第五章控制规律和控制器

❖ 2、具有一个中间区双位控制特点？
❖ 双位控制器具有一个中间区，被控参数在中间区时，控制 机构不工作，当参数上升至测量值高于给定值某一数值后， 控制机构才关；当参数下降至测量值低于给定值某一数值 后，控制机构才开，这样，控制机构开关的频率程度大为 降低，从而起到保护的作用。由于设置了中间区，当偏差 在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制 机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件 的使用寿命。
图5-3 实际的双位控制规律
图5-4 具有中间区的双位控制过程
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第一节 位式控制
结论
双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期 长些比较有利。 双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而 应用很普遍。
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第一节 位式控制
三、多位控制 对系统的控制效果 较好，但会使控制 装置的复杂程度增 加。
仪表量程 控制器的输出范围
e pmax pmin 1 pmax pmin
p xmaxxmin K c xmaxxmin
若输出与输入都为标准对象，则
1 100 %
Kc
Q2
t0
t
h
t0
t
p t0
Q1 t0
t
e
t0
t
t
比例控制的特点：反应快，控制及时， 控制结果有余差。有偏差信号输入时，输出 立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的 控制作用越强。
PID阶跃响应特性曲线
PID三作用控制器虽然性能效果比较理 想，但并非任何情况下都可采用PID三 作用控制器。因为PID三作用控制器需 要整定比例度、积分时间和微分时间三 个变量，而在实际工程上是很难将这三 个变量都整定到最佳值。
p

KP
e

1 TI
edt
TD
de dt

小结：1、积分控制作用：输出变量p与输入偏差e的积分成正比。
当测量值到达下限设定值，但尚低于上限设定值 时，下限继电器释放，断开辅助加热器A的能源供 给，升温速率随之下降，系统进入“恒温加热”状 态。
当测量值到达上限设定值时，下限继电器仍保持 断开状态，上限继电器开始释放，断开主加热器B 能源供给。此时由于主辅加热器均失去能源供给， 故温度逐渐下降，直至降到上限设定回差的下限时， 上限继电器又吸合，接通主加热器B的能源供给， 温度又逐渐上升，周而复始。
2、积分作用：能够消除余差，与比例控制相比，积分控制过渡
过程比较缓慢。
3、积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作 用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。积分时间越大，
积分作用越小，反之，积分作用越大。
4、比例微分控制规律
5、PD控制缺点：适应于时间常数较大的调节控制，而不适用
于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强
-0.5
-1.0
双位控制器
第一节 位式控制
双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时， 控制器输出为最大（或最小），而当测量值小于给 定值时，则输出为最小（或最大），即控制器只有 两个输出值。
p
e
实际应用的双位控制器具有一个中间区，被控参 数在中间区时，控制机构不工作，当参数上升至测 量值高于给定值某一数值后，控制机构才关；当参 数下降至测量值低于给定值某一数值后，控制机构 才开，这样，控制机构开关的频率程度大为降低， 从而起到保护的作用。
由此可见三位式调节比二位式调节升温的速度快， 进入恒温调节状态后温度的波动小，精度高。
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复习
❖ 1、双位控制系统规律？ ❖ 2、具有一个中间区双位控制特点？ ❖ 3、双位控制系统特点？ ❖ 4、多位控制的特点？
复习
❖ 1、双位控制系统规律？
❖ 双位控制系统的规律是当测量值大于给定值时，控制器输 出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出 为最小（或最大），即控制器只有两个输出值。
概论
控制器的基本控制规律
位式控制（其中以双位控制比较常用） 比例控制 比例积分控制 比例微分控制 比例积分微分控制
4
第一节 位式控制
❖ 一、双位式
1.0 P
p


pmax , e pmin , e

0(或e 0(或e

0) 0)
-1.0
0.5 0.0 -0.5 0.0
0.5
1.0 t
❖ 2、比例度及其对控制过程的影响?
❖ 比例度δ-----指控制器输入的变化相对值与相应的输出变 化相对值之比的百分数。
❖ KP值过大（ 值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度 控制，产生大幅振荡。
❖ Kc值过小（ 值过大）系统反应过于迟钝，控制时间长， 余差大。
❖ 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。
❖ Kc值过小（ 值过大）
系统反应过于迟钝，控
❖
制时间长，余差大。
Kc值（ 值）适中
经过少数几个减幅振荡


e p
pmax pmin x m ax x m in

1 Kp
pmax pmin x m ax x m in
后，逐渐趋于稳定，有
一定的余差。
小结：
❖ 1、比例控制规律及其特点。 ❖ 2、比力度及其对控制过程的影响。
选择大的比例度来保证稳定。
第三节 积分控制（I） e
积分控制作用的输出变量p与
输入偏差e的积分成正比。
P
t
p KI edt
式中KI是积分速度，表示积分速度的大小和积分作用t 的 强弱。
当输入偏差是常数A时，则
p KI Adt KIAt
积分作用能够消除余差，与比例控制相比，积分 控制过渡过程比较缓慢。
控制器的控制规律就是指控制器的输出信号p与 e之间的函数关系。
p = f(e) = f(z-x)
不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根 据生产要求来选用适当的控制规律，要选用合适的 控制器，首先必须了解常用的几种常用控制规律的 特点与使用条件，然后，根据过渡过程品质指标要 求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。
e zx
控制器的控制规律是指
即 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
p = f(e) = f(z-x)
在研究控制器的控制规律时
经常是假定控制器的输入信号e是一个阶 跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间 的变化规律。
3
在控制系统中，由于扰动作用的存在，会使被 控变量对给定值产生偏差，此偏差数值上等于被控 变量测量值与给定值之差。即：
理想微分控制器的输出与输入信号的关系为：
e
p
TD
de dt
微分时间
t0
t
在阶跃信号输入的瞬间，控制器的
输出为无穷大，其余时间输出为零。
∞
微分控制器输出的大小与偏差变化速
t
t0
度及微分时间ＴＤ成正比。微分时间越长，
微分作用越强。
➢ 比例微分控制规律
e
对PID控制器而言，当积
t
分时间TI→∞时，控制器呈PD p
出间采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。 气动控制仪表：0.02～0.1MPa
电动控制仪表，0～10mA 电流信号作为电动Ⅱ型仪表 4～20mA 电流信号 1～5V 电压信号 电动Ⅲ型仪表
传输方式
进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部各仪表 间联络信号采用电压信号
概论
p f e
图5-5 三位控制器特性图
以电炉加热为例。三位式调节可以用两个继电器
在的触点组成“升温加热”、“恒温调节”及“停 止加热”三种输出状态。具体实现方法为采用辅助 加热器A和主加热器B两组加热器:
当测量值低于下限设定值时，上、下限继电器均 吸合，系统进入“升温加热”状态，此时A、B二 组加热器同时加热，因此升温速度较快。
控
C B A
❖ 控制规律 AB断开，低位，开启阀门； AC导通，高位，关闭阀门。
p


pmaxAB导通 pmin AC断导开通
控制结果： ➢ 将液位限制在BC之间。
双位控制的过渡曲线
p t
y yH yL
t
双位控制器电路举例
控
C B A
24V
0
DC
B
C
B C
A 电磁阀
a p be
p ae b
△P(t)=Kce(t) 在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变 量 即： 的偏差值成比例。
具有比例控制规律的控制 器称为比例控制器，其输出信 号即： 变化量 P 与偏差信号 e 之间 成比率关系。
P=Kce
Kc为放大倍数 工业上常用比例度δ代替
比例度δ-----指控制器输入的变化相对值与相应的输出变 化即： 相对值之比的百分数。
积分时间越大，积分作用越小，反之，积分 作用越大。
积
分
左图表示在同样比例度下
时
积分时间对过渡过程的影响。
间 对
由图中曲线３可以看出，TI过
过
大时积分作用不明显，余差消
渡
除地也慢，从图中曲线１、２
过
程
可以看出，TI较小时易于消除
的
余差，但系统的振荡加剧。相
影 响
比之下，曲线２就比较理想。
第四节 比例积分 微分控制
复习：
❖ 1、比例控制规律及其特点? ❖ 2、比例度及其对控制过程的影响? ❖ 3、比例控制作用特点? ❖ 4、比例度的选择原则?
复习：
❖ 1、比例控制规律及其特点?
❖ △P(t)=Kce(t),该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变 量的偏差值成比例。
❖ 其输出信号变化量 P 与偏差信号 e 之间成比率关系。
第五章
控制规律和控制器
概述
本 第一节 位置控制
章
第二节 比例控制
Leabharlann Baidu
第三节 比例积分控制
内
第四节 比例积分微分控制
容
第五节 控制器简介
概论
控制仪表经历三个发展阶段
➢ 基地式控制仪表 ➢ 单元组合式仪表中的控制单元 ➢ 以微处理器为基元的控制装置
3
概述
信号制----指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输
比
比例度的选择原则
例
若对象的滞后较小，
度
时间常数较大以及放大
对 控
倍数较小，那么可以选
制
择小的比例度来提高系
过
统的灵敏度，从而使过
程
渡过程曲线的形状较好。
的 影
反之，为保证系统的稳
响
定性，就要选择大的比
例度来保证稳定。
Kc（ ）值的影响
❖ Kc值过大（ 值过小）
系统反应过于灵敏，容 易造成过度控制，产生 大幅振荡。
PI控制器的输出随时间变化的表达式为
e
1
p KP( e edt)
TI
在阶跃信号作用下（幅值为A)
t
p
1
2KpA
p KP A KP TI At
KpA
t
PI输出响应由比例和积分两部分组成 TI
当 t=TI + p= 2KPA 由此可确定积分速度。
积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下， 控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经 历的时间。
时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。一般
总是以比例动作为主，微分动作为辅。
AB断开——阀门开启 ； AC接通——阀门关闭
第一节 位式控制
二、具有中间区的双位控制
将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为 一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间 区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此 可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器 中运动部件的使用寿命。
控制特性。此时输出与输入的
关系如式所示。
t
理想PD控制器的阶跃响应曲线
微
PD控制优点
分
时
间
能提高系统的响应速度，
对
过
同时改善过程的动态品质，
渡 过
抑制过渡过程的最大动态
程
偏差，有助于提高系统的
的 影
稳定性。
响
PD控制不足之处
一般只适应于时间常数较大的调节控制，而不 适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次， 当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启， 容易造成系统振荡。
复习：
❖ 3、比例控制作用特点?
❖ 反应快，控制及时，控制结果有余差。有偏差信号输入时， 输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用 越强。
❖ 4、比例度的选择原则?
❖ 若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那 么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡 过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要
复习
❖ 3、双位控制系统特点？
❖ 双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质 指标被控变量波动的上、下限在允许范围内， 使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、 成本较低、易于实现，因而应用很普遍。
❖ 4、多位控制的特点？
❖ 对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复 杂程度增加。
第二节 比例控制
p
PD 控 制 一 般 总 是 以 比 例 动 作 为 主 ， 微 分 动 作 为辅。
➢ 比例积分微分控制规律
PID控制规律吸取了比例控制的快速反 应功能、积分控制的消除余差功能和微 分控制的预测功能，从控制效果看，是 比较理想的一种控制规律。阶跃响应特 性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响 应曲线的叠加。