課題4-化工自動控制儀表

第五章自動控制儀表

第一節(jié)概述一、控制系統(tǒng)按被調(diào)參數(shù)的變化規(guī)律分類：定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：給定值為常數(shù)；隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：給定值為變數(shù)，要求跟隨變化；程序控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)：按預(yù)定時(shí)間順序控制參數(shù)。二、控制目的的實(shí)現(xiàn)：通過人為設(shè)定或計(jì)算機(jī)程序直接給出一定的輸出——簡單；將設(shè)定值與實(shí)測值進(jìn)行比較，以其差值大小控制調(diào)節(jié)器動作，直至差值達(dá)到允許的誤差范圍。三、控制儀表的分類：基地式控制儀表檢測、控制、顯示組合在一起的一類儀表。單元組合式控制儀表在系統(tǒng)規(guī)定的統(tǒng)一的通訊方式下，按要求給出相應(yīng)的控制信號。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心控制單元，以測試儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等單元為外圍設(shè)備的系統(tǒng)。第二節(jié)基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的

影響基本的控制規(guī)律調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf在該控制系統(tǒng)中，被控變量由于受擾動f（如生產(chǎn)負(fù)荷的改變，上下工段間出現(xiàn)的生產(chǎn)不平衡現(xiàn)象等）的影響，常常偏離給定值，即被控變量產(chǎn)生了偏差：

問題：被控變量能否回到給定值上，或者以什么樣的途徑、經(jīng)過多長時(shí)間回到給定值上來？與被控對象特性有關(guān)，而且還與控制器的特性有關(guān)。

雙位控制是自動控制系統(tǒng)中最簡單也很實(shí)用的一種控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器輸出只有2個(gè)固定的數(shù)值，即只有2個(gè)極限位置，其基本的控制規(guī)律可描述為：一、雙位控制第一節(jié)位式控制－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumineu二、具有中間區(qū)的雙位控制控制器罐壓力變送器排放電磁閥例如：某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為100KPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為0，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力稍稍大于100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開，排除氣體降低系統(tǒng)壓力，此時(shí)罐內(nèi)壓力馬上又小于設(shè)定值100KPa，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會重新升高，大于100KPa，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開······，這樣調(diào)節(jié)器輸出在0與1之間不斷變化，電磁閥也在“開”和“關(guān)”二個(gè)狀態(tài)上不停的動作。

這種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對不允許的，因?yàn)槿魏我环N設(shè)備都有一定的使用壽命，電磁閥的使用壽命一般在10萬～50萬次。

如果把雙位特性調(diào)整為

u－x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxumin△ue雙位控制——總結(jié)由于位式控制的執(zhí)行器是從一個(gè)固定位置到另一個(gè)固定位置所以整個(gè)系統(tǒng)不可能保持在一個(gè)平衡狀態(tài)被控變量總在設(shè)定值附近波動，其過渡過程是持續(xù)等幅振蕩滯回區(qū)間的大小影響振蕩頻率。振蕩頻率低，控制質(zhì)量差；振蕩頻率高，影響執(zhí)行器壽命。

位式控制的特點(diǎn)：簡單、過渡過程是振蕩的位式控制的適用范圍：時(shí)間常數(shù)大,純滯后小,負(fù)荷變化不大也不激烈,控制要求不高。

u純比例控制PabOOabeu由此可見，在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變量(液位)的偏差值成比例，這就是比例控制規(guī)律，其輸出信號的變化量與輸入信號(指偏差，當(dāng)給定值不變時(shí)，偏差就是被控變量測量值的變化量)的變化量之間成比例關(guān)系，這種控制規(guī)律稱為“純比例控制”

純比例控制也是一種最基本的控制規(guī)律，從上面這個(gè)例子可以看出來，純比例控制至少能克服位式控制振蕩、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。比例控制比例調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式：一、比例控制規(guī)律及其特點(diǎn)或u0是偏差e=0時(shí)的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值KP是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對象增益的區(qū)別）KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)AKp*A根據(jù)上述響應(yīng)曲線，可以明顯地看出比例調(diào)節(jié)器的一個(gè)特點(diǎn)：控制及時(shí)。一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。

比例增益KP是比例調(diào)節(jié)器輸出變化量u與偏差e之比：

比例增益KP和比例度

KP越大，比例作用越強(qiáng)，KP越小比例作用越弱。

但是，在工業(yè)現(xiàn)場，一般都習(xí)慣于用比例度來表示比例作用的強(qiáng)弱比例度的定義：輸入信號的相對變化量占輸出信號的相對變化量的百分?jǐn)?shù)。

其中：C——儀表常數(shù)，當(dāng)輸入輸出是統(tǒng)一信號時(shí)，儀表常數(shù)C＝1，在沒有特定指明的情況下，C＝1，因?yàn)樵谝粋€(gè)系統(tǒng)中所選用儀表的信號制一般都是統(tǒng)一的。KP越大

越小比例作用越強(qiáng)。二、比例度及其對控制過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如右圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量。先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：存在余差令干擾發(fā)生單位階躍變化：則：對被控變量有影響，產(chǎn)生余差。Kp增大，余差減小。結(jié)論：·純比例控制系統(tǒng)，過渡過程結(jié)束以后必定存在余差?！P越大或越小余差越小KP越大或越小控制作用越強(qiáng)

余差越小、最大偏差越小KP太大或太小控制作用太強(qiáng)

穩(wěn)定性降低、甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：控制及時(shí)控制結(jié)果有余差純比例控制適用場合：干擾幅度較小純滯后較小負(fù)荷變化不大控制要求不太高

一般來說，若對象滯后較小、時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)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。

比例積分控制PI比例控制最大的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，控制作用及時(shí)

最大的缺點(diǎn)是控制結(jié)果存在余差當(dāng)工藝對控制質(zhì)量有更高要求，不允許控制結(jié)果存在余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。比例積分控制就是由比例作用和積分作用二種控制作用組合而成

積分控制積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入（偏差）對時(shí)間的積分成比例的特性。表達(dá)式為：

一、積分控制規(guī)律及其特點(diǎn)：積分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(t)A只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器輸出會不斷變化，直到偏差為0――消除余差調(diào)節(jié)器的輸出是偏差隨時(shí)間的積分，當(dāng)t較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出u(t)很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，

所以一般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。

uI(t)e(t)A二、比例積分控制規(guī)律與積分時(shí)間：比例積分(PI)控制由比例和積分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)積分作用項(xiàng)如果加入幅值為A的階躍信號：積分時(shí)間的定義：在階躍輸入下，積分作用的輸出變化到比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

三、積分作用對過渡過程的影響某控制系統(tǒng)的方塊圖如圖所示，求設(shè)定值、干擾分別發(fā)生階躍變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)變化量先求Y(s)=??×X(s)+??×F(s)令設(shè)定值發(fā)生單位階躍變化：則：無余差令干擾發(fā)生單位階躍變化：則：無余差積分作用能消除余差?。?！

采用比例積分控制作用時(shí)，積分時(shí)間對過渡過程的影響具有兩重性。在同樣的比例度下，縮短積分時(shí)間Ti，將使積分調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除余差，這是有利的一面。但縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作用后，會使系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向。積分時(shí)間越短，振蕩傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩，這是不利的一面。由圖可以看出，積分時(shí)間過大或過小均不合適。Ti過大，積分作用不明顯，余差消除很慢，見曲線3，Ti過小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見曲線1。

積分作用的特點(diǎn)：消除余差，會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；注意事項(xiàng)：★引入積分作用以后，能消除余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然會降低，所以在使用過程中應(yīng)適當(dāng)降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）★當(dāng)對象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長、最大偏差也較大；負(fù)荷變化過于劇烈時(shí)，由于積分動作緩慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用比例微分控制PD積分控制最大的優(yōu)點(diǎn)是消除余差

最大的缺點(diǎn)是動作緩慢、產(chǎn)生相位滯后、穩(wěn)定性降低微分控制主要用來克服被控對象的容量滯后(時(shí)間常數(shù)T)，但不能克服純滯后。

第四節(jié)微分控制微分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入變化率成比例關(guān)系，成比例的特性。表達(dá)式為：一、微分控制規(guī)律及其特點(diǎn)：微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分時(shí)間，Td越大微分作用越強(qiáng)。微分作用的目的：克服對象滯后大的影響，改善過渡過程品質(zhì)。微分作用的原理：根據(jù)偏差信號變化速度來確定調(diào)節(jié)器的輸出，改變操作變量（超前控制）。

e(t)u(t)00+AtTdAe(t)u(t)t0t0二、比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二種控制作用組合而成

比例作用項(xiàng)微分作用項(xiàng)e(t)Ae(t)0At從(b)圖中可以看出，當(dāng)輸入為斜坡曲線時(shí)存在：u(t)＝e(t＋Td)，所以微分控制起到了超前的作用，即：調(diào)節(jié)器輸出比輸入超前TD時(shí)間從(a)圖上可得出，當(dāng)加入階躍輸入時(shí)，微分作用產(chǎn)生了一個(gè)函數(shù)，當(dāng)t>0時(shí)，u(t)＝e(t)，很顯然這種控制作用在實(shí)際應(yīng)用中沒有什么態(tài)大的意義根據(jù)這2個(gè)特點(diǎn)不難理解：微分作用不能作為一種單獨(dú)的調(diào)節(jié)規(guī)律來使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于對象時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)之中。u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)三、實(shí)際的比例微分控制作用從前面的波形圖中可以看到，如果調(diào)節(jié)器的輸入為階躍信號，理想PD調(diào)節(jié)器的輸出為脈沖信號，而脈沖信號不可能被其它環(huán)節(jié)（執(zhí)行器）所接收到。在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場時(shí)不采用理想的PD作用，而采用實(shí)際的PD作用。實(shí)際的PD作用表達(dá)式為：式中，Kd為微分增益，它反映了實(shí)際微分特性與理想微分特性接近的程度Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般為5～10。另外還有一類Kd<1的單元，稱為反微分器，它具有遲緩信號變換的作用。實(shí)際比例微分控制作用的階躍響應(yīng)e(t)au(t)0.632KP(Kd-1)aKPaKdKPa(Kd-)KPaτd當(dāng)t=0+時(shí)u＝KdKPa當(dāng)t時(shí)u＝Kpa當(dāng)t=τd時(shí)u＝KPa＋0.368（Kd－1）KPaKp的測定：u()/aKd的測定：u(0)/u()Td的測定：測出τd后乘以Kd微分作用對過渡過程的影響從圖看出，微分時(shí)間太大及太小均不合適，應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。由于增加微分作用，可以減小比例度，因而微分時(shí)間越大，余差也就越小。一般溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常需加微分作用，其他系統(tǒng)需要較少。有些系統(tǒng)由于反應(yīng)太快，可加“反微分”，以降低系統(tǒng)的靈敏度。

微分作用的特點(diǎn)：對于有過渡滯后的對象，采用PD控制能明顯改善過渡過程的品質(zhì)；

PD控制有超前作用

Td，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)為：

衰減比增大；過渡過程最大偏差減少emax；過渡時(shí)間tp；Td太大，微分作用太強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，引起系統(tǒng)振蕩引入微分作用以后，不能消除余差，但余差會有所減少微分作用對純滯后的對象不起作用。微分作用適用于過渡滯后強(qiáng)的對象，如：溫度對象(其他系統(tǒng)較少用)微分作用對高頻噪聲非常敏感，在流量控制系統(tǒng)總流量測量信號