生物工程自动化控制第五章 自动控制仪表

系统的作用，但不能消除余差。
比例微分控制规律 比例积分控制规律
de p K P e TD dt
1 e p KP TI
de edt TD dt
图5-13 比例微分控制 器特性
图5-14 微分时间对过渡 过程的影响
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图5-15 三作用控制 器特性
将上图中的测量装臵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 臵了中间区，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 实际的双位控制特性
图5-4 具有中间区的双位控制过程
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结论 双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标, 在设计双位控制系统时，一般希望振幅小而周期长。 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，容易实现控制。适用于单容 量对象及对象特性好、负荷变化较小、过程滞后小、 工艺允许被控参数在一定范围内波动和要求不高的场 合。
比例控制是一种最基本的控制规律。其特点是动态反应快，控制及
时，只要有偏差输入，输出立刻产生一个与输入成比例的输出变化
信号。其缺点是控制结果有余差。
左下图表示图5-5的液位比例控制系统的过渡过程。
在t=t0时，系统外加一个干 扰作用 液位开始下降 作用在控制阀上的信号
进水量增加 偏差的变化曲线
图5-7 比例控制系统过渡过程
说明 对 于 这 台 控 制 器 ， 温 度 变 化 全 量 程 的 50 ％ （ 相 当 于 200℃），控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间 内，e和p是成比例的。
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将式（5-4）的关系代入式（5-5），经整理后可得
pmax pmin 1 100 % K P xmax xmin
全停车。
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（4）结构合理，比之Ⅱ型有许多先进之处。
表现在
基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器两 个品种，指示表头为100mm刻度纵形大表头，指示醒目， 便于监视操作。 自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行，并 有硬手动和软手动两种方式。面板上设有手动操作插孔， 可和便携式手动操作器配合使用。
可编程序控制器
概论 可编程序控制器的基本组成 可编程序控制器的编程语言 OMRON C 系列 PLC 应用实例
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第一节 概论
自动控制仪表在自动控制系统中的作用是将被控变 量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制 仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果 以一定的信号形式送往执行器。
当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大 偏差也较大； 负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使 控制作用不及时，此时可增加微分作用。
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四、微分控制
在自动控制时，控制器具有微分控制 规律
de p TD dt
优点 具有超前控制功能。 缺点
图5-12 理想微分控制器特性
它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数 值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除 偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比 例积分组合构成比例微分或三作用控制器。
100 %
（5-5）
图5-6 比例度示意图
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举例
DDZ-Ⅱ 型 比 例 作 用 控 制 ， 温 度 刻 度 范 围 为 400 ～ 800℃，控制器输出工作范围是0～10mA。当指示指 针从600℃移到700℃，此时控制器相应的输出从4mA 变为9mA，其比例度的值为
700 600 9 4 / 100 % 50 % 800 400 10 0
这会使系统的稳定性变差。一般地，适当地增大比例放大系数，即 减小比例度，使比例控制作用增强。此时，最大的偏差减小，余差
减小，工作频率提高，周期缩短，系统的振荡加剧，稳定性下降。
工业上常见系统的比例度选取范围为：
压力系统：30-70%
流量系统：40-100% 物位系统：20-80%
温度系统：20-60%
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图5-8 比例度对过渡过程的影响
优点：反应快，控制及时 缺点：存在余差
结论 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较 小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的 灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。 反之，比例度就要选大些
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的 基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。 积分控制作用的输出变化量p与输入偏差 e的积分成正比，即
a p a , 或p e b e b
对于具有比例控制的控制器
图5-5 简单的比例控制系统示意图
p K Pe
（5-4）
比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数， 它决定了比例控制作用的强弱。
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比例度 是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。
e p / x x pmax pmin min max
p K I edt
当输入偏差是常数A时
图5-9 积分控制器特性
p K I Adt K I At
结 当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。 论 当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，
因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。
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把比例与积分组合起来，这样控制 既及时，又能消除余差。 比例积分控制规律可用下式表示
好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。
由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很 高，这使仪表的精度得到提高。 由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了 仪表的可靠性。
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（3）Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24V DC电源，并有蓄电池作 为备用电源。
优点
各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪 表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有 利条件。 在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时 间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安
图5-1 理想双位控制特性
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图5-2 双位控制示例
双位控制规律即：控制器只有两个输出值，执行器
也相应有开或关两个极限工作位臵。双位控制又称继
电接触控制。 实际上的双位控制器由于结构上的原因和仪表不灵 敏的存在，不能在被控参数达到给定值时立即引起输 出变化，只能当偏差达一定数值时控制器才发生变化。 即实际特性曲线有一个中间区。
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微分时间TD是表征微分控制作用强弱的一个重要参
数。当微分时间TD增大时，微分曲线下降慢，微分作
用增强；反之，TD减小，微分曲线下降快，微分作用 减弱，当TD=0时，无微分作用，比例微分控制器变为 纯比例控制器。 微分作用总是力图阻止被控变量的任何变化，具有 抑制振荡作用。 微分控制器的优点是：超前控制、抑制变化、稳定
第五章 自动控制仪表
内容提要
概述
基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
双位控制 比例控制
积分控制
微分控制 模拟式控制器 基本构成原理及部件 DDZ-Ⅱ型电动控制器
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数字式控制器 数字式控制器的主要特点 数字是控制器的基本构成 KMM型可编程序调节器
流量控制系统T1=0.3-1min
温度控制系统T1=3-10min 比例积分控制器的主要优点是能消除余差。但当对象滞 后很大，负荷变化剧烈时，控制不能及时，控制时间较长。 故此种控制适合于控制对象负荷变化不大，过程较缓慢， 惯性不大，容量滞后小和工艺要求不允许的余差的场所。
比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和 积分时间两个参数均可调整。
作用 通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。
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二、DDZ-Ⅲ型电动控制器
1. DDZ-Ⅲ型仪表的特点 （1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号,现场 传输出信号为4-20mADC，控制室联络信号为1-5VDC，信号电 流与电压的转换电阻为250Ω。
优点
电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利 用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。
第三节 模拟式控制器
在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信号。 目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。
一、基本构成原理及部件
1.比较环节
作用
将给定信号与测量信号进行 比较，产生一个与它们的偏 差成比例的偏差信号。
图5-16 控制器基本构成
2.放大器 是一个稳态增益很大的比例环节。 3.反馈环节
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臵
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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
控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的 关系。 即
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。
p K P e K I edt


图5-10 比例积分控制器特性
或
1 e p KP TI
edt
若偏差是幅值为A的阶跃干扰
p KP A
KP At T1
图5-11积分时间对过渡过程的影响
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积分时间T大小表示曲线的斜率和输出曲线上升速度快慢， 积分时间T是表征积分控制作用强弱的一个重要参数。当 积分时间T越小（K越大）时，直线上升越快，积分控制作 用越强。反之，T越大（K越小），直线上升越慢，积分作 用越弱。 工业上常见控制系统的积分时间范畴为： 压力控制系统T1=0.3-1 min