1、第四章第四章 自動控制儀表自動控制儀表Chapter 4 Auto-control instrument 1、掌握各種基本控制規律及其特點。、掌握各種基本控制規律及其特點。 2、熟悉比例度、積分時間、微分時間對控制系統、熟悉比例度、積分時間、微分時間對控制系統 的影響。的影響。 3、了解、了解DDZ-III型控制器的特點和基本組成。型控制器的特點和基本組成。 5、了解、了解PLC特點與編程方法。特點與編程方法。 4、了解可編程調節器的功能與特點、了解可編程調節器的功能與特點。 1. control law and characteristic 2. The effect of proporti

2、on band, integration time, differential time to control system 3. Characteristic and basic composition of DDZ-III 5. Characteristic and programme method of PLC 4. Function and characteristic of programme regulator第一節第一節 概述概述 自動控制儀表的作用：自動控制儀表的作用：將被控變量的測量值與給定值將被控變量的測量值與給定值相比較相比較，根據比較的偏差值，根據比較的偏差值進行一定的

3、數學運算進行一定的數學運算，并將，并將運算結果以一定的信號形式運算結果以一定的信號形式送往執行器送往執行器，以代替人工進，以代替人工進行調節操作，從而實現對控制變量的自動控制。行調節操作，從而實現對控制變量的自動控制。 發展發展基地式控制儀表基地式控制儀表（檢測顯示控制一體化檢測顯示控制一體化）單元組合儀表中的控制單元單元組合儀表中的控制單元（一單元一功能一單元一功能） 以微處理器為基元的控制裝置以微處理器為基元的控制裝置(單回路單回路, PLC, MPC)按動力形式：按動力形式： 控制器的分類控制器的分類 classification電動電動氣動氣動按信號類型：按信號類型：數字式數字式模擬式

4、模擬式按結構形式：按結構形式：基地式基地式集散控制系統集散控制系統單元組合式單元組合式組裝式組裝式標準信號標準信號: 氣動氣動 20-100KPa, 電流信號電流信號: 4-20mA, 電壓信號電壓信號:1-5VstructureGas driveElectricity drivesignalpowerAnalogDigitalMountedUnit composedpackageDistributed control system第二節第二節 基本控制規律及其對過渡過程的影響基本控制規律及其對過渡過程的影響 控制規律的含義控制規律的含義：控制器控制器輸出信號輸出信號與與輸入信號輸入信號的關系

5、。的關系。 開環單獨研究控制器的特性開環單獨研究控制器的特性(控制器與系統分開控制器與系統分開)。控制器的基本規律就是控制器的基本規律就是p與與e之之間的關系間的關系(氣動氣動)： P=f(e)= f(z-x) 偏差信號偏差信號e=(z-x)送往執行送往執行器的信號器的信號約定約定：研究控制規律常將：研究控制規律常將 e 假定為階躍信號。假定為階躍信號。注意注意: 偏差在分析控制系統時，采用偏差在分析控制系統時，采用x-z, 但在分析控制規律但在分析控制規律時習慣采用時習慣采用z-x 控制器的基本規律有：控制器的基本規律有： 位式控制位式控制(雙位雙位) step control 比例控制比例

6、控制(P) proportion control 積分控制積分控制(I) integration control 微分控制微分控制(D) differential control P與與I與與D的組合的組合(PI, PD, PID)實際操作中要在了解各種控制規律特點及適用條件實際操作中要在了解各種控制規律特點及適用條件的基礎上，根據過渡過程品質指標要求，結合對象的基礎上，根據過渡過程品質指標要求，結合對象的具體特性，選取合適的控制規律。的具體特性，選取合適的控制規律。 P =一、雙位控制一、雙位控制 （開關控制開關控制）舉例？舉例？ 當測量值大于給定值時，控制器的輸出為最大（或當測量值大于給定

7、值時，控制器的輸出為最大（或最小），當測量值小于給定值時，則輸出為最小（或最最小），當測量值小于給定值時，則輸出為最小（或最大）；控制器只有兩個輸出值，相應的控制機構只有開大）；控制器只有兩個輸出值，相應的控制機構只有開和關兩個極限位置。和關兩個極限位置。 理想理想的雙位控制中的雙位控制中p p與與e e的關系的關系為：為： pmax e0 pmin e0 雙位控制示例雙位控制示例 理想理想雙位控制器雙位控制器：在理論雙位控制特在理論雙位控制特性下，必然引起執性下，必然引起執行器的行器的頻繁動作頻繁動作，使故障增多。使故障增多。某一數值后，控制機構才動作；從而某一數值后，控制機構才動作；從而大

8、大減少動作的次數。大大減少動作的次數。指標指標：振幅、周期：振幅、周期( (不采用連續控制的品不采用連續控制的品質指標質指標) )實際雙位控制器：實際雙位控制器：有一有一個個中間區中間區，偏差在中間，偏差在中間區時，控制機構不動作，區時，控制機構不動作，而當控制變量的測量值而當控制變量的測量值高于高于( (低于低于) )給定值給定值雙位控制器特點：雙位控制器特點：結構簡單，易于實現。除此外，結構簡單，易于實現。除此外，還有三位控制等，統稱還有三位控制等，統稱位式控制位式控制。電電極極繼電器繼電器電磁閥電磁閥二、比例控制二、比例控制 proportion control 含義含義：控制器的輸出與

9、被控變量的偏差成比例。控制器的輸出與被控變量的偏差成比例。 液位高于給定值時，控制閥關液位高于給定值時，控制閥關小，液位越高，閥關得越小小，液位越高，閥關得越小；液位低于給定值時，控制閥開液位低于給定值時，控制閥開大，液位越低，閥開得越大；大，液位越低，閥開得越大；相當于位式控制的位數增加到相當于位式控制的位數增加到無窮多，變成連續控制系統。無窮多，變成連續控制系統。簡單的比例控制系統示意圖簡單的比例控制系統示意圖l 控制規律：控制規律： p=Kpe Kp為放大系數為放大系數 (比例增益比例增益)，表示比例控制的強弱。表示比例控制的強弱。根據杠桿原理根據杠桿原理, p=a/b e 比例度比例度

10、 ：(表示比例控制作用的強弱表示比例控制作用的強弱） 控制器控制器輸入輸入變化的相對值與相應變化的相對值與相應輸出輸出變化相對值變化相對值的比值。的比值。%100minmaxminmaxpppxxee輸入變化量；輸入變化量；p響應的輸出變化量；響應的輸出變化量；xmax-xmin輸入的最大變化量，即儀表的量程；輸入的最大變化量，即儀表的量程；pmax-pmin輸出的最大變化量，即控制器輸出的工輸出的最大變化量，即控制器輸出的工作范圍。作范圍。 物理意義物理意義：控制器輸出變化滿刻度時，輸入偏差變化控制器輸出變化滿刻度時，輸入偏差變化對應于指示刻度的百分數。對應于指示刻度的百分數。 與與Kp的關

11、系的關系：對于一個具體的比例作用控制器，指示值的刻度范對于一個具體的比例作用控制器，指示值的刻度范圍圍xmax-xmin及輸出的工作范圍及輸出的工作范圍pmax-pmin應是一定的，應是一定的，上式表明，比例度上式表明，比例度 與放大系數與放大系數Kp成反比。成反比。%1001minmaxminmaxxxppKp比例控制系統的過渡過程比例控制系統的過渡過程： P116 圖圖4-7出水量出水量Q2階躍增加階躍增加 液位液位h下降下降 閥桿閥桿p上升上升 進水量進水量Q1增加增加 待待Q2=Q1時，達到平衡時，達到平衡 產生產生余差余差 余差余差：在比例控制中，平衡狀態的控制系統在受到干在比例控制

12、中，平衡狀態的控制系統在受到干擾作用后，通過過渡過程，重新達到新的平衡，此時擾作用后，通過過渡過程，重新達到新的平衡，此時控控制參數的穩定值將低于系統的給定值制參數的穩定值將低于系統的給定值，兩者之間的差值，兩者之間的差值為余差。為余差。 問題提出：問題提出：比例控制為何有余差？比例控制為何有余差？能消除余差嗎？能消除余差嗎？ 比例控制的特點比例控制的特點：優點為反應快，控制及時。缺點為存在余差，應設法降低。優點為反應快，控制及時。缺點為存在余差，應設法降低。 比例度越大，過渡過程曲線越平比例度越大，過渡過程曲線越平穩，但余差也越大。穩，但余差也越大。減小比例度，可以減少余差，但減小比例度，可

13、以減少余差，但使系統穩定性變差。使系統穩定性變差。比例度減小到某一數值，過渡過比例度減小到某一數值，過渡過程產生等幅振蕩，此時的比例度程產生等幅振蕩，此時的比例度稱為稱為臨界比例度臨界比例度 k。 比例度小于比例度小于 k時，時，Kp明顯增大，明顯增大，出現發散振蕩。出現發散振蕩。 比例度對過渡過程的影響比例度對過渡過程的影響：比例度對過渡過程的影響圖比例度對過渡過程的影響圖Kp=a/b 三、積分控制三、積分控制 含義含義：積分控制作用的輸出變化量積分控制作用的輸出變化量 p 與輸入偏差與輸入偏差 e 的的積分成正比。積分成正比。 積分控制器特性積分控制器特性edtKpI 當當e為常數為常數A

14、時時,則有：則有： KI稱為稱為積分速度積分速度。AtKpI 特點：只要存在偏差，輸出信號就特點：只要存在偏差，輸出信號就隨時間增長；只有當偏差為零時，輸隨時間增長；只有當偏差為零時，輸出才停止變化，故出才停止變化，故積分控制器無余差積分控制器無余差。 積分控制作用隨時間積累逐漸積分控制作用隨時間積累逐漸增強，故增強，故控制不及時控制不及時。 edtTeKedtKeKpIPIP1 比例積分控制公式：比例積分控制公式：若對象慣性大時，過渡時間將延長。若對象慣性大時，過渡時間將延長。常把比例與積分組合常把比例與積分組合起來，達到控制及時，消除余差的目的。起來，達到控制及時，消除余差的目的。偏差是幅

15、值為偏差是幅值為A A的階躍干擾，則有：的階躍干擾，則有：比例積分控制特性比例積分控制特性AtTKAKpIPp 當當t=TI時，時，輸出輸出2KPA， 當當 t=0時，時，輸出為輸出為KPA，利用此關系可利用此關系可實測實測KP和和TI 積分時間對過渡過程的影響：積分時間對過渡過程的影響： 積分時間積分時間 TI 越短，積分速度越短，積分速度 KI (KI=1/ TI) 越大，積分作用越大，積分作用越強。越強。 TI太小，穩定性變差。太小，穩定性變差。積分時間為積分時間為，變為純比例變為純比例作用。作用。比例積分控制器對多數系比例積分控制器對多數系統都可采用，比例度和積統都可采用，比例度和積分

16、時間均可調整。分時間均可調整。 四、微分控制四、微分控制 含義：含義：對慣性較大的對象，常根據被控變量變化的快對慣性較大的對象，常根據被控變量變化的快慢程度來調整。人工操作時，雖然偏差較小，但看到參慢程度來調整。人工操作時，雖然偏差較小，但看到參數變化很快，估計馬上會有更大的誤差，此時會通過過數變化很快，估計馬上會有更大的誤差，此時會通過過分調節的方法，來克服干擾的影響。而在自動控制時，分調節的方法，來克服干擾的影響。而在自動控制時，這種這種按照偏差變化速度進行的控制按照偏差變化速度進行的控制為為微分控制微分控制。微分特性圖微分特性圖 dtdeTpD微分時間微分時間偏差信號變化速率偏差信號變化

17、速率 特點特點：微分控制，即使偏差很小，只要出現變化趨勢，微分控制，即使偏差很小，只要出現變化趨勢，馬上進行控制，故有馬上進行控制，故有超前控制超前控制的優點的優點；但其輸出不反映；但其輸出不反映偏差的大小。若偏差固定，即使數值很大，微分作用也偏差的大小。若偏差固定，即使數值很大，微分作用也無輸出，控制結果不能消除偏差。因此無輸出，控制結果不能消除偏差。因此微分控制不能微分控制不能單獨使用單獨使用，常組成，常組成PD控制或控制或PID控制。控制。 dtdeTeKpDP比例微分控制器特性比例微分控制器特性 比例微分控制規律比例微分控制規律PD曲線：曲線：偏差出現的瞬間，偏差出現的瞬間，調節器輸出

18、一個很大的階躍信號，調節器輸出一個很大的階躍信號，然后按指數下降，最后微分作用然后按指數下降，最后微分作用完全消失，變成純比例調節。完全消失，變成純比例調節。適用：適用：對慣性大的對象用對慣性大的對象用PD控制可以改善控制質控制可以改善控制質量，減少最大偏差，節省控制時間。量，減少最大偏差，節省控制時間。 微分作用的強弱由微分作用的強弱由微分時間常數微分時間常數 TD 來調節。來調節。TD對過渡過程的影響對過渡過程的影響微分作用力圖阻止被控變微分作用力圖阻止被控變量的變化，有抑制振蕩的效量的變化，有抑制振蕩的效果；果；但如果加的過大，由于控但如果加的過大，由于控制作用過強，反而會引起被制作用過

19、強，反而會引起被控變量大幅度的振蕩。控變量大幅度的振蕩。 PID控制規律控制規律：當有階躍信號輸入時，輸出為比當有階躍信號輸入時，輸出為比例、積分和微分三部分輸出的和；這種方法既能快例、積分和微分三部分輸出的和；這種方法既能快速控制，又能消除余差。速控制，又能消除余差。dtdeTedtTeKpDIP1PID控制作用及特性對比控制作用及特性對比 含義含義：控制器的輸入與輸出信號及內部傳送信號均為控制器的輸入與輸出信號及內部傳送信號均為連續的模擬信號。連續的模擬信號。 第三節第三節 模擬式控制器模擬式控制器 控制器基本構成控制器基本構成一、基本構成原理及部件一、基本構成原理及部件比較環節：比較環節

20、：比較電流或電壓信號，產生偏差；比較電流或電壓信號，產生偏差；放大器：按一定放大器：按一定比例放大；比例放大；反饋環節組成：反饋環節組成：回饋輸出信號；回饋輸出信號；12345667 DDZIII型調節器正面圖型調節器正面圖1位號牌位號牌; 2內外給定指示內外給定指示; 3內給定設定撥盤內給定設定撥盤; 4-A/M/H切換切換 ;5閥位表閥位表; 6軟手動操作扳鍵軟手動操作扳鍵;7雙針全刻度指示表雙針全刻度指示表; 二、二、DDZ-型電動控制器型電動控制器（特點、組成、操作特點、組成、操作）1、DDZ-型儀表的特點1) 采用國際標準信號，現場傳輸采用國際標準信號，現場傳輸4 4 2020mAm

21、A DCDC, ,控制室聯控制室聯絡信號為絡信號為1 1 5 5VDCVDC；電流電流電壓轉換電阻電壓轉換電阻250250歐歐。兩線制兩線制。2) 采用采用集成電路集成電路，可靠性好，維修量小。，可靠性好，維修量小。3) 儀表由電源箱供電儀表由電源箱供電2424VDCVDC，蓄電池備用。蓄電池備用。4) 結構合理，大表頭醒目，硬手動與軟手動，自動與手結構合理，大表頭醒目，硬手動與軟手動，自動與手動無平衡、無擾動；可單獨安裝與高密度安裝；設有內動無平衡、無擾動；可單獨安裝與高密度安裝；設有內給定與外給定；給定與外給定；5) 安全防爆。安全防爆。 2、DDZ-型電動執行器的組成與操作 類型：類型：

22、型控制器有全刻度與偏差指示兩品種。型控制器有全刻度與偏差指示兩品種。 基型控制器基型控制器；特殊控制器特殊控制器，如斷續控制器，自整，如斷續控制器，自整 定控制器，前饋控制器，非線性控制器等。定控制器，前饋控制器，非線性控制器等。 基型控制器組成：基型控制器組成：輸入電路，給定電路，輸入電路，給定電路，PIDPID運算電路，運算電路，自動與手動切換電路，輸出電路與指示電路。自動與手動切換電路，輸出電路與指示電路。測量測量信號信號DTL-311-型調節器型調節器全刻度指示調節器面板全刻度指示調節器面板硬手動硬手動自動自動軟手動軟手動1自動自動-軟手動軟手動-硬手動切換開關；硬手動切換開關；2雙針

23、垂直指示器；雙針垂直指示器；3內給定設定輪；內給定設定輪；4輸出指示器；輸出指示器；5硬手動操作桿；硬手動操作桿；6軟手動操作按鍵；軟手動操作按鍵；7外給定指示燈；外給定指示燈；8閥位指示器；閥位指示器；9輸出記錄指示；輸出記錄指示；10位號牌；位號牌；11輸入檢測插孔；輸入檢測插孔；12手動輸出插孔手動輸出插孔雙向無平衡雙向無平衡無擾動無擾動手自手自轉換轉換雙向無平衡雙向無平衡無擾動無擾動 一、一、數字式控制器的主要特點數字式控制器的主要特點 第四節第四節 數字式控制器數字式控制器含義含義：控制器的外部信號為模擬信號，而內部信號為數字控制器的外部信號為模擬信號，而內部信號為數字信號，其中存在

24、信號，其中存在A/DA/D與與 D/A D/A轉換。轉換。常被稱為常被稱為單回路數字控單回路數字控制器制器。 實現了模擬儀表與計算機一體化；實現了模擬儀表與計算機一體化； 具有豐富的運算控制功能；具有豐富的運算控制功能； 使用靈活方便，通用性強；使用靈活方便，通用性強； 具有通訊功能，便于系統擴展；具有通訊功能，便于系統擴展； 可靠性高，維護方便可靠性高，維護方便 （硬件、軟件）；（硬件、軟件）； 二二、數字、數字式式控制器控制器的基本構成的基本構成1 1、數字式控制器的硬件電路、數字式控制器的硬件電路 2 2、數字式控制器的軟件、數字式控制器的軟件 系統程序系統程序(監控程序，功能模塊監控程

25、序，功能模塊)；用戶程序。；用戶程序。 二、二、KMM型可編程序調節器型可編程序調節器 I/O：五五個個 AI(15V)，四個四個 DI ；(A I/O, D I/O) 三個三個AO(15V,420mA)，三個三個 DO。 功能：功能：PID運算功能，并增加幾個輔助功能（運算功能，并增加幾個輔助功能（加，減，加，減，乘，除，開方，高低值選擇，邏輯運算等乘，除，開方，高低值選擇，邏輯運算等），可用于簡），可用于簡單控制與復雜的串級控制。單控制與復雜的串級控制。 控制精度高，方便靈活；控制精度高，方便靈活； 自診斷功能強；自診斷功能強； 可與計算機聯用，能直接接收上位機的設定信號值。可與計算機聯用

26、，能直接接收上位機的設定信號值。1 批示燈批示燈, 上下限報警上下限報警2 后備手操指示燈后備手操指示燈3 通訊指示燈通訊指示燈4 外部聯鎖指示燈外部聯鎖指示燈,按下按下R,返回手動返回手動10: PV儀表上的測量值儀表上的測量值 11：SV儀表上的給定值儀表上的給定值13：正常值備忘指針：正常值備忘指針5：C 串級運行方式串級運行方式9 12：輸出設定按鈕及指針：輸出設定按鈕及指針8：給定值設定按鈕：給定值設定按鈕PID參數設定在表的內側參數設定在表的內側. 一一、概述概述二二、PLC 的的基本基本組成組成三、三、PLC的編程語言的編程語言四、四、OMRON C系列系列PLC五、應用實例五、應用實例 第第五五節節 可編程序可編程序控制器控制器一一、概述概述 PLC：Programmable Logic Controller。 最初用于順序控制最初用于順序控制； 目前可廣泛用于各種控制系統。目前可廣泛用于各種控制系統。 PLC最