矿大(北京)仪表及自动化_4(3学时)

1、第四章第四章 自动控制仪表自动控制仪表Chapter 4 Auto-control instrument 1、掌握各种基本控制规律及其特点。、掌握各种基本控制规律及其特点。 2、熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统、熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统 的影响。的影响。 3、了解、了解DDZ-III型控制器的特点和基本组成。型控制器的特点和基本组成。 5、了解、了解PLC特点与编程方法。特点与编程方法。 4、了解可编程调节器的功能与特点、了解可编程调节器的功能与特点。 1. control law and characteristic 2. The effect of proporti

2、on band, integration time, differential time to control system 3. Characteristic and basic composition of DDZ-III 5. Characteristic and programme method of PLC 4. Function and characteristic of programme regulator第一节第一节 概述概述 自动控制仪表的作用：自动控制仪表的作用：将被控变量的测量值与给定值相将被控变量的测量值与给定值相比较比较，根据比较的偏差值，根据比较的偏差值进行一定的

3、数学运算进行一定的数学运算，并将运，并将运算结果以一定的信号形式算结果以一定的信号形式送往执行器送往执行器，以代替人工进行，以代替人工进行调节操作，从而实现对控制变量的自动控制。调节操作，从而实现对控制变量的自动控制。 发展发展基地式控制仪表基地式控制仪表（检测显示控制一体化检测显示控制一体化）单元组合仪表中的控制单元单元组合仪表中的控制单元（一单元一功能一单元一功能） 以微处理器为基元的控制装置以微处理器为基元的控制装置(单回路单回路, PLC, MPC)按动力形式：按动力形式： 控制器的分类控制器的分类 classification电动电动气动气动按信号类型：按信号类型：数字式数字式模拟式

4、模拟式按结构形式：按结构形式：基地式基地式集散控制系统集散控制系统单元组合式单元组合式组装式组装式标准信号标准信号: 气动气动 20-100KPa, 电流信号电流信号: 4-20mA, 电压信号电压信号:1-5VstructureGas driveElectricity drivesignalpowerAnalogDigitalMountedUnit composedpackageDistributed control system第二节第二节 基本控制规律及其对过渡过程的影响基本控制规律及其对过渡过程的影响 控制规律的含义控制规律的含义：控制器控制器输出信号输出信号与与输入信号输入信号的关系

5、。的关系。 开环单独研究控制器的特性开环单独研究控制器的特性(控制器与系统分开控制器与系统分开)。控制器的基本规律就是控制器的基本规律就是p与与e之之间的关系间的关系(气动气动)： P=f(e)= f(z-x) 偏差信号偏差信号e=(z-x)送往执行送往执行器的信号器的信号约定约定：研究控制规律常将：研究控制规律常将 e 假定为阶跃信号。假定为阶跃信号。注意注意: 偏差在分析控制系统时，采用偏差在分析控制系统时，采用x-z, 但在分析控制规律但在分析控制规律时习惯采用时习惯采用z-x 控制器的基本规律有：控制器的基本规律有： 位式控制位式控制(双位双位) step control 比例控制比例

6、控制(P) proportion control 积分控制积分控制(I) integration control 微分控制微分控制(D) differential control P与与I与与D的组合的组合(PI, PD, PID)实际操作中要在了解各种控制规律特点及适用条件实际操作中要在了解各种控制规律特点及适用条件的基础上，根据过渡过程品质指标要求，结合对象的基础上，根据过渡过程品质指标要求，结合对象的具体特性，选取合适的控制规律。的具体特性，选取合适的控制规律。 P =一、双位控制一、双位控制 （开关控制开关控制）举例？举例？ 当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或当测量值大于给定

7、值时，控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最最小），当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大）；控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开大）；控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置。和关两个极限位置。 理想理想的双位控制中的双位控制中p p与与e e的关系的关系为：为： pmax e0 pmin e0 双位控制示例双位控制示例 理想理想双位控制器双位控制器：在理论双位控制特在理论双位控制特性下，必然引起执性下，必然引起执行器的行器的频繁动作频繁动作，使故障增多。使故障增多。某一数值后，控制机构才动作；从而某一数值后，控制机构才动作；从而大

8、大减少动作的次数。大大减少动作的次数。指标指标：振幅、周期：振幅、周期( (不采用连续控制的品不采用连续控制的品质指标质指标) )实际双位控制器：实际双位控制器：有一有一个个中间区中间区，偏差在中间，偏差在中间区时，控制机构不动作，区时，控制机构不动作，而当控制变量的测量值而当控制变量的测量值高于高于( (低于低于) )给定值给定值双位控制器特点：双位控制器特点：结构简单，易于实现。除此外，结构简单，易于实现。除此外，还有三位控制等，统称还有三位控制等，统称位式控制位式控制。电电极极继电器继电器电磁阀电磁阀二、比例控制二、比例控制 proportion control 含义含义：控制器的输出与

9、被控变量的偏差成比例。控制器的输出与被控变量的偏差成比例。 液位高于给定值时，控制阀关液位高于给定值时，控制阀关小，液位越高，阀关得越小小，液位越高，阀关得越小；液位低于给定值时，控制阀开液位低于给定值时，控制阀开大，液位越低，阀开得越大；大，液位越低，阀开得越大；相当于位式控制的位数增加到相当于位式控制的位数增加到无穷多，变成连续控制系统。无穷多，变成连续控制系统。简单的比例控制系统示意图简单的比例控制系统示意图l 控制规律：控制规律： p=Kpe Kp为放大系数为放大系数 (比例增益比例增益)，表示比例控制的强弱。表示比例控制的强弱。根据杠杆原理根据杠杆原理, p=a/b e 比例度比例度

10、 ：(表示比例控制作用的强弱表示比例控制作用的强弱） 控制器控制器输入输入变化的相对值与相应变化的相对值与相应输出输出变化相对值变化相对值的比值。的比值。%100minmaxminmaxpppxxee输入变化量；输入变化量；p响应的输出变化量；响应的输出变化量；xmax-xmin输入的最大变化量，即仪表的量程；输入的最大变化量，即仪表的量程；pmax-pmin输出的最大变化量，即控制器输出的工输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。作范围。 物理意义物理意义：控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。对应于指示刻度的百分数。 与与Kp的关

11、系的关系：对于一个具体的比例作用控制器，指示值的刻度范对于一个具体的比例作用控制器，指示值的刻度范围围xmax-xmin及输出的工作范围及输出的工作范围pmax-pmin应是一定的，应是一定的，上式表明，比例度上式表明，比例度 与放大系数与放大系数Kp成反比。成反比。%1001minmaxminmaxxxppKp比例控制系统的过渡过程比例控制系统的过渡过程： P116 图图4-7出水量出水量Q2阶跃增加阶跃增加 液位液位h下降下降 阀杆阀杆p上升上升 进水量进水量Q1增加增加 待待Q2=Q1时，达到平衡时，达到平衡 产生产生余差余差 余差余差：在比例控制中，平衡状态的控制系统在受到干在比例控制

12、中，平衡状态的控制系统在受到干扰作用后，通过过渡过程，重新达到新的平衡，此时扰作用后，通过过渡过程，重新达到新的平衡，此时控控制参数的稳定值将低于系统的给定值制参数的稳定值将低于系统的给定值，两者之间的差值，两者之间的差值为余差。为余差。 问题提出：问题提出：比例控制为何有余差？比例控制为何有余差？能消除余差吗？能消除余差吗？ 比例控制的特点比例控制的特点：优点为反应快，控制及时。缺点为存在余差，应设法降低。优点为反应快，控制及时。缺点为存在余差，应设法降低。 比例度越大，过渡过程曲线越平比例度越大，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。稳，但余差也越大。减小比例度，可以减少余差，但减小比例度，可

13、以减少余差，但使系统稳定性变差。使系统稳定性变差。比例度减小到某一数值，过渡过比例度减小到某一数值，过渡过程产生等幅振荡，此时的比例度程产生等幅振荡，此时的比例度称为称为临界比例度临界比例度 k。 比例度小于比例度小于 k时，时，Kp明显增大，明显增大，出现发散振荡。出现发散振荡。 比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响：比例度对过渡过程的影响图比例度对过渡过程的影响图 Kp=a/b 三、积分控制三、积分控制 含义含义：积分控制作用的输出变化量积分控制作用的输出变化量 p 与输入偏差与输入偏差 e 的的积分成正比。积分成正比。 积分控制器特性积分控制器特性edtKpI 当当e为常数为常数

14、A时时,则有：则有： KI称为称为积分速度积分速度。AtKpI 特点：只要存在偏差，输出信号就特点：只要存在偏差，输出信号就随时间增长；只有当偏差为零时，输随时间增长；只有当偏差为零时，输出才停止变化，故出才停止变化，故积分控制器无余差积分控制器无余差。 积分控制作用随时间积累逐渐积分控制作用随时间积累逐渐增强，故增强，故控制不及时控制不及时。 edtTeKedtKeKpIPIP1 比例积分控制公式：比例积分控制公式：若对象惯性大时，过渡时间将延长。若对象惯性大时，过渡时间将延长。常把比例与积分组合常把比例与积分组合起来，达到控制及时，消除余差的目的。起来，达到控制及时，消除余差的目的。偏差是

15、幅值为偏差是幅值为A A的阶跃干扰，则有：的阶跃干扰，则有：比例积分控制特性比例积分控制特性AtTKAKpIPp 当当t=TI时，时，输出输出2KPA， 当当 t=0时，时，输出为输出为KPA，利用此关系可利用此关系可实测实测KP和和TI 积分时间对过渡过程的影响：积分时间对过渡过程的影响： 积分时间积分时间 TI 越短，积分速度越短，积分速度 KI (KI=1/ TI) 越大，积分作用越大，积分作用越强。越强。 TI太小，稳定性变差。太小，稳定性变差。积分时间为积分时间为，变为纯比例变为纯比例作用。作用。比例积分控制器对多数系比例积分控制器对多数系统都可采用，比例度和积统都可采用，比例度和积

16、分时间均可调整。分时间均可调整。 四、微分控制四、微分控制 含义：含义：对惯性较大的对象，常根据被控变量变化的快对惯性较大的对象，常根据被控变量变化的快慢程度来调整。人工操作时，虽然偏差较小，但看到参慢程度来调整。人工操作时，虽然偏差较小，但看到参数变化很快，估计马上会有更大的误差，此时会通过过数变化很快，估计马上会有更大的误差，此时会通过过分调节的方法，来克服干扰的影响。而在自动控制时，分调节的方法，来克服干扰的影响。而在自动控制时，这种这种按照偏差变化速度进行的控制按照偏差变化速度进行的控制为为微分控制微分控制。微分特性图微分特性图 dtdeTpD微分时间微分时间偏差信号变化速率偏差信号变

17、化速率 特点特点：微分控制，即使偏差很小，只要出现变化趋势，微分控制，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上进行控制，故有马上进行控制，故有超前控制超前控制的优点的优点；但其输出不反映；但其输出不反映偏差的大小。若偏差固定，即使数值很大，微分作用也偏差的大小。若偏差固定，即使数值很大，微分作用也无输出，控制结果不能消除偏差。因此无输出，控制结果不能消除偏差。因此微分控制不能微分控制不能单独使用单独使用，常组成，常组成PD控制或控制或PID控制。控制。 dtdeTeKpDP比例微分控制器特性比例微分控制器特性 比例微分控制规律比例微分控制规律PD曲线：曲线：偏差出现的瞬间，偏差出现的瞬间，调节器输

18、出一个很大的阶跃信号，调节器输出一个很大的阶跃信号，然后按指数下降，最后微分作用然后按指数下降，最后微分作用完全消失，变成纯比例调节。完全消失，变成纯比例调节。适用：适用：对惯性大的对象用对惯性大的对象用PD控制可以改善控制质控制可以改善控制质量，减少最大偏差，节省控制时间。量，减少最大偏差，节省控制时间。 微分作用的强弱由微分作用的强弱由微分时间常数微分时间常数 TD 来调节。来调节。TD对过渡过程的影响对过渡过程的影响微分作用力图阻止被控变微分作用力图阻止被控变量的变化，有抑制振荡的效量的变化，有抑制振荡的效果；果；但如果加的过大，由于控但如果加的过大，由于控制作用过强，反而会引起被制作用

19、过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡。控变量大幅度的振荡。 PID控制规律控制规律：当有阶跃信号输入时，输出为比例、当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出的和；这种方法既能快速控积分和微分三部分输出的和；这种方法既能快速控制，又能消除余差。制，又能消除余差。dtdeTedtTeKpDIP1PID控制作用及特性对比控制作用及特性对比 含义含义：控制器的输入与输出信号及内部传送信号均为控制器的输入与输出信号及内部传送信号均为连续的模拟信号。连续的模拟信号。 第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器 控制器基本构成控制器基本构成一、基本构成原理及部件一、基本构成原理及部件比较环节：比较环

20、节：比较电流或电压信号，产生偏差；比较电流或电压信号，产生偏差；放大器：按一定放大器：按一定比例放大；比例放大；反馈环节组成：反馈环节组成：回馈输出信号；回馈输出信号；12345667 DDZIII型调节器正面图型调节器正面图1位号牌位号牌; 2内外给定指示内外给定指示; 3内给定设定拨盘内给定设定拨盘; 4-A/M/H切换切换 ;5阀位表阀位表; 6软手动操作扳键软手动操作扳键;7双针全刻度指示表双针全刻度指示表; 二、二、DDZ-型电动控制器型电动控制器（特点、组成、操作特点、组成、操作）1、DDZ-型仪表的特点1) 采用国际标准信号，现场传输采用国际标准信号，现场传输4 4 2020mA

21、mA DCDC, ,控制室联控制室联络信号为络信号为1 1 5 5VDCVDC；电流电流电压转换电阻电压转换电阻250250欧欧。两线制两线制。2) 采用采用集成电路集成电路，可靠性好，维修量小。，可靠性好，维修量小。3) 仪表由电源箱供电仪表由电源箱供电2424VDCVDC，蓄电池备用。蓄电池备用。4) 结构合理，大表头醒目，硬手动与软手动，自动与手结构合理，大表头醒目，硬手动与软手动，自动与手动无平衡、无扰动；可单独安装与高密度安装；设有内动无平衡、无扰动；可单独安装与高密度安装；设有内给定与外给定；给定与外给定；5) 安全防爆。安全防爆。 2、DDZ-型电动执行器的组成与操作 类型：类型

22、：型控制器有全刻度与偏差指示两品种。型控制器有全刻度与偏差指示两品种。 基型控制器基型控制器；特殊控制器特殊控制器，如断续控制器，自整，如断续控制器，自整 定控制器，前馈控制器，非线性控制器等。定控制器，前馈控制器，非线性控制器等。 基型控制器组成：基型控制器组成：输入电路，给定电路，输入电路，给定电路，PIDPID运算电路，运算电路，自动与手动切换电路，输出电路与指示电路。自动与手动切换电路，输出电路与指示电路。测量测量信号信号DTL-311-型调节器型调节器全刻度指示调节器面板全刻度指示调节器面板硬手动硬手动自动自动软手动软手动1自动自动-软手动软手动-硬手动切换开关；硬手动切换开关；2双

23、针垂直指示器；双针垂直指示器；3内给定设定轮；内给定设定轮；4输出指示器；输出指示器；5硬手动操作杆；硬手动操作杆；6软手动操作按键；软手动操作按键；7外给定指示灯；外给定指示灯；8阀位指示器；阀位指示器；9输出记录指示；输出记录指示；10位号牌；位号牌；11输入检测插孔；输入检测插孔；12手动输出插孔手动输出插孔双向无平衡双向无平衡无扰动无扰动手自手自转换转换双向无平衡双向无平衡无扰动无扰动 一、一、数字式控制器的主要特点数字式控制器的主要特点 第四节第四节 数字式控制器数字式控制器含义含义：控制器的外部信号为模拟信号，而内部信号为数字控制器的外部信号为模拟信号，而内部信号为数字信号，其中存

24、在信号，其中存在A/DA/D与与 D/A D/A转换。转换。常被称为常被称为单回路数字控单回路数字控制器制器。 实现了模拟仪表与计算机一体化；实现了模拟仪表与计算机一体化； 具有丰富的运算控制功能；具有丰富的运算控制功能； 使用灵活方便，通用性强；使用灵活方便，通用性强； 具有通讯功能，便于系统扩展；具有通讯功能，便于系统扩展； 可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 （硬件、软件）；（硬件、软件）； 二二、数字、数字式式控制器控制器的基本构成的基本构成1 1、数字式控制器的硬件电路、数字式控制器的硬件电路 2 2、数字式控制器的软件、数字式控制器的软件 系统程序系统程序(监控程序，功能模块监控

25、程序，功能模块)；用户程序。；用户程序。 二、二、KMM型可编程序调节器型可编程序调节器 I/O：五五个个 AI(15V)，四个四个 DI ；(A I/O, D I/O) 三个三个AO(15V,420mA)，三个三个 DO。 功能：功能：PID运算功能，并增加几个辅助功能（运算功能，并增加几个辅助功能（加，减，加，减，乘，除，开方，高低值选择，逻辑运算等乘，除，开方，高低值选择，逻辑运算等），可用于简），可用于简单控制与复杂的串级控制。单控制与复杂的串级控制。 控制精度高，方便灵活；控制精度高，方便灵活； 自诊断功能强；自诊断功能强； 可与计算机联用，能直接接收上位机的设定信号值。可与计算机联

26、用，能直接接收上位机的设定信号值。1 批示灯批示灯, 上下限报警上下限报警2 后备手操指示灯后备手操指示灯3 通讯指示灯通讯指示灯4 外部联锁指示灯外部联锁指示灯,按下按下R,返回手动返回手动10: PV仪表上的测量值仪表上的测量值 11：SV仪表上的给定值仪表上的给定值13：正常值备忘指针：正常值备忘指针5：C 串级运行方式串级运行方式9 12：输出设定按钮及指针：输出设定按钮及指针8：给定值设定按钮：给定值设定按钮PID参数设定在表的内侧参数设定在表的内侧. 一一、概述概述二二、PLC 的的基本基本组成组成三、三、PLC的编程语言的编程语言四、四、OMRON C系列系列PLC五、应用实例五、应用实例 第第五五节节 可编程序可编程序控制器控制器一一、概述概述 PLC：Programmable Logic Controller。 最初用于顺序控制最初用于顺序控制； 目前可广泛用于各种控制系统。目前可广泛用于各种控制系统。 PLC