化工儀表與自動化9-1(控制規(guī)律)

1、.化工儀表及自動化教案課 題第九章 基本控制規(guī)律（1）授課教師授課日期授課班級課時2學時課程類型新課教學方法教學設備過程控制室教學目標知識與技能1熟悉控制規(guī)律特點對控制系統(tǒng)的影響2掌握控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響過程與方法實訓基地、講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生探索，求知欲望，使學生積極觀察、分析，主動參與，強化學生主體地位。教學重點1控制規(guī)律特點2控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響教學難點1控制規(guī)律特點2控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響重、難點解決措施 教 學 過 程教師活動學生活動時間分配教學步驟教學內(nèi)容液位的比例控制操作一 實訓設備二 實訓步驟1 手動控制液位至穩(wěn)定值2 給一合

2、適比例度，自動控制，觀察曲線3 重復以上過程，改變比例度，觀察曲線觀摩操作25分種 理論教學（講解）重點：控制規(guī)律概念重點：雙位控制控制器輸出只有最大值和最小值重點：比例控制規(guī)律重點：什么是比例度重點：比例控制是有差控制重點：比例度對過渡過程的影響重點：比例控制適用場合概論1 控制規(guī)律控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入信號之間的關系即 在研究控制器的控制規(guī)律時經(jīng)常是假定控制器的輸入信號e是一個階躍信號，然后來研究控制器的輸出信號p隨時間的變化規(guī)律。 2控制器的基本控制規(guī)律位式控制（其中以雙位控制比較常用）、比例控制（P）積分控制（I）微分控制（D） 第一節(jié) 位式控制一、雙位控制理想的雙

3、位控制器其輸出p與輸入偏差額e之間的關系為圖9-1 理想雙位控制特性圖9-2 雙位控制示例二、具有中間區(qū)的雙位控制 將上圖中的測量裝置及繼電器線路稍加改變，便可成為一個具有中間區(qū)的雙位控制器，見下圖。由于設置了中間區(qū)，當偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機構不會動作，因此可以使控制機構開關的頻繁程度大為降低，延長了控制器中運動部件的使用壽命。 圖9-3 實際的雙位控制規(guī)律圖9-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程結論：雙位控制過程中一般采用振幅與周期作為品質(zhì)指標，被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長些比較有利。 雙位控制器結構簡單、成本較低、易于實現(xiàn)，因而應用很普遍。三、多位控制 對系統(tǒng)的控制效果較好

4、，但會使控制裝置的復雜程度增加。圖9-5 三位控制器特性圖第二節(jié) 比例控制 在雙位控制系統(tǒng)中，被控變量不可避免地會產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩過程，為了避免這種情況，應該使控制閥的開度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，這樣就有可能獲得與對象負荷相適應的操縱變量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。 圖9-6 水槽液位控制 一、比例控制規(guī)律及其特點 （9-4） 圖9-7 比例控制器比例控制器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大量 圖9-8 簡單比例控制系統(tǒng)示意圖如上圖，根據(jù)相似三角形原理所以，對于具有比例控制的控制器（9-5）二、比例度及其對控制過程的影響1比例度 （1）比例度

5、 是指控制器輸入的變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數(shù)。 （9-7）（2）例 一只比例作用的電動溫度控制器,它的量程是 100200,電動控制器的輸出是010mA ,假如當指示值從140變化到160時,相應的控制器輸出從3mA變化到8mA ,這時的比例度為說明 當溫度變化全量程的40%時,控制器的輸出從0mA變化到10mA。在這個范圍內(nèi),溫度的變化和控制器的輸出變化p是成比例的。但是當溫度變化超過全量程的40%時 (在上例中即溫度變化超過40時) ,控制器的輸出就不能再跟著變化了。這是因為控制器的輸出最多只能變化100%。所以,比例度實際上就是使控制器輸出變化全范圍時,輸入偏差改變量占

6、滿量程的百分數(shù)。 （3）與KC關系將式（9-7）改寫后得即 （9-8）對于一只具體的比例控制器，儀表的量程和控制器的輸出范圍都是固定的,令（9-9）圖9-9 比例度與輸入輸出的關系對一只控制器來說， K是一個固定常數(shù)。將式 (9-9)代入式 (9-8) ，得（9-10）而 KC值與值都可以用來表示比例控制作用的強弱。（4）在單元組合式儀表中（9-11）2 比例控制系統(tǒng)的過渡過程及余差左下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡過程。 （1） 比例控制特點 e=0，p=0?？刂崎y不動作；越小，p越大，控制作用強。（2）比例控制是有余差的，其原因是：若e=0，p=0?？刂崎y無動作。要使控制器有輸出。偏差一

7、定不為零。圖9-10 簡單水槽的比例控制過程3比例度對過渡過程的影響 比例度對過渡過程影響如圖9-11所示。圖9-11 比例度對過渡過程的影響比例度對余差的影響是：比例度越小，余差越??；比例度對過渡過程的影響是：比例度越大，過渡過程曲線越平穩(wěn)；比例度越小，過渡過程越振蕩。所以一般要求衰減比為：4：110：1之間的過渡過程為佳。比例控制優(yōu)缺點：優(yōu)點：反應快，控制及時缺點：存在余差結論若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，控制器的比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應快些，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。 聽課50分鐘 互動教學總結（提問）1 什么

8、是雙位控制2 什么是比例控制3 比例控制對過渡過程的影響回答10分種布置作業(yè)作業(yè)（P143）1、2、4、5、6、7、85分鐘化工儀表及自動化教案課 題第九章 基本控制規(guī)律（2）授課教師授課日期授課班級課時2學時課程類型新課教學方法教學設備過程控制室教學目標知識與技能1熟悉控制規(guī)律特點對控制系統(tǒng)的影響2掌握控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響過程與方法講解、多媒體展示。情感與態(tài)度創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生探索，求知欲望，使學生積極觀察、分析，主動參與，強化學生主體地位。教學重點1控制規(guī)律特點 2控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響教學難點1控制規(guī)律特點2控制不同規(guī)律對控制系統(tǒng)的影響重、難點解決措施 教 學 過 程教

9、師活動學生活動時間分配教學步驟教學內(nèi)容理論教學（講解）重點：積分規(guī)律重點：積分控制特點重點：積分時間求法重點：積分時間對過渡過程的影響重點：微分控制特點重點：求微分時間的方法重點：比例微分控制系統(tǒng)過渡過程重點：PID應用場合第三節(jié) 積分控制一、積分控制規(guī)律及其特點 對控制質(zhì)量有更高要求時，就需要在比例控制的基礎上，再加上能消除余差的積分控制作用。1 積分控制出變化量p與輸入偏差e的積分成正比，即 （9-12）當輸入偏差是常數(shù)A時=（9-13）圖9-12 積分控制規(guī)律2積分控制特點積分控制規(guī)律特點：（1）e0時，變化， E=0時，不變化，保持。注意：積分控制作用輸出信號的大小不僅取決于偏差信號的

10、大小,而且主要取決于偏差存在的時間長短。3積分控制過程下圖是一液位控制系統(tǒng)，控制器具有積分控制規(guī)律，其在階躍干擾下的控制過程如圖9-14。圖9-13 液位控制系統(tǒng) 圖9-14 積分控制過程二、比例積分控制規(guī)律與積分時間1比例積分控制規(guī)律可用下式表示（9-15）2積分時間求法 輸入為階躍信號，幅度為A。積分時間與比例度求法如圖圖9-15 比例積分控制規(guī)律當有輸入A時，記下控制器輸出：KCA；當輸出為KCA 2 KCA經(jīng)過時間為TI，理由： （9-16）則 （9-17） （9-18）在時間t = TI時，有三、積分時間對系統(tǒng)過渡過程的影響積分時間對過渡過程的影響具有兩重性當縮短積分時間TI,積分控

11、制作用加強。后果是：（1）克服余差的能力增加。（2）會使過程振蕩加劇,穩(wěn)定性降低。注：積分時間越短,振蕩傾向越強烈,甚至會成為不穩(wěn)定的發(fā)散振蕩。 圖9-16 積分時間對過渡過程的影響第四節(jié) 微分控制比例積分控制器對于多數(shù)系統(tǒng)都可采用，比例度和積分時間兩個參數(shù)均可調(diào)整。 當對象滯后很大時，可能控制時間較長、最大偏差也較大； 負荷變化過于劇烈時，由于積分動作緩慢，使控制作用不及時，此時可增加微分作用。 一、微分控制規(guī)律及其特點具有微分控制規(guī)律的控制器（9-20）（a）微分輸入 （b）理想微分輸出 （c）實際微分輸出圖9-17 微分控制的動態(tài)特性（1）微分控制特點 偏差e不變，p=0; 偏差變化，p

12、與偏差變化率成正比。（2）優(yōu)點：具有超前控制功能 二、實際的微分控制規(guī)律及微分時微分作用的特點在偏差存在但不變化時,微分作用都沒有輸出。 實際微分控制規(guī)律是由兩部分組成：比例作用與近似微分作用，其比例度是固定不變的，恒等于100%，所以認為：實際的微分控制器是一個比例度為 100%的比例微分控制器。 微分作用圖9-18 實際微分器輸出變化曲線 當輸入是一幅值為 A的階躍信號時，其微分輸出最大值（KD-1）A，其微分輸出慢慢下降。經(jīng)過T時，下降為36.8%，此時T為微分時間TD當輸入是一幅值為 A的階躍信號時(9-21)可見，t =0時, p=KDA；t =時,p =A。 微分控制器在階躍信號的

13、作用下,輸出p一開始就立即升高到輸入幅值A的KD倍,然后再逐漸下降,到最后就只有比例作用A了。 微分放大倍數(shù)KD決定了微分控制器在階躍作用瞬間的最大輸出幅度。 微分時間TD是表征微分作用強弱的一個重要參數(shù)，它決定了微分作用的衰減快慢，且它是可以調(diào)整的。(9-22)假定 (9-24)則 (9-23)在t = T時,整個微分控制器的輸出為 (9-25)三、比例微分控制系統(tǒng)的過渡過程當比例作用和微分作用結合時,構成比例微分控制規(guī)律（9-27）說明：比例微分控制器的輸出p等于比例作用的輸出pP與微分作用的輸出pD之和。改變比例度(或KC)和微分時間 TD分別可以改變比例作用的強弱和微分作用的強弱。 圖

14、9-19 微分時間對過渡過程的影響微分作用具有抑制振蕩的效果，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少被控變量的波動幅度,并降低余差。微分作用也不能加得過大。 微分控制具有“超前”控制作用。 四、比例積分微分控制 同時具有比例、積分、微分三種控制作用的控制器稱為比例積分微分控制器。（9-28）三個可調(diào)參數(shù)比例度、積分時間 TI和微分時間 TD。適用場合對象滯后較大、負荷變化較快、不允許有余差的情況。 控制規(guī)律比例控制、積分控制、微分控制。圖9-20 PID控制器輸出特性例題分析 1目前,在化工生產(chǎn)過程中的自動控制系統(tǒng),常用控制器的控制規(guī)律有位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。試綜述它們的特點及使用場合。解：列表分析如下:(9-11)（9-27）（9-28）2對一臺比例積分控制器作開環(huán)試驗。已知KC=2，TI= 0.5min。若輸入偏差如圖9-21所示,試畫出該控制器的輸出信號變化曲線。圖9-21 輸入偏差信號變化曲線當KC = 2時,輸出波形如圖9-22(a)所示。解：對于PI控制器,其輸入輸出的關系式為將輸出分為比例和積分兩部分,分別畫出后再疊加就得到PI控制器的輸出波形。比例部分的輸出為 故pI輸出波形如圖9-22 (b)所示積分部分的輸出為 當KC = 2 , TI = 0. 5