自動化儀表4.教案資料

自動化儀表4.一、基本控制規(guī)律分析控制器的控制規(guī)律就是控制器的輸出信號隨輸入信號（偏差）變化的規(guī)律。這個規(guī)律常稱為控制器的特性。

第一節(jié)控制規(guī)律

最常用的調(diào)節(jié)器，我們一般選擇PID調(diào)節(jié)器，因為這類調(diào)節(jié)器原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強；魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性變化不太敏感。

2典型PID調(diào)節(jié)器功能框圖第一節(jié)控制規(guī)律3第一節(jié)控制規(guī)律Kc:比例系數(shù)；Ti：積分時間；Td：微分時間；PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)控制作用的初始穩(wěn)態(tài)值比例放大系數(shù)積分時間微分時間4第一節(jié)控制規(guī)律比例P、積分I、微分D比例P：有兩種表示方式:比例度δ%和增益K，K=1/δ%, K增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定器變差，控制質(zhì)量提高。 純比例調(diào)節(jié)時，K=輸出/輸入積分I：積分時間以Ti（分）來表示，積分作用的基本目的是在系統(tǒng)經(jīng)受干擾后使系統(tǒng)輸出返回設(shè)定值（即消除余差）。Ti↑系統(tǒng)穩(wěn)定性↑，Ti↓積分作用越強。微分D：微分時間以Td（分）來表示，微分作用的基本目的是能補償容量的滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性改善，從而允許使用高的增益，并提高響應(yīng)速度。Td↑作用強，太強會振蕩。55Kd：微分增益二、比例控制規(guī)律第一節(jié)控制規(guī)律1、控制輸出與偏差之間在一定范圍內(nèi)保持比例關(guān)系。6通常用比例度表示控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入(偏差)的范圍，因此，比例度又稱為比例帶。第一節(jié)控制規(guī)律7如果u直接代表調(diào)節(jié)閥的開度，當調(diào)節(jié)閥開度改變100％，即從全關(guān)到全開，則可以看出，就代表對應(yīng)的被調(diào)量的相對變化范圍。只有當被調(diào)量處在這個范圍以內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的開度(變化)才與偏差成比例。超出這個“比例帶”以外，調(diào)節(jié)閥已處于全開或全關(guān)的狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持比例關(guān)系，而調(diào)節(jié)器也至少暫時失去其控制作用了。例如，若測量儀表的量程為100C，則=50%就表示被調(diào)量需要改變50C才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。第一節(jié)控制規(guī)律8控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正負之分。當控制器的測量y增加時，控制器的輸出u增加，正作用控制器當控制器的測量y增加時，控制器的輸出u增加，反作用控制器由于：u=Kc(r－y)=Kce，則：正作用控制器，Kc為負號；反作用控制器，Kc為正號第一節(jié)控制規(guī)律92、比例增益對控制系統(tǒng)的影響第一節(jié)控制規(guī)律10A、對余差的影響Kce()定值控制系統(tǒng)：當干擾是幅值為F的階躍信號Kce()（1）自衡非振蕩過程時隨動控制系統(tǒng)：輸入信號是幅值為R的階躍信號，根據(jù)終值定理第一節(jié)控制規(guī)律11（2）無自衡非振蕩過程隨動控制系統(tǒng)：e()=0定值控制系統(tǒng)：Gf(s)具有自衡特性時，

e()→0Gf(s)具有無自衡特性，即e()→0第一節(jié)控制規(guī)律12

B、對系統(tǒng)過渡過程的影響Kc增大隨動控制系統(tǒng)衰減比，最大動態(tài)偏差，余差，振蕩，周期第一節(jié)控制規(guī)律13定值控制系統(tǒng)Kc增大第一節(jié)控制規(guī)律14C、對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線隨比例增益的增加向(-1,j0)點移動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。隨著比例增益的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。第一節(jié)控制規(guī)律15上述的結(jié)果適用于大多數(shù)工業(yè)過程被控對象的穩(wěn)定性分析，但對具體被控對象和擾動通道還應(yīng)具體分析。設(shè)開環(huán)不穩(wěn)定對象：采用比例控制器，Kc增大時，控制系統(tǒng)的根軌跡Kc小時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著Kc的增大，系統(tǒng)的改善，直到系統(tǒng)阻尼第一節(jié)控制規(guī)律16比例增益對控制指標的影響Kc增加：系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，振蕩加劇。系統(tǒng)頻率增加，響應(yīng)加快。穩(wěn)態(tài)誤差減少，準確性提高第一節(jié)控制規(guī)律17總之：一般比例度太大、太小對系統(tǒng)的動特性均不利，通常對于采用比例調(diào)節(jié)器的自調(diào)系統(tǒng)，衰減比在4-10的范圍內(nèi)較為適當，據(jù)經(jīng)驗，此時比例度大約為臨界比例度的二倍左右。比例調(diào)節(jié)規(guī)律的優(yōu)點是：對干擾有及時而有力的抑制作用，即當偏差存在的瞬間，調(diào)節(jié)器即有相應(yīng)的輸出，因此生產(chǎn)上有一定的應(yīng)用，但它有一個不可避免的缺點，即存在靜態(tài)誤差，一時被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零，即調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用是以偏差的存在作為前提條件的，所有使用這種比例調(diào)節(jié)器，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。

要消除靜差，就要引入積分調(diào)節(jié)器，對偏差信號進行積分處理。設(shè)開環(huán)不穩(wěn)定對象：第一節(jié)控制規(guī)律18Ti為積分時間Ki為積分增益1、積分控制的主要作用在于消除余差u(t)三、比例積分控制規(guī)律：第一節(jié)控制規(guī)律192、對PI控制作用的分析A、PI控制作用是P作用和I作用之和比例控制起粗調(diào)作用，積分作用起細調(diào)作用，直到余差消除，偏差為零時積分輸出才停止。第一節(jié)控制規(guī)律20B、PI控制作用是比例增益不斷調(diào)整的P作用C、PI控制作用是初始穩(wěn)態(tài)值不斷移動的P作用第一節(jié)控制規(guī)律21D、對系統(tǒng)過渡過程的影響Ti減小Ti對隨動控制系統(tǒng)過渡過程的影響(Kc相同)第一節(jié)控制規(guī)律22Ti對定值控制系統(tǒng)過渡過程的影響(Kc相同)Ti減小第一節(jié)控制規(guī)律23當Kc不變時，減小Ti，積分控制作用增強，衰減比減小，振蕩加劇，隨動控制系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的超調(diào)量增大。調(diào)節(jié)過程加快，振蕩頻率升高。PI控制器中，保持Kc不變而減小Ti，或保持Ti不變而增大Kc，都會增強積分控制作用，使衰減比減小，振蕩加劇，超調(diào)量或最大偏差增大。積分控制作用除了用于消除閉環(huán)系統(tǒng)余差外，它也降低閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩頻率，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)變慢。這是由于引入積分后，閉環(huán)系統(tǒng)階數(shù)增大，并引入相位滯后所造成的。第一節(jié)控制規(guī)律241、微分控制規(guī)律

比例控制和微分控制都是根據(jù)當時偏差的方向和大小進行調(diào)節(jié)的，不管當時偏差的變化趨勢。四、比例微分控制算法如果控制器能夠根據(jù)被控變量的變化速度來移動調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動作，那么控制的效果會更好，等于賦予控制器以某種程度的預(yù)見性，這種控制作用稱為微分控制。此時控制器的輸出與被控變量或其偏差對時間的導(dǎo)數(shù)成正比。第一節(jié)控制規(guī)律25理想比例控制算法為：2、比例微分控制規(guī)律寫成增量式為：Tdtteu微分時間Td是在斜坡信號輸入下，達到同樣輸出值u，PD作用比純比例P作用提前的時間。第一節(jié)控制規(guī)律26

Td越大，微分作用越強，控制系統(tǒng)的最大偏差越小，振蕩周期和回復(fù)時間縮短。Td減小PD控制作用對定值控制系統(tǒng)的影響第一節(jié)控制規(guī)律273、比例微分控制的特點A、微分作用總是力圖抑止被控量的振蕩，它有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)動態(tài)偏差，縮短回復(fù)時間。B、時間常數(shù)較大的溫度、成分等控制系統(tǒng)，常引入微分控制作用來改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。C、適度引入微分作用可以允許稍許減少比例帶，同時保持衰減率不變。微分調(diào)節(jié)動作也有一些不利之處：A、微分太強容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開度向兩端飽和，因此以比例為主，微分為輔。B、抗干擾能力差，只能應(yīng)用于被調(diào)量變化非常平穩(wěn)的過程，不用于流量和液位控制系統(tǒng)。C、微分能夠克服容量滯后，對純滯后無效。第一節(jié)控制規(guī)律28微分控制作用的強弱可以從階躍輸入信號下輸出響應(yīng)曲線的面積來衡量。PID測量值控制器輸出Kd越大，面積越大，微分作用越強；Td越大，下降越慢，面積越大，微分作用越強。微分先行：只對測量值進行微分作用，也稱測量微分，常用于隨動控制系統(tǒng)。Td=0和Kd=1表示沒有微分作用。注意：引入微分作用要適度。大多數(shù)控制系統(tǒng)隨微分時間的增大，其穩(wěn)定性提高，但某些特殊系統(tǒng)也有例外，當微分時間超出某一上限后，系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定了。

第一節(jié)控制規(guī)律29五、比例積分微分控制規(guī)律理想PID控制算法為：實際PID控制器傳遞函數(shù)為：第一節(jié)控制規(guī)律30te1tuKcKcKcKdKcKi工業(yè)PID調(diào)節(jié)器單位階躍響應(yīng)第一節(jié)控制規(guī)律31PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程第一節(jié)控制規(guī)律32實際PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)

微分作用的效果主要出現(xiàn)在階躍信號輸入的瞬間，積分作用的效果隨時間而增加的.第一節(jié)控制規(guī)律33第二節(jié)控制規(guī)律的選擇PPIPDPID34一、PID參數(shù)與控制性能的關(guān)系1、Kc越大控制作用越強，隨著Kc的增加(比例度δ減小)，余差下降，最大偏差減小，但穩(wěn)定性變差。2、積分時間Ti越短，積分作用越強，Ti趨向無窮大時無積分作用。3、引入積分作用I后，為保持穩(wěn)定性裕度，Kc應(yīng)減少10-20%。4、微分時間Td越大，微分作用越強，系統(tǒng)響應(yīng)越靈敏。Td=0無微分作用。5、引入微分作用D后，Kc應(yīng)增加10-20。第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定35二、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定

確定最佳過渡過程中的調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間、微分時

間的具體數(shù)值。

第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定最佳過渡過程：在某種質(zhì)量脂標下系統(tǒng)達到最佳調(diào)整狀態(tài)。此時的調(diào)節(jié)器參數(shù)就是所謂的最佳整定參數(shù)。整定控制器的參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到最佳整定狀態(tài)的前提條件：

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須合理

2、儀表和控制閥選型正確

3、安裝無誤和調(diào)校正確36第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定三、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法：穩(wěn)定邊界法反應(yīng)曲線法衰減曲線法經(jīng)驗法對數(shù)頻率特性法擴充頻率特性法M圓法根軌跡法理論計算法工程整定法371、穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定例：第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定382、衰減曲線法用純比例控制器，階躍信號作為輸入。逐漸減小δ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)4∶1的衰減過程為止。記錄下此時的比例帶δ2和兩相鄰波峰之間的時間T2，然后，按照表來確定控制器的參數(shù)。

第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定393、動態(tài)特性參數(shù)法（響應(yīng)曲線法）是一種開環(huán)整定方法，即利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)特性曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，其整定精神將更高一些。第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定注意：調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定的主要難度在如何做好實驗上，一旦試驗結(jié)果得出，理論計算上則相對簡單這就是工程整理定的優(yōu)越性所在。此外在采用同一工程整定方法時，使用不同經(jīng)驗公式計算的調(diào)查節(jié)器參數(shù)會有一定的差別，即依靠試驗和經(jīng)驗公式所作的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定存在一定的分散性。5、三種工程整定方法的比較4、經(jīng)驗法40常用被控量PID參數(shù)經(jīng)驗選擇第三節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定41一、模擬控制器控制器除了對偏差信號進行PID運算外，一般控制器還需要具備如下功能，以適應(yīng)自動控制的需要：第四節(jié)、附錄無擾動切換偏差顯示輸出顯示

提供內(nèi)給定信號及內(nèi)、外給定的選擇正、反作用的選擇手動操作與手動自動雙向切換附加功能，如抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、偏差報警等，以提高控制器的性能。

42二、基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成250輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手動電路軟手動電路測量指示電路給定指示電路Us15V內(nèi)外Is420mAUs15VIo420mA指示單元控制單元DDZ-III型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖Uo3Uo2Uo1第四節(jié)、附錄43DDZ-III型全刻度指示電動調(diào)節(jié)器的主要性能如下：

測量信號

15VDC內(nèi)給定信號15VDC外給定信號420mADC測量信號與給定信號的指示精度

1%輸入阻抗影響滿刻度的0.1%輸出信號420mADC負載電阻250750輸出保持特性-0.1%每小時比例度2％500％積分時間0.0122min(分兩檔)微分時間0.0410min控制精度5%三、DDZ-III型電動調(diào)節(jié)器有兩個基型品種：

全刻度指示調(diào)節(jié)器偏差指示調(diào)節(jié)器

第四節(jié)、附錄44四、DDZ－III調(diào)節(jié)器方框圖第四節(jié)、附錄45五、DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器的接線圖第四節(jié)、附錄46六、DDZ-Ⅲ調(diào)節(jié)器的切換特性第四節(jié)、附錄47七、氣動調(diào)節(jié)器(PneumaticController)第四節(jié)、附錄48補：工藝管道及控制流程圖工藝流程和控制方案的確定后，根據(jù)工藝設(shè)計給出的流程圖，按其流程順序標注出相應(yīng)的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)等，便成了工藝管道及控制流程圖。49一、圖形符號1.測試點（包括檢出元件、取樣點）

檢試點是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。502.連接線通用的儀表信號線均以細實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向