過(guò)程控制系統(tǒng)課件-第四章-調(diào)節(jié)單元.

1、 第四章第四章 調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)單元 1 1）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表示及其響應(yīng)特性；學(xué)表示及其響應(yīng)特性；2 2）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及其應(yīng)用特點(diǎn)；其應(yīng)用特點(diǎn)；3 3）了解改進(jìn)型調(diào)節(jié)器的原理；）了解改進(jìn)型調(diào)節(jié)器的原理；4 4）了解數(shù)字式調(diào)節(jié)器的原理；）了解數(shù)字式調(diào)節(jié)器的原理； 過(guò)程儀表的定義及作用過(guò)程儀表的定義及作用1 1 調(diào)節(jié)器的功能調(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)，兩者相減后的偏差信調(diào)節(jié)器的輸入電路接收測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)

2、，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)。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)慣上顯示儀表也稱調(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。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，稱為當(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，稱為內(nèi)內(nèi)給定給定；而在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)

3、節(jié)器的給定信號(hào)往往來(lái)自調(diào)節(jié)器的外部，；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)行選擇或由軟件實(shí)。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)?，F(xiàn)。（4）正、反作用的選擇）正、反作用的選擇 工程上，通常將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而增大時(shí)，稱為工程上，通常將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而增大時(shí)，稱為正作用調(diào)節(jié)器正作用調(diào)節(jié)器；而將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而減小時(shí)，稱為；而將調(diào)節(jié)器的輸出隨反饋輸入的增大而減小時(shí)，稱為反作用調(diào)節(jié)器反作用調(diào)節(jié)器。（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

4、作改變調(diào)節(jié)器的輸出，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)；當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)的工況不正待系統(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)狀態(tài)以防止系統(tǒng)失控。通過(guò)調(diào)節(jié)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。通過(guò)調(diào)節(jié)器的手動(dòng)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)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，而在自動(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)，即要求無(wú)擾切換過(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)，即要求無(wú)擾動(dòng)切換。動(dòng)切換。（6）其它功能）其它功

5、能 如抗積分飽和、輸出限幅、輸入越限報(bào)警、偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗如抗積分飽和、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)一步提高調(diào)節(jié)器的漂移、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)器的控制性能控制性能 2 2 執(zhí)行器的作用執(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

6、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。 3 3 安全柵安全柵 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。 補(bǔ)充補(bǔ)充 ：PID調(diào)節(jié)規(guī)律，

7、比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律，比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律理想理想PID的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(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)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)(tu為調(diào)節(jié)器輸出的

8、增量值，)(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 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)椋绻徽{(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即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能即調(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

9、來(lái)表來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。示比例控制作用的強(qiáng)弱。 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,及輸入量程；及輸入量程；（umax umin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。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

10、出量程相等，則: 比例度比例度:Ce1100%100%uKmaxminmaxmineu(/) 100%eeuuueeremaxeminuminumax比例度除了表比例度除了表示控制器輸入和輸示控制器輸入和輸出之間的增益外，出之間的增益外，還表明比例作用的還表明比例作用的有效區(qū)間。有效區(qū)間。比例度比例度的物理意義：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)的偏差變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量?；鄬?duì)量。如如 =50%表明：表明： 控制器輸入偏差控制器輸入偏差變化變化50% ，就可使控，就可使控制器輸出變化制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過(guò)若輸入偏差變化超過(guò)此量，則控制器輸

11、出此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例飽和，不再符合比例關(guān)系。關(guān)系。uuur0100%50%umaxumin =50% =100%例例 某比例控制器，溫度控制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600變變到到700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。700 60016 8800 40020 4/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的50區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi)（即（即200）時(shí)）時(shí)，e和和u是是2倍的關(guān)系。

12、倍的關(guān)系。u/mAe/ e420800400 =50%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eEttuq積分作用具有保持功能，積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。故積分控制可以消除余差。q積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐積分輸出信號(hào)隨

13、著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。分作用不單獨(dú)使用。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。減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。eEttu 若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差能消除余差 。 （2） 比例積分控制（比例積分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 稱為稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸

14、入下，其輸出的最為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。之比。 IK 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)可增加微分作用。度，此時(shí)可增加微分作用。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）eEttuq 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

15、快地消除于萌用，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，因此不能單獨(dú)使用。但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和必須和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）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 實(shí)際的比例微分控制實(shí)際的比例微分控制 理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。際的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC

16、11)(DK稱為PD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。 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)

17、控制速度；積分作用是用于消除靜差。是用于消除靜差。DDZ-型基型調(diào)節(jié)器型基型調(diào)節(jié)器 模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)歷了型（用電子管）、型（用電子管）、型（用晶體管）和型（用晶體管）和型（用集成電路）。型（用集成電路）。PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 1 DDZ-型儀表的特點(diǎn)及外形型儀表的特點(diǎn)及外形特點(diǎn)：特點(diǎn)：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0.1； 輸出

18、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。1-雙針垂直指示器雙針垂直指示器2-外給定指示燈外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)自動(dòng)軟手動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)硬手動(dòng) 切換開(kāi)關(guān)切換開(kāi)關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵軟手動(dòng)操作板鍵DDZ-DDZ-基型基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成。控制單元包括輸調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、入電路、PDPD與與PIPI電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元電路、輸出電路、軟

19、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。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 2 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理 全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例輸入電路的主要作用一是用來(lái)獲得與輸入信號(hào)輸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 = k ( Vs Vi ) 1 輸入電路輸入電路 因測(cè)量信因測(cè)量信號(hào)號(hào)Vi和給定信和給定信號(hào)號(hào)Vs分別通過(guò)分別通過(guò)

20、雙臂電阻差模雙臂電阻差模輸入到運(yùn)放輸入到運(yùn)放A1的同相和反相的同相和反相輸入端。輸入端?？闪谐鰞奢斎牍?jié)點(diǎn)的電流方程：可列出兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而而 VTVF 則則 V01 = 2（Vi VS） 采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)Vi、VS取用電流，使測(cè)量信號(hào)不受衰減，取用電流，使測(cè)量信號(hào)不受衰減，（2） 求偏差求偏差 Vi VS，進(jìn)行偏差運(yùn)算。進(jìn)行偏差運(yùn)算。（3）將偏差放大將偏差放大 為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)算有利，這里先

21、將偏差放大兩倍。算有利，這里先將偏差放大兩倍。 電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn)（1）輸入阻抗高輸入阻抗高（4） 進(jìn)行電平移動(dòng)進(jìn)行電平移動(dòng) Vi、VS都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，而運(yùn)放都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，而運(yùn)放IC器件器件+24VDC供電時(shí)，其供電時(shí)，其正常正常輸入、輸出輸入、輸出信號(hào)電壓范信號(hào)電壓范圍應(yīng)在圍應(yīng)在219V。為使運(yùn)算信號(hào)符合要求，必須將基。為使運(yùn)算信號(hào)符合要求，必須將基準(zhǔn)電壓從準(zhǔn)電壓從0V抬高到抬高到VB =10V ，即進(jìn)行電平移動(dòng)。，即進(jìn)行電平移動(dòng)。 因?yàn)橐驗(yàn)?Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V 121()0.33 2.33V3SCMCMBVVVVVV則則顯然，顯然

22、，IC不能正常放大。不能正常放大。如果如果 VB = 0VB = 10V時(shí)，時(shí)， V+ = V- = 3.75.7V 保證了保證了IC共摸共摸電壓在允許范圍之電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。內(nèi)，能正常放大。V+V-而且而且 VB = 0時(shí)，時(shí)，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V也不符合后面也不符合后面PID電路電路IC的范圍要求。的范圍要求。VB = 10時(shí)：時(shí)：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后面使后面PID電路的電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。工作于允許電壓范圍之內(nèi)。 2、 PD電路分析電路分析 PD電路電路以以A2為核心組成。微分作用可選擇用與為核心組成。微分

23、作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)不用。開(kāi)關(guān)S8打向打向“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)，構(gòu)成 PD電路。電路。qPD傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)ID得得DDTRsInsVsV)()()(01)(111)(1)(0101sVsCRsCnnsCRsVnnsIDDDDDD)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDT式中：式中：n=Kn=KD D DDdCnRT 微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)ID又因又因 得得 )(1)(02sVasVF)(11)(0102sVsCRsCnRnasVDDDDq 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) n0201V ( )1(1)V ( )DtTtnetn當(dāng)當(dāng)V0

24、1為階躍信號(hào)時(shí)，為階躍信號(hào)時(shí)，V02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為V02TD/nV01/n63%t 可見(jiàn)，此電可見(jiàn)，此電路的微分是實(shí)際路的微分是實(shí)際的微分。的微分。 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)

25、V02，進(jìn)行，進(jìn)行PI運(yùn)運(yùn)算后，輸出以算后，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，送至輸出電路。該電路由電路由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)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，該電路除了實(shí)現(xiàn)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)PI運(yùn)算外，手動(dòng)操作信號(hào)也從該級(jí)輸入。運(yùn)算外，手動(dòng)操作信號(hào)也從該級(jí)輸入。A3的輸出接電阻和的輸出接電阻和二極管，然后通過(guò)射極跟隨器輸出。二極管，然后通過(guò)射極跟隨器輸出。 由于由于電容電容CM積分積分需要較大電流，在需要較大電流，在A3輸輸出端加一功放三極管。出端加一功放三

26、極管。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”、“10”10”檔時(shí)的檔時(shí)的簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電路：根據(jù)基爾霍夫第一定律，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：根據(jù)基爾霍夫第一定律，輸出量與輸入量之間的拉氏變換式為：0/1)()()(/ )(/1)()(030202sCsVsVRsVmsVsCsVsVMFIFIFS3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 )()(0203sTKsTCCsCKRsCmRCCsVsVIIIMIMIIIM

27、I11111111)()(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 =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

28、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 204462.5fVImAR若取若取 R1 = 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，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

29、圖整個(gè)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)、軟手動(dòng)操作操作“M”、硬手動(dòng)操作、硬手動(dòng)操作“H”三種控制方式。三種控制方式。 AM無(wú)沖擊無(wú)沖擊1) 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

30、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)”。2) 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)，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

31、 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)

32、（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)： DDZ-III型調(diào)節(jié)器軟、硬手動(dòng)的切換過(guò)程可型調(diào)節(jié)器軟、硬手動(dòng)的切換過(guò)程可總結(jié)為總結(jié)為:1)自動(dòng)切換到軟手動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到無(wú) 擾動(dòng)切換；2) 軟手動(dòng)切換到硬手動(dòng)，需平衡后切換才能 做到無(wú)擾動(dòng)切換；3) 硬手動(dòng)切換到軟手動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到 無(wú)擾動(dòng)切換；4) 軟手動(dòng)切換到自動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到無(wú) 擾動(dòng)切換。 7 指示電路指示電路以輸入信號(hào)指示電路為例進(jìn)行討論。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

33、間的距離反映，當(dāng)兩針重合時(shí)，偏定值。偏差大小由兩個(gè)指針間的距離反映，當(dāng)兩針重合時(shí)，偏差為零。差為零。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第二節(jié) 改進(jìn)型調(diào)節(jié)器一、抗積分飽和調(diào)節(jié)器 積分飽和及其帶來(lái)的危害圖4.20 積分飽和問(wèn)題 具有積分作用的控制器具有積分作用的控制器在單方向偏差信號(hào)的作用在單方向偏差信號(hào)的作用下，其輸出達(dá)到輸出范圍下，其輸出達(dá)到輸出范圍繼續(xù)進(jìn)行，從而使控制器繼續(xù)進(jìn)行，從而使控制器脫離正常工作狀態(tài)這種現(xiàn)脫離正常工作狀態(tài)這種現(xiàn)象稱為象稱為積分飽和積分飽和 積分飽和的影響：積分飽和的影響

34、：控制不及時(shí)控制不及時(shí) n防止積分飽和現(xiàn)象有三種辦法：防止積分飽和現(xiàn)象有三種辦法：（1 1）對(duì)控制器的輸出加以限幅，使其不超過(guò)額定的最）對(duì)控制器的輸出加以限幅，使其不超過(guò)額定的最大值或最小值；大值或最小值；（2 2）限制控制器積分部分的輸出，使之不超出限值。）限制控制器積分部分的輸出，使之不超出限值。對(duì)于氣動(dòng)儀表，可采用外部信號(hào)作為其積分反饋信號(hào)，對(duì)于氣動(dòng)儀表，可采用外部信號(hào)作為其積分反饋信號(hào)，使之不能形成偏差積分作用；對(duì)于電動(dòng)儀表，可改進(jìn)使之不能形成偏差積分作用；對(duì)于電動(dòng)儀表，可改進(jìn)儀表內(nèi)部線路；儀表內(nèi)部線路；（3 3）積分切除法，即在控制器的輸出超過(guò)某一限值時(shí)，）積分切除法，即在控制器的輸

35、出超過(guò)某一限值時(shí)，將控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律由比例積分自動(dòng)切換成純比例調(diào)將控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律由比例積分自動(dòng)切換成純比例調(diào)節(jié)狀態(tài)。節(jié)狀態(tài)。圖4.18 偏差反饋型積分限幅電路二、微分先行二、微分先行PID算法（算法（PI-D）有些工藝生產(chǎn)中，經(jīng)常改變給定值。而用基本有些工藝生產(chǎn)中，經(jīng)常改變給定值。而用基本PID控制的話，當(dāng)給定值突變時(shí)，微分作用會(huì)使調(diào)控制的話，當(dāng)給定值突變時(shí)，微分作用會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生劇烈的跳動(dòng)，稱微分沖擊，影響工況節(jié)器輸出產(chǎn)生劇烈的跳動(dòng)，稱微分沖擊，影響工況的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。PI-D算式：算式：DPI11Y( )(+1)E( )T sV (s)PTsss 為了改善這種操作特性，可對(duì)給定值不進(jìn)

36、行微為了改善這種操作特性，可對(duì)給定值不進(jìn)行微分運(yùn)算，稱為微分先行的分運(yùn)算，稱為微分先行的PID算法。算法。這種算法與基本這種算法與基本PID算法的差別如下：算法的差別如下： 可將圖（可將圖（b）等效等效變換為圖變換為圖（c）。）。 比較圖（比較圖（a）與）與圖圖（c），可見(jiàn)），可見(jiàn)PI-D算法，算法，相當(dāng)于在相當(dāng)于在PID的給定值的給定值通道中，增加了一個(gè)一通道中，增加了一個(gè)一階慣性濾波器，從而給階慣性濾波器，從而給定值快速變化時(shí)，對(duì)輸定值快速變化時(shí)，對(duì)輸出的沖擊大為緩和。出的沖擊大為緩和。 三、三、 比例微分先行的比例微分先行的PID算法（算法（I-PD）比例運(yùn)算也能傳遞階躍擾動(dòng)。由微分先行

37、得到啟比例運(yùn)算也能傳遞階躍擾動(dòng)。由微分先行得到啟示，若對(duì)比例運(yùn)算作同樣修改，比例沖擊也能消除。示，若對(duì)比例運(yùn)算作同樣修改，比例沖擊也能消除。DI11Y( )( )(1)( )PsE sT s VsP T s比例微分先行比例微分先行微分先行微分先行可將圖（可將圖（b）等效等效變換為圖變換為圖（c）。）。比較圖（比較圖（a）與）與圖圖（c），可見(jiàn)），可見(jiàn)I-PD算法，算法，相當(dāng)于在相當(dāng)于在PID的給定值的給定值通道中，增加了一個(gè)通道中，增加了一個(gè)二階慣性濾波器，從二階慣性濾波器，從而給定值快速變化時(shí)，而給定值快速變化時(shí)，對(duì)輸出的沖擊更為緩對(duì)輸出的沖擊更為緩和。和。 圖（圖（b）圖（圖（c）圖（圖（

38、a）第三節(jié) 數(shù)字式調(diào)節(jié)器 離散化處理 對(duì)于積分項(xiàng)用右式近似 對(duì)于微分項(xiàng)用右式近似 結(jié)果： niiniiXTstXdtX00TsXXtXXdtdxnnnn11ninnDiInPnXXTsTXTTsXKy01)(dtdXTXdtTXKYDIP11) 基本數(shù)字式PID運(yùn)算式 a.位置型算式 輸出與實(shí)際控制閥的閥位相對(duì)應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：1.計(jì)算繁瑣、占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存很大 2.輸出的是實(shí)際使用閥位值 ninnDiInPnXXTsTXTTsXKY01)(b.增量型算式 輸出為兩個(gè)采樣周期PID輸出值之差 優(yōu)點(diǎn)：1.計(jì)算機(jī)運(yùn)算所需的內(nèi)存較小、計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單;2.每次只是輸出增量;3.易于系統(tǒng)

39、手動(dòng)和自動(dòng)間的無(wú)擾動(dòng)切換102111)(ninnDiISnPnXXTsTXTTXKY)2()(2111nnnDnInnPnnnXXXTsTXTTsXXKYYYninnDiInPnXXTsTXTTsXKY01)(c.速度型算式輸出是增量型算式的輸出值與采樣間隔時(shí)間T之比 本質(zhì)上與增量型算式是相同的 )2()(211nnnDnInnPnnXXXTsTXTTsXXTsKTsYd.偏差系數(shù)型算式 是將增量型算式展開(kāi)后合并同類項(xiàng)而得到的 21)21 ()1 (nDnDnDIPnXTsTXTsTXTsTTTsKYTsTKCTsTKBTsTTTsKADPDPDIP),21 (),1 (21nnnnCXBXA

40、XY則有： 設(shè) 2 2、數(shù)字式PID算法的改進(jìn) a.不完全微分算式微分作用采用實(shí)際微分作用 SKTSTSTKSXSYSGDDDIP1)11 ()()()(SKTSTSTKDDDIP11)11 (STSTSTKFDIP11)11 (DDFKTT設(shè)位置型理想位置型理想PIDPID算式算式 : :一階慣性環(huán)節(jié)的離散化后的形式一階慣性環(huán)節(jié)的離散化后的形式: FSFTTTaninnDiInPnXXTsTXTTsXKY01)(nnnYYY1 (1b.微分先行PID算式 微分運(yùn)算環(huán)節(jié)微分運(yùn)算環(huán)節(jié)： dtdxTxdtdyKTymdmdddd)1()()()1()()(nxnxTTnxnynyTKTnymmSd

41、mddSddd) 1()()() 1()(nxTTKKTnxTTKKTTnyTTKTnymdSdddmdSddSdddSddd微先分行PID算式 偏差計(jì)算偏差計(jì)算： )()()(nxnyneSd)1(edtTeKyIP )()()(0niISpieTTneKny)() 1()()() 1()(nxnxTTKKTnxTTKKTTnyTTKTneSmdSdddmdSddSdddSdd比例積分運(yùn)算環(huán)節(jié)比例積分運(yùn)算環(huán)節(jié)：c.帶不靈敏區(qū)的PID算式 在一定偏差范圍內(nèi)輸出為0 BnXBnXnYnY)(0)()()(當(dāng)當(dāng)BnXBnXnYnY)(0)()()(當(dāng)當(dāng)或(B稱為不靈敏區(qū)寬度)d.積分分離PID算式

42、 在一定偏差范圍內(nèi)切除積分作用AnXAnXN)(1)(0例例: :方法方法：PID控制算式的積分項(xiàng)前面乘上一個(gè)變量NkiSDISPnXnXTTiXTTNnXKnY0) 1()()()()( 數(shù)字式控制器的硬件電路由主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人/機(jī)接口電路以及通信接口電路等構(gòu)成。 （1 1）主機(jī)電路）主機(jī)電路 主要由微處理器主要由微處理器CPUCPU、只讀存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器ROMROM和和EPROMEPROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAMRAM、定時(shí)、定時(shí)/ /計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器CTCCTC以及輸入以及輸入/ /輸出輸出接口等組成，它是數(shù)字控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運(yùn)算處理接口等組成，它是數(shù)字

43、控制器的核心，用于數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和各組成部分的管理。和各組成部分的管理。（2 2）過(guò)程輸入通道）過(guò)程輸入通道 包括模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸入包括模擬量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸入通道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開(kāi)關(guān)、通道兩部分，其中模擬量輸入通道主要由多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣采樣/ /保持器和保持器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開(kāi)關(guān)量輸入通道則將多個(gè)開(kāi)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；而開(kāi)關(guān)量輸入通道則將多個(gè)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)通過(guò)輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的關(guān)輸入信號(hào)通過(guò)輸入緩沖器將其轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)。 （3 3）過(guò)程輸出通道）過(guò)程輸出通道 主要包括模擬量輸出通道和開(kāi)關(guān)量主要包括模擬量輸出通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道兩部分，其中模擬量輸出通道由輸出通道兩部分，其中模擬量輸出通道由D/AD/A轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器、多路