第三章調(diào)節(jié)器（控制器）自動(dòng)化系唐德東逸夫科技樓I410第三章調(diào)節(jié)器教學(xué)目的要求：掌握基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響；掌握DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析；理解數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的功能和原理，了解它們的使用方法；理解PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，了解其使用方法。教學(xué)重點(diǎn)：PID控制規(guī)律，數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的原理DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析教學(xué)難點(diǎn)：基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響。第五講PID控制規(guī)律與實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的與要求：了解常見(jiàn)壓力變送器的類型，理解其工作原理;掌握各種測(cè)溫原理，理解壓力變送器的結(jié)構(gòu)及使用方法，了解常見(jiàn)液位檢測(cè)方法,掌握液位變送器的結(jié)構(gòu)及使用方法。

教學(xué)重點(diǎn)：壓力、液位檢測(cè)原理及相關(guān)設(shè)備的使用。教學(xué)難點(diǎn)：變送器使用

回憶：控制器作用

被控對(duì)象測(cè)量變送控制器執(zhí)行器被控變量設(shè)定值擾動(dòng)一、概述調(diào)節(jié)器：是控制系統(tǒng)的大腦和指揮中心。偏差：△X＝X－XR一、概述調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號(hào)進(jìn)行比較，得到其偏差，即然后調(diào)節(jié)器對(duì)該偏差信號(hào)按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制作用。調(diào)節(jié)器的作用幾個(gè)概念

控制器的輸入e與輸出Δy的變化方向相同，為正作用控制器；如果輸入e與輸出Δy變化方向相反，為反作用控制器。控制規(guī)律對(duì)來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行控制規(guī)律（PID）運(yùn)算，并輸出控制信號(hào)至執(zhí)行器控制器的作用控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。如PID控制規(guī)律控制器的作用內(nèi)、外給定信號(hào)給定信號(hào)由調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供，稱為內(nèi)給定信號(hào)（如單回路定值控制系統(tǒng)）；當(dāng)給定信號(hào)來(lái)自調(diào)節(jié)器外部，稱為外給定信號(hào)（如隨動(dòng)控制系統(tǒng)）；轉(zhuǎn)換通過(guò)內(nèi)外給定開(kāi)關(guān)完成。正、反作用調(diào)節(jié)器基本控制規(guī)律及特點(diǎn)所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破鞯妮斎胄盘?hào)是變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定信號(hào)。設(shè)定信號(hào)和測(cè)量信號(hào)經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號(hào)e，它是設(shè)定值信號(hào)r與測(cè)量信號(hào)x之差。y=f(e)e=r–x或e=x-r控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、斷續(xù)控制——控制器輸出接點(diǎn)信號(hào)，如雙位控制、三位控制。二、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號(hào)，如比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。1、雙位控制雙位控制器只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開(kāi)關(guān)控制。理想的雙位控制器輸出y與輸入偏差e之間的關(guān)系為：e>0（或e

<0）時(shí)=ymaxyminye<0（或e

>

0）時(shí)理想的雙位控制特性ymaxyminey有中間區(qū)的雙位控制特性ymaxyminey例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：溫度低于給定值時(shí)，溫控器輸出高電平，繼電器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時(shí)，溫控器輸出低電平，繼電器斷開(kāi)，加熱器斷電?！?20V進(jìn)水出水二位式控制器電路原理框圖：測(cè)量信號(hào)給定信號(hào)－＋＋∞U0是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差符號(hào)的正、負(fù)，輸出只有兩個(gè)位置，高電平或低電平，可以當(dāng)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)用。有中間區(qū)的雙位控制效果：被控溫度在T0

上下振蕩，無(wú)法穩(wěn)定。理想雙位控制效果：tyTT0ttyTT0t2、三位控制：

控制器有三個(gè)輸出位值，可以控制兩個(gè)繼電器。ymaxymineye2e1測(cè)量信號(hào)給定1－＋＋∞U01－＋＋∞U02給定2三位控制器電路原理框圖：例2：溫度三位控制系統(tǒng)溫度低于T1時(shí)，溫控器使繼電器1、2都吸合，加熱器1、2都通電加熱；溫度高于T1低于T2時(shí)，溫控器使繼電器1吸合、繼電器2斷開(kāi)，只有加熱器1通電；溫度高于T2時(shí)，繼電器1、2都斷開(kāi)。J1J2T2T112220V進(jìn)水出水溫度三位控制效果：溫度偏差大時(shí)，升溫速度快；溫度偏差小時(shí)，小幅調(diào)整。tyTT2T1t要使調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。二、PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法一、常規(guī)PID控制規(guī)律①時(shí)間特性，輸入信號(hào)變化，控制規(guī)律瞬時(shí)響應(yīng)②微分方程，傳遞函數(shù)：控制規(guī)律精確數(shù)學(xué)表達(dá)③頻率特性：輸入信號(hào)頻率變化時(shí)，控制規(guī)律的響應(yīng)規(guī)律④差分方程：把微分方程（或傳遞函數(shù)）離散化。常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。控制規(guī)律的表示方法：微分方程：u=kpe傳遞函數(shù)：W(s)=Kp頻率特性：W(jw)=Kp1、比例調(diào)節(jié)器＋－Pye被控變量測(cè)量值x被控變量給定值xr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Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。如果e=0，則活塞無(wú)法提高，Q1無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過(guò)程?Q2htep?Q1tttt原來(lái)系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開(kāi)度。t=0時(shí)，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開(kāi)大。當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度P來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。所謂比例度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)表示。式中e為輸入偏差；y為控制器輸出的變化量；（xmax-xmin）為測(cè)量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；（ymax–ymin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。如果控制器輸入、輸出量程相等，則:比例度:yxxrxmaxxminyminymax比例度除了表示控制器輸入和輸出之間的增益外，還表明比例作用的有效區(qū)間。比例度P的物理意義：使控制器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如P=50%表明：控制器輸入偏差變化50%，就可使控制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過(guò)此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%例某比例控制器，溫度控制范圍為400～800℃，輸出信號(hào)范圍是4～20mA。當(dāng)指示指針從600℃變到700℃時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。解答溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間內(nèi)（即200℃）時(shí)，e和y是2倍的關(guān)系。y/mAx/℃e420800400P=50%由于P調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成比例，只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例變化。特點(diǎn)：1）及時(shí)迅速，有余差；2）增大Kp可以減小余差，但使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易振蕩3）一般用在干擾小，允許有余差的系統(tǒng)。一般地說(shuō)，若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)大以及放大倍數(shù)較小時(shí)，控制器比例度可以小些，以提高系統(tǒng)靈敏度，使反應(yīng)快些；反之，選大些。2、比例積分控制（PI）當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1）積分控制（I）輸出變化量y與輸入偏差e的積分成正比當(dāng)e是幅值為E的階躍時(shí)TI—積分時(shí)間eEtty積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。

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)（或減?。划?dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。eEtty若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差。（2）比例積分控制（PI）Ti為積分時(shí)間只要e不為0，則輸出一直增加，消除靜差是它的重要作用。TI越小，KI越大積分速度越快，積分作用越強(qiáng)TI過(guò)小，易引起系統(tǒng)振蕩注意：

由于積分輸出隨時(shí)間積累逐漸增大，故調(diào)節(jié)作用緩慢，這樣會(huì)造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降，因此不單獨(dú)使用。問(wèn)題：當(dāng)對(duì)象滯后很大時(shí)，可能控制時(shí)間長(zhǎng)，最大偏差也大；負(fù)荷變化過(guò)于激烈時(shí)，由于積分動(dòng)作緩慢，控制不及時(shí)，可以增加微分作用。3、比例微分控制（PD）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。式中：TD—微分時(shí)間—偏差變化速度理想微分（1）微分控制（D）eEtty微分作用能超前控制。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)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。

微分控制的特點(diǎn)eEtty（2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制eAttyty理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。微分作用根據(jù)偏差變化速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，就有調(diào)節(jié)輸出，故有超前調(diào)節(jié)之稱。在偏差恒定不變時(shí)，微分作用為0，故不能單獨(dú)使用。4、比例積分微分調(diào)節(jié)器

PID控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。etty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)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。PID控制得到廣泛的應(yīng)用對(duì)于非線性嚴(yán)重、大滯后對(duì)象的控制效果較差，需要采用其它控制算法。比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD對(duì)控制效果的影響（重要）①Kp大，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，過(guò)渡過(guò)程快，穩(wěn)定性差②TD大，克服容量和測(cè)量滯后效果好，但對(duì)于突變信號(hào)反應(yīng)過(guò)大，降低穩(wěn)定性。①TI小，消除余差快，穩(wěn)定性下降，振蕩加劇三、控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)方法1、模擬調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)方法①串聯(lián)式PID調(diào)節(jié)器注意：只要F≠1，TI和TD的變化都會(huì)影響②微分先行調(diào)節(jié)器微分作用只對(duì)測(cè)量值有效，在設(shè)定值變化時(shí)沒(méi)有針對(duì)它的微分作用。③并聯(lián)與串并聯(lián)混合式調(diào)節(jié)器Kp為干擾系數(shù)3個(gè)運(yùn)算電路并聯(lián)連接，避免級(jí)間誤差累積放大，保證整機(jī)精度；但KP變化會(huì)使實(shí)際積分時(shí)間和微分時(shí)間變化并聯(lián)與串并聯(lián)混合形式①模擬化設(shè)計(jì)方法看成連續(xù)系統(tǒng)，按照連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，再將校正環(huán)節(jié)的模擬算法離散化。采樣周期小于信號(hào)最小周期的一半。常用八分之一。2、數(shù)字調(diào)節(jié)器