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1. 化工仪表及自动化 电子课件-5 第五章 自动控制仪表 化学与环境工程学院 化工与制药教研室 湖北民族学院

2. Contents 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 4 2 数字式控制器 1 概 述 3 5 模拟式控制器 可编程序控制器 第五章 自动控制仪表

3. 本章基本要求： 掌握各种基本控制规律及其特点； 熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响。 • 熟悉可编程调节器和可编程控制器的功能和特点； • 了解DDZ-Ⅲ型控制器的特点和基本组成； • 了解可编程控制器的编程方法。

4. 5.1 概述 • 定值调节系统：给定值为常数； • 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化； • 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。 一、控制系统分类 （按被调参数的变化规律分）

5. 通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出—简单；通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出—简单； • 将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。 二、控制目的的实现：

6. 三、控制仪表的发展： • 基地式控制仪表： 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。 • 单元组合式仪表中的控制单元： 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相 应的控制信号。 • 以微处理器为基元的控制装置： 以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机 构等单元为外围设备的系统。

7. 5.2 基本控制规律及其 对系统过渡过程的影响 调节器的基本控制规律 调节器是控制系统的心脏。其作用是将测量变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按照一定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现生产过程的自动控制。 即： p：控制器输出信号 e：偏差 z：测量值 x：给定值

8. p pmax 0 e pmin 检测元件 控制器 加热炉 执行器 电源 一、双位控制 特性曲线： 其对应的执行机械也只有两个极限位置，即“开”或“关”。 应用： 最典型的温度双位控制系统。

9. 理想情况： 当 z ＜ x 时，调节器输出p使继电器吸合而给电热器加热，从而使 z↑； 当 z ≥ x 时， p处于另一极限状态即停止加热，温度再逐渐下降，如此反复进行，使温度维持在给定值附近很小的范围内。 但是，调节机构(继电器)的停过于频繁，运动部件(继电器的触头)容易损坏。 在实际应用中设置一个中间区。在中间区时，控制机械不动作。

10. p 0 t y T yH yL 0 t 有中间区的情况： 品质指标： 振幅=yH-yL 周期=T

11. a b p e Q1 h Q2 二、比例控制（P） 双位控制中，只有两个极限，故被控变量不可避免地产生等幅振荡过程。 为避免这一情况，控制器的输出应与被控变量的偏差e成比例，使被控变量趋于稳定。 图示，杠杆就是最简单元比例控制器。

12. 根据相似三角形，有： e：液位变化量 p：阀杆位移量。 即 令 kp: 称为比例放大倍数（比例增益）

13. 改变支点的位置，就可以改变 kP 的数值。 比例度: 习惯上用比例度δ而非比例放大倍数 kP来表示比例控制的强弱。 定义： 比例度是指控制器输出变化的相对值与输出变化相对值之比的百分数。

14. δ的具体意义： 使控制器输出变化满刻度时（即从 pmin 变为 pmax或从 pmax变为pmin）时，相应仪表测量值的变化量占仪表测量范围之百分数。 如DDZ-Ⅱ型比例控制器，温度刻度范围400~800℃，控制器输出范围0~10mA。当指针从600℃移至700℃时，此时控制器输出从4mA变为9mA，其比例度的值为： 即：当 e 达到全量程的50%时（即 e＝0.5×（800－400）＝200℃时，输出可从0mA变至10mA。

15. 不同δ、p、e之间的关系：

16. δ与kp的关系： 对一个具体的控制器，其pmax－pmin 及 xmax－xmin 是 一定的，故δ与kp 成反比，即δ越小，对偏差的放大 能力越强。

17. 比例控制特点： 1、p 与 e 呈一一对应关系，故控制及时，克服偏差有力。 2、在系统平衡遭到破坏后，达到新平衡后，必然会存在余差。 余差产生之原因： 初始时Q1＝Q2；当阶跃增加，则 h下降，引起 p 增加， 从而Q1增加，只有当 Q1再次与Q2相等时，才建立起新的平 衡，液位才不再变化，要使 Q1增加，阀杆必须上移，而浮 球就必须下移，下移的量即是余差。

18. y y δ＜ δk δ适当 t t y y δ＝ δk δ偏大 t t δ太大 y y δ偏小 t t 怎样克服余差：要减小余差，须使Q1迅速与Q2相等，这就需要大的比例度，但增加比例度则系统稳定性变差。 临界比例度：使过渡过程呈等幅振荡的δ，当δ＜20％就极易出现发散振荡过程。

19. 三、积分控制（I） 数学表达式： KI：积分速度； TI：积分时间。 对积分调节器来说，只要有偏差，调节器的输出就不断变化，偏差存在的时间越长，输出的变化量就越大，只有偏差为零时，输出才相对稳定，故积分控制的作用是试图消除余差。

20. e A 0 t p K At I 0 t 在幅值为A的阶跃干扰作用下，积分控制器的开环输出特性如图：e=A。 则： 纯积分控制缺点： 变化慢，且输出总是滞后于偏差的变化，出现较大的超调量，过渡时间长，从而导致系统的不稳定。

21. e 3.0 1.5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 9 10 t -3.0 例：积分控制中，当 TI＝2 时，输入波形如图A，请绘出输出的波形。 解：当 TI＝2 时， 图 A 当偏差e已知时， 相当于e与t 轴所构成的 面积的总和。但要注意，t 轴的上方面积为正， t 轴的下方面积为负。所以当 TI＝2 时，积分作用的输出 p 在任意。时刻 t 时的值相当于图A所示中 t 时刻前由 e 与 t 所包围面积（如图中阴影部分所示）的一半。

22. p 2.5 2.0 1.5 1.0 0.75 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t 图 B 图 B 所示为 p 的波形。 当 t＞9时，偏差 e 仍存在（且为正），积分作用的输出 p 将继续增加。 只要 e≠0， p将不断变化，即控制作用不断变化，直至 e =0，p 才不再变化，所以积分控制作用是能消除余差的。

23. p e A p A K 0 0 t TI t 四、比例积分控制（PI） 将比例和积分两种控制规律组合： PI 控制将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，在生产中得到广泛应用。 在幅值为 A的阶跃偏差作用下，PI 控制的开环特性： KpA

24. 初始，比例作用使 p 跳升至KpA，然后积分作用使 p 随时间线性增加，数学式： 显然，在 t＝TI 时刻，p＝2KpA，故将 TI定义为：在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍所经历的时间。 积分时间表征积分作用的强弱。 TI越小，积分速度越快，积分控制作用越强。 若TI →∞，则无积分作用，就变成纯比例控制。 工业用PI调节器均设有改变积分时间的旋钮。

25. 五、微分控制（D） 调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。数学表达式： TD—微分时间； de/dt—偏差信号变化速度。 在阶跃变化的偏差 e＝A 作用下，当 t＝t0 时刻，输出为无穷大，其余时刻输出均为 0。即： （ t≠0 ） （ t＝0 ）

26. 理想微分控制的特性曲线： 即使偏差变化很小，都会立即动作，故有超前控制之称，但对固定偏差却无能为力，故不单独使用。 TD 越大，衰减越慢，微分作用越强。微分器就是通过改变微分时间来实现微分作用的强弱控制。

27. 六、比例微分控制（PD） • 按偏差变化速度进行控制，作用比比例作用快； • 对惯性大的对象可改善质量，减小最大偏差，节省控制时间，抑制振荡（不能过大）。

28. 七、比例积分微分控制（PID） 理想PID的数学表达式： • 输出为比例、积分和微分输出之和。 • 快速控制、消除误差，控制性能较好。

29. 问题解答： （1）什么是积分时间? 它对系统过渡过程有什么影响? 答：积分时间 TI是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。积分时间越小，表示积分控制作用越强，数值上 TI＝1 / KI，式中KI 是积分比例系数。 积分时间 TI的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。

30. 问题解答： （2）什么是微分时间 TD ? 它对系统过渡过程有什么影响? 答：微分时间是用来表示微分控制作用强弱的一个参数。微分时间 TD 越大，表示微分控制作用越强。 增加微分时间 TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。但微分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

31. 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，比例度就要选大些以保证稳定。 比例控制特点： 小结： 优点：反应快，控制及时 缺点：存在余差

32. 积分控制特点: • 积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信号的大小,而且主要取决于偏差存在的时间长短。 • 积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。 • 积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。 • 微分作用的特点： • 在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。

33. 比例微分控制 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。 • 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。

34. 三个可调参数 比例度δ、积分时间 TI和微分时间 TD。 适用场合 对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。 控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。 图 PID控制器输出特性 比例积分微分控制

35. （a） （b） （c） （d） • 目前,在化工生产过程中的自动控制系统,常用控制器的控制规律有位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。试综述它们的特点及使用场合。 解：列表分析如下:

36. p pmax 0 e pmin p KpA t0 t p KpA t0 t

37. (1) (2) (3) 图1 输入偏差信号变化曲线 例题分析 1、对一台比例积分控制器作开环试验。已知KC=2，TI= 0.5min。若输入偏差如图1所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。

38. 解：对于PI控制器,其输入输出的关系式为 将输出分为比例和积分两部分,分别画出后再叠加就得到PI控制器的输出波形。比例部分的输出为 积分部分的输出为 例题分析 当KC = 2时,输出波形如图2(a)所示。

39. 当KC = 2 , TI = 0. 5min时 在t=0～1min期间,由于e=0 ,故输出为0。在t=1～3min期间,由于e=1,所以t=3min时,其输出 在t=3～4min期间,由于e=-2,故t=4min时,其积分总输出 图2 输出曲线图 例题分析 故ΔpI输出波形如图2 (b)所示。 将图1(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如图2 (c)所示。

40. 输出信号 偏差 给定信号 放大器 比较环节 － 测量信号 反馈环节 5.3 模拟式控制器 • 比较环节：将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏差信号。 • 放大器：将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。其实质上是一个稳态增益很大的比例环节。 • 反馈环节：将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。对于不同的模拟式控制器，其各部分的具体结构形式及具体的联接方式会有所不同。 一、基本构成原理及部件

41. 二、DDZ—Ⅲ电动控制器 • 采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号：4~20mA DC 或 1~5V DC，信号电流与电压的转换电阻为250。 (2) 高度集成化，可靠性高，维修量少。 (3) 全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。 (4) 功能齐全，结构合理。 (5) 具有本质安全性能。 1、仪表的特点

42. 2、DDZ—Ⅲ电动控制器基本功能 • 控制功能 自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。 手动控制：由人工直接设定输出值——遥控执行器。 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 硬手动：瞬间直接改变输出值。 • 显示功能 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、 （输出）限位报警。 • 调整功能 给定输入调整； 控制参数整定。

43. 3、DDZ—Ⅲ电动控制器结构方框图

44. 炉温控制 4、DDZ—Ⅲ电动控制器外形结构 • 仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部。 • PID参数设定位于仪表内部，拉开整个仪表，可用螺丝刀调整变阻器。

45. 5、控制器的无扰动切换 • 控制器一般都具备自动与手动两种功能。 • 在进行自动与手动两种功能互相切换时，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样使执行器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这称为无扰动切换。

46. DDZ－Ⅱ型控制器在由手动切换到自动时，由于有自动跟踪装置。所以可以实现无扰动一步切换；DDZ－Ⅱ型控制器在由手动切换到自动时，由于有自动跟踪装置。所以可以实现无扰动一步切换； 在由自动切换到手动时，不能实现无扰动一步切换，必须先进行平衡操作（对针），然后才能由自动切换到手动。 DDZ－Ⅲ型控制器在进行手动－自动切换时，自动与软手动之间的切换是双向无平衡无扰动的，由硬手动切换为软手动或由硬手动直接切换为自动也是无平衡无扰动的， 但是由自动或软手动切换为硬手动时，必须预先平衡方可达到无扰动切换。

47. 5.4 数字式控制器 1、实现了模拟仪表与计算机一体化； 2、具有丰富的运算控制功能； 3、使用灵活方便，通用性强； 4、具有通讯功能，便于系统扩展； 5、可靠性高，维护方便。 一、数字式控制器的主要特点

48. 二、数字式控制器的基本构成 1、硬件电路 (1) 主机电路 (2) 过程输入通道： 模拟量、开关量输入通道 (3) 过程输出通道 模拟量、开关量输出通道 (4) 人/机联系部件 (5) 通信接口电路 2、软件 (1) 系统程序 (2) 用户程序

49. 模拟量信号 D/A A/D 模拟量信号 AIO AIO 计算电路 模拟量信号 DIO 模拟量信号 DIO CPU I/O I/O • 通过A/D、D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。 • 数字量控制器的基本结构原理为：

50. 数字量控制器的分类 • 单回路数字控制器 • 为适应DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简易计算机控制系统。 • PLC控制器 • 具有大量I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门的编程语言。 • 商用计算机 • 基于高性能商用CPU的计算机系统，可使用多种高级语言，具有普通家用计算机的全部功能。