1、昆明理工大學昆明理工大學楊彪楊彪20102011學年下學年下化工儀表及自動化化工儀表及自動化Measurement &Process control Technology第五章第五章 控制器控制器中醫學院中醫學院昆明理工大學知識結構知識結構第第5章章 自動控制儀表自動控制儀表第第6章章 執行器執行器第第2章章 過程特性過程特性第第3章章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器第第4章章 顯示儀表顯示儀表第第1章自動控制系統基本概念章自動控制系統基本概念第第7章章 簡單控制系統簡單控制系統 第第8章章 復雜控制系統復雜控制系統第第9章章 新型控制系統新型控制系統第第10章章 計算機控制系統計算

2、機控制系統昆明理工大學1 控制器概述自動控制儀表自動控制儀表昆明理工大學 控制器在控制系統中處于重要地位：根據偏差按照一定的控制規律進行運算根據偏差按照一定的控制規律進行運算，將輸出作用于操縱變量，使過程輸出（被控變量）穩定在期望的數值。種類很多： 常規控制器 以微處理器為基礎的控制器昆明理工大學按照工作能源工作能源： 氣動 電動按照信號形式信號形式：模擬式數字式按照結構形式結構形式：基地式單元組合組裝式集散控制系統昆明理工大學第第5章章 (調節調節)控制器控制器(調節調節)控制器的功能：控制器的功能： 將來自變送器（轉換器）的測量信號與給定信號相比較，并對由此產生的偏差進行比例、積分或微分處

3、理后，輸出調節信號控制執行器動作，以實現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動調節作用。昆明理工大學5.1 基本控制規律基本控制規律 控制規律：控制系統輸入與輸出之間的關系。 按控制目標分類： 限位控制：在輸出超出設定的上下限時控制器改變輸出狀態； 連續控制：根據測量值與設定值的差異（差值）連續調整輸出（控制參數）。昆明理工大學一、限位控制一、限位控制 控制規律 AB斷開，低位，開啟閥門； AC導通，高位，關閉閥門。控導通導通ACpABppminmaxl控制結果：將液位限制在BC之間。ABC昆明理工大學限位控制的過渡曲線限位控制的過渡曲線ptytyHyL昆明理工大學限位控制器電路

4、舉例限位控制器電路舉例24V DC0ABC控ABCAB斷開閥門開啟 ； AC接通閥門關閉CB電磁閥昆明理工大學二、連續控制二、連續控制PID控制控制 根據測量值與設定值差異的大小連續調整輸出量的大小。 分類： P控制比例控制 PI控制比例積分控制 PD控制比例微分控制 PID控制比例微分積分控制昆明理工大學2 控制器的基本控制規律昆明理工大學控制器的輸入： 輸出： 控制器的控制規律就是u(t)與e(t)之間的關系，是在人工經驗的基礎上總結并發展的。 控制器的基本控制規律有：比例、積分和微分，此外還有如繼電器特性的位式控制規律等。) t ( u) t ( r) t ( y) t ( e昆明理工大

5、學圖71 反應器的溫度控制昆明理工大學人工操作過程分析以蒸汽加熱反應釜為例：設反應溫度：85度，輕微放熱反應 操縱變量：蒸汽流量 被控變量：反應溫度 干擾：蒸汽壓力、進料流量等昆明理工大學人工操作（1）：開關控制u 若溫度低于85度，蒸汽閥門全開u 若溫度高于85度，蒸汽閥門全關現象現象：溫度持續波動，過程處于振蕩中。結果結果：雙位控制規律控制品質差，滿足不了生產要求。昆明理工大學u 溫度為85度，蒸汽閥門開度是3圈u 若溫度高于85度，每高5度就關一圈閥門u 若溫度低于85度，每低5度就開一圈閥門即開啟圈數相應控制規律可寫為：u(0)：偏差為0時控制器輸出Kc：控制器比例放大倍數人工操作（2

6、）：比例控制)y(85513)t ( eK)(u)t (uc0昆明理工大學現象：溫度控制得比較平穩結果：控制品質有一定改善，但負荷變化時，會有余差。如工況有變動，當閥門開3圈時，溫度不再保持在85度。昆明理工大學人工操作（3）：增加積分作用首先按照比例控制操作，然后不斷觀察u 若溫度低于85度，慢慢地持續開大閥門u 若溫度高于85度，慢慢地持續開小閥門直到溫度回到85度即控制器輸出變化的速度與偏差成正比：tIIdt)t(eK)(u)t(u)t(eKdt)t(du00昆明理工大學KI：積分控制作用放大倍數現象：只要有偏差，控制器輸出就不斷變化。結果：輸出穩定在設定的85度上，即消除了余差。昆明理

7、工大學人工操作（4）：增加微分作用 由于溫度過程容量滯后大，當出現偏差時，其數值已經較大，因此，補充經驗：根據偏差變化的速度來開啟閥門，從而抑制偏差的幅度，使控制作用更加及時。dt)t (deT)t (uD昆明理工大學1. P調節調節 輸出量與被控變量的差值成正比。P= KP e 放大倍數KP：輸出量與被控變量的差值的比例系數。 比例度：控制器輸入變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數。放大倍數KP與比例度成反比昆明理工大學KP（ ）值的影響）值的影響 KP值過大（ 值過小） 系統反應過于靈敏，容易造成過度調節，產生大幅振蕩。 KP值過小（ 值過大） 系統反應過于遲鈍，調節時間長，余差大

8、。 KP值（ 值）適中 經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，有一定的余差。昆明理工大學2. PI調節調節 加入積分調節的目的：縮短大偏差的調節時間，消除余差。 積分調節方法：輸出量與輸入偏差對時間的積分成正比。 對于較大的偏差，容易導致調節時間過長，調節量過大而出現超調。因而通常與比例調節共同使用。edtTeKpip1昆明理工大學積分時間積分時間Ti的影響的影響 Ti值過小 系統反應過于靈敏，容易造成過度調節，產生大幅振蕩。 Ti值過大 積分作用不明顯，調節時間長，余差大。 Ti值適中 經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，無余差。昆明理工大學3. PD調節調節 加入微分調節的目的：防止出現

9、超調現象。 微分調節方法：輸出量與輸入偏差對時間的微分成正比。根據被控參數變化的快慢進行調節，屬超前控制。 對于固定的偏差，沒有輸出。因而不能消除余差，通常與比例調節共同使用。dtdeTeKpdp昆明理工大學微分時間微分時間TD的影響的影響 TD值過大 系統反應過于靈敏，調節時間長，余差大，有時甚至會出現大幅振蕩。 TD值過小 微分作用不明顯，超調量大。 TD值適中 經過少數幾個明顯減幅振蕩后，逐漸趨于穩定。特別是對有較大滯后的系統作用尤為明顯。昆明理工大學4. PID調節調節 同時采用比例、積分、微分調節方法。 通過適當調整比例常數、積分時間、微分時間等三個參數的大小，確定各種調節作用的強弱

10、。 采用比例積分微分（PID）調節，既能快速進行控制，又能消除余差，對反應較慢的系統也能進行有效的控制，因而具有較好的控制性能。 PID控制方法是目前參數連續控制連續控制系統中普遍采用的控制方法。昆明理工大學幾種調節方法的比較幾種調節方法的比較lP調節lPI調節lPD調節lPID調節pKm dtKKmIpdtdTKKmDpp)1(dtdTdtTKmmmmDIPDIPI調節P調節PI調節PID調節PD調節XX0昆明理工大學5.2 模擬式模擬式PID控制器控制器一、基本構成 比較環節 將測量值與設定值進行比較（電流、電壓、氣壓相減），產生偏差信號。 放大器 將偏差信號、反饋信號、載波信號疊加后進行

11、放大。 反饋環節 將輸出信號通過一定的運算關系反饋到放大器的輸入端，以實現比例、積分、微分等控制規律。給定信號比較環節測量信號偏差放大器輸出信號反饋環節-昆明理工大學二、二、 DDZ電動控制器電動控制器1. 儀表的特點儀表的特點采用國際電工委員會（IEC）推薦的統一標準信號：420mA DC 或 15V DC，信號電流與電壓的轉換電阻為250。高度集成化，可靠性高，維修量少。全系統統一采用24V DC電源供電，單元儀表無須單獨設置電源。功能齊全，結構合理。具有本安（本質安全）性能。昆明理工大學二、二、 DDZ電動控制器電動控制器2. 基本功能基本功能 控制功能 自動控制：針對偏差，按PID規律

12、自動調整輸出。 手動控制：由人工直接設定輸出值遙控執行器。 軟手動：輸出隨時間按一定的速度增加或減小。 硬手動：瞬間直接改變輸出值。 顯示功能 輸入顯示、設定值顯示、手動給定顯示、輸出顯示、（輸出）限位報警。 調整功能 給定輸入調整： 控制參數整定：昆明理工大學無干擾切換無干擾切換 在不同的控制方式相互切換過程中，輸出參數和系統狀態不發生突變。 無干擾切換的實現： 在切換前，調節手動輸出參數或設定值，使輸出值與自動輸出值保持一致。昆明理工大學控制器的“正”“反”作用 控制器設有“正”“反”作用開關供選擇，以滿足控制系統要求。偏差定義測量值設定值（e=y-r）。正偏差：測量值大于設定值負偏差：測

13、量值小于設定值昆明理工大學正作用正作用：控制器的輸出隨正偏差的增加而增加反作用反作用：控制器的輸出隨正偏差的增加而減小若是負偏差，其控制器的輸出在“正”、“反”作用下的輸出與上述正偏差相反。昆明理工大學二、二、 DDZ電動控制器電動控制器3. 結構原理結構原理輸入電路 PD電路 PI 電路輸出電路軟手動電路硬手動電路顯示電路內給定 電路給定顯示外給定值測量信號輸出信號昆明理工大學二、二、 DDZ電動控制器電動控制器4. 外形結構外形結構 儀表整體為長方體，伸入控制箱（盤）內部 PID參數設定位于儀表內部，拉開整個儀表，可用螺絲刀調整變阻器。爐溫控制昆明理工大學5.3 數字量控制器數字量控制器

14、通過A/D，D/A轉換，可以實現模擬量與數字量之間的相互轉化。 數字量控制器的基本結構原理為：A/DAIODIOI/O模擬量信號數字量信號CPU計算電路D/AAIODIOI/O模擬量信號數字量信號昆明理工大學數字量控制器的分類數字量控制器的分類 單回路數字控制器 為適應DDZ系列單元模式（功能、外形）而設計的簡易計算機控制系統。 PLC控制器 具有大量I/O接口的專用計算機系統，通常使用專門的編程語言。 工業控制計算機 基于高性能商用CPU的計算機系統，可使用多種高級語言，具有普通家用計算機的全部功能。 集散控制系統(DCS) 現場總線控制系統(FCS)昆明理工大學數字式控制器里處理的數字式控

15、制器里處理的PID 常規模擬調節器中的PID作用，其原始算式為：式中Dv偏差TI積分時間TD微分時間Kp比例增益MvPID調節器輸出 該式為微分方程，不能直接用在數字調節器里，只能運算離散系統的差分方程。采用近似的辦法： t采樣一次所需間隔的時間，即采樣周期Ts， i和n為采樣序號。）（dtdDTdtDTDKMvDvIvpvPID1svvvvvTDDtDDdtdDnnnn11nivsnivviiDTtDdtD00昆明理工大學數字式控制器里處理的數字式控制器里處理的PID(2) PID式為：Mvn為第n次采樣時，控制器的輸出。 位置型算式 增量型算式 速度型算式 微分先行算式 非線性PID控制)

16、(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM昆明理工大學數字控制器的數字控制器的PID算法算法 位置式PID控制算法和閥位對應，所以下式也稱位置型PID算法。 位第n次采樣時調節器的輸出。)(10nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKMnvMnvM昆明理工大學數字控制器的數字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法第n-1次的采樣輸出 相鄰兩次采樣的增量：或者寫為：)(2111110nninnvvsDnivIsvPvDDTTDTTDKM2112nnnnnnnvvvsDvIsvvPvDDDTTDTTDDKM2112nnnnnnnvvvDvIvvPvDDDKDKDDKM式（1）昆明理工大學數字控制器的數字控制器的PID算法算法 增量式PID控制算法對應閥位的增量 或者寫為：其中2112nnnnnnnvvvDvvIvvPvPPPKSPKPPKM式（2）nvMvvvSPDn212nnnvvvPPP212nnnvvvDDD1nnvvDD11)(nnvvvvvvPPSPSPsDPDisPIIPTTKKTTKKKK微分系數積分系數比例增益優點：1. 僅決定于最近幾次的采樣值，所需內存容量不大，運算小；2