自动化装置及仪表第一章-第1节控制器的运算规律和构成方式.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 模拟式控制器,第一节 控制器的运算规律和构成方式,第二节 基型控制器,第三节 特种控制器和附加单元,模拟式,控制器,1,控制器运算规律,P,、,I,、,D,、,PI,、,PD,、,PID,基型控制器各个电路框图和原理图分析,特种控制器电路原理图分析,附加单元电路原理图分析,本章重点内容介绍,积分反馈型积分限幅控制器,PI-P,切换控制器,偏差报警单元,输出限幅单元,（务必读懂电路原理图）,2,控制器,(,也称调节器,),，将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例,(,P,),、积分,(,I,),、微分,(,D,),运算，并输出统一标准信号,去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。,图,1-1,单回路控制系统方框图,控制器,对象,变送器,给定值,偏差,测量值,被控变量,扰动,x,s,x,i,y,3,一、基本定义,正反作用、,K,P,、,、,T,I,、T,D,、K,I,、K,D,二、基本知识,1.,P、I、D、PI、PD,等调节器阶跃响应特性曲线的绘制,（会在坐标上画阶跃作用下的响应,曲线）,2.,、T,I,、T,D,的测试方法,（根据定义，实验方法）,本节重点内容介绍,第一节 控制器的运算规律和组成方式,4,图,1-1,单回路控制系统方框图,控制器,对象,变送器,给定值,偏差,测量值,被控变量,扰动,x,s,x,i,y,输入信号：,测量信号和给定信号比较的偏差信号，用,表示。,=x,i,-,x,s,输出信号：,在偏差信号的作用下，输出的变化量，用,y,表示。,第一节 控制器的运算规律和组成方式,一、概述,5,第一节 控制器的运算规律和组成方式,控制器的运算规律,是指控制器的输出信号 和输入偏差之间 随时间变化的规律。,y,一、概述,对输入偏差 而言，由于其初值为零，因此,基本运算规律,有比例（,P,）、积分（,I,）和微分（,D,）三种，各种控制器的运算规律均由这些基本运算规律组合而成。,y,y,习惯上称,0,为正偏差；,0,时,0,称控制器为正作用控制器；,0,称控制器为反作用控制器。,6,二、,PID,控制器的运算规律,（一）,PID,运算规律的表示形式,1.,理想,PID,控制器,微分方程表示法,传递函数表示法,比例增益,积分时间,微分时间,7,2.,实际,PID,控制器,F,控制器变量之间的相互干扰系数，可表示为,考虑相互干扰系数后的实际比例增益,K,P,F,T,I,F,K,I,D,F,T,K,D,考虑相互干扰系数后的实际积分时间,考虑相互干扰系数后的实际微分时间,微分增益,积分增益,8,具有比例控制规律的控制器称为,P控制器，其输出信号,与输入偏差,（当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）之间成比例关系。,（二）,P,运算规律,P,调节器,y,或,K,p,比例作用,K,p,比例作用,比例增益,9,给,P,调节器输入一个阶跃信号，输出,信号立即产生一个向上的跳变。,t,y,t,Kp,1,Kp,1,呈现放大作用,Kp,x,s,进入调节器，经,P,运算后，则有,y,去克服扰动,f，,力图使,，,但是,P,调节器的输出,y,和输入,因成正比关系而有相互对应关系，若想输出一定的信号,y,去克服扰动,f,的影响，就必须有一定的输入信号,存在。,16,因此，比例调节过程结束时，总存在一个,，,=x,i,x,s式中,x,i,新稳态值,x,s,给定值,余差,所以，,P,调节器当负荷发生变化时（,x,i,发生变化），或给定值发生变化时（,x,s,发生变化）均会产生余差，其大小和比例增益有关。,K,P,余差,17,练习1,一台比例调节器，输入信号15,V，,输出信号420,mA,，,若,=40%,时，输入信号变化量为1,V，,输出信号的变化量为多少？,分析,:,使用,定义,18,答：,19,练习2,两台比例调节器的输入范围相等，输出范围相等，输出信号的变化量相同，第一台的输入信号的变化量为8,mA,，,第二台的输入信号的变化量为4,mA,，,两台比例调节器，哪一台的比例增益大？,分析,:,使用,K,P,答：,y,=,K,P,，y,相等，,越小，,K,P,越大，第二台的,K,P,大。,20,练习3,液位控制系统采用纯比例调节器，在开车前要对变送器、调节器和执行器进行联校，当,=20%，,偏差=0时，手动操作使调节器的输出=50%，若给定信号突变5%，试问突变瞬间调节器的输出处在什么位置上？,分析,:,使用,定义,、,正反作用,21,答：,=20%，,表明,K,P,=5；,给定信号突变5%，表明调节器的偏差信号同样突变5%;,调节器的输出信号变化量为5%5=25%，,考虑到正作用，调节器的输出信号处于50%+25%=75%;,考虑到反作用，调节器的输出信号处于50%-25%=,25%,。,22,练习,4,某调节器的测量信号的指针由50%下降到25%时，若该调节器的比例输出信号由12,mADC,下降到8,mADC,，,则调节器的比例带,P,B,为多少？该调节器的作用方向是正还是负？,分析：利用比例带,P,B,定义和正反作用,23,答：,由比例带的定义：,其中,代入上式可得：,当测量信号下降（,50%-25%,）时，输出信号也下降（,12mA-8mA),，输入与输出成正比例的关系，故该调节器的作用是正作用。,24,(,三,)I,运算规律,I,调节器,输出信号和输入信号对时间的积分成正比。,积分时间,T,I,积分作用,T,I,积分作用,或,25,输入阶跃信号，输出信号随时间的延长不断增加，当输入信号（偏差）结束时，输出信号就停留在某个位置上，即,控制器的输出才稳定下来。,T,I,，曲线斜率，积,分作用；,T,I,，曲线斜率，积,分作用,t,无定位特性,T,I,小,T,I,大,t,y,26,输出信号和输入信号存在的有关因素：,大小,方向,时间,无定位特性,无定位特性的定义是：,当输入信号消除时，,I,调节器的输出可以稳定在任何一个数值上。,27,I,调节器的特点,只要偏差存在，输出就会随着时间不断地增长，直到,偏差消除,为止。,偏差刚出现时，积分输出的反应缓慢，不象比例那样及时迅速，故控制作用缓慢，造成控制不及时，调节过程拖长，使系统稳定裕度下降。,积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构成,PI,控制器,。,消除余差,28,(,四,)PI,运算规律,PI,调节器,具有比例积分控制规律的控制器称为,PI,控制器。,理想,PI,控制器的特性,或,（综合两者的优点，形成,PI,调节器）,积分时间,比例增益,PI,调节器的特点,输出信号响应速度快，消除余差。,29,输入阶跃信号，,开始一瞬间，输出信号向上跳跃一下，形成比例作用。然后，随着时间的增加而逐渐上升，形成积分作用。可见,PI,调节器的输出是,比例和积分的合成。,t,y,t,阶跃响应特性,30,图,1-3,理想,PI,控制器的阶跃响应特性,阶跃响应特性,t,0,t,0,y,K,P,y=,y,I,P,y,P,TI,可表示为比例作用输出与积分作用输出之和。其中,在阶跃偏差信号作用下，理想,PI,控制器的输出随时间变化的表达式为：,比例作用输出,积分作用输出,31,当积分作用输出与比例作用输出相等时，,即,可得,积分时间,T,I,的意义,T,I,愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。,积分时间,T,I,的测定,PI,调节器整定的参数:,（或,K,P,）和,T,I,T,I,的定义：,调节器在阶跃输入信号的作用,下，积分部分的输出变化到和比例部分,的输出相等时所经历的时间为,T,I,。,32,实际,PI,控制器的特性,实际,PI,控制器的传递函数为：,在阶跃偏差信号作用下，实际,PI,控制器的输出为：,阶跃响应特性,t,0,t,0,y,K,P,K,P,K,I,图,1-4,实际,PI,控制器的阶跃响应特性,e,),33,上述分析表明：,积分部分的输出具有饱和特性，我们把,t,时，,PI,调节器出现积分饱和时的 增益（开环增益）,K=K,P,K,I,称为,静态增益,，式中的,K,I,称为,积分增益,。,K,P,K,I,K,P,y,t,t,积分增益,34,K,I,的物理意义表明实际的,PI,调节器消除余差的能力，,K,I,余差,。,K,I,的定义：,在阶跃输入信号的作用下，,实际的,PI,调节器的输出的最终,变化量和初始变化量之比。,积分增益,K,I,35,控制点偏差和控制精度,当控制器的输出稳定在某一值时，测量值与给定值之间存在的偏差通常称为,控制点偏差,。,当控制器的输出变化为满刻度时，控制点的偏差达最大，其值可以表示为：,控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的,控制精度（,）,。,36,控制点偏差和控制精度,考虑到控制器输入信号（偏差）和输出信号的变化范围是相等的，因此，控制精度可以表示为：,控制精度是控制器的重要指标，表征控制器消除余差的能力。,K,I,（,或,K,）愈大，控制精度愈高，控制器消除余差的能力也愈强。,37,理想,PI,调节器,实际,PI,调节器,若输入信号长期存在,若输入信号长期存在,输出信号随着时间的增长不断地变化,输出信号随着时间的增长趋于有限值,K,P,K,I原因：,理想放大器的增益,原因：,实际放大器的增益,38,练习,5,某,PI,调节器输入和输出范围相等，,=100%，T,I,=2min，,初始状态输入=输出=12,mA,，,后来输入信号从12,mA,阶跃变化到14,mA,，,试问经过多长时间后输出信号可以达到20,mA,？,分析：使用,39,解：,t,40,练习,6,参见图示曲线，曲线1为,=100%,时的,PI,特性曲线，若其它条件不变，令,=50%，,则曲线1变成曲线2，对否？为什么？,分析：使用,T,I,的定义,y,t,2,1,41,解：,不对，,由曲线1的已知条件,=100%,可以推导出曲线1的,T,I,为某个值，曲线2和曲线1的T,I,值是相同的。但是,=100%,变成了,=50%,，比例部分的输出有变化，在同一,T,I,下应有,2,倍的比例输出，所以曲线2的斜率变陡峭。,42,练习,7,某比例积分调节器，正作用，比例带,P,B,=50%,，,T,I,=1min,。开始时，测量、给定和输出均为,50%,，当测量信号变化到,55%,时，输出信号变化到多少,?1min,后输出又变化到多少,?,分析：利用比例带,P,B,，,PI,微分方程或积分时间的定义,43,答：,当测量信号变化到,55%,时，输出信号变化到：,由于,T,I,=1min,则,(,或根据积分时间的定义,),：,所以,1min,后变化到：,44,练习,8,一台,DTL121,调节器,(,输入、输出信号的测量范围相等,),，稳态时测量信号、给定信号、输出信号均为,5mA,，当测量信号阶跃变化,1mA,时，输出信号,立刻变成,6mA,，然后,随时间均匀上升,，当输出信号到达,7mA,时所用的时间为,25s,，试问该调节器的比例带,P,B,和积分时间,T,I,各为什么？,45,答：,如图所示,可得：,同样可得：,1mA,1mA,25s,46,(,五,),D,运算规律,D,调节器,输出信号和输入信号的变化速度成正比。,微分时间,T,D,微分作用,T,D,微分作用,或,47,输入阶跃信号，,t=t,0,瞬间，输出信号跳向无,穷,大，,tt,0,以后，返回零状。,y,t,t,0,t,t,0,D,调节器的特点,输入变化速度越快，输出就越大。,输入（即偏差）不管多大，如果无变化速度，或者变化很慢，即使经过长时间的积累输入变成较大的数值，,微分作用输出为零，故不能单独使用。,阶跃响应特性,48,（六）,PD,运算规律,PD,调节器,理想,PD,控制器的特性,或,具有比例微分控制规律的控制器称为,PD,控制器。,（综合两者的优点，形成,PD,调节器或控制器）,比例增益,微分时间,49,图,1-5,理想,PD,控制器的斜坡响应特性,斜坡响应特性,t,0,t,0,y,T,D,可表示为比例作用输出与微分作用输出之和。其中,当偏差为等速上升的斜坡信号时，理想,PD,控制器为：,比例作用输出,微分作用输出,=at,y=,K,p,T,D,a,D,y=,K,p,t,P,a,达到相同的输出值时，微分作用比单纯比例作用提前的时间就是,微分时间,T,D,。,50,给,PD,调节器输入一个阶跃信号，,t,t,0,时，输出跳向无穷大，,t,t,0,时，又跳回比例部分,t,t,0,y,t,t,0,阶跃响应特性,理想,PD,控制器的阶跃响应特性,51,上述的,D,调节器和,PD,调节器都是理想的,当输入信号中含有高频信号时，就会使输出产生干扰信号，造成执行器的误动作。,实际,PD,调节器的都具有饱和特性。,52,实际,PD,控制器的特性,实际,PD,控制器的传递函数为在阶跃偏差信号作用下，实际,PD,控制器的输出为：,阶跃响应特性,t,0,t,0,y,图,1-4,实际,PD,控制器的阶跃响应特性,在,t=0,时，输出不是无穷大，而是趋近于一个有限值,K,P,K,D,，,表明微分输出有饱和特性。,53,t,0,以后，微分输出的下降也不是瞬间完成，而是按指数规律下降，下降的快慢取决于微分时间,T,D,，,当,K,D,一定时，,T,D,微分作用，,T,D,微分作用，,T,D,=0时，,D,作用消失，,PD,调节,器就变成,P,调节器,K,D,愈大，微分作用愈趋于理想，,K,D,称为,微分增益,。,t,0,t,0,y,图,1-4,实际,PD,控制器的阶跃响应特性,54,K,D,，,微分作用,；,K,D,，微分作用。,K,D,530，一般调节器,K,D,均为常数。,K,D,的定义：,在阶跃输入信号的作用下，,实际的,PD,调节器的输出的,初始,变化量,和,最终变化量,之比。,微分增益,K,D,55,微分时间,T,D,的测定,实际,PD,控制器的输出同样可看作是,y,P,y,D,与,之和。,PD,调节器整定的参数是,(K,P,),和,T,D,t,y,t,t,0,K,P,K,D,K,P,(K,P,K,D,-K,P,)63.2%,56,在阶跃偏差信号作用下，实际,PD,控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的,63.2%,所经历的时间，就是,微分时间常数,T,D,/,K,D,。,此时间常数再乘上微分增益,K,D,就是,微分时间,T,D,。,T,D,的定义：,微分时间,T,D,的测定,PD,调节器整定的参数是,和,T,D,t,y,t,t,0,K,P,K,D,K,P,(K,P,K,D,-K,P,)63.2%,57,PD,调节器的特点,不论输入信号多大，只要有变化趋势，立即产生输出信号，具有较强的调节作用，这是一种先于比例作用的调节动作，所以称为,“超前”调节,。（超前是说,D,作用比,P,作用超前,）,58,练习,9,图示曲线为调节器的阶跃响应曲线，试回答：该曲线表示,PD,调节器的实际工况还是理想工况？,K,D,=?=?,分析：,K,P,和,K,D,的定义,2,Ii,10,2,Io,t,t,59,解：,1.表示,PD,调节器的实际工况，,因为输出具有饱和特性。,2.,K,D,=5,3.=100%(K,P,=1),60,练习,10,根据给定的输入信号和条件，,定性画出,PD,调节器的输出信号波形。,=100%，T,D,=2min，K,D,=5,分析：阶跃响应波形,t,1,1,4,61,y,t,K,P,K,D,K,P,K,P,K,D,K,P,1,5,-4,62,练习,11,一台比例微分调节器，,P,B,=100%,，,K,D,=5,，,T,D,=2min,，若给它输入一个图示的阶跃信号，画出它的输出响应曲线。,Ii,t,63,63.2%,1,1,-9,4,y,y,答：,64,（综合三者的优点，形成,PID,调节器）,比例增益,微分时间,积分时间,(,七,)PID,运算规律,PID,调节器,PID,调节器的特点,:,反应迅速（,P），,消除余差（,I），,超前动作（,D）,，,65,输入阶跃信号，则输出信号的变化规律是：,为理想的,PID,调节器,为实际的,PID,调节器,t,t,y,实际的,PID,调节器是微分和积分都有饱和特性，关键在于,K,D,和,K,I,均为有限值。,阶跃响应特性,66,阶跃响应特性,67,理想和实际,PID,控制器的传递函数分别为：,当偏差为阶跃信号时，实际,PID,控制器的输出为：,68,PID,调节器整定的参数是,(K,P,)、T,I,、T,D,。,三个参数在整定时相互之间有影响。,用相互干扰系数,F,来描述它们之间相互影响的程度。,69,练习,12,一台,ICE,调节器，其输出为,4-20mA,的电流信号。,T,I,=2min,，,T,D,=0.5min,，,F=1+T,D,/T,I,，若测量信号的指针由50%下降到25%时，其纯比例输出信号由12,mADC,下降到8,mADC,，,该调节器的,实际比例带,为多少？，该调节器的作用方向是正还是负？,分析：比例带、相互干扰系数、正反作用,70,F=1+T,D,/T,I,=1+0.5/2=1.25,实际,=,刻度,/F=100%/1.2580%,正作用,答：,71,三、,PID,控制器的构成,控制器对输入信号与给定信号的偏差进行,PID,运算，因此应包括偏差检测和,PID,运算两部分电路。,偏差,检测电路,PID,运算电路,测量值,偏差,I,0,，,U,0,给定值,图,1-8,控制器构成示意图,偏差检测电路,通常称为,输入电路,。,偏差信号一般采用电压形式，,所以测量信号和给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。,输入电路,同时还必须具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。,PID,运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。,72,PID,运算电路的构成方式,放大器,K,0,PID,反馈电路,输出,I,0,U,0,偏差,U,f,，,偏差,PD,PI,输出,I,0,U,0,测量值,PD,PI,输出,I,0,U,0,给定值,(,a,),(,b,),73,偏差,P,D,I,输出,I,0,U,0,偏差,PI,D,输出,I,0,U,0,P,(,c,),(,d,),74,作业,1,：,P39:4,、,5,、,6,作业,2,：,P39:1,、,8,、,9,75,