自动控制仪表

自动控制仪表第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一第一节概述构成自动控制系统的仪表称为过程控制仪表。主要包括变送器、控制器和执行器。还包括很多种辅助仪表。ezxP第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一给定值（x）：工艺要求的量值。测量值（z）:被控变量实际值。偏差（e）:测量值与给定值之差（e=z-x

)。正偏差：e>x时。负偏差：e<x时。操纵值（P）：控制器的输出信号。

自动控制仪表第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一正作用控制器：正偏差时，控制器的输出增大变化。反作用控制器：负偏差时，控制器的输出增大变化。一般用操纵值的变化量描述控制规律。

自动控制仪表第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一稳态(静态)时：我们关心的是ΔP如何变化，ΔP的大小和方向由控制规律所决定。

自动控制仪表epzx当

>Q00时，控制阀如何控制?第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一控制规律的研究内容:当z≠x时，P有一个变化量△P，使执行器产生控制作用，z→x。即：△P是用来克服偏差的，则控制规律研究的是△P与e之间随时间变化的关系。控制规律有自适应、预估、模糊控制算法、PID算法等。最常用的控制规律是PID算法，它由基本控制规律P、I、D组成P、PI、PD、PID，统称PID。

自动控制仪表第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一一、双位控制1、双位控制规律

Pmaxe＞0（e＜0）PPmine＜0（e＞0）2、举例

液位电磁线圈阀门进料液位

H＞H0

通电关闭切断进料

H→H0

H＜H0

断电打开进料

H→H0

第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一中间区：被控变量有一定的变化范围第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一3、品质指标：振幅周期原则：使振荡幅值在允许的范围内，尽可能的使周期延长。

4、特点：结构简单、成本低、易实现第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一1、比例控制规律（P）

e

Pzx

自动控制仪表二、比例控制第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一ab

比例控制系统示意图举例：如图是一液位控制系统。当液位下降时，浮球跟随下降，

P

e

自动控制仪表e第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一KP—比例增益;（放大倍数）杠杆就是控制器，p是控制器的输出。e是控制器的输入。epab

e

PZx所以

自动控制仪表因此，第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一定义：比例控制规律的输出变化量与输入偏差e成正比。

ett△Pt0Ct0KpC

自动控制仪表第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一比例度就是指控制器输入的相对值与相应的输出的相对变化值之比的百分数。用式子表示：由于比例增益KP是有量纲的量，在工程上常将其转换成一个无量纲的量：比例度2、比例度

自动控制仪表第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一e:输入的最大变化量，即仪表的量程。P:输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。

自动控制仪表第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一对于控制器采用标准信号时：P变化范围=e变化范围所以（强）故：（对于单元组合仪表：K=1）第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一例题:

一Ⅲ型比例控制器温度刻度范围是100—200

℃控制器的输出工作范围是4—20mA。当指示值从140℃变化到160℃时控制器的输出从8mA变化到16mA。比例度是多少？=40%当测量温度变化了全量程的40%时，控制器的输出从4mA—20mA。在这个范围内，温度的变化与控制器的输出P是成比例的。

自动控制仪表第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一ΔPminΔPmaxΔe%0%100%也可以说比例度就是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了输入量程的百分数。40%

自动控制仪表第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一050%100%e%PmaxPminPmax-Pmin2比例度示意图2、控制器比例度与输入、输出的关系

=200%

=100%

=50%

自动控制仪表第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一eP3、比例控制作用的特性1)静态特性：

控制结束后有余差。（即测量值不等于给定值）2)动态特性：

控制及时，无滞后。teCt0tPt0KpC

自动控制仪表第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一4、特点：

2)动作迅速，作用及时。

适用于滞后小，负荷变化不大，无余差要求的场合。3)最终稳定时，△P=0

P=KPe，

e(∞)≠0，即存在余差。

KP↑→余差C↓，但KP过大，系统易发生震荡而不稳定。

自动控制仪表1)KP↑(↓)→△P↑，即：比例作用越强。

如：中间储罐液位，精馏塔塔釜液位等。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一5、比例度对过渡过程的影响6、生产过程常用比例度范围

自动控制仪表第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一三、积分控制TI—积分时间。e（mA）t02t0ΔP（mA）Ti1Ti2Ti3Ti1<Ti2<Ti3

自动控制仪表1、积分(I)控制规律第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2、求积分时间TI：由上式可看出当输出∆P=e时，积分时间TI=t。t0e（mA）20t∆P（mA）TI2

自动控制仪表第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一

3)

TI↑→积分作用↓，TI→∞，积分作用为零。2)动作缓慢控制不及时,一般不单独采用。

1)△P与e的积分成比例,有e

存在,输出就会变化,直到

e=0,P才稳定,故可消除余差。

3、特点：被控对象积分时间（分钟）压力

0.4—3流量

0.1—1温度

3—104)生产过程中常用的积分时间。te（mA）020t∆P（mA）2t1t1

自动控制仪表第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一4、积分时间对过渡过程的影响：

自动控制仪表第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一et5、比例积分（PI）规律

当e为阶跃偏差作用时：

积分作能消除余差，但有滞后。一般与比例作规律组合。+∆Pt积分=∆PtPI∆Pt比例

自动控制仪表第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一积分时间：在阶跃偏差作用下，积分作用的输出达到比例作用的输出所经历的时间。当e为阶跃偏差作用时：

1）求积分时间：当比例输出等于积分输出时：t0e(mA)2t0ΔP(mA)KPeKPeTi

自动控制仪表第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一1）P动作快,I消除余差。用于要求无余差的系统。

6、特点：适用于滞后小,负荷变化不大,不允许有余差要求的场合。如：压力、流量等控制系统,不允许有余差的液位控制等。3）TI↓→积分作用↑→系统稳定性↓。

对过渡滞后较大的对象，采用PI控制过渡过程时间较长，最大偏差加大，虽最终可消除偏差，但调节质量较差，一般可加入微分控制。2）当Ti→∞时,积分作用趋于零,PI→P，即比例积分变成纯比例控制规律。

自动控制仪表第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一1、微分(D)控制规律当e=常数，阶跃偏差作用下，TD

—微分时间常数；de/dt—偏差变化速度。e(mA)t0t02t0P(mA)t0“∞”“0”四、微分控制第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期一当输入偏差不随时间变化时微分作用很快降到零，不能反映偏差大小。不能单独使用t=t0，de/dt→∞，ΔP→∞t>t0，de/dt=0，ΔP=0TD↑微分作用↑TD↓微分作用↓

第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2、实际微分规律实际微分规律是由两部分组成：比例和近似微分。+t0t比例A△P=△Pt0（KDA）t微分△P63.2%tPDTD/KD100%Atet0A比例度=100%（KP=1）第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期一3、积分时间对过渡过程的影响第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期一4、特点：1）TD↑→微分作用↑2）若有偏差且可能很大，但e=常数，de/dt=0，

则ΔP=0，不能克服静偏差，有余差，但比纯比例控制要小；

3）具有超前控制的作用。适用于温度、成分等容量滞后的对象，不适用纯滞后对象。第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期一2t0

e(mA)ΔP(mA)t02五、比例积分微分控制规律(PID)理想：

实际：第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期一特点：

1.集P、I、D三者之优点，克服其不足；

2.实际系统并非PID是最好，应根据具体情况进行选择。

常用的控制规律：P

PI

PID

正反作用：e=Z-X正作用控制器：正偏差越大，则调节器输出越大；测量值越大，反作用控制器：负偏差越大，则调节器输出越大。测量值越小，第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期一例1、实验测得标准信号为4—20mA电动调节器的

阶跃响应曲线，如图所示。

问：①该控制器的控制规律？②控制器的比例度、积分时间、微分时间？解：①该控制器为PI控制规律答：控制器的比例度为200%、积分时间为2分、微分时间为0第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期一解：∵

又∵测量值减少时，控制器输出减少，∴是正作用方向。答:控制器的实际比例度为100%，控制器是正作用方向。例2、当DDZ—Ⅲ型电动控制器的测量指针由50％变化到

25％，若控制器的纯比例输出信号由12mA下降到

8mA，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制器的作用方向。第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期一

各种常见控制器的特性及选用参考表控制器名称

控制作用

控制质量适用对象特性

适用系统纯滞后负荷变化时间常数比例控制器控制作用与偏差大小成例。控制速度快而稳定，但有余差。小小较大液位比例积分控制器控制作用与偏差大、小；与偏差对时间的积分成比例。控制迅速，无余差。但积分作用太强（Ti小），使系统震荡。中等小稍大大中小液位压力流量比例微分控制器不但与偏差大小成比例，还与偏差的变化速度成比例。控制迅速，超调量小，有余差，微分作用太强，系统震荡不定。中较大小大要求不高温度比例积分微分控制器与偏差大小偏差对时间的积分，偏差的变化速度成例。控制迅速，无余差，超调量小，控制时间短，控制质量高。大中小大中小大中小温度第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期一第六章控制器控制规律是通过控制器来实现的。控制