第04章過(guò)程控制儀表

1、上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄 型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器第第4章章 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào) 與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號(hào) 進(jìn)行比較，得到其偏差 ，即 然后調(diào)節(jié)器對(duì)該偏差信號(hào)按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制作用。 iVSVSiVV 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄 型調(diào)節(jié)器圖4-1 全刻度指示調(diào)節(jié)器組成框圖 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄圖4-2 全刻度指示調(diào)節(jié)器原理圖 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目

2、目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成 控制單元包括輸入電路、PD和PI運(yùn)算電路、V/I轉(zhuǎn)換電 路、軟手操和硬手操電路； 指示單元包括測(cè)量信號(hào)指示和給定信號(hào)指示電路。 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄一、一、 輸入電路輸入電路 設(shè)A1為理想運(yùn)算放大器，其開環(huán)增益和輸入阻抗為無(wú)窮大，T點(diǎn)和F點(diǎn)同電位，即 。由節(jié)點(diǎn)電流法可求得: 即：有：FVTV= 321III321IIIRVVVRVRVVBFFFi)21(0o1RVVRVVRVBTTsT02)(21oVsVVi結(jié)論：結(jié)論：1. 輸出信號(hào) 是偏差信號(hào) 的兩 倍；2. ，

3、均以零伏為基準(zhǔn)的DC 15V， 而 是以 =10V為基準(zhǔn)的信號(hào)，從 而實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)移。 1oViVsV1oVBV圖4-3 輸入電路上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄二、二、 比例微分（比例微分（PD）電路）電路 比例微分電路由無(wú)源比例微分電路和比例運(yùn)算放大器A2組成，見圖4-4和圖4-5。 圖-4 比例微分電路 圖4-5比例微分電路的組成a) 無(wú)源微分電路 b)比例放大電路 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄有： 設(shè)A2為理想運(yùn)算放大器，其開環(huán)增益和輸入阻抗均為無(wú)窮大，而輸出阻抗為零，則可不考慮放大器的影響，前后兩部分可單獨(dú)分析其運(yùn)算關(guān)系。然后兩部分的傳遞函

4、數(shù)相乘，即可得出比例微分電路的傳遞函數(shù) TVVo2sCRRsVnnnsVsVDDDT1)(1)()(1o1o)(1111osVsCRsCnRnDDDD=)(1)(2osVsVF因?yàn)?()(sVsVTF所以)()(o2sVsVTnKD設(shè) ， ，把上式化成一般形式 DDDDDDCRKCnRT)(11)(o1o2sVsKTsTKsVDDDDsKTsTKsVsVsWDDDDPD11)()()(1o2o所以PD電路的傳遞函數(shù)為 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄當(dāng) 為階躍作用時(shí)，利用拉氏變換，可求得 隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ： 1OVo2V)() 1(1 )(1o2otVeKKtVtT

5、KDDDD依據(jù)下式，可用實(shí)驗(yàn)法求取微分時(shí)間TD %2 .63)()0()()0(2o2o2o2oVVKTVVDD 當(dāng)開關(guān)S置于圖4-4所示位置時(shí)，該電路為比例微分電路；當(dāng)S處于“斷”位置時(shí)，微分作用被切除，電路僅具有比例作用。此時(shí)微分電容CD通過(guò)電阻R并聯(lián)在9.1K電阻兩端，CD上的電壓始終跟隨9.1K電阻上的壓降。當(dāng)S需要從“斷”位置切換至“通”位置時(shí)，在切換的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，從而保持不變，對(duì)控制系統(tǒng)不產(chǎn)生擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。 圖4-6 PD電路輸出的 階躍響應(yīng)曲線 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄三、三、 比例積分（比例積分（PI）電路）電路 該電路由

6、 A3、RI、CI和CM等組成，如圖4-7所示。由于射極跟隨器的輸出與A3輸出信號(hào)同相位，且幅值幾乎相等，為便于分析，可把射極跟隨器包括在A3中，于是可簡(jiǎn)化成圖4-8。 圖4-7 PI電路 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄CI和CM組成比例運(yùn)算電路，即 圖4-8 PI電路的簡(jiǎn)化a) S3在TI1檔 b) S3在TI10檔 2oo23o11VCCVsCsCVMIIMP上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄RI和CM組成積分運(yùn)算電路，即 dtVCRdtRVCVMIIMI2o2o3o11不難看出，PI電路的輸出是上述兩種運(yùn)算的疊加，即dtVCRVCCVMIMI2o2

7、o3o1當(dāng) 為常數(shù)時(shí)有： 2oV2o3o)1 (VCRtCCVIIMI設(shè)積分時(shí)間 ，積分增益 IIICmRT IMImCCKK3設(shè)A3的開環(huán)增益為 K3，且其不能為無(wú)窮大，經(jīng)整理并簡(jiǎn)化后有sTKsTCCWIIIMIsPI1111)(PI電路的傳遞函數(shù)表達(dá)式 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄當(dāng)輸入為階躍作用時(shí)，利用拉氏反變換可得的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式 )() 1()(2o3otVeKKCCtVIITKtIIMI可作出實(shí)際PI電路在 為階躍作用時(shí)輸出 的響應(yīng)特性，見圖4-9。 2oV3oV圖4-9 PI電路輸出階躍響應(yīng)曲線 同樣可用實(shí)驗(yàn)法來(lái)測(cè)定積分時(shí)間TI。 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄

8、錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄四、四、 整機(jī)的整機(jī)的PID傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 調(diào)節(jié)器的輸入電路、PD運(yùn)算電路和PI運(yùn)算電路，這三個(gè)環(huán)節(jié)決定了整機(jī)的傳遞函數(shù)，如圖4-10。 圖4-10 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖 于是調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為sTKsTsKTsTCCnsVsVsVsWIIIDDDMIsi1111112)()()()(3osKTsTKTKKTsTsTTTCCnDDIIIIDDDIIDMI11112上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干擾系數(shù)：1DITFT MIPnCCK2比例增益：1PK比例度：DDDDDCRCnRT10

9、微分時(shí)間：10 nKD微分增益：積分時(shí)間：IIICmRT 積分增益：IMICCmKK3 由于相互干擾系數(shù)F的存在，上述參數(shù)的實(shí)際整定值與刻度值（ F 1時(shí)）之間的關(guān)系為： *FFTTDD*IIFTT*上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄拉氏反變換后，可求得輸出與輸入的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為： )(3otV3( )()(1)()()DIIDKttK TTOPIDisVtKFKFeKF eVV圖4-11為輸入信號(hào)為階躍作用時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出響應(yīng)特性： 圖4-11 PID調(diào)節(jié)器的輸出階躍響應(yīng)曲線 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄五、五、輸出電路輸出電路 圖4-12 輸出電

10、路 KRR1043設(shè)：3214RRR可列出下列方程： 2454524232BBBTVVRRRVV43o13o44RVVVRVVVRVVBFBFFf)(51543oBfFVVVV即有： 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄4ATFVV3o4124VVfffRIVo24 fRVI43oofI1VTBIoo II fRVI43oo設(shè)設(shè) 為理想運(yùn)算放大器，則 由圖4-12可求得： 綜合上兩式可求得： 忽略反饋支路電流和晶體管的基極電流，則有 即 ： 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄六、手動(dòng)操作電路和無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換六、手動(dòng)操作電路和無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換 調(diào)節(jié)器的手動(dòng)操作

11、電路是附加在PI運(yùn)算電路中而組成的，有軟手操和硬手操兩種，見圖4-13。 圖4-13 手動(dòng)操作電路 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄 無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換是指切換時(shí)無(wú)需預(yù)先調(diào)平衡，可隨時(shí)切換至所需位置，而切換時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出電流不變，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生擾動(dòng)。無(wú)平衡擾動(dòng)切換：1) 自動(dòng)軟手操的切換是雙向無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。2）同理，硬手操軟手操或者硬手操自動(dòng)的切換也是 無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。3）自動(dòng)硬手操或軟手操硬手操切換時(shí)，欲做到無(wú)擾 動(dòng)切換，必須預(yù)先調(diào)平衡。上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄七、指示電路七、指示電路圖4-17 全刻度指示電路 5AFTVV iVV o設(shè)

12、為理想運(yùn)放，電阻R均為500K該電路是一個(gè)電壓跟隨器 即有：由于反饋支路的電流很小，可忽略不計(jì)，故流過(guò)電流表的電流 0ooRVIIi上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄 隨著生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化和嚴(yán)格要求，出現(xiàn)各種復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而采用基型調(diào)節(jié)器往往達(dá)不到生產(chǎn)過(guò)程所要求的控制指標(biāo)。因此要求調(diào)節(jié)器的功能在基型調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大。實(shí)現(xiàn)方法是在基型調(diào)節(jié)器內(nèi)部增加各種附加單元，以改善其性能。 抗積分飽和調(diào)節(jié)器抗積分飽和調(diào)節(jié)器 微分先行微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 比例微分先行比例微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 非線性非線性PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄

13、一、抗積分飽和調(diào)節(jié)器一、抗積分飽和調(diào)節(jié)器圖4-18 積分反饋型抗積分飽和調(diào)節(jié)器的組成 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄調(diào)節(jié)過(guò)程：圖4-19 抗積分飽和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄二、微分先行二、微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)()(1)()11 (100)(sVsKTsTsEsTPsMVsDDDI)()11 ()()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： 圖4-20微分先行PID調(diào)節(jié)器原理框圖 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄三、比例微分先行三、比例微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖4-

14、21比例微分先行PID調(diào)節(jié)器的組成框圖 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： )()(11)(1100)(sVsKTsTsEsTPsMViDDDI)(1)()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄四、非線線四、非線線PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器非線性PID調(diào)節(jié)器分為： 分段PID調(diào)節(jié)器 不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器 不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，如圖4-22： 在控制點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)比例增益大幅降低，而在這個(gè)區(qū)域以外，則比例增益恢復(fù)原值 圖4-22 非線性調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄調(diào)節(jié)原理：圖4-23 非線性調(diào)節(jié)器的組成

15、原理 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄數(shù)字式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)： 開發(fā)周期短，性能價(jià)格比高； 具有自檢自診斷的異常報(bào)警功能和通信功能； 控制精度高，性能穩(wěn)定，工作可靠； 使用和維護(hù)方便。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器目前已在各行各業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn) DDZ調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子電路進(jìn)行連續(xù)的PID運(yùn)算。 數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行有關(guān)控制規(guī)律的運(yùn)算，所有控制規(guī)律的運(yùn)算都是周期性的進(jìn)行，即數(shù)字式調(diào)節(jié)器是離散系統(tǒng)。因此，用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律必須進(jìn)行

16、離散化后方可應(yīng)用于數(shù)字式調(diào)節(jié)器?？刂扑惴ǎ和耆⒎諴ID算法(理想PID算法 ) 不完全微分PID算法(實(shí)際PID算法 ) 位置型、增量型、速度型和偏差型 實(shí)現(xiàn)形式： 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄1.完全微分PID算法位置型：ninnDiInPnTTTTKy01)()2()(211nnnDnInnPnnTTTTTKTy增量型：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy速度型：)21 ()1 (21nDnDnDIPnTTTTTTTTKy偏差型：上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄2. 不完全微分PID算法 在完成微分PID的輸出端串聯(lián)一階慣

17、性環(huán)節(jié)，如圖4-24。 完全微分PID算法的缺點(diǎn)： 微分作用過(guò)于靈敏，微分作用持續(xù)時(shí)間短，容易引起控制系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)； 閥門開度時(shí)間與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)時(shí)間不相對(duì)應(yīng) 。不完全微分PID調(diào)節(jié)器：圖4-24 不完全微分PID調(diào)節(jié)器組成原理框圖 11)( )()(sTsYsYsWff上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄不完全微分PID位置型算法： 1)1 (nnnyyayninnDiIPnTTTTKy01)(不完全微分PID增量型算法： 1)1 (nnnyyay)2()(211nnnDnInnPnTTTTKy不完全微分PID算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有微分作用，可獲得較好的控制效果，在數(shù)字式調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用。 上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄3. 抗積分飽和算法數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單的抗積分飽和方法是積分分離法積分分離法 ，其基本原理是，在偏差 較小時(shí)加入積分作用；而 較大時(shí)取消積分作用。這樣便減輕積分累計(jì)的飽和程度，以達(dá)到抗積分飽和的目的。 對(duì)于理想PID算法的增量形式：)2()(211nnnDnILnnPKKKKMV首先判斷偏差 的絕對(duì)值 是否趨于預(yù)先設(shè)定的偏差限定值A(chǔ)，然后確定是否投入積分作用，即： AAKL當(dāng)當(dāng)10上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)目目 錄錄4. 數(shù)字