《控制器仪表》PPT课件.ppt

过程控制与自动化仪表,主讲教师：赵 跃,西安理工大学自动化与信息工程学院 信息与控制工程系,第三章 3.1调节器仪表,一 调节器（控制器）的概念 二 最简单的两位式调节器 三 PID控制的基本特性 四 PID算法的常见问题 五 工业标准PID调节器 六 PID控制器使用中的问题,调节器(控制器)的概念,调节器 是指把测量值和给定值进行比较，得出被调量的偏差并根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器对生产过程进行自动控制的装置。,要掌握一个调节器，首要的问题是弄清楚它具有什么样的调节规律，即它的输出量与输入量(偏差信号)之间具有什么样的函数关系。,返回,最简单的两位式调节器,例1:两位式温度控制器,两位式调节器,两位式调节器特性曲线,过程控制系统中大多数对象都 可以用下式所示的一阶加纯滞后环 节近似。,使用这种调节器时后面的执行器特别简单，例如控制电能时只需要电磁开关，控制流量时只要用通断阀便可进行调节，因此在要求不高的场合获得了广泛的应用。 显然，调节对象的滞后时间愈小，炉温的摆动幅度就愈小，但调节器动作频率将愈大，有甚至会达到不能容许的程度。,两位式调节器,实验,两位式调节器的滞回特性,为了降低开关动作频率两位式调节器都设置了不灵敏区，其控制特性如图示。使用这种两位式调节器可以使开关动作频率降低，延长执行器的寿命。,实验,滞回调节器的响应特性,缺点：过程变量会围绕期望值在一定范围内不停的震荡。 原因：两位式控制实际上是一种“断续”的控制方式，即每当误差超出上限或低于下限时控制器才会动作。而其他时刻，系统实际处于开环状态。任凭被控变量缓慢波动而不调节！ 结论：两位式调节时一种非常粗糙的调节方式，结构简单精度差。,两位式调节器的特性,两位式调节器实例,返回,PID控制的基本特性,一比例调节的动作规律 P,为调节器输出的增量值，,为被控参数与给定值之差。,纯比例调节器的阶跃响应特性,比例控制数学表达式 ：,P控制的比例带,称为比例带,比例带对系统响应的影响,比例带对系统的影响：比例带减小系统静差将减小， 震荡频率提高响应速度加快但同时超调增大稳定性降低。,比例调节动作规律分析,水位调节系统实例,已知水箱水位控制系统如图所示，假设系统处于初始无偏差状态。此时将输出水阀开度增大，试分析系统动态响应过程！,比例调节系统实例,自力式液位 比例控制系统,原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。,响应分析,比例调节动作规律分析,比例控制特点： 控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。 控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零 u = KC e,比例调节在什么情况下可以达到稳态无差？,1、KC趋于无穷大,2、使稳态误差等于0 的ussu0,实验2,3、提高系统型次,积分调节的动作规律,二积分调节的动作规律 I,积分调节规律是一种无差调节，采用积分调节可以 提高系统稳态控制精度，但是积分调节的过渡过程时间 很长而且会加剧系统的不稳定程度。,实验3,积分调节的动作规律,比例积分调节规律 PI,实验4,比例积分调节规律将比例的快速性与积分的消除静差 结合起来具有比较好的控制效果。,积分调节的动作规律,比例积分调节规律 PI,所以积分调节部分可以看作是自动的u0重置！,积分调节消除误差的原理,积分调节的动作规律,积分时间常数 的物理含义,比例积分积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。,当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。,积分控制的特点,比例积分积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。,积分调节的动作规律,积分调节存在的不足,比例积分调节规律没有利用系统输出的趋势信息，没有预测能力，导致调节效果不理想！,微分调节的动作规律,三比例微分调节的动作规律 PD,实验5,微分调节的预测能力,微分调节规律是一种有差调节不能单独使用，PD调节器能提高系统的稳定度，有效抑制过渡过程的超调，而且微分的存在允许减小比例带减小静差。但D调节不适用于变化剧烈的对象。,微分时间常数的物理含义,微分输出正比于TD时间后的预测误差！,PID调节的动作规律,四 PID调节的动作规律,实验6,PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。,PID调节器的阶跃响应特性,PID控制的特点,PID控制器 取P,I,D三者的长处，与PD相比提高了系统无差度，与PI相比系统多了一个零点可以改善系统的动态特性。因此PID兼顾了动静两方面要求，达到较完美的控制效果。,返回,2、执行器难以响应理想微分的输出,PID算法需要注意的问题,一、不完全微分算法,1、理想微分算法物理无法实现,不完全微分算法可以看作是误差信号先进行一阶惯性滤波，再进行理想微分运算。,PID算法需要注意的问题,阶跃输入下不完全微分响应曲线,微分增益,微分调节对高频噪声有放大作用，因此只适用于时间常数较大的多容过程。对流量、压力等变化剧烈的对象容易引起系统震荡。,微分突变,控制器设置微分运算的目的是为了预测偏差的变化趋势，按TD时刻后的预测误差进行调节。然而设定值改变时也会产生很强的阶跃误差干扰，会给控制系统造成很大的冲击。为了解决这个问题提出了微分先行算法！,PID算法需要注意的问题,二、微分先行算法,微分先行控制器结构,返回,PID算法需要注意的问题,三、积分饱和问题,返回,PID算法需要注意的问题,返回,实验7,积分饱和是因控制系统间歇工作或大偏差长时间得不到矫正使得调节器输出达到极值产生的。积分饱和使控制器不能及时反向动作而暂时丧失调节能力，对控制系统性能带来严重影响！,积分饱和的对策？,工业标准PID控制器,DDZ-型调节仪,模拟PID控制器原理图,比例微分运算电路,微分时间调节,比例度调节,PD传递函数,PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8打向“通”时，构成 PD电路。,因,得,推导可得 ：,推导过程 ：,PD传递函数推导,PD控制参数的物理含义,当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有：,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。,PD控制器微分切除方法,数字式PID调节仪,实验用AI-808系列调节仪介绍,(7)数据减少键 (8)数据增加键 (9)光柱（选购件）可指示测量值或输出值 (10)给定植显示窗 (11)测量值显示窗,(1)调节输出指示灯 (2)报警1指示灯 (3)报警2指示灯 (4)AUX辅助接口工作指示灯 (5)显示转换（兼参数设置进入) (6)数据移位（兼手动/自动切换）,YS-80系列PID控制器,返回,YS-80硬件结构框图,YS-80电路示意图,YS-80运算流程,YS-80功能组态,返回,PID控制器使用中的几个问题,一 内给定与外给定,在左图所示的控制系统中控制器AC和TC的给定值是确定的，它们的给定值由控制器内部产生的，属于定值控制,而控制器PC的给定值是控制器TC的输出，对PC而言给定值是外部输入的，属于随动控制,通用的标准PID控制器既可以接受外部给定有能产生内部给定信号。,内给定与外给定,由测量元件送来的被控量的测量值（4-20MA）被转换成1-5V电压信号输入到调节器，与给定值比较产生偏差信号进行PID运算。系统的给定值有两种可能的来源，对于定值控制系统设定值由PID调节器内部的基准源和电位器产生，通过调节电位器就可以改变设定值。对于随动控制系统其设定值由外部输入的标准信号产生。,正作用与反作用,二 正作用与反作用,左图所示的过热蒸汽温度控制系统与前面提到的加热炉温度控制系统都是负反馈系统但两者有很明显的不同，在过热蒸汽温度控制系统中当温度升高时需要开大阀门而在加热炉温度控制系统中需要关小阀门。,在过热蒸汽温度控制系统中偏差为负（被控量大于给定值）时要求输出增大，而加热炉温度控制系统中偏差为负时要求输出减小，也就是调节器的增益为负。 标准的PID控制器都设有正反作用开关来适应这两种情况。,正作用与反作用,DDZ-的正反作用切换电路,硬手动与软手动,在PID控制器的使用中经常需要手动操作系统，例如在测定被控对象的阶跃响应曲线时就需要断开闭环调节人为的加入阶跃干扰信号，所以通用PID调节器都有手动操作方式。,三 硬手动与软手动,手动操作分软手动与硬手动两种，所谓软手动是指调节器输出与手动输入电压成积分关系；所