第九講控制器 ppt課件

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖 控制裝置執(zhí)行器過(guò)程檢測(cè)元件、變送器r(t)比較機(jī)構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動(dòng)廣義對(duì)象被控變量測(cè)量值控制器設(shè)定值留意：有向線段的方向代表信號(hào)的作用方向，而不是物料的流向?？刂葡到y(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想第八章第八章 調(diào)理器與執(zhí)行器調(diào)理器與執(zhí)行器n本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：n1 1、調(diào)理器、調(diào)理器n常用的調(diào)理規(guī)律控制算法；常用的調(diào)理規(guī)律控制算法；n模擬調(diào)理器；模擬調(diào)理器；n數(shù)字調(diào)理器。數(shù)字調(diào)理器。n2 2、執(zhí)行器、執(zhí)行器n氣動(dòng)執(zhí)行器；氣動(dòng)執(zhí)行器； n電動(dòng)執(zhí)行器；電動(dòng)執(zhí)行器；n智能執(zhí)行器。智能執(zhí)行器?？刂葡到y(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本

2、概念回想n過(guò)程自動(dòng)化的概念：過(guò)程自動(dòng)化的概念：n 過(guò)程自動(dòng)化是化工、煉油、食品、過(guò)程自動(dòng)化是化工、煉油、食品、輕工、電力等流程工業(yè)消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)輕工、電力等流程工業(yè)消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化的簡(jiǎn)稱(chēng)。在消費(fèi)設(shè)備上，配上一些化的簡(jiǎn)稱(chēng)。在消費(fèi)設(shè)備上，配上一些自動(dòng)化安裝儀表，替代操作人員自動(dòng)化安裝儀表，替代操作人員的部分直接勞動(dòng)，使消費(fèi)在不同程度的部分直接勞動(dòng)，使消費(fèi)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)展，并到達(dá)預(yù)定的目的，上自動(dòng)地進(jìn)展，并到達(dá)預(yù)定的目的，這種用自動(dòng)化安裝來(lái)管理消費(fèi)過(guò)程的這種用自動(dòng)化安裝來(lái)管理消費(fèi)過(guò)程的方法，稱(chēng)為消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化。方法，稱(chēng)為消費(fèi)過(guò)程自動(dòng)化。1 、自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本組成 (1)、被控對(duì)象：消費(fèi)中要求控制

3、的消費(fèi)設(shè)備或過(guò)程； (2)、丈量元件或變送器：對(duì)被控參數(shù)進(jìn)展丈量的儀表； (3)、控制器：把被控參數(shù)的丈量值與給定值相減得出偏向，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，同時(shí)將此結(jié)果送給調(diào)理閥； (4)、調(diào)理閥：根據(jù)調(diào)理器送來(lái)的信號(hào)的大小，自動(dòng)改動(dòng)閥的開(kāi)啟度，調(diào)理介質(zhì)的流量，實(shí)現(xiàn)控制的目的?？刂葡到y(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的有關(guān)名詞術(shù)語(yǔ) 1被控對(duì)象受控對(duì)象； 2被控變量受控變量：控制對(duì)象內(nèi)要求以一定的精度堅(jiān)持恒定或隨某一參數(shù)給定值的變化而變化的變量； 3給定值：要求被控參數(shù)所堅(jiān)持或遵照的數(shù)值 4偏向：給定值與丈量值的差值 5干擾：影響被控變量，使其偏離給定值的要素 6支配變量：影

4、響被控變量，抑制干擾使被控變量回到給定值的調(diào)理閥的輸出； 7控制造用：控制器的輸出控制系統(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想4、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1、定值控制系統(tǒng)：給定值堅(jiān)持不變的系統(tǒng)。系統(tǒng)的義務(wù)是是被控變量以一定的精度堅(jiān)持在給定值上不變；2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定值是隨機(jī)變化的，這種變化是事先不知道的；3、程序控制系統(tǒng)：給定值是按事先規(guī)定的程序變化的。5、控制系統(tǒng)的義務(wù)6、系統(tǒng)的質(zhì)量目的控制系統(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想7、影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要要素 被控對(duì)象是中心 丈量?jī)x表是根底 控制器是靈魂 調(diào)理閥執(zhí)行器是關(guān)鍵控制系統(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想換熱器出口溫度自動(dòng)控制

5、系統(tǒng)分析舉例： 凝液蒸汽TC控制系統(tǒng)的根本概念回想控制系統(tǒng)的根本概念回想控制器的功能控制器的功能8.18.1控制器常用的控制規(guī)律控制器常用的控制規(guī)律調(diào)理器被控對(duì)象丈量變送安裝+SP執(zhí)行器4 420mA20mA4 420mA20mA被控變量干擾支配變量支配變量支配變量：影響被控變量，抑制干擾使被控變量回到給定值的調(diào)理閥的輸出支配變量：影響被控變量，抑制干擾使被控變量回到給定值的調(diào)理閥的輸出比例控制系統(tǒng)表示圖比例控制系統(tǒng)表示圖特點(diǎn)：及時(shí)；有余差特點(diǎn)：及時(shí)；有余差用此圖闡明用此圖闡明注：控制器的常用控制規(guī)律用黑板控制器的其它功能控制器的其它功能控制器的其它功能控制器的其它功能控制器的其它功能控制器的

6、其它功能8.2 模擬控制器模擬控制器12345667DDZIII型調(diào)理器正面圖1位號(hào)牌 2內(nèi)外給定指示 3內(nèi)給定設(shè)定撥盤(pán)4-A/M/H切換 5閥位表 6軟手動(dòng)操作扳鍵7雙針全刻度指示表控制器控制器模擬控制器構(gòu)造方塊圖模擬控制器構(gòu)造方塊圖10dtdxTxdtTxKydtic8.3 數(shù)字控制器數(shù)字控制器PLCdtdxbTxdtTaxKydtic0留意：后面內(nèi)容為選用比例控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響比例積分控制算法比例積分控制算法uc(t)= K cuc(t)= K c e(t)+K c/T ie(t)+K c/T i0te(t)d(t) 0te(t)d(t) 圖圖1-3 P

7、I1-3 PI作用的階躍呼應(yīng)作用的階躍呼應(yīng)在階躍偏向輸入作用下,控制器比例輸出up=K c e；積分作用輸出u iK c e/T i0tdt,隨時(shí)間而添加。隨動(dòng)隨動(dòng)控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)渡過(guò)程過(guò)程 引人積分作用能消除余差，但參與積分作用要保引人積分作用能消除余差，但參與積分作用要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必需加大比例度持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必需加大比例度( (減弱比例作減弱比例作用用) )，卻又使控制質(zhì)量有所下降，卻又使控制質(zhì)量有所下降, ,像最大偏向和振蕩周像最大偏向和振蕩周期相應(yīng)增大，過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通道滯后小，期相應(yīng)增大，過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)。對(duì)于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余

8、差的場(chǎng)所，如流負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)所，如流量或壓力的控制，采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量或壓力的控制，采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。圖量。圖1-31-3所示為在階躍輸入作用下比例積分控制器的輸出曲所示為在階躍輸入作用下比例積分控制器的輸出曲線。線。比例微分控制算法比例微分控制算法 uc(t)=K c uc(t)=K c e(t)+K ce(t)+K c Tdde(t)/d tTdde(t)/d t 引入微分產(chǎn)生超前控制造用，使系統(tǒng)穩(wěn)引入微分產(chǎn)生超前控制造用，使系統(tǒng)穩(wěn)定性添加，最大偏向和余差減小，加快控制定性添加，最大偏向和余差減小，加快控制過(guò)程，改善控制

9、質(zhì)量。過(guò)程，改善控制質(zhì)量。 比例微分控制適用于過(guò)程容量滯后較大比例微分控制適用于過(guò)程容量滯后較大的場(chǎng)所。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)作用頻繁的系的場(chǎng)所。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡能夠防止運(yùn)用微分作用。統(tǒng)，應(yīng)盡能夠防止運(yùn)用微分作用。階躍輸入信號(hào)下的理想階躍輸入信號(hào)下的理想PDPD特性特性階躍輸入信號(hào)下的實(shí)踐階躍輸入信號(hào)下的實(shí)踐PDPD特性特性運(yùn)用微分控制造用要留意以下事項(xiàng)。運(yùn)用微分控制造用要留意以下事項(xiàng)。 引入微分控制造用要適宜。引入微分控制造用要適宜。 引入微分作用，使比例作用的開(kāi)環(huán)頻率矢引入微分作用，使比例作用的開(kāi)環(huán)頻率矢量添加了一個(gè)相位超前量添加了一個(gè)相位超前9090 的的D D控制造用

10、矢量，控制造用矢量，當(dāng)微分控制造用適宜時(shí)，它的引入使整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)微分控制造用適宜時(shí)，它的引入使整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性改善，即幅值穩(wěn)定裕度和相位穩(wěn)開(kāi)環(huán)頻率特性改善，即幅值穩(wěn)定裕度和相位穩(wěn)定裕度都減小定裕度都減小, ,從而可進(jìn)一步增大比例增益從而可進(jìn)一步增大比例增益K K c c ，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏向，縮短回復(fù)時(shí)間。例，減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏向，縮短回復(fù)時(shí)間。例如，時(shí)間常數(shù)較大的溫度、成分等控制系統(tǒng)，如，時(shí)間常數(shù)較大的溫度、成分等控制系統(tǒng)，經(jīng)常引入微分控制造用來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。經(jīng)常引入微分控制造用來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。對(duì)于純滯后，微分控制造用不能改善控制質(zhì)量。純滯后的頻率特性曲線是一個(gè)圓，引入微分控制造

11、用后的頻率特性仍是圓，并且半徑更大因此，不能期望經(jīng)過(guò)引入微分控制造用來(lái)改善時(shí)滯系統(tǒng)的控制質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)含有時(shí)滯環(huán)節(jié)時(shí)，引入微分作用同樣不能改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。高頻噪聲大的被控對(duì)象不宜引入微分。 從頻率特性可知，微分作用對(duì)高頻干擾的放大很厲害，因此高頻噪聲大的被控對(duì)象(例如流量和液位控制系統(tǒng))不宜引入微分。對(duì)于高頻噪聲大的被控對(duì)象應(yīng)采用反微分，它對(duì)丈量信號(hào)進(jìn)展濾波。以下圖所示為正反微分作用的階躍呼應(yīng)曲線。正反微分作用的階躍呼應(yīng)曲線正反微分作用的階躍呼應(yīng)曲線根據(jù)微分增益K d 大小，微分作用分為正微分(K d 1)、反微分(K d 1)。K c e微分控制造用的強(qiáng)弱可從階躍輸入信號(hào)作用下輸出呼應(yīng)

12、曲線的面積來(lái)衡量(見(jiàn)上圖中的陰影)。呼應(yīng)曲線跳變的最大值為K c K d E。 E是階躍偏向的幅值， K c是比例增益，K d是微分增益；呼應(yīng)曲線最終穩(wěn)定在K c E，即比例作用的輸出值。因此，微分增益K d 表示引入微分后對(duì)比例作用的最大放大倍數(shù)。K d越大，面積越大，微分作用越強(qiáng)。微分時(shí)間表征在輸出初始跳變后，微分作用可以維持的時(shí)間，從呼應(yīng)曲線來(lái)看，微分時(shí)間表示從最大值下降到0.632(K d-1)K c E所需的時(shí)間。微分時(shí)間越大，下降越慢，面積越大，微分作用越強(qiáng)。因此，T d=0或K d1表示沒(méi)有微分作用。 引入微分的目的是改善高階系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 從時(shí)間特性看，微分作用按偏向的變化率

13、控制，控制及時(shí)，時(shí)間的超前有利于控制；從傳送函數(shù)看，引入微分，相當(dāng)于添加開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，如能與對(duì)象的極點(diǎn)發(fā)生對(duì)消，可使系統(tǒng)降階，因此，適宜配置微分作用有利于控制質(zhì)量的改善；從頻率特性看，引入微分使整個(gè)開(kāi)環(huán)頻率特性的幅值比增大，尤以高頻段更甚，因此，隨頻率增大，系統(tǒng)頻率特性幅值下降時(shí)，引入微分可改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，相位的超前也有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。換言之，在一樣穩(wěn)定性需求下引入微分，可提高比例增益，減小最大偏向或超調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程的回復(fù)時(shí)間，改善系統(tǒng)控制質(zhì)量。微分先行。 對(duì)于偏向微分，當(dāng)設(shè)定突變時(shí)，因偏向等于設(shè)定值減丈量值，它會(huì)隨設(shè)定值變化而變化，從而呵斥控制器輸出的變化，引起執(zhí)行器全開(kāi)或全關(guān)

14、，不利于調(diào)理過(guò)程。為此，一方面設(shè)定值應(yīng)緩 慢變化，另一方面，可以只對(duì)丈量信號(hào)進(jìn)展微分，即微分環(huán)節(jié)放在比較環(huán)節(jié)前，這種微分稱(chēng)為微分先行，或丈量微分。這時(shí)，調(diào)整設(shè)定值不受限制。PD控制造用對(duì)定值控制系統(tǒng)的影響 圖1-10所示，可見(jiàn)，Td越大，微分作用越強(qiáng)，控制系統(tǒng)的最大偏向越小，振蕩周期和回復(fù)時(shí)間縮短。PDPD控制造用對(duì)定值控制系統(tǒng)的影響控制造用對(duì)定值控制系統(tǒng)的影響比例積分微分控制比例積分微分控制 理想理想PIDPID控制算法為控制算法為: :u c(t)=K ce(t)+1/T u c(t)=K ce(t)+1/T i i0te(t)d(t)+Td0te(t)d(t)+Td de(t)/d td

15、e(t)/d t 理想理想PIDPID控制器傳送函數(shù)為控制器傳送函數(shù)為: : (1-2)實(shí)踐PID控制器傳送函數(shù)為：(1-3) 以下圖所示為在偏向階躍輸入作用下，實(shí)踐PID控制器的輸出呼應(yīng)曲線。在偏向階躍作用下，PID控制器輸出先跳變到最大值K c K d E(這是比例微分作用)，然后逐漸下降，并開(kāi)場(chǎng)上升(這是比例微分和積分的共同作用)，最后由于積分作用，輸出呈積分上升。 上圖中顯示了比例、比例微分和比例積分微分三種控制造用的呼應(yīng)?？梢钥吹?，比例作用是最根本的控制造用，在整個(gè)控制過(guò)程中都起作用，微分作用主要在控制前期起作用，而積分作用主要在控制后期起作用。PID控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響： PI

16、D控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響與PI控制造用的影響類(lèi)似，其中，P作用是根本控制造用,增大K C使系統(tǒng)振蕩加?。籌作用能消除余差，但會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，閉環(huán)呼應(yīng)變慢；D作用使整個(gè)開(kāi)環(huán)頻率特性的幅值比增大，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。 以下圖顯示了PID控制器中不同的K C值對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。由于采用積分控制造用，使控制系統(tǒng)無(wú)余差，由于添加微分作用，使系統(tǒng)的呼應(yīng)變快，回復(fù)時(shí)間縮短。但應(yīng)留意，過(guò)量的微分作用會(huì)使控制系統(tǒng)的振蕩加劇，穩(wěn)定性變差。 圖圖1-12 PID1-12 PID控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響控制造用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響8.4 8.4 調(diào)理器控制規(guī)律算法的選擇調(diào)理器控制規(guī)律算法的選擇 控制規(guī)律主要根據(jù)過(guò)程特性

17、和要求來(lái)控制規(guī)律主要根據(jù)過(guò)程特性和要求來(lái)選擇。選擇。 當(dāng)廣義過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)大，或當(dāng)廣義過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)大，或多容量引起的容量滯后大時(shí)，采用微分作多容量引起的容量滯后大時(shí)，采用微分作用有良好效果，積分作用可以消除余差，用有良好效果，積分作用可以消除余差，因此，可選用因此，可選用PIDPID或或PDPD控制規(guī)律。例如溫度控制規(guī)律。例如溫度過(guò)程，此時(shí)假設(shè)選用過(guò)程，此時(shí)假設(shè)選用PIPI控制規(guī)律那么因積控制規(guī)律那么因積分作用有滯后，致使控制質(zhì)量差。分作用有滯后，致使控制質(zhì)量差。當(dāng)廣義過(guò)程控制通道存在純滯后時(shí)，假當(dāng)廣義過(guò)程控制通道存在純滯后時(shí)，假設(shè)用微分作用來(lái)改善控制質(zhì)量是無(wú)效的。設(shè)用微分作用來(lái)改善控制質(zhì)量是無(wú)效的。也就是說(shuō)，微分作用對(duì)抑制純滯后是無(wú)能也就是說(shuō)，微分作用對(duì)抑制純滯后是無(wú)能為力的。為力的。 當(dāng)廣義過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)較小，系統(tǒng)負(fù)當(dāng)廣義過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)較小，系統(tǒng)負(fù)荷變化也較小時(shí)。為了消除余差，可以采用荷變化也較小時(shí)。為了消除余差，可以采用PIPI控控制規(guī)律，如流量過(guò)程。制規(guī)律，如流