自动检测技术与仪表控制系统调节控制单元

1、自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 13.13.调节控制单元调节控制单元 作用作用：是自动控制系统的核心仪表，将来自变送器的测量信号是自动控制系统的核心仪表，将来自变送器的测量信号 与给定信号相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，与给定信号相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算， 输出统一标准的调节信号去控制执行机构的动作，以实现对温输出统一标准的调节信号去控制执行机构的动作，以实现对温 度、压力、流量、液位等参数的自动控制。度、压力、流量、液位等参数的自动控制。 发展：从模拟到数模混合仪表，最终发展为全数字式仪表。发展：从模拟到数模混合仪表，最终发展为全数字式仪表。 主要内容

2、主要内容 常规控制规律常规控制规律PI、PD、PID 调节器控制规律的实现调节器控制规律的实现DDZ-、DDZ-和数字式调节器和数字式调节器 常规调节器基本电路分析常规调节器基本电路分析 先进调节器浅析先进调节器浅析增强型增强型PID控制规律分析、改进型控制规律分析、改进型PID控控 制算法制算法 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 13.1.常规控制规律常规控制规律 一、典型控制系统一、典型控制系统 1.偏差：是测量值和给定值的差值。 2.正偏差： 0。 3.负偏差： 0。 反作用调节器： y0。 调节器接收到偏差 信号后，按一定的 运算（控制）规律 输出控制信号，通 过执行器作用被控

3、 对象，以消除扰动 对被控变量的影响， 从而使被控变量回 到给定值上来。 被控变量能否回到 给定值上，以及以 怎样的途径、经过 多长时间回到给定 值上，不仅与被控 对象有关，还与调 节器的特性，即运 算（控制）规律有 关，一般在其输入 端加一阶跃信号， 分析输出信号跟随 的变化 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 比例调节器阶跃响应曲线 二、基本控制规律二、基本控制规律 比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential) 1.比例（P） 控制规律： 当有偏差时，调节器的输出立刻与偏差 成比例变化。 特点特点：是最主要、最基本、 应用最普遍的控制规

4、律，因 为能及时和迅速克服扰动的 影响，从而使系统很快稳定， 但当被控变量和给定值之差 为0时，调节器的输出不会变 化，系统无法保持平衡，因 此稳定后，被控变量无法达 到系统给定值，而存在残差。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 2.积分(I)控制规律： 3.微分(D)控制规律： 积分调节器阶跃响应特性曲线 y不仅与偏差 的大小有关，还 与其存在时间有 关，存在，则 y变化，因此 调节器的输出y 变化，其存在时 间越长y越大， 直至y达极限值 为止。 =0时 y=0，y稳定， 但可能稳定在任 意值上，是一种 无定位调节， 因为调节器的输出 是随时间的累积而 逐渐增大的，阶跃 输入瞬间调

5、节器的 输出为0，故调节动 作缓慢，滞后于偏 差的存在，这样会 造成调节不及时， 使系统的稳定性下 降，一般积分控制 规律不单独使用。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 理想微分调节器在阶跃信号出现的瞬间，偏差变化速度为无穷大，输出也为 无穷大，但无法实现，调节效果也不好 特点：按偏差变化速度进行调节。特点：按偏差变化速度进行调节。即使很小，只要出现变化趋即使很小，只要出现变化趋 势，就有调节作用输出，及时抑制偏差的继续增长。但在偏差恒势，就有调节作用输出，及时抑制偏差的继续增长。但在偏差恒 定时，无论多大，都不产生控制作用，故不能消除偏差定时，无论多大，都不产生控制作用，故不能消除偏

6、差。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 三、常规控制规律三、常规控制规律 将比例、积分和微分三种基本控制规律进行适当的组 合，即可构成多种工业适用的常规控制规律，如比例积分 (PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)控制规律。 1.微分方程表示法（调节器正作用） 比例积分(PI)控制规律 比例微分(PD)控制规律 理想比例积分微分(PID)控制规律 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 2.传递函数表示法 比例积分(PI)控制规律 比例微分(PD)控制规律 理想比例积分微分(PID)控制规律 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 3.图示法 自动检测技术与仪表控制系统调

7、节 控制单元 4.频率特性表示法 比例积分(PI)控制规律 比例微分(PD)控制规律 理想比例积分微分(PID)控制规律 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 四、实用四、实用PIDPID控制规律的构成控制规律的构成 根据实际系统的情况，有各种不同的构成方式 1.由反馈回路PID环节构成的PID运算电路 放大器是由晶体管（或集成运算放大器）等器件组成的直流放大器。PID 反馈电路由RC微分和积分环节串联组成的复合回路。DDZ-型调节器及 一些基地式模拟调节器均采用这种组成方式。简单，但PID反馈电路相互 干扰系数较大。 运算电路的传递函数可表示为：

8、 K足够大则： 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 2.2.由由PDPD和和PIPI串联构成的串联构成的PIDPID运算电路运算电路 PI和PD电路均由集成运算放大器和RC电路组成。DDZ-型调节器。经改 动可构成测量值微分先行的调节器，测量值先经比例增益为1的PD电路后 再与给定值比较，差值送入PI电路，给定值不经微分，故在改变给定值时， 调节器的输出不会发生大幅度变化，避免了给定值扰动。 特点：相互干扰系数小，但串联会使各级误差累积放 大，对各部分电路精度要求较高。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 3.3.由由P P、I I、D D并联构成的并联构成的PIDPID运算电路运

9、算电路 特点：并联连接避免了级间误差累积放大，有利 于保证整机精度。可消除TI、TD变化对调节器实 际整定参数的影响。KP的变化使实际积分、微分 时间（KPTI、TD/KP）发生变化。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 4.4.由由P P、I I、D D串并联混合构成的串并联混合构成的PIDPID运算电路运算电路 特点：不仅可以避免级间误差的累积也可以消除调节器 整定参数间的相互干扰。 5.5.实际实际PIDPID运算电路的传递函数及阶跃响应曲线运算电路的传递函数及阶跃响应曲线 传递函数不是： 而是： 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 阶跃输入时实际PID调节器输出随时间变化的

10、关系为： - 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 是由PI阶跃 响应曲线 OCDE和PD 阶跃响应特 性曲线 OADF叠加 而成。可由 图解法求比 例增益、积 分时间、微 分时间 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 13.2.13.2.调节器控制规律的实现调节器控制规律的实现 一、一、DDZ-DDZ-型调节器型调节器PIDPID控制规律的实现控制规律的实现 1.实现原理：在反馈回路中设置相应的调整环节。实现原理：在反馈回路中设置相应的调整环节。 反馈电路 的输入， 等效于调 节器的偏 差输入 调节器的 输出负载 调节器的 输出电流 隔离电路 的输出即 为反馈回 路的输入 经比例积

11、分后经微 分，最终 输出。 为保证反馈回路正常工作，应有：为保证反馈回路正常工作，应有：RPRIR27,R28 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 2.P控制规律：控制规律： 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 3.PI 控制规律：控制规律： 实际上为微分电路，电容CI的初始电压值为0，当偏差信号Ii产生阶 跃输入时，电路对电容CI进行充电，VCI两端电压逐渐增加，直到 VCI=VR27+VR28，此时RI两端电压逐渐降低为0，其电压的动态变 化过程如图 该变化过程构成了积分电路的调节作用！该变化过程构成了积分电路的调节作用！ f V 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 电容

12、CD的初始电压为0，Ii阶跃输入时，电 路对CD充电，VCD增加，直到VCD=VR27，随 着充电电流的逐渐减小，VRD逐渐为0，则 Vf=Vf-VRD的动态变化过程如图 4.PD 控制规律：控制规律： f V 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 5.PID 控制规律：控制规律： 把PI和PD的调节 作用相乘即可获得。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 6.运算电路的控制规律传递函数表示运算电路的控制规律传递函数表示 其中 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 二、二、DDZ-DDZ-型调节器型调节器PIDPID控制规律的实现控制规律的实现 1.实现原理实现原理：利用运算放大

13、器先分别形成PI和PD控制规律，再 串联形成。因为微分只对信号变化起作用，先进行微分调节， 后进行积分调节作用。 2.PD电路电路 组成：组成：无源比例微分 网络和比例运算放大器。 调整RD和RP可改变调节 器的微分时间和比例度 定性分析工作原理：定性分析工作原理： 而VO2=VT，因此他们的曲线形状相同 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 定量分析工作原理：定量分析工作原理： 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 即一般形式的比例微分电路传递函数为： 所以当输入信号VO1存在阶跃作用时，利用拉氏变换 可得输出信号的时间函数表达式为： 自动检

14、测技术与仪表控制系统调节 控制单元 3.PI电路电路 作用：将PD电路的输出电压信号进行PI运算，输出15V电压 组成：组成：比例运算电路（CI、CM和IC3）和积分电路（RI、CM、 及IC3） 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 电容CI和CM组成比例运算环节 RI和CM组成积分运算环节 定量分析工作原理：定量分析工作原理： )()( )( )( sV sCmR sV R sV m sC sV o MI Io I o M Io 23 2 3 1 1 1 )()()( )( )( sV sCmRC C sVsVsV o MIM I IoPoo2333 1 对应地有其传递函数为： 自动检

15、测技术与仪表控制系统调节 控制单元 对应地传递函数为： 规定积分时间T1=mRIICI 实际上IC3的开环增益不能为无穷大，设为A3，输入阻抗为Ri， 则传递函数需要修正 为积分增益 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 在阶跃输入作用下在阶跃输入作用下 会出现饱和现象，故VO3不能 及时跟随VO2变化，调节器的控 制作用将暂时处于停顿状态， 这种滞后会使控制品质变坏。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 4.4.PIDPID调节规律传递函数调节规律传递函数 11 IID D M I P I D TKK T C C n K T T F且，令 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元

16、自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 在阶跃输入作用下在阶跃输入作用下 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 三、数字式调节器控制规律的实现三、数字式调节器控制规律的实现 位置型算式 1.完全微分型算法 理想PID控制规律： 若按下述方法离散化 有： 是离散系统，用于连续系统的PID控制规律须经离散化后才可应用。可采用理想PID （完全微分型）和实际PID（不完全微分型）调节算法。都有位置型、增量型、速 度型和偏差系数型4种实现形式。 输出yn由逐次采样所得的偏差值求和及求增量而得，便于计算机的实现，且与实际控 制用的阀位相对应。但当调节器出现故障导致计算错误或输出错误时，会造成控制用

17、 调节阀位的错误，使调节器工作失误，严重时会造成整个系统重大事故采用此种时， 输出端要有保持器（零阶），保证输出端在一个采样周期输出恒定，去除抖动，但不 利于系统正常运行。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 增量型算式 由 得： 两式相减得： 特点：特点：输出增量的计算仅取决于最后几次的偏差，且运算相 对简单，适用于实时性高的系统；每次调节器的输出是增量， 故输出或计算的误动作小；对输出的增量加以限制可防止大 扰动的出现，便于仪表手动和自动间的无扰动切换；当调节 器因故障停止输出时，控制用阀位能保持在故障前的状态。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 速度型算式 偏差系数型算式

18、因为T是常数，故与增量型本质上是相同的，主要用于控 制步进电机所构成的系统。 将增量型算式展开并合并同类项 特点：比增量型简单，系数A、B、C能够反映每次偏差对输出的 影响程度；系数失去了必要的物理意义，不能直观表达出与比例、 微分、积分调节作用相关参数的关系；本质上还是增量型 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 2.不完全微分法 对实际PID控制规律连续算式离散化后得不完全微分型PID算式 理想PID控制规律中微分作用只能在一个刺痒周期中有效，且调整作用很强 导致微分调节作用发挥不理想。故实际上对其进行修正，成为不完全微分型。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 13.3.13.

19、3.常见调节器基本电路分析常见调节器基本电路分析 一、一、DDZ-DDZ-型调节器基本电路分析型调节器基本电路分析 放大器输出信号中所含有的大小与IO成正比的交流电流分量，经隔离电路和整流滤波后转 换成反馈电流If，经PID调节隔离运算后，将其输出电压Vf反馈回放大器的输入端，并与 偏差信号进行叠加，最终使整机输出效果等同于对偏差信号进行连续的PID调节运算 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 二、二、DDZ-DDZ-型调节器基本电路分析型调节器基本电路分析 将偏差放大且进 行电平移动，使 运算放大器工作 在允许的共模输 入电压范围之内 将PID

20、电路输 出的15V直流 电压信号转换 成420mA的输 出直流电流 工作状态：工作状态：1.自动对偏差进行PID运算后输出标准信号；2.软手 动通过操作扳键使其处于不同的位置而使调节器处于保持、输 出电流快速变化和输出电流慢速变化状态；3.硬手动移动硬手 动操作杆，能使调节器的输出迅速改变到需要的数值。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 三、数字式调节器基本电路分析三、数字式调节器基本电路分析 由微机运算单元、输入电路单元、输出电路单元和人机接口单元 四部分组成。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 1.硬件组成： 微机单元（核心组件）：

21、完成调节器的各种运算、功能协调和 控制规律的计算。由微处理器（CPU）、只读存储器（ROM、 EPROM）、随机存储器（RAM）和输入输出（I/O）接口组成。 输入电路单元：实现内部信号制与输入信号制之间的转换、外 部输入信号与内部电路的隔离功能。模拟量输入通路将来自于 变送器的15V信号经多路模拟开关和A/D转换器送入CPU进行 处理。开关量输入通道将多个开关量输入信号转换成能被计算 机识别的数字信号，采用光电隔离，抗共模干扰。 输出电路单元：实现内部信号制与输出信号制之间的转换， 输出信号与内部信号的隔离等功能。模拟量输出接口将多个 运算后的数字信号进行D/A转换，并经多路模拟开关送入输出 电路暂存，分别输出模拟电压（15V）或电流（420mA）信 号。开关量输出接口输出开关量以控制继电器触点的接通与 释放，也可控制步进电机的运转。 自动检测技术与仪表控制系统调节 控制单元 人机接口单元：提供操作员的各种参数设置和显示。由数码显 示器、功能键盘（设置和指示各种变量）、显示表盘（测量值、 给定值和输出电流的显示）组成。 2.软件系统：软件系统： 管理程序（主程序）：也称仪表的监控程序或操作系统，典型 流程框图如图13-24。中断是定时中断，完成各种运算。用户编程是