材料工程测试技术北京工业大学材料学院张继光
2006.10
4.4 控制仪表控制仪表的原理和作用
是把来自检测仪表的信号与设定值(或称给定值)作比较或综合,再按预定的规律处理此结果,得出调控信号(是一个标准信号如
1~ 5V或 4~ 20mA),由此去操纵执行器而实现调控。
控制仪表的分类
1)依据所应用的控制理论分:
应用 经典控制理论 的 PID调节器使用十分广泛,它对偏差信号的处理办法是:比例 P(比例放大)、微分 I(求取偏差的变化速率)和积分 D(对偏差在一定时间内累积),及其 P,I,D的各种组合。
应用 现代控制理论 设计的各种控制器适用于不同控制对象、控制环境和控制参数,有很多种如:自应控制器、
自校正控制器、自学习控制器等等。
2) 依据处理数据的方式分:
模拟式控制仪表 所处理的数据是连续变化的模拟量,
实现手段是依靠晶体管、集成运算放大器等电子元件构成的电子电路。
数字式控制仪表 所处理的数据是断续变化的数字量,
它是以微机为核心,功能强大且灵活,性能优越、操作直观方便,容易得到较高的控制质量。
数字式控制仪表
可编程调节器
可编程控制器( PLC)
AN1 X 2
OUT M 0
OR M 0
LD X 0
4.5智能仪表
目前带有微机的仪表(或测试装置)不仅能测量,且能存储和处理数据,又可接受内部和外部指令,因此其特性可以具有上述智能的特征,故通常称此类仪表为智能仪表。
4.5智能仪表
测量
数据显示
适应多种传感器
控制精度高
报警功能
先进控制算法
事件输出(时间相关、数值相关)
集中控制功能
通讯功能(相互通讯、外部通讯)
智能仪表的控制理论
现代控制理论中的 辩识和建模,自适应 和 自校正 理论支持控制器能够主动找到对象的最好控制模式( 自整定 ),而智能控制器理论中的 模糊控制,专家系统,神经网络 等更使控制器具有良好的智能特性,实现对大型、
复杂的对象的控制 。
测量数据的予处理
提高测量的准确度
数字滤波
相关分析和谱分析
改善仪表特性 (数字线性化,自动校准 )
智能仪表常用数字滤波方法
算术平均值滤波
中值滤波
递推平均滤波
加权滤波第五章 温度的调节
在材料制备和材料加工中为满足工艺要求,
需要调节的工艺参数很多,但温度是最常见、
最重要的参数之一,也是最典型的。
加热炉温度自动调节常见的干扰形式调节系统的过渡过程
发散振荡过程
等幅振荡过程
衰减振荡过程
非振荡过程被调量过渡过程的几种基本形式自动调节系统的品质指标
衰减比
最大偏差(超调量)
过渡过程时间
稳态误差 C
阶跃干扰后过渡过程品质指标示意
1、衰减比 n
它是指同方向两个相邻波峰值之比。他表示了曲线衰减程度,n=1为不衰减的等幅振荡;
n<1为发散振荡,系统不稳定; n>1为衰减振荡,为了使系统有足够的稳定性,一般取 n为
4~10; n<<1则表示非振荡过程。
2、过渡过程时间
表示系统受干扰后,被调量恢复到新的平衡态的时间。理论上讲要无限长,但工程上常以被调量进入新稳态值的 ± 5%(或 ± 2%)
范围内不再越出即称过渡过程结束。它的大小反映了系统响应快慢,它越小反应系统克服频繁干扰能力越强。
st
3、最大偏差 A(超调量 σ)
指被调量第一个波峰与设定值之差。它表示被调量偏离设定值的程度,是反应系统响应的平稳性。
4、余差 C(稳态误差或静差)
是指过渡过程终了时的稳态值与设定值之差。
它反映系统调节准确性。一般要求不超过生产工艺要求。
5.2温度的断续调节
两位调节器
三位调节器两位调节器
只有“通”和“断”两种状态
调节器将令 K频繁通断,即接触器 C频繁动作
(在两位调节器设置不灵敏区加以解决 )
特点是结构简单、动作可靠、维修方便、成本较低.但是控制精度不高、被控量波动较大,温度一般为,?( 10?C? 25?C),甚至更大。调节器因频繁动作易于损坏且噪音较大等。
三位调节器
三位调节器也具有继电特性,其输出有三种状态
,1”、,1/ 2”和,0”,分别表示“通”、“部分通”
和“断” 。三位调节比两位调节的控制精度有所提高三位调节器时间比例调节器
时间比例调节器是一种断续作用的比例调节器,其调节动作与位式调节器相似,也是借助继电器的通断来实现的。不同的是,继电器通断时间的长短,受偏差输入信号的控制。
因而,调节器的平均输出与偏差信号成比例,
或者说,平均输出正比于偏差信号。
时间比例调节器
时间比例式调节改变单位时间(即周期)内平均加热功率,可以用简单的继电器触点通与断之间的时间比值,即用改变“接通”与“关断”二者占空比的办法,模拟输出具有相当分辩率的连续量。
在用半导体固态继电器或可控硅作 2秒钟左右短周期的时间比例调节的系统中,由于周期的缩短,其实际调节效果与连续比例调节已几乎无差别,且具有无噪音,长寿命的特点,过零触发型还有无电源污染等优点,故应用已越来越广泛时间比例调节的基本原理
当实际温度进入仪表的下比例带时,继电器即开始周期性地释放、吸合,靠改变吸与放的时间之比值来改变加热负载上的平均加热功率,从而改变温度的目的。吸放的时间同设定值与测量值的偏差成正比
继电器吸合时间 T1和释放时间 T2之和为时间比例的周期。
与位式调节相比,时间比例式调节对负载的调节是由偏差决定、连续改变输出量的大小这一方式去实现的,因此调节结果的波动较小。在有扰动时,被控对象能很快趋向平稳。在比例带值合适的情况下,
不会产生持续的振荡现象。
温度的连续调节
根据温度偏差按一定规律连续调节,连续改变加热炉输入功率的调温方法。这是一种无触点调节方法,调节规律通常采用比例 ( P )、
积分 ( I )、微分 ( D )等,按此构成的调节器称为 PID调节器,所组成的系统称为 PID自动调节系统。
PID控制器
PID控制器问世至今已有近 60年的历史了,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它设计技术难以使用,系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,
这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象 ﹐ 或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候,便最适合用 PID控制技术。
1、比例( P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。比例调节器的输出 Y与输入 X成正比,偏差一出现就能及时产生与之成比例的调节作用,因此具有调节及时有力的特点。但是,这种调节器输出以输入存在静态偏差为前提,一旦没有偏差就失去调节作用。因此,这种调节器构成的系统会始终存在静态偏差。
1、比例( P)控制
调节器比例系数 Kp越大,系统静差将越小,
调节精度会越高。
习惯上用 Kp的倒数 P表示,称为调节器的比例带。
比例调节器的传递函数为
m a x
m a x%1001
y
x
K
P
p

比例带对过渡特性的影响
2.积分调节 ( I )
在积分控制中,控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。
调节器的输出量不仅与偏差量的大小有关,
而且与偏差存在的时间有关。只要偏差存在,
输出就会随时间不断增加,直到偏差消失积分作用才停止。因此,积分作用使输出停留的新位置不存在静差。
因此,比例 +积分 (PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
积分调节器的传递函数
sTsx
sy
sW
I
1
)(
)(
)(
积分调节器
积分作用动作缓慢,在偏差刚出现时调节器作用很弱,不能及时克服扰动的影响,表现为调节作用滞后,过渡过程延长,甚至造成系统的不稳定性。因此,很少单独使用积分调节,常与比例调节组合使用,形成比例积分调节器。
积分时间对过渡特性的影响
3.比例积分调节 ( PI )
PI调节器的输出 y可以看成为比例和积分两项输出之和。
两种调节作用的综合能使被调量较快地趋向稳定,存在的静差被积分作用逐渐消除,得到无差调节效果。
4、微分调节( D)
微分调节是指调节器的输出信号与输入信号的变化速率成正比关系微分作用的特点
调节器输出只反应偏差变化速度,即使偏差值不大,只要出现变化趋势,马上就由微分作用及时产生输出抑制偏差连续增长,故有超前调节作用;但其输出不能反应偏差值大小,如有固定的偏差,即使数值很大,也不会有微分作用产生的输出,因此也就不能消除静差,如有变化很慢的偏差,微分作用也很小,会使系统很长时间积累产生很大的静差。所以实际系统中不会单使用微分作用,
常与比例或比例积分合成 PD,PID调节器。
微分时间对过渡过程的影响比例微分调节( PD)
引入微分后可使系统过渡过程的波动幅度降低,波动周期减小,引入微分后其静差虽不能消除,但比纯比例要小。但微分作用过强,
虽超前调节作用强,但是抗干扰响应过于强烈,会使过程产生振荡,增加系统的不稳定性,但微分作用过弱,对调节质量的改善不明显,波动周期长,静差和动差都大,但系统稳定性会增加。
PD调节规律,由于能及时发现偏差的变化趋势,通过超前调节作用,提高响应速度,明显提高过渡过程品质指标,因此常用于具滞后特性的温度调节中。
6、比例积分微分调节( PID)
)
1
1()( sT
sT
KsW
D
I
p

PID调节器的阶跃响应特性
在被控量的偏差出现时,比例微分同时先起作用。由于微分的超前调节作用,使起始偏差明显下降。而随时间的积累,积分作用将越来越起主要作用,会慢慢消除静差。比例作用则是经常的、起主导的控制作用,可以使系统比较稳定。
1.调节规律对控制对象质量的影响
当对象调节的时间常数 T较大、纯滞后相对来说较小时,引入微分作用可以获得良好的效果。这时,各种调节规律对控制质量的影响以 PID作用最好,PD作用较好,P作用次之,
PI作用则较差。
当对象调节的时间常数较小、纯滞后较大时,
应用微分作用对改善控制质量的效果不太大。
当对象调节的时间常数较小而负荷变化又很快时,引入微分作用和积分作用都会引起系统振荡,对调节质量影响很大。如果对象调节的时间常数很小时,采用反微分作用对改善调节质量可以收到良好效果。
当对象滞后很大且负荷变化也很大,而控制质量要求又较高时,可以采用比例积分微分
( PID)作用。
当负荷变化很大,对象纯滞后也较大时,就是采用比例积分微分作用也很难达到控制质量的要求,这时需要采用多回路调节系统和其它复杂的调节系统。
调节器的选型原则调 节 器 型 式适 用 对 象 情 况容 量 负 荷 滞 后两位作用调节器 较 大 变 化 很 小 较 小比例调节器 P 变 化 较 小 较 小比例积分调节器 PI 变化可大些、但要慢 较 小比例微分调节器 PD 可以大些 变 化 较 小 可 以 大 些比例积分微分调节器
PID
可 以 很大 变化可大而快些 可 以 大 些
两位调节器 属于简单的调节方式,一般适用于对调节质量要求不太高的场合。
P调节的适用范围很广,它对调节作用和扰动作用的响应均迅速,调节质量在一般情况下都较高。但这种调节器存在静差,特别是当负荷变化幅度大及系统滞后较大时,静差会更大。因此,对调节质量要求不太高的场合,可以选用 P调节。
PI调节由于积分作用的引入,能够消除静差。当对象容量较小、负荷变化又较大的场合,工艺上又要求没有静差时,用
PI调节可以获得较好的调节质量。但是当调节对象的滞后较大时,由于积分的累积作用,易引起大的超控,甚至出现持续振荡,反而会降低控制质量。
PD调节中,引入了微分作用,它能反映偏差变化的速率,
具有超前调节的作用。这在被控对象具有较大容量又有滞后的场合下,将会大大改善调节质量。但对于滞后很小,干扰作用频繁的系统,应尽可能避免使用微分作用。因为,此时微分作用会使系统产生振荡,严重时甚至会使系统失控。
PID调节综合了各类调节器的优点,不论被控对象的特性如何,一般均能适应,具有较高的调节质量。但是,当系统滞后很大,负荷变化很大时,这种调节器也难满足要求,只能设计或选择更复杂的控制系统。