馬賓過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表第3章 過(guò)程控制儀表上

1、 第第3 3章章 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表(上上) 過(guò)程儀表的定義及作用過(guò)程儀表的定義及作用:調(diào)節(jié)器、電調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等稱為氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等稱為過(guò)程控制儀表。過(guò)程控制儀表。一、調(diào)節(jié)器的功能一、調(diào)節(jié)器的功能 1、偏差顯示、偏差顯示 調(diào)節(jié)器的輸入電路接收測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)，兩者相減后的偏調(diào)節(jié)器的輸入電路接收測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)，兩者相減后的偏差信號(hào)由偏差顯示儀表顯示其大小和正負(fù)。差信號(hào)由偏差顯示儀表顯示其大小和正負(fù)。2、輸出顯示、輸出顯示 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小由輸出顯示儀表顯示，習(xí)慣上顯示儀表調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小由輸出顯示儀表顯示，習(xí)慣上顯示儀表也稱閥位表。閥位表不僅

2、顯示調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，而且通過(guò)它還可以觀也稱閥位表。閥位表不僅顯示調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，而且通過(guò)它還可以觀察到控制系統(tǒng)受干擾影響后的調(diào)節(jié)過(guò)程。察到控制系統(tǒng)受干擾影響后的調(diào)節(jié)過(guò)程。3、內(nèi)、外給定的選擇、內(nèi)、外給定的選擇 當(dāng)調(diào)節(jié)器用于定值控制時(shí)，給定信號(hào)常由調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供，稱當(dāng)調(diào)節(jié)器用于定值控制時(shí)，給定信號(hào)常由調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供，稱為為內(nèi)給定內(nèi)給定；而在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)往往來(lái)自調(diào)節(jié)；而在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)往往來(lái)自調(diào)節(jié)器的外部，則稱為器的外部，則稱為外給定外給定。內(nèi)、外給定信號(hào)由內(nèi)、外給定開(kāi)關(guān)進(jìn)行。內(nèi)、外給定信號(hào)由內(nèi)、外給定開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇或由軟件實(shí)現(xiàn)。選擇或由軟件實(shí)現(xiàn)。4、正、反作用的選

3、擇、正、反作用的選擇 調(diào)節(jié)器輸出的變化量調(diào)節(jié)器輸出的變化量 mv與與 輸入量輸入量dv之間存在之間存在 一的函數(shù)關(guān)系一的函數(shù)關(guān)系 mv =f（ dv) 正作用：正作用：如果如果 mv 0，dv0 反作用：反作用：如果如果 mv 0，dv0 調(diào)節(jié)器作用調(diào)節(jié)器作用方向確定的原則方向確定的原則：應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性及調(diào)節(jié)閥：應(yīng)根據(jù)被控過(guò)程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式來(lái)正確選擇，以使自動(dòng)控制系統(tǒng)成為的氣開(kāi)、氣關(guān)形式來(lái)正確選擇，以使自動(dòng)控制系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反饋一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)，即，即 如果被控變量偏高，則控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果被控變?nèi)绻豢刈兞科?，則控制作用應(yīng)使之降低；相反，如果

4、被控變量偏低，則控制作用應(yīng)使之升高。量偏低，則控制作用應(yīng)使之升高。5、手動(dòng)切換操作、手動(dòng)切換操作 在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，往往先進(jìn)行手動(dòng)操作改變調(diào)節(jié)器的在控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，往往先進(jìn)行手動(dòng)操作改變調(diào)節(jié)器的輸出，待系統(tǒng)基本穩(wěn)定后再切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；輸出，待系統(tǒng)基本穩(wěn)定后再切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)； 當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)的工況不正?；蛘{(diào)節(jié)器失靈時(shí)，必須切換到手動(dòng)當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)的工況不正常或調(diào)節(jié)器失靈時(shí)，必須切換到手動(dòng)狀態(tài)以防止系統(tǒng)失控。狀態(tài)以防止系統(tǒng)失控。 通過(guò)調(diào)節(jié)器的手動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)器的手動(dòng)/自動(dòng)雙向切換開(kāi)關(guān)，可以對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行手自動(dòng)雙向切換開(kāi)關(guān)，可以對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行手動(dòng)動(dòng)/自動(dòng)切換，而在切換過(guò)程中，又希望切換操作不會(huì)給

5、控制系統(tǒng)自動(dòng)切換，而在切換過(guò)程中，又希望切換操作不會(huì)給控制系統(tǒng)帶來(lái)擾動(dòng)，即要求帶來(lái)擾動(dòng)，即要求無(wú)擾動(dòng)切換無(wú)擾動(dòng)切換。6、其它功能、其它功能 如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗漂移、停電對(duì)策等，所有這些附加功能都是為了進(jìn)一步提高動(dòng)抗漂移、停電對(duì)策等，所有這些附加功能都是為了進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)器的控制性能調(diào)節(jié)器的控制性能 二、執(zhí)行器的作用二、執(zhí)行器的作用 執(zhí)行器在過(guò)程控制中的作用是接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，執(zhí)行器在過(guò)程控制中的作用是接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變其閥門開(kāi)度，從而達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。執(zhí)行器直接改變其閥門開(kāi)度，從

6、而達(dá)到控制介質(zhì)流量的目的。執(zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，是過(guò)程控制系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。與控制介質(zhì)接觸，是過(guò)程控制系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。 若執(zhí)行器是采用電動(dòng)式的，則無(wú)需電若執(zhí)行器是采用電動(dòng)式的，則無(wú)需電/ /氣轉(zhuǎn)換器；若執(zhí)行器氣轉(zhuǎn)換器；若執(zhí)行器是采用氣動(dòng)式的，則電是采用氣動(dòng)式的，則電/ /氣轉(zhuǎn)換器是必不可少的。氣轉(zhuǎn)換器是必不可少的。 三、安全柵三、安全柵 安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，其作用一方安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，其作用一方面保證信號(hào)的正常傳輸；另一方面則控制流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量面保證信號(hào)的正常傳輸；另一方面則控制流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下，以確

7、保過(guò)程控在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下，以確保過(guò)程控制系統(tǒng)的安全火花性能。制系統(tǒng)的安全火花性能。 一、基本控制規(guī)律及特點(diǎn)一、基本控制規(guī)律及特點(diǎn)所謂所謂控制規(guī)律控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信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。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)和控制器的輸入信號(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)。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)設(shè)定信號(hào)r (sv)和測(cè)量信號(hào)和測(cè)量信號(hào)y (pv)經(jīng)比較環(huán)節(jié)經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號(hào)比較后得到偏差信號(hào) e (dv)，它是設(shè)定值信號(hào)，它是設(shè)定值信號(hào) 與測(cè)與測(cè)量信號(hào)量

8、信號(hào) 之差。之差。 u = f (e) e = r y 或或 dv =sv-pv 控制規(guī)律有控制規(guī)律有斷續(xù)控制斷續(xù)控制(位式調(diào)節(jié)位式調(diào)節(jié))和和連續(xù)控制連續(xù)控制兩兩類：類：一、一、斷續(xù)控制斷續(xù)控制控制器輸出接點(diǎn)信號(hào)，如雙控制器輸出接點(diǎn)信號(hào)，如雙位控制、三位控制。位控制、三位控制。二、二、連續(xù)控制連續(xù)控制控制器輸出連續(xù)信號(hào)，如比控制器輸出連續(xù)信號(hào)，如比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制。微分控制。（1 ）雙位控制）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)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，因此又稱只有

9、開(kāi)和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)控制。 例例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：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。控器輸出低電平，繼電器斷開(kāi)，加熱器斷電。220v進(jìn)水進(jìn)水出水出水二位式控制器電路原理框圖：二位式控制器電路原理框圖：測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)給定信號(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，高電平或低電號(hào)的正、負(fù)，輸出只有兩個(gè)位置

10、，高電平或低電平，可以當(dāng)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)用。平，可以當(dāng)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)用。(2) 三位控制：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?？刂破饔腥齻€(gè)輸出位值，可以控制兩個(gè)繼電器。測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)給定給定1u01u02給定給定2三位控制器電路原理框圖：三位控制器電路原理框圖： 例例2：溫度三位控制系統(tǒng)：溫度三位控制系統(tǒng) 溫度低于溫度低于t1時(shí)，溫控器使繼電器時(shí)，溫控器使繼電器1、2都吸合，都吸合，加熱器加熱器1、2都通電加熱；溫度高于都通電加熱；溫度高于t1低于低于t2時(shí)，溫時(shí)，溫控器使繼電器控器使繼電器1吸合、繼電器吸合、繼電器2斷開(kāi)，只有加熱器斷開(kāi)，只有加熱器1通通電；溫度高于電；溫度高于

11、t2時(shí)，繼電器時(shí)，繼電器1、2都斷開(kāi)。都斷開(kāi)。j1j2t2t1122220v進(jìn)水進(jìn)水出水出水比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律理想理想pid的數(shù)學(xué)表達(dá)式的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：1( )( )( )( )cdide tu tke te t dtttdt( )u t為調(diào)節(jié)器的輸出值，為被控參數(shù)與給定值之差。 ( )1( )1( )ccdiu sg skt se st s寫成傳遞函數(shù)形式寫成傳遞函數(shù)形式：第一項(xiàng)為比例（p）部分，第二項(xiàng)為積分（i）部分，第三項(xiàng)為微分（d）部分；ck為調(diào)節(jié)器的比例增益，it為積分時(shí)間（以s或min為單位），dt為微分時(shí)間（也以s或min為單位）。 1、比例調(diào)節(jié)規(guī)律、比例調(diào)

12、節(jié)規(guī)律比例控制數(shù)學(xué)表達(dá)式比例控制數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：( )( )cu tk e t( )u t為調(diào)節(jié)器輸出值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 純比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻執(zhí)行器。如果某時(shí)刻q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使球帶動(dòng)活塞提高，使q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。epba=ebap cuk e 如果如果e = 0，則活塞，則活塞無(wú)法提高，無(wú)法提高，q1 無(wú)法加無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位

13、比例控制系統(tǒng)：v 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)q控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。q控制結(jié)果存在靜差。因?yàn)?，如果被調(diào)量偏差為控制結(jié)果存在靜差。因?yàn)?，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零 u = kc e即即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。 在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度來(lái)來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。表示比例控制作用的強(qiáng)弱。

14、所謂所謂比例度比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化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。值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu 式中式中e為輸入偏差；為輸入偏差；u為控制器輸出的變化量；為控制器輸出的變化量；（emax - emin）為）為輸入輸入的最大變化量的最大變化量,即即輸入量程輸入量程；（umax umin）為輸出的最大變化量，即控制器的）為輸出的最大變化量，即控制器的輸輸出量程出量程。如果控制器輸入、輸出量程相等，則如果控制器輸入、輸出量程相等，則: 比例度比例度:ce1100%100%uk

15、maxminmaxmineu(/) 100%eeuu比例度除了表示控制器輸入和輸出之間的增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。益外，還表明比例作用的有效區(qū)間。比例帶比例帶的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如相對(duì)量。如 =50%表明：表明： 控制器輸入偏差變化控制器輸入偏差變化50% ，就可使控制器輸出，就可使控制器輸出變化變化100%，若輸入偏差變化超過(guò)此量，則控制器輸，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。出飽和，不再符合比例關(guān)系。例例 某比例控制器，溫度控制

16、范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400800，輸出信號(hào)范圍是輸出信號(hào)范圍是420ma。當(dāng)指示指針從。當(dāng)指示指針從450變變到到550時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8ma變?yōu)樽優(yōu)?6ma。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。550 45016 8800 40020 4/100%maxminmaxmineueeuu/100%50% p pb b小，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，過(guò)程波動(dòng)大，不易穩(wěn)定，出現(xiàn)等幅或小，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，過(guò)程波動(dòng)大，不易穩(wěn)定，出現(xiàn)等幅或發(fā)散振蕩，（發(fā)散振蕩，（k kp p很大，稍有偏差，輸出很大，不易穩(wěn)定）。很大，稍有偏差，輸出很大，不易穩(wěn)定）。 p pb b適當(dāng)時(shí)，最大偏差和差均不

17、大適當(dāng)時(shí)，最大偏差和差均不大 p pb b太大時(shí)太大時(shí), k, kp p太小，作用弱，調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢太小，作用弱，調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢 比例度對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響：比例度對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響：2 2、比例積分控制（、比例積分控制（pipi） 當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制當(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。的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1） 積分控制積分控制（i） 輸出變化量輸出變化量u(t)與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比01u(t)tiedtt當(dāng)當(dāng)e是幅值為是幅值為e的階躍時(shí)的階躍時(shí)01eu(t)etiidttttti 積分時(shí)間積分時(shí)間eettu1/ ti

18、稱為積分速度稱為積分速度q輸出變化量與偏差的積分成正比輸出變化量與偏差的積分成正比q積分作用具有保持功能，故積分作用具有保持功能，故積分積分控制可以消除余差控制可以消除余差。q積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)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)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。使用。q 若將比例與積分組合起來(lái)，既若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差能控制及時(shí)，又能消除余差 。 v 積分控制的特點(diǎn)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?。?；當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出

19、能保持在某一值上。（2）比例積分控制（）比例積分控制（pi）（考慮到積分飽和特性）（考慮到積分飽和特性） m mv v = k = kp p（d dv v1/t1/ti i* * ） 調(diào)節(jié)器輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)，克服偏差有調(diào)節(jié)器輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)，克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有能克服余差的性能。力的特點(diǎn)，又具有能克服余差的性能。 t ti i大小可改變，大小可改變，t ti i對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響: : t ti i太小，積分作用太強(qiáng)，過(guò)程振蕩，不穩(wěn)太小，積分作用太強(qiáng)，過(guò)程振蕩，不穩(wěn) t ti i太大，積分作用太弱，余差消除得很慢。太大，積分作用太弱，余差消除得很慢。 積分作用會(huì)加強(qiáng)系統(tǒng)

20、的振蕩，滯后大的對(duì)象更為明顯。采用積分作用會(huì)加強(qiáng)系統(tǒng)的振蕩，滯后大的對(duì)象更為明顯。采用pipi調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)，p pb b比純比例調(diào)節(jié)時(shí)稍大一些（比純比例調(diào)節(jié)時(shí)稍大一些（1.21.2倍），以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。倍），以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。 輸入一階躍偏差輸入一階躍偏差dvdv后，當(dāng)后，當(dāng)pipi調(diào)節(jié)器積分部分輸出與比例部分輸出相等調(diào)節(jié)器積分部分輸出與比例部分輸出相等時(shí)，所需的時(shí)間為積分時(shí)間時(shí)，所需的時(shí)間為積分時(shí)間t ti i 。（3）積分時(shí)間及其對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響積分時(shí)間及其對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響 3 、比例微分控制、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)可增對(duì)于慣性較大的對(duì)象

21、，常常希望能加快控制速度，此時(shí)可增加微分作用。加微分作用。 按偏差變化速度來(lái)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，按偏差變化速度來(lái)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，“超前超前”克服預(yù)克服預(yù)計(jì)的偏差，采取過(guò)量調(diào)節(jié)方法。它能較有效地改善過(guò)渡滯后較大計(jì)的偏差，采取過(guò)量調(diào)節(jié)方法。它能較有效地改善過(guò)渡滯后較大的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 u(t)ddetdt式中：式中：td 微分時(shí)間微分時(shí)間 dtde 偏差變化速度偏差變化速度 理想微分理想微分（1） 微分控制（微分控制（d）q 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，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)作微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消

22、除于萌用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。芽狀態(tài)之中。q微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。當(dāng)偏差存在，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，而且易受干擾而誤動(dòng)但不變化時(shí)，微分輸出為零，而且易受干擾而誤動(dòng)作，因此不能單獨(dú)使用。必須和作，因此不能單獨(dú)使用。必須和p或或pi結(jié)合，組成結(jié)合，組成pd控制或控制或pid控制?？刂?。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)eettu（2）實(shí)際微分調(diào)節(jié)器實(shí)際微分調(diào)節(jié)器 實(shí)際微分調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成：比例作用和近似微實(shí)際微分調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成：比例作用和近似微分作用，而且比例作用的比例度固定為分作用，而且比例作用的比例度固定為100%1

23、00%，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)比，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)比例度不變的比例微分調(diào)節(jié)器。例度不變的比例微分調(diào)節(jié)器。 m mv v = kp(dv v+t td d ddv v/dt)（3） t td d對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響 當(dāng)輸出下降了微分作用部分的當(dāng)輸出下降了微分作用部分的63.2%63.2%時(shí)所時(shí)所花的時(shí)間稱時(shí)間常數(shù)花的時(shí)間稱時(shí)間常數(shù)t t， t td d=tk=tkd d t td d越大，微分作用時(shí)間長(zhǎng)，則微分作用強(qiáng)越大，微分作用時(shí)間長(zhǎng)，則微分作用強(qiáng) t td d對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響: : t td d太大微分作用強(qiáng)，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性太大微分作用強(qiáng)，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性易引起振蕩易引起

24、振蕩 t td d太小微分作用弱，最大偏差減小，穩(wěn)定太小微分作用弱，最大偏差減小，穩(wěn)定性較好。性較好。q將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，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。能消除余差，可得到滿意的控制效果。4 、比例積分微分控制（、比例積分微分控制（pid）sktstkststksgddiidicc1111)(q pid控制作用中，控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用統(tǒng)控制速度；積分

25、作用是用于消除靜差。是用于消除靜差。pid調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 對(duì)對(duì) 象象 特特 點(diǎn)點(diǎn)性性 能能 要要 求求調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 器器 類類 型型廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大。數(shù)較小，負(fù)荷變化不大。工藝要求不高工藝要求不高比例（比例（p）同上同上不允許有余差不允許有余差比例積分調(diào)（比例積分調(diào)（pi）廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大。數(shù)較大或容量滯后較大。允許有余差允許有余差比例微分（比例微分（pd）不允許有余差不允許有余差比例積分微分比例積分微分（pid）小結(jié)：小結(jié)： 1 1、比例調(diào)節(jié)：根據(jù)偏差大小輸出，調(diào)節(jié)及時(shí)，但、比例調(diào)節(jié)：根據(jù)偏差

26、大小輸出，調(diào)節(jié)及時(shí)，但有余差，有余差， p pb b減小，調(diào)節(jié)作用增大，減小，調(diào)節(jié)作用增大，p pb b太小會(huì)引起振太小會(huì)引起振蕩。蕩。 2 2、積分：根據(jù)偏差存在時(shí)間輸出，可消除余差，、積分：根據(jù)偏差存在時(shí)間輸出，可消除余差，但使最大偏差增大，過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。但使最大偏差增大，過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。t ti i減小，調(diào)節(jié)作減小，調(diào)節(jié)作用增大，太小引起振蕩。用增大，太小引起振蕩。 3 3、微分：根據(jù)偏差變化速度輸出，有、微分：根據(jù)偏差變化速度輸出，有“超前超前”調(diào)調(diào)節(jié)作用，對(duì)過(guò)渡滯后大的對(duì)象有較好效果，可使最大節(jié)作用，對(duì)過(guò)渡滯后大的對(duì)象有較好效果，可使最大偏差減小，過(guò)渡時(shí)間減小，余差減小。偏差減小，過(guò)渡

27、時(shí)間減小，余差減小。t td d增大，調(diào)節(jié)增大，調(diào)節(jié)作用增大，太大引起振蕩。作用增大，太大引起振蕩。 將將pvpv值與值與svsv值進(jìn)行值進(jìn)行比較比較，得出，得出dvdv后根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行后根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算運(yùn)算輸出輸出mvmv信號(hào)，信號(hào)，控制控制執(zhí)行器消除偏差量，使執(zhí)行器消除偏差量，使pvpv值保持在給定值值保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器測(cè)量信號(hào)：測(cè)量信號(hào)：15v.dc； 外給定信號(hào)：外給定信號(hào)：420ma.dc；內(nèi)給定信號(hào)：內(nèi)給定信號(hào)：15v.dc； 測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度:1；輸入阻抗影響：輸入阻抗影響：滿刻度的滿刻度的0

28、.1； 輸出保持特性：輸出保持特性：0.1（每小時(shí)）；（每小時(shí)）；輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：420ma.dc； 調(diào)節(jié)精度：調(diào)節(jié)精度：0.5；負(fù)載電阻：負(fù)載電阻：250750。ddz-基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ɑ驼{(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐贰⑤斎腚娐?、pd與與pi電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖 1）輸入電路）輸入電路輸入電路的主要作用一是用來(lái)獲得與輸入信號(hào)輸

29、入電路的主要作用一是用來(lái)獲得與輸入信號(hào)vi和給定信號(hào)和給定信號(hào)vs之差之差成比例的偏差信號(hào)；二是將偏差信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)。成比例的偏差信號(hào)；二是將偏差信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)。求偏差求偏差 e ：v01 反相輸入端反相輸入端“虛斷虛斷” 011()02fbiffvvvvvvrrr同相輸入端同相輸入端“虛斷虛斷” 0stttbvvvvvrrr“虛短虛短” ftvvv01 = 2（vi vs） 2） pd電路分析電路分析 pd電路以電路以a2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)s8打打向向“斷斷”時(shí)，構(gòu)成時(shí)，構(gòu)成p電路；開(kāi)關(guān)電路；開(kāi)關(guān)s8打向打向“通通”時(shí)，構(gòu)成時(shí)

30、，構(gòu)成 pd電路。電路。id得得ddtrsinsvsv)()()(01)(111)(1)(0101svscrscnnscrsvnnsidddddd)(111)(01svscrscnrnsvddddt又因又因 得得)(1)(02svasvf)(11)(0102svscrscnrnasvdddd式中：式中：n=kd dddcnrt 微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)02011( )( )1dddt savsvstnsk 當(dāng)當(dāng) s8 置于置于“斷斷”時(shí)，微分被切除，時(shí)，微分被切除，a2只作比只作比例運(yùn)算。有例運(yùn)算。有1211oovvn21oovvn這時(shí)微分電容被開(kāi)關(guān)這時(shí)微分電容被開(kāi)關(guān)s8接在接在9.1k分壓電

31、阻兩端，分壓電阻兩端，使使cd右端始終跟隨右端始終跟隨電壓電壓v01/n。當(dāng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)s8切換到切換到“通通”時(shí)時(shí)，保證無(wú)擾動(dòng)切換。，保證無(wú)擾動(dòng)切換。 3）pi電路分析電路分析 它接收以它接收以10v為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的pd電路的輸出信號(hào)電路的輸出信號(hào)v02，進(jìn)行，進(jìn)行pi運(yùn)算后，運(yùn)算后，輸出以輸出以10v為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的15v電壓電壓v03，送至輸出電路。該電路由，送至輸出電路。該電路由a3、r1、c1、cm等組成。等組成。s3為積分檔切換開(kāi)關(guān)，為積分檔切換開(kāi)關(guān)，s1、s2為自動(dòng)、軟手動(dòng)、為自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，該電路除了實(shí)現(xiàn)硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，該電路除了實(shí)現(xiàn)pi運(yùn)算外，手動(dòng)操作信

32、號(hào)也運(yùn)算外，手動(dòng)操作信號(hào)也從該級(jí)輸入。從該級(jí)輸入。a3的輸出接電阻和二極管，然后通過(guò)射極跟隨器輸出。的輸出接電阻和二極管，然后通過(guò)射極跟隨器輸出。 由于電容由于電容cm積分需要較大積分需要較大電流，在電流，在a3輸出端加一功放三極輸出端加一功放三極管。管。qpi傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)s1s1置于置于“自動(dòng)自動(dòng)”位置、位置、s3s3分別置于分別置于“1 1”、“1010”檔檔時(shí)的簡(jiǎn)化電路：時(shí)的簡(jiǎn)化電路：由反相輸入端由反相輸入端“虛斷虛斷”，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：0/1)()()(/ )(/1)()(030202scsvsvrsvmsvscsvsvmfif

33、ifs3打向打向10檔時(shí)：檔時(shí)： m=10s3打向打向1檔時(shí)：檔時(shí)： m=1 )()(03skvsvfsckrcckscmrccsvsvmimiiimi11 1111 )()(0203stkstccsckrscmrccsvsviiimimiiimi11111111)()(0203pid運(yùn)算電路運(yùn)算電路由由pi和和pd兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以都是以vb=10v為基準(zhǔn)起算的。為基準(zhǔn)起算的。 pipd4）輸出電路輸出電路其任務(wù)是將其任務(wù)是將pid電路輸出電壓電路輸出電壓vo3

34、 =15v變換變換為為420ma的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0v。在在a4后面用后面用vt1、vt2組成復(fù)合管，進(jìn)行電流組成復(fù)合管，進(jìn)行電流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來(lái)保證良好的恒流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來(lái)保證良好的恒流特性。特性。?。喝。?r3 = r4=10k，r1 = r2 = 4r3 34124ofvv 由由v+v-得得 fori24 q轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 4031034223424545124rvvvrvvvrvvvvrrrvvbfbfffbbbtfoorvi43 則則bfooiiii 而而0301 54 2044 62.5fvimar若取若取 r1

35、 = 4（r3+ rf）= 40.25k時(shí)，時(shí)，可以精確獲得關(guān)系：可以精確獲得關(guān)系：5）調(diào)節(jié)器的整機(jī)傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的整機(jī)傳遞函數(shù) 輸入電路、及運(yùn)算電路、輸出電路的傳遞函數(shù)皆已獲得，整個(gè)輸入電路、及運(yùn)算電路、輸出電路的傳遞函數(shù)皆已獲得，整個(gè)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖 25011111112)()()(0sktstsktstccnsvsvsiiiidddmisi整機(jī)傳遞函數(shù)可表示為整機(jī)傳遞函數(shù)可表示為 :6）手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換通過(guò)切換開(kāi)關(guān)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)s1可以選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)可以選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)“a”、軟手動(dòng)操作、軟手動(dòng)操作“m”、硬手動(dòng)操作、硬手動(dòng)操作“h”三種控制方式。三

36、種控制方式。 am無(wú)沖擊無(wú)沖擊a) a、m間的切換間的切換s1從從a切換到切換到m時(shí)時(shí)：斷開(kāi)斷開(kāi)a3的輸入的輸入cm無(wú)放電回路無(wú)放電回路vo3保持不變保持不變s42閉合閉合-vm接入接入按按ti =100s的時(shí)間積分的時(shí)間積分 s41閉合閉合-vm接入接入按按ti =6s的時(shí)間積分的時(shí)間積分同理，同理，s43（或（或s44）閉合）閉合+vm接入接入反向積分反向積分 用這種手用這種手動(dòng)操作來(lái)改變動(dòng)操作來(lái)改變調(diào)節(jié)器輸出，調(diào)節(jié)器輸出，信號(hào)變化比較信號(hào)變化比較緩和，稱為緩和，稱為 “軟手動(dòng)軟手動(dòng)”。b) a、h間的切換間的切換當(dāng)切換開(kāi)關(guān)當(dāng)切換開(kāi)關(guān)s1由自動(dòng)位置由自動(dòng)位置a，切向硬手動(dòng)切向硬手動(dòng) h 時(shí)

37、，放大器時(shí)，放大器a3接成具有慣性的比例電路。接成具有慣性的比例電路。 由于由于cm充充電迅速，電迅速，a3的輸出近似的輸出近似為比例電路。為比例電路。 )()1()(3svscrrsvomfhh 3( )1( )1ofhhfmvsrvsrr c s v 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) t = rfcm =301031010-6 = 0.3s可見(jiàn)，可見(jiàn)，vh 改變時(shí)，改變時(shí)，vo3很快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。很快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。vah前，須先調(diào)前，須先調(diào)rph與當(dāng)時(shí)的與當(dāng)時(shí)的vo3一致，才能一致，才能做到無(wú)擾動(dòng)切換。做到無(wú)擾動(dòng)切換。 mh也同樣。也同樣。3) m、ha間的切換間的切換 s1由由a切向

38、切向m或或h時(shí)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)將積分電容時(shí)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)將積分電容ci接接vb，使，使vci始終等于始終等于v02。當(dāng)。當(dāng)s1再由再由h、m切回切回a時(shí)，由于電壓沒(méi)有突變，切換也是無(wú)擾動(dòng)的。時(shí)，由于電壓沒(méi)有突變，切換也是無(wú)擾動(dòng)的。自動(dòng)（自動(dòng)（a）軟手動(dòng)（軟手動(dòng)（m） 無(wú)擾無(wú)擾 無(wú)擾無(wú)擾硬手動(dòng)（硬手動(dòng)（h）無(wú)擾無(wú)擾有擾有擾總結(jié)：總結(jié)：7) 指示電路指示電路 現(xiàn)以輸入信號(hào)指示電路為例進(jìn)行討論?，F(xiàn)以輸入信號(hào)指示電路為例進(jìn)行討論。 調(diào)節(jié)器采用雙針指示式電表，全量程地指示測(cè)量值與給定調(diào)節(jié)器采用雙針指示式電表，全量程地指示測(cè)量值與給定值。偏差大小由兩個(gè)指針間的距離反映，當(dāng)兩針重合時(shí)，偏差值。偏差大小由兩個(gè)指針間的距離反映，當(dāng)兩針重合時(shí)，偏差為零。為零。s5切換到切換到“標(biāo)定標(biāo)定”時(shí)，可進(jìn)行示值標(biāo)定。時(shí)，可進(jìn)行示值標(biāo)定。流過(guò)動(dòng)圈表頭的電流為流過(guò)動(dòng)圈表頭的電流為oiooorvrvii0 智能控制器以微處理機(jī)為運(yùn)算、控制核心。智能控制器以微處理機(jī)為運(yùn)算、控制核心。pid及其它調(diào)節(jié)規(guī)律由及其它調(diào)節(jié)規(guī)律由cpu運(yùn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)精度高。由用戶組態(tài)編程來(lái)設(shè)定調(diào)節(jié)規(guī)律。又稱可編程調(diào)算實(shí)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)精度高。由用戶組態(tài)編程來(lái)設(shè)定調(diào)節(jié)規(guī)律。又稱可編程調(diào)節(jié)器、單回路調(diào)節(jié)器。節(jié)器、單回路調(diào)節(jié)器。 數(shù)字控制器中具有各種軟件功能模塊，功能模塊的作用主要是運(yùn)算和調(diào)節(jié)，數(shù)