第五章 自动控制仪表 第一节 概述 第二节 比例控制 第三节 比例积分控制 第四节 微分控制 第五节 模拟式控制器 第六节 可编程序控制器.

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1 第五章 自动控制仪表 第一节 概述 第二节 比例控制 第三节 比例积分控制 第四节 微分控制 第五节 模拟式控制器 第六节 可编程序控制器

2 第一节 概述 ⑴ 双位控制 这种控制规律控制质量差。 ⑵比例控制规律 p(t)=p(0)+kp*e(t) ⑶积分控制规律 ⑷微分控制规律
第一节 概述 ⑴ 双位控制 蒸汽 进料 TT TC 出料 凝液 这种控制规律控制质量差。 ⑵比例控制规律 p(t)=p(0)+kp*e(t) ⑶积分控制规律 ⑷微分控制规律 由上述操作引出来的P、I、D规律是本章介绍的重点。

3 第二节 比例控制(P) 一、比例控制规律及特点
具有P规律的控制器，其输出信号p(t)和输入信号e(t)之间的关系，用数学表达式表示为：p(t)=p(0)+Kpe(t) 式中,Kp为控制器的比例增益或比例放大倍数。 若 △p(t)=p(t)-p(0) t e(t) A △P(t) KpA t 则 △p(t)=Kpe(t) 图为阶跃偏差作用下，比例控制器的开环输出特性。 Kp是衡量比例作用强弱的物理量。

4 二、比例度 1.工业所用的控制器，一般用δ来衡量比例作用的强弱，而不用Kp 。所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出的相对变化量之比的百分数，即： ％ (1) 2.δ与Kp的关系 三、比例作用及δ对系统过渡过程的影响 1、在扰动及设定值变化时有余差存在 2、比例度δ越大，过渡过程的曲线越平稳，随着比例度的减小，系统的振荡程度加剧。

5 第三节 比例积分控制(PI) 一、积分控制规律 1.当控制器的输出变化量△p与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律。用公式表示为：
(KI为积分速度) e(t) t A △P(t) KIAt 2.在幅值为A的阶跃偏差作用下，积分控制器的开环输出特性，如图： 3.积分控制作用总是滞后于偏差的存在，不能及时有效地克服扰动的影响。

6 在PI控制器中经常采用积分时间常数TI来表示积分速度KI的大小，在数值上有TI =1/KI,则（1）式可写为：
二、比例积分控制规律 1.比例积分控制规律的数学表达式为： （1） 在PI控制器中经常采用积分时间常数TI来表示积分速度KI的大小，在数值上有TI =1/KI,则（1）式可写为： （2） 2.在阶跃偏差作用下，比例积分控制器的开环输出特性 KpA t △p(t) TI增大

7 第四节 微分控制(D) 3. TI的定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到两 倍比例输出时所经历的时间。
三、积分作用及积分时间TI对系统过渡过程的影响 p118图 第四节 微分控制(D) 一、微分规律及特点 1.理想的微分控制规律，输出的大小与偏差的变化速度呈正比，用数学表达式表示为： （TD为微分时间） （1） 从公式可知，偏差变化的速度越大，则控制器的输出变化也越大，D作用越强，反之亦然;对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分作用的输出总为零，这就是微分作用的特点。

8 按公式（1）微分控制器的输出，如下图（b）
2.阶跃信号下微分控制器的输出 按公式（1）微分控制器的输出，如下图（b） t e (a) △P t (c) t △P (b) 二、实际的D控制规律及微分时间 T △P t 0.368(KD-1)A A 三、比例微分控制器

9 四、PID控制器 由式可知，三作用控制器在阶跃输入下，开始时D作用的输出变化最大，使总的输出大幅度变化，产生一“超前”控制作用；然后微分作用逐渐消失，积分输出逐渐占主要地位，只要有余差，I作用不断增加，进行“细调”，直至余差完全消失，I作用停止；而PID的输出中，P是自始至终与偏差相对立，一直是最基本的控制作用。 e(t) t A KpA t △p(t)

10 第五节 模拟式控制器 一、基本构成原理及部件 模拟式控制器基本上都由三大部分组成，如下图： 1. 比较环节
第五节 模拟式控制器 一、基本构成原理及部件 模拟式控制器基本上都由三大部分组成，如下图： 1. 比较环节 比较环节的作用是将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。 2. 放大器 放大器实质上是一个稳压增益很大的比例环节。 比较环节 放大器 反馈环节 给定信号 测量信号 偏差 输出信号 3. 反馈环节 反馈环节是通过正、负反馈来实现比例P、积分I、微分D等控制作用的。

11 二、气动控制器 三、电动控制器 电动单元组合仪表是以电为能源的仪表。它已经历了： DDZ-Ⅰ型 电子管为基本放大元件，笨重、易燃易爆。 DDZ-Ⅱ型 晶体管为基本放大元件，采用220V交流电源，各单元间以0～10mADC统一联络信号，信号传输是电流传送—电流接收的串联制形式。 DDZ-Ⅲ型 线性集成电路为主，采用24VDC电源，以4～20mADC为现场传输信号，以1～5VDC为控制室联络信号， （一）.DDZ-Ⅲ型控制器的特点 控制器接受变送器送来的1～5VDC输入信号与1～5VDC给定值相比较得出偏差e，然后通过集成运算放大器构成的电路对其偏差进行P、I、D运算，输出4～20mADC信号。

12 DDZ-Ⅲ型控制器结构方框图 指示单元 控制单元

13 (二).控制器各组成部分的原理 1.输入电路 输入电路是对输入信号（测量信号）Vi与给定信号Vs进行综合的电路，其输出信号V01则是以10V为基准的电压信号。V01一方面送至PD电路，另一方面取 V01作为IC1 的负反馈。 I’2 R I1 I’1 F I’3 1/2V01 V01 R0 VB=10V - + IC1 I3 VS I2 Vi T

14 ，V01=2(VS-Vi) 如上图为其等效电路，分析运算关系如下： 对同相端：根据基尔霍夫电流定律有 I1+I2=I3 即
则 ，V01=2(VS-Vi) 因此，输入电路实际上是偏差差动电平移动电路。

15 2.PD电路 3.PI电路 - - PI电路简化原理线路图 1/n 1/α V02 V02/m (C) ▽ VT CD V01 1k VB
RD (a)无源比例微分电路 ▽ VF VT V02 1/α VB - + IC2 (b)比例运算电路 I2 + - V02 V03 CM CI ▽ VB F RI I1 V02/m IC3 PI电路简化原理线路图 T 3.PI电路 V03 t (C)

16 输出电路是一个电平移动的电压-电流转换电路
4.输出电路 输出电路将PI电路以VB =10V为基准的1～5VDC输出信号转换为以0V为基准的4～20mADC的信号,送往执行器。晶体管T1为射极跟随器，T2为功率输出管,RL为负载电阻。 输出电路是一个电平移动的电压-电流转换电路 RL - + IC4 ▽ V03 VB R2 VT I1 VF R If I’0 R1 24V RH T1 T2 I0(4～20)mA 250～750Ω IB Vf 62.5Ω

17 第七节 可编程序控制器 它编程方便，能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作”等。 特点：①高可靠性。 ②编程方便，易于使用。
③环境要求低,适用于恶劣的工业环境。 ④与其它装置配置联接方便，对于模拟量、开关量、 各种显示、数据通讯都可联接。 单板机 编程器接口 扩展接口 输出接口 电源 存储器及后备电池 输入接口 编程器