1、第3章 过程控制仪表(上),调节器的作用：把测量值和给定值进行比较，得出偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。 注意：所谓控制器是包括比较单元的,3.1 过程控制仪表概述,1 调节器的功能,（1）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。 （2）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。 （3）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动
2、控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。,（4）正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。 （5）手动切换操作 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切
3、换。 （6）其它功能 如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能,控制器的正反作用：,2 执行器的作用,执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。,3 安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过
4、程控制系统的安全火花性能。,调节器的控制规律,所谓调节器的控制规律就是指调节器的输入e(t)与u(t)输出的关系，即,在生产过程常规控制系统中，应用的基本控制规律主要有位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。,式中 u控制器输出变化量；e控制器的输入，即偏差；,PID控制概述,PID 控制是比例积分微分控制 （Proportional-Integral-Differential） 历史最久、生命力最强的控制方式,3.2 DDZ-型模拟式调节器,反馈控制,PID,3.2.1 比例积分微分调节规律,理想PID的增量式数学表达式 ：,写成传递函数形式：,1 比例调节规律,比例控制器的输出变化量与输入
5、偏差成正比，在时间上是没有延滞的。,式中 u控制器输出变化量；e控制器的输入，即偏差；Kc一一控制器的比例增益或比例放大系数。,比例控制器的阶跃响应,P调节的阶跃响应,P调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后。输出u实际上是对其起始值的增量。因此，当偏差e为零，因而u0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u=u0。u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。,u = Kp e,u0,u0+Kpe,0,为表示调节器输入和输出之间的比例关系，在过程控制中习惯用比例带（比例度）来代替比例增益：,式中 emax emin -偏差信号范围，即仪表量程umax umin -调节器输出信
6、号范围，即控制器输出的工作范围,比例带,具有重要的物理意义 u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 例如，若测量仪表的量程为100则50% 就表示被调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。 当被调量处在“比例带” 以内调节阀的开度(变化)才与偏差成比例。 超出这个“比例带”以外 调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持比例关系。,如果采用单元组合仪表，调节器的输入和输出都是统一的标准信号，即 ，则有此时比例带（比例度）与比例增益成反比，比例带小，则较小的偏差就能激励调节器产生100%的开度变化，相应的比例增益就大
7、。,控制器的比例度可理解为：要使输出信号作全范围的变化，输入信号必须改变全量程的百分数。,比例度概念,控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。,控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零u = KC e 即调节作用是以偏差存在为前提条件。,比例控制的特点,浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。,如果e = 0，则活塞无法提高，Q1 无法加大，调节无法进行。,例：自力式液位比例控制系统：略,原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开
8、度。t=0时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。,比例控制过程,（1） 积分控制（I）输出变化量u(t)与输入偏差e的积分成正比, 2 比例积分控制（PI）,积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为A的阶跃信号时，上式就可写为：,KI积分速度，TI 积分时间常数,积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。 积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。,积分控制的特点,当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。,比
9、例积分控制规律（PI）是比例与积分两种控制规律的结合，其数学表达式为：,比例积分控制规律既具有比例控制作用及时、快速的特点，又具有积分控制能消除余差的性能，因此是生产上常用的控制规律。,比例积分控制器特性, 比例积分控制（PI）,对于：,在阶跃输入作用下，即,调节器的输出为：,因此，可以从阶跃响应曲线上确定KC，Ti,比例带P和积分时间Ti , Ti越大积分作用越弱， Ti越小积分作用越强， 取消积分作用.,比例积分调节器的阶跃响应特性,称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,实际比例积分控制（PI）,对于惯性较大的对象，常常希望
10、能加快控制速度，此时可增加微分作用。,式中：TD 微分时间, 偏差变化速度,理想微分,（1） 微分控制（D）, 3 比例微分控制（PD）,微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。,微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。,微分控制的特点, （2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制,PD调节器的整定参数：比例带P和微分时间Td , Td越大微分作用越强， Td越小微分作用越弱， Td 0取消微分作用.,在斜坡输入条件下，要达到同样的u(t)
11、，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。,控制器的阶跃响应特性,理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。,称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,实际比例微分控制,PID的输入输出关系可用下列公式表示：,由上式可见，PID 控制作用的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。当输入偏差e 为一幅值为A 的阶跃信号时，实际PID控制器的输出特性如右图所示。,PID控制规律特性图,4比例积分微分控制规律 ： (PID),微分作用：加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡。 积分作用：消
12、除静差 三着结合，可达到快速敏捷，平稳准确,PID 调节规律的MATLAB演示,对象：,控制目标：,Fast rise time （快速上升时间） Minimum overshoot （小的超调 ） No steady-state error （小稳态误差）,开环 Open-loop step response,num=1; den=1 10 20;step(num,den),稳态误差： 0.95, 上升时间约：1s, 调节时间约： 1.5s,比例控制 Proportional control,闭环传递函数,G0(s),P 闭环响应,Kp=100; num=Kp; den=1 10 20+Kp
13、;t=0:0.01:2; step(num,den,t),减小静差，减少上升时间，增加超调， decreased the settling time by small amount.,PD 控制：Proportional-Derivative control,G0(s),PD 闭环响应,Kp=300; Kd=10; num=Kd Kp; den=1 10+Kd 20+Kp;t=0:0.01:2; step(num,den,t),减小超调，减小调节时间, small effect on the rise time and the steady-state error.,PI控制：Proporti
14、onal-Integral control,G0(s),PI 闭环响应,Kp=30; Ki=70;num=Kp Ki; den=1 10 20+Kp Ki; t=0:0.01:2; step(num,den,t),减小上升时间， 增加超调(同比例).消除静差。,PID控制： Proportional-Integral-Derivative control,G0(s),PID,Kp=350; Ki=300;Kd=50; num=Kd Kp Ki; den=1 10+Kd 20+Kp Ki;t=0:0.01:2;step(num,den,t),no overshoot, fast rise tim
15、e, and no steady-state error,步骤小结：,研究开环响应，确定需要改善的因素 增加比例控制改善上升时间 增加微分控制改善超调 增加积分控制消除静差 分别整定 Kp, Ki, 和 Kd 直至获得满意的响应曲线,P、I、D 调节规律,各种控制规律的特点及使用场合,PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。 将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。,实际比例积分微分控制（PID）,PID调节器的阶跃响应特性,模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。
16、其发展经历了型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用集成电路）。 DDZ-型仪表的特点 1）采用统一信号标准：420mA DC和15V DC。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。 2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。 3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。,3.2.2 DDZ-型基型调节器 （略）,1 DDZ-型仪表的特点及外形 特点： 测量信号：15V.DC； 外给定信号：420mA.DC； 内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：1； 输入阻
17、抗影响：满刻度的0.1； 输出保持特性：0.1（每小时）； 输出信号：420mA.DC； 调节精度：0.5； 负载电阻：250750。,DDZ-基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。,全刻度指示调节器的构成框图,2 全刻度指示调节器的构成原理,全刻度指示调节器的线路实例,输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号Vi和给定信号Vs之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。 求偏差 e ：V01 = k ( Vs Vi ),1 输入电路,因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过
18、双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。,可列出两输入节点的电流方程：,而 VTVF 则 V01 = 2（Vi VS）,而 V+V- 则 V01 = 2（Vi VS）,得,采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，,（2） 求偏差 Vi VS，进行偏差运算。 （3）将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。,电路的特点 （1）输入阻抗高,（4） 消除传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源，在Vi的传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻的影响。,（5） 进
19、行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB =10V ，即进行电平移动。,因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V,则,显然，IC不能正常放大。,如果 VB = 0,VB = 10V时， V+ = V- = 3.75.7V保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。,而且 VB = 0时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V 也不符合后面PID电路IC的范围要求。,VB = 10时：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后
20、面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。,2、 PD电路分析PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8打向“通”时，构成 PD电路。,PD传递函数,得,式中：,微分时间常数,又因,得,实际微分因子,阶跃响应,当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为,可见，此电 路的微分是实际 的微分。,当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。,PI电路以A3为核心组成，开关S3为积分时间倍乘开关。当S3打向1档时，1
21、K电阻被悬空，不起分压作用；当S3打向10档时，1K电阻接到基准线，静态V02被分压输入。,由于10F电容积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。,3、PI电路分析,PI传递函数 S1置于“自动”位置、S3分别置于“1”、“10”档时的简化电路：,根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：,S3打向10档时：m=10 S3打向1档时：m=1,PID运算电路由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,4 输出电路,其任务是将PID电路输出电压VO3 =15V变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至0
22、V。,在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。,取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3,由V+V-得,转换关系,则,而,若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K时，,可以精确获得关系：,5 调节器的整机传递函数 输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结构框图,整机传递函数可表示为 :,6 手动操作电路及无扰切换 通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。,AM无冲击,1) A、M间的切换,S1从A切换到M时：,断开A3的输入,CM无放电回路,
23、VO3保持不变,S42闭合-VM接入按TI =100s的时间积分,S41闭合-VM接入按TI =6s的时间积分,同理，S43（或S44）闭合+VM接入反向积分,用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为 “软手动”。,2) A、H间的切换 当切换开关S1由自动位置A，切向硬手动 H 时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。,由于CM充电迅速，A3的输出近似为比例电路。,传递函数,时间常数 T = RFCM =301031010-6 = 0.3s 可见，VH 改变时，VO3很快达到新的稳态值。 AH前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。 MH也同样。,3) M、HA间
24、的切换S1由A切向M或H时，联动开关同时将积分电容CI接VB，使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。,自动（A）,软手动（M）,无扰,无扰,硬手动（H）,无扰,有扰,总结：, DDZ-型调节器的切换特性,先平衡才能无扰,无扰,无平衡切换：在切换时不需做任何调整，可随便切换到所需的位置。 无扰动切换：在切换时调节器输出不发生突变，即对生产过程无冲击现象。 保持特性:在积分器的输入端“浮空”时，调节器的输出能长时间保持不变。,DDZ-III型调节器软、硬手动的切换过程可总结为:自动切换到软手动，无需平衡即可做到无 扰动切换； 2) 软手动切换到硬手动，需平衡后切换才能做到无扰动切换； 3) 硬手动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换； 4) 软手动切换到自动，无需平衡即可做到无扰动切换。,7 指示电路现以输入信号指示电路为例进行讨论。调节器采用双针指示式电表，全量程地指示测量值与给定值。偏差大小由两个指针间的距离反映，当两针重合时，偏差为零。S5切换到“标定”时，可进行示值标定。流过动圈表头的电流为,小结,
