自動檢測技術(shù)與儀表控制系統(tǒng)-調(diào)節(jié)控制單元解讀知識講解

1、自動檢測技術(shù)與儀表控制系統(tǒng)-調(diào)節(jié)控制單元解讀比例調(diào)節(jié)器階躍響應曲線二、基本控制規(guī)律二、基本控制規(guī)律比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Differential)1.比例（P） 控制規(guī)律：當有偏差時，調(diào)節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例變化。特點特點：是最主要、最基本、應用最普遍的控制規(guī)律，因為能及時和迅速克服擾動的影響，從而使系統(tǒng)很快穩(wěn)定，但當被控變量和給定值之差為0時，調(diào)節(jié)器的輸出不會變化，系統(tǒng)無法保持平衡，因此穩(wěn)定后，被控變量無法達到系統(tǒng)給定值，而存在殘差。2.積分(I)控制規(guī)律：3.微分(D)控制規(guī)律：積分調(diào)節(jié)器階躍響應特性曲線y不僅與偏差的大小有關(guān)，還與其存在時間

2、有關(guān)，存在，則y變化，因此調(diào)節(jié)器的輸出y變化，其存在時間越長y越大，直至y達極限值為止。 =0時y=0，y穩(wěn)定，但可能穩(wěn)定在任意值上，是一種無定位調(diào)節(jié)，因為調(diào)節(jié)器的輸出是隨時間的累積而逐漸增大的，階躍輸入瞬間調(diào)節(jié)器的輸出為0，故調(diào)節(jié)動作緩慢，滯后于偏差的存在，這樣會造成調(diào)節(jié)不及時，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，一般積分控制規(guī)律不單獨使用。理想微分調(diào)節(jié)器在階躍信號出現(xiàn)的瞬間，偏差變化速度為無窮大，輸出也為無窮大，但無法實現(xiàn)，調(diào)節(jié)效果也不好特點：按偏差變化速度進行調(diào)節(jié)。特點：按偏差變化速度進行調(diào)節(jié)。即使很小，只要出現(xiàn)變化趨即使很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，就有調(diào)節(jié)作用輸出，及時抑制偏差的繼續(xù)增長。但在偏差恒勢，就

3、有調(diào)節(jié)作用輸出，及時抑制偏差的繼續(xù)增長。但在偏差恒定時，無論多大，都不產(chǎn)生控制作用，故不能消除偏差定時，無論多大，都不產(chǎn)生控制作用，故不能消除偏差。三、常規(guī)控制規(guī)律三、常規(guī)控制規(guī)律將比例、積分和微分三種基本控制規(guī)律進行適當?shù)慕M合，即可構(gòu)成多種工業(yè)適用的常規(guī)控制規(guī)律，如比例積分(PI)、比例微分(PD)、比例積分微分(PID)控制規(guī)律。1.微分方程表示法（調(diào)節(jié)器正作用）比例積分(PI)控制規(guī)律比例微分(PD)控制規(guī)律理想比例積分微分(PID)控制規(guī)律2.傳遞函數(shù)表示法比例積分(PI)控制規(guī)律比例微分(PD)控制規(guī)律理想比例積分微分(PID)控制規(guī)律3.圖示法4.頻率特性表示法比例積分(PI)控制

4、規(guī)律比例微分(PD)控制規(guī)律理想比例積分微分(PID)控制規(guī)律四、實用四、實用PIDPID控制規(guī)律的構(gòu)成控制規(guī)律的構(gòu)成根據(jù)實際系統(tǒng)的情況，有各種不同的構(gòu)成方式1.由反饋回路PID環(huán)節(jié)構(gòu)成的PID運算電路放大器是由晶體管（或集成運算放大器）等器件組成的直流放大器。PID反饋電路由RC微分和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的復合回路。DDZ-型調(diào)節(jié)器及一些基地式模擬調(diào)節(jié)器均采用這種組成方式。簡單，但PID反饋電路相互干擾系數(shù)較大。運算電路的傳遞函數(shù)可表示為：K足夠大則：2.2.由由PDPD和和PIPI串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的PIDPID運算電路運算電路PI和PD電路均由集成運算放大器和RC電路組成。DDZ-型調(diào)節(jié)器。

5、經(jīng)改動可構(gòu)成測量值微分先行的調(diào)節(jié)器，測量值先經(jīng)比例增益為1的PD電路后再與給定值比較，差值送入PI電路，給定值不經(jīng)微分，故在改變給定值時，調(diào)節(jié)器的輸出不會發(fā)生大幅度變化，避免了給定值擾動。特點：相互干擾系數(shù)小，但串聯(lián)會使各級誤差累積放大，對各部分電路精度要求較高。3.3.由由P P、I I、D D并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)構(gòu)成的PIDPID運算電路運算電路特點：并聯(lián)連接避免了級間誤差累積放大，有利于保證整機精度?？上齌I、TD變化對調(diào)節(jié)器實際整定參數(shù)的影響。KP的變化使實際積分、微分時間（KPTI、TD/KP）發(fā)生變化。4.4.由由P P、I I、D D串并聯(lián)混合構(gòu)成的串并聯(lián)混合構(gòu)成的PIDPID運算電

6、路運算電路特點：不僅可以避免級間誤差的累積也可以消除調(diào)節(jié)器整定參數(shù)間的相互干擾。5.5.實際實際PIDPID運算電路的傳遞函數(shù)及階躍響應曲線運算電路的傳遞函數(shù)及階躍響應曲線傳遞函數(shù)不是：而是：階躍輸入時實際PID調(diào)節(jié)器輸出隨時間變化的關(guān)系為：-是由PI階躍響應曲線OCDE和PD階躍響應特性曲線OADF疊加而成?？捎蓤D解法求比例增益、積分時間、微分時間13.2.13.2.調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)一、一、DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器PIDPID控制規(guī)律的實現(xiàn)控制規(guī)律的實現(xiàn)1.實現(xiàn)原理：在反饋回路中設置相應的調(diào)整環(huán)節(jié)。實現(xiàn)原理：在反饋回路中設置相應的調(diào)整環(huán)節(jié)。反饋電路的輸入，等效

7、于調(diào)節(jié)器的偏差輸入調(diào)節(jié)器的輸出負載調(diào)節(jié)器的輸出電流隔離電路的輸出即為反饋回路的輸入經(jīng)比例積分后經(jīng)微分，最終輸出。為保證反饋回路正常工作，應有：為保證反饋回路正常工作，應有：RPRIR27,R282.P控制規(guī)律：控制規(guī)律：3.PI 控制規(guī)律：控制規(guī)律：實際上為微分電路，電容CI的初始電壓值為0，當偏差信號Ii產(chǎn)生階躍輸入時，電路對電容CI進行充電，VCI兩端電壓逐漸增加，直到VCI=VR27+VR28，此時RI兩端電壓逐漸降低為0，其電壓的動態(tài)變化過程如圖該變化過程構(gòu)成了積分電路的調(diào)節(jié)作用！該變化過程構(gòu)成了積分電路的調(diào)節(jié)作用！fV 電容CD的初始電壓為0，Ii階躍輸入時，電路對CD充電，VCD增

8、加，直到VCD=VR27，隨著充電電流的逐漸減小，VRD逐漸為0，則Vf=Vf-VRD的動態(tài)變化過程如圖4.PD 控制規(guī)律：控制規(guī)律：fV 5.PID 控制規(guī)律：控制規(guī)律：把PI和PD的調(diào)節(jié)作用相乘即可獲得。6.運算電路的控制規(guī)律傳遞函數(shù)表示運算電路的控制規(guī)律傳遞函數(shù)表示其中二、二、DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器PIDPID控制規(guī)律的實現(xiàn)控制規(guī)律的實現(xiàn)1.實現(xiàn)原理實現(xiàn)原理：利用運算放大器先分別形成PI和PD控制規(guī)律，再串聯(lián)形成。因為微分只對信號變化起作用，先進行微分調(diào)節(jié)，后進行積分調(diào)節(jié)作用。2.PD電路電路組成：組成：無源比例微分網(wǎng)絡和比例運算放大器。調(diào)整RD和RP可改變調(diào)節(jié)器的微分時間和比

9、例度定性分析工作原理：定性分析工作原理：而VO2=VT，因此他們的曲線形狀相同定量分析工作原理：定量分析工作原理：即一般形式的比例微分電路傳遞函數(shù)為：所以當輸入信號VO1存在階躍作用時，利用拉氏變換可得輸出信號的時間函數(shù)表達式為：3.PI電路電路作用：將PD電路的輸出電壓信號進行PI運算，輸出15V電壓組成：組成：比例運算電路（CI、CM和IC3）和積分電路（RI、CM、及IC3）電容CI和CM組成比例運算環(huán)節(jié)RI和CM組成積分運算環(huán)節(jié)定量分析工作原理：定量分析工作原理：)()( )()(sVsCmRsVRsVmsCsVoMIIoIoMIo2323111 )()()( )( )( sVsCmR

10、CCsVsVsVoMIMIIoPoo23331 對應地有其傳遞函數(shù)為：對應地傳遞函數(shù)為：規(guī)定積分時間T1=mRIICI實際上IC3的開環(huán)增益不能為無窮大，設為A3，輸入阻抗為Ri，則傳遞函數(shù)需要修正為積分增益在階躍輸入作用下在階躍輸入作用下會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，故VO3不能及時跟隨VO2變化，調(diào)節(jié)器的控制作用將暫時處于停頓狀態(tài)，這種滯后會使控制品質(zhì)變壞。4.4.PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律傳遞函數(shù)11 IIDDMIPIDTKKTCCnKTTF且，令在階躍輸入作用下在階躍輸入作用下三、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)三、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)位置型算式1.完全微分型算法理想PID控制規(guī)律：若按下

11、述方法離散化有：是離散系統(tǒng)，用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律須經(jīng)離散化后才可應用?？刹捎美硐隤ID（完全微分型）和實際PID（不完全微分型）調(diào)節(jié)算法。都有位置型、增量型、速度型和偏差系數(shù)型4種實現(xiàn)形式。輸出yn由逐次采樣所得的偏差值求和及求增量而得，便于計算機的實現(xiàn)，且與實際控制用的閥位相對應。但當調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障導致計算錯誤或輸出錯誤時，會造成控制用調(diào)節(jié)閥位的錯誤，使調(diào)節(jié)器工作失誤，嚴重時會造成整個系統(tǒng)重大事故采用此種時，輸出端要有保持器（零階），保證輸出端在一個采樣周期輸出恒定，去除抖動，但不利于系統(tǒng)正常運行。增量型算式由得：兩式相減得：特點：特點：輸出增量的計算僅取決于最后幾次的偏差，且運算相

12、對簡單，適用于實時性高的系統(tǒng)；每次調(diào)節(jié)器的輸出是增量，故輸出或計算的誤動作??；對輸出的增量加以限制可防止大擾動的出現(xiàn)，便于儀表手動和自動間的無擾動切換；當調(diào)節(jié)器因故障停止輸出時，控制用閥位能保持在故障前的狀態(tài)。速度型算式偏差系數(shù)型算式因為T是常數(shù)，故與增量型本質(zhì)上是相同的，主要用于控制步進電機所構(gòu)成的系統(tǒng)。將增量型算式展開并合并同類項特點：比增量型簡單，系數(shù)A、B、C能夠反映每次偏差對輸出的影響程度；系數(shù)失去了必要的物理意義，不能直觀表達出與比例、微分、積分調(diào)節(jié)作用相關(guān)參數(shù)的關(guān)系；本質(zhì)上還是增量型2.不完全微分法對實際PID控制規(guī)律連續(xù)算式離散化后得不完全微分型PID算式理想PID控制規(guī)律中微

13、分作用只能在一個刺癢周期中有效，且調(diào)整作用很強導致微分調(diào)節(jié)作用發(fā)揮不理想。故實際上對其進行修正，成為不完全微分型。13.3.13.3.常見調(diào)節(jié)器基本電路分析常見調(diào)節(jié)器基本電路分析一、一、DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器基本電路分析型調(diào)節(jié)器基本電路分析放大器輸出信號中所含有的大小與IO成正比的交流電流分量，經(jīng)隔離電路和整流濾波后轉(zhuǎn)換成反饋電流If，經(jīng)PID調(diào)節(jié)隔離運算后，將其輸出電壓Vf反饋回放大器的輸入端，并與偏差信號進行疊加，最終使整機輸出效果等同于對偏差信號進行連續(xù)的PID調(diào)節(jié)運算二、二、DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器基本電路分析型調(diào)節(jié)器基本電路分析將偏差放大且進行電平移動，使運算放大器工作在允許的共模

14、輸入電壓范圍之內(nèi)將PID電路輸出的15V直流電壓信號轉(zhuǎn)換成420mA的輸出直流電流工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：1.自動對偏差進行PID運算后輸出標準信號；2.軟手動通過操作扳鍵使其處于不同的位置而使調(diào)節(jié)器處于保持、輸出電流快速變化和輸出電流慢速變化狀態(tài)；3.硬手動移動硬手動操作桿，能使調(diào)節(jié)器的輸出迅速改變到需要的數(shù)值。三、數(shù)字式調(diào)節(jié)器基本電路分析三、數(shù)字式調(diào)節(jié)器基本電路分析由微機運算單元、輸入電路單元、輸出電路單元和人機接口單元四部分組成。1.硬件組成：微機單元（核心組件）：完成調(diào)節(jié)器的各種運算、功能協(xié)調(diào)和控制規(guī)律的計算。由微處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM、EPROM）、隨機存儲器（RAM）和輸

15、入輸出（I/O）接口組成。輸入電路單元：實現(xiàn)內(nèi)部信號制與輸入信號制之間的轉(zhuǎn)換、外部輸入信號與內(nèi)部電路的隔離功能。模擬量輸入通路將來自于變送器的15V信號經(jīng)多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器送入CPU進行處理。開關(guān)量輸入通道將多個開關(guān)量輸入信號轉(zhuǎn)換成能被計算機識別的數(shù)字信號，采用光電隔離，抗共模干擾。輸出電路單元：實現(xiàn)內(nèi)部信號制與輸出信號制之間的轉(zhuǎn)換，輸出信號與內(nèi)部信號的隔離等功能。模擬量輸出接口將多個運算后的數(shù)字信號進行D/A轉(zhuǎn)換，并經(jīng)多路模擬開關(guān)送入輸出電路暫存，分別輸出模擬電壓（15V）或電流（420mA）信號。開關(guān)量輸出接口輸出開關(guān)量以控制繼電器觸點的接通與釋放，也可控制步進電機的運轉(zhuǎn)。人機接口

16、單元：提供操作員的各種參數(shù)設置和顯示。由數(shù)碼顯示器、功能鍵盤（設置和指示各種變量）、顯示表盤（測量值、給定值和輸出電流的顯示）組成。2.軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)：管理程序（主程序）：也稱儀表的監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)，典型流程框圖如圖13-24。中斷是定時中斷，完成各種運算。用戶編程是使用戶可根據(jù)實際需要編制用戶程序，用戶程序在主程序執(zhí)行過程中只作為一個子程序被調(diào)用且只須執(zhí)行一次。自診斷功能設置輸入信號和偏差的上下報警線，檢查主程序運行是否正常、A/D、D/A及通信功能是否正常等。運算程序：完成各種常用的運算和控制運算。一、增強型一、增強型PIDPID控制規(guī)律分析控制規(guī)律分析 是數(shù)字式調(diào)節(jié)器的進一步發(fā)展。

17、在實際PID規(guī)律的基礎上，根據(jù)實際需要再做進一步的改進而得到?？梢钥朔蚓徑鈱嶋HPID控制規(guī)律所能得到的最佳過渡過程中存在的某些缺陷，使控制品質(zhì)或質(zhì)量得到提高。 可對PID參數(shù)追加專家自診斷功能，使參數(shù)在被控對象大時間范圍內(nèi)變動時始終采用最佳值。13.5.13.5.先進調(diào)節(jié)器淺析先進調(diào)節(jié)器淺析二、改進型二、改進型PIDPID控制算法控制算法1.微分先行PID控制 PI-D控制常規(guī)的PID控制中如設定值發(fā)生變化，設定值與測量值之間的偏差會出現(xiàn)瞬間突變，經(jīng)微分運算后輸出變化會非常劇烈，使整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊而影響其性能。引入微分先行PID控制后使微分對設定值變化不起作用，只對測量值變化產(chǎn)生超前微分控制，以克服微分作用帶來的輸出突變。設定值測量值調(diào)節(jié)器輸出的控制量 SV經(jīng)比例運算仍會使控制系統(tǒng)產(chǎn)生突變，但是突變小。2.比例微分先行PID控制 I-PD控制解決微分先行中比例環(huán)節(jié)對設定值的突變效應3.非線性PID控制分段PID控制即積分分離PID控制在比例和微分不變的