第五章自动控制仪表

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练习题
1. 一台DDZ-Ⅲ温度比例控制器，测温范围为200～1200℃，当 温度给定值由800℃变动到850℃时，其输出由由12mA变化 到16mA。试求该控制器的比例度及放大系数。 2.一台具有比例积分控制规律的DDZ-Ⅱ型控制器，其比例度 为80%，积分时间为1min,稳态后，输出为6mA。某瞬间，输 入偏差突然增加了0.3mA，问其比例输出为多少？经过3min 后，其输出将为多少？
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★ 比例控制系统余差的产生
控制结果会产生余差，这是比例控制器固有的特性所决 定的。为什么？ 如果系统原来处于平衡状态，液位恒定在某一位置上， 在某一时刻t0 时，系统外加一干扰作用，液位开始下降， 于是阀门开大，加大进水量，经过一段时间后，当进水量和 出水量相等时，液位不再变化。此时，液位稳定在一个新的 稳定值上。新的稳定值和设定值之间存在着差值，这个差值 就叫余差。 比例控制的优点是反应快，控制及时。有偏差信号时， 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。缺点是有余差存在。
第四节 数字式控制器
一、数字式控制器的主要特点
模拟式控制器采用模拟技术，以运算放大器等模拟电 子器件为基本部件；而数字式控制器采用数字技术，以
微处理机为核心部件。
★ 实现了模拟仪表与计算机一体化； ★ 具有丰富的运算处理功能； ★ 使用灵活方便，通用性强； ★ 具有通讯功能，便于系统扩展；
★ 可靠性高，维护方便。
★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其功能丰富、操作方便， 很容易构成各种复杂控制系统。如DCS、PLC等 。
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第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
★ 研究控制器的控制规律是把控制器和系统断开，即在开环 时单独研究控制器本身的特性； ★ 控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 P=f(e)=f(z-x) ★ 经常假定e为一个阶跃信号，研究输出信号P随时间的变化 规律。 ★ 控制器的基本规律有位式控制、比例控制（P）、积分控 制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式； ★ 不同的控制规律适应不同的生产要求，如果选用不当，不 但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成 事故； ★ 必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后 根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性做选择。 3
P Pmax
衡量双位控制过程的品质指标： 振幅：Hmax-Hmin 周期：T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t
Pmin
H Hmax H0 Hmin t
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二、比例控制规律(proportion)
位式控制的缺点： 位式控制中，被控变量不可避免地产生持续的等幅振荡 过程。原因：在双位控制系统中，控制器只有两个特定的输 出值，相应的执行器也只有两个极限位置（开和关）。 解决办法： 应让控制器的输出P与被控制变量的偏差e成比例，即偏 差大，控制器的输出也大，这样就出现了比例控制规律。 1、比例控制规律： P = KP×e KP—比例放大系数
e x max x min p p
max
p
min
100 %
比例度δ的物理意义：要使控制器输出变量满刻度时，其输入 偏差变化量占满量程的百分数，即为比例度。
1 p max p min Kp x x min max 100 %
t0
t
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2.比例微分控制规律及特点
比例微分控制规律：
p Kp (e TD de dt
e
)
A t0
当输入阶跃信号后，微分部分 先跳跃上去，将输入放大，然后 P 慢慢下降，直到微分作用消失， 最后只剩下比例作用了。 微分 微分时间TD是表征微分控制作 用强弱的一个重要参数。TD太大， 微分作用太强，会引起振荡；TD 太小，微分作用不够显著，对控 制质量改善不大，但系统稳定性 较好。
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第三节 模拟式控制器
在模拟式控制器中，所传送的信号为连续的 模拟信号。模拟控制器一般由偏差检测环节和PID 运算环节组成。
测量信号 偏差 PID运算环节 输出信号
偏差检测环节
P
给定信号
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一、DDZ-Ⅲ型电动控制器简介
★采用高增益、高阻抗线性集成电路组件,提高了仪表精度、 稳定性和可靠性,降低了功耗。 ★采用集成电路，扩展了功能，在基型控制器的基础上增加了 各种功能。如非线性控制器、前馈控制器及附加单元。 ★整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，增加了安全单元安全栅。 ★有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具 有双向无平衡扰动特性，提高了控制器的操作性能。无扰切 换是指控制器在不同操作方式切换瞬间保持输出值不变，这 样控制阀的开度也将保持不变。 ★采用国际标准信号制。电气零点不是从零开始，容易识别断 20 电、断线等故障。
t
比例 t0
t
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五、比例积分微分(PID)控制规律
数学表达式为：
e A
p K p(e
1 TI
edt
TD
de dt
)
t P
积分 微分 比例
t
控制过程中，比例作用自 始至终与偏差相对应起调节作 用；微分作用在开始输出变化 最大，具有超前控制，最后逐 渐消失；积分在开始变化时作 用弱，到后来输出逐渐增大而 占主导地位，具有滞后控制， 直至消除余差。
KI 1 TI
e A t0
若偏差为阶跃信号(e=A)时,有：
p K pA Kp TI At
P
t
KPA
比例
t0 t
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利用这个关系,可以实测KP和TI。
★积分时间TI 对控制系统过渡过程的影响
Y
积分时间TI是表征积分作用强
弱的一个重要参数。 积分时间TI越小，积分作用越 强，反之积分作用越弱。 TI太小时，积分作用太强，消 除余差快，但控制系统的振荡加 剧，系统的稳定性下降； TI过大 时，余差的消除就相当慢。
KI—积分速度，表示积分作用 强弱的参数。 当输入偏差为常数A时,
P K I Adt K I At
控制特点：能消除余差,控制不及时。
t0
t
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2. 比例积分控制规律及特点
★比例积分的控制规律 比例积分控制规律是将比例作用与积分作用叠加，其数 学表达式为：
p Kp ( e K I edt )
一、DDZ-Ⅲ型电动控制器简介
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二、使用基型控制器注意事项:
★正确设置内外设定开关。 “内”设定时，设定电压信号由控制器内部的设定电路产生， 操作者通过设定值拨盘确定设定信号的大小。在定值系统中， 控制器应设置于“内”设定。 “外”设定时，由外部装置提供设定值信号。在随动控制系 统中，控制器应处于“外”设定。 ★一般在刚开车或控制状况不正常时采用手动控制，待系统正 常后无扰动切换到自动控制。 ★控制器“正”“反”作用不能随意选择，要根据工艺要求及 控制阀的气开、气关来决定，保证控制系统为负反馈。 ★正确设置P、I、D参数。要通过参数整定，选择一组合适的 PID参数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥作用。 22
t Y Ti太小
t Y Ti 适当
t
Ti 太大
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四、 微分控制(Differention)
1.微分控制规律及特点 微分作用的输出变化是和被控变量的变化速度成正比的， 即: de
p TD
e
dt
A t0 t
理想的微分控制特性曲线如右图所示。 在阶跃偏差信号的作用下，瞬时控制 P 器的输出为无穷大，在t>t0后，则输 出变化量为零。 当偏差固定不变时，微分控制的输出 为零；这样的控制结果不能消除偏差， 因此不能单独使用。
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第五章 自动控制仪表
第一节 概述 第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程 第三节 模拟式控制器 第四节 数字式控制器
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第一节 概 述
控制仪表的发展历程: ★基地式控制仪表
控制装置与检测装置、显示装置一起组装在一个整体 之中,同时具有就地检测、控制与显示功能。
★ 单元组合式仪表
单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干个 单元，每个单元只完成其中一种功能。各个单元之间以统 一的标准信号联系。DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ型。
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★δ大小对控制系统的影响
Y Y
t
t
δ小于临界值
Y Y
δ=δ临
t
t
δ适当
δ太大
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三、积分控制(integral）
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例的基础上， 再加上能消除余差的积分控制作用。 1. 积分控制规律 积分控制作用的输出变化量P与输入偏差的积分成正比。
P KI

edt
e A t P t0
一、双位控制
双位控制规律控制器只有两个输出值，执行器也相应有 “开”和“关”两个极限位置，故双位控制又称开关控制。
1、理想的双位控制输出P和偏差e之间的关系：
P Pmax e Pmin
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2.双位控制实例
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实际应用的双位控制具有一个中间区。偏差在中间区内时， 控制机构不动作。当偏差达到一定数值时，控制器的输出变为 最大Pmax或最小Pmin,控制机构处于开或关的位置。 实际的双位控制在Hmax和Hmin间作等幅振荡。
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比例控制举例
相当于把位式控制的位 数增加到无穷多位，成 为连续控制。浮球是测 量元件，杠杆是一个最 简单的控制器。
从图可以看出：a/b = P/e； 阀门开度的变化量为：P = KP×e ，KP=a/b ，是可调的。
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2.比例度δ
工业生产上所用的比例控制器常采用比例度δ来代替Kp， 用δ来表示控制作用的强弱。 ★ 比例度δ的定义：
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各种不同的控制作用下的过渡过程
e 3 2 1 1: PID(比例积分微分） 2: PI(比例积分） 3: PD (比例微分）
t
曲线1: PID控制器，控制质量比较好，余差为零， 控制时间短； 曲线2: PI控制器，调节时间较长，余差为零； 曲线3: PD控制器，调节时间较短，但有余差。 只要合理选择δ 、Ti、TD三参数，就能获得较高的控制 质量。