第5章 自动控制仪表

1、昆明理工大学昆明理工大学杨彪杨彪20102011学年下学年下化工仪表及自动化化工仪表及自动化Measurement &Process control Technology第五章第五章 控制器控制器中医学院中医学院昆明理工大学知识结构知识结构第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表第第6章章 执行器执行器第第2章章 过程特性过程特性第第3章章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第第4章章 显示仪表显示仪表第第1章自动控制系统基本概念章自动控制系统基本概念第第7章章 简单控制系统简单控制系统 第第8章章 复杂控制系统复杂控制系统第第9章章 新型控制系统新型控制系统第第10章章 计算机控制系统计算

2、机控制系统昆明理工大学1 控制器概述自动控制仪表自动控制仪表昆明理工大学 控制器在控制系统中处于重要地位：根据偏差按照一定的控制规律进行运算根据偏差按照一定的控制规律进行运算，将输出作用于操纵变量，使过程输出（被控变量）稳定在期望的数值。种类很多： 常规控制器 以微处理器为基础的控制器昆明理工大学按照工作能源工作能源： 气动 电动按照信号形式信号形式：模拟式数字式按照结构形式结构形式：基地式单元组合组装式集散控制系统昆明理工大学第第5章章 (调节调节)控制器控制器(调节调节)控制器的功能：控制器的功能： 将来自变送器（转换器）的测量信号与给定信号相比较，并对由此产生的偏差进行比例、积分或微分处

3、理后，输出调节信号控制执行器动作，以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动调节作用。昆明理工大学5.1 基本控制规律基本控制规律 控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。 按控制目标分类： 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态； 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差值）连续调整输出（控制参数）。昆明理工大学一、限位控制一、限位控制 控制规律 AB断开，低位，开启阀门； AC导通，高位，关闭阀门。控导通导通ACpABppminmaxl控制结果：将液位限制在BC之间。ABC昆明理工大学限位控制的过渡曲线限位控制的过渡曲线ptytyHyL昆明理工大学限位控制器电路

4、举例限位控制器电路举例24V DC0ABC控ABCAB断开阀门开启 ； AC接通阀门关闭CB电磁阀昆明理工大学二、连续控制二、连续控制PID控制控制 根据测量值与设定值差异的大小连续调整输出量的大小。 分类： P控制比例控制 PI控制比例积分控制 PD控制比例微分控制 PID控制比例微分积分控制昆明理工大学2 控制器的基本控制规律昆明理工大学控制器的输入： 输出： 控制器的控制规律就是u(t)与e(t)之间的关系，是在人工经验的基础上总结并发展的。 控制器的基本控制规律有：比例、积分和微分，此外还有如继电器特性的位式控制规律等。) t ( u) t ( r) t ( y) t ( e昆明理工大

5、学图71 反应器的温度控制昆明理工大学人工操作过程分析以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度：85度，轻微放热反应 操纵变量：蒸汽流量 被控变量：反应温度 干扰：蒸汽压力、进料流量等昆明理工大学人工操作（1）：开关控制u 若温度低于85度，蒸汽阀门全开u 若温度高于85度，蒸汽阀门全关现象现象：温度持续波动，过程处于振荡中。结果结果：双位控制规律控制品质差，满足不了生产要求。昆明理工大学u 温度为85度，蒸汽阀门开度是3圈u 若温度高于85度，每高5度就关一圈阀门u 若温度低于85度，每低5度就开一圈阀门即开启圈数相应控制规律可写为：u(0)：偏差为0时控制器输出Kc：控制器比例放大倍数人工操作（2

6、）：比例控制)y(85513)t ( eK)(u)t (uc0昆明理工大学现象：温度控制得比较平稳结果：控制品质有一定改善，但负荷变化时，会有余差。如工况有变动，当阀门开3圈时，温度不再保持在85度。昆明理工大学人工操作（3）：增加积分作用首先按照比例控制操作，然后不断观察u 若温度低于85度，慢慢地持续开大阀门u 若温度高于85度，慢慢地持续开小阀门直到温度回到85度即控制器输出变化的速度与偏差成正比：tIIdt)t(eK)(u)t(u)t(eKdt)t(du00昆明理工大学KI：积分控制作用放大倍数现象：只要有偏差，控制器输出就不断变化。结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余差。昆明理

7、工大学人工操作（4）：增加微分作用 由于温度过程容量滞后大，当出现偏差时，其数值已经较大，因此，补充经验：根据偏差变化的速度来开启阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及时。dt)t (deT)t (uD昆明理工大学1. P调节调节 输出量与被控变量的差值成正比。P= KP e 放大倍数KP：输出量与被控变量的差值的比例系数。 比例度：控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。放大倍数KP与比例度成反比昆明理工大学KP（ ）值的影响）值的影响 KP值过大（ 值过小） 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。 KP值过小（ 值过大） 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大

8、。 KP值（ 值）适中 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。昆明理工大学2. PI调节调节 加入积分调节的目的：缩短大偏差的调节时间，消除余差。 积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的积分成正比。 对于较大的偏差，容易导致调节时间过长，调节量过大而出现超调。因而通常与比例调节共同使用。edtTeKpip1昆明理工大学积分时间积分时间Ti的影响的影响 Ti值过小 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。 Ti值过大 积分作用不明显，调节时间长，余差大。 Ti值适中 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。昆明理工大学3. PD调节调节 加入微分调节的目的：防止出现

9、超调现象。 微分调节方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。 对于固定的偏差，没有输出。因而不能消除余差，通常与比例调节共同使用。dtdeTeKpdp昆明理工大学微分时间微分时间TD的影响的影响 TD值过大 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。 TD值过小 微分作用不明显，超调量大。 TD值适中 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。昆明理工大学4. PID调节调节 同时采用比例、积分、微分调节方法。 通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱

10、。 采用比例积分微分（PID）调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。 PID控制方法是目前参数连续控制连续控制系统中普遍采用的控制方法。昆明理工大学几种调节方法的比较几种调节方法的比较lP调节lPI调节lPD调节lPID调节pKm dtKKmIpdtdTKKmDpp)1(dtdTdtTKmmmmDIPDIPI调节P调节PI调节PID调节PD调节XX0昆明理工大学5.2 模拟式模拟式PID控制器控制器一、基本构成 比较环节 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏差信号。 放大器 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行

11、放大。 反馈环节 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。给定信号比较环节测量信号偏差放大器输出信号反馈环节-昆明理工大学二、二、 DDZ电动控制器电动控制器1. 仪表的特点仪表的特点采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号：420mA DC 或 15V DC，信号电流与电压的转换电阻为250。高度集成化，可靠性高，维修量少。全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。功能齐全，结构合理。具有本安（本质安全）性能。昆明理工大学二、二、 DDZ电动控制器电动控制器2. 基本功能基本功能 控制功能 自动控制：针对偏差，按PID规律

12、自动调整输出。 手动控制：由人工直接设定输出值遥控执行器。 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 硬手动：瞬间直接改变输出值。 显示功能 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。 调整功能 给定输入调整： 控制参数整定：昆明理工大学无干扰切换无干扰切换 在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。 无干扰切换的实现： 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。昆明理工大学控制器的“正”“反”作用 控制器设有“正”“反”作用开关供选择，以满足控制系统要求。偏差定义测量值设定值（e=y-r）。正偏差：测量值大于设定值负偏差：测

13、量值小于设定值昆明理工大学正作用正作用：控制器的输出随正偏差的增加而增加反作用反作用：控制器的输出随正偏差的增加而减小若是负偏差，其控制器的输出在“正”、“反”作用下的输出与上述正偏差相反。昆明理工大学二、二、 DDZ电动控制器电动控制器3. 结构原理结构原理输入电路 PD电路 PI 电路输出电路软手动电路硬手动电路显示电路内给定 电路给定显示外给定值测量信号输出信号昆明理工大学二、二、 DDZ电动控制器电动控制器4. 外形结构外形结构 仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部 PID参数设定位于仪表内部，拉开整个仪表，可用螺丝刀调整变阻器。炉温控制昆明理工大学5.3 数字量控制器数字量控制器

14、通过A/D，D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。 数字量控制器的基本结构原理为：A/DAIODIOI/O模拟量信号数字量信号CPU计算电路D/AAIODIOI/O模拟量信号数字量信号昆明理工大学数字量控制器的分类数字量控制器的分类 单回路数字控制器 为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简易计算机控制系统。 PLC控制器 具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门的编程语言。 工业控制计算机 基于高性能商用CPU的计算机系统，可使用多种高级语言，具有普通家用计算机的全部功能。 集散控制系统(DCS) 现场总线控制系统(FCS)昆明理工大学数字式控制器里处理的数字式控

15、制器里处理的PID 常规模拟调节器中的PID作用，其原始算式为：式中Dv偏差TI积分时间TD微分时间Kp比例增益MvPID调节器输出 该式为微分方程，不能直接用在数字调节器里，只能运算离散系统的差分方程。采用近似的办法： t采样一次所需间隔的时间，即采样周期Ts， i和n为采样序号。）（dtdDTdtDTDKMvDvIvpvPID1svvvvvTDDtDDdtdDnnnn11nivsnivviiDTtDdtD00昆明理工大学数字式控制器里处理的数字式控制器里处理的PID(2) PID式为：Mvn为第n次采样时，控制器的输出。 位置型算式 增量型算式 速度型算式 微分先行算式 非线性PID控制)

16、(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM昆明理工大学数字控制器的数字控制器的PID算法算法 位置式PID控制算法和阀位对应，所以下式也称位置型PID算法。 位第n次采样时调节器的输出。)(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKMnvMnvM昆明理工大学数字控制器的数字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法第n-1次的采样输出 相邻两次采样的增量：或者写为：)(2111110nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM2112nnnnnnnvvvsDvIsvvPvDDDTTDTTDDKM2112nnnnnnnvvvDvIvvPvDDDKDKDDKM式（1）昆明理工大学数字控制器的数字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法对应阀位的增量 或者写为：其中2112nnnnnnnvvvDvvIvvPvPPPKSPKPPKM式（2）nvMvvvSPDn212nnnvvvPPP212nnnvvvDDD1nnvvDD11)(nnvvvvvvPPSPSPsDPDisPIIPTTKKTTKKKK微分系数积分系数比例增益优点：1. 仅决定于最近几次的采样值，所需内存容量不大，运算小；2