Lesson09-过程控制仪表

(270 250) /(300 200) 100% 40% (9 4) /(10 0)
比例度40%说明：只要温度变化40%(40 ℃)， 就可以使控制器的输出信号从0mA变化到10mA.
比例控制
在用单元组合仪表构成的控制系统中，由于变送器 和控制器都是采用统一的标准信号：4-20mA， 1-5V。 比例度δ和放大倍数 KP的关系可进一步简化为：
比例控制规律的开环阶跃响应特性图
e
A
u
t
显然，在输入 偏差相同的情 况下，KP越大， 控制器的输出 变化量也越大， 控制作用就越 强。
KPA
t
比例控制
在过程控制中习惯于采用比例度(也称比例带)来衡 量比例控制作用的强弱。 比例度的定义可以用下式来表示:
比例控制
比例度就是指控制器的输入相对变化量与对应 的输出相对变化量的百分比。 物理意义：
PID控制算法的选择
当广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大时， 应引入微分调节；若工艺允许有稳态误差，可选择PD 控制；若工艺要求无稳态误差，则选择PID控制。 如温度、成分、pH值等。 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大且 工艺要求允许有稳态误差时，可选择P控制。 如贮罐压力、液位等。 当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大， 但工艺要求无稳态误差时，可选择PI控制。 如管道压力、流量等。
§3-1 基本控制规律
最简单的控制律：位式控制 PID控制律： 比例控制（P） 积分控制（I） 微分控制（D） PID
一、位式控制
位式控制规律可分为双位控制和多位控制。 双位控制的特性可以用下面的数学表达式来描述。
例：储槽液双位控制 槽内装有电极，作为液位 的测量装置。电极的一端 与继电器的线圈 J 相接； 另一端正好处于液位给定 值的位置。
控制仪表
模拟式调节器 数字式调节器 可编程控制器
DDZ-Ⅲ型调节器
KMM可编程调节器
§3-2 DDZ-Ⅲ 型调节器
一、主要功能 接收信号：1-5V DC信号。 实现偏差检测：将接收信号与给定值信号进 行比较，得到偏差信号。 PID计算：将偏差信号进行PID运算，产生 相应的4-20mA控制信号。 具备相应值的指示功能。
位式磁浮 子液位传 感器 yH yL
具有中间区的双位控制曲线如下图所示：
阀开 阀关
双位控制器的优缺点
优点： 结构简单，成本较低，且易于实现，适用于某些 对控制质量要求不高的应用场合。 如：空气压缩机贮罐的压力控制、恒温箱、 电烘箱的温度控制等。 缺点： 被控变量总是处在震荡过程，控制质量低。 注：位式控制是比例控制的特例。 当比例控制的比例度设定为0、比例增益趋近于 无穷大时，便成了一个位式控制器。
2．比例积分控制规律
比例积分控制规律是由比例控制规律和积分控 制规律结合而成，一般用字母 Pl 表示。 比例积分控制规律的数学表达式为：
PI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点， 既能快速克服干扰，又能消除系统的余差。
比例积分控制
当输入偏差是一幅值为 A 的阶跃变化时，比例 积分控制器的输出变化 特性曲线如图所示。
这说明两者互为例数关系，即δ越小，KP越大， 比例控制作用越强；δ越大，KP越小，比例控制作 用越弱。
2．比例控制的特点
显著特点：有差控制，只有当偏差出现，才产生 控制动作，偏差越大，控制器输出变化也越大。 快速及时。 缺点：有余差。
比例控制系统适用于干扰较小、不频繁，对象滞 后较小而时间常数较大，控制精确度要求不高的 场合。
二、比例控制
1. 比例控制规律 比例控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏 差成比例关系，一般用字母 P 表示。 比例控制规律的数学表达式为： u = KP e 式中 u ― 控制器的输出变化量； e ― 控制器的输入，即被控变量测量值与 控制器的给定值之差； KP― 比例控制的放大倍数， 又称为比例增益。
过程控制系统及仪表
设定值 —
控制仪表
执行仪表
被控对象
被控变量
测量仪表
第3章 过程控制仪表
3 1
基本控制规律
位式控制律 PID控制律
2
控制仪表
模拟式调节器 数字式调节器
可编程控制器
§3-1 基本控制规律
过程控制系统的质量，取决于被控对象的特性和控制器的 特性。 控制器的特性，就是指控制器的输出信号随着输入信号变 化的规律，又称作控制律。
比例微分控制
微分控制规律的特点：
微分作用是依据偏差的变化速度来进行控制， 偏差变化速度越大，控制器输出越大。对固定 不变的偏差，控制器输出为零。 由于微分作用总是力图抑制被控变量的变化， 所以它有提高控制系统稳定性的作用。 不能消除余差。 微分控制规律一般不单独使用。
2．比例微分控制规律
对动态特性的影响：减小比例度虽然有利于减小系统 达到新稳态时的余差，但却影响到系统的动态特性， 使控制系统的稳定性下降。
比例控制
对动态特性的影响： 可由图所示的在干扰 作用下的闭环响应曲 线来描述：
三、比例积分控制 (PI)
1．积分控制规律及其特点 积分控制规律是指控制器的输出变化量与输入偏差 的积分成比例关系，一般用字母 I 表示。 积分控制规律的数学表达式为：
PID控制参数的整定
PID控制参数的整定是根据被控过程特性和系统要求， 确定PID控制器中比例带δ、积分时间常数TI和微分时间 常数TD，使系统的过程过程达到满意的控制品质。 PID参数整定的原则： 控制系统开环总增益 KcK0 应等于某常数 为保证系统稳定性，TI 和 TD一般取为： TI = 2τ0， TD = 0.5τ0 当较大时，控制系统不易稳定，应减小Kc 控制器参数调试时，按照先比例、后积分、 再微分的引入顺序。
导电流体经装有电磁阀 V 的管线进入贮槽，再由出 料管流出。
双位控制律
当液位低于给定，电极 与流体不接触，继电器J断 开，电磁阀V全开，流体流 入贮槽，H上升。 当液体高于给定，电极 与流体接触，继电器J接通， 电磁阀V全关，流体不再进 入贮槽，H下降。 如此反复循环。
双位控制律
双位控制律缺点： 执行部件的动作非常频繁，这样使系统中的 运动部件（继电器、电磁阀）易于损坏，降 低了控制系统的可靠性。
理想的比例微分控制规律，可以用下式表示：
当输入偏差信号为幅 值A 的阶跃变化时，实 际比例微分控制开环输 出响应特性如图所示。
五、比例积分微分控制
比例积分微分控制规律是由比例、积分和微 分三种控制作用组合而成，一般用字母 PID 表示。 理想比例积分微分控制规律的数学表达式为：
比例积分微分控制
I
D
P
PID控制特点
比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。 由于在 PID 控制器中，比例度δ、积分时间 TI ，和 微分时间 TD 三个参数都是可调的，所以，只要这三个 参数选择的合适，就可以获得良好的控制质量。 PID控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。 若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器； 若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器； 若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比 例控制器．
代表使控制器的输出全范围变化时，所需要 的被控变量的变化范围。只有当被控变量在 这一范围内变化时，控制器的输出才与偏差 成比例，如果超出了“比列带”，控制器的 输出将暂时失去比例控制作用。
比例控制
例：在一个电动比例控制器构成的温度控制系统中，被 控变量检测仪表的量程范围为：200-300℃，控制 器的输出范围为0-10mA，当温度从250 ℃变化到 270 ℃，相应的控制器输出信号从4mA变化到 9mA，控制器的比例度？
PID控制参数的整定
PID参数整定的原则 (续)： 积分控制参数一般取为： TI = 2τ0 或 TI = (0.5~1)Tp (Tp为振荡周期) 此时，Kc 应比比例控制时减小10%左右。 且TI 越大，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢。 微分控制参数一般取为： TD = 0.5τ0 或 TD = (0.25~0.5)TI 此时，Kc应比比例控制时增加10%左右。 且TD 越大，过渡过程越稳定，最大动态偏差越小。
r 设定值 e
— 控制仪表
u
执行仪表
被控对象
被控变量 y
测量仪表
§3-1 基本控制规律
在过程控制中，控制器的输入定义为被控变量的测量值 y 与给定值 r 的偏差 e ： e=y-r 控制器的输出就是控制器送往执行器的控制信号 u，所 以控制器中的控制规律可以用下面的数学关系表示： u = f (e) e > 0,并且在控制律作用下 Du > 0, 称为正作用控制器； e > 0,并且在控制律作用下 Du < 0, 称为反作用控制器。
3．积分时间对过渡过程的影响
比例积分（PI）控制器，比例度δ （或比例增益 KP）和积分时间 TI 都是可调参数。
讨论：积分时间 TI 过大和过小对控制效果的影响。
积分时间 TI 过大和过小对控制效果 积分时间过大，积分作用太弱， 消除余差的过程很慢 （见曲线 b） ； 只有当 TI 适当时，过渡过程能 较快地衰减，而且没有余差 （见曲线c）； 积分时间太小，控制器的输出 变化太快，使过渡过程振荡太剧 烈，系统的稳定性大大下降 （见曲线 d） 。
改进双位控制律：具有中间区的双位控制
具有中间区的双位控制器
其特性可表示为：
注意:被控 变量有两个 给定值！
具有中间区的双位控制器
具有中间区的双位控制特性如图 4-3 所示。
具有中间区的储槽液双位控制器的控制规律
当液体高于给定yH ，上磁 浮子闭合，继电器J接通，电 磁阀V全关，流体不再进入贮 槽，H下降。但是注意：当液 位低于yH，电磁阀V继续全关。 当液位低于给定yL，下磁浮 子闭合，继电器J断开，电磁 阀V全开，流体流入贮槽，H 上升。但是注意：当液位高于 yL，电磁阀V继续全开。 如此反复循环。