化工自动化及仪表第六章.pptx

第六章第六章 控制器控制器华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系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简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图6.1 6.1 概述概述控制器的作用：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的作用？控制器的作用？ 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，然后根据偏差按照一定的后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制控制规律规律进行运算，最终输出控制信号作用于执进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上 按能源形式：按能源形式：控制器的分类控制器的分类控控制制器器一一般般可可依依据据能能源源形形式式、信信号号类类型型和和结构形式进行分类结构形式进行分类电动控制器电动控制器气动控制器气动控制器发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。

场所气动控制仪表气动控制仪表 相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，而等方面比气动仪表容易得多，而且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，故且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，故电动控制仪表的发展非常迅速，应用极为广泛电动控制仪表的发展非常迅速，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，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动控制仪表场所也能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按信号类型：按信号类型：数字式数字式模拟式模拟式 传传输输信信号号通通常常是是连连续续变变化化的的模模拟拟量量，其其线线路路较较为为简简单单，操操作作方方便便，在在过过程程控控制制中中已已经广泛应用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 数数字字式式控控制制仪仪表表的的传传输输信信号号通通常常是是断断续续变变化化的的数数字字量量，以以微微处处理理器器为为核核心心，其其功功能能完完善善，性性能能优优越越，能能够够解解决决模模拟拟式式仪仪表表难难以以解解决决的的问问题题。

近近二二十十年年来来数数字字式式控控制制仪仪表表不不断断涌涌现现新新品品种种应应用用于于过过程程控控制制中中，以提高控制质量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(DCS)(DCS)单元组合式单元组合式组装式组装式将将控控制制机机构构与与指指示示、记记录录机机构构组组成成一一体体，结结构构简简单单，但但通通用用性性差差，使使用用不不够够灵灵活活，一般仅用于一些简单控制系统一般仅用于一些简单控制系统基地式控制仪表基地式控制仪表将将整整套套仪仪表表划划分分成成能能独独立立实实现现某某种种功功能能的的若若干干单单元元，各各个个单单元元之之间间用用统统一一标标准准信信号号联联系系将将各各个个单单元元进进行行不不同同的的组组合合，可可以以构构成成具具有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 目目前前使使用用较较多多的的单单元元组组合合式式控控制制器器属属电电动动型型，而而在在一一些些老老装装置置上上电电动动型型控控制制器器还还在在使使用用，气气动动单单元元控控制制器器由由于于控控制制滞滞后后太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是在在单单元元组组合合仪仪表表的的基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。

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 随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展，出出现现了了各各种种以以微微处处理理器器为为基基础础的的控控制制器器，在在结结构构、功功能能、可可靠靠性性等等各各个个方方面面都都使使控控制制器器进进入入一一个个新新阶阶段段近近二二十十多多年年来来出出现现了了基基于于集集散散控控制制系系统统或或者者现现场场总总线线的的控控制制器器，它它们们除除了了控控制制功功能能外外，还还具具有有网网络络通通信信等等功功能能，适适应应信信息息社社会会大规模生产需要大规模生产需要 集散控制系统集散控制系统6.2 6.2 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 过过程程控控制制一一般般是是指指连连续续控控制制系系统统，控控制制器器的的输输出出随随时时间间的的变变化化发发生生连连续续变变化化不不管管是是何何种种控控制制器器，都都有有其其基基本本的的控制规律控制规律控控制制规规律律就就是是控控制制器器的的输输出出信信号号u(t)随随输输入入信号信号e(t)变化的规律。

变化的规律控控制制器器的的输输出出信信号号u(t)：是是送送往往执执行行机机构构的的控制命令控制命令控控制制器器的的输输入入信信号号e(t)：是是测测量量值值y(t)与与被被控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)；控制规律的定义：控制规律的定义：是指控制器的是指控制器的输出信号输出信号与与输输入信号入信号之间的关系之间的关系双位控制（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：以以蒸蒸汽汽加加热热反反应应釜釜为为例例：设设反反应应温温度度为为85，反反应应过过程程是是轻轻微微放放热热的的，还需要从外界补充一些热量还需要从外界补充一些热量 发发现现温温度度一一低低于于85，就就把把蒸蒸汽汽阀阀门门全全开开，一一高高于于85，就就全全关关，这这种种做做法法称称双双位位控控制制，阀阀门门开度只有两个位置，全开或全关开度只有两个位置，全开或全关蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜供供需需一一直直不不平平衡衡，温温度度波波动动不不可可避免避免显然控制质量差显然控制质量差。

双位控制结果双位控制结果式中式中y是测量值是测量值 如如果果在在某某一一静静态态，温温度度为为85，阀阀门门开开度度是是三三圈圈试试着着这这样样调调节节：当当温温度度高高于于85时时，每每高高出出5就就关关一一圈圈阀阀门门；当当低低于于85时时，每每降降低低5就就开开一一圈圈阀阀门门这这样样，阀阀门门的的开开启启度度与与偏偏差差成成比比例例关关系系，用数学公式表示则为：用数学公式表示则为：蒸汽加热反应釜蒸汽加热反应釜比比例例控控制制规规律律模模仿仿上上述述操操作作方方式式，控控制制器器的的输输出出u(t)与偏差与偏差e(t)的对应关系为：的对应关系为：u(t)=u(0)+Kce(t)式式中中u(t)是是比比例例控控制制器器的的输输出出；u(0)是是偏偏差差e为为零零时时的的控控制制器器输输出出，e=y-r；Kc是是控控制制器器的的比比例例放大倍数放大倍数比比例例控控制制的的缺缺点点是是在在负负荷荷变变化化时时有有余余差差例例如如，在在该该例例子子中中，如如果果工工况况有有变变动动（如如要要求求出出料料量量增增加加），阀阀门门开开三三圈圈，就就不不再再能能使使温温度度保保持持在在85 比比例例操操作作方方式式会会有有余余差差存存在在。

为为了了消消除除余余差差，人人们们试试图图寻寻求求新新的的控控制制方方法法：把把阀阀门门开开启启数数圈圈后后，不不断断观观察察测测量量值值，若若低低于于85，则则慢慢慢慢地地继继续续开开大大阀阀门门；若若高高于于85，则则慢慢慢慢地地把把阀阀门门关关小小，直直到到温温度度回回到到85这这种种方方式式的的特特点点：是是按按偏偏差差来来决决定定阀阀门门开开启启或或关关闭闭的的速速度度，而而不不是是直直接接决决定定阀阀门开启的圈数门开启的圈数 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由由上上式式可可看看出出，只只要要有有偏偏差差随随时时间间而而存存在在，控控制制器器输输出出总总是是在在不不断断变变化化，直直到到偏偏差差为为零零时时，输输出出才才会会稳定在某一数值上稳定在某一数值上 积分后得积分后得 控控制制器器输输出出与与偏偏差差成成积积分分关关系系这这就就是是积积分分控控制制规律规律 对对于于容容量量滞滞后后较较大大的的过过程程（如如下下图图），当当出出现现偏差时，其数值已较大，对控制及生产不利偏差时，其数值已较大，对控制及生产不利此此时时，人人们们需需要要寻寻求求新新的的方方法法：观观察察偏偏差差的的变变化化速度速度即趋势即趋势来开启阀门的圈数来开启阀门的圈数控控制制器器的的输输出出与与偏偏差差对对时时间间的的微微分分成成正比，正比，所以称为微分控制所以称为微分控制规律。

规律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间的关系为：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，控制器的输出为最大当测量值大于给定值时，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（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为最小（或最大）最小（或最大）控制器只有两个输出值，相应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位置的执行机构只有开和关两个极限位置为了降低控制机构的开关频率，延长控制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给双位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，当偏差在中间区内变系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作化时，控制机构不会动作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 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阶跃偏差作用下比例控阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性制器的开环输出特性比例控制规律的开环输出特性：比例控制规律的开环输出特性：(2)(2)比例度比例度 定义：控制器输入的定义：控制器输入的变化相对值变化相对值与与相应的输出变化相相应的输出变化相对值之比的百分数对值之比的百分数，表达式为表达式为其中：其中：。