第四章 自動控制儀表

第四章自動控制儀表第一節(jié)概述第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響

第一節(jié)概述構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的儀表稱為自動控制儀表。主要包括變送器、控制器和執(zhí)行器。還包括很多種輔助儀表。給定值(x)：工藝要求的量值。測量值(z):被控變量實際值。偏差(e):測量值與給定值之差(e=z-x)。操縱值(P)：控制器的輸出信號。ezxP執(zhí)行器1、基地式控制儀表與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)，同時具有檢測、控制與顯示功能，所以其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便。

2、單元組合式儀表中的控制單元接受測量值與給定值信號，然后根據(jù)它們的偏差發(fā)出與之有一定關(guān)系的控制作用信號。3、以微處理器為單元的控制裝置控制功能豐富、操作方便，很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。

從控制儀表的發(fā)展來看，大體上經(jīng)歷了三個階段：

第五章自動控制儀表第一節(jié)概述第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響控制規(guī)律指控制器的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系?？刂埔?guī)律研究的是p與e之間的函數(shù)關(guān)系，即最常用的控制規(guī)律是PID算法，它由基本控制規(guī)律P、I、D組成P、PI、PD、PID，統(tǒng)稱PID。(5-1)ezxP執(zhí)行器當給定值x不變時，偏差e就是被控變量測量值的變化量。一、雙位控制(開關(guān)控制)1、雙位控制規(guī)律

Pmaxe＞0（或e＜0）PPmine＜0（或e＞0）2、舉例液位電磁線圈閥門進料液位

H＞H0

通電關(guān)閉切斷進料

H→H0

H＜H0

斷電打開進料

H→H0

中間區(qū)：被控變量有一定的變化范圍3、品質(zhì)指標：振幅周期原則：使振蕩幅值在允許的范圍內(nèi)，盡可能的使周期延長。

4、特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)1、比例控制規(guī)律（P）二、比例控制ezxp執(zhí)行器控制閥的開度（即控制器的輸出值）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。即：ab

比例控制系統(tǒng)示意圖舉例：如圖是一液位控制系統(tǒng)。當液位上升時，控制閥就關(guān)??；當液位下降時，控制閥就開大。p

eeKP—比例增益;(放大倍數(shù))杠桿就是控制器；p:控制器的輸出；e:控制器的輸入；a,b—杠桿支點與兩端的距離(5-4)比例控制器的輸出信號p與輸入信號e之間成比例關(guān)系，即：(5-3)定義：比例控制規(guī)律的輸出變化量與輸入偏差e成正比。

ett△Pt0Ct0KpC2、比例度δ由于比例增益KP是有量綱的量，在工程上常將其轉(zhuǎn)換成一個無量綱的量：比例度δ比例度就是指控制器輸入的相對變化值與相應(yīng)的輸出相對變化值之比的百分數(shù)。用式子表示：

(5-5)e—輸入變化量；p—相應(yīng)的輸出變化量；xmax-xmin—輸入的最大變化量，即儀表的量程；

pmax-pmin—輸出的最大變化量，即控制器輸出的工作范圍比例度就是使控制器的輸出變化滿刻度時，相應(yīng)的儀表測量值變化占儀表測量范圍的百分數(shù)

對于一個具體的比例作用控制器:pmax-pmin/xmax-xmin=K所以（控制作用強）故：（對于單元組合儀表：K=1）

(5-6)例題:一DDZ—II型比例控制器溫度刻度范圍是400—800℃，控制器的輸出工作范圍是0—10mA。當指示值從600℃變化到700℃時，控制器的輸出從4mA變化到9mA。比例度是多少？=50%當測量溫度變化了全量程的50%時，控制器的輸出從最小變?yōu)樽畲?0—10mA)。在這個范圍內(nèi)，溫度的變化與控制器的輸出p是成比例的。pminpmaxe%0%100%也可以說比例度就是使控制器輸出變化全范圍時，輸入偏差改變了輸入量程的百分數(shù)。50%050%100%e%PmaxPminPmax-Pmin2圖5-6比例度示意圖3、控制器比例度δ與輸入、輸出的關(guān)系=200%

=100%

=50%eP4、比例控制作用的特性1)靜態(tài)特性：

控制結(jié)束后有余差。（即新穩(wěn)態(tài)值不等于給定值）2)動態(tài)特性：

控制及時，無滯后。teCt0tPt0KpC5、比例控制特點：

2)動作迅速，作用及時。

適用于滯后小，負荷變化不大，無余差要求的場合。3)最終穩(wěn)定時，△p=0，p=KPe，e(∞)≠0，即存在余差。KP↑→余差C↓，但KP過大，系統(tǒng)易發(fā)生震蕩而不穩(wěn)定。1)KP↑(↓)→P↑，即：比例作用越強。

如：中間儲罐液位，精餾塔塔釜液位等。6、比例度對過渡過程的影響比例度δ越大(即Kp越小)，過渡過程曲線越平穩(wěn)，但余差也越大。比例度越小，則過渡過程曲線越振蕩。

當比例度δ大時即放大倍數(shù)Kp小，被控變量的變化就很緩慢(曲線6)。

當比例度δ減小時，Kp增大，被控變量變化也比較靈敏，開始有些振蕩，余差不大（曲線5，4）.

δ再減小，會出現(xiàn)激烈的振蕩(曲線3)

當δ繼續(xù)減小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，這時的比例度稱為臨界比例度δk(曲線2)。當δ小于δk時，在干擾產(chǎn)生后將出現(xiàn)發(fā)散振蕩（曲線1），

7、生產(chǎn)過程常用比例度范圍三、積分控制KI—積分速度1、積分(I)控制規(guī)律(5-7)當輸入偏差是常數(shù)A時，即輸出是一條直線。e（mA）t0At0P（mA）e（mA）t0At0ΔP（mA）KI1KI2KI3KI1>KI2>KI3圖5-9積分控制器特性輸出信號的變化速度與偏差e及KI成正比.

2、求積分時間TI：由上式可看出，當輸入e為幅值為A的階躍時，

t=TI時，輸出p=A。t0e（mA）A0tp（mA）TIA積分時間：在階躍偏差作用下，輸出達到偏差值時的時間。

3)

TI↑→積分作用↓，TI→∞，積分作用為零。2)動作緩慢控制不及時,一般不單獨采用。

1)p與e的積分成比例,有e

存在,輸出就會變化,直到

e=0,P才穩(wěn)定,故可消除余差。

3、積分控制器的特點：

被控對象積分時間（分鐘）

壓力0.4—3

流量0.1—1

溫度3—104)生產(chǎn)過程中常用的積分時間。te（mA）00tp（mA）t1t14、比例積分（PI）規(guī)律

積分作能消除余差，但有滯后。一般與比例作規(guī)律組合。比例積分(PI)控制規(guī)律(5-8)(5-9)當e為幅值為A的階躍干擾時，可得：

積分時間：在階躍偏差作用下，輸出達到躍變值(KpA)的兩倍時的時間。1）求放大倍數(shù)KP及積分時間TI：當t=TI時，輸出p=2KpA。

t0e(mA)At0P(mA)KPAKPATI當e為幅值為A的階躍干擾時：

5、積分時間對過渡過程的影響：同樣比例度δ下積分時間TI對過渡過程的影響：

TI過大，積分作用不明顯，余差消除慢(曲線3）；

TI小，積分作用明顯，易于消除余差(曲線2）；1）P動作快,I消除余差。用于要求無余差的系統(tǒng)。

6、比例積分控制器特點：適用于滯后小,負荷變化不大,不允許有余差要求的場合。如：壓力、流量等控制系統(tǒng),不允許有余差的液位控制等。3）TI↓→積分作用↑→系統(tǒng)穩(wěn)定性↓。

對過渡滯后較大的對象，采用PI控制過渡過程時間較長，最大偏差加大，雖最終可消除偏差，但調(diào)節(jié)質(zhì)量較差，一般可加入微分控制。2）當TI→∞時,積分作用趨于零,PI→P，即比例積分變成純比例控制規(guī)律。

1、微分(D)控制規(guī)律TD

—微分時間常數(shù)；de/dt—偏差變化速度。四、微分控制t=t0，de/dt→∞，p→∞；t>t0，de/dt=0，p=0控制器的輸出信號與偏差的變化速度成正比，即圖5-12理想微分控制器特性優(yōu)點：超前控制。缺點：當輸入偏差不隨時間變化時,微分作用很快降到零，不能反映偏差大小，不能消除偏差。注意：微分控制不能單獨使用。TD↑微分作用↑TD↓微分作用↓

當t=t0時，控制器輸入e為階躍信號時，2、比例微分(PD)控制規(guī)律對慣性大的對象用比例微分可以改善控制質(zhì)量，減小最大偏差，節(jié)省控制時間。(5-11)3、微分時間TD對過渡過程的影響

微分作用力圖阻止被控變量的變化，有抑制振蕩的效果，但如果加得過大，反而會引起被控變量大幅度的振蕩。4、微分控制器的特點：1）TD↑→微分作用↑2）若有偏差且可能很大，但e=常數(shù)，de/dt=0，則p=0，不能克服靜偏差，有余差，但比純比例控制要??；

3）具有超前控制的作用。適用于溫度、成分等容量滯后的對象，不適用純滯后對象。AA五、比例積分微分(PID)控制規(guī)律(5-12)

PID控制特點：

1.集P、I、D三者之優(yōu)點，克服其不足；

2.實際系統(tǒng)并非PID是最好，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。

常用的控制規(guī)律：PPIPID

正作用控制器：當控制器的輸入信號增大(或減小)時，其輸出信號隨之增大(或減小)；反作用控制器：當控制器的輸入信號增大(或減小)時，其輸出信號隨之減小(或增大)。例1:實驗測得標準信號為4—20mA電動調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線，如圖所示。

問：①該控制器的控制規(guī)律？②控制器的比例度、積分時間、微分時間？解：①該控制器為PI控制規(guī)律答：控制器的比例度為200%、積分時間為2分、微分時間為0解：又∵測量值減少時，控制器輸出減少，∴是正作用方向。答:控制器的實際比例度為100%，控制器是正作用方向。例2、當DDZ—Ⅲ型電動控制器的測量指針由50％變化到25％，若控制器的純比例輸出信號由12mA下降到8mA，則控制器的實際比例度為多少？并指出控制器的作用方向。

各種常見控制器的特性及選用參考表控制器名稱

控制作用

控制質(zhì)量

適用對象特性

適用系統(tǒng)

純滯后負荷變化時間常數(shù)

比例控制器控制作用與偏差大小成例?？刂扑俣瓤於€(wěn)定，但有余差。

小

小較大

液位

比例積分控制器控制作用與