控制器仪表讲解

1、过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：赵 跃 西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院 信息与控制工程系信息与控制工程系 第三章第三章 3.13.1调节器仪表调节器仪表 调节器调节器(控制器控制器)的概念的概念 是指把测量值和给定值进行比较，得出被调是指把测量值和给定值进行比较，得出被调 量的偏差并根据一定的调节规律产生输出信号，推动量的偏差并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控制的装置。执行器对生产过程进行自动控制的装置。 要掌握一个调节器，首要的问题是弄清楚它具有要掌握一个调节器，首要的问题是弄清楚它具有 什么样的调节规律，

2、即它的输出量与输入量什么样的调节规律，即它的输出量与输入量( (偏差信偏差信 号号) )之间具有什么样的函数关系。之间具有什么样的函数关系。 最简单的两位式调节器最简单的两位式调节器 例例1:两位式温度控制器两位式温度控制器 两位式调节器 两位式调节器特性曲线两位式调节器特性曲线 过程控制系统中大多数对象都过程控制系统中大多数对象都 可以用下式所示的一阶加纯滞后环可以用下式所示的一阶加纯滞后环 节近似。节近似。 s e Ts K 1 111 21 0 sTsTsT K sG n 使用这种调节器时使用这种调节器时 后面的执行器特别简单后面的执行器特别简单 ，例如控制电能时只需，例如控制电能时只需

3、 要电磁开关，控制流量要电磁开关，控制流量 时只要用通断阀便可进时只要用通断阀便可进 行调节，因此在要求不行调节，因此在要求不 高的场合获得了广泛的高的场合获得了广泛的 应用。应用。 显然，调节对象的显然，调节对象的 滞后时间愈小，炉温的滞后时间愈小，炉温的 摆动幅度就愈小，但调摆动幅度就愈小，但调 节器动作频率将愈大，节器动作频率将愈大， 有甚至会达到不能容许有甚至会达到不能容许 的程度。的程度。 两位式调节器 s e Ts K sG 1 两位式调节器的滞回特性 为了降低开关动作频率两位式调节器都设置了不为了降低开关动作频率两位式调节器都设置了不 灵敏区，其控制特性如图示。使用这种两位式调节

4、器灵敏区，其控制特性如图示。使用这种两位式调节器 可以使开关动作频率降低，延长执行器的寿命。可以使开关动作频率降低，延长执行器的寿命。 滞回调节器的响应特性 缺点：缺点：过程变量会围绕期望值在一定范围内过程变量会围绕期望值在一定范围内 不停的震荡。不停的震荡。 原因：原因：两位式控制实际上是一种两位式控制实际上是一种“断续断续”的的 控制方式，即每当误差超出上限或低于下限时控制方式，即每当误差超出上限或低于下限时 控制器才会动作。而其他时刻，系统实际处于控制器才会动作。而其他时刻，系统实际处于 开环状态。任凭被控变量缓慢波动而不调节！开环状态。任凭被控变量缓慢波动而不调节！ 结论：结论：两位式

5、调节时一种非常粗糙的调节方两位式调节时一种非常粗糙的调节方 式，结构简单精度差。式，结构简单精度差。 两位式调节器的特性 两位式调节器实例 PID控制的基本特性控制的基本特性 一比例调节的动作规律一比例调节的动作规律 P P eKu c ( )( ) c u tK e t )(tu 为调节器输出的增量值， )(te为被控参数与给定值之差。 纯比例调节器的阶跃响应特性 比例控制数学表达式比例控制数学表达式 ： P控制的比例带控制的比例带 1ue时，控制输出当 eKu c eu 1 称为比例带比例带 c K 1 比例带对系统响应的影响比例带对系统响应的影响 eu 1 比例带对系统的影响：比例带减小

6、系统静差将减小静差将减小， 震荡频率提高响应速度加快震荡频率提高响应速度加快但同时超调增大稳定性降低超调增大稳定性降低。 比例调节动作规律分析比例调节动作规律分析 eKu c 水位调节系统实例水位调节系统实例 已知水箱水位控制系统如图 所示，假设系统处于初始无偏差 状态。此时将输出水阀开度增大 ，试分析系统动态响应过程！ 比例调节系统实例比例调节系统实例 eKu c 自力式液位自力式液位 比例控制系统比例控制系统 eKy c e p b a e b a p Q2 h t e p Q1 t t t t 原来系统处于平衡，进水原来系统处于平衡，进水 量与出水量相等，此时进水阀量与出水量相等，此时进

7、水阀 有一开度。有一开度。 t=0时，出水量阶跃增加，时，出水量阶跃增加， 引起液位下降，浮球下移带动引起液位下降，浮球下移带动 进水阀开大。进水阀开大。 当进水量增加到与出水量当进水量增加到与出水量 相等时，系统重新平衡，液位相等时，系统重新平衡，液位 也不再变化。也不再变化。 响应分析响应分析 比例调节动作规律分析比例调节动作规律分析 eKutu c )0()( c K utu e )0()( 比例控制特点比例控制特点： 控制及时、适当。只要有偏差，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，输出立刻成比例地变化，偏差越大， 输出的控制作用越强。输出的控制作用越强。 控制

8、结果存在静差。因为，如控制结果存在静差。因为，如 果被调量偏差为零，调节器的输出果被调量偏差为零，调节器的输出 也就为零也就为零 u = KC e 比例调节在什么情况下可以达到稳态无差？比例调节在什么情况下可以达到稳态无差？ 1、KC趋于无穷大 2、使稳态误差等于0 的ussu0 3、提高系统型次 积分调节的动作规律 二积分调节的动作规律二积分调节的动作规律 I I t c edtSu 0 积分调节规律是一种无差调节，采用积分调节可以积分调节规律是一种无差调节，采用积分调节可以 提高系统稳态控制精度，但是积分调节的过渡过程时间提高系统稳态控制精度，但是积分调节的过渡过程时间 很长而且会加剧系统

9、的不稳定程度。很长而且会加剧系统的不稳定程度。 积分调节的动作规律 比例积分调节规律比例积分调节规律 PIPI t I c c t cc edt T K eKedtSeKu 00 t I edt T eu 0 11 sTsE sU sG I c 1 1 1 比例积分调节规律将比例的快速性与积分的消除静差比例积分调节规律将比例的快速性与积分的消除静差 结合起来具有比较好的控制效果。结合起来具有比较好的控制效果。 积分调节的动作规律 比例积分调节规律比例积分调节规律 PIPI t I c c t cc edt T K eKedtSeKu 00 t I c edt T eKu 0 1 所取代！为比例

10、控制中的 edt T u i 1 0 所以积分调节部分可以看作是所以积分调节部分可以看作是自动的自动的u u0 0重置！重置！ )()0()(teKutu c 积分调节消除误差的原理 t I c c t cc edt T K eKedtSeKu 00 js sTsE sU sG I c 1 1 1 积分调节的动作规律 积分时间常数积分时间常数 的物理含义的物理含义 t I c c t cc edt T K eKedtSeKu 00 比例积分积分作用具有保持比例积分积分作用具有保持 功能，故积分控制可以消除余差。功能，故积分控制可以消除余差。 当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当有

11、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。当偏差消失时，输出能保持在某一值上。 e E t t u 积分控制的特点积分控制的特点 比例积分积分输出信号随着时比例积分积分输出信号随着时 间逐渐增强，控制动作缓慢，故积间逐渐增强，控制动作缓慢，故积 分作用不单独使用。分作用不单独使用。 积分调节的动作规律 积分调节存在的不足积分调节存在的不足 比例积分调节规律没有利用系统输出的比例积分调节规律没有利用系统输出的趋势趋势信息，没信息，没 有有预测预测能力，导致调节效果不理想！能力，导致调节效果不理想！ 微分调节的动作规律 三比例微分调节的动作规律三比例微分调节

12、的动作规律 PDPD dt de TKeK dt de SeKu DccDc dt de Teu D 1 sT sE sU sG Dc 1 1 微分调节的预测能力 微分调节规律是一种有差调节不能单独使用，微分调节规律是一种有差调节不能单独使用，PDPD调节器能提调节器能提 高系统的稳定度，有效抑制过渡过程的超调，而且微分的存在允高系统的稳定度，有效抑制过渡过程的超调，而且微分的存在允 许减小比例带减小静差。但许减小比例带减小静差。但D D调节不适用于变化剧烈的对象调节不适用于变化剧烈的对象。 dt de Teu D 1 微分时间常数的物理含义微分时间常数的物理含义 微分输出正比于微分输出正比于

13、TD时间时间后后 的预测误差！的预测误差！ PID调节的动作规律 四四 PIDPID调节的动作规律调节的动作规律 sT TsE sU sG D I c 1 1 1 PIDPID控制作用中，比例控制作用中，比例 作用是基础控制；微分作用作用是基础控制；微分作用 是用于加快系统控制速度；是用于加快系统控制速度； 积分作用是用于消除静差。积分作用是用于消除静差。 PID调节器的阶跃响应特性 PIDPID控制的特点控制的特点 PIDPID控制器控制器 取取P,I,DP,I,D三者的长处，与三者的长处，与PDPD相比提高了系统无差度相比提高了系统无差度 ，与，与PIPI相比系统多了一个零点可以改善系统的

14、动态特性。因相比系统多了一个零点可以改善系统的动态特性。因 此此PIDPID兼顾了动静两方面要求，达到较完美的控制效果兼顾了动静两方面要求，达到较完美的控制效果。 2、执行器难以响应理想微分的输出、执行器难以响应理想微分的输出 PID算法需要注意的问题 )( 1 sEsTsU DD 是一个一阶惯性环节 S T T N D 1 1 一、不完全微分算法一、不完全微分算法 1、理想微分算法物理无法实现、理想微分算法物理无法实现 )( 1 1 sE s T T sT sU N D D D 不完全微分算法可以看作不完全微分算法可以看作 是误差信号先进行一阶惯性滤是误差信号先进行一阶惯性滤 波，再进行理想

15、微分运算。波，再进行理想微分运算。 PID算法需要注意的问题 N T 阶跃输入下不完全微分响应曲线阶跃输入下不完全微分响应曲线 微分增益微分增益 105通常取 N T )( 1 1 sE s T T sT sU N D D D 微分调节对高频噪声有放微分调节对高频噪声有放 大作用，因此只适用于时间常大作用，因此只适用于时间常 数较大的多容过程。对流量、数较大的多容过程。对流量、 压力等变化剧烈的对象容易引压力等变化剧烈的对象容易引 起系统震荡。起系统震荡。 微分突变微分突变 控制器设置微分运算的目的是为了预测偏差的变化趋势，按控制器设置微分运算的目的是为了预测偏差的变化趋势，按 T TD D时

16、刻后的预测误差进行调节。然而设定值改变时也会产生很强时刻后的预测误差进行调节。然而设定值改变时也会产生很强 的阶跃误差干扰，会给控制系统造成很大的冲击。为了解决这个的阶跃误差干扰，会给控制系统造成很大的冲击。为了解决这个 问题提出了微分先行算法！问题提出了微分先行算法！ PID算法需要注意的问题 二、微分先行算法二、微分先行算法 微分先行控制器结构微分先行控制器结构 ) )( )( 1 )( 1 )( dt tdy Tdtte T tetu D i PID算法需要注意的问题 三、积分饱和问题三、积分饱和问题 电流设定 PID 氩气流 V15电源 V100 功率电源地线 PWM功放 检测 晶闸管

17、外壳氩弧焊机电流控制实例晶闸管外壳氩弧焊机电流控制实例 控制实例：控制实例： PID算法需要注意的问题 积分饱和是因控制系统间歇工作或大偏差长时间得不到矫正积分饱和是因控制系统间歇工作或大偏差长时间得不到矫正 使得调节器输出达到极值产生的。积分饱和使控制器不能及时反使得调节器输出达到极值产生的。积分饱和使控制器不能及时反 向动作而暂时丧失调节能力，对控制系统性能带来严重影响向动作而暂时丧失调节能力，对控制系统性能带来严重影响！ 积分饱和的对策？积分饱和的对策？ 工业标准工业标准PID控制器控制器 1-双针垂直指示器双针垂直指示器 2-外给定指示灯外给定指示灯 3-内给定设定轮内给定设定轮 4-

18、自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关 5-硬手动操作杆硬手动操作杆 6-输出指示器输出指示器 7-软手动操作板键软手动操作板键 DDZ-型调节仪型调节仪 模拟PID控制器原理图 比例微分运算电路 微分时间调节微分时间调节 比例度调节比例度调节 )( 1 11 )( 0102 sV s K T sT sV D D D ID DDT RsI n sV sV)( )( )( 01 PD传递函数 )( 1 1 1 )( 1 )( 01 01 sV sCR sC n n sC R sV n n sI DD D D D D PD电路以电路以A2为核心组成。为核心组成。 微分作用可选择用与不微

19、分作用可选择用与不 用。开关用。开关S8打向打向“断断” 时，构成时，构成 P电路；开关电路；开关S 8打向打向“通通”时，构成时，构成 P D电路。电路。 )(sVT ID 因因 )( 1 )( 02 sV a sVF 得得 )( 1 1 )( 0102 sV sCR sCnR n a sV DD DD )( 1 11 )( 01 sV sCR sCnR n sV DD DD T 推导可得推导可得 ： )( 1 1 1 )( 1 )( 01 01 sV sCR sC n n sC R sV n n sI DD D D D D DDT RsI n sV sV)( )( )( 01 由由 和和

20、推导过程推导过程 ： DDT RsI n sV sV)( )( )( 01 )( 1 1)( )( 01 01 sV sCR sCR n n n sV sV DD DD T ) 1 1 ( )( ) 1 ) 1( 1 ( )( )( 0101 sCR sCnRsCRsCR n sV sCR sCRn n sV sV DD DDDDDD DD DD T )() 1 1 ( 1 )( 01 sV sCR sCnR n sV DD DD T PD传递函数推导 V02 TD/n V01/n 63% t DDD CnRT 取积分时间常数 )( 1 1 )( 0102 sV sCR sCnR n a sV

21、 DD DD nK D 取微分增益 )( 1 1 )( 0102 sV s K T sT n sV D D D n 0201 V ( )1(1)V ( ) D t T tnet n PD控制参数的物理含义 n a 当当 S8 置于置于“断断” 时，微分被切除，时，微分被切除，A2 只作比例运算。有：只作比例运算。有： 12 11 OO VV n 21OO VV n 这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻两端，使分压电阻两端，使CD右端始终跟右端始终跟 随随电压电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时时，保证无扰动切换。，保证无扰动切换。 PD控制器微分

22、切除方法 数字式数字式PID调节仪调节仪 实验用AI-808系列调节仪介绍 (7)(7)数据减少键数据减少键 (8)(8)数据增加键数据增加键 (9)(9)光柱（选购件）可指示测量值或输出值光柱（选购件）可指示测量值或输出值 (10)(10)给定植显示窗给定植显示窗 (11)(11)测量值显示窗测量值显示窗 (1)(1)调节输出指示灯调节输出指示灯 (2)(2)报警报警1 1指示灯指示灯 (3)(3)报警报警2 2指示灯指示灯 (4)(4)AUXAUX辅助接口工作指示灯辅助接口工作指示灯 (5)(5)显示转换（兼参数设置进入显示转换（兼参数设置进入) ) (6)(6)数据移位（兼手动数据移位（

23、兼手动/ /自动切换）自动切换） YS-80系列系列PID控制器控制器 YS-80硬件结构框图硬件结构框图 YS-80电路示意图电路示意图 YS-80运算流程运算流程 YS-80功能组态功能组态 PID控制器使用中的几个问题 一一 内给定与外给定内给定与外给定 在左图所示的控制系统中控在左图所示的控制系统中控 制器制器AC和和TC的给定值是确定的给定值是确定 的，它们的给定值由控制器内的，它们的给定值由控制器内 部产生的，属于定值控制部产生的，属于定值控制 而控制器而控制器PC的给定值是控制的给定值是控制 器器TC的输出，对的输出，对PC而言给定值而言给定值 是外部输入的，属于随动控制是外部输

24、入的，属于随动控制 通用的标准通用的标准PID控制器既可以控制器既可以 接受外部给定有能产生内部给接受外部给定有能产生内部给 定信号。定信号。 内给定与外给定 由测量元件送来的被控量的测量值（由测量元件送来的被控量的测量值（4-20MA）被转换成被转换成1-5V电电 压信号输入到调节器，与给定值比较产生偏差信号进行压信号输入到调节器，与给定值比较产生偏差信号进行PID运算。运算。 系统的给定值有两种可能的来源，对于定值控制系统设定值由系统的给定值有两种可能的来源，对于定值控制系统设定值由PID 调节器内部的基准源和电位器产生，通过调节电位器就可以改变设调节器内部的基准源和电位器产生，通过调节电位器就可以改变设 定值。对于随动控制系统其设定值由外部输入的标准信号产生。定值。对于随动控制系统其设定值由外部输入的标准信号产生。 正作用与反作用 二二 正作用与反作用正作用与反作用 左图所示的过热蒸汽左图所示的过热蒸汽 温度控制系统与前面提到温度控制系统与前面提到 的加热炉温度控制系统都的加热炉温度控制系统都 是负反馈系统但两者有很是负反馈系统但两者有很 明显的不同，在过热蒸汽明显的不同，在过热蒸汽 温度控制系统中当温度升温度控制系统中当温度升 高时需要开大阀门而在加高时需要开大阀门而在