09 第9章 基本控制规律.pptx

第1页：第九章封面

第九章封面

化工仪表及自动化第九章基本控制规律

第2页：第九章内容提要（一）

第九章内容提要（一）

• 位式控制
• 双位控制
• 具有中间区的双位控制
• 多位控制
• 比例控制
• 比例控制规律及其特点
• 比例度及其对控制过程的影响
• 积分控制
• 积分控制规律及其特点

第3页：第九章内容提要（二）

第九章内容提要（二）

• 比例积分控制规律与积分时间
• 积分时间对系统过渡过程的影响
• 微分控制
• 微分控制规律及其特点
• 实际的微分控制规律及微分时间
• 比例微分控制系统的过渡过程
• 比例积分微分控制

第4页：控制规律的定义

控制规律的定义

• 概论3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。
• 在研究控制器的控制规律时

第5页：基本控制规律

基本控制规律

概论控制器的基本控制规律位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）

第6页：双位控制

双位控制

图9-1理想双位控制特性图

5理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为

• 9-2双位控制示例

第7页：具有中间区的双位控制

具有中间区的双位控制

图9-3实际的双位控制规律|二、具有中间区的双位控制图

6将上图中的测量装置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。由于设置了中间区，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。

• 9-4具有中间区的双位控制过程

第8页：双位控制的品质指标

双位控制的品质指标

标结论被控变量波动的上、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、成本较低、易于实现，因而应用很普遍

第9页：多位控制

多位控制

图9-5三位控制器特性图

控制装置的复杂程度增加。

第10页：比例控制的引入

比例控制的引入

图9-6水槽液位控制

9在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。

第11页：比例控制规律及其特点

比例控制规律及其特点

图9-7比例控制器图

一、比例控制规律及其特点比例控制器KCeΔp

• 9-4）10
• 9-8简单比例控制系统示意图比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量

第12页：比例控制器的推导

比例控制器的推导

例控制的控制器（9-5）

第13页：比例度

比例度

• 12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。
• （9-7）
• 二、比例度及其对控制过程的影响1.比例度

第14页：比例度计算举例

比例度计算举例

是100～200℃,电动控制器的输出是0～10mA,假如当指示值从140℃变化到160℃时,相应的控制器输出从3mA变化到8mA,这时的比例度为为

第15页：温度变化与输出的关系

温度变化与输出的关系

• 40%时,控制器的输出从0mA变化到10mA。
• 在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化Δp是成比例的。
• 但是当温度变化超过全量程的40%时(在上例中即温度变化超过40℃时),控制器的输出就不能再跟着变化了。
• 这是因为控制器的输出最多只能变化100%。
• 所以,比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变量占满量程的百分数。
• 说明

第16页：比例度与输入输出的关系

比例度与输入输出的关系

图9-9比例度与输入输出的关系即（

15

• 9-8）将式（9-7）改写后得对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令（9-9）

第17页：比例放大倍数与比例度

比例放大倍数与比例度

在单元组合式仪表中（9-11）

• 9-9)代入式(9-8)，得（9-10）而KC值与δ值都可以用来表示比例控制作用的强弱。

第18页：简单水槽比例控制过程

简单水槽比例控制过程

图9-10简单水槽的比例控制过程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

17左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。

• 9-11比例度对过渡过程的影响在t=t0时，系统外加一个干扰作用

第19页：比例控制的优缺点

比例控制的优缺点

• 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。
• 结论

第20页：积分控制规律及其特点

积分控制规律及其特点

图9-12积分控制规律对式(

19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Δp与输入偏差e的积分成正比，即（9-12）

• 9-12)微分,可得（9-14）当输入偏差是常数A时（9-13）

第21页：积分控制的结论

积分控制的结论

• 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

第22页：积分控制过程

积分控制过程

图9-13液位控制系统图

• 9-14积分控制过程

第23页：比例积分控制规律与积分时间

比例积分控制规律与积分时间

图9-15比例积分控制规律

制规律可用下式表示（9-15）

第24页：积分时间的推导

积分时间的推导

23由于（9-16）则（9-17）若偏差是幅值为A的阶跃干扰（9-18）在时间t=TI时，有（9-19）

第25页：积分时间对过渡过程的影响

积分时间对过渡过程的影响

图9-16积分时间对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响具有两重性当缩短积分时间,加强积分控制作用时,一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过程振荡加剧,稳定性降低。积分时间越短,振荡倾向越强烈,甚至会成为不稳定的发散振荡

三、积分时间对系统过渡过程的影响

第26页：微分控制的引入

微分控制的引入

• 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

第27页：微分控制规律及其特点

微分控制规律及其特点

图9-17微分控制的动态特性具有微分控制规律的控制器（

26优点具有超前控制功能。

• 9-20）

第28页：实际微分控制规律及微分时间

实际微分控制规律及微分时间

• 的特点——在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。
• 实际微分控制规律是由两部分组成：比例作用与近似微分作用，其比例度是固定不变的，δ恒等于100%，所以认为：实际的微分控制器是一个比例度为100%的比例微分控制器。
• 微分作用

第29页：实际微分器输出曲线

实际微分器输出曲线

图9-18实际微分器输出变化曲线当输入是一幅值为A的阶跃信号时(

• t=∞时,Δp=A。
• 微分控制器在阶跃信号的作用下,输出Δp一开始就立即升高到输入幅值A的KD倍,然后再逐渐下降,到最后就只有比例作用A了。
• 微分放大倍数KD决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度

• 9-21)可见，t=0时,Δp=KDA；

第30页：微分时间

微分时间

数，它决定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。(9-22)在t=T时,整个微分控制器的输出为(9-25)假定则(9-23)(9-24)

第31页：比例微分控制的过渡过程

比例微分控制的过渡过程

• 和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（9-27）比例微分控制器的输出Δp等于比例作用的输出ΔpP与微分作用的输出ΔpD之和。
• 改变比例度δ(或KC)和微分时间TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。
• 说明：

第32页：微分时间对过渡过程的影响

微分时间对过渡过程的影响

本页为10 第九章 基本控制规律章节封面，标注课程名称与本章主题、内容框架。

第33页：比例积分微分控制

比例积分微分控制

微分三种控制作用的控制器称为比例积分微分控制器。（9-28）

第34页：PID控制器输出特性

PID控制器输出特性

本页为10 第九章 基本控制规律章节封面，标注课程名称与本章主题、内容框架。

第35页：例题1 控制规律比较

例题1 控制规律比较

• 1.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:（a）（b）（c）（d）

第36页：控制规律比较表（一）

控制规律比较表（一）

第37页：控制规律比较表（二）

控制规律比较表（二）

说明：原表横跨两页并按列提取，关系式一列中的图号(a)～(d)为原课件中对应的响应曲线编号。

第38页：控制规律关系式汇总

控制规律关系式汇总

(9-11)（9-27）（9-28）

第39页：例题2 PI控制器开环试验

例题2 PI控制器开环试验

图9-21所示,试画出该控制器的输出信号变化曲线。图

• 2.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

• 9-21输入偏差信号变化曲线

第40页：例题2解答

例题2解答

图9-22(a)所示。积分部分的输出为

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。比例部分的输出为当KC=2时,输出波形如

第41页：PI控制器输出曲线

PI控制器输出曲线

图9-22输出曲线图当KC=；图9-22(b)所示。将图；图9-22(c)所示

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,其积分总输出故ΔpI输出波形如

• 9-22(a)、(b)曲线叠加,便可得到PI控制器的输出,如

第42页：本章结束页

本章结束页

本页为本章结束页，标示本章内容讲完。