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1、2023年4月21日星期五化工仪表及自动化化工仪表及自动化6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 基本控制规律基本控制规律6.3 6.3 模拟式控制器模拟式控制器6.4 6.4 数字式控制器数字式控制器本章的主要内容：本章的主要内容：6.1 6.1 概述概述控制器是控制系统的核心。控制器是控制系统的核心。控制器的作用：控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。使被控变量符合生产要求。 控制器在闭环控制系统中将检测变送环控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变量的设定值比较节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据
2、偏差按照一定的控制后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。行器上。 按能源形式：按能源形式：控制器的分类控制器的分类控制器一般可按能源形式、控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分信号类型和结构形式进行分类。类。电动电动气动气动发展较早，其特点是结构简单、发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因此广泛且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。的场所。气动控制仪表气动控制仪表 相对气动控制
3、仪表出现得较晚，但由于相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，并且容易与计算机等现代化信息容易得多，并且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极为迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制为迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动控制
4、仪表。使用电动控制仪表。电动控制仪表电动控制仪表目前采用的控制器以电动控制器占绝目前采用的控制器以电动控制器占绝大多数。大多数。按信号类型：按信号类型：数字式数字式模拟式模拟式 传输信号通常是连续变化的模拟量，传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简单，操作方便，在过程控其线路较为简单，操作方便，在过程控制中已经广泛应用。制中已经广泛应用。模拟式控制仪表模拟式控制仪表数字式控制仪表数字式控制仪表 数字式控制仪表的传输信号通常是断数字式控制仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，以微型计算机为核心，续变化的数字量，以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，能够解决模拟式其功能完善，性能优越，能
5、够解决模拟式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制中，以提高控制质量。中，以提高控制质量。按结构形式：按结构形式：基地式基地式集散控制系统集散控制系统单元组合式单元组合式组装式组装式将控制机构与指示、记录机构组将控制机构与指示、记录机构组成一体，结构简单，但通用性差，成一体，结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般仅用于一些使用不够灵活，一般仅用于一些简单控制系统。简单控制系统。基地式控制仪表基地式控制仪表将整套仪表划分成能独立实现某种功能的若将整套仪表划分成能独立实现某种功能的若干单元，
6、各个单元之间用统一标准信号联系。干单元，各个单元之间用统一标准信号联系。将各个单元进行不同的组合，可以构成具有将各个单元进行不同的组合，可以构成具有各种功能的控制系统，使用灵活方便。各种功能的控制系统，使用灵活方便。 目前使用较多的单元组合式控制器属电目前使用较多的单元组合式控制器属电动动型，而在一些老装置上电动型，而在一些老装置上电动型控制器型控制器还在使用，气动单元控制器由于控制滞后太还在使用，气动单元控制器由于控制滞后太大已经很少使用。大已经很少使用。 单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成
7、套仪表装置。功能分离、结构组件化的成套仪表装置。组装式控制仪表组装式控制仪表随着计算机技术发展，出现了各种以微处理随着计算机技术发展，出现了各种以微处理器为基础的控制器，在结构、功能、可靠性器为基础的控制器，在结构、功能、可靠性等各个方面都使控制器进入一个新阶段。近等各个方面都使控制器进入一个新阶段。近二十多年来出现了许多基于集散控制系统或二十多年来出现了许多基于集散控制系统或者现场总线的控制器，它们除了控制功能外，者现场总线的控制器，它们除了控制功能外，还具有网络通信等功能，适应信息社会大规还具有网络通信等功能，适应信息社会大规模生产需要。模生产需要。 集散控制系统集散控制系统6.2 6.2
8、 基本控制规律基本控制规律 6.2.0 6.2.0 基本概念基本概念6.2.1 6.2.1 双位控制双位控制6.2.2 6.2.2 连续连续PIDPID控制算法控制算法6.2.0 6.2.0 基本概念基本概念过程控制一般是指连续控制系统，控制过程控制一般是指连续控制系统，控制器的输出随时间的变化发生连续变化。器的输出随时间的变化发生连续变化。不管是何种控制器，都有其基本的控制不管是何种控制器，都有其基本的控制规律。规律。控制器的控制器的输入信号输入信号e(t)：是测量值是测量值y(t)与被控与被控变量的设定值之差变量的设定值之差 ，即，即e(t)=y(t)-r(t)；控制器的控制器的输出信号输
9、出信号u(t)：是送往执行机构的是送往执行机构的控制命令控制命令。控制规律就是控制器的输出信号控制规律就是控制器的输出信号u(t)随输入随输入信号信号e(t)变化的规律。变化的规律。控制规律的定义：控制规律的定义：是指控制器是指控制器的的输出信号输出信号与与输入信号输入信号之间的之间的关系。关系。双位控制（开关控制）：双位控制（开关控制）：比例控制：比例控制：积分控制：积分控制：微分控制：微分控制：基本控制规律：基本控制规律：以蒸汽加热反应釜为例：设反应温以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度为度为85，反应过程是轻微放热的，反应过程是轻微放热的，还需要从外界补充一些热量。还需要从外界补充一些热量。
10、 发现温度一低于发现温度一低于85，就把蒸，就把蒸汽阀门全开，一高于汽阀门全开，一高于85，就全，就全关，这种做法称双位控制，阀门关，这种做法称双位控制，阀门开度只有两个位置，全开或全关。开度只有两个位置，全开或全关。使供需一直不平衡，温度波动不使供需一直不平衡，温度波动不可避免，它是一个持续振荡过程。可避免，它是一个持续振荡过程。用双位控制规律来控制反应器温用双位控制规律来控制反应器温度，显然控制质量差。度，显然控制质量差。 蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜式中式中y是测量值。是测量值。13855y开启圈数（） 若在某一静态，温度为若在某一静态，温度为85，阀，阀门开度是三圈。这样调节：当温门开
11、度是三圈。这样调节：当温度高于度高于85时，每高出时，每高出5就关就关一圈阀门；当低于一圈阀门；当低于85时，每降时，每降低低5就开一圈阀门。这样，阀门就开一圈阀门。这样，阀门的开启度与偏差成比例关系，用的开启度与偏差成比例关系，用数学公式表示则为：数学公式表示则为：蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜比例控制比例控制规律模仿上述操作方式，控规律模仿上述操作方式，控制器的输出制器的输出u(t)与偏差与偏差e(t)的对应关系的对应关系为：为： u(t)=u(0)+Kce(t) 式中式中u(t)是比例控制器的输出；是比例控制器的输出；u(0)是是偏差偏差e为零时的控制器输出，为零时的控制器输出，e=y-r
12、；Kc是控制器的比例放大倍数。是控制器的比例放大倍数。 比例控制的缺点是在负荷变化时有比例控制的缺点是在负荷变化时有余差。余差。例如，在该例子中，如果工况例如，在该例子中，如果工况有变动，阀门开三圈，就不再能使温有变动，阀门开三圈，就不再能使温度保持在度保持在85。 比例操作方式会有余差存在。为了消比例操作方式会有余差存在。为了消除余差，人们这样做：把阀门开启数圈除余差，人们这样做：把阀门开启数圈后，不断观察测量值，若低于后，不断观察测量值，若低于85，则，则慢慢地继续开大阀门；若高于慢慢地继续开大阀门；若高于85，则，则慢慢地把阀门关小，直到温度回到慢慢地把阀门关小，直到温度回到85。这种方
13、式的特点：这种方式的特点：是按偏差来决定阀门是按偏差来决定阀门开启或关闭的速度，开启或关闭的速度，而不是直接决定阀而不是直接决定阀门开启的圈数。门开启的圈数。 ( )( )Idu tK e tdt控制器输出的变化速度与偏差成正比控制器输出的变化速度与偏差成正比这就是积分控制这就是积分控制规律。规律。由上式可看出，由上式可看出，只要有偏差随时间而存只要有偏差随时间而存在，控制器输出总是在不断变化，直到在，控制器输出总是在不断变化，直到偏差为零时，输出才会稳定在某一数值偏差为零时，输出才会稳定在某一数值上。上。 tIdtteKutu0)()0()(积分后得积分后得 对于容量滞后较大的过程，当出对于
14、容量滞后较大的过程，当出现偏差时，其数值已较大，对控制现偏差时，其数值已较大，对控制及生产不利。此时，人们及生产不利。此时，人们观察偏差观察偏差的变化速度的变化速度即趋势即趋势来开启阀门的圈来开启阀门的圈数数，这样可抑制偏差幅度，易于控这样可抑制偏差幅度，易于控制。制。dttdeTtuD)()(这就是微分控制这就是微分控制规律，控制器的输规律，控制器的输出与偏差变化速度成正比。出与偏差变化速度成正比。6.2.1 6.2.1 双位控制双位控制理想的双位控制器输出与输入偏差之理想的双位控制器输出与输入偏差之间的关系为：当测量值大于给定值时，间的关系为：当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最
15、小），当控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为最小测量值小于给定值时，输出值为最小（或最大）。控制器只有两个输出值，（或最大）。控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限相应的执行机构只有开和关两个极限位置。位置。maxmaxminmin,0,0,0,0ueueuuueue或为了降低控制机构的开关频率，延为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。长控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统增加了中间区，当给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作。不会动作。maxmaxmaxminm
16、axminmin,ueeuuueeueemin保持或不变,e umin umax u(t) e(t) emin emax 实际的双位控制特性实际的双位控制特性6.2.2 6.2.2 连续连续PIDPID控制算法控制算法6.2.2.1 6.2.2.1 比例控制比例控制( (P)P)(1)比例控制规律比例控制规律 输出信号与输入信号之间的关系为输出信号与输入信号之间的关系为 ( )( )cu tK e t式中：式中： Kc 比例增益，衡量比例控制作用强弱比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。的变量。比例增益比例增益Kc是控制器的输出变量是控制器的输出变量u(t)与输入变量与输入变量e(t)之比。之比。Kc越大，在相同偏差越大，在相同偏差e(t)输入下，输出输入下，输出u(t)也越大。也越大。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有滞后。上没有滞后。比例增益比例增益Kc衡量比衡量比例控制作用强弱的变量。例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用在实际中，习惯上使用比例度比例度表示比例控制表示比例控制作用的强弱。作用的强弱。 u(t) t
