化工儀表自動(dòng)化【第四章】自動(dòng)控制儀表

1、化工儀表自動(dòng)化化工儀表自動(dòng)化（Instruments & Automatics of Chemical Engineering）第四章第四章 自動(dòng)控制儀表自動(dòng)控制儀表主講人：孫行衍主講人：孫行衍第四章第四章 自動(dòng)控制儀表自動(dòng)控制儀表4.1 概述概述4.1 概述概述4.1 概述概述控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖4.1 概述概述1.控制儀表發(fā)展經(jīng)歷的階段：控制儀表發(fā)展經(jīng)歷的階段：（1）基地式控制儀表）基地式控制儀表（2）單元組合儀表中的控制單元）單元組合儀表中的控制單元（3）以微處理器為基元的控制裝置）以微處理器為基元的控制裝置4.1 概述概述（1）基地式控制儀表）基地式控制儀表構(gòu)成構(gòu)成：與

2、：與檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置、顯示裝置顯示裝置一起組裝在一個(gè)整體一起組裝在一個(gè)整體之內(nèi)，同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能之內(nèi)，同時(shí)具有檢測(cè)、控制與顯示的功能 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：通用性差，信號(hào)不易傳遞：通用性差，信號(hào)不易傳遞 實(shí)例實(shí)例：沉筒式的氣動(dòng)液位控制器（：沉筒式的氣動(dòng)液位控制器（UTQlUTQl型）型） 4.1 概述概述（2）單元組合式儀表中的控制單元）單元組合式儀表中的控制單元單元式組合儀表定義單元式組合儀表定義： 將儀表按其功能的不同分成若干單元（如將儀表按其功能的不同分成若干單元（如變送單元、變送單元、給定單元、控制單元、顯示單元等

3、給定單元、控制單元、顯示單元等），每個(gè)單元只完成），每個(gè)單元只完成其中的一種功能。其中的一種功能。特點(diǎn)特點(diǎn)：各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。：各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。 控制單元的功能控制單元的功能：接受測(cè)量值與給定值信號(hào)，根據(jù)它們：接受測(cè)量值與給定值信號(hào)，根據(jù)它們的偏差發(fā)出與之有一定關(guān)系的控制作用信號(hào)。的偏差發(fā)出與之有一定關(guān)系的控制作用信號(hào)。 氣動(dòng)氣動(dòng)：QDZ-QDZ-型（膜片型型（膜片型) )、 QDZQDZ型（波紋管型型（波紋管型) )。采用的是。采用的是2020100kpa100kpa的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 電動(dòng)電動(dòng): DDZ: DDZ型，采用的是型，采用的

4、是0 010mA10mA信號(hào)；信號(hào)；DDZDDZ型，采用的是型，采用的是4 420mA20mA信號(hào)。信號(hào)。4.1 概述概述4.1 概述概述（3）以微處理器為基元的控制裝置）以微處理器為基元的控制裝置優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏、可靠、價(jià)廉、性能好、控制功能豐富、：靈敏、可靠、價(jià)廉、性能好、控制功能豐富、操作方便，很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。操作方便，很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。舉例舉例：總體分散控制裝置、單回路數(shù)字控制器、可編：總體分散控制裝置、單回路數(shù)字控制器、可編程控制器程控制器 (PLC)(PLC)和微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。和微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)

5、渡過(guò)程的影響1.1.基本概念基本概念 控制規(guī)律控制規(guī)律控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系（控制規(guī)（控制規(guī)律是控制器本身的特性）律是控制器本身的特性） p=f(e)=f(z-x) 一個(gè)重要假定一個(gè)重要假定 在研究控制器的控制規(guī)律時(shí)，經(jīng)常假定控制器的輸入在研究控制器的控制規(guī)律時(shí)，經(jīng)常假定控制器的輸入信號(hào)信號(hào)e e是一個(gè)階躍信號(hào)，然后來(lái)研究控制器的輸出信號(hào)是一個(gè)階躍信號(hào)，然后來(lái)研究控制器的輸出信號(hào)p p隨隨時(shí)間的變化規(guī)律。時(shí)間的變化規(guī)律。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響2.2.基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律 雙位控制雙

6、位控制 比例控制比例控制（ProportionalProportional） 積分控制積分控制（IntegralIntegral） 微分控制微分控制（DerivativeDerivative） 比例積分控制（比例積分控制（PIPI） 比例微分控制（比例微分控制（PDPD） 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PIDPID） 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響（1 1） 雙位控制雙位控制 (a) (a)理想的雙位控制器理想的雙位控制器 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：執(zhí)行器在頻繁工作，容易出現(xiàn)故障。執(zhí)行器在頻繁工作，容易出現(xiàn)故障。maxmin0(0)0(0)peeppe

7、e或時(shí)或時(shí)4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響罐壓力變送器排放電磁閥例例: :某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為100KPa100KPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到100KPa100KPa時(shí)，時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為調(diào)節(jié)器輸出為0 0，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力稍稍大于稍稍大于100KPa100KPa時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為1 1，電磁閥開(kāi)，排出氣體降低系統(tǒng)壓力，此電磁閥開(kāi)，排出氣體降低系統(tǒng)壓力，此時(shí)罐內(nèi)壓力馬上又小于設(shè)定值時(shí)罐內(nèi)壓力馬上又小于設(shè)定值100KPa100KPa，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會(huì)重新

8、升高，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會(huì)重新升高，大于大于100 KPa100 KPa，調(diào)節(jié)器輸出為，調(diào)節(jié)器輸出為1 1，電磁閥，電磁閥開(kāi)開(kāi)，這樣調(diào)節(jié)器輸出在，這樣調(diào)節(jié)器輸出在0 0與與1 1之間不斷變化，電磁閥也在之間不斷變化，電磁閥也在“開(kāi)開(kāi)”和和“關(guān)關(guān)”二個(gè)狀態(tài)上不停的動(dòng)作。電磁二個(gè)狀態(tài)上不停的動(dòng)作。電磁閥的使用壽命一般在閥的使用壽命一般在1010萬(wàn)萬(wàn)5050萬(wàn)次。這萬(wàn)次。這種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許的。的。 1P 100( )0 1 90P 1000P 90u t或4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(b)(

9、b) 實(shí)際中的雙位控制器實(shí)際中的雙位控制器 p 開(kāi) 關(guān) e 實(shí)際的雙位控制特性實(shí)際的雙位控制特性4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(c)(c)雙位控制過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)雙位控制過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)了等幅振蕩出現(xiàn)了等幅振蕩振幅：振幅：y yH H-y-yL L周期：周期：T T4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響J如何能夠使被控變量穩(wěn)定下來(lái)呢？如何能夠使被控變量穩(wěn)定下來(lái)呢？Je大u大e小u小4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響（2 2）比例控制）比例控制(a)(a)控制

10、思想控制思想 在雙位控制中，被控變量不可避免地會(huì)產(chǎn)生等在雙位控制中，被控變量不可避免地會(huì)產(chǎn)生等幅振蕩過(guò)程。能否考慮使幅振蕩過(guò)程。能否考慮使控制閥的開(kāi)度控制閥的開(kāi)度（即控制（即控制器的輸出值）與器的輸出值）與被控變量的偏差被控變量的偏差成比例，根據(jù)偏成比例，根據(jù)偏差的大小，控制閥可以處于不同的位置，這樣就差的大小，控制閥可以處于不同的位置，這樣就有可能獲得與對(duì)象負(fù)荷相適應(yīng)的操縱變量，從而有可能獲得與對(duì)象負(fù)荷相適應(yīng)的操縱變量，從而使被控變量趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。使被控變量趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(b)實(shí)例分析實(shí)例分

11、析4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響ppbueKea4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(c)(c)比例控制規(guī)律及其特點(diǎn)比例控制規(guī)律及其特點(diǎn) 比例調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式：比例調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式： ppuK e或或 0 ppuuK eu u0 0是偏差是偏差e=0e=0時(shí)的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值時(shí)的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值K KP P是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對(duì)象增益的區(qū)別）是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對(duì)象增益的區(qū)別） e e(t)(t)u(t)u(t)A AKpKp* *A A根據(jù)上述響應(yīng)曲線，可以明顯地看出比例調(diào)節(jié)

12、器的一個(gè)特點(diǎn)：根據(jù)上述響應(yīng)曲線，可以明顯地看出比例調(diào)節(jié)器的一個(gè)特點(diǎn)：控制及時(shí)。一旦偏差不為控制及時(shí)。一旦偏差不為0 0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響n 工業(yè)上常用工業(yè)上常用比例度比例度代替代替KpKp：比例度比例度 是指控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變是指控制器輸入的變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)。化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)。 比例度比例度與放大倍數(shù)與放大倍數(shù)K KP P成反比成反比。 控制器的比例度控制器的比例度越小，它的放大倍數(shù)越小，它的放大倍數(shù)K KP P就越大，它將偏

13、差（控制器輸入）放大的就越大，它將偏差（控制器輸入）放大的能力越強(qiáng)，反之亦然。能力越強(qiáng)，反之亦然。maxminmaxmin1=100%PppKxx=PpKe4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響DDZ-DDZ-型比例作用控制，溫度刻度范圍為型比例作用控制，溫度刻度范圍為400400800800，控制器輸出工作范圍是，控制器輸出工作范圍是0 010mA10mA。當(dāng)指示指。當(dāng)指示指針從針從600600移到移到700700，此時(shí)控制器相應(yīng)的輸出從，此時(shí)控制器相應(yīng)的輸出從4mA4mA變?yōu)樽優(yōu)?mA9mA，其比例度的值為，其比例度的值為 %50%10001049

14、/400800600700 對(duì)于這臺(tái)控制器，溫度變化全量程的對(duì)于這臺(tái)控制器，溫度變化全量程的5050（相當(dāng)于（相當(dāng)于200200），控制器的輸出就能從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，），控制器的輸出就能從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，e e和和p p是成比例的。是成比例的。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響比例控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程比例控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響比例控制作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)比例控制作用下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程

15、的影響 為什么會(huì)有余差呢？為什么會(huì)有余差呢？ 存在余差是比例控制的必然結(jié)果，也是比例存在余差是比例控制的必然結(jié)果，也是比例控制的最大缺點(diǎn)?？刂频淖畲笕秉c(diǎn)。 因?yàn)楦軛U是一種剛性結(jié)構(gòu)，達(dá)到新的平衡時(shí)因?yàn)楦軛U是一種剛性結(jié)構(gòu)，達(dá)到新的平衡時(shí)浮球位置必然下移。浮球位置必然下移。 ppuKe4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響如何減小余差如何減小余差? ?對(duì)于一定的輸出值，只要增大對(duì)于一定的輸出值，只要增大 （即減（即減小比例度）就可以減小余差。小比例度）就可以減小余差。 pKppuKe一定的一定的 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)

16、系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 1234564.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 控制器的輸出變化控制器的輸出變化較小，控制閥開(kāi)度較小，控制閥開(kāi)度改

17、變較小，被控變改變較小，被控變量的變化就很緩慢量的變化就很緩慢 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 45當(dāng)比例度減小時(shí)，當(dāng)比例度減小時(shí)，在同樣的偏差下，在同樣的偏差下，控制器輸出較大，控制器輸出較大，控制閥開(kāi)度改變較控制閥開(kāi)度改變較大，被控變量變化大，被控變量變化也比較靈敏，開(kāi)始也比較靈敏，開(kāi)始有些振蕩，余差不有些振蕩，余差不大大 4.2 基

18、本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 3比例度再減小，控比例度再減小，控制閥開(kāi)度改變更大，制閥開(kāi)度改變更大，大到有些過(guò)分時(shí)，大到有些過(guò)分時(shí)，被控變量也就跟著被控變量也就跟著過(guò)分地變化，再拉過(guò)分地變化，再拉回來(lái)時(shí)又拉過(guò)頭，回來(lái)時(shí)又拉過(guò)頭，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)激烈地結(jié)果會(huì)出現(xiàn)激烈地振蕩振蕩 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影

19、響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 2當(dāng)比例度繼續(xù)當(dāng)比例度繼續(xù)減小到某一數(shù)減小到某一數(shù)值時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)值時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，這等幅振蕩，這時(shí)的比例度稱時(shí)的比例度稱為臨界比例度為臨界比例度 k4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？是否可以無(wú)限制地減小比例度呢？ n 比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系統(tǒng)的過(guò)比例度的大小將直接影響被控變量的變化，即系

20、統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。從下圖可以看出：渡過(guò)程。從下圖可以看出： 1當(dāng)比例度小當(dāng)比例度小于臨界比例于臨界比例度度 時(shí)，在時(shí)，在干擾產(chǎn)生后干擾產(chǎn)生后將出現(xiàn)發(fā)散將出現(xiàn)發(fā)散振蕩振蕩 k4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響（3 3）積分控制）積分控制(a)(a)控制思想控制思想當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增長(zhǎng)（當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減小）當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出才停止變化而穩(wěn)定或減小）當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一值上。在某一值上。IIuKedt 積分控制作用的輸出變化量積分控制作用的輸出變化量u uI I與輸入與輸入偏差偏差 e e 的積分

21、成正比的積分成正比, K, KI I 代表積分速代表積分速度。度。4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響積分作用是指控制器的輸出與輸入（偏差）對(duì)時(shí)間的積分作用是指控制器的輸出與輸入（偏差）對(duì)時(shí)間的積分成比例的特性。表達(dá)式為積分成比例的特性。表達(dá)式為 ： 1(t)dt iiueT4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響uI(t)e(t)IAtTuI(t)e(t)IAtTq只要有偏差存在，控制器輸出會(huì)不斷變化，直到偏差為只要有偏差存在，控制器輸出會(huì)不斷變化，直到偏差為00消除余差消除余差q控制器的輸出是偏差隨時(shí)間的積

22、分，當(dāng)控制器的輸出是偏差隨時(shí)間的積分，當(dāng)t t較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出較小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出u(t)u(t)很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，所以一很小，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，所以一般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響比例積分比例積分(PI)(PI)控制控制由比例和積分二種控制作用組合而成。由比例和積分二種控制作用組合而成。 1( ) ( )( )piu tKe te t dtTeKppiKedtT( )e tA1( )() 1 () ()pipip

23、iu tKeedtTKAAdtTAKAtTe(t)e(t)u(t)u(t)A Au uI I=K=KP PAt/TAt/Ti iu uP P=K=KP PA AT Ti i(0)puK A( )2pu TK A4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(d)(d)積分作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響積分作用對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響 ： 采用采用比例積分比例積分控制作用時(shí)，積分時(shí)間控制作用時(shí)，積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響具有兩重性。對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響具有兩重性。在同樣的在同樣的比例度下，縮短積分時(shí)間比例度下，縮短積分時(shí)間T Ti i，將使積分調(diào)，將使積分調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除余差，這

24、是有利的節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除余差，這是有利的一面。但縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作一面。但縮短積分時(shí)間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作用后，會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的用后，會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向。傾向。積分時(shí)間越短，振蕩傾向越強(qiáng)烈，積分時(shí)間越短，振蕩傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩，這是不利甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩，這是不利的一面。的一面。 由圖可以看出，積分時(shí)間過(guò)大或過(guò)小由圖可以看出，積分時(shí)間過(guò)大或過(guò)小均不合適。均不合適。T Ti i過(guò)大，積分作用不明顯，余過(guò)大，積分作用不明顯，余差消除很慢，見(jiàn)曲線差消除很慢，見(jiàn)曲線3 3，T Ti i過(guò)小，過(guò)渡過(guò)程過(guò)小，過(guò)渡過(guò)程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降

25、低，見(jiàn)曲線振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見(jiàn)曲線1 1。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響積分作用的特點(diǎn)：積分作用的特點(diǎn)： 消除余差，會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。消除余差，會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)： 引入積分作用以后，能消除余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定引入積分作用以后，能消除余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然會(huì)降低，所以在使用過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)降低比例性必然會(huì)降低，所以在使用過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）作用（增大比例度或降低比例增益） 當(dāng)對(duì)象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長(zhǎng)、最大偏當(dāng)對(duì)象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間較長(zhǎng)、最大偏差也較大；負(fù)荷變化過(guò)于劇烈時(shí)，由于

26、積分動(dòng)作緩差也較大；負(fù)荷變化過(guò)于劇烈時(shí)，由于積分動(dòng)作緩慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用慢，使控制作用不及時(shí)，此時(shí)可增加微分作用積分控制積分控制最大的優(yōu)點(diǎn)最大的優(yōu)點(diǎn)是消除余差是消除余差 最大的缺點(diǎn)最大的缺點(diǎn)是動(dòng)作緩慢、產(chǎn)生相位滯后、穩(wěn)定性降低是動(dòng)作緩慢、產(chǎn)生相位滯后、穩(wěn)定性降低4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響n 比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作的。也就是說(shuō)，被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作的。也就是說(shuō)，危險(xiǎn)危險(xiǎn)已經(jīng)發(fā)生已經(jīng)發(fā)生，然后，然后“亡羊補(bǔ)牢亡

27、羊補(bǔ)牢”。n 有沒(méi)有一種控制規(guī)律能夠在危險(xiǎn)還沒(méi)發(fā)生，就能夠根有沒(méi)有一種控制規(guī)律能夠在危險(xiǎn)還沒(méi)發(fā)生，就能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)據(jù)經(jīng)驗(yàn)提前預(yù)見(jiàn)提前預(yù)見(jiàn)到將要到來(lái)的危險(xiǎn)，而產(chǎn)生提前控制作用到將要到來(lái)的危險(xiǎn)，而產(chǎn)生提前控制作用呢？呢？4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響（4 4）微分控制）微分控制(a)(a)控制思想控制思想比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作。但對(duì)于慣性較的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動(dòng)作。但對(duì)于慣性較大的對(duì)象，為了使控制作用及時(shí)，常常希望能根據(jù)大的對(duì)象，為了使控制作

28、用及時(shí)，常常希望能根據(jù)被控被控變量變化的快慢變量變化的快慢來(lái)控制。在人工控制時(shí)，雖然偏差可能來(lái)控制。在人工控制時(shí)，雖然偏差可能還小，但看到參數(shù)變化很快，估計(jì)到很快就會(huì)有更大偏還小，但看到參數(shù)變化很快，估計(jì)到很快就會(huì)有更大偏差，此時(shí)會(huì)先改變閥門開(kāi)度以克服干擾影響，它是根據(jù)差，此時(shí)會(huì)先改變閥門開(kāi)度以克服干擾影響，它是根據(jù)偏差的速度偏差的速度而引入的而引入的超前控制作用超前控制作用，只要偏差的變化一，只要偏差的變化一露頭，就立即動(dòng)作，這樣控制的效果將會(huì)更好。微分作露頭，就立即動(dòng)作，這樣控制的效果將會(huì)更好。微分作用就是模擬這一實(shí)踐活動(dòng)而采用的控制規(guī)律。用就是模擬這一實(shí)踐活動(dòng)而采用的控制規(guī)律。微分控制微

29、分控制主要用來(lái)克服被控對(duì)象的容量滯后主要用來(lái)克服被控對(duì)象的容量滯后( (時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T)T)，但不，但不能克服純滯后能克服純滯后。 4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(b)微分作用是指控制器的輸出與輸入變化率微分作用是指控制器的輸出與輸入變化率成比例關(guān)系，或比例的特性。表達(dá)式為：成比例關(guān)系，或比例的特性。表達(dá)式為： ( )ddde tuTdte(t)e(t)u(t)u(t)T TT T+ +e(t)e(t)u(t)u(t)0 00 0+ +AtAtT Td dA A4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響

30、u這種控制器用在系統(tǒng)中，即使偏差很小，只要這種控制器用在系統(tǒng)中，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，馬上就進(jìn)行控制，故有出現(xiàn)變化趨勢(shì)，馬上就進(jìn)行控制，故有超前控超前控制制之稱，這是它的之稱，這是它的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。u但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數(shù)值很大，微分作用也沒(méi)有輸出，因定，即使數(shù)值很大，微分作用也沒(méi)有輸出，因而控制結(jié)果不能消除偏差，所以而控制結(jié)果不能消除偏差，所以不能單獨(dú)使用不能單獨(dú)使用這種控制器。這種控制器。4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(c)( )( ) ( )pdde tu tKe

31、tTdteKp( )pdde tK Tdte(t)Ae(t)0Atu(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響(d)(d)從圖看出，微分時(shí)間太大及太小均不合適，應(yīng)取適從圖看出，微分時(shí)間太大及太小均不合適，應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。當(dāng)?shù)臄?shù)值。 TdTd ，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)，微分作用加強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，表現(xiàn)為：衰減比減少；過(guò)渡過(guò)程的最大偏差減少為：衰減比減少；過(guò)渡過(guò)程的最大偏差減少emaxemax ；過(guò)渡時(shí)間過(guò)渡時(shí)間tptp ； TdTd太大，微分作用太強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速度過(guò)快

32、，太大，微分作用太強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)速度過(guò)快，引起系統(tǒng)振蕩引起系統(tǒng)振蕩. . 引入微分作用以后，不能消除余差，但余差會(huì)引入微分作用以后，不能消除余差，但余差會(huì)有所減少。微分作用對(duì)純滯后的對(duì)象不起作用。一有所減少。微分作用對(duì)純滯后的對(duì)象不起作用。一般溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常需加微分作用，其他系統(tǒng)需要較般溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常需加微分作用，其他系統(tǒng)需要較少。少。4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響在工業(yè)生產(chǎn)中，常將比例、積分、微分三種作用規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)中，常將比例、積分、微分三種作用規(guī)律結(jié)合起來(lái)，可以得到較為滿意的控制質(zhì)量，包括這三結(jié)合起來(lái)，可以得到較為滿意的控制質(zhì)量，包括這三

33、種控制規(guī)律的控制器稱為比例積分微分三作用控制器，種控制規(guī)律的控制器稱為比例積分微分三作用控制器，習(xí)慣上稱為習(xí)慣上稱為PIDPID控制規(guī)律，其理想的輸出與輸入的關(guān)系控制規(guī)律，其理想的輸出與輸入的關(guān)系為：為：1( )()pdideu tKeedtTTdt理想理想PIDPID算法算法4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI1( )()pdideu tKeedtTTdt1()( )dpddiTdudeuKee t dt TKdtTdt4.2 基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響基本控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程

34、的影響(f)(f)常見(jiàn)對(duì)象特點(diǎn)及其常用調(diào)節(jié)器類型常見(jiàn)對(duì)象特點(diǎn)及其常用調(diào)節(jié)器類型液位液位滯后不大，一般控制要求不高，常用滯后不大，一般控制要求不高，常用P P或或PIPI調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器；流量流量滯后很小，響應(yīng)快，測(cè)量信號(hào)有脈動(dòng)信號(hào)，滯后很小，響應(yīng)快，測(cè)量信號(hào)有脈動(dòng)信號(hào)，常用常用PIPI調(diào)節(jié)器（一般不能加調(diào)節(jié)器（一般不能加D D）；）；壓力壓力液體介質(zhì)：滯后小，氣體介質(zhì)：滯后適中，液體介質(zhì)：滯后小，氣體介質(zhì)：滯后適中，常用常用P P或或PIPI調(diào)節(jié)器，有時(shí)可用位式控制；調(diào)節(jié)器，有時(shí)可用位式控制；溫度溫度滯后較大，響應(yīng)較慢，常用滯后較大，響應(yīng)較慢，常用PIDPID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 4.3 模擬式控制

35、器模擬式控制器模擬式控制器中，所傳送的信號(hào)形式為連續(xù)的模擬信號(hào)。模擬式控制器中，所傳送的信號(hào)形式為連續(xù)的模擬信號(hào)。分為分為氣動(dòng)與電動(dòng)兩類控制器氣動(dòng)與電動(dòng)兩類控制器?？刂破鞯淖饔每刂破鞯淖饔檬菍⒈豢刈兞繙y(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，是將被控變量測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，然后對(duì)比較后得到的偏差進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并然后對(duì)比較后得到的偏差進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制。量的自動(dòng)控制。 模擬調(diào)節(jié)器（控制算法由電路實(shí)現(xiàn)）模擬調(diào)節(jié)器（控制算法由電路實(shí)現(xiàn)） 數(shù)字控制器（含數(shù)字控制器（含CPUC

36、PU，控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)），控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)） 4.3 模擬式控制器模擬式控制器1.1.基本構(gòu)成原理及部件基本構(gòu)成原理及部件 1 1、比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：是將給定信號(hào)與：是將給定信號(hào)與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與它們的偏差成比例的偏差信與它們的偏差成比例的偏差信號(hào)。號(hào)。 2 2、放大器放大器：是一個(gè)穩(wěn)態(tài)增益很：是一個(gè)穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)（電動(dòng)為高放大大的比例環(huán)節(jié)（電動(dòng)為高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器）。倍數(shù)的運(yùn)算放大器）。 3 3、反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)：是通過(guò)正、反反：是通過(guò)正、反反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等饋來(lái)實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等腰三角形控制規(guī)律的。腰三角形控制規(guī)律的?？刂?/p>

37、器基本構(gòu)成控制器基本構(gòu)成4.3 模擬式控制器模擬式控制器2.DDZ-型電動(dòng)控制器型電動(dòng)控制器特點(diǎn)：特點(diǎn)： 4.3 模擬式控制器模擬式控制器4.3 模擬式控制器模擬式控制器圖圖4-18 DTL-31104-18 DTL-3110型調(diào)節(jié)器正面型調(diào)節(jié)器正面圖圖11自動(dòng)自動(dòng)- -軟手動(dòng)軟手動(dòng)- -硬手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)；硬手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)；22雙針垂直指示器；雙針垂直指示器；33內(nèi)給定設(shè)定輪；內(nèi)給定設(shè)定輪；44輸出指示器；輸出指示器；55硬手動(dòng)操作桿；硬手動(dòng)操作桿；66軟手動(dòng)操作板鍵；軟手動(dòng)操作板鍵；77外給定指示外給定指示燈；燈；88閥位指示器；閥位指示器；99輸出記錄指示；輸出記錄指示；1010位號(hào)牌；位號(hào)牌