量，溶解槽中溶液濃度要等增加的溶質(zhì)由料斗送到加料口并落入槽中才改變。 一、 比例控制規(guī)律 二、 比例積分控制規(guī)律 三、比例微分控制規(guī)律 四、比例積分微分控制規(guī)律第二節(jié)