第5章 自動控制儀表

1、昆明理工大學(xué)昆明理工大學(xué)楊彪楊彪20102011學(xué)年下學(xué)年下化工儀表及自動化化工儀表及自動化Measurement &Process control Technology第五章第五章 控制器控制器中醫(yī)學(xué)院中醫(yī)學(xué)院昆明理工大學(xué)知識結(jié)構(gòu)知識結(jié)構(gòu)第第5章章 自動控制儀表自動控制儀表第第6章章 執(zhí)行器執(zhí)行器第第2章章 過程特性過程特性第第3章章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器第第4章章 顯示儀表顯示儀表第第1章自動控制系統(tǒng)基本概念章自動控制系統(tǒng)基本概念第第7章章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng) 第第8章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第第9章章 新型控制系統(tǒng)新型控制系統(tǒng)第第10章章 計算機(jī)控制系統(tǒng)計算

2、機(jī)控制系統(tǒng)昆明理工大學(xué)1 控制器概述自動控制儀表自動控制儀表昆明理工大學(xué) 控制器在控制系統(tǒng)中處于重要地位：根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運算根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運算，將輸出作用于操縱變量，使過程輸出（被控變量）穩(wěn)定在期望的數(shù)值。種類很多： 常規(guī)控制器 以微處理器為基礎(chǔ)的控制器昆明理工大學(xué)按照工作能源工作能源： 氣動 電動按照信號形式信號形式：模擬式數(shù)字式按照結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式：基地式單元組合組裝式集散控制系統(tǒng)昆明理工大學(xué)第第5章章 (調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))控制器控制器(調(diào)節(jié)調(diào)節(jié))控制器的功能：控制器的功能： 將來自變送器（轉(zhuǎn)換器）的測量信號與給定信號相比較，并對由此產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分或微分處

3、理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器動作，以實現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動調(diào)節(jié)作用。昆明理工大學(xué)5.1 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律 控制規(guī)律：控制系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系。 按控制目標(biāo)分類： 限位控制：在輸出超出設(shè)定的上下限時控制器改變輸出狀態(tài)； 連續(xù)控制：根據(jù)測量值與設(shè)定值的差異（差值）連續(xù)調(diào)整輸出（控制參數(shù)）。昆明理工大學(xué)一、限位控制一、限位控制 控制規(guī)律 AB斷開，低位，開啟閥門； AC導(dǎo)通，高位，關(guān)閉閥門?？貙?dǎo)通導(dǎo)通ACpABppminmaxl控制結(jié)果：將液位限制在BC之間。ABC昆明理工大學(xué)限位控制的過渡曲線限位控制的過渡曲線ptytyHyL昆明理工大學(xué)限位控制器電路

4、舉例限位控制器電路舉例24V DC0ABC控ABCAB斷開閥門開啟 ； AC接通閥門關(guān)閉CB電磁閥昆明理工大學(xué)二、連續(xù)控制二、連續(xù)控制PID控制控制 根據(jù)測量值與設(shè)定值差異的大小連續(xù)調(diào)整輸出量的大小。 分類： P控制比例控制 PI控制比例積分控制 PD控制比例微分控制 PID控制比例微分積分控制昆明理工大學(xué)2 控制器的基本控制規(guī)律昆明理工大學(xué)控制器的輸入： 輸出： 控制器的控制規(guī)律就是u(t)與e(t)之間的關(guān)系，是在人工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)并發(fā)展的。 控制器的基本控制規(guī)律有：比例、積分和微分，此外還有如繼電器特性的位式控制規(guī)律等。) t ( u) t ( r) t ( y) t ( e昆明理工大

5、學(xué)圖71 反應(yīng)器的溫度控制昆明理工大學(xué)人工操作過程分析以蒸汽加熱反應(yīng)釜為例：設(shè)反應(yīng)溫度：85度，輕微放熱反應(yīng) 操縱變量：蒸汽流量 被控變量：反應(yīng)溫度 干擾：蒸汽壓力、進(jìn)料流量等昆明理工大學(xué)人工操作（1）：開關(guān)控制u 若溫度低于85度，蒸汽閥門全開u 若溫度高于85度，蒸汽閥門全關(guān)現(xiàn)象現(xiàn)象：溫度持續(xù)波動，過程處于振蕩中。結(jié)果結(jié)果：雙位控制規(guī)律控制品質(zhì)差，滿足不了生產(chǎn)要求。昆明理工大學(xué)u 溫度為85度，蒸汽閥門開度是3圈u 若溫度高于85度，每高5度就關(guān)一圈閥門u 若溫度低于85度，每低5度就開一圈閥門即開啟圈數(shù)相應(yīng)控制規(guī)律可寫為：u(0)：偏差為0時控制器輸出Kc：控制器比例放大倍數(shù)人工操作（2

6、）：比例控制)y(85513)t ( eK)(u)t (uc0昆明理工大學(xué)現(xiàn)象：溫度控制得比較平穩(wěn)結(jié)果：控制品質(zhì)有一定改善，但負(fù)荷變化時，會有余差。如工況有變動，當(dāng)閥門開3圈時，溫度不再保持在85度。昆明理工大學(xué)人工操作（3）：增加積分作用首先按照比例控制操作，然后不斷觀察u 若溫度低于85度，慢慢地持續(xù)開大閥門u 若溫度高于85度，慢慢地持續(xù)開小閥門直到溫度回到85度即控制器輸出變化的速度與偏差成正比：tIIdt)t(eK)(u)t(u)t(eKdt)t(du00昆明理工大學(xué)KI：積分控制作用放大倍數(shù)現(xiàn)象：只要有偏差，控制器輸出就不斷變化。結(jié)果：輸出穩(wěn)定在設(shè)定的85度上，即消除了余差。昆明理

7、工大學(xué)人工操作（4）：增加微分作用 由于溫度過程容量滯后大，當(dāng)出現(xiàn)偏差時，其數(shù)值已經(jīng)較大，因此，補(bǔ)充經(jīng)驗：根據(jù)偏差變化的速度來開啟閥門，從而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及時。dt)t (deT)t (uD昆明理工大學(xué)1. P調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 輸出量與被控變量的差值成正比。P= KP e 放大倍數(shù)KP：輸出量與被控變量的差值的比例系數(shù)。 比例度：控制器輸入變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)。放大倍數(shù)KP與比例度成反比昆明理工大學(xué)KP（ ）值的影響）值的影響 KP值過大（ 值過小） 系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，容易造成過度調(diào)節(jié)，產(chǎn)生大幅振蕩。 KP值過?。?值過大） 系統(tǒng)反應(yīng)過于遲鈍，調(diào)節(jié)時間長，余差大

8、。 KP值（ 值）適中 經(jīng)過少數(shù)幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，有一定的余差。昆明理工大學(xué)2. PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 加入積分調(diào)節(jié)的目的：縮短大偏差的調(diào)節(jié)時間，消除余差。 積分調(diào)節(jié)方法：輸出量與輸入偏差對時間的積分成正比。 對于較大的偏差，容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間過長，調(diào)節(jié)量過大而出現(xiàn)超調(diào)。因而通常與比例調(diào)節(jié)共同使用。edtTeKpip1昆明理工大學(xué)積分時間積分時間Ti的影響的影響 Ti值過小 系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，容易造成過度調(diào)節(jié)，產(chǎn)生大幅振蕩。 Ti值過大 積分作用不明顯，調(diào)節(jié)時間長，余差大。 Ti值適中 經(jīng)過少數(shù)幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，無余差。昆明理工大學(xué)3. PD調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 加入微分調(diào)節(jié)的目的：防止出現(xiàn)

9、超調(diào)現(xiàn)象。 微分調(diào)節(jié)方法：輸出量與輸入偏差對時間的微分成正比。根據(jù)被控參數(shù)變化的快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，屬超前控制。 對于固定的偏差，沒有輸出。因而不能消除余差，通常與比例調(diào)節(jié)共同使用。dtdeTeKpdp昆明理工大學(xué)微分時間微分時間TD的影響的影響 TD值過大 系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，調(diào)節(jié)時間長，余差大，有時甚至?xí)霈F(xiàn)大幅振蕩。 TD值過小 微分作用不明顯，超調(diào)量大。 TD值適中 經(jīng)過少數(shù)幾個明顯減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定。特別是對有較大滯后的系統(tǒng)作用尤為明顯。昆明理工大學(xué)4. PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 同時采用比例、積分、微分調(diào)節(jié)方法。 通過適當(dāng)調(diào)整比例常數(shù)、積分時間、微分時間等三個參數(shù)的大小，確定各種調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱

10、。 采用比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)，既能快速進(jìn)行控制，又能消除余差，對反應(yīng)較慢的系統(tǒng)也能進(jìn)行有效的控制，因而具有較好的控制性能。 PID控制方法是目前參數(shù)連續(xù)控制連續(xù)控制系統(tǒng)中普遍采用的控制方法。昆明理工大學(xué)幾種調(diào)節(jié)方法的比較幾種調(diào)節(jié)方法的比較lP調(diào)節(jié)lPI調(diào)節(jié)lPD調(diào)節(jié)lPID調(diào)節(jié)pKm dtKKmIpdtdTKKmDpp)1(dtdTdtTKmmmmDIPDIPI調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)PD調(diào)節(jié)XX0昆明理工大學(xué)5.2 模擬式模擬式PID控制器控制器一、基本構(gòu)成 比較環(huán)節(jié) 將測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較（電流、電壓、氣壓相減），產(chǎn)生偏差信號。 放大器 將偏差信號、反饋信號、載波信號疊加后進(jìn)行

11、放大。 反饋環(huán)節(jié) 將輸出信號通過一定的運算關(guān)系反饋到放大器的輸入端，以實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律。給定信號比較環(huán)節(jié)測量信號偏差放大器輸出信號反饋環(huán)節(jié)-昆明理工大學(xué)二、二、 DDZ電動控制器電動控制器1. 儀表的特點儀表的特點采用國際電工委員會（IEC）推薦的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號：420mA DC 或 15V DC，信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。高度集成化，可靠性高，維修量少。全系統(tǒng)統(tǒng)一采用24V DC電源供電，單元儀表無須單獨設(shè)置電源。功能齊全，結(jié)構(gòu)合理。具有本安（本質(zhì)安全）性能。昆明理工大學(xué)二、二、 DDZ電動控制器電動控制器2. 基本功能基本功能 控制功能 自動控制：針對偏差，按PID規(guī)律

12、自動調(diào)整輸出。 手動控制：由人工直接設(shè)定輸出值遙控執(zhí)行器。 軟手動：輸出隨時間按一定的速度增加或減小。 硬手動：瞬間直接改變輸出值。 顯示功能 輸入顯示、設(shè)定值顯示、手動給定顯示、輸出顯示、（輸出）限位報警。 調(diào)整功能 給定輸入調(diào)整： 控制參數(shù)整定：昆明理工大學(xué)無干擾切換無干擾切換 在不同的控制方式相互切換過程中，輸出參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生突變。 無干擾切換的實現(xiàn)： 在切換前，調(diào)節(jié)手動輸出參數(shù)或設(shè)定值，使輸出值與自動輸出值保持一致。昆明理工大學(xué)控制器的“正”“反”作用 控制器設(shè)有“正”“反”作用開關(guān)供選擇，以滿足控制系統(tǒng)要求。偏差定義測量值設(shè)定值（e=y-r）。正偏差：測量值大于設(shè)定值負(fù)偏差：測

13、量值小于設(shè)定值昆明理工大學(xué)正作用正作用：控制器的輸出隨正偏差的增加而增加反作用反作用：控制器的輸出隨正偏差的增加而減小若是負(fù)偏差，其控制器的輸出在“正”、“反”作用下的輸出與上述正偏差相反。昆明理工大學(xué)二、二、 DDZ電動控制器電動控制器3. 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理輸入電路 PD電路 PI 電路輸出電路軟手動電路硬手動電路顯示電路內(nèi)給定 電路給定顯示外給定值測量信號輸出信號昆明理工大學(xué)二、二、 DDZ電動控制器電動控制器4. 外形結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu) 儀表整體為長方體，伸入控制箱（盤）內(nèi)部 PID參數(shù)設(shè)定位于儀表內(nèi)部，拉開整個儀表，可用螺絲刀調(diào)整變阻器。爐溫控制昆明理工大學(xué)5.3 數(shù)字量控制器數(shù)字量控制器

14、通過A/D，D/A轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)化。 數(shù)字量控制器的基本結(jié)構(gòu)原理為：A/DAIODIOI/O模擬量信號數(shù)字量信號CPU計算電路D/AAIODIOI/O模擬量信號數(shù)字量信號昆明理工大學(xué)數(shù)字量控制器的分類數(shù)字量控制器的分類 單回路數(shù)字控制器 為適應(yīng)DDZ系列單元模式（功能、外形）而設(shè)計的簡易計算機(jī)控制系統(tǒng)。 PLC控制器 具有大量I/O接口的專用計算機(jī)系統(tǒng)，通常使用專門的編程語言。 工業(yè)控制計算機(jī) 基于高性能商用CPU的計算機(jī)系統(tǒng)，可使用多種高級語言，具有普通家用計算機(jī)的全部功能。 集散控制系統(tǒng)(DCS) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)昆明理工大學(xué)數(shù)字式控制器里處理的數(shù)字式控

15、制器里處理的PID 常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器中的PID作用，其原始算式為：式中Dv偏差TI積分時間TD微分時間Kp比例增益MvPID調(diào)節(jié)器輸出 該式為微分方程，不能直接用在數(shù)字調(diào)節(jié)器里，只能運算離散系統(tǒng)的差分方程。采用近似的辦法： t采樣一次所需間隔的時間，即采樣周期Ts， i和n為采樣序號。）（dtdDTdtDTDKMvDvIvpvPID1svvvvvTDDtDDdtdDnnnn11nivsnivviiDTtDdtD00昆明理工大學(xué)數(shù)字式控制器里處理的數(shù)字式控制器里處理的PID(2) PID式為：Mvn為第n次采樣時，控制器的輸出。 位置型算式 增量型算式 速度型算式 微分先行算式 非線性PID控制)

16、(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM昆明理工大學(xué)數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的PID算法算法 位置式PID控制算法和閥位對應(yīng)，所以下式也稱位置型PID算法。 位第n次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。)(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKMnvMnvM昆明理工大學(xué)數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法第n-1次的采樣輸出 相鄰兩次采樣的增量：或者寫為：)(2111110nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM2112nnnnnnnvvvsDvIsvvPvDDDTTDTTDDKM2112nnnnnnnvvvDvIvvPvDDDKDKDDKM式（1）昆明理工大學(xué)數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法對應(yīng)閥位的增量 或者寫為：其中2112nnnnnnnvvvDvvIvvPvPPPKSPKPPKM式（2）nvMvvvSPDn212nnnvvvPPP212nnnvvvDDD1nnvvDD11)(nnvvvvvvPPSPSPsDPDisPIIPTTKKTTKKKK微分系數(shù)積分系數(shù)比例增益優(yōu)點：1. 僅決定于最近幾次的采樣值，所需內(nèi)存容量不大，運算??；2