1、 第第3 3章章 過程控制儀表過程控制儀表(上上) 1 1）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表示及）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表示及其響應(yīng)特性；其響應(yīng)特性；2 2）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及其應(yīng)用特型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及其應(yīng)用特點(diǎn)；點(diǎn)；3 3）了解智能調(diào)節(jié)器的硬件和軟件構(gòu)成；）了解智能調(diào)節(jié)器的硬件和軟件構(gòu)成；4 4）掌握）掌握SLPCSLPC可編程控制器的硬件構(gòu)成及工作原理；可編程控制器的硬件構(gòu)成及工作原理；5 5）熟悉）熟悉SLPCSLPC可編程控制器的模塊指令及編程方法；可編程控制器的模塊指令及編程方法；6 6）了解各類

2、執(zhí)行器的組成原理和使用特點(diǎn)，熟悉氣動(dòng)執(zhí)行器）了解各類執(zhí)行器的組成原理和使用特點(diǎn)，熟悉氣動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用特點(diǎn)；的應(yīng)用特點(diǎn)；7 7）了解電）了解電/ /氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器的工作原理氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器的工作原理8 8）熟悉智能式電動(dòng)執(zhí)行器的功能特點(diǎn)；）熟悉智能式電動(dòng)執(zhí)行器的功能特點(diǎn)；9 9）熟悉安全柵的基本類型及構(gòu)成原理。）熟悉安全柵的基本類型及構(gòu)成原理。 過程儀表的定義及作用過程儀表的定義及作用過程控制儀表：過程控制儀表：是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化工等各工業(yè)部門。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，過程檢測(cè)儀表將被控變量

3、轉(zhuǎn)換工等各工業(yè)部門。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，過程檢測(cè)儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或氣壓信號(hào)后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和記錄外，還需成電信號(hào)或氣壓信號(hào)后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和記錄外，還需送到控制儀表進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，使被控變送到控制儀表進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，使被控變量達(dá)到預(yù)期的要求。量達(dá)到預(yù)期的要求。過程控制儀表包括過程控制儀表包括 調(diào)節(jié)器（含可編程調(diào)節(jié)器，也叫控制器）、電調(diào)節(jié)器（含可編程調(diào)節(jié)器，也叫控制器）、電/氣轉(zhuǎn)氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵，以及等各種新型控制儀表及裝置。換器、執(zhí)行器、安全柵，以及等各種新型控制儀表及裝置。液位變送器液位變送器控制器控制器

4、操作器操作器顯示器顯示器出料出料給定值給定值執(zhí)行器執(zhí)行器自動(dòng)化裝置自動(dòng)化裝置儲(chǔ)罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)儲(chǔ)罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)料 1 1 調(diào)節(jié)器的功能調(diào)節(jié)器的功能n調(diào)節(jié)器的作用：調(diào)節(jié)器的作用：n 把測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，得出偏差后，根據(jù)一定的把測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，得出偏差后，根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行器，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行器，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。動(dòng)調(diào)節(jié)。n注意：所謂控制器是包括比較單元的注意：所謂控制器是包括比較單元的 1 1 調(diào)節(jié)器的功能調(diào)節(jié)器的功能（1）偏差顯示）偏差顯示 調(diào)節(jié)器的輸入電路接收測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)，兩者相減后的偏差信調(diào)節(jié)器的輸入電路

5、接收測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)，兩者相減后的偏差信號(hào)由偏差顯示儀表顯示其大小和正負(fù)。號(hào)由偏差顯示儀表顯示其大小和正負(fù)。（2）輸出顯示）輸出顯示 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小由輸出顯示儀表顯示，習(xí)慣上顯示儀表也稱調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小由輸出顯示儀表顯示，習(xí)慣上顯示儀表也稱閥位表。閥位表不僅顯示調(diào)節(jié)閥的開度，而且通過它還可以觀察到控制閥位表。閥位表不僅顯示調(diào)節(jié)閥的開度，而且通過它還可以觀察到控制系統(tǒng)受干擾影響后的調(diào)節(jié)過程。系統(tǒng)受干擾影響后的調(diào)節(jié)過程。（3）內(nèi)、外給定的選擇）內(nèi)、外給定的選擇 當(dāng)調(diào)節(jié)器用于定值控制時(shí)，給定信號(hào)常由調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供，稱為當(dāng)調(diào)節(jié)器用于定值控制時(shí)，給定信號(hào)常由調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供，稱為內(nèi)內(nèi)給定給定；

6、而在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)往往來自調(diào)節(jié)器的外部，；而在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)往往來自調(diào)節(jié)器的外部，則稱為則稱為外給定外給定。內(nèi)、外給定信號(hào)由內(nèi)、外給定開關(guān)進(jìn)行選擇或由軟件實(shí)。內(nèi)、外給定信號(hào)由內(nèi)、外給定開關(guān)進(jìn)行選擇或由軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)。（4）正、反作用的選擇）正、反作用的選擇 工程上，通常將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而增大時(shí)，稱為工程上，通常將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而增大時(shí)，稱為正作用調(diào)節(jié)器正作用調(diào)節(jié)器；而將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而減小時(shí)，稱為；而將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而減小時(shí)，稱為反作用調(diào)節(jié)器反作用調(diào)節(jié)器。（5）手動(dòng)切換操作）手動(dòng)切換操作 在控制系統(tǒng)投入運(yùn)

7、行時(shí)，往往先進(jìn)行手動(dòng)操作改變調(diào)節(jié)器的輸出，在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，往往先進(jìn)行手動(dòng)操作改變調(diào)節(jié)器的輸出，待系統(tǒng)基本穩(wěn)定后再切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)的工況不正待系統(tǒng)基本穩(wěn)定后再切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)的工況不正?；蛘{(diào)節(jié)器失靈時(shí)，必須切換到手動(dòng)狀態(tài)以防止系統(tǒng)失控。通過調(diào)節(jié)?；蛘{(diào)節(jié)器失靈時(shí)，必須切換到手動(dòng)狀態(tài)以防止系統(tǒng)失控。通過調(diào)節(jié)器的手動(dòng)器的手動(dòng)/自動(dòng)雙向切換開關(guān)，可以對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)雙向切換開關(guān)，可以對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，而在自動(dòng)切換，而在切換過程中，又希望切換操作不會(huì)給控制系統(tǒng)帶來擾動(dòng)，即要求無擾切換過程中，又希望切換操作不會(huì)給控制系統(tǒng)帶來擾動(dòng)，即要求無擾動(dòng)切換。動(dòng)切換。

8、（6）其它功能）其它功能 如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗漂移、停電對(duì)策等，所有這些附加功能都是為了進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)器的漂移、停電對(duì)策等，所有這些附加功能都是為了進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)器的控制性能控制性能 2 2 執(zhí)行器的作用執(zhí)行器的作用 執(zhí)行器在過程控制中的作用是接受來自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，執(zhí)行器在過程控制中的作用是接受來自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變其閥門開度，從而達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。執(zhí)行器直接改變其閥門開度，從而達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。執(zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，是過程控制系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。與控制介質(zhì)接觸，是過程控制系統(tǒng)的最

9、薄弱環(huán)節(jié)。 若執(zhí)行器是采用電動(dòng)式的，則無需電若執(zhí)行器是采用電動(dòng)式的，則無需電/ /氣轉(zhuǎn)換器；若執(zhí)行器氣轉(zhuǎn)換器；若執(zhí)行器是采用氣動(dòng)式的，則電是采用氣動(dòng)式的，則電/ /氣轉(zhuǎn)換器是必不可少的。氣轉(zhuǎn)換器是必不可少的。 3 3 安全柵安全柵 安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，其作用一方安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，其作用一方面保證信號(hào)的正常傳輸；另一方面則控制流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量面保證信號(hào)的正常傳輸；另一方面則控制流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下，以確保過程控在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下，以確保過程控制系統(tǒng)的安全火花性能。制系統(tǒng)的安全火花性能。 n反饋

10、控制控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量測(cè)量/變送器變送器-+目標(biāo)目標(biāo)誤差誤差輸出輸出廣義對(duì)象廣義對(duì)象PID 3.2.1 比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律理想理想PID的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(寫成傳遞函數(shù)形式寫成傳遞函數(shù)形式：第一項(xiàng)為比例（P）部分，第二項(xiàng)為積分（I）部分，第三項(xiàng)為微分（D）部分；cK為調(diào)節(jié)器的比例增益，IT為積分時(shí)間（以s或min為單位），DT為微分時(shí)間（也以s或min為單位）。

11、1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例控制數(shù)學(xué)表達(dá)式比例控制數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：( )( )cu tK e t)(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。為被控參數(shù)與給定值之差。 純比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻執(zhí)行器。如果某時(shí)刻Q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。apbeebap CyK e 如果如果e = 0，則活塞，則活塞無法提高，無法提高，Q1 無法加無法加大，調(diào)節(jié)無

12、法進(jìn)行。大，調(diào)節(jié)無法進(jìn)行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過程比例控制過程Q2htepQ1tttt 原來系統(tǒng)處于平衡，原來系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量相等，此進(jìn)水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開度。時(shí)進(jìn)水閥有一開度。 t=0時(shí)，出水量階躍增時(shí)，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。 當(dāng)進(jìn)水量增加到與出當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。衡，液位也不再變化。 v 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)q控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸

13、出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。q控制結(jié)果存在靜差。因?yàn)?，如果被調(diào)量偏差為控制結(jié)果存在靜差。因?yàn)?，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零 u = KC e即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。做到無靜差調(diào)節(jié)。在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度來表來表示比例控制作用的強(qiáng)弱。示比例控制作用的強(qiáng)弱。 所謂所謂比例度比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表

14、示。值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu 式中式中e為輸入偏差；為輸入偏差；u為控制器輸出的變化量；為控制器輸出的變化量；（emax - emin）為）為輸入輸入的最大變化量的最大變化量,及輸入量程；及輸入量程；（umax umin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。出量程。如果控制器輸入、輸出量程相等，則如果控制器輸入、輸出量程相等，則: 比例度比例度:Ce1100%100%uKmaxminmaxmineu(/) 100%eeuuueeremaxeminuminumax比例度除了表比例度除了表

15、示控制器輸入和輸示控制器輸入和輸出之間的增益外，出之間的增益外，還表明比例作用的還表明比例作用的有效區(qū)間。有效區(qū)間。比例帶比例帶的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。化相對(duì)量。如如 =50%表明：表明： 控制器輸入偏差控制器輸入偏差變化變化50% ，就可使控，就可使控制器輸出變化制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過若輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例飽和，不再符合比例關(guān)系。關(guān)系。uuur0100%50%umaxumin =50% =100%nu代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，代表調(diào)節(jié)閥開度的

16、變化量，就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100% 100% 即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。即從全關(guān)到全開時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。例如，若測(cè)量?jī)x表的量程為例如，若測(cè)量?jī)x表的量程為100則則50% 就表示被就表示被調(diào)量需要改變調(diào)量需要改變50才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。才能使調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開。n當(dāng)被調(diào)量處在當(dāng)被調(diào)量處在“比例帶比例帶”以內(nèi)調(diào)節(jié)閥的開度以內(nèi)調(diào)節(jié)閥的開度( (變化變化) )才與偏差成比例。才與偏差成比例。n超出這個(gè)超出這個(gè)“比例帶比例帶”以外以外調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保調(diào)節(jié)閥已處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持

17、比例關(guān)系。持比例關(guān)系。例例 某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400800，輸出信號(hào)范圍是輸出信號(hào)范圍是420mA。當(dāng)指示指針從。當(dāng)指示指針從600變變到到700時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。700 60016 8800 40020 4/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的50區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi)（即（即200）時(shí)）時(shí)，e和和u是是2倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。u/mAe/ e420800400 =50%2 2 比例積分控制（比例積分控制（PIPI） 當(dāng)要求

18、控制結(jié)果無余差時(shí)，就需要在比例控制當(dāng)要求控制結(jié)果無余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1） 積分控制積分控制（I） 輸出變化量輸出變化量u(t)與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比01u(t)tIedtT當(dāng)當(dāng)e是幅值為是幅值為E的階躍時(shí)的階躍時(shí)01Eu(t)etIIdttTTTI 積分時(shí)間積分時(shí)間eEttuq積分作用具有保持功能，積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。故積分控制可以消除余差。q積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。分作用不單獨(dú)使用。v 積分控制

19、的特點(diǎn)積分控制的特點(diǎn)當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。划?dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。減小）；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。eEttu 比例積分控制規(guī)律（比例積分控制規(guī)律（PIPI）是比例）是比例與積分兩種控制規(guī)律的結(jié)合，其數(shù)學(xué)與積分兩種控制規(guī)律的結(jié)合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：表達(dá)式為：tIcedtTeKu01sTKsEsUsGICC11)()()( 若將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又能消除余差若將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又能消除余差 。 （2） 比例積分控制（比例積分控制（PI）對(duì)于：對(duì)于：1()0 ,2cicIcyKA

20、A tTtyKAtTyKA)(1)(dtteTteKyic( )e tA在階躍輸入作用下，即調(diào)節(jié)器的輸出為：因此，可以從階躍響應(yīng)曲線上確定KC，Ti比例帶P和積分時(shí)間Ti , Ti越大積分作用越弱， Ti越小積分作用越強(qiáng)， 取消積分作用.iT實(shí)際比例積分控制（實(shí)際比例積分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 稱為稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。之比。 IK 對(duì)于慣性較大的對(duì)象，常常希望能加快控制速

21、對(duì)于慣性較大的對(duì)象，常常希望能加快控制速度，此時(shí)可增加微分作用。度，此時(shí)可增加微分作用。u(t)DdeTdt式中：式中：TD 微分時(shí)間微分時(shí)間 dtde 偏差變化速度偏差變化速度 理想微分理想微分（1） 微分控制（微分控制（D）eEttu3 比例微分控制（比例微分控制（PD）dsU(s)G(s)TE(s)q 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。芽狀態(tài)之中。q微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，

22、但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和必須和P或或PI結(jié)合，組成結(jié)合，組成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)eEttu （2）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1( )(1)PDWsT seAttyty1y()PDdeeTdtPD調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)： 比例帶P和微分時(shí)間Td , Td越大微分作用越強(qiáng)， Td越小微分作用越弱， Td 0取消微分作用.dTdtdeTd比例作用比例作用t)(tut比例微分作用比例微分作用)(te斜坡輸入斜坡輸入 在斜坡輸入條件下，要達(dá)到同樣的

23、u(t)，PD作用要比單純P作用快，提前的時(shí)間就是Td?？刂破鞯碾A躍響應(yīng)特性 理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(DK稱為稱為PD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變?cè)陔A躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。 實(shí)際比例微分控制實(shí)際比例微分控制dtdeTedtTeKuuuuDIcDIP14 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PID）sKs

24、KKpsGdIc)(q微分作用：加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小超調(diào)，克服振蕩。q積分作用：消除靜差q三著結(jié)合，可達(dá)到快速敏捷，平穩(wěn)準(zhǔn)確1()(1)cdiG SKT sT s)()()()(dttdeKdtteKteKtudipq將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。能消除余差，可得到滿意的控制效果。sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(實(shí)際比例積分微分控制（實(shí)際比例積分微分控制（PID）q PID控制作用中，控制作用中

25、，比例作用是基礎(chǔ)控制；比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。是用于消除靜差。PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的MATLAB演示對(duì)象：20101)()()(2sssUsYsGo控制目標(biāo)：nFast rise time （快速上升時(shí)間）nMinimum overshoot （小的超調(diào) ）nNo steady-state error （小穩(wěn)態(tài)誤差）開環(huán)開環(huán) Open-loop step responsenum=1;den=1 10 20; step(num,den) 穩(wěn)態(tài)誤差： 0.95, 上升時(shí)間約：1s,

26、調(diào)節(jié)時(shí)間約： 1.5s比例控制比例控制 Proportional controln閉環(huán)傳遞函數(shù) + +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEP( )( ) u tK e tG0(s)20(10)(2ppKssKsGP 閉環(huán)響應(yīng)nKp=100; nnum=Kp; nden=1 10 20+Kp;n t=0:0.01:2; nstep(num,den,t) 減小靜差，減少上升時(shí)間，增加超調(diào)，decreased the settling time by small amount. PD 控制：控制：Proportional-Derivative control+ +- -)(sR)(sGc

27、)(sY)(sU)(sEG0(s)sKKpsGdc)()20()10()(2PddPKsKssKKsGPD 閉環(huán)響應(yīng)Kp=300; Kd=10; num=Kd Kp;den=1 10+Kd 20+Kp; t=0:0.01:2; step(num,den,t) 減小超調(diào)，減小調(diào)節(jié)時(shí)間,small effect on the rise time and the steady-state error. PI控制：控制：Proportional-Integral controln + +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEG0(s)sKKsGipc)(iPiPKsKssKsKsG)20(1

28、0)(23PI 閉環(huán)響應(yīng)Kp=30; Ki=70; num=Kp Ki; den=1 10 20+Kp Ki; t=0:0.01:2;step(num,den,t) 減小上升時(shí)間， 增加超調(diào)(同比例). 消除靜差。PID控制：控制：Proportional-Integral-Derivative control+ +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEG0(s)sKsKKsGdipc)(iPdiPdKsKsKsKsKsKsG)20()10()(232PIDKp=350; Ki=300; Kd=50; num=Kd Kp Ki; den=1 10+Kd 20+Kp Ki; t=0:0

29、.01:2; step(num,den,t) no overshoot, fast rise time, and no steady-state error步驟小結(jié)：步驟小結(jié)： 1.研究開環(huán)響應(yīng)，確定需要改善的因素 2.增加比例控制改善上升時(shí)間 3.增加微分控制改善超調(diào)4.增加積分控制消除靜差 5.分別整定 Kp, Ki, 和 Kd 直至獲得滿意的響應(yīng)曲線)0()0(minePPePPmaXeKpCedtTeKPIC1dtdeTeKPDCdtdeTedtTeKPDIC1控制規(guī)律輸入e與輸出p（或p）的關(guān)系式階躍作用下的響應(yīng)（階躍幅值為A）優(yōu) 缺 點(diǎn)適 用 場(chǎng) 合位 式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；控制質(zhì)

30、量不高，被控變量會(huì)振蕩對(duì)象容量大，負(fù)荷變化小，控制質(zhì)量要求不高，允許等幅振蕩比 例（P）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制及時(shí)，參數(shù)整定方便；控制結(jié)果有余差對(duì)象容量大，負(fù)荷變化不大、純滯后小，允許有余差存在，常用于塔釜液位、貯槽液位、冷凝液位和次要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)比例積分（PI）能消除余差；積分作用控制慢，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差對(duì)象滯后較大，負(fù)荷變化較大，但變化緩慢，要求控制結(jié)果無余差。廣泛用于壓力、流量、液位和那些沒有大的時(shí)間滯后的具體對(duì)象比例微分（PD）響應(yīng)快、偏差小、能增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，有超前控制作用，可以克服對(duì)象的慣性；但控制作用余差對(duì)象滯后大，負(fù)荷變化不大，被控變量變化不頻繁，控制結(jié)果允許有余差存在比例積

31、分微分（PID）控制質(zhì)量最高，無余差；但參數(shù)整定較麻煩對(duì)象滯后大，負(fù)荷變化較大，但不甚頻繁；對(duì)控制質(zhì)量要求高。常用于精餾塔、反應(yīng)器、加熱爐等溫度控制系統(tǒng)及某些成分控制系統(tǒng)各種控制規(guī)律的特點(diǎn)及使用場(chǎng)合例例2 試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點(diǎn)，試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點(diǎn)，積分和微分為什么不單獨(dú)使用？積分和微分為什么不單獨(dú)使用？n解答：解答：n1）比例控制及時(shí)、反應(yīng)靈敏，偏差越大，控制）比例控制及時(shí)、反應(yīng)靈敏，偏差越大，控制力越強(qiáng)；但結(jié)果存在余差。力越強(qiáng)；但結(jié)果存在余差。n2）積分控制可以達(dá)到無余差；但動(dòng)作緩慢，控）積分控制可以達(dá)到無余差；但動(dòng)作緩慢，控制不及時(shí)，不單獨(dú)使用。制

32、不及時(shí)，不單獨(dú)使用。n3）微分控制能起到超前調(diào)節(jié)作用；但輸入偏差）微分控制能起到超前調(diào)節(jié)作用；但輸入偏差不變時(shí)，控制作用消失，不單獨(dú)使用。不變時(shí)，控制作用消失，不單獨(dú)使用。3.2.2 DDZ-型型PID基型調(diào)節(jié)器基型調(diào)節(jié)器 模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了型（用電子管）、型（用電子管）、型（用晶體管）和型（用晶體管）和型（用集成電路）。型（用集成電路）。DDZ-型儀表的特點(diǎn)型儀表的特點(diǎn)1 1）采用統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：）采用統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4 4 20mA DC20mA DC和和1 15V DC5V DC。這種信。這種信號(hào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是電氣

33、零點(diǎn)不是從零開始，容易識(shí)別斷電、號(hào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是電氣零點(diǎn)不是從零開始，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。同樣，因?yàn)樽钚⌒盘?hào)電流不為零，可以使現(xiàn)場(chǎng)斷線等故障。同樣，因?yàn)樽钚⌒盘?hào)電流不為零，可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制。變送器實(shí)現(xiàn)兩線制。 2 2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。靠性提高、維修工作量減少。 3 3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。1 全刻度指示調(diào)節(jié)器的參數(shù)及外形特點(diǎn)：全刻度指示調(diào)節(jié)器的參數(shù)及外形特點(diǎn)：測(cè)量信號(hào)：測(cè)量信號(hào)：15V.DC； 外給定信號(hào)：外給定信

34、號(hào)：420mA.DC；內(nèi)給定信號(hào)：內(nèi)給定信號(hào)：15V.DC； 測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度：測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度：1；輸入阻抗影響：輸入阻抗影響：滿刻度的滿刻度的0.1； 輸出保持特性：輸出保持特性：0.1（每小時(shí)）；（每小時(shí)）；輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：420mA.DC； 調(diào)節(jié)精度：調(diào)節(jié)精度：0.5；負(fù)載電阻：負(fù)載電阻：250750。1-雙針垂直指示器雙針垂直指示器2-外給定指示燈外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)自動(dòng)軟手動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)硬手動(dòng) 切換開關(guān)切換開關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵軟手動(dòng)操作板鍵DDZ-DDZ-基型基型調(diào)節(jié)器由控制單元和

35、指示單元組成。控制單元包括輸調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、入電路、PDPD與與PIPI電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖 2 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理 全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例輸入電路的主要作用一是輸入電路的主要作用一是用來獲得與輸入信號(hào)用來獲得與輸入信號(hào)Vi和給定信號(hào)和給定信號(hào)Vs之差之差成比例的偏差信號(hào)成比例的偏差信號(hào)；二是；二是將偏差信號(hào)進(jìn)行

36、電平移動(dòng)將偏差信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)。求偏差求偏差 e ：V01 = k ( Vs Vi ) 1 輸入電路輸入電路 因測(cè)量信因測(cè)量信號(hào)號(hào)Vi和給定信和給定信號(hào)號(hào)Vs分別通過分別通過雙臂電阻差模雙臂電阻差模輸入到運(yùn)放輸入到運(yùn)放A1的同相和反相的同相和反相輸入端。輸入端。可列出兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：可列出兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而而 VTVF 則則 V01 = 2（Vi VS） 采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)Vi、VS取用電流，使測(cè)量信號(hào)不受衰減，取用電流，使測(cè)量信號(hào)不受衰減，（2） 求

37、偏差求偏差 Vi VS，進(jìn)行偏差運(yùn)算。進(jìn)行偏差運(yùn)算。（3）將偏差放大將偏差放大 為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)算有利，這里先將偏差放大算有利，這里先將偏差放大兩倍兩倍。 電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn)（1）輸入阻抗高輸入阻抗高(4) 將兩個(gè)零伏為基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為將兩個(gè)零伏為基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為10V為基準(zhǔn)的偏差為基準(zhǔn)的偏差電壓，實(shí)現(xiàn)電平移動(dòng)。電壓，實(shí)現(xiàn)電平移動(dòng)。 2、 PD電路分析電路分析 PD電路電路以以A2為核心組成。微分作用可選擇用與為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)不用。開關(guān)S8打向打向“斷斷”時(shí)，構(gòu)成時(shí)，構(gòu)成 P電路；開關(guān)電路；開關(guān)S8打向打向“

38、通通”時(shí)，構(gòu)成時(shí)，構(gòu)成 PD電路。電路。qPD傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)ID得得DDTRsInsVsV)()()(01)(111)(1)(0101sVsCRsCnnsCRsVnnsIDDDDDD)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDT式中：式中：n=Kn=KD D DDdCnRT 微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)ID又因又因 得得 )(1)(02sVasVF)(11)(0102sVsCRsCnRnasVDDDDq 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) n0201V ( )1(1)V ( )DtTtnetn當(dāng)當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，為階躍信號(hào)時(shí)，V02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為V02TD/nV01/n63%t 可見，此電可見

39、，此電路的微分是實(shí)際路的微分是實(shí)際的微分。的微分。 當(dāng)當(dāng) S8 置于置于“斷斷”時(shí)，微分被切除，時(shí)，微分被切除，A2只作比只作比例運(yùn)算。有例運(yùn)算。有1211OOVVn21OOVVn這時(shí)微分電容被開關(guān)這時(shí)微分電容被開關(guān)S8接在接在9.1K分壓電阻兩端，分壓電阻兩端，使使CD右端始終跟隨右端始終跟隨電壓電壓V01/n。當(dāng)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)S8切換到切換到“通通”時(shí)時(shí)，保證無擾動(dòng)切換。，保證無擾動(dòng)切換。 3、PI電路分析電路分析 它接收以它接收以10V為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的PD電路的輸出信號(hào)電路的輸出信號(hào)V02，進(jìn)行，進(jìn)行PI運(yùn)運(yùn)算后，輸出以算后，輸出以10V為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的15V電壓電壓V03，送至輸出電路。

40、該，送至輸出電路。該電路由電路由A3、R1、C1、CM等組成。等組成。S3為積分檔切換開關(guān)，為積分檔切換開關(guān)，S1、S2為自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開關(guān)，該電路除了實(shí)現(xiàn)為自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開關(guān)，該電路除了實(shí)現(xiàn)PI運(yùn)算外，手動(dòng)操作信號(hào)也從該級(jí)輸入。運(yùn)算外，手動(dòng)操作信號(hào)也從該級(jí)輸入。A3的輸出接電阻和的輸出接電阻和二極管，然后通過射極跟隨器輸出。二極管，然后通過射極跟隨器輸出。 由于由于電容電容CM積分積分需要較大電流，在需要較大電流，在A3輸輸出端加一功放三極管。出端加一功放三極管。qPI傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)S1S1置于置于“自動(dòng)自動(dòng)”位置、位置、S3S3分別置于分別置于“1”1”、“1

41、0”10”檔時(shí)的檔時(shí)的簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電路：根據(jù)基爾霍夫第一定律，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：根據(jù)基爾霍夫第一定律，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：0/1)()()(/ )(/1)()(030202sCsVsVRsVmsVsCsVsVMFIFIFS3打向打向10檔時(shí)：檔時(shí)： m=10S3打向打向1檔時(shí)：檔時(shí)： m=1 )()(03sKVsVFsCKRCCKsCmRCCsVsVMIMIIIMI11 1111 )()(0203sTKsTCCsCKRsCmRCCsVsVIIIMIMIIIMI11111111)()(0203PID運(yùn)算電路運(yùn)算電路由由PI和和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，兩個(gè)運(yùn)算電路串

42、聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以都是以VB=10V為基準(zhǔn)起算的。為基準(zhǔn)起算的。 PIPD4 輸出電路輸出電路其任務(wù)是將其任務(wù)是將PID電路輸出電壓電路輸出電壓VO3 =15V變換變換為為420mA的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0V。在在A4后面用后面用VT1、VT2組成復(fù)合管，進(jìn)行電流組成復(fù)合管，進(jìn)行電流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來保證良好的恒流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來保證良好的恒流特性。特性。?。喝。?R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3 34124OfVV 由由V+V-得得 fORI24 q轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 4031034223424545124RVVVRVVVRVVVVRRRVVBFBFFfBBBTfOORVI43 則則BfOOIIII 而而0301 54 204462.5fVImAR若取若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K時(shí)，時(shí)，可以精確獲得關(guān)系：可以精確獲得關(guān)系：5 調(diào)節(jié)器的整機(jī)傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的整機(jī)傳遞函數(shù) 輸入電路、及運(yùn)算電路、輸出電路的傳遞函數(shù)皆已獲輸入電路、及運(yùn)算電路、輸出電路的傳遞函數(shù)皆已獲得，整個(gè)調(diào)節(jié)器的結(jié)