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07 第八章 调节规律.ppt

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本课件从偏差与调节器正反作用入手,分别讲解比例、积分、微分三种基本调节规律的数学表达与过渡过程特点,分析比例度、积分时间、微分时间对系统稳定性的影响,并总结 P、PI、PD、PID 四种组合规律的适用对象。

第二篇过程控制仪表篇目页,说明调节器、执行器与辅助仪表构成,并引出DCS与CIMS系统
第八章调节规律导览页,列出比例、积分、微分及其组合调节规律的原理与特点等重点
调节器作用与偏差页,说明无干扰时输出保持不变、有干扰时按偏差产生控制作用使被调参数稳定在给定值
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第1页:第二篇 过程控制仪表

过程控制仪表
调节器或系统、执行器和辅助仪表(电/气、气/电转换器、安全栅等)

计算机控制系统得到广泛应用,利用各种测量仪表和执行器与计算机构成集散型控制系统(DCS),甚至把全厂联成整体的计算机集成制造系统(CIMS)。

第2页:第八章 调节规律

本章内容
第一节 比例调节规律;第二节 积分和比例积分调节规律;第三节 微分和比例微分调节规律;第四节 比例积分微分调节规律

重点:调节规律,P、I、D 调节规律的原理和特点。

第3页:调节器的作用与偏差

  • 无干扰时 PV = SV、DV = 0,调节器保持操作值 MV0 不变(控制点),执行器位置不变
  • 有干扰时 PV ≠ SV、DV ≠ 0,输出 MV = MV0 + ΔMV,其中 ΔMV = f(DV) 即用于克服干扰的控制作用
  • 偏差 DV = PV − SV

第4页:基本调节规律与调节器正反作用

  • 最基本调节规律四种:位式调节、比例调节 P、积分调节 I、微分调节 D
  • 组合后常用调节规律四种:P、PI、PD、PID

调节器正反作用:DV > 0 时 ΔMV = f(DV) > 0 为正作用;ΔMV = f(DV) < 0 为反作用。

第5页:比例调节规律及其特点

比例调节规律:调节器输出与输入信号(偏差)成比例,输出变化量 ΔMV = KP·DV。

  • KP 为比例系数,可调,可大于 1 也可小于 1
  • KP 越大输出变化越大、调节作用越强
  • 比例调节器相当于放大倍数可调的放大器

第6页:比例度及其影响

比例度是调节器输入的相对变化量与输出相对变化量之比的百分数:

PB = (DV/(PVmax − PVmin)) / (ΔMV/(MVmax − MVmin)) × 100% = (1/KP) × ((MVmax − MVmin)/(PVmax − PVmin)) × 100%

对单元组合式调节器,输入输出均为统一信号,则 PB = (1/KP) × 100%,可调范围 5%~250%。

第7页:比例度对调节过程的影响

  • PB 小:调节作用强,过程波动大、不易稳定,会出现等幅或发散振荡
  • PB 适当:最大偏差和余差均不大
  • PB 太大:KP 太小,作用弱,调节过程缓慢

比例作用特点:作用及时、作用强;阶跃干扰下有余差,调节精度不高,只适用于干扰较小、允许有余差的对象,要求高时应加入积分作用。

第8页:积分调节规律及其特点

积分就是随时间进行累积,积分调节指对偏差 DV 的积分作用,TI 称为积分时间,1/TI 称为积分速度。

  • 偏差存在时即使很小,只要时间足够长积分输出也可以很大;偏差不存在时输出停止变化
  • 积分作用能消除余差

第9页:积分作用的特点

  • 输出变化量与偏差的积分成正比
  • 可消除余差:只要 DV 存在,ΔMV 就随时间增加,直至 DV = 0
  • 调节作用较比例调节慢,所以积分作用不单独使用,而与比例作用合用

积分时间 TI 表示积分作用大小,TI 减小则积分作用增大。

第10页:比例积分(PI)调节规律

PI 调节:ΔMV = KP(DV + (1/TI)∫DV dt),既具有调节及时、克服偏差有力的特点,又能克服余差。

  • TI 太小:积分作用太强,过程振荡不稳
  • TI 太大:积分作用太弱,余差消除很慢
  • 积分作用会加强系统振荡,滞后大的对象更明显
  • 采用 PI 时 PB 比纯比例调节时稍大(约 1.2 倍)以保证稳定性

第11页:微分调节规律

微分调节按偏差变化速度产生调节作用,以「超前」方式克服预计的偏差,采取过量调节方法,能改善过渡滞后较大对象的调节质量。

理想微分:ΔMV = TD·dDV/dt,TD 为微分时间,输出变化量与偏差变化速度成正比。

  • 不能克服静偏差,DV = 0 时微分不起作用
  • DV 匀速变化时 ΔMV 为常数
  • DV 为阶跃形式时 ΔMV 趋于无穷

第12页:实际微分调节器与微分时间

实际微分调节器输出由比例作用和近似微分作用两部分组成,比例作用的比例度固定为 100%,实质上是一个比例度不变的比例微分调节器:ΔMV = KP(DV + TD·dDV/dt)。

  • 输出下降微分作用部分的 63.2% 所花时间为时间常数 T,TD = T·KD
  • TD 太大:微分作用强,增加系统不稳定性,易引起振荡
  • TD 太小:微分作用弱,最大偏差减小,稳定性较好

第13页:微分作用的特点

  • 具有「超前」作用,对偏差变化快、过渡滞后大的对象可提高调节质量,但不能克服纯滞后
  • 有余差,但比纯比例调节小
  • 实际微分调节器比例度不能改变(100%),微分作用只在偏差变化时才起作用,故一般不单独使用,而是构成 PD 或 PID

第14页:比例积分微分(PID)调节

对阶跃偏差:微分先起主导作用使输出大幅度变化,产生强烈调节作用;随后微分作用消失,积分逐渐占主导地位,直到余差完全消失。

  • TD = 0:微分作用消失,成为 PI 调节器
  • TI = 无穷大:积分作用消失,成为 PD 调节器
  • TD = 0 且 TI = 无穷大:成为 P 调节器

第15页:四种调节规律小结

  • 比例:按偏差大小输出,调节及时但有余差;PB 减小作用增大,太小会引起振荡
  • 积分:按偏差存在时间输出,可消除余差,但使最大偏差增大、过渡时间变长;TI 减小作用增大,太小引起振荡
  • 微分:按偏差变化速度输出,有超前调节作用,对过渡滞后大的对象效果好,可减小最大偏差与过渡时间;TD 增大作用增大,太大引起振荡

习题:2、5

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