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1、第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表第一节第一节 概述概述第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡基本控制规律及其对系统过渡 过程的影响过程的影响第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器第四节第四节 数字式控制器数字式控制器第一节第一节 概述概述 偏差信号偏差信号e:给定值与测量信号之差给定值与测量信号之差 (Z-X)测量信号测量信号Z:代表被控变量大小的信号代表被控变量大小的信号给定值给定值X:代表规定值之大小的信号代表规定值之大小的信号 控制信号控制信号p:控制器的输出信号控制器的输出信号控制规律控制规律:第二节第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响基本控制规律及其对系统过渡过程的影
2、响 基本控制规律：基本控制规律：位式控制位式控制 比例控制比例控制 积分控制积分控制 微分控制微分控制 一、双位控制一、双位控制 1.1.理想双位控制规律理想双位控制规律 pmax e0 （e0）p=pmin e0 （e0）eppmaxpmin理想双位控制规律理想双位控制规律 2.2.实例实例 液位液位 电磁线圈电磁线圈 阀门阀门 进料进料 液位液位 HH0 通电通电 关闭关闭 切断进料切断进料 HH0 HH0 断电断电 打开打开 进料进料 HH0 中间区：中间区：被控变量有一定被控变量有一定 的变化范围的变化范围 3.3.品质指标：振幅品质指标：振幅 周期周期 原则：原则：使振幅在允许的范围
3、内，尽可能的使周期延长使振幅在允许的范围内，尽可能的使周期延长 4.4.特点：结构简单、成本低、易实现特点：结构简单、成本低、易实现 二、比例控制二、比例控制 1.1.比例控制规律及比例度比例控制规律及比例度 控制规律控制规律 测量元件测量元件浮球浮球控制器控制器杠杆杠杆执行器执行器调节阀调节阀ab 比例控制系统示意图比例控制系统示意图p ee液位控制系统液位控制系统放大倍数放大倍数KP 控制作用控制作用KP 控制作用控制作用epab比例控制规律的比例控制规律的输出变化量与输入偏差输出变化量与输入偏差e成正比。成正比。比例度使控制器输出变化全范围时比例度使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变输
4、入偏差改变了满量程的百分数。了满量程的百分数。比例度比例度 由于比例增益由于比例增益Kp是有量纲的量，在工程上常将其转换是有量纲的量，在工程上常将其转换成一个无量纲的量：成一个无量纲的量：比例度比例度例如：例如：一台电动比例控制器，输入信号的变化范围为一台电动比例控制器，输入信号的变化范围为100200，输出信号的变化范围为，输出信号的变化范围为420mA，当，当输入变量从输入变量从140变化到变化到160时，控制器输出信号从时，控制器输出信号从12mA16mA，问该控制器的比例度？，问该控制器的比例度？解：解：当测量温度变化了全量程的当测量温度变化了全量程的80%时，控制器的输出时，控制器的
5、输出从从4mA20mA。在这个范围内，控制器的输出。在这个范围内，控制器的输出p与温与温度的变化是成比例的。度的变化是成比例的。pminpmaxe%0%100%0%80%050%100%e%PmaxPminPmax-Pmin2比例度示意图比例度示意图 =200%=100%=50%对于单元组合仪表：对于单元组合仪表：K=1 d d KP 控制作用控制作用 d d KP 控制作用控制作用 比例控制系统的过渡过程比例控制系统的过渡过程 Q2 Q2 Q1h Q1 Q1=Q2 余差余差比例度对过渡过程的影响比例度对过渡过程的影响 ab 比例控制系统示意图比例控制系统示意图使系统出现等幅振荡时的使系统出现
6、等幅振荡时的d d，称为临界比例度。称为临界比例度。t t T K t t T K 优、缺点优、缺点优点：优点：控制及时，简单、可靠控制及时，简单、可靠缺点：缺点：余差存在余差存在三三.积分控制积分控制1.1.积分控制规律积分控制规律 KI 积分速度积分速度TI 积分时间积分时间e（mA）t0At0p（mA）TI1TI2TI3TI1TI2t0，de/dt=0，p=0特点：特点：不管有无输入和它的数值如何，只要输入不改变，不管有无输入和它的数值如何，只要输入不改变，微分作用的输出总是零。微分作用的输出总是零。不能消除偏差，不能消除偏差，不能单独使用。不能单独使用。2.2.实际的微分控制规律实际的
7、微分控制规律 KD微分增益微分增益 ptA3.3.比例微分控制规律比例微分控制规律 理想：理想：实际：实际：TD 微分作用微分作用 TD 微分作用微分作用 4.4.比例积分微分（比例积分微分（PID）控制）控制 理想：理想：t t0p(mA)t t0 0“”实际：实际：p(mA)t0A常用的控制规律：常用的控制规律：P PI PID 特点：特点：集集P、I、D三者之优点，三者之优点，克服其不足；克服其不足；实际系统并非实际系统并非PIDPID是最好，是最好，应根据具体情况进行选择。应根据具体情况进行选择。控制规律是通过控制器来实现的。控制器有控制规律是通过控制器来实现的。控制器有模拟控制模拟控
8、制器、数字控制器、器、数字控制器、PLC、DCS、FCS等形式，无论何等形式，无论何种控制器，它们均具有一些相同的基本功能。种控制器，它们均具有一些相同的基本功能。控制器控制器控制器的基本功能：控制器的基本功能：1.1.控制运算：控制运算：常规常规PID、自整定、自整定PID、自适应等。、自适应等。2.2.显示功能：显示功能：偏差、输出、测量值、给定值以及编程偏差、输出、测量值、给定值以及编程 参数等。参数等。外给定外给定:来自外部输入，一般用于复杂控制系统。来自外部输入，一般用于复杂控制系统。3.3.内外给定信号：内外给定信号：内给定内给定:来自仪表内部设置，一般用于定值简单控制来自仪表内部
9、设置，一般用于定值简单控制 系统；系统；4.4.控制器的正、反作用选择控制器的正、反作用选择（实现控制系统的闭环负反馈）（实现控制系统的闭环负反馈）e=Z-X正作用：正作用：正偏差越大，正偏差越大，测量值越大，测量值越大，反作用：反作用：负偏差越大，负偏差越大，测量值越小，测量值越小，则控制器输出越大；则控制器输出越大；则控制器输出越大。则控制器输出越大。5.5.手动手动/自动切换与手动操作自动切换与手动操作 自动：自动：控制器的输出信号控制器的输出信号Mv根据控制规律随偏差根据控制规律随偏差Dv 变化而变；变化而变；手动：手动：控制器的输出信号控制器的输出信号Mv与与偏差偏差Dv无关，这时无
10、关，这时 控制规律无效；控制规律无效；直接由手操纵直接由手操纵Mv，类似于直接用手调节阀门。，类似于直接用手调节阀门。无扰动切换：无扰动切换：控制器的输出不能由于切换而发生变化。控制器的输出不能由于切换而发生变化。解：解：又又 测量值减少时，控制器输出减少，测量值减少时，控制器输出减少，是正作用方向是正作用方向 答答:控制器的实际比例度为控制器的实际比例度为100%100%，控制器是正作用方向。，控制器是正作用方向。例例1 1、当当智能单元型智能单元型电动控制器的测量指针由电动控制器的测量指针由5050变化变化到到2525，若控制器的纯比例输出信号由，若控制器的纯比例输出信号由12mA下降到下
11、降到8mA，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制器，则控制器的实际比例度为多少？并指出控制器的作用方向。的作用方向。例例2 2、实验测得标准信号为实验测得标准信号为420mA电动控制器的阶跃响电动控制器的阶跃响 应曲线，如图所示。应曲线，如图所示。问：问：该控制器的控制规律？该控制器的控制规律？控制器的比例度、积分时间、微分时间？控制器的比例度、积分时间、微分时间？解解:该控制器为该控制器为PI控制规律控制规律 答：控制器的比例度为答：控制器的比例度为200%200%、积分时间为、积分时间为2 2分、分、微分时间为微分时间为0 0 有一比例积分调节器（智能单元型），测量值与有一比例积分调节器
12、（智能单元型），测量值与给定值均为给定值均为12mA，若将比例度定在，若将比例度定在5050，积分时间定，积分时间定在最大，调节器的作用方向定在反作用位置，则当测在最大，调节器的作用方向定在反作用位置，则当测量值由量值由12mA 变化到变化到13mA时，时，p将由将由12mA变化到什么变化到什么数值？当积分时间不是定在最大时，则情况又会如何数值？当积分时间不是定在最大时，则情况又会如何？作业作业:又又 控制器的作用方向定在反作用位置。控制器的作用方向定在反作用位置。测量值增加，输出将减少。测量值增加，输出将减少。答答:p将由将由12mA变化到变化到10mA。解：解：当积分时间不是定在最大时，当积分时间不是定在最大时，p将一直减小下去，将一直减小下去，直到最小值。直到最小值。某台智能单元型比例积分调节器，比例度为某台智能单元型比例积分调节器，比例度为100，积分时间为积分时间为2分，稳态时，输出为分，稳态时，输出为5mA。某瞬间，。某瞬间，输入突然增加了输入突然增加了0.2mA，试问经过，试问经过5min后，输出将变后，输出将变化多少？化多少？答：调节器的输出将变化答：调节器的输出将变化0.70.7mA。解：解：例例3 3：有一台有一台PIPI调节器，调节器，d d=100100%，TI=1 1分，分，DDZ。pt1315