第3章过程控制仪表.ppt

第,3,章,过 程 控 制 仪 表,主要内容,3.1,总体概述,3.2,检测变送环节,3.3,执行器,3.4,控制器的,PID,控制算法,3.1,总体概述,3.1.1,过程控制仪表的分类,按能源形式,可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。,导管、管路板,导线、印刷电路板,接线,气动元件,电子元器件,构成,气压信号,电信号,(,电流、电压或数字,),传输信号,气源（,140kPa,）,电源,(220VAC,，,24VDC),能源,气动仪表,电动仪表,模拟,式,数字式,由模拟元件构成,传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等,线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低,以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心,传输信号通常为数字量，如脉冲信号,可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题,3.1.1,过程控制仪表的分类,按信号类型,单元组合式仪表,基地式仪表,集散型计算机控制系统,现场总线控制系统,3.1.1,过程控制仪表的分类,按结构形式,将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。,有电动单元组合仪表（,DDZ,）和气动单元组合仪表（,QDZ,）两大类。都经历了,I,型、,II,型,(0,10mA),、,III,型,(4,20mA,15v),的三个发展阶段。,根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。,3.1.1,过程控制仪表的分类,单元组合式仪表,变送单元,温度变送器,压力变送器,差压变送器,流量变送器,液位变送器,将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制,转换单元,直流毫伏转换器,频率转换器,电气转换器,气电转换器,将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用,3.1.1,过程控制仪表的分类,单元组合式仪表,控制单元,运算单元,比例积分微分控制器,比例积分控制器,比例微分控制器,具有特种功能的控制器,将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，控制执行器,加减器,乘除器,开方器,显示单元,指示仪,指示记录仪,报警器,3.1.1,过程控制仪表的分类,单元组合式仪表,给定单元,执行单元,辅助单元,输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。,角行程电动执行器,直线行程电动执行器,气动薄膜调节阀,按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量,操作器：手动操作及手动,/,自动的切换作用,阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼,限幅器：限制信号的上、下限值,安全栅：将危险与非危险场所隔开，起安全防爆作用,3.1.1,过程控制仪表的分类,单元组合式仪表,被控对象,执行单元,检测元件,调节单元,给定单元,操作单元,变送单元,显示单元,工艺介质,阀门,被控变量,自动,手动,测量值,给定值,3.1.1,过程控制仪表的分类,用单元组合仪表组成的控制系统,相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。,通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；,其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；,一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；,性能价格比高，适用于单参数的控制系统。,3.1.1,过程控制仪表的分类,基地式仪表,分散控制、集中管理,控制站（下位机）,操作站（上位机）,过程通信网络,数据采集、处理及控制,由,DCS,系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成,或由可编程序控制器,PLC,（,包括,CPU,、,I/O,、,电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成,实现操作站与控制站的连接,提供与企业管理网络的连接,过程信息的集中显示、操作和管理,由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成,3.1.1,过程控制仪表的分类,集散控制系统,(DCS),现场控制和双向数字通信,将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制,现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。,3.1.1,过程控制仪表的分类,现场总线控制系统,(FCS,系统,),3.1.2,信号制,信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。,气动仪表的信号标准：,20kPa,100kPa,电动仪表的信号标准,：,420maADC,DDZII,型,电动仪表的信号标准,：,010maADC,3.2,检测变送环节,3.2.1,检测元件和变送器的作用,传感器,变送器,显示器,A/D,被测参数,参数显示,电信号,标准电信号,模拟仪表：,4,20mA,、,0,10mA,、,1,5v,电流或电压信号，,20100kPa,气压信号；,现场总线仪表：数字信号,热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；,热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，连接导线的类型和规格不同，导致线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿；,气体流量检测时，由于检测点温度、压力与设计值不一致，因此需要进行温度和压力的补偿；,精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压保持恒定，可直接用温度进行控制；当塔压变化时，需要用塔压对温度进行补偿。,3.2.2,对检测变送信号的处理,信号补偿,硬件组成非线性环节进行线性化处理，例如采用开方器对差压进行开方运算；,也可用软件实现线性化处理。,3.2.2,对检测变送信号的处理,线性化,目的：,由于存在随机噪声，引起检测信号波动；,计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入噪声,方法：,硬件滤波：,RC,电路、气阻气容等组成滤波线路,数字滤波：数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有：一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波,3.2.2,对检测变送信号的处理,信号滤波,当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数学运算获得实际的被控变量数值。,如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号报警和连锁处理。,例如快速傅里叶变换、小波变换；,在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。,3.2.2,对检测变送信号的处理,数学运算、信号报警、数字变换,类型,型式,原理,测温范围,(),准确度,(),特点,常用种类,接,触,式,膨胀式,膨胀,-200650,0.15,结构简单，响应速度慢，适于就地测量,汞温度计,双金属式温度计,压力表式,压力,-20600,0.55,具有防爆能力，响应速度慢，测量精度低，适于远距离传送,液体压力温度计,蒸汽压力温度计,热电阻,热阻效应,-200850,0.015,响应速度较快，测量精度高，适于低、中温度测量，输出信号能远距离传送,铂电阻温度计,铜电阻温度计,热敏电阻温度计,热电偶,热电效应,-2001800,210,响应速度快，测量精度高，线性度差，适于中、高温度测量，输出信号能远距离传送,N,型、,K,型、,E,型、,J,型T,型、,B,型等,非接触式,辐射式,热辐射,1003000,120,响应速度快，线性度差，适于中、高温度测量，测量精度易受环境影响,辐射温度计,光电高温计,红外测温计,3.2.3,温度检测与变送,常用温度检测仪表,3.2.4,压力检测与变送,概念,压力：均匀垂直作用在单位面积上的力。,绝对压力,P,:,物体所承受的实际压力,绝对真空,Po=0,环境大气压力,Patm,真空度：,大气压力与低于大气压时的绝对压力之差。,Pv-Patm,0,高压侧,-“,正压”侧,低压侧,-“,负压”侧,3.2.4,压力检测与变送,主要方法,弹性式压力检测：根据弹性元件在弹性限度内受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量。,电气式压力检测：将被测压力的变化转换为电阻、电感、电容等电气量变化，实现压力间接测量。,3.2.5,流量检测与变送,概念,瞬时流量,：单位时间内流过管道横截面的流体数量。,体积流量,：,流体数量用体积表示,q,v,=,vA,（,l,/,h,）,质量流量,:,流体数量用体积表示,q,m,=,vA,(,kg,/,h,),管道中某一截面的流速,截面积,流体密度,积累流量,:,某一时间段内流过管道横截面的流体总和。,流量计,计量表,3.2.5,流量检测与变送,体积流量检测方法,容积法,:,单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地测量，以排出流体固定容积数来计算流量。,受流体状态影响较小，适用于测量高粘度流体，测量精度高。,椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计、刮板式流量计。,速度法：,流体平均流速乘以管道截面积,差压式流量计、转子式流量计、电磁式流量计、涡轮式流量计、靶式流量计、超声波流量计。,3.2.5,流量检测与变送,质量流量检测方法,直接法：,由测量仪器直接测量质量流量。,角动式流量计、量热式流量计、科里奥力式流量计。,间接法：,体积流量乘以流体的密度自动计算得到。,当流体密度随流体温度、压力变化时，计算繁琐，存在累计误差，测量精度受限。,3.2.6,物位检测与变送,检测的基本方法,直读式：,利用连通器原理，在设备容器侧壁开窗口或设置旁通管方式，直接显示物位的高度。适用于容器压力不高和只需就地指示场合。,静压式：,根据流体静力学原理，通过测量压力或压差来检测物位，可分为压力式和差压式，前者适用于敞口式容器的液位测量，后者适用于闭口容器的液位测量。,浮力式：,利用浮子随液位的升降来反映液位的高度。,3.2.6,物位检测与变送,检测的基本方法,3.2.6,物位检测与变送,检测的基本方法,电气式：,将敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中。当物位发生变化时，电极之间的电气参数（如电阻、电容）会随之发生相应的变化。通过检测这些参数就可以测量物位。,声学式：,利用特殊声波（如超声波）在介质中的传播速度及在不同界面之间的发射特性来检测物位。适用于对超声波吸收能力较弱的液体、颗粒状固体及粘稠、有毒等介质物位检测。,射线式：,放射性同位素所发出的射线穿过被测介质时，因被介质吸收而强度衰减，通过检测强度变化来测量物位。适用于操作条件严格的场合，如高温、高压、强腐蚀等生产过程。,3.2.7,智能检测仪表,采用微处理器和先进传感器技术；,可以输出数字和模拟信号；,精度、稳定性和可靠性高，通过现场总线或工业以太网与上位计算机相连，满足集散控制系统的应用要求。,3.3,执行器,形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚”,3.3.1,执行器,概述,作用,执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。,执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。,执行机构,调节机构,控制器输出,p,0,I,0,推力、位移,操纵变量,流量,3.3.1,执行器,概述,工作原理,电动执行器,气动执行器,输入,0-10mADC,或,4-20mADC,电流信号。,方便、信号传输速度快、传输距离远,;,结构复杂、安全防爆性能差、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所,液动执行器,推力大，体积较大，适用于被控制压力高的场合,输入,0.02-0.1MPa,气压信号。,结构简单、动作平稳可靠、输出推力大、维护方便、价格便宜、安全防爆系数高。动作时间长，不适合远传（传输距离,150m,），而且不能与数字设备直接连接。,3.3.1,执行器,概述,按使用能源分类,转角型,90,（或,360,）,直线型,短行程和长行程,3.3.1,执行器,概述,按输出位移分类,3.3.1,执行器,概述,按动作规律分类,开关型,全开和全关两种状态，如电磁阀,积分型,正向等速运动、反向等速运动和停止三种状态，实现任意阀门开度的调节,比例型,输出位移和输入信号成比例关系,3.3.2,气动执行机构,作用与分类,根据控制器或阀门定位器的输出气压信号大小，产生相应的输出力和推杆直线位移，推动调节机构的阀芯动作。,薄膜式,活塞式,使用弹性膜片将输入气压转变为推力,;,结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便,以气缸内的活塞输出推力,;,输出推力大、行程长，价格高，只用于特殊需求场合,3.3.2,气动执行机构,气动薄膜式,电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。,其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，使用电动机等电的动力启闭调节阀。,3.3.3,电动执行机构,作用,接收来自控制器的,0-10mA.DC,或,4-20mA.DC,电流信号，并将其转换为相应的角位移（输出力矩）或直线位移（输出力），去操纵阀门、档板等调节机构。,可与控制器配合实现自动调节，还可通过操作器实现系统的自动调节和手动调节的相互切换。当操作器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转。,3.3.3,电动执行机构,组成框图,将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并当伺服放大器没有输出时，电机能可靠地制动。,把伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，从而推动调节机构。,将执行机构输出轴的位移线性地转换成,0-10mA.DC,或,4-20mA.DC,反馈信号，并作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端。,3.3.3,电动执行机构,工作原理,3.3.4,调节机构,-,在执行机构输出力（力矩）作用下，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了调节机构的阻力系数，从而使被控介质的流量发生相应变化,也称为,调节阀,、,控制阀,，是执行器的调节部分。,局部阻力可变的,节流元件,。,3.3.4,调节机构,气开、气关形式的特性,从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用,信号压力增加，阀门开度大；,信号压力减小，阀门开度小；,无信号压力，阀门全关；,气开,气关,保证无气源时，系统安全。,信号压力增加，阀门开度小；,信号压力减小，阀门开度大；,无信号压力，阀门全开；,正,作用执行机构,3.3.4,调节机构,调节阀的气开、气关形式,输入气压信号增大，阀杆向上移动,反作用执行机构,输入气压信号增大，阀杆向上移动,正体阀,反体阀,3.3.4,调节机构,调节阀的气开、气关形式,阀杆下移时流量减小,阀杆下移时流量增大,调节阀,（正装、反装）,执行机构,（正、反作用）,3.3.4,调节机构,调节阀的气开、气关形式,选择基本原则：根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关,考虑事故状态时人身、工艺设备的安全,当过程控制系统发生故障（如气源中断，控制器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。,考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量,考虑介质的性质,对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。,3.3.4,调节机构,调节阀的气开、气关形式,被控介质流过阀门的,相对流量,与阀门的,相对开度,之间的关系：,3.3.4,调节机构,流量特性,相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开流量之比,相对开度，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。,快开,对数,抛物线,直线,3.3.4,调节机构,理想流量特性,在阀前后压差为一定的情况下（,p=,常数）得到的流量特性。,取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。,3.3.4,调节机构,直线理想流量特性,直线,流量特性,调节阀相对流量与阀芯相对开度成直线关系。,直线阀芯形状,3.3.4,调节机构直线理想流量特性,K,V,为放大系数,R,：调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比，称为调节阀的可调范围或可调比。,3.3.4,调节机构,对数,(,等百分比,),理想流量特性,对数（等分比）流量特性,阀杆相对开度变化所引起的相对流量变化与该点相对流量成比例。,对数阀芯形状,3.3.4,调节机构,对数,(,等百分比,),理想流量特性,放大系数,K,V,随相对流量变化而变化,84,99.03,71.2,90.3,90,100,70,57,45,35,26,18,12,7.3,3.3,抛物线,100,96.13,91.3,84.5,75.8,65.2,52.6,38.1,21.7,3.3,快开,100,50.8,36.2,25.6,18.3,13.0,9.26,6.58,4.67,3.3,对数,100,80.6,71.0,61.3,51.7,42.0,32.3,22.7,13.0,3.3,直线,100,80,70,60,50,40,30,20,10,0,b,a,a,：,l,/,L,(%)b,：,q,v,/,q,v,max,(%)(R=30),3.3.4,调节机构,调节阀的相对开度与相对流量,在,10%,开度时：,在,50%,开度时：,在,80%,开度时：,直线流量特性：,阀门相对开度变化,10%,，相对流量的变化量为：,3.3.4,调节机构,调节阀的相对开度与相对流量,直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易产生振荡；大开度时，调节缓慢，不够及时。,3.3.4,调节机构,调节阀的相对开度与相对流量,在,10%,开度时：,在,50%,开度时：,在,80%,开度时：,调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；,调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。,对数流量特性：,阀门相对开度变化,10%,，相对流量的变化量为：,3.3.4,调节机构,调节阀的相对开度与相对流量,对过程控制系统来说，要求在小负荷时控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一些，这需要由调节阀的流量特性来补偿。,直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的，利用对数流量特性是有利的。,将边界条件代入可得：,它介于直线流量特性和对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。,单位相对行程（开度）的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。,3.3.4,调节机构,抛物线理想流量特性,在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达到最大，故称为快开特性。,当阀的行程大时，阀的流通面积不再增大，不能起控制作用。,通常用于二位式控制或程序控制。,3.3.4,调节机构,快开理想流量特性,3.3.4,调节机构,工作流量特性,调节阀前后压差变化的情况下，相对流量与阀芯相对开度之间的关系,调节阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，由于阻力损失引起阀门前后压差的变化，导致流量特性发生变化,调节阀与管道设备串联时的工作流量特性,3.3.4,调节机构,串联时的工作流量特性,系统总压差,管道压差,调节阀压差,3.3.4,调节机构,串联时的工作流量特性,阻力比：,调节阀全开时前后压差,总压差,理想流量下全开流量,工作流量下全开流量,3.3.4,调节机构,串联时的工作流量特性,在,S,1,时，管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，实际工作流量特性与理想特性是一样的；,随着,S,值的减小，管道阻力损失增加，结果不仅调节阀全开时的流量减小，而且流量特性也发生了很大的畸变：,直线特性趋向于快开特性；,等百分比特性趋向于直线特性,S,值越小，影响越大。在实际使用中，,S,值不能太小，通常希望,S,值不低于,0.3,。,当总压差一定时，阀门开大，流量增加，管道设备上压力随着流量的平方增大，而调节阀前后压差减小，造成阀流量特性畸变：,3.3.4,调节机构,串联时的工作流量特性,调节阀与管道设备并联时的工作流量特性,并联的目的：冗余措施；增大产量(流量),阀门全开时流量,总管道最大流量,3.3.4,调节机构,并联时的工作流量特性,3.3.4,调节机构,并联时的工作流量特性,X,越大，说明分流作用越小，对总流量影响越小。,其特性曲线与理想特性曲线形状保持不变，但调节范围变小。,实际要求,X0.8,：,X,减小，调节阀可调范围减小。,X=1,时，旁路阀全开，为理想特性曲线；3.3.4,调节机构,综合串联、并联管道的工作流量特性,使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。,使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。,串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。,使调节阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化减小。串联管道时，若调节阀处于大开度，则,S,值降低对放大系数影响更为严重。并联管道时，若调节阀处于小开度，则,X,值降低对放大系数影响更为严重。,考虑系统的控制品质：,一个理想的控制系统，希望其总的放大系数在系统的整个操作范围内保持不变。,3.3.4,调节机构,流量特性选择,兼顾控制品质、工艺管路情况和负荷变化情况,3.3.4,调节机构,流量特性选择,考虑工艺管道情况：,等,百分比,等,百分比,等,百分比,直线,理想特性,等,百分比,直线,等,百分比,直线,工作特性,S=0.3,0.5,S=0.6,1,配管情况,工艺配管情况与流量特性关系,调节阀在串联管道时的工作流量特性与,S,值的大小有关，即与工艺配管情况有关。,3.3.4,调节机构,流量特性选择,考虑负荷变化情况：,直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到损坏，因此在,S,值小、负荷变化大的场合，不宜采用。,等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。,3.3.4,调节机构,流量特性选择,调节阀流量特性的选择一般分两步进行：,首先根据过程控制系统的要求，确定工作流量特性；,然后根据流量特性曲线的基本情况，确定理想流量特性，以作为向生产厂家定货的内容。,由对象特性,选工作特性推理想特性查厂家手册。,3.3.4,调节机构,流量特性选择,3.3.5,阀门定位器,目的与原理,目的,：,为防止阀杆引出处泄漏，填料通常压得很紧，使摩擦力很大；,对具有高黏度等特性的被调介质，会对阀芯的作用力产生影响；,影响执行机构与输入信号间定位关系，使调节阀不能准确定位。,3.3.5,阀门定位器,适用场合,（,1,）阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀芯产生的不平衡力。,适于高压差、大口径和含有,固体悬浮物介质或黏性流体场合。,（,2,）减少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。,（,3,）提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电,气转换器；在慢速响应系统中采用电,气阀门定位器。,3.4,控制器的,PID,控制算法,3.4.1,基本,PID,控制算法分析,控制器的,控制规律,就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。,原理简单，使用方便；,适应性强；,鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性变化不太敏感。,控制器特性,PID,控制算法优势,3.4.1,基本,PID,控制算法分析,比例放大系数,积分时间,微分时间,控制作用的初始值,控制输出与偏差之间在一定范围内保持比例关系。,3.4.2,比例控制算法,算法分析,比例增益,控制器输出信号的起始值,增量形式,有饱和区的比例特性,局部：线性,整体：非线性,3.4.2,比例控制算法,算法分析,通常用,比例度,表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入,(,偏差,),的范围,计算机控制装置或单元组合仪表,3.4.2,比例控制算法,算法分析,比例带,如果,u,直接代表调节阀的开度，当调节阀开度改变,100,，即从,全关到全开,只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度变化才与偏差成比例。超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全开或全关的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器也至少暂时失去其控制作用了。,例如，若测量仪表的量程为,100,C,，则,=50%,就表示被调量需要改变,50,C,才能使调节阀从全关到全开。,3.4.2,比例控制算法,算法分析,被调量的相对变化范围,控制器有正作用和反作用之分，控制器增益有正负之分。,当控制器的测量,y,增加时，控制器的输出,u,增加，正作用控制器,当控制器的测量,y,增加时，控制器的输出,u,增加，反作用控制器,由于：,u=,K,c,(r,y)=,K,c,e,，则：,正作用控制器，,K,c,为负号；反作用控制器，,K,c,为正号,3.4.2,比例控制算法,控制器的正作用和反作用,3.4.2,比例控制算法,K,C,的影响,K,c,e,(),定值控制系统：当干扰是幅值为,F,的阶跃信号,K,c,e,(),自衡过程,随动控制系统：输入信号是幅值为,R,的阶跃信号，根据终值定理,3.4.2,比例控制算法,K,C,对余差的影响,无,自衡过程,随动,控制系统：,e(,)=0,定值控制系统：,G,f,(s,),具有自衡特性时，,e(,)=0,G,f,(s,),具有无自衡特性，即,3.4.2,比例控制算法,K,C,对余差的影响,Kc,增大,衰减比，最大动态偏差，余差，振荡，周期,3.4.2,比例控制算法,K,C,对随动系统过渡过程的影响,Kc,增大,3.42,比例控制算法,K,C,对定值系统过渡过程的影响,积分控制的主要作用在于消除余差,3.4.3,比例积分控制算法,算法分析,比例环节,积分环节,增量形式,传递函数,积分时间常数,u(t),3.4.3,比例积分控制算法,算法分析,P,作用和,I,作用之和,比例控制起粗调作用，积分作用起细调作用，直到余差消除，偏差为零时积分输出才停止。,3.4.3,比例积分控制算法,PI,控制作用分析,物理上是不能实现，输出不可能无穷大，实际积分调节器的输出是有限值。,积分增益,T,i,减小,T,i,对随动控制系统过渡过程的影响,(,K,c,相同,),3.4.3,比例积分控制算法,PI,控制作用分析,T,i,对定值控制系统过渡过程的影响,(,K,c,相同,),T,i,减小,3.4.3,比例积分控制算法,PI,控制作用分析,当,K,c,不变时，减小,T,i,，,积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加快，振荡频率升高。,PI,控制器中，保持,K,c,不变而减小,T,i,，或保持,T,i,不变而增大,K,c,，都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，超调量或最大偏差增大。,积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。这是由于引入积分后，闭环系统阶数增大，并引入相位滞后所造成的。（相对于纯比例控制）,34.3,比例积分控制算法,PI,控制作用分析,P,调节和,PI,调节响应曲线的比较,为保持控制系统原来的衰减率，调节器比例带必须适当加大，这样会使回复时间增大，最大动态偏差也将增大。,3.4.3,比例积分控制算法,PI,控制作用分析,比例控制和微分控制都是根据当时偏差的方向和大小进行调节的，不管当时偏差的变化趋势。,如果控制器能够根据被控变量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，那么控制的效果会更好，等于赋予控制器以某种程度的预见性，这种控制作用称为,微分控制,。,控制器的输出与被控变量或其偏差对时间的导数成正比,3.4.4,比例微分控制算法,微分控制规律,3.4.4,比例微分控制算法,理想比例微分算法分析,比例环节,微分环节,增量形式,传递函数,微分时间常数,严格按照上式动作的控制器在物理上是不能实现的；,从数学上说，理想的微分作用在输入阶跃信号时，其输出为高度为无穷大、宽度为无穷小的脉冲。,3.4.4,比例微分控制算法,理想微分的问题,3.4.4,比例微分控制算法,实际微分作用,微分增益,实际,PD,控制器的单位阶跃响应,1,t,e,t,u,3.4.4,比例微分控制算法,算法分析,1/,K,d,/,T,d,/,Kd,微分控制作用的强弱可以从阶跃输入信号下输出响应曲线的面积来衡量。,K,d,越大，面积越大，微分作用越强；,T,d,越大，下降越慢面积越大，微分作用越强。,T,d,=0,和,K,d,=1,表示没有微分作用。,3.4.4,比例微分控制算法,算法分析,微分作用总是力图抑止被控量的振荡，它有利于控制系统稳定性，减小系统动态偏差，缩短回复时间。,时间常数较大的温度、成分等控制系统，常引入微分控制作用莱改善系统的控制品质。,适度引入微分作用可以允许稍许减少比例带，同时保持衰减率不变。,3.4.4,比例微分控制算法,比例微分控制特点,P,调节和,PD,调节响应曲线的比较,适度引入微分作用后，由于可以采用较小的比例带，不但减小了余差，而且也减小了最大动态偏差，提高了振荡频率。,3.4.4,比例微分控制算法,比例微分控制特点,微分调节动作也有一些不利之处。,微分太强容易导致调节阀开度向两端饱和，因此以比例为主，微分为辅。,抗干扰能力差，只能应用于被调量变化非常平稳的过程，不用于流量和液位控制系统。,微分能够克服容量滞后，对纯滞后无效。,引入微分作用要适度。大多数控制系统随微分时间的增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当微分时间超出某一上限后，系统反而变得不稳定了。,3.4.4,比例微分控制算法,比例微分控制特点,3.4.4,比例微分控制算法,不同微分时间的响应曲线,PI,D,测量值,控制器输出,微分先行：只对测量值进行微分作用，也称测量微分，常用于随动控制系统。,3.4.4,比例微分控制算法,比例微分控制特点,3.4.5,比例积分微分控制算法,理想算法,比例环节,积分环节,微分环节,增量形式,传递函数,3.4.5,比例积分微分控制算法,实际算法,t,e,1,t,u,K,c,K,c,K,d,K,c,K,i,3.4.5,比例积分微分控制算法,工业,PID,调节器单位阶跃响应,与,PD,相比，,PID,提高了系统的无差度；,与,PI,相比，,PID,多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。,PID,兼顾了静态和动态控制要求。,3.4.5,比例积分微分控制算法,各种调节规律对应的响应曲线,控制器除了对偏差信号进行,PID,运算外，一般控制器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要：,无扰动切换,偏差显示,输出显示,提供内给定信号及内、外给定的选择,正、反作用的选择,手动操作与手动自动双向切换,附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警等，以提高控制器的性能。,3.4.6,模拟控制器,概述,DDZ-III,型电动调节器有两个基型品种：,全刻度指示调节器 偏差指示调节器,DDZ-III,型全刻度指示电动调节器的主要性能如下：,测量信号,1,5VDC,内给定信号,1,5VDC,外给定信号,4,20mADC,测量信号与给定信号的指示精度,1%,输入阻抗影响,满刻度的,0.1%,输出信号,4,20mADC,负载电阻,250,750,输出保持特性,-0.1%,每小时,比例度,2,500,积分时间,0.01,22min(,分两档,),微分时间,0.04,10min,控制精度,5%,3.4.6,模拟控制器,概述,3.4.6,模拟控制器,DDZ-III,型调节器的构成框图,控制单元,指示单元,测量,指示电路,给定,指示电路,输入电路,PD,电路,PI,电路,输出电路,250,硬手动,电路,软手动,电路,测量,指示,给定,指示,给定单元,2,U,i,U,s,U,o3,其传递函数为这三个电路的传递函数的乘积。化简后可得：,3.4.6,模拟控制器,整机传递函数,带*的量为调节器参数的实际值，不带*的为参数的刻度值。,F,称为相互干扰系数。,3.4.6,模拟控制器,整机传递函数,