第四章 過程控制儀表 林德杰

4.1概述4.2PID控制規(guī)律及實現(xiàn)方法4.3模擬調(diào)節(jié)器4.4數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程調(diào)機器4.5PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器第4章調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器將來自變送器的測量信號z與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號x進行比較，得到其偏差e，即然后調(diào)節(jié)器對該偏差信號按某一規(guī)律進行運算，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動控制作用。

4.1概述

調(diào)節(jié)器的作用控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：是指控制器的輸出控制信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。控制器的直接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（給定）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ε

，它是設(shè)定值信號Vs與測量信號Vi之差。如果輸入ε與輸出y的變化方向相同，則稱控制器為正作用控制器；反之，如果輸入ε

與輸出y變化方向相反，則稱控制器為反作用控制器?；蚱畋磉_式：

4.2

PID控制規(guī)律及實現(xiàn)方法控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、斷續(xù)控制——控制器輸出接點信號

雙位控制（開關(guān)控制）二、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號比例控制（P）;

比例積分控制（PI）;

比例微分控制（PD）;

比例積分微分控制（PID）。控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實現(xiàn)方法一、雙位控制雙位控制的輸出規(guī)律：根據(jù)輸入偏差的正、負，控制器的輸出為最大或最小。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，因此又稱開關(guān)控制。理想雙位控制器的輸出y與輸入偏差e之間的關(guān)系：理想的雙位控制特性控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實現(xiàn)方法一、雙位控制雙位控制實例圖雙位控制實例電磁閥繼電器電極（測量元件）導(dǎo)電液體出料管設(shè)定值測量原理：當液位低于設(shè)定值H0時，液位未接觸電極，繼電器斷路，此時電磁閥YV全開，液位以最大流量流入貯槽。當液位上升至設(shè)定值H0時，液位與電極接觸，繼電器接通，從而使電磁閥全關(guān)，液體不再進入貯槽。

控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實現(xiàn)方法中間區(qū)、振蕩二、PID調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出分別與輸入偏差的大小、偏差的積分和偏差的變化率成比例，其英文縮寫為PID(proportionalintegralderivative，PID)。理想PID的增量式數(shù)學(xué)表達式：為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，為被控參數(shù)與給定值之差。

寫成傳遞函數(shù)形式：第一項為比例（P）部分，第二項為積分（I）部分，第三項為微分（D）部分為調(diào)節(jié)器的比例增益，為積分時間（以s或min為單位），為微分時間（也以s或min為單位）。

通過改變這三個參數(shù)的大小，可以相應(yīng)改變調(diào)節(jié)作用的大小及規(guī)律。PID控制器的一般形式為：△y＝f(e)幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達式可分別表示為：比例作用（P）

比例積分作用（PI）

比例微分作用（PD）

比例積分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；TI—控制器的積分時間；TD—控制器的微分時間；

控制規(guī)律的表示形式二、PID調(diào)節(jié)1.比例控制（P）純比例調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比，比例增益的大小決定了比例調(diào)節(jié)作用的強弱，Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強。當TI→∞、TD=0時，積分項和微分項都不起作用，控制器輸出y(t)和偏差信號e(t)成比例關(guān)系。＋－KPye被控變量測量值z被控變量給定值xK

p—比例增益

純比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性

1.比例控制（P）圖簡單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測量元件活塞閥杠桿（控制器）?當液位高于設(shè)定值時，控制活塞閥關(guān)小，液位越高，閥關(guān)得越小；

?若液位低于設(shè)定值時，控制活塞閥開大，液位越低，閥開得越大。?它總能找到一個合適的點，使液位穩(wěn)定。但如果液位過低，使Δe=0，則活塞無法再提高，Q1

無法加大，調(diào)節(jié)無法進行?？刂圃恚豪鹤粤κ揭何槐壤刂葡到y(tǒng)：圖中：e：杠桿左端的位移，即液位的變化量；p：杠桿右端的位移，即閥芯的位移量；a、b：分別為杠桿支點與兩端的距離。1.比例控制（P）圖簡單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測量元件活塞閥杠桿（控制器）閥門開度的改變量（p）與被控變量（液位）的偏差值（e）成比例關(guān)系；即比例控制器的輸出信號y與輸入偏差e之間成比例關(guān)系：Kp為放大倍數(shù)（比例增益），它的大小決定了比例控制作用的強弱。Kp越大，比例控制作用越強。

例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過程?Q2htep?Q1tttt1.比例控制（P）例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：1.比例控制（P）比例度：就是指控制器輸入偏差的相對變化值與相應(yīng)的輸出的相對變化值之比，用百分數(shù)表示：式中：e為輸入偏差；y為相應(yīng)的輸出變化量；為測量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。在實際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度δ來表示比例控制作用的強弱。比例度δ

的物理意義：使控制器的輸出變化滿量程時（控制閥從全關(guān)到全開或相反），相應(yīng)的輸入測量值變化占儀表輸入量程的百分比。表示輸入對輸出的控制能力。

對于DDZ-Ⅲ型比例控制器，其輸入、輸出量程均為4~20mA，此時比例度δ是放大倍數(shù)的倒數(shù)。即：

1.比例控制（P）舉例：（對于DDZ-Ⅲ型比例控制器）當比例度為50%、100%、200%時，分別說明只要偏差e變化占儀表全量程的50%（8mA）、100%（16mA）時，控制器輸出就可以變化全量程（16mA）；P=200%說明偏差e變化32mA，控制器輸出才能變化全量程（16mA），但是偏差e最大只能變化16mA，控制器的輸出就只能變化8mA，在此區(qū)間內(nèi)e和y是成比例的，此區(qū)間外，控制器就只能處于飽和狀態(tài)，不再符合比例關(guān)系。1.比例控制（P）uuur0100%50%umaxuminδ=50%

δ

=100%例某比例控制器，溫度控制范圍為400～800℃，輸出信號范圍是4～20mA。當指示指針從600℃變到700℃時，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。解：答溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間內(nèi)（即200℃）時，e和u是2倍的關(guān)系。u/mAe/℃e420800400δ

=50%PID控制規(guī)律對控制過程的影響比例度對控制過程的影響比例度的選擇原則:

若對象的滯后較小，時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例度來提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過渡過程曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的比例度來保證穩(wěn)定。

總結(jié)比例控制：控制器的比例度δ越小，它的放大倍數(shù)就越大，它將偏差放大的能力越強，控制力也越強，反之亦然。比例控制作用的強弱通過調(diào)整比例度δ實現(xiàn)。

比例控制的優(yōu)點：控制及時，反應(yīng)靈敏，偏差越大、控制力度越大。缺點：控制結(jié)果存在余差（靜差）。因為調(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)。1.比例控制（P）圖

簡單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測量元件活塞閥杠桿（控制器）1.比例控制（P）2.比例積分控制（PI）圖

積分控制的階躍響應(yīng)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。（1）積分控制（I）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分。

積分時間常數(shù)當輸入偏差是幅值為E的階躍信號時，上式為：積分控制優(yōu)點：可以到達無余差。積分控制缺點：控制作用是隨著時間積累才逐漸增強的，控制動作緩慢，控制不及時。一般不單獨使用。由圖可見，當有偏差存在時，輸出信號隨著時間增大（或減?。?。當偏差為零時，輸出停止變化，保持在某一值上。因而積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達到無余差。

在階躍信號作用下（幅值為A)PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成當t=TI時，y=2KPAPI控制器的輸出隨時間變化的表達式為t△yI=△yPt△ypPe△yTI由此可確定積分常數(shù)。積分常數(shù)越TI大，積分作用越?。环粗?，積分作用越大；當積分時間為無窮大，積分作用消失，為純比例控制器。積分時間TI的物理意義：在階躍信號作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間。

（2）比例積分控制（PI）PI控制規(guī)律對控制過程的影響積分時間對過渡過程的影響左圖表示在同樣比例度下積分時間對過渡過程的影響。由圖中曲線３、4可以看出，TI過大時積分作用不明顯，余差消除地也慢，從圖中曲線１、２可以看出，TI較小時易于消除余差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線２就比較理想。（2）比例積分控制（PI）比例積分控制作用優(yōu)點：控制及時，又能消除余差，可提高系統(tǒng)的控制精度，比例度δ

和積分時間兩個參數(shù)均可調(diào)整。實際積分3.比例微分控制（PD）微分控制規(guī)律，就是控制器輸出信號的變化與偏差信號的變化速率成正比：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。理想微分式中：TD—微分時間常數(shù)TD越大，微分作用越強；

TD等于零時，微分作用消失。（1）微分控制（D）圖

理想微分的階躍響應(yīng)當輸入偏差為階躍信號時，微分輸出為一沖激信號。由于理想微分運算的輸出信號持續(xù)時間太短，往往不能有效推動閥門。實際應(yīng)用中，一般加以慣性延遲，使控制作用維持一段時間，稱為實際微分。圖

實際微分的階躍響應(yīng)3.比例微分控制（PD）微分的特點：能起到超前控制的作用。即按照偏差變化的速度控制，能在偏差很小時，提前增大控制作用，改善控制品質(zhì)。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。缺點：微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。因此微分作用不能單獨使用，必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。另外，微分控制會降低調(diào)節(jié)器的抗干擾能力（高頻但低幅，會使調(diào)節(jié)閥誤動作）。3.比例微分控制（PD）比例微分控制作用可提高系統(tǒng)的控制速度，對慣性大的對象用比例微分，可以改善控制質(zhì)量，減小最大偏差，縮短控制時間。理想的比例微分控制理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實際的比例微分作用。eAttyty3.比例微分控制（PD）（2）比例微分控制（PD）PD控制規(guī)律對控制過程的影響微分時間對過渡過程的影響PD控制優(yōu)點：能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時改善過程的動態(tài)品質(zhì)，抑制過渡過程的最大動態(tài)偏差，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD控制不足之處：一般只適應(yīng)于時間常數(shù)較大或多容過程的調(diào)節(jié)控制，而不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過程。其次，當微分作用太強時會導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制閥頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。PD控制一般總是以比例動作為主，微分動作為輔。4.比例積分微分控制（PID）圖PID的階躍響應(yīng)比例積分微分控制規(guī)律為：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，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。當控制對象慣性較大且控制精度要求較高時，可將比例積分微分合用。

PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能（此為基礎(chǔ)控制作用）、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測功能，從控制效果看，是比較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。

PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因為PID三作用控制器需要整定比例度、積分時間和微分時間三個變量，而在實際工程上是很難將這三個變量都整定到最佳值。PID階躍響應(yīng)特性曲線

PID控制規(guī)律對控制過程的影響

比例積分微分控制規(guī)律過程控制儀表的分類及特點1.按能源形式分類可分為電動、氣動、液動和機械式等幾種。工業(yè)上普遍使用電動控制儀表和氣動控制儀表。

導(dǎo)管、管路板導(dǎo)線、印刷電路板

接線氣動元件

電子元器件

構(gòu)成氣壓信號

電信號(電流、電壓或數(shù)字)

傳輸信號氣源（140kPa）

電源(220VAC，24VDC)能源氣動儀表電動儀表2.按信號類型分類

模擬式數(shù)字式由模擬元件構(gòu)成傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，如電流信號，電壓信號，氣壓信號等線路較簡單，操作方便，使用靈活，價格較低

以微處理器、單片機等大規(guī)模集成電路芯片為核心傳輸信號通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量，如脈沖信號等可以進行各種數(shù)字運算和邏輯判斷，其功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題過程控制儀表的分類及特點3.按結(jié)構(gòu)形式分類

單元組合式儀表基地式儀表集散型計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

過程控制儀表的分類及特點單元組合式儀表：將各種單元進行不同組合，可以構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場合需要的自動檢測或控制系統(tǒng)。有電動單元組合儀表（DDZ）和氣動單元組合儀表（QDZ）兩大類。都經(jīng)歷了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三個發(fā)展階段。根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成能實現(xiàn)一定功能的獨立儀表（稱為單元），各個儀表之間用統(tǒng)一的標準信號進行聯(lián)系。單元組合儀表

變送單元

溫度變送器壓力變送器差壓變送器流量變送器液位變送器

將各種被測參數(shù)變換成相應(yīng)的標準統(tǒng)一信號傳送到接收儀表或裝置，以供顯示、記錄或控制

轉(zhuǎn)換（變送）單元

直流毫伏轉(zhuǎn)換器頻率轉(zhuǎn)換器電－氣轉(zhuǎn)換器氣－電轉(zhuǎn)換器

將電壓、頻率等電信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號，或者進行標準統(tǒng)一信號之間的轉(zhuǎn)換，以使不同信號在同一控制系統(tǒng)中使用

單元組合儀表

控制單元

運算單元

比例積分微分控制器比例積分控制器比例微分控制器具有特種功能的控制器

將變送單元的測量信號與給定信號比較，按偏差給出控制信號，去控制執(zhí)行器加減器乘除器開方器

顯示單元指示儀指示記錄儀報警器

單元組合儀表

給定單元

執(zhí)行單元

輔助單元輸出統(tǒng)一標準信號，作為被控變量的給定值送到控制單元，實現(xiàn)定值控制。給定單元的輸出也可以供給其他儀表作為參考基準值。

角行程電動執(zhí)行器直線行程電動執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

按控制器輸出的控制信號和手動操作信號，改變控制變量操作器：手動操作及手動/自動的切換作用阻尼器：壓力或流量等信號的平滑、阻尼限幅器：限制信號的上、下限值安全柵：將危險場所與非危險場所隔開，起安全防爆作用

被控對象執(zhí)行單元檢測元件調(diào)節(jié)單元給定單元操作單元變送單元顯示單元工藝介質(zhì)閥門被調(diào)變量自動手動測量值給定值用電動單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)

基地式控制儀表相當于把單元組合儀表的幾個單元組合在一起，構(gòu)成一個儀表。通常以指示、記錄儀表為主體，附加控制、測量、給定等部件而構(gòu)成；其控制信號輸出一般為開關(guān)量，也可以是標準統(tǒng)一信號；一個基地式儀表具有多種功能，與執(zhí)行器聯(lián)用或與變速器聯(lián)用，便可構(gòu)成一個簡單的控制系統(tǒng)；性能價格比高，適用于單參數(shù)的控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）：分散控制、集中管理控制站（下位機）操作站（上位機）過程通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、處理及控制由DCS系統(tǒng)的基本控制器（包括控制卡、信號輸入輸出卡、電源等）構(gòu)成或由可編程序控制器PLC（包括CPU、I/O、電源等模塊）或帶有微處理器的數(shù)字式控制儀表構(gòu)成實現(xiàn)操作站與控制站的連接提供與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的連接過程信息的集中顯示、操作和管理由工業(yè)控制計算機、監(jiān)視器、打印機、鼠標、鍵盤、通信網(wǎng)卡等組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）現(xiàn)場控制和雙向數(shù)字通信將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)現(xiàn)場控制現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通信。4.3

模擬調(diào)節(jié)器DDZ一III型PID基型調(diào)節(jié)器有兩個品種，即全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器。它們的電路結(jié)構(gòu)基本相同，僅指示電路有差異。這里僅介紹全刻度指示調(diào)節(jié)器。1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動—軟手動—硬手動切換開關(guān)5-硬手動操作桿6-輸出指示器7-軟手動操作板鍵4.3.1PID型調(diào)節(jié)器圖4.12

全刻度指示調(diào)節(jié)器組成框圖工作原理：調(diào)節(jié)器接收變送器輸出的測量信號（4~20mA或1~5V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號。然后在PD與PI電路中進行

PID運算，由輸出電路轉(zhuǎn)換為4~20mA直流電流輸出。圖全刻度指示調(diào)節(jié)器原理圖S1：工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)S3：積分換檔開關(guān)S4：軟手動操作開關(guān)S5：標定指示與測量指示開關(guān)S6：內(nèi)外給定選擇開關(guān)S7：正反作用選擇開關(guān)1）輸入電路

設(shè)A1為理想運算放大器，其開環(huán)增益和輸入阻抗為無窮大，T點和F點同電位，即VF=VT。由節(jié)點電流法可求得:即：有：結(jié)論：1.信號綜合：輸出信號VO1是偏差信號的兩倍；2.電平轉(zhuǎn)移：Vi，Vs均以零伏為基準的DC1~5V，而VO1是以VB=10V為基準的信號，從而實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)移。圖4-3輸入電路反相端:同相端:4.3.1

PID調(diào)節(jié)器電平轉(zhuǎn)移問題？？

Vi、VS都是以地為基準的電壓信號，而運放IC器件+24VDC供電時，其正常輸入、輸出信號電壓范圍應(yīng)在2～19V。為使運算信號符合要求，必須將基準電壓從0V抬高到VB=10V

，即進行電平移動。

因為Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

則如果VB=0VB=10V時，

V+=V-=3.7～5.7V

保證了IC共摸電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。V+V-公共地線干擾電壓？？電壓范圍應(yīng)在2～19V電平轉(zhuǎn)移問題？？2～19V？？而且VB=0時，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID電路IC的范圍要求。VB=10時：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V(抬高)

使后面PID電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。＋－電平轉(zhuǎn)移問題？？問題1.PD電路中無源比例微分電路和比例運算放大器A2分別的主要功能是什么？2.微分作用的切除與介入之間的切換是無擾動的嗎？如果是，通過什么實現(xiàn)的？3.理解PI電路的輸出是P與I的疊加關(guān)系，并掌握Ti的測定方法。4.理解輸出電路的主要功能——電平移動功能的電壓—電流轉(zhuǎn)換器5.理解手動操作電路的意義；軟、硬手動操作電路的區(qū)別；無平衡無擾動切換。PID運算電路PID運算電路PD電路（比例微分）PI電路（比例積分）由PI和PD兩個運算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓都是以VB=10V為基準起算的。

2.比例微分（PD）電路

比例微分電路由無源比例微分電路和比例運算放大器A2組成，見圖4-4和圖4-5。圖4-4比例微分電路a)無源微分電路b)比例放大電路PD電路的作用：對來自輸入電路的V01電壓信號，通過CD、RD進行微分運算，再經(jīng)過比例放大后輸出V02信號，作為PI電路的輸入信號。PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開關(guān)S8打向“斷”時，構(gòu)成

P電路；開關(guān)S8打向“通”時，構(gòu)成

PD電路。2.PD電路分析求PD電路的傳遞函數(shù)：若令：IDID設(shè)A2為理想運算放大器，其開環(huán)增益和輸入阻抗均為無窮大，而輸出阻抗為零。所以PD電路的傳遞函數(shù)為：

當S8置于“通”時當為階躍作用時，利用拉氏變換，可求得隨時間變化的數(shù)學(xué)表達式：依據(jù)下式，可用實驗法求取微分時間TD

圖4-6PD電路輸出的階躍響應(yīng)曲線

可見，此電路的微分是實際微分

當S8

置于“斷”時，微分被切除，A2只作比例運算。有這時微分電容CD被開關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當開關(guān)S8切換到“通”時，保證無擾動切換。三、比例積分（PI）電路

該電路由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，于是可簡化成圖4-8。圖4-7PI電路

S3－積分時間倍乘開關(guān)?當其置于“×1”位置時，將1kΩ電阻懸空，1/m的分壓關(guān)系不存在，CI的充電電壓為Vo2；?當其置于“×10”位置時，將1kΩ接入電路，靜態(tài)V02被分壓輸入，CI的充電電壓為（1-1/m）Vo2，使CI的積分時間TI增大m（m≈10）。（S3為積分時間的換擋開關(guān)）

圖4-8PI電路的簡化a)S3在TI×1檔b)S3在TI×10檔

S3置于“×1”位置，A3反相輸入端電流：（忽略分壓電阻9.1kΩ

）解得：設(shè)：S3置于“×10”位置時：當輸入為階躍作用時，利用拉氏反變換可得的時間函數(shù)表達式可作出實際PI電路在為階躍作用時輸出的響應(yīng)特性，見圖4-9。

圖4-9PI電路輸出階躍響應(yīng)曲線同樣可用實驗法來測定積分時間TI。

四、整機的PID傳遞函數(shù)

調(diào)節(jié)器的輸入電路、PD運算電路和PI運算電路，這三個環(huán)節(jié)決定了整機的傳遞函數(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)為簡化后可得：式中，干擾系數(shù)：比例增益：比例度：微分時間：微分增益：積分時間：積分增益：由于相互干擾系數(shù)F的存在，上述參數(shù)的實際整定值與刻度值（F＝1時）之間的關(guān)系為：

拉氏反變換后，可求得輸出與輸入的時間函數(shù)表達式為：

圖4-11為輸入信號為階躍作用時，調(diào)節(jié)器的輸出響應(yīng)特性：

圖4-11PID調(diào)節(jié)器的輸出階躍響應(yīng)曲線5.輸出電路圖3-17輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號

調(diào)節(jié)器輸出電路的首要任務(wù)是將PID電路輸出的1～5V電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸出，同時還承擔電平移動的任務(wù)，將以VB＝10V為起點變化的電壓轉(zhuǎn)換為0V為基準的電流輸出。

1.輸出電路以集成運算放大器A4為核心；2.在A4后面用晶體管VT1、VT2組成復(fù)合管，進行電流放大，同時以強烈的電流負反饋來保證良好的恒流特性。電路的特點：5.輸出電路設(shè)：R3＝R4＝10kΩ，R1＝R2＝4R3

由流過R2、R3電流相等：由流過R1、R4電流相等：5.輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號

因為由圖：對比兩式：如果忽略反饋支路電流If和基極電流IB，由：得：取Rf＝62.5Ω

，則當Vo3＝1～5V時，輸出電流I0＝4～20mA。

5.輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號

6.手動操作電路及無擾切換通過切換開關(guān)S1可以選擇自動調(diào)節(jié)“A”、軟手動操作“M”、硬手動操作“H”三種控制方式中任一種。自動調(diào)節(jié)就是根據(jù)偏差作PID調(diào)節(jié)的控制方式，軟手動操作及硬手動操作都是手動操作的控制方式。為了避免切換時給控制系統(tǒng)造成擾動，要求電路設(shè)計中盡量做到自動調(diào)節(jié)與手動操作狀態(tài)間的平滑無擾動切換。（1）A、M間的切換（S1：自動→軟手動狀態(tài)）保持狀態(tài)積分上升與下降S4-1～S4-4：軟手動操作開關(guān)硬手動操作電位器

A→M無沖擊斷開A3的輸入CM無放電回路VO3保持不變6.手動操作電路及無擾切換M→A的切換

S1由A切向M時，聯(lián)動開關(guān)同時將積分電容CI右端接VB，由于放大器反向輸入端電位約為VB，當S1再由M切回A時，由于電壓沒有突變，切換也是無擾動的。6.手動操作電路及無擾切換積分上升與下降S4-1～S4-4：軟手動操作開關(guān)S41或S42按下時：VM<0，輸出V03積分上升；S43或S44按下時：VM>0，輸出V03積分下降；S41、S44按下時：RM=RM1，為快速積分；S42、S43按下時：RM=RM1+RM2，為慢速積分。用這種手動操作來改變調(diào)節(jié)器輸出，信號變化比較緩和，稱為“軟手動”。6.手動操作電路及無擾切換（1）A、M間的切換（S1：自動→軟手動狀態(tài)）圖3-19硬手動操作電路（2）A、H間的切換（自動→硬手動狀態(tài)）變化緩慢地直流慣性環(huán)節(jié)當切換開關(guān)S1由自動位置A切向硬手動H時，放大器A3接成具有慣性的比例電路。6.手動操作電路及無擾切換傳遞函數(shù)慣性時間常數(shù)

T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s≈0，RF=RH

時，為增益為1的比例電路?？梢?，VH改變時，VO3很快達到新的穩(wěn)態(tài)值。6.手動操作電路及無擾切換H→A的切換

S1由A切向H時，聯(lián)動開關(guān)同時將積分電容CI右端接VB，由于放大器反向輸入端電位約為VB，當S1再由H切回A時，由于電壓沒有突變，切換也是無擾動的。由A→H時，硬手動操作桿的位置與調(diào)節(jié)器輸出指示位置不一致，則切換時調(diào)節(jié)器輸出會產(chǎn)生突變。A→H的切換是有擾切換。A→H前，須先調(diào)RPH與當時的VO3一致，才能做到無擾動切換。6.手動操作電路及無擾切換（2）A、H間的切換（自動→硬手動狀態(tài)）（3）M、H間的切換

（軟手動→硬手動狀態(tài)）調(diào)節(jié)器由軟手動狀態(tài)M→硬手動狀態(tài)H時，同由A→H一樣，其輸出值將由原來的數(shù)值很快變到硬手動電位器所確定的數(shù)值。所以M→H是有擾切換。所以M→H前，須先調(diào)RPH與當時的VO3一致，才能做到無擾動切換。H→M的切換調(diào)節(jié)器由H→M時，切換后放大器成為保持狀態(tài)，保持切換前的硬手動輸出值，切換是無擾動的。6.手動操作電路及無擾切換DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器的切換特性：軟手動（M）自動（A）硬手動（H）無擾無擾無擾需平衡才能無擾A→M：無擾切換M→A：無擾切換A→H：有擾切換H→A：無擾切換M→H：有擾切換H→M：無擾切換6.手動操作電路及無擾切換保持無擾無擾圖4-17全刻度指示電路7.測量及給定指示電路電路將以0V為基準的1～5VDC輸入信號轉(zhuǎn)換成以VB為基準的1～5mADC電流信號，用電流表加以指示。圖3-20全刻度指示電路若R0＝1k，則Vi為1~5V時，I0即為1～5mA。因為：故得：如果忽略反饋支路電流If，則流過表頭得電流為：7.測量及給定指示電路改進型調(diào)節(jié)器隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化和嚴格要求，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)器往往達不到生產(chǎn)過程所要求的控制指標。因此要求調(diào)節(jié)器的功能在基型調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上進一步擴大。實現(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)器微分先行PID調(diào)節(jié)器比例微分先行PID調(diào)節(jié)器非線性PID調(diào)節(jié)器4.3.2積分飽和問題圖4.21

積分反饋型抗積分飽和調(diào)節(jié)器的組成

積分飽和現(xiàn)象4.3.2積分飽和問題（1）積分飽和及其帶來的危害圖

加熱器出口水溫控制系統(tǒng)圖

溫度比例積分控制系統(tǒng)積分飽和4.3.2積分飽和問題①限制PI調(diào)節(jié)器的輸出uPI>設(shè)定限值時，uPI=umax結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差②積分分離法e>設(shè)定限值時，改用純P調(diào)節(jié)結(jié)果：既不會積分飽和又能在小偏差時利用積分作用消除偏差③遇限削弱積分法uPI>設(shè)定限值時，只累加負偏差，反之亦然結(jié)果：可避免控制量長時間停留在飽和區(qū)（2）抗積分飽和措施4.3.2積分飽和問題調(diào)節(jié)過程：圖4-19抗積分飽和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程

二、微分先行PID調(diào)節(jié)器調(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

三、比例微分先行PID調(diào)節(jié)器圖4-21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)：

四、非線線PID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：在控制點附近一個區(qū)域內(nèi)比例增益大幅降低，而在這個區(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

調(diào)節(jié)原理：圖4-23非線性調(diào)節(jié)器的組成原理

4.3數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點：開發(fā)周期短，性能價格比高；具有自檢自診斷的異常報警功能和通信功能；控制精度高，性能穩(wěn)定，工作可靠；使用和維護方便。數(shù)字式調(diào)節(jié)器目前已在各行各業(yè)的自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實現(xiàn)

DDZⅢ調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子電路進行連續(xù)的PID運算。數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計算機為核心進行有關(guān)控制規(guī)律的運算，所有控制規(guī)律的運算都是周期性的進行，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)律必須進行離散化后方可應(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(實際PID算法)

位置型、增量型、速度型和偏差型實現(xiàn)形式：1.完全微分PID算法位置型：增量型：速度型：偏差型：2.不完全微分PID算法

在完成微分PID的輸出端串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，如圖4-24。完全微分PID算法的缺點：微分作用過于靈敏，微分作用持續(xù)時間短，容易引起控制系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)；

閥門開度時間與調(diào)節(jié)器的輸出信號時間不相對應(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)器組成原理框圖不完全微分PID位置型算法：不完全微分PID增量型算法：不完全微分PID算法的輸出在較長時間內(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。3.抗積分飽和算法數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡單的抗積分飽和方法是積分分離法

，其基本原理是，在偏差較小時加入積分作用；而較大時取消積分作用。這樣便減輕積分累計的飽和程度，以達到抗積分飽和的目的。對于理想PID算法的增量形式：首先判斷偏差的絕對值是否趨于預(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：

4.數(shù)字式非線性控制對于數(shù)字式完全微分PID算法的增量算法：

式中，為邏輯系數(shù)

二、數(shù)字式調(diào)節(jié)器的組成圖4-24數(shù)字式調(diào)節(jié)器的組成框圖

包括微機單元、輸入電路、輸出電路和人機對話單元。三、專家自整定調(diào)節(jié)器圖4-26專家自整定調(diào)節(jié)器原理框圖四、虛擬調(diào)節(jié)儀表圖4-27虛擬調(diào)節(jié)器原理框圖

4.4.1概述作用：

接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。4.4執(zhí)行器執(zhí)行器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，直接與介質(zhì)接觸，常常在高壓、高溫等惡劣的狀況下工作，因此，它是控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。直接影響過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)原理：執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)器輸出p0,I0推力、位移操縱變量流量分類：

根據(jù)使用能源不同，執(zhí)行器可分為三大類：1）氣動執(zhí)行器：

以壓縮空氣為能源,輸入信號為20~100KPa

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便、防火防爆等在過程控制中獲得最廣泛的應(yīng)用。2）電動執(zhí)行器：

以電為能源,輸入信號為0~10mA·DC(DDZ-II型)或

4~20mA·DC(DDZ-III型)優(yōu)點：能源取用方便、信號傳輸速度快、損失小、便于遠傳。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴、推力較小，只適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場所。3）液動執(zhí)行器：

以高壓液體為能源。推力最大，但安裝、維護麻煩，目前使用不多。4.4.1概述4.4.2電動執(zhí)行器

電動執(zhí)行器也由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。最簡單的電動執(zhí)行器稱為電磁閥。其它連續(xù)動作的電動執(zhí)行器都使用電動機作動力元件，將調(diào)節(jié)閥的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的開度。

其中調(diào)節(jié)機構(gòu)和氣動執(zhí)行器是通用的，不同的只是電動執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機構(gòu)，即使用電動機等電的動力啟閉調(diào)節(jié)閥。電動執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成框圖伺服放大器伺服電動機減速器位置發(fā)生器+－調(diào)節(jié)閥4.4.3氣動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)圖4-1氣動薄膜調(diào)節(jié)閥示意圖1.結(jié)構(gòu)：主要由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成。氣動薄膜室閥體推桿閥桿閥位指示標牌3.氣動執(zhí)行機構(gòu)作用形式：正作用：當來自控制器或閥門定位器的壓力信號增加時，推桿向下移動時稱正作用。反作用：當輸入氣壓信號增加時，推桿向上移動時稱反作用。2.作用：接受氣動調(diào)節(jié)器或電氣閥門定位器輸出的氣壓信號，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力，克服彈簧力后，使推桿產(chǎn)生位移，同時帶動閥芯動作。（公式）有l(wèi)0mm、16mm、25mm、40mm、60mm、l00mm等常見行程規(guī)格：4.4.3氣動執(zhí)行機構(gòu)正作用執(zhí)行機構(gòu)反作用執(zhí)行機構(gòu)4.4.3氣動執(zhí)行機構(gòu)4.4.4調(diào)節(jié)機構(gòu)（控制閥體）1.作用：是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。2.流量方程3.調(diào)節(jié)原理當口徑A和差壓（P1-P2）一定時，流量Q僅隨阻尼系數(shù)的變化而變化。改變閥門的開度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。P1P24.氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類閥門的常見結(jié)構(gòu)形式：直通單座閥直通雙座閥角閥三通閥隔膜閥蝶閥球閥等4.4.4調(diào)節(jié)機構(gòu)（控制閥體）正作用：當閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積減小，稱為正作用。反作用：當閥桿下移時，閥芯與閥座間的流通面積增大，稱為反作用。正體閥反體閥4.4.4調(diào)節(jié)機構(gòu)（控制閥體）5.調(diào)節(jié)閥的正反作用6.調(diào)節(jié)閥的選擇（1）調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，選擇其大小的主要依據(jù)是流通能力C。流通能力C定義：調(diào)節(jié)閥全開，閥前后壓差為0.1MPa，流體重度為1g/cm3時，每小時通過閥門的流體流量m3或kg。設(shè)流體是不可壓縮的，則式中：α為流量系數(shù)；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；γ為流體重度；

Δp為調(diào)節(jié)閥前后壓差,Δp=P1-P2；Q為流體的體積流量。4.4.4調(diào)節(jié)機構(gòu)（控制閥體）有：可見，流通能力C表示了調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于不同口徑、不同結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，其流通能力C也不同。根據(jù)調(diào)節(jié)所需的物料量Qmax、Qmin，流體重度

γ以及調(diào)節(jié)閥上的壓降ΔP，可以求得最大流量、最小流量時的Cmax和Cmin值，再根據(jù)Cmax，在所選用產(chǎn)品型式的標準系列中，選取大于Cmax并最接近一級的C值，最后查出Dg和dg。P115例題！！?。?.調(diào)節(jié)閥的選擇（1）調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇（2）調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇氣開式：即當氣壓信號P>0.02MPa時，閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開；氣關(guān)式：即氣壓信號P>0.02MPa時,閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。

（信號壓力范圍0.02~0.1MPa)由于執(zhí)行機構(gòu)有正、反兩種作用形式，調(diào)節(jié)閥也有正裝和反裝兩種形式。所以，實現(xiàn)氣動調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)時，有四種組合方式，如圖4-35和表4-3所示。6.調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的選擇原則：主要從工藝生產(chǎn)的安全和節(jié)約能源來考慮——當發(fā)生斷電或其他事故引起信號壓力中斷時,調(diào)節(jié)閥的開閉狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。例如：一般蒸汽加熱器選用氣開式，一旦氣源中斷，閥門處于全關(guān)狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不致因溫度過高而發(fā)生事故或危險。鍋爐進水的調(diào)節(jié)閥則選用氣關(guān)式，當氣源中斷時，仍有水進入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干或爆炸事故。（3）單座閥和雙座閥的選擇：

大口徑的閥一般選用雙座閥；當閥的口徑較小時，一般選用單座閥。（4）流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，指介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關(guān)系，即:式中，Q/Qmax為相對流量，即某一開度的流量與全開流量Qmax之比；

l/L為相對開度，即某一開度行程l與全行程L之比。

理想流量特性當調(diào)節(jié)閥前后壓差（Δp=P1-P2）一定的情況下得到的流量特性，稱之為理想流量特性，它僅取決于閥芯的形狀。(它是一個調(diào)節(jié)閥固有的特性）6.調(diào)節(jié)閥的選擇在目前常用的調(diào)節(jié)閥中，有三種（4種）典型的理想流量特性，即直線流量特性、快開流量特性和等百分比流量特性，其閥芯形狀和相應(yīng)的特性曲線如圖4－36和圖4－37中。圖4-36閥芯形狀圖4-37調(diào)節(jié)閥理想流量特性6.調(diào)節(jié)閥的選擇（4）流量特性的選擇1）直線流量特性直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位閥芯位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。積分得：由邊界條件求得：直線流量特性數(shù)學(xué)表達式：定義式：l=0時，Q=Qmin；l=L時，Q=Qmax。邊界條件：調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比（4）流量特性的選擇6.調(diào)節(jié)閥的選擇特性分析：?直線閥的放大系數(shù)在任何一點都是相同的，但其對流量的控制力（即流量變化的相對值）在每一點卻是不同的。?總結(jié)：直線閥在流量小時，流量變化的相對值大；在流量大時，流量變化的相對值小。

不滿足實際要求！例如：在直線特性中觀察10％、50％、80％三點，在任一點上行程增大10％所引起的流量變化都是10％，但流量變化的相對值分別為：在10％行程處，流量變化的相對值=（20.7－13）／13=75％在50％行程處，流量變化的相對值=（61.3－51.7）／51.7=19％在80％行程處，流量變化的相對值=（90.3－80.6）／80.6=11％1）直線流量特性只要閥芯位移量相同，則流量變化也總是相同的，即單位行程變換所引起的流量變化是相等的。

在10%開度時：

在50%開度時：

在80%開度時：

相對流量的相對于當前值的相對變化量為：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制作用強，易產(chǎn)生振蕩；大開度時，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時。

對過程控制系統(tǒng)來說，要求在小負荷時控制作用小一些，大負荷時控制作用加強一些，這需要由調(diào)節(jié)閥的流量特性來補償。直線流量特性調(diào)節(jié)閥時不能滿足這一要求的。表4-4調(diào)節(jié)閥的相對開度與相對流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3拋物線10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快開10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3對數(shù)10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直線10080706050403020100ba

a：l/L(%) b：q/qmax(%)2）等百分比（對數(shù)）流量特性等百分比流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成對數(shù)關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而增大。或者說單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。求得數(shù)學(xué)表達式：或：代入邊界條件：

（4）流量特性的選擇定義式：l=0時，Q=Qmin；l=L時，Q=Qmax。特性分析：?在不同的行程處，流量變化的相對值都是相等的百分數(shù)；?等百分比閥門在小開度時控制作用和在大開度時控制能力相等。例如：觀察10％、50%、80％三點，行程增大10％所對應(yīng)的控制力，則有：在10％行程處，流量變化的相對值＝(6.58％-4.67％)/4.67％≈40％在50％行程處，流量變化的相對值＝(25.6％-18.3％)/18.3％≈40％在80％行程處，流量變化的相對值＝(71.2