1、,第6章 控制器,控制器的作用？在控制系统中，主要可以改变的参数（如设定值的改变、控制器正反作用的选择、手动/自动双向切换）是控制器。控制系统设置控制器的目的是通过它改变整个控制系统的动态特性，以达到控制的目的。,6.1 控制器概述,控制器的分类1、按能源形式分（1）电动：便于信号的传输、放大、变换处理以及实现远距离监视操作，容易与计算机等现代化信息技术工具联用，应用广泛。解决了防爆问题后，也能应用于易燃易爆的危险场所。（2）气动：结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，安全防爆，广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。,2、按信号类型划分（1）模拟式：传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较
2、为简单，操作方便。（2）数字式：传输信号通常是数字量，以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟仪表难以解决的问题。,3、按结构形式划分（1）基地式：将控制机构与指示、记录机构组成一体，结构简单，但通用性差，使用不够灵活，仅用于一些简单控制系统。（2）单元组合式：将整套仪表划分为能独立实现某种功能的若干单元，各个单元之间用统一标准信号联系。（3）组装式：在单元组合仪表的基础发展起来的一种功能分离、机构组件化的成套仪表装置。（4）集散控制系统：兼具控制与网络通讯功能（以微处理器为基础）,6.2 控制器的基本控制规律,控制器的基本控制规律控制器输出信号与输入信号之间的关系。,控制器的输入信
3、号测量值与被控变量的设定值之差。e(t)=y(t)-r(t) 控制器的输出信号送往执行机构的控制命令u(t)。,如何调节阀门开度大小 以保证反应釜内温度为85度？,1）全开或全关（双位控制）2）设阀门开度为三圈，若高于85度，每高出5度就关一圈（比例控制）3）观察测量值，若低于85度，慢慢继续开大阀门，若高于85度，慢慢关小阀门。特点：按偏差决定阀门开启或关闭的速度，而不是直接决定阀门开启的圈数。（积分控制）4）观察偏差的变化速度来开启阀门的圈数。（微分控制）,理想PID控制器的运算规律数学表达式为：,式中：Kp控制器的比例增益；TI积分时间；TD微分时间 可以通过改变这三个参数的大小来改变控
4、制作用大小及规律。（1）若TI为 ，TD为0，则为比例控制；（2）若TD为0，则为比例积分控制；（3）若TI为 ，则为比例微分控制。,一、连续PID控制算法,1P控制器（比例控制器）,（1）比例控制规律,比例控制器的传递函数为：,0,t,阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性,是衡量比例作用强弱的因素。,（2）比例度,控制器的比例度 可以理解为：要使输出信号做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。在单元组合仪表中， （ZmaxZmin）= （umaxumin）越小，则 越大，比例控制作用越强。,（ZmaxZmin）为控制器输入信号的变化范围；（量程） （umaxumin）为控制器输出信
5、号的变化范围。,（3）比例度对系统过渡过程的影响,扰动作用,设定作用,a.在扰动及设定值变化时有余差存在。 较小时，余差较小。b.比例度 越大，过渡过程曲线越平稳；比例度减小，系统的振荡程度加剧，衰减比减小，稳定程度降低。当比例度 减小到某一数值时，系统将出现等幅振荡，这时的比例度称为临界比例度 。当比例度小于临界比例度时，系统将发散振荡。c. 扰动作用下，比例度越小，最大偏差越小；设定作用下，且系统处于衰减振荡时，比例度越小，最大偏差越大。d. 比例度较小，振荡频率高，因此，把被控变量拉回到设定值所需的时间短。,比例控制的特点：输出与偏差成比例，当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及
6、时、过渡时间短，但存在余差。负荷变化越大，余差越大。适用对象：控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上允许有余差的场合。例：压缩机储气罐、压力控制、储液槽液位控制等。,一般而言，当广义对象的放大系数较小、时间常数较大、时滞（ ）较小的情况下，控制器的比例度可选得小些，以提高系统的灵敏度；当广义对象的放大系数较大、时间常数较小、时滞较大的情况下，控制器的比例度必须选得大些，以增加系统的稳定性。,2PI控制器（比例积分控制器）,积分时间TI的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出两倍所经历的时间。它是描述积分作用强弱的一个物理量。在Kp和A确定的情况下，积分时间越大，积分作用越弱。阶跃偏差
7、作用下，比例积分控制器的开环输出特性为：,注意：比例积分控制器在投运之前，需对比例度和积分时间进行校验。测定积分时间的方法：将比例度置于100%的刻度上，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的输出跳变值KpA，同时按秒表计时，等到积分输出与比例输出相同时，所经历的时间就是积分时间。,注意：在比例控制中引入积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性（衰减比减小）。若要保持系统原有的衰减比，必须相应地加大控制器的比例度，这会使系统的其他控制指标（如系统回到稳态的时间延长）下降。因此，如果余差不是主要的控制指标，就没有必要引入积分作用。,积分时间对系统过渡过程的影响在一个纯比例控制的闭环
8、系统中引入积分作用时，若保持控制器的比例度不变，随着积分时间的减小，积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降。,积分饱和的问题定义：如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管PID所得的运算结果继续增大或减小（积分过量），但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。 教材P108危害：积分饱和引起控制作用的推延乃至失灵，严重时会发生故障。解决方法：实现PI-P控制规律，即当控制器的输出在某一范围内时，是PI作用，消除余差；当输出超出某一限值时，是P作用，防止积分饱和。,比例积分控制特点：由于引入积分作用，系统具有消除余差的能力。但加上积分作用使稳
9、定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡时间变长。适用对象：控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上不允许有余差的场合。例：流量、压力和要求严格的液位控制系统。,3、比例微分控制（PD）,阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性,KD为微分增益（微分放大倍数）。微分器的输出只与偏差变化的速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，无论其数值多大，微分器都无输出。因此常与比例控制结合在一起使用。,理想微分开环输出特性（P109，图6-10）,理想比例微分开环输出特性（P109，图6-11）,微分增益KD是固定不变的，只与控
10、制器的类型有关。 电动控制器的KD一般为510. KD=1，则相当于纯比例控制 KD1，反微分器，运用于噪声较大的系统，起到滤波作用。,微分时间TD的测定（P110）,比例微分控制很少单独使用（但具有超前控制的功能，可减小滞后），在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用，组成PID控制。,4PID控制器（比例积分微分控制器）微分时间对系统过渡过程的影响（P111，图6-15）PID控制器的特点：微分作用可以克服对象的滞后，在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差，所以，适当调整三参数，可以使系统获得较高的控制质量。适用对象：负荷变化和对象容量滞后都较大，控制质量要求较
11、高的系统。例：温度控制系统与成分控制系统。,液位：一般要求不高，可用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量信息中混有噪音，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。,二、控制规律的选择原则,（1）广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应采用微分作用。（2）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求无余差时，可选择比例积分作用。（3）广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，而工艺要求不高时，可选择比例作用。,仪器仪表部分重点回顾,一、自动控制系统的过渡过程,基本概念,1、非
12、振荡衰减过程 2、衰减振荡过程 3、等幅振荡过程 4、发散振荡过程,二、自动控制系统的品质指标,扰动作用、设定作用,1、衰减比n,2、最大偏差A或超调量B,3、余差,4、过渡时间,5、振荡周期或频率,系统对各指标的要求：希望余差尽量小，最大偏差小一些，过渡时间短一些，衰减比要适当。,三、过程特性,1、对象特性：被控对象输出量随输入量及时间变化的特性。控制通道：控制作用至被控变量的信号联系。干扰通道：干扰作用至被控变量的信号联系。,2、响应曲线的类型,（2）无自衡的非振荡过程,（1）自衡的非振荡过程,（3）自衡的振荡过程,（4）具有反向特性的过程,3、过程的数学描述,4、过程特性的一般分析(自衡
13、的非振荡过程),（1）放大系数：K0适当大、Kf应尽可能小,（3）时滞：0应尽可能小、f的大小对系统控制质量影响不大,（2）时间常数：T0适当小、Tf应尽可能大,检测变送,1、检测元件的作用：感知需检测的生产工艺变量，并将其转换为与之成对应关系的输出信号。变送器：将检测元件的输出信号转化为标准统一的电气信号。,2、仪表引用误差和允许误差,3、仪表的性能指标,（1）精确度（精度）、精度等级,（2）变差,（3）线性度,（4）灵敏度与灵敏限,一、基本概念,二、 温度检测,1. 热电偶,（1）测温原理热电效应,（2）热电偶的分度表的使用,（3）热电偶冷端温度补偿,1）计算法,2）冰浴法,3）机械调零法
14、,4）补偿电桥法,2、热电阻温度计,测温原理电阻的热效应：电阻随温度的变化而变化。,3、热电偶、热电阻的选用（1）选择 较高温度（500 以上）：热电偶 中低温区：热电阻（ 2）安装 （3）使用,三、流量检测,1、流量检测仪表的分类 （1）速度式 （2）容积式流量计,（3）质量流量计,2、速度式流量计 （1）差压式（节流式）,工作原理：差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用节流装置前后的压差与流量的关系来测流量。,（2）转子流量计,（3）电磁流量计,3、容积式流量计,4、流量仪表的选用（ 1）测量对象对测量的要求,（2） 流体特性对仪表选用的影响（40页表3-5）,（3）注意各种流量仪表的
15、安装条件,表压=绝对压力-大气压 真空度=大气压-绝对压力,四、压力检测,1、常用压力检测仪表,（1）弹性式压力表,（2）应变片式压力传感器,（3）压电式压力传感器,（4）压阻式压力传感器,2、压力表的选用及安装,基本原理、特点,五、物位检测及仪表,1、常用物位检测仪表,（1）差压式液位计1）工作原理利用静压原理来测量。测压力得液位。2）零点迁移,（2）电容式物位计,（3）超声波物位计,（4）核辐射式物位计,2、物位检测仪表的选用,六、变送器,1、变送器量程迁移和零点迁移,2、温度变送器,3、差压变送器（了解结构，掌握用途）,七、执行器,八、控制器,1、气动薄膜控制阀的结构、工作原理；气动薄膜控制阀的流量特性2、流量系数的概念3、阀门定位器的作用,连续PID控制算法（比例度、积分时间、微分时间对过渡过程的影响）,
