武漢理工大學過程控制第3章上

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。其作用是把被控控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。其作用是把被控變量的測量值和給定值進行比較，得出偏差后，按變量的測量值和給定值進行比較，得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，輸出控制信號，以推動一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，輸出控制信號，以推動執(zhí)行器動作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。執(zhí)行器動作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)?？刂苾x表控制儀表按工作能源分類有：按工作能源分類有：1、 電動電動儀表儀表以以220VAC或或24VDC作為工作能源，其輸入輸出作為工作能源，其輸入輸出信號均采用信號均采用010mA或或420mA的標準信號。的標準信號。

2、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2、氣動儀表、氣動儀表以以140kPa的氣壓信號作為工作能源，其輸入的氣壓信號作為工作能源，其輸入輸出信號均采用輸出信號均采用20100kPa的標準氣壓信號。的標準氣壓信號。3、自力式儀表、自力式儀表hQ1Q2 不需要專門不需要專門提供工作能源。提供工作能源。 例：自力式例：自力式液位調(diào)節(jié)器液位調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：1、基地式儀表基地式儀表 q 將檢測、控制、顯示功能設(shè)計在一個整體內(nèi)，將檢測、控制、顯示功能設(shè)計在一個整體內(nèi)，安裝在現(xiàn)場設(shè)備上。安裝

3、在現(xiàn)場設(shè)備上。q安裝簡單、使安裝簡單、使用方便。但一般通用方便。但一般通用性差，只適用于用性差，只適用于小規(guī)模、簡單控制小規(guī)模、簡單控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2、單元式組合儀表單元式組合儀表q單元組合式儀表是將儀表按其功能的不同單元組合式儀表是將儀表按其功能的不同分成若干單元（例變送單元、給定單元、控制單分成若干單元（例變送單元、給定單元、控制單元、顯示單元等），每個單元只完成其中的一種元、顯示單元等），每個單元只完成其中的一種功能。功能。q其中的控制單元是接受測量與給定信號，其中的控制單元是接受測量與給定信號，然后根據(jù)它們的偏差進行控制運算，運算的結(jié)果然

4、后根據(jù)它們的偏差進行控制運算，運算的結(jié)果作為控制信號輸出。作為控制信號輸出。q各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系。各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-電動儀表電動儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-氣動儀表氣動儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZDDZ電動電動調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ

5、組裝儀表組裝儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）以微處理器為中心的控制儀表（裝置）內(nèi)設(shè)微處理器，控制功能豐富，很容易構(gòu)成各內(nèi)設(shè)微處理器，控制功能豐富，很容易構(gòu)成各種復雜控制系統(tǒng)。種復雜控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：q工業(yè)控制計算機（工業(yè)控制計算機（DDS） q集散控制裝置（集散控制裝置（DCS） q單回路數(shù)字控制器（單回路數(shù)字控制器（SLPC）q可編程數(shù)字控制器（可編程數(shù)字控制器（PLC） q現(xiàn)場總線控制裝置（現(xiàn)場總線控制裝置（FCS） 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀

6、表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章YS100單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章YS80單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.1基本控制規(guī)律及特點基本控制規(guī)律及特點所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。差信號之間的關(guān)系?？刂破鞯妮斎胄盘柺亲兯推魉蛠淼臏y量信號和控制器的輸入信號是變送器送來的測量信號和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定

7、信號。設(shè)定信號內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定信號。設(shè)定信號和測量信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號和測量信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號 e ，它，它是設(shè)定值信號是設(shè)定值信號 r 與測量信號與測量信號 x 之差。之差。 y = f (e) e = r x 或或 e = x - r過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章控制規(guī)律有控制規(guī)律有斷續(xù)控制斷續(xù)控制和和連續(xù)控制連續(xù)控制兩類：兩類：一、一、斷續(xù)控制斷續(xù)控制控制器輸出接點信號，如雙控制器輸出接點信號，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，如比控制器輸出連續(xù)信號，如比例控制、比例積分控制、比例

8、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。3.1.1 雙位控制雙位控制雙位控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)雙位控制器只有兩個輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱只有開和關(guān)兩個極限位置，因此又稱開關(guān)控制開關(guān)控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章理想的雙位控制器輸出理想的雙位控制器輸出 y 與輸入偏差與輸入偏差 e 之間的之間的關(guān)系為關(guān)系為：e 0 0 （或（或e 0 0）時時= =ymaxyminye 0 0 0）時時理想的雙位控制特性理想的雙位控制特性ymaxyminey有中間區(qū)的雙位控制特性有中間區(qū)的雙位控制特性y

9、maxyminey過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 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，溫控器輸出高電平，繼電溫度低于給定值時，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，溫器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電?？仄鬏敵龅碗娖?，繼電器斷開，加熱器斷電。220V進水進水出水出水過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章二位式控制器電路原理框圖：二位式控制器電路原理框圖：測量信號測量信號給定信號給定信號U0是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差符是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，根據(jù)被調(diào)量偏差符號

10、的正、負，輸出只有兩個位置，高電平或低電號的正、負，輸出只有兩個位置，高電平或低電平，可以當一個電子開關(guān)用。平，可以當一個電子開關(guān)用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章三位控制：三位控制： 控制器有三個輸出位值，可以控制兩個繼電器?？刂破饔腥齻€輸出位值，可以控制兩個繼電器。ymaxymineye2e1測量信號測量信號給定給定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：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 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，溫控器使繼電器時，溫控器使繼電器1、2都吸合，都吸合，加熱器加熱器1、2

11、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，溫時，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，只有加熱器斷開，只有加熱器1通通電；溫度高于電；溫度高于T2時，繼電器時，繼電器1、2都斷開。都斷開。J1J2T2T1122220V進水進水出水出水過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 溫度三位控制效果：溫度三位控制效果：溫度偏差大時，升溫速度溫度偏差大時，升溫速度快；溫度偏差小時，小幅調(diào)整。快；溫度偏差小時，小幅調(diào)整。tyTT2T1t要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。過程控制系統(tǒng)

12、與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章PY( )W( )E( )ssKs=傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 3.1.2 比例控制（比例控制（P）控制器輸出控制器輸出y（t）和偏差信號和偏差信號e（t）成比例關(guān)系成比例關(guān)系py(t)K e(t)=Kp比例增益比例增益 Pye被控變量被控變量測量值測量值x被控變量被控變量給定值給定值xr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使球帶動活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加

13、大才能阻止水位下降。epab=eabp= PyK e=例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章比例控制過程比例控制過程Q2htepQ1tttt 原來系統(tǒng)處于平衡，原來系統(tǒng)處于平衡，進水量與出水量相等，此進水量與出水量相等，此時進水閥有一開度。時進水閥有一開度。 t=0時，出水量階躍增時，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。下移帶動進水閥開大。 當進水量增加到與出當進水量增加到與出水量相等時，系統(tǒng)重新平水量相等時，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。衡，液位也不再變化。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系

14、統(tǒng)與儀表 第第3章章v 比例控制的特點比例控制的特點q控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時、適當。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。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。q控制結(jié)果控制結(jié)果存在靜差。即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在存在靜差。即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章在實際的比例控制器中，習慣上使用比例度在實際的比例控制器中，習慣上使用比例度P來表來表示比例控制作用的強弱。示比例控制作用的強弱。所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對變化值所謂比例度就是指

15、控制器輸入偏差的相對變化值與相應(yīng)的輸出相對變化值之比，用百分數(shù)表示。與相應(yīng)的輸出相對變化值之比，用百分數(shù)表示。maxminmaxmineyP(/) 100%xxyy= 式中式中e為輸入偏差；為輸入偏差；y為控制器輸出的變化量；為控制器輸出的變化量；（xmax - xmin）為測量輸入的最大變化量，即控制器）為測量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；（的輸入量程；（ymax ymin）為輸出的最大變化量，）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。即控制器的輸出量程。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章如果控制器輸入、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:

16、Ce1P100%100%yK=maxminmaxmineyP(/) 100%xxyy=yxxrxmaxxminyminymax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。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章比例度比例度P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，所對應(yīng)的偏差變時，所對應(yīng)的偏差變化相對量。如化相對量。如P=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若輸入偏

17、差變化超過此量，則控制器輸出此量，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。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章例例 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，輸出信號范圍是輸出信號范圍是420mA。當指示指針從當指示指針從600變變到到700時，控制器相應(yīng)的輸出從時，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maxmaxyeeyP/100%=50%=y/mAx/ e420800400

18、P=50%比例度為放大倍數(shù)的倒數(shù)。比例度為放大倍數(shù)的倒數(shù)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 比例度比例度P P 對系統(tǒng)過渡過程的影響對系統(tǒng)過渡過程的影響 在擾動即設(shè)定值變化時在擾動即設(shè)定值變化時有余差存在。有余差存在。 比例度愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，余差也愈比例度愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，余差也愈大。比例度愈小，過渡過程曲線振蕩愈厲害。當大。比例度愈小，過渡過程曲線振蕩愈厲害。當比例度比例度P P 減小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振減小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩，此時的比例度稱為蕩，此時的比例度稱為臨界比例度。臨界比例度。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章

19、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章y(t) 減小 y(0) y(t) 減小 y(0) t （a） 擾動作用 （b） 設(shè)定作用 新的設(shè)定值 t 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 選擇比例度選擇比例度的原則：的原則： 一般地，若對象的一般地，若對象的滯后較小、時間常數(shù)較大滯后較小、時間常數(shù)較大以及以及放大倍數(shù)較小放大倍數(shù)較小時，控制器的比例度時，控制器的比例度要小，要小，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程的曲線較好。反之，比例度程的曲線較好。反之，比例度就要大就要大，以保證，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定。 過程控制系統(tǒng)與

20、儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 比例控制特點：比例控制特點：是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍是最基本、最主要、應(yīng)用最普遍，它能迅速克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快穩(wěn)定。，它能迅速克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快穩(wěn)定。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章純比例控制的作用和比例調(diào)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響純比例控制的作用和比例調(diào)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.1.3 比例積分控制（比例積分控制（PI） 當要求控制結(jié)果無余差時，就需要在比例控制當要求控制結(jié)果無余差時，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，

21、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y與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比01ytIedtT=當當e是幅值為是幅值為E的階躍時的階躍時01EyetIIdttTT=TI 積分時間積分時間eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q積分作用具有保持功能積分作用具有保持功能，故，故積分控制可以消除余差積分控制可以消除余差。q積分輸出信號隨著時間積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。故積分作用不單獨使用。v 積分控制的特點積分控制的特點當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或當有偏差存在時，積

22、分輸出將隨時間增長（或減小）；當偏差消失時，輸出能保持在某一值上。減?。?；當偏差消失時，輸出能保持在某一值上。eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又若將比例與積分組合起來，既能控制及時，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）011y()PtIeedtT=Y( )11( )(1)( )PIsW sE sT s=eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 積分時間積分時間T TI I對系統(tǒng)過渡過程的影響對系統(tǒng)過渡過程的影響 在一個純比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)中引入積分作在一個純比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)中

23、引入積分作用時，若保持控制器的比例度用時，若保持控制器的比例度不變，則可從下不變，則可從下圖所示的曲線族中看到，隨著圖所示的曲線族中看到，隨著T TI I減小，則積分作減小，則積分作用增強，消除余差較快，但控制系統(tǒng)的振蕩加劇用增強，消除余差較快，但控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；T TI I過小，可能導致系統(tǒng)不過小，可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。穩(wěn)定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 結(jié)論：結(jié)論： 在比例控制系統(tǒng)中引入在比例控制系統(tǒng)中引入積分作用的優(yōu)點是能積分作用的優(yōu)點是能夠消除余差，然而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；夠消除余差，然而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；若要保若要保持系統(tǒng)

24、原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比持系統(tǒng)原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比圖圖8-8 8-8 擾動與設(shè)定作用擾動與設(shè)定作用過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 例度，這會使系統(tǒng)的其它控制指標下降。因此，如例度，這會使系統(tǒng)的其它控制指標下降。因此，如果余差不是主要的控制指標，就沒有必要引入積分果余差不是主要的控制指標，就沒有必要引入積分作用。作用。 由于比例積分控制器具有比例和積分控制的優(yōu)由于比例積分控制器具有比例和積分控制的優(yōu)點，有比例度點，有比例度和和T TI I兩個參數(shù)可供選擇，因此適用兩個參數(shù)可供選擇，因此適用范圍比較寬廣，多數(shù)控制系統(tǒng)都可以采用。范圍比較寬廣，多數(shù)控制系

25、統(tǒng)都可以采用。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 3.1.4 比例微分控制比例微分控制（PD） 對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。度，此時可增加微分作用。yDdeTdt=式中：式中：TD 微分時間微分時間 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）eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章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

26、偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。芽狀態(tài)之中。q微分微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當偏差存在，當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。因此不能單獨使用。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。控制。v 微分控制的特點微分控制的特點eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（2）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1y()PDdeeTdt=1( )(1)P

27、DWsT s=eAttyty 理想微分作用持續(xù)時間理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實際的比例微分作一般使用實際的比例微分作用。用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章PD控制作用舉例控制作用舉例過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章微分時間微分時間T TD D對系統(tǒng)過渡過程的影響對系統(tǒng)過渡過程的影響 適當?shù)奈⒎肿饔茫哼m當?shù)奈⒎肿饔茫?在負荷變化劇烈、擾動幅度較大或過程容量在負荷變化劇烈、擾動幅度較大或過程容量滯后較大的系統(tǒng)中，適當引入微分作用，可在一滯后較大的系統(tǒng)中，適當引入微分作

28、用，可在一定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。當被控變量一有定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。當被控變量一有變化時，根據(jù)變化趨勢適當加大控制器的輸出信變化時，根據(jù)變化趨勢適當加大控制器的輸出信號，將有利于克服擾動對被控變量的影響，抑制號，將有利于克服擾動對被控變量的影響，抑制偏差的增長，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。偏差的增長，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章微分的兩面性微分的兩面性圖圖8-12 8-12 微分的兩面性微分的兩面性過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 微分時間微分時間T TD D的大小對系統(tǒng)過渡過程的影響，如上的大小對系統(tǒng)過渡過程的影響，如上圖所示。

29、若取圖所示。若取T TD D太小，則對系統(tǒng)的控制指標沒有太小，則對系統(tǒng)的控制指標沒有影響或影響甚微，如圖中曲線影響或影響甚微，如圖中曲線1 1；選取適當?shù)?；選取適當?shù)腡 TD D，系統(tǒng)的控制指標將得到全面的改善，如圖中曲線系統(tǒng)的控制指標將得到全面的改善，如圖中曲線2 2；但若；但若T TD D取得過大，引入的微分控制作用太強。取得過大，引入的微分控制作用太強。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章11( )(1)PDIWsT sT s=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，只要三項作用的強度配合適當，既只要三項作用的強度配合適當，既能

30、快速能快速調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，又，又能消除余差，能消除余差，可得到滿意的可得到滿意的控制控制效果。效果。3.1.5 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PID）011y()PtDIdeeedtTTdt=過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 由于由于PIDPID控制器有比例度控制器有比例度、積分時間、積分時間T TI I、微分時、微分時間間T TD D三個參數(shù)可供選擇，因而適用范圍廣，在溫三個參數(shù)可供選擇，因而適用范圍廣，在溫度和成分分析控制系統(tǒng)中得到更為廣泛的應(yīng)用。度和成分分析控制系統(tǒng)中得到更為廣泛的應(yīng)用。 各種控制規(guī)律的特點及適用場合（見下表）各種控制規(guī)律的特點及適用場合（見下表） 過程控

31、制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章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；積分作用是用于消除靜差。是用于消除靜差。etty3.2 模擬式控制器模擬式控制器模擬式控制器用模擬電路實現(xiàn)控制功能。其發(fā)展模擬式控制器用模擬電路實現(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）。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.1 DDZ-型儀表的特點型儀表

32、的特點1）采用統(tǒng)一信號標準：）采用統(tǒng)一信號標準：420mA DC和和15V DC。這種信號制的主要優(yōu)點是電氣零點不是從零開始，這種信號制的主要優(yōu)點是電氣零點不是從零開始，容易識別斷電、斷線等故障。容易識別斷電、斷線等故障。2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少?？煽啃蕴岣?、維修工作量減少。 3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險現(xiàn)場。）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險現(xiàn)場。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章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-

33、自動自動軟手動軟手動硬手動硬手動 切換開關(guān)切換開關(guān)5-硬手動操作桿硬手動操作桿6-輸出指示器輸出指示器7-軟手動操作板鍵軟手動操作板鍵3.2.2 DDZ- 型控制器的型控制器的組成與操作組成與操作過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、電路、給定電路、PID運算電路、自動與手動（硬運算電路、自動與手動（硬手動和軟手動）切換電路、輸出電路及指示電路。手動和軟手動）切換電路、輸出電路及指示電路。 輸入電路PD電路PI電路輸出電路測量外給內(nèi)給定電路給定值指示輸出指示軟手動電路硬手動電路測量值指示內(nèi)給S6S

34、1MHA圖圖3.11 DDZ-型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實例全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實例過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章輸入電路的首要任務(wù)是求偏差輸入電路的首要任務(wù)是求偏差 e ： V01 = k ( V給定給定 V測量測量 ) 3.2.3.1輸入電路輸入電路過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章RVVVRVVRVVVOBCMCMi = = )21()(121RVVRVVVRVVBCMSCM = = )(21 因測量信因測量信號號Vi和給定信和給定信號號Vs分別通過分別通過雙臂電阻

35、差模雙臂電阻差模輸入到運放輸入到運放A1的同相和反相的同相和反相輸入端。輸入端。可列出兩輸入節(jié)點的電流方程：可列出兩輸入節(jié)點的電流方程：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章120111()32iCMCMBVVVVVV=)(3121BCMCMSVVVVV = = 而而 V+V- 則則 V01 = 2（Vi VS） 得得過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章采用差動輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號采用差動輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號Vi、VS取用電流，使取用電流，使15V的測量信號不受衰減，的測量信號不受衰減，（2） 求偏差求偏差 Vi VS，進行偏差運算。進行偏差運算。

36、（3）將偏差放大將偏差放大 為了提高調(diào)節(jié)器對偏差的靈敏度，對其后的運為了提高調(diào)節(jié)器對偏差的靈敏度，對其后的運算有利，這里先將偏差放大兩倍。算有利，這里先將偏差放大兩倍。 電路的特點電路的特點（1）輸入阻抗高輸入阻抗高過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（4） 消除傳輸線上壓降的影響消除傳輸線上壓降的影響 DDZ-采用共用電源，在采用共用電源，在Vi的傳輸線上可能的傳輸線上可能包括其它儀表的電流，導線電阻雖不大而其壓降有包括其它儀表的電流，導線電阻雖不大而其壓降有時不可忽略。時不可忽略。 差動輸入可以消除差動輸入可以消除導線電阻的影響。導線電阻的影響。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與

37、儀表 第第3章章（5） 進行電平移動進行電平移動 Vi、VS都是以地為基準的電壓信號，而運放都是以地為基準的電壓信號，而運放IC器件器件+24VDC供電時，其供電時，其正常正常輸入、輸出輸入、輸出信號電壓范信號電壓范圍應(yīng)在圍應(yīng)在219V。為使運算信號符合要求，必須將基為使運算信號符合要求，必須將基準電壓從準電壓從0V抬高到抬高到VB =10V ，即進行電平移動。，即進行電平移動。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章因為因為 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V 121()0.33 2.33V3SCMCMBVVVVVV=則則顯然，顯然，IC不能正常放大。不能正常放

38、大。如果如果 VB = 0VB = 10V時，時， 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-過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章而且而且 VB = 0時，時，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：時：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)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 3.2.3.2 PID PI

39、D運算電路運算電路由由PI和和PD兩個運算電路串聯(lián)而成，兩個運算電路串聯(lián)而成，由于輸入由于輸入電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓都是以都是以VB=10V為基準起算的。為基準起算的。 PIPD過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 1、 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。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)不用。開關(guān)S8打向打向“斷斷”時，構(gòu)成時，構(gòu)成 P電路；開關(guān)電路；開關(guān)S8打向打向“通通”時，構(gòu)成時，構(gòu)成 PD電路。電路。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章o11V ( )V(

40、 )I ( )dDsss Rn=o1o1o11( )( )1( )V (s)11DdDDDDVsVsC snnIsnR C sRC s=qPD傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)IDV ( ) s=DDo11nR C s1V (s)n1sDDR C得得過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章021( )( )VsVs=O202O1V (s)11W ( )V (s)11ndDDdDDT snR C ssTnR C sns=式中：式中： DDdCnRT = =微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)ID又因又因 得得 實際微分因子實際微分因子過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) n0201V

41、( )1(1)V ( )DtTtnetn=當當V01為階躍信號時，為階躍信號時，V02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為V02TD/nV01/n63%t 可見，此電可見，此電路的微分是實際路的微分是實際的微分。的微分。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 當當 S8 置于置于“斷斷”時，微分被切除，時，微分被切除，A2只作比只作比例運算。有例運算。有1211OOVVn=21OOVVn=這時微分電容被開關(guān)這時微分電容被開關(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。當開關(guān)。當開關(guān)S8切換到切換到“通通”時時，保證無擾動切換。，保證無擾動

42、切換。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 2、PI電路分析電路分析PI電路以電路以A3為核心組成，開關(guān)為核心組成，開關(guān)S3為積分時間倍乘開關(guān)。為積分時間倍乘開關(guān)。當當S3打向打向1檔時，檔時，1K電阻被懸空，不起分壓作用；電阻被懸空，不起分壓作用；當當S3打向打向10檔時，檔時，1K電阻接到基準線，靜態(tài)電阻接到基準線，靜態(tài)V02被被分壓輸入。分壓輸入。由于由于10F電容電容積分需要較大電流，積分需要較大電流，在在A3輸出端加一功放輸出端加一功放三極管。三極管。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章)()(1)(322sVsCRsVmsVsCOMIOOI = = 0303

43、02( )W ( )( )VssVs=)1(sCmRCCMIMI = =)11(sCmRCCIIMI = =則則qPI傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)IC負輸入端節(jié)點電流方程（負輸入端節(jié)點電流方程（S3置于置于10檔）：檔）：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章傳函為傳函為設(shè)設(shè):Ti = mRICI 積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)S3打向打向10檔時：檔時： m=10S3打向打向1檔時：檔時： m=1 030302( )W ( )( )VssVs=)11(sCmRCCIIMI = =031W (s)(1)TIMICCs= 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) 當當V02為

44、階躍信號時，為階躍信號時，V03的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為0302tV (t)(1)VTIMICC= 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3、PID運算電路的傳遞函數(shù)運算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：輸入電路： V01 = 2（Vi VS） 030302V (s)1W (s)(1)V (s)TIMICCs= O202O1V (s)1W ( )V (s)1nddT ssTns=PD電路：電路：PI電路：電路：PID運算是上述三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。運算是上述三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DD03IIIDisM11V (s)C2V (s)V (s)C1nTT sTT sTns=DI1TFT= 干擾系數(shù)干擾系數(shù)MIC2CnP=q PID傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 令：令：比例度比例度D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV (s)V (s)P1sK=微分