过程控制与自动化仪表-第三章-调节器

1、 过程控制仪表过程控制仪表调节器（可编程序控制器）调节器（可编程序控制器）调节器的功能调节器的功能 检测与变送电检测与变送电/ /气信号送往调节器与给定信号进行比较产气信号送往调节器与给定信号进行比较产生偏差，按照调节规律产生调节作用去控制执行器。生偏差，按照调节规律产生调节作用去控制执行器。（1 1）：）：偏差显示偏差显示（2 2）：）：输出显示输出显示（3 3）：）：内、外给定的选择内、外给定的选择（4 4）：）：正、反作用的选择正、反作用的选择（5 5）：）：手动切换操作手动切换操作（6 6）：）：其他功能其他功能执行器执行器接受来自调节器的控制信号，改变阀门开度，控制介质流量。接受来自

2、调节器的控制信号，改变阀门开度，控制介质流量。直接与控制介质接触，高温、高压、深冷、高粘度条件下工作。直接与控制介质接触，高温、高压、深冷、高粘度条件下工作。安全栅安全栅保证信号的正常传输。保证信号的正常传输。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。能量以下。调节规律调节规律 调节器的输出分别于输入偏差的大小、偏差的积分和偏差调节器的输出分别于输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的微分变化率有关即比例积分微分调节规律（的微分变化率有关即比例积分微分调节规律（PIDPID）。）。理想的输出理想的输出PIDPID数学表达式：

3、数学表达式：)()(1)()(1dttdeTdtteTteKtuDcKcKc为调节器的比例增益，为调节器的比例增益，T1T1为积分时间，为积分时间，TDTD为微分时间为微分时间化为传递函数：化为传递函数：)11 ()(1sTsTKsGDcc比例调节（比例调节（P P）)()(,0TD1teKtuTc纯比例调节式子变为起作用积分项和微分项不时，、当纯比例调节器的纯比例调节器的单位阶跃响应特性：单位阶跃响应特性：例：自力式液位比例控制系统例：自力式液位比例控制系统浮球为传感器，杠杆为控制器，浮球为传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。活塞阀为执行器。ebapepbaeKyc如果如果e=0e=0，则

4、活塞无法提高，则活塞无法提高，Q1Q1无法加大，调节无法进行无法加大，调节无法进行例：自力式液位比例控制系统例：自力式液位比例控制系统Q2htepQ1tttt原来系统处于平衡，进水量与原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一出水量相等，此时进水阀有一开度。开度。t=0t=0时，出水量阶跃增加，引时，出水量阶跃增加，引起液位的下降，浮球下移带动起液位的下降，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相等当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位不再时，系统重新平衡，液位不再变化。变化。比例调节比例调节工程上习惯用工程上习惯用比例度比例度表示比例调节作用的强弱表示

5、比例调节作用的强弱定义：定义：调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比调节器输入偏差的相对变化量与相应输出的相对变化量之比%100)/(minmaxminmaxuuueeee e为输入偏差，为输入偏差，u u为控制器输出变化量；为控制器输出变化量；emax-eminemax-emin为输入最大变化量，为输入最大变化量，即输入量程；即输入量程；umax-uminumax-umin为输出最大变化量，即输出量程。为输出最大变化量，即输出量程。比例调节比例调节电动仪表中输入、输出信号统一为电动仪表中输入、输出信号统一为420mA420mA，故，故%1001%100cKue比例调节特点：比例

6、调节特点：调节及时，反应调节及时，反应灵敏，偏差出现及时调节，偏差灵敏，偏差出现及时调节，偏差越大，调节作用越强。越大，调节作用越强。控制结果存在偏差。控制结果存在偏差。以偏差的存在为前提条件以偏差的存在为前提条件ueeremaxeminuminumax练习题练习题某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400400800800，输出信号范围是，输出信号范围是4 420mA20mA。当指示指针从。当指示指针从600600变到变到700700时，控制器相应的输出时，控制器相应的输出从从8mA8mA变为变为16mA16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。积分调节（积分调节（I I

7、）幅值为幅值为E E的阶跃时：的阶跃时：输出变化量输出变化量u(t)u(t)与输入偏差与输入偏差e(t)e(t)的积分成正比的积分成正比eEttudtteTtu)(1)(1tTEtu1)(积分调节（积分调节（I I）eEttu积分调节特点：积分调节特点：积分作用具有保持功能，能够消除积分作用具有保持功能，能够消除余差。余差。当当t t较小时，控制作用很弱，不能及较小时，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用，故时克服干扰作用，故不单独作用。不单独作用。当有偏差存在时，积分随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输当有偏差存在时，积分随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出保持在某一值上。出保持在某一值

8、上。比例积分调节（比例积分调节（PIPI）比例积分调节阶跃响应：比例积分调节阶跃响应：将比例与积分结合起来，既能及时控制，又能消除余差。将比例与积分结合起来，既能及时控制，又能消除余差。只要输入不为零，输出的积分作只要输入不为零，输出的积分作用一直增长。用一直增长。实际中开环增益为有限值，输出实际中开环增益为有限值，输出不可能无限增大，积分作用最终不可能无限增大，积分作用最终饱和。饱和。微分调节（微分调节（D D）输出变化量输出变化量u(t)u(t)与输入偏差与输入偏差e(t)e(t)的微分成正比的微分成正比dtdeTtuD)(eEttu微分调节特点：微分调节特点：偏差出现的瞬间立即产生强烈的

9、偏差出现的瞬间立即产生强烈的调节作用，是偏差消除于萌芽之调节作用，是偏差消除于萌芽之中，即中，即超前控制超前控制对偏差无控制能力，当偏差存在对偏差无控制能力，当偏差存在时输出为零，因此时输出为零，因此不单独使用不单独使用。比例微分调节（比例微分调节（PDPD）比例积分调节阶跃响应：比例积分调节阶跃响应：理想微分作用持续时间太短，缺理想微分作用持续时间太短，缺乏抗干扰能力。乏抗干扰能力。实际中比例微分调节作用同样具实际中比例微分调节作用同样具有有饱和饱和特性。特性。比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID）将比例、积分和微分结合起将比例、积分和微分结合起来，强度配适得当，得到满来，强度配

10、适得当，得到满意的控制效果。意的控制效果。PID调节器的阶跃响应特性 PIDPID中，中，比例作用是比例作用是基础控制基础控制；微分作用是用于微分作用是用于加快系统控加快系统控制速度制速度；积分作用是用于；积分作用是用于消消除静差除静差。比例积分微分调节（比例积分微分调节（PIDPID）在生产过程自动化的发展进程中，在生产过程自动化的发展进程中，PIDPID调节是应用时间最长，生调节是应用时间最长，生命力最强的一种控制方式，目前命力最强的一种控制方式，目前PIDPID控制仍被广泛的使用。控制仍被广泛的使用。PIDPID控制主要优点：控制主要优点：1 1）PIDPID调节模拟了人脑的部分思维，原

11、理简单、容易实现，使用方调节模拟了人脑的部分思维，原理简单、容易实现，使用方便。便。2 2）应用范围广，按照）应用范围广，按照PIDPID控制方式工作的自动调节器产品早已标准控制方式工作的自动调节器产品早已标准化和系列化。化和系列化。3 3）鲁棒性强。由）鲁棒性强。由PIDPID调节规律构成的控制系统中的控制过程特性发调节规律构成的控制系统中的控制过程特性发生改变时，只要重新整定参数，即可使系统性能不发生明显变化。生改变时，只要重新整定参数，即可使系统性能不发生明显变化。DDZ-DDZ-型模拟式型模拟式调节器调节器型型：电子管电子管型型：晶体管晶体管型型：线性集成电路线性集成电路1-双针垂直指

12、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-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全刻度指示调节器构成原理全刻度指示调节器构成原理DDZ-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、入电路、PDPD与与PIPI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元电路、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。包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。 全刻度指示

13、调节器线路原理图全刻度指示调节器线路原理图输入电路输入电路输入电路的主要作用是获得与输入信号输入电路的主要作用是获得与输入信号Vi和给定信号和给定信号Vs之差成比例之差成比例的偏差信号的偏差信号 因测量信号因测量信号Vi和给定和给定信号信号Vs分别通过双臂分别通过双臂电阻差模输入到运放电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入的同相和反相输入端。端。输入电路输入电路得和由，为理想放大器，设、321321FT1IIIIIIVVARVVVRVRVVBoFFFi)21(01RVVRVVRVBTTST0)(21sioVVV经整理得比例积分电路比例积分电路 接受接受PDPD电路的输出信号电路的输出信号V02V02，进行，进行PIPI运算后，输出电压运算后，输出电压V03V03，送，送至输出电路。至输出电路。 数字式控制器数字式控制器模拟式调节器的局限性：模拟式调节器的局限性： 1）功能单一，灵活性差；）功能单一，灵活性差； 2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便； 3）接线过多，系统维护难度大。）接线过多，系统维护难度