第四章调节单元.ppt
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1、,第四章 调节单元,调节器(控制器)-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。,调节器(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。,PID 控制:是上世纪40年代以前除开关控制外的唯一控制方式,也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控制方式。,调节器(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。, 原理简单,使用方便;, 适应性强,可以广
2、泛应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸、建材等各类生产行业;, 鲁棒性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。,PID控制的优点:,控制规律的表示形式,PID控制器的一般形式为:yf(e) 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为:,比例作用(P),比例积分作用(PI),比例微分作用(PD),比例积分微分作用(PID),KP控制器的比例增益; TI控制器的积分时间; TD控制器的微分时间;,控制律:,1、比例调节器,上式中调节器的输出u实际上是对其起始值u0的增量。即:当偏差e=0,u=0时,并不意味调节器输出为零,而是u= u0, u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的
3、。,注意:,影响:,:控制作用增强,上升速度快,但 过小,容易引起被控量震荡,甚至导致闭环不稳定。,随着 的增大 ,余差将减小,但不会完全消失。属于有差调节。,越大,比例控制作用越弱,越小,比例控制作用越强。,比 例 度 对 控 制 过 程 的 影 响,比例度的选择原则: 若对象的滞后较小,时间常数较大以及放大倍数较小,那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度,从而使过渡过程曲线的形状较好。反之,为保证系统的稳定性,就要选择大的比例度来保证稳定。,2、比例积分调节器,控制律:,积分时间TI的物理意义:在阶跃信号作用下,控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。,影响:,积分控制作用有
4、利于消除余差,但降低了系统的稳定性,特别是当 TI 比较小时,稳定性下降更为严重。,积 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响,左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线可以看出,TI过大时积分作用不明显,余差消除地也慢,从图中曲线、可以看出,TI较小时易于消除余差,但系统的振荡加剧。相比之下,曲线就比较理想。,积分常数越大,积分作用越小,反之,积分作用越大。,在调节器参数整定时,如欲得到与纯比例作用相同的稳定性,当引入积分作用后,应适当减小 ,以补偿积分作用造成的稳定性下降。,3、比例微分调节器,控制律:,很大,当e为常值时,微分不起作用,调节器等同于比例调节器,当e变化
5、时,调节器作用如右图,影响:,微分是按偏差的变化而作用的,它能够提高系统的稳定性,抑制振荡、抑制超调,且偏差变化越快,微分校正作用越强。,微分作用不适用于扰动大而频繁的系统!,微 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响,PD控制优点:能提高系统的响应速度,同时改善过程的动态品质,抑制过渡过程的最大动态偏差,有助于提高系统的稳定性。 PD控制不足之处: 一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制,而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次,当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启,容易造成系统振荡。 PD控制一般总是以比例动作为主,微分动作为辅。,4、比例积分微分调节器,控制律:,
6、PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能,从控制效果看,是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想,但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量,而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。,调节器控制规律的选择,1)选择依据:,被控过程的特性(容量大小、延迟时间、负荷变化、主要扰动等); 对系统控制质量的要求。,2)基本原则:,3)选择控制规律的经验法,假设被控过程的数学模型可近似描述为:,选择
7、比例或比例积分控制;,选择比例积分或比例积分微分控制;,单回路控制已经不能满足控制要求,应采用串级、前馈等复杂控制方式。,调节器(控制器)分类,按能源形式可分 1)电动调节器 2)气动调节器 按信号类型可以分为 1)模拟式调节器 2)数字式调节器,1)基地式调节器 2)单元组合调节器 3)组装式调节器,按结构形式可分为,4.1 DDZ型调节器,DDZ型电动单元调节器-是模拟式控制器中较为常见的一种,它以来自变送器或转换器的15V直流测量信号作为输入信号,与15V直流设定值相比较得到偏差信号,然后对此信号进行PID运算后,输出l5V或420mA直流控制信号,以实现对工艺变量的控制。,1. DDZ
8、-型仪表的特点,(1)采用国际电工委员会(IEC)推荐的统一标准信号。,优点:,电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,这不但利用了晶体管的线性段,而且容易识别断电、断线等故障。 本信号制的电流-电压转换电阻为250。 由于联络信号为15V DC,可采用并联信号制,因此干扰少,连接方便。,(2)广泛采用线性集成电路,可靠性提高,维修工作量减少。,优点:,由于集成运算放大器均为差分放大器,且输入对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高。 由于集成运算放大器有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高。 由于采用了集成电路,焊点少,强度高,大大提高了仪表的可靠性。,(3)型仪表统一由电源
9、箱供给24V DC电源,并有蓄电池作为备用电源。,优点:,各单元省掉了电源变压器,没有工频电源进入单元仪表,既解决了仪表发热问题,又为仪表的防爆提供了有利条件。 在工频电源停电时备用电源投入,整套仪表在一定时间内仍可照常工作,继续进行监视控制作用,有利于安全停车。,(4)内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。 (5)自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。 (6)整套仪表可构成安全火花防爆系统。,DDZ-型控制器有两个基型品种: 全刻度指示控制器 偏差指示控制器,全刻度指示调节器的原理方框图:,调节器结构组成:控制单
10、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。,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),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
11、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。,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。,4.1.1输入电路,作用: 1)将测量信号Vi和设定信号Vs
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