调节器&基本控制规律.ppt

第三章基本控制规律,1，调节器的作用,2，调节器的PID控制规律,3，PID控制作用,4，,DDZ-型调节,1,一、调节器的作用,将测量,输入信号值PV与给定值SV进行比较,，得出偏差e，然后根据预先,设定的控制规律对偏差e进行运算,，得到相应的控制值，并通过输出口以420mA，DC电流（或15V，DC电压）传输给执行器。,2,二、调节器的PID控制规律,所谓调节器的控制规律就是指调节器的输入,e,(,t,)与,u,(,t,)输出的关系，即,（1）,在生产过程常规控制系统中，应用的基本控制规律主要有比例控制P、积分控制I和微分控制DPID控制。,（2）,式中 ,u,控制器输出变化量；,e控制器的输入，即偏差；,K,c一一控制器的比例增益或比例放大系数。,1、比例控制规律,3,比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的。,比例控制规律,比例控制器的阶跃响应,1、比例控制规律,4,1、比例控制规律实例分析,5,比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。用数学式可表示为：,控制器的比例度可理解为：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分数。,2、比例度概念,6,比例度,与比例放大系数,K,c,的关系为：,式中,由于,K,为常数，因此控制器的比例度,与比例放大系数,K,c,成反比关系。,在单元组合仪表中，控制器的输入信号是由变送器来的，而控制器和变送器的输出信号都是统一的标准信号，因此常数,K,=1。所以在单元组合仪表中，,与,K,c,互为倒数关系，即：,2、比例度概念,7,当控制器的输出变化量,u,与输入偏差,e,的积分成比例时，就是积分控制规律（I）。其数学表达式为：,式中,K,I,积分比例系数,积分控制器特性,积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为,A,的阶跃信号时，上式就可写为：,3、积分控制规律,8,积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。这就说明了积分控制规律的特点是：只要偏差存在，控制器的输出就会变化，执行器就要动作，系统就不可能稳定。只有当偏差消除（即,e,=o时，输出信号不再变化，执行器停止动作，系统才可能稳定下来。积分控制作用达到稳定时，偏差等于零，这是它的一个显著特点，也是它的一个主要优点。因此积分控制器构成的,积分控制系统是一个无差系统。,3、积分控制规律,积分控制规律特点,9,比例积分控制规律（PI）是比例与积分两种控制规律的结合，其数学表达式为：,比例积分控制规律既具有比例控制作用及时、快速的特点，又具有积分控制能消除余差的性能，因此是生产上常用的控制规律。,比例积分控制器特性,4、比例积分控制规律,10,5、微分控制规律,具有微分控制规律（,D,）的控制器，其输出,u,与偏差,e,的关系可用下式表示：,式中,T,D,微分时间,微分控制作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分怍用的输出总是零，这是微分作用的特点。,由于调节器的输出与调节器输入信号的变化速度有关系，变化速度越快，调节器的输出就越大；如果输入信号恒定不变，则微分调节器就没有输出，因此微分调节器不能用来消除静态偏差。而且当偏差的变化速度很慢时，输入信号即使经过时间的积累达到很大的值，微分调节器的作用也不明显。,所以这种理想微分控制作用一般不能单独使用，也很难实现。,11,5、微分控制规律,微分控制规律的各种特性见图所示：,控制器输入,理想控制器输出,实际控制器输出,幅频特性图,相频特性图,12,6、比例微分控制规律,具有比例微分控制规律（,D,）的控制器，其输出,u,与偏差,e,的关系可用下式表示：,理论上PD调节器控制作用迅速、无滞后，并有很强地抑制动态偏差过大的能力。,但缺乏抗干扰能力，如果偏差信号中含有高频干扰时，则输出会有大幅度的变化，这样容易引起执行器的误动作。,比例微分控制特性,13,7、实际比例微分控制规律,1）,t,=0,2）,t,实际微分控制器输入输出曲线,14,8、比例积分微分控制规律,PID的输入输出关系可用下列公式表示：,由上式可见，PID 控制作用的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。,当输入偏差,e,为一幅值为,A,的阶跃信号时，实际PID控制器的输出特性如右图所示PID控制规律特性图,15,8、比例积分微分控制规律,PID的特性图显示，实际PID控制器在阶跃输入下，开始时，微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生强烈的“超前”控制作用，这种控制作用可看成为“预调”。然后微分作用逐渐消失，积分作用的输出逐渐占主导地位，只要余差存在，积分输出就不断增加，这种控制作用可看成为“细调”，一直到余差完全消失，积分作用才有可能停止。而在 PID控制器的输出中，比例作用的输出是自始至终与偏差相对应的，它一直是一种最基本的控制作用。在实际PID控制器中，微分环节和积分环节都具有饱和特性。,PID控制器可以调整的参数是,K,C,、,T,I,、,T,D,。适当选取这三个参数的数值，可以获得较好的控制质量。,16,8、比例积分微分控制规律,对于一台实际的PID控制器，,K,C、,T,I、,T,D的参数均可以调整。如果把微分时间调到零，就成为一台比例积分控制器；如果把积分时间放大到最大，就成为一台比例微分控制器；如果把微分时间调到零，同时把积分时间放到最大，就成为一台纯比例控制器了。,表1给出了各种控制规律的特点及适用场合,，以供比较选用。,幅频特性图,相频特性图,17,三，PID控制作用,比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保持同样稳定性裕度，Kc应,增加,10-20%(,比例度,应,减少10-20%)。微分作用D可以克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时间T,d,越大，微分作用越强，T,d,=0无微分作用。,18,控制器参数整定的若干原则,19,控制器参数整定的若干原则,20,控制器参数整定的若干原则,21,控制器参数整定的若干原则,22,控制器参数的经验整定法,23,控制器参数经验数据,流 量：对象时间常数小，参数有波动，,要大40100%；Ti要短0.31min；不用微分。,温 度：对象容量滞后较大，即参数受干扰后变化迟缓，,应小2060%；Ti要长310min；一般需加微分 Td=0.53min,压 力：对象的容量滞后不算大，一般不加微分,=3070%Ti=0.43min,液 位：对象时间常数范围较大，要求不高时，,可在一定范围内选取，一般不用微分，,=,2080%,24,控制器参数的经验整定法,25,控制度法,26,1，,有关DZZ-型电动单元调节器的概述,（1）控制器（调节器）-是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。控制器使用是否得当，直接影响控制质量。(2)控制器特性-是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。(3)控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。,四、应用分析,DDZ-型调节,27,DDZ,型电动单元调节器,-,是模拟式控制器个较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的,1,5V,直流测量信号作为输入信号，与,1,5V,直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行,PID,运算后，输出,l,5V,或,4,20mA,直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。,型调节器的特点：,采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠性，降低了功耗。采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。如非线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。整套仪表可以构成安全火花型防爆系统而且增加了安全单元,安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。,28,有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无忧动特性，提高了调节器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时调节器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。采用国际标准信号制，现场传输信号为420mA直流电流，控制室联络信,号为15V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250。,29,型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器基型全刻度指示调节器的原理方框图：,30,基型全刻度指示调节器的原理线路图：,31,调节器结构组成：控制单元、指示单元,控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。,32,调节器的信号：,输入信号、内设定信号：15V直流电压；外设定信号：420mA直流电流，（它经过250精密电阻转换成15V直流电压）,33,调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。,“自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为420mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。“软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持(即它的输出保持切换前瞬间的数值)状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。“硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。,34,调节器的“正”、“反”作用：,正偏差-调节器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（eyr），在测量值大于设定值时。负偏差-测量值小于设定值。“正”作用-调节器的输出随着正偏差的增加而增加。若是负偏差，情况相反。“反”作用-调节器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，情况相反。,35,作用：,一是将测量信号Vi和设定信号Vs相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。）二是电平移动，将以零伏为基准的Vi和Vs转换成以电平VB（10V）为基准的输出信号VO1。,输入电路,36,电路分析：,输入电路的传递函数：,37,比例微分电路（PD）作用：,接收以10V电平为基准的偏差信号VO1，进行比例微分运算，其输出电压信号VO2送给比例积分电路,。,电路图：,38,电路分析：,比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。比例微分电路的传递函数：,39,比例积分电路（PI）,作用：接收以10V为基准的PD电路的输出信号VO2，进行PI运算后，输出以10V为基准的l5V电压VO3，送至输出电路。电路图：,40,电路分析：,41,整机PID电路传递函数,调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。,42,43,调节器各项参数的取值范围：（略）,由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。,输出电路,作用：将PID电路输出的l5V直流电压信号转换成420mA直流电流输出，它实际上是一个具有电平移动的电压电流转换器。电路图：,44,手动操作电路,手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。,45,指示电路,输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。电路图：,46,