过程自动检测与控制技术_CHAPT3_自动化装置

化工 过程自动检测 控制技术

第三章 自动化装置自动化装置是自动控制系统中的核心控制装 置，所有的控制策略都要通过自动化装置来实 现。早期自动化装置是通过机械控制器对被控 对象进行控制，例如蒸汽机革命时期的重锤式 蒸汽机调速器，中国的指南车等。随着电子技 术的发展，出现了电子式控制器，此时多是单 变量控制器，即每个控制器只能处理一个变量。 近年来，自动化装置向网络化，智能化发展， 因此自动控制也向分布式多层方向发展。与管 理学科的结合，使得管理与控制一体化得已实 现。

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第一节、基本控制规律一、基本开关型控制规律 开关型控制规律在人们的日常生活中非常多，例如电熨斗 温度控制、电冰箱温度控制等。开关控制的控制规律可用下列 公式表达：uumax

u u max u u u minumin Ts 图3.1-1 开关控制规律图象 T

T Ts T Ts

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一、开关型控制规律理想开关控制规律的图像，这种控制规律会造成控制阀频 繁动作，因为温度偏离希望值一点点，都会导致阀门动作。实 际开关控制规律是一带有控制误差带的开关控制规律，偏差上 限为TsH,偏差下限为TsL,该控制规律可用公式表示：u umax1 1 1 2 1 2 2 1 1

2

u u max u u u min

T TsH T TsL

umin TsL TsH

2

2T

实际开关控制规律图象

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一、开关型控制规律x

xmax

xsH

xmin u umax umax

xsL t

t

图3.1-3开关控制规律下的被控参数过渡过程

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二、时间比例型开关控制规律这是一种改进型开关控制规律。下面图3.1-4是时间比例 型开关控制规律的原理图。e

T0 u umax umax T2 T1 图3.1-4 时间比例型开关控制规律的原理图 T3

T

t

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二、时间比例型开关控制规律将控制器输出划分为一定长度的时间间隔T,在每个时间间 隔内，开关输出接通的时间TON是不同的，开关占空比定义：

开关占空比最小为0,即在每个时间周期内开关都处在断开 状态；开关占空比最大为1,即在每个时间周期内开关都都处 在接通状态。时间比例开关型控制规律是这样一种控制规律， 既控制器输出占空比正比于被控参数偏离希望值的偏差大小。

TON r T

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二、时间比例型开关控制规律TC设定温度

T

220VAC

图3.1-5 时间比例开关控制的加热罐

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二、时间比例型开关控制规律冷物料从上面流入加热罐，经过加热棒加热之后从下面流 出。220VAC加热电压通过接触器接点向加热棒供电。当加热 罐内物料温度等于设定温度时，接触器接点的接通时间一定， 即开关占空比一定。当物料温度低于设定温度时，开关接通时 间增加，加热时间延长；当物料温度高于设定温度时，开关接 通时间减小，加热时间缩短。可用下列公式

表示这种关系：

时间比例控制规律有一个可调整控制器参数Kp,这种控制 规律控制下的被控变量，其控制质量要比基本开关控制规律好。

TON r K pe T

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三、比例控制规律例控制规律是工业过程控制中使用最多的控制规律，比例 控制的英文为Proportional Control,所以比例控制规律也叫做 P控制规律。比例控制规律的表达式为：u p K p ( xr x) K pe

公式中u是控制器输出，Kp是比例控制器的比例放大倍数， xr是温度设定值， x是被控参数的测量值，e=xr-x是温度偏差。u

比例放大倍数的定义是：e

0

比例控制规律输入/输出曲线图

u u u K p max min x xmax xmin

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三、比例控制规律公式中u为放大器输出信号，x为变送器输入信号。当控制器的输入/输出为标准信号时，公式变为： 工程上常常采用比例度来表示比例放大倍数，比例度的定 义为： 当控制器的输入/输出为标准信号时， x 公式变为： xmax xmin x 1 100% 100% 100% u u Kp umax umin

u Kp x

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三、比例控制规律TC冷水

温度给定

蒸汽 T

热水 图3.1-6 蒸汽加热水槽

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三、比例控制规律假定某一时刻冷水流量增加，加热槽内水温下降，控制器 TC感受到这个变化之后，与温度给定比较，产生一个负偏差。 控制器的输出使得蒸汽控制阀开大，流入蒸汽量增加，带入的 热量增加，使得加热槽内的温度上升。温度降低的越多，偏离 温度设定越多，控制器输出使得蒸汽控制阀开的越大。同样道 理，冷水流量减小，加热槽内水温上升，控制器TC感受到这个 变化之后，与温度给定比较，产生一个正偏差。控制器的输出 使得蒸汽控制阀关小，流入蒸汽量减小，带入的热量减小，使 得加热槽内的温度下降。

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三、比例控制规律比例控制规律是一个有余差控制规律，即用纯比例控制器 构成控制系统对被控参数进行控制时，系统受到扰动，被控参 数重新稳定之后，被控参数是不能回到原来的给定数值上。这 是因为当系统受到扰动，被控对象的工作负荷发生改变，系统 需要一个新的控制参数数值来维持这个新的工作负荷，而这个 新的控制参数数值是要一定的偏差来维持的。假定系统稳定时 u 的控制器输出为u0,则有： 0 K p e0 当系统工作负荷发生改变，新的控制参数所需要的新控制 器输出为u1,则有：u1 K p e1显然u0不等于u1。

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四、积分控制规律积分控制的英文为Integral Control,所以积分控制规律也 叫做I控制规律。积分控制规律是一个与偏差存在时间有关系的 控制规律，积分控制其表达式为：

ui

1 edt Ti

u

0 e

t0

t

0

t0

t

图3.1-8 积分控制规律输入/输出曲线图

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四、积

分控制规律当t=0时刻系统受到一个阶跃扰动，产生一个阶跃偏差，积分控制器的 输出从t=0开始上升，其上升速度为1/Ti,当t=t0时系统的偏差消失，积分控 制器的输出保持恒定不变。 实际应用当中，很少用纯积分控制规律，一般是将积分控制规律与比 例控制规律结合，形成比例积分控制器，即PI控制规律。比例积分控制规律的输入/输出关系为：

1 u u p u i K p e edt Ti

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四、积分控制规律u

0 e

t0

t

0

t0

t

比例积分控制规律输入/输出曲线图

t<0时，系统没有扰动，比例控制 器的输出恒定在某一数值上。当t=0 时刻系统受到一个阶跃扰动，产生 一个阶跃偏差，比例部分的输出是 Kpe,积分部分的输出从零开始开始 上升，这两部分的叠加既是0~t0部 分的输出曲线。t= t0时偏差消失， 比例部分的输出是Kpe=0,积分部分 输出等于一个恒定数值，这两部分 的叠加就是t>t0部分曲线。

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五、微分控制规律微分控制的英文为Differential Control,所以微分控制规律 也叫做D控制规律。 …… 此处隐藏：2692字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……