自動(dòng)化儀表課件

自動(dòng)化儀錶自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)電氣資訊工程學(xué)院自動(dòng)化教研室

控制儀錶與裝置是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化必不可少的工具，其重要性可通過(guò)下圖1-1所示例子來(lái)說(shuō)明。1.1.控制儀錶與裝置總體概述1.1.1.自動(dòng)控制系統(tǒng)和控制儀錶返回目錄

圖1-1為一加熱溫度控制系統(tǒng)。原料通過(guò)加熱爐內(nèi)爐管加熱，要求其出口溫度保持一定，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要；加熱爐以燃料油作為燃料。圖中溫度變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。爐出口溫度經(jīng)測(cè)溫元件和溫度變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)送到控制器，與給定值SP相比較，控制器按照比較後得到的偏差，以一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行器的動(dòng)作，改變?nèi)剂嫌偷牧髁?，從而使出口溫度T保持在於給定值基本相等的數(shù)值上。

為了提高控制系統(tǒng)的功能，還可以增加一些儀錶，如顯示器、手操器等。而為了改善控制品質(zhì)，還可以?huà)?cǎi)用串級(jí)控制等其他更複雜的控制方案，顯然，這將需要用到更多的儀錶。實(shí)際所採(cǎi)用的儀錶，可以是電動(dòng)儀錶，氣動(dòng)儀錶等各種系列的儀錶，也可以是各種控制裝置，所有這些儀錶或裝置都屬於控制儀錶裝置範(fàn)疇。顯而易見(jiàn)，如果沒(méi)有這些儀錶或裝置，就不可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。返回目錄1.1.2.控制儀錶與裝置的分類(lèi)及特點(diǎn)通常，控制儀錶與裝置可按能源形式、信號(hào)類(lèi)型、和結(jié)構(gòu)形式來(lái)分類(lèi)。1.1.2.1.按能源形式分類(lèi)可分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)和機(jī)械式等幾類(lèi)。工業(yè)上普遍使用電動(dòng)控制儀錶和氣動(dòng)控制儀錶，兩者之間的比較如表1-1所示。返回目錄

電動(dòng)控制儀錶具有能源獲取方便，信號(hào)傳輸和處理容易，便於實(shí)現(xiàn)集中顯示和操作等特點(diǎn)。目前在工業(yè)上電動(dòng)控制儀錶得到了最為廣泛的應(yīng)用。鑒於此，本課程將重點(diǎn)介紹這一類(lèi)儀錶。氣動(dòng)控制儀錶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性高、易於維護(hù)、安全防爆等特點(diǎn)。特別適用於石油、化工等具有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合。

表1－1電動(dòng)控制儀錶和氣動(dòng)控制儀錶的比較電動(dòng)控制儀錶氣動(dòng)控制儀錶能源傳輸信號(hào)構(gòu)成接線(xiàn)電源（220VAC）（24VDC）電信號(hào)（電流、電壓或數(shù)字）電子元器件（電阻、電容、電子放大器、積體電路、微處理器等）導(dǎo)線(xiàn)，印刷電路板氣源（140kPa）氣壓信號(hào)氣動(dòng)元件（氣阻、氣容、氣動(dòng)放大器等）導(dǎo)管，管路板返回目錄1.1.2.2.按信號(hào)類(lèi)型分類(lèi)可分為模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。模擬式控制儀錶由模擬元器件組成，其傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量，如電流信號(hào)，電壓信號(hào)，氣壓信號(hào)等。數(shù)字式控制儀錶以微處理器，單片機(jī)等大規(guī)模積體電路晶片為核心。其傳輸信號(hào)通常為段續(xù)變化的數(shù)字量，如脈衝信號(hào)。1.1.2.3.按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

可分為單元組合式控制儀錶、基地式控制儀錶、集散型電腦控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)匯流排控制系統(tǒng)。（1）單元組合式控制儀錶是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀錶做成能實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀錶（稱(chēng)為單元），各個(gè)儀錶之間用統(tǒng)一的表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)繫。這類(lèi)儀錶有電動(dòng)單元組合儀錶（DDZ）和氣動(dòng)單元組合儀錶（QDZ）兩大類(lèi)。單元組合儀錶可分為變送單元、執(zhí)行單元、控制單元、轉(zhuǎn)換單元、運(yùn)算單元、顯示單元、給定單元和輔助單元等八類(lèi)。返回目錄

①變送單元它能將各種被測(cè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位等物理量變換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)（4—20mA，0—10mA或20—100kPa）傳送到接受儀錶或裝置，以供指示、記錄或控制。變送單元的品種有：溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器等。

②轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換單元將電壓、頻率等電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，或者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以使不同信號(hào)可以在同一控制系統(tǒng)中使用。轉(zhuǎn)換單元的品種有：直流毫伏轉(zhuǎn)換器、頻率轉(zhuǎn)換器、電-氣轉(zhuǎn)換器、氣-電轉(zhuǎn)換器等。

③控制單元它將來(lái)自變送單元的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，按照偏差給出控制信號(hào)，去控制執(zhí)行器的動(dòng)作?？刂茊卧钠贩N有：比例積分微分控制器、比例積分控制器、微分控制器以及具有特種功能的控制器等。

④運(yùn)算單元它將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除、開(kāi)方、平方等運(yùn)算，適用於多種參數(shù)綜合控制、比值控制、流量信號(hào)的溫度壓力補(bǔ)償計(jì)算等。運(yùn)算單元的品種有：加減器、乘除器和開(kāi)方器等。返回目錄。返回目錄的品種有：指示儀、指示記錄儀、報(bào)警器、比例積算器和開(kāi)方積算器等。⑥給定單元它將輸出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，作為被控變數(shù)的給定值送到控制單元，實(shí)現(xiàn)定值控制。給定單元的品種有：恒流給定器、定值器、比值給定器和時(shí)間程式給定器等。

⑦執(zhí)行單元它將按照控制器⑤顯示單元它對(duì)各種被測(cè)參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、報(bào)警和積算，供操作人員監(jiān)視控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程工況之用。顯示單元輸出的控制信號(hào)或手動(dòng)操作信號(hào)，去改變控制變數(shù)的大小。執(zhí)行單元的品種有：角行程電動(dòng)執(zhí)行器、直行程電動(dòng)執(zhí)行器和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥等。

⑧輔助單元輔助單元是為了滿(mǎn)足自動(dòng)控制系統(tǒng)某些要求而增設(shè)的儀錶，如操作器、阻尼器、限幅器、安全柵等等。返回目錄（2）

基地式控制儀錶基地式控制儀錶相當(dāng)於把單元組合儀錶的幾個(gè)單元組合在一起，構(gòu)成一個(gè)儀錶。（3）集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）DCS系統(tǒng)是一種以微型電腦為核心的電腦控制裝置。其基本特點(diǎn)是分散控制、集中管理。（4）現(xiàn)場(chǎng)匯流排控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）FCS系統(tǒng)是基於現(xiàn)場(chǎng)匯流排技術(shù)的一種新型電腦控制裝置。其特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)控制和雙向數(shù)字通。

1.1.3.信號(hào)制信號(hào)制即信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，是指儀錶之間採(cǎi)用的傳輸信號(hào)的類(lèi)型和數(shù)值。1.1.3.1.信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

（1）氣動(dòng)儀錶的信號(hào)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)返回目錄中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB777《化工自動(dòng)化儀錶用模擬氣動(dòng)信號(hào)》規(guī)定了氣動(dòng)儀錶的信號(hào)的下限值和上限值，如表1-2所示

表1－2模擬信號(hào)的下限值和上限值下限上限20kPa(0.2kgf/c㎡) 100kPa(1kgf/c㎡)（2）電動(dòng)儀錶的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB339《化工自動(dòng)化儀錶用模擬直流電流信號(hào)》規(guī)定了電動(dòng)儀錶的信號(hào)，如表1-3所示。表1－3模擬直流電流信號(hào)及其負(fù)載電阻

序號(hào)電流信號(hào)負(fù)載電阻124－20mADC250-750Ω0-10mADC0-1000Ω0-3000Ω返回目錄1.1.3.2.電動(dòng)儀錶信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的使用（1）現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間採(cǎi)用直流電流信號(hào)採(cǎi)用直流電流信號(hào)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

①

直流信號(hào)比交流信號(hào)干擾少;②

直流信號(hào)對(duì)負(fù)載的要求簡(jiǎn)單;③

電流比電壓更利於遠(yuǎn)傳資訊。（2）控制室內(nèi)部?jī)x錶之間採(cǎi)用直流電壓信號(hào)它可以?huà)?cǎi)用並聯(lián)連接方式，使同一個(gè)電壓信號(hào)為多個(gè)儀錶所接收。而且任何一個(gè)儀錶拆離信號(hào)回路都不會(huì)影響其他儀錶的運(yùn)行。（3）控制系統(tǒng)儀錶之間典型連接方式綜上所述，電流傳送適合於遠(yuǎn)距離對(duì)單個(gè)儀錶傳送資訊，電壓傳送適合於把同一資訊傳送到並聯(lián)的多個(gè)儀錶，兩者結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。控制系統(tǒng)儀錶之間典型連接方式如圖1-2所示。返回目錄1.2.儀錶的分析方法

儀錶整體結(jié)構(gòu)上看，模擬式控制儀錶有兩種構(gòu)成形式。

①儀錶整機(jī)採(cǎi)用單個(gè)放大器，其放大器可由若干級(jí)放大電路或不同的放大器串聯(lián)而成。屬於這一類(lèi)的儀錶有DDZ-Ⅱ型儀錶、大部分的變送器以及氣動(dòng)儀錶等。②整機(jī)由數(shù)目不等的運(yùn)算放大器電路以不同形式組裝而成。如DDZ-Ⅲ、I系列和EK系列儀錶等。這一類(lèi)儀錶一般具有如圖1-3所示的典型結(jié)構(gòu)，即整個(gè)儀錶可以劃分為三部分：輸入部分、放大器和回饋部分。1.2.1.採(cǎi)用單個(gè)放大器的儀錶分析方法1.2.1.1.採(cǎi)用單個(gè)放大器的儀錶特點(diǎn)返回目錄

由圖1-3可以求得整個(gè)儀錶的輸出與輸入關(guān)係為

(1-1)式中——輸入部分的轉(zhuǎn)換係數(shù)；

——放大器的放大係數(shù)；

——回饋部分的回饋係數(shù)。當(dāng)滿(mǎn)足KKf>>1的條件時(shí)

(1-2)由於

因此，即

(1-3)

上述分析表明，採(cǎi)用單個(gè)放大器的儀錶具有如下特點(diǎn)。

①

在滿(mǎn)足的條件時(shí)，儀錶的輸出榆樹(shù)如關(guān)係僅取決於輸入部分的特性和回饋部分的特性。

②

在滿(mǎn)足的條件時(shí)，儀錶的輸入部分的輸出信號(hào)於整機(jī)輸出信號(hào)y經(jīng)回饋部分回饋到放大器輸入端的回饋信號(hào)基本相等，即放大器的淨(jìng)輸入ε趨向於零。返回目錄1.2.1.2.分析方法

式（1-1）-（1-3）是對(duì)採(cǎi)用單個(gè)放大器的儀錶進(jìn)行分析的主要依據(jù)。對(duì)於這一類(lèi)儀錶的分析，首先是將儀錶劃分為三部分：輸入部分、放大器和回饋部分。然後對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，重點(diǎn)式輸入部分和回饋部分。進(jìn)而根據(jù)式（1-2）或式（1-3）求出整機(jī)輸出與輸入之間的關(guān)係，即可得到整機(jī)性。

要將整個(gè)儀錶劃分為三個(gè)部分，關(guān)鍵是如何確定圖1-3的比較環(huán)節(jié)和引出回饋的取樣環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)的確定可以從放大器的輸入端即ε所加位置著手；取樣環(huán)節(jié)的確定可以從儀錶的輸出信號(hào)回路著手。電動(dòng)儀錶的比較方式有兩種：串聯(lián)比較和並聯(lián)比較。如圖1-4和1-5所示。返回目錄

電動(dòng)儀錶的取樣方式有兩種：電流取樣和電壓取樣。如圖1-6所示。1.2.2.採(cǎi)用運(yùn)算放大器的儀錶分析方法這一類(lèi)儀錶的線(xiàn)路是由若干個(gè)運(yùn)算放大器電路組裝而成，主要是運(yùn)算放大器電路以串聯(lián)形式相連。返回目錄1.2.2.1.運(yùn)算放大器的基本知識(shí)（1）

運(yùn)算放大器的基本性能在儀錶電路圖中，運(yùn)算放大器一般用圖1-7所示的長(zhǎng)方形符號(hào)表示。

①引出端有五個(gè)基本的引出端a.輸入端（+、-）

+端位同相輸入端，-端位反相輸入端。

b.輸出端U。為輸出端對(duì)地的電壓。

c.電源端（U+、U-）他們通常分別連接到運(yùn)算放大器所需的正、負(fù)電源上。

②運(yùn)算放大器基本特徵

在分析儀表線(xiàn)路時(shí),往往把運(yùn)算放大器理想化。理想運(yùn)算放大器具有如下特點(diǎn)：

a.輸入電阻；

b.輸出電阻；c.開(kāi)環(huán)電壓增益；d.失調(diào)及其漂移為零。

返回目錄由上述特點(diǎn)，可以得出如下兩條重要的結(jié)論：a.

差模輸入電壓為零，即或；

b.

輸入端輸入電流為零即。

（2）運(yùn)算放大電路

①反相端輸入反相端輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-8所示。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)?/p>

所以整理可得(1-4)返回目錄②同相端輸入同相端輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-9所示。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)樗约矗?－5）返回目錄③差動(dòng)輸入差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-10所示。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)槿绻?1-6)(1-7)則（1－8）返回目錄思考題與習(xí)題1－1單元組合式控制儀錶有哪些單元？各有哪些功能？1－2什麼是信號(hào)制？控制系統(tǒng)儀錶之間採(cǎi)用何種連接方式最佳？為什麼？1－3試用本章所介紹的方法，直接”看“出圖1－11所示電路的輸入輸出關(guān)系。返回目錄2.1.控制規(guī)律

2.1.1.控制規(guī)律的表示方法返回目錄

控制器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中起控制作用。它將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定值相減以得到偏差信號(hào)，然後對(duì)偏差信號(hào)按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為控制信號(hào)，輸出至執(zhí)行器。習(xí)慣上，單元組合儀錶和單個(gè)儀錶形式的控制器常稱(chēng)調(diào)節(jié)器，如

DDZ-II型電動(dòng)調(diào)節(jié)器，DDZ-III型電動(dòng)調(diào)節(jié)器和可編程調(diào)節(jié)器等。本章首先介紹控制規(guī)律的基本概念，這是控制器的共性問(wèn)題；然後介紹模擬式控制器和數(shù)字式控制器。有關(guān)可編程程式控制器等內(nèi)容將在以後的章節(jié)仲介紹。

2.1.1.1.何為控制器的控制規(guī)律

圖2－1是單回路控制系統(tǒng)方框圖。在該控制系統(tǒng)中，被控量由於受擾動(dòng)d（如生產(chǎn)負(fù)荷的改變，上下工段間的生產(chǎn)不平衡現(xiàn)象等）的影響，常常偏離給定值，即被控變數(shù)產(chǎn)生了偏差（2-1）

式中，Δx為偏差；為測(cè)量值；為給定值?？刂破鹘邮芰似钚盘?hào)Δx後，按一定的控制規(guī)律使其輸出信號(hào)

Δy發(fā)生變化，通過(guò)執(zhí)行器改變操縱量q，以抵消干擾對(duì)被控量θ的影響，從而是被控量回到被控量上來(lái)?？刂破鲌?zhí)行器被控對(duì)象變送器圖2－1

單回路控制系統(tǒng)方框圖返回目錄

被控量能否回到給定值上，或者以什麼樣的途徑、經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間回到給定值上來(lái)，這不僅僅與被控對(duì)象特性有關(guān)，而且還與控制器的特性有關(guān)。只有熟悉了控制器的特性，才能達(dá)到自動(dòng)控制的目的?？刂破鞯目刂埔?guī)律就是控制器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)（偏差）變化規(guī)律。這個(gè)規(guī)律常常稱(chēng)為控制器的特性。必須強(qiáng)調(diào)指出，在研究控制器特性時(shí)，控制器的輸入是被控量（測(cè)量值）與給定值之差即偏差Δx，而控制器的輸出是控制接受偏差後，相應(yīng)的輸出信號(hào)的變化量Δy。

對(duì)控制器而言，習(xí)慣上，Δx>0稱(chēng)正偏差；Δx<0稱(chēng)負(fù)偏差；Δx>0，相應(yīng)的Δy>0則該控制器稱(chēng)正作用控制器；Δx>0，相應(yīng)的Δy<0，則該控制器稱(chēng)反作用控制器?；究刂埔?guī)律有比例（P）、積分（I）、微分（D）三種。由這些控制規(guī)律組成P、PI、PD、PID等幾種工業(yè)上常用的控制規(guī)律。返回目錄

2.1.1.2.控制規(guī)律的表示方法

不少控制儀錶輸入和輸出的物理量是不同的，特別是基地式控制器，它們的輸入信號(hào)可能是溫度、壓力等，而輸出信號(hào)為20～100kpa

或0～10mADC等。為了用一個(gè)統(tǒng)一的式子表示控制器的特性，可用相對(duì)變化量來(lái)表示控制器的輸入和輸出，即控制器的輸入是偏差相對(duì)輸入信號(hào)範(fàn)圍的比值，輸出變化量相對(duì)於輸出信號(hào)範(fàn)圍的比值。即

,

(2-2)式中

----輸入信號(hào)範(fàn)圍；

----輸出信號(hào)範(fàn)圍；

X----用相對(duì)變化量表示的控制器輸入；Y----用相對(duì)變化量表示的控制器輸出；

Δx----控制器的輸入偏差，為方便起見(jiàn)，後面用x表示；

Δy----控制器的輸出變化量，後面用y表示。返回目錄

控制器的特性用相對(duì)變化量X和Y的關(guān)係式表示，一般有如下5種表示方法。微分方程表示法傳遞函數(shù)表示法頻率特性表示法圖示法離散化表示法

2.1.2.控制器的基本控制規(guī)律2.1.2.1.比例控制規(guī)律

只具有比例控制規(guī)律的控制器為比例控制器，其輸出與輸入成比例關(guān)係，即

Yp=KpX

（2-3）式中Kp----比例放大倍數(shù)，或稱(chēng)比例增益。

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階躍回應(yīng)特性如圖2-2所示。（1）比例增益和比例度

比例增益Kp反映比例作用的強(qiáng)弱,Kp

越大，比例作用越強(qiáng)，即在一定的輸入量X下，控制器輸出的變化量越大控制作用越強(qiáng)。反之亦然。在模擬控制器中，比例作用的強(qiáng)弱是用Kp

的倒數(shù)----比例度δ進(jìn)行刻度的，

δ與Kp的關(guān)係表示如下

δ＝1/Kp×100％

（2-4）

但上式中％一般不在比例度盤(pán)上劃出來(lái)。由式（2-2）、式(2-3)和式(2-4),可得到比例度的一般運(yùn)算式

（2-5）

圖2－2比例控制器的階躍回應(yīng)特性返回目錄式中----輸入信號(hào)的變化量；----輸入信號(hào)的範(fàn)圍；

----輸出信號(hào)的範(fàn)圍。

由式（2-5）可以定義比例度為：控制器的輸入變化量相對(duì)於輸入信號(hào)的範(fàn)圍，占相應(yīng)的輸出變化量相對(duì)於輸出信號(hào)範(fàn)圍的百分?jǐn)?shù)。對(duì)於輸入信號(hào)的範(fàn)圍與輸出信號(hào)的範(fàn)圍相同的控制儀錶或裝置，式（2-5）可改寫(xiě)為

（2）比例控制規(guī)律的特點(diǎn)對(duì)於比例作用的控制器來(lái)說(shuō)，只要有偏差輸入，其輸出立即按比例變化，因此比例控制作用及時(shí)迅速；但只具有比例控制規(guī)律的控制系統(tǒng)，當(dāng)被控變數(shù)受擾動(dòng)影響而偏離給定值後，控制器的輸出必定要發(fā)生變化。而在系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)以後，為了克服擾動(dòng)的影響，控制

----輸出信號(hào)的變化量；返回目錄

器的輸出不是原來(lái)的數(shù)值。由於控制器的輸出與偏差成比例關(guān)係，被控變數(shù)也就不可能回到原來(lái)的數(shù)值上，即存在殘餘偏差——餘差。

餘差是比例控制器應(yīng)用方面的一個(gè)缺點(diǎn)，在控制器的輸出變化量相同的情況下，Kp越大，即比例度越小，餘差也越小。但是，若Kp

過(guò)分大，系統(tǒng)容易振盪，甚至發(fā)散。此外，餘差的大小還與擾動(dòng)的

幅值有關(guān)，若為階躍擾動(dòng)，其幅值越大，在相同Kp下，餘差也越大。由於負(fù)荷的變化是系統(tǒng)的一種擾動(dòng)，一次比例控制器一般實(shí)用於負(fù)荷不大、允許有餘差的系統(tǒng)。

2.1.2.2.比例積分控制規(guī)律

比例控制器的缺點(diǎn)是有餘差。若要求控制系統(tǒng)無(wú)餘差，就得增加積分控制規(guī)律（即積分作用）。

（1）積分作用

積分作用的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例關(guān)係，即

（2-6）式中

――積分時(shí)間。返回目錄圖2－3方波信號(hào)下積分作用的回應(yīng)

上式表明，只要控制器輸入（偏差）存在，積分作用的輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷變化，只有當(dāng)偏差等於零時(shí)，輸出才穩(wěn)定不變，圖2－3可以更加清楚說(shuō)明這一點(diǎn)。這表明積分作用具有消除餘差的能力，對(duì)一個(gè)很小的偏差，雖然在很短的時(shí)間內(nèi)，積分作用的輸出變化很小，還不足以消除偏差，然而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，積分作用的輸出總可以增大到足以消除偏差的程度。

由於積分作用的輸出與時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。一定偏差作用下，積分作用的輸出隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，因此積分作用具有“慢慢來(lái)”的特點(diǎn)。由於這一特點(diǎn)，即使有一個(gè)較大的偏差存在，但在一開(kāi)始積分作用的輸出總是比較小的，即一開(kāi)始控制作用太弱，從而控制不及時(shí)，因而積分作用一般不會(huì)單獨(dú)使用，而是與比例作用一起組成具有比例積分控制規(guī)律的控制器。返回目錄（2）比例積分控制規(guī)律具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱(chēng)為比例積分控制器，其特性為（2-7）

比例積分控制器的輸出可以表示成比例與積分兩種作用的輸出之和。即上式可以表示為

式中

――比例作用輸出，

――積分作用輸出，在階躍信號(hào)輸入時(shí)，比例積分控制器的輸出變化如圖2-4所示。在加入階躍信號(hào)瞬間，輸出跳躍上去（AB段所示），這是比例作用，以後呈線(xiàn)性增加（BD段所示），這是積分作用。圖2-4比例積分控制器階躍回應(yīng)曲線(xiàn)

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（3）積分時(shí)間

積分時(shí)間

反映積分作用的強(qiáng)弱，越小，積分作用越強(qiáng)，即

在一定的輸入量Ｘ及相等時(shí)間條件下，控制器輸出的變化量越大，控製作用越強(qiáng)。反之亦然。在階躍信號(hào)輸入幅值為A時(shí)，積分作用輸出為若取積分作用的輸出等於比例作用的輸出，即則

因此積分時(shí)間的定義為：在階躍信號(hào)輸入下，積分作用的輸出變化到等於比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間就是積分時(shí)間

（4）控制點(diǎn)、控制點(diǎn)偏差與控制精度

（5）積分增益與開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)（2-8）

(2-9)返回目錄

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（6）積分飽和

具有積分作用的控制器在單方向偏差信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間作用下，其輸出達(dá)到輸出範(fàn)圍上限值或下限值以後，積分作用將繼續(xù)進(jìn)行，從而使控制器脫離正常工作狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為積分飽和。

積分飽和現(xiàn)象在控制系統(tǒng)中是十分有害的，其影響可用圖2-5來(lái)說(shuō)明。圖中設(shè)輸出信號(hào)上限幅值為20mA。由圖可見(jiàn)，如果控制器處?kù)斗e分飽和狀態(tài)，當(dāng)偏差反向時(shí)，控制器輸出不能及時(shí)改變，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，即要到積分作用部分回到正常工作狀態(tài)以後才能對(duì)偏差作出正確的反應(yīng)。這段等待時(shí)間使控制器暫時(shí)失去了控制功能，從而造成控制不及時(shí)，使控制品質(zhì)變壞，甚至危及安全。防止積分飽和的方法通常有兩種：在控制器輸出達(dá)到輸出範(fàn)圍上限值或下限值時(shí)，暫時(shí)去掉積分作

等待時(shí)間圖2－5

積分飽和的影響返回目錄限值或下限值時(shí)，暫時(shí)去掉積分作用，如由比例積分作用變?yōu)榧儽壤饔?；在控制器輸出達(dá)到輸出範(fàn)圍上限值或下限值時(shí)，使積分作用不繼續(xù)增加，如在比例積分電路的輸入端另加一個(gè)與偏差相反的信號(hào)。

2.1.2.3.比例微分控制規(guī)律

比例作用根據(jù)偏差的大小進(jìn)行自動(dòng)控制，積分作用可以消除被控變量的餘差。對(duì)於一般控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用比例積分作用已經(jīng)能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的要求了。但是對(duì)一些要求比較高自動(dòng)控制系統(tǒng)，常希望根據(jù)被控變數(shù)變化的趨勢(shì)，而採(cǎi)取控制措施，防止被控變數(shù)產(chǎn)生過(guò)大的偏差。為此可使用具有微分作用控制規(guī)律的控制器。

（1）微分控制規(guī)律

所謂被控變數(shù)的變化趨勢(shì)，就是偏差變化的速度?？刂破魑⒎肿饔玫妮敵雠c偏差變化的速度成正比，可用下式表示式中

為偏差變化的速度；為微分時(shí)間。

(2-10)返回目錄

上式表明，對(duì)這種微分控制規(guī)律來(lái)說(shuō)，輸入偏差變化的速度越大，則微分作用的輸出越大，然而對(duì)於一個(gè)固定不變的偏差，不管這個(gè)偏差有多大，微分作用的輸出總是零。這種微分控制規(guī)律通常稱(chēng)為理想微分作用。理想微分控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)如圖2-6所示，由圖可以更直觀(guān)看出理想微分作用的這一特點(diǎn)。由於微分作用的這一特點(diǎn)，因此這種理想的微分作用不能單獨(dú)作為控制規(guī)律使用。在控制器中，通常採(cǎi)用微分作用和比例作用以及一階慣性環(huán)節(jié)組合的實(shí)際比例微分控制規(guī)律。

（2）實(shí)際比例微分控制規(guī)律

具有實(shí)際比例微分控制規(guī)律的控制器稱(chēng)為比例微分控制器，其特性為（2-11）比例微分控制器傳遞函數(shù)為（2-12）圖2-6理想微分控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄

階躍回應(yīng)特性如圖2-7所示。

（3）微分作用的參數(shù)及其測(cè)定在階躍信號(hào)輸入幅值為A時(shí)，經(jīng)拉氏反變換，可以求得比例微分控制器輸出為式中

為微分時(shí)間常數(shù)，

（2-13）(2-14)

式(2-13)即為圖2－9所示的比例微分控制器階躍回應(yīng)曲線(xiàn)的表達(dá)式。它表明，在階躍信號(hào)輸入下，比例微分控制器由比例作用輸出和微分作用輸出

兩部分組成。

和分別為（2-15）

返回目錄圖2－7

比例微分控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄

（2－16）當(dāng)t0時(shí)，由式（2－22）可得輸出得初始值為

（2－17）當(dāng)t

時(shí)，可得輸出得穩(wěn)態(tài)值為

（2－18）

式（2－13）、式（2－17）和式（2－18）表明，在階躍輸入下，比例微分控制器得輸出，一開(kāi)始將輸入信號(hào)放大倍，以後按時(shí)

間常數(shù)為的指數(shù)曲線(xiàn)下降，最

終只剩下比例作用的輸出（如圖2－7所示）。

圖2－7

比例微分控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄

（4）微分控制規(guī)律的特點(diǎn)

由於微分作用的輸出與偏差變化的速度成正比，這種根據(jù)偏差變化的趨勢(shì)提前採(cǎi)取控制措施稱(chēng)為“超前”。因此，微分作用也稱(chēng)為超前作用，這是微分作用的一個(gè)特點(diǎn)。圖2-8中，輸入信號(hào)為等速上升的斜坡信號(hào)X＝mt，比例微分作用的輸出經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)後，也是一等速上升的斜坡信號(hào)。由圖可以看出穩(wěn)定之後同一時(shí)刻的比例微分作用的輸出，總是超前與輸入一段恒定的時(shí)間。超前時(shí)間

可以求得為（2-19）圖2－8微分作用的超前作用

當(dāng)微分增益時(shí)，上式為。由於微分作用具有超前的返回目錄特點(diǎn)，因此微分作用如果使用得恰當(dāng)，可以使被控變數(shù)得超調(diào)量減小，操作週期和回復(fù)時(shí)間縮短，系統(tǒng)的品質(zhì)得到全面提高。特別對(duì)容量滯後較大的對(duì)象，其效果更加顯著。2.1.2.4.比例積分微分控制規(guī)律

PID控制規(guī)律是由基本的P、I（或PI）與D（或PD）控制規(guī)律組合而成。理想的PID作用的微分方程為（2-20）傳遞函數(shù)為

（2-21）（1）模擬控制器PID的運(yùn)算式

具有PID控制規(guī)律的實(shí)際模擬控制器可以是由單只放大器和微分電路、積分電路組成的PID結(jié)構(gòu)形式，也可以是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的P、PI和PD運(yùn)算部件通過(guò)串聯(lián)、並聯(lián)或串聯(lián)並聯(lián)混合方式組成的PID結(jié)構(gòu)形式。但是，不論儀錶的具體結(jié)構(gòu)形式如何，在對(duì)測(cè)量值和給定

返回目錄值的比較處理方面，可以分為如圖2-9所示的兩種形式，因此由兩種形式的PID運(yùn)算形式。（a）偏差型圖2－9PID控制器的偏差構(gòu)成形式（b）微分先行偏差型PID運(yùn)算式

如圖2-11（a）所示，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際控制器的傳遞函數(shù)為

(2-22)返回目錄微分先行PID運(yùn)算式

如圖2-9（b）所示，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際控制器的傳遞函數(shù)為

(2-23)

上式第一項(xiàng)的係數(shù)與式（2-22）是相同的，這說(shuō)明微分先行的PID控制器對(duì)測(cè)量值的變化仍然進(jìn)行PID運(yùn)算。同時(shí)也表明，微分先行的PID控制器對(duì)給定值的變化只進(jìn)行PI運(yùn)算。

（2）數(shù)字式PID運(yùn)算式

在數(shù)字控制器和DCS等電腦控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由電腦實(shí)現(xiàn)的。由於電腦只能進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算，同時(shí)電腦只能在一定的採(cǎi)樣時(shí)刻從生產(chǎn)過(guò)程中取得數(shù)據(jù)，並在一定的採(cǎi)樣時(shí)刻，將計(jì)算出來(lái)的控制信號(hào)送到執(zhí)行器，因此，必須採(cǎi)用數(shù)字式PID運(yùn)算式。返回目錄基本數(shù)字式PID運(yùn)算式

常用的數(shù)字式PID運(yùn)算式由位置型算式、增量型算式、速度型算式和偏差係數(shù)型算式等幾種。

a.位置型算式

位置型算式計(jì)算所得的

與實(shí)際調(diào)節(jié)閥的閥位相對(duì)應(yīng)，其算式如下(2-24)b.增量型算式

增量型PID算式計(jì)算兩個(gè)採(cǎi)樣週期PID輸出之差(2-25)返回目錄c.速度型算式

速度型算式是增量型算式的輸出值與採(cǎi)樣間隔時(shí)間Ts(2-26)

由於採(cǎi)樣間隔時(shí)間Ts是常數(shù),因而速度型算式與增量型算式在本質(zhì)上是相同的,這種算式一般僅適用於採(cǎi)用積分式執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。d.偏差係數(shù)型算式

偏差系統(tǒng)算式是將增量型算式展開(kāi)後合併同類(lèi)項(xiàng)而得到的，即由式（2-26）可得(2-27)返回目錄設(shè)，，，則有(2-28)

顯然，式（2-26）比式（2-28）簡(jiǎn)單，但看不出比例、積分、微分作用，它只反映各次採(cǎi)樣偏差對(duì)輸出即控制作用的影響程度。偏差係數(shù)

型算式只是換了一種表示形式，而本質(zhì)內(nèi)容並沒(méi)有變化，因而偏差系數(shù)型的PID算式在本質(zhì)上還是增量型的。

改進(jìn)型數(shù)字式PID運(yùn)算式

a.不完全微分算式

b.微分先行PID算式

c.帶靈敏區(qū)的PID算式

d.積分分離PID算式

返回目錄2.2.模擬控制器2.2.1.控制器的功能

控制器的作用是對(duì)來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，並輸出控制信號(hào)至執(zhí)行器。除了對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算外，一般控制器還需要具備如下功能，以適應(yīng)自動(dòng)控制的需要。（2）輸出顯示（1）偏差顯示（3）提供內(nèi)給定信號(hào)及內(nèi)、外給定的選擇（4）正、反作用的選擇（5）手動(dòng)操作與手動(dòng)/自動(dòng)雙向切換2.2.2.基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性模擬控制器都是由各種放大器和由電(氣)阻、電(氣)容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成，先討論組成模擬控制器的基本環(huán)節(jié)的特性，如表2－1返回目錄返回目錄表2-1基本環(huán)節(jié)的特性返回目錄電容與氣容返回目錄返回目錄續(xù)上表微分環(huán)節(jié)返回目錄

2.2.3.DDZ－III型電動(dòng)調(diào)節(jié)器2.2.3.1.概述

DDZ－III型電動(dòng)調(diào)節(jié)器有兩個(gè)基型品種：全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器，他們的結(jié)構(gòu)和線(xiàn)路相同，僅指示電路有些差異。它們均具有一般控制器的功能。另外，還可以附加某些單元，如輸入報(bào)警、偏差報(bào)警、輸出限幅單元等來(lái)增加調(diào)節(jié)器功能；也可構(gòu)成各種特種調(diào)偏差報(bào)警、輸出限幅單元等來(lái)增加調(diào)節(jié)器功能；也可構(gòu)成各種特種調(diào)節(jié)器和DDC備用調(diào)節(jié)器。2.2.3.2.基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成基型調(diào)節(jié)器線(xiàn)路原理圖如圖2－10所示，它由控制單元和指示單元兩部分組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、PD電路、PI電路、輸出電路以及軟手操和硬手操電路等。指示單元包括測(cè)量信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路?；驼{(diào)節(jié)器線(xiàn)路構(gòu)成方框圖如圖2－11所示。返回目錄圖2－10基型調(diào)節(jié)器線(xiàn)路原理圖返回目錄測(cè)量指示電路給定指示電路輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手操電路軟手操電路測(cè)量指示給定指示外內(nèi)指示單元控制單元輸出指示圖2－11

基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖返回目錄返回目錄2.2.3.3.基型調(diào)節(jié)器的電路分析

（1）輸入電路輸入電路是由運(yùn)算放大器A1等組成的偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路，它的作用有兩個(gè)：測(cè)量信號(hào)Ui和給定信號(hào)Us相減，得到偏差信號(hào)，在將偏差放大兩倍後輸出；電平移動(dòng)，將以0V為基準(zhǔn)的Ui轉(zhuǎn)換成以電平Ub（10V）為基準(zhǔn)的輸出信號(hào)Uo1。

輸入電路原理圖如圖2－12所示，由圖可見(jiàn)，它相當(dāng)於由兩個(gè)差動(dòng)輸入運(yùn)算放大電路疊加而成的：一個(gè)用於測(cè)量信號(hào)Ui，一個(gè)用於給定信號(hào)Us。採(cǎi)用這種電路形式有如下兩個(gè)目的。

本調(diào)節(jié)器要注意的問(wèn)題是：“自動(dòng)軟手操”、“硬手操軟手操”或“硬手操自動(dòng)”的切換均是無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)的，只有或軟手操切換到硬手操，必須進(jìn)行預(yù)平衡操作才能達(dá)到無(wú)擾動(dòng)切換。但這種切換一般只有在緊急情況下才可能進(jìn)行，那時(shí)擾動(dòng)已是次要問(wèn)題。返回目錄為了消除集中供電引入誤差由DDZ－III型系列儀錶構(gòu)成形式的控制系統(tǒng)，所有儀錶均由一個(gè)24V電源集中供電，如果採(cǎi)用普通的差動(dòng)輸入方式，電源回路在傳輸導(dǎo)線(xiàn)上的電壓降將影響調(diào)節(jié)器的精度。如圖2－13所示，兩線(xiàn)制變送器的輸出電流

在導(dǎo)線(xiàn)電阻上產(chǎn)生壓降，這時(shí)調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)不只是，而是，電壓就會(huì)引起運(yùn)算誤差。同樣，外給定信號(hào)在傳輸導(dǎo)線(xiàn)上的壓降也會(huì)引起輸入誤差。圖2－12

輸入電路原理圖兩線(xiàn)制變送器圖2－13

集中供電引入誤差原理圖返回目錄和在考慮引入導(dǎo)線(xiàn)電阻壓降時(shí)，圖2－12所示的輸入電路可以畫(huà)成圖

2－14所示形式。由圖2－14可見(jiàn)，測(cè)量信號(hào)Ui和Us均獨(dú)立地作為差動(dòng)輸入運(yùn)算放大電路的輸入信號(hào)，兩者極性相反，這樣導(dǎo)線(xiàn)電阻的壓降

均成為共模電壓信號(hào)。由於差動(dòng)輸入運(yùn)算放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，因此這兩個(gè)附加電壓不會(huì)影響運(yùn)算電路的精度。圖2－14

考慮導(dǎo)線(xiàn)電阻時(shí)輸入電路原理圖為了保證運(yùn)算放大器的正常工作。應(yīng)用疊加原理和分壓公式，可以求得（2-29）返回目錄

（2-30）根據(jù),由式（2－52）和式（2－53）可求得（2-31）不應(yīng)與R相等，其阻值應(yīng)略上述關(guān)係表明：輸出信號(hào)僅與測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)差值成正比比例係數(shù)為－2，而與導(dǎo)線(xiàn)電阻上得壓降把以0V為基準(zhǔn)的、變化範(fàn)圍為1～5V的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成以為基準(zhǔn)的、變化範(fàn)圍為0～±8V的偏差輸出信號(hào)另外，前面分析和計(jì)算都是假定相等。事實(shí)上，為了保證偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路的對(duì)稱(chēng)性，大於R返回目錄

（2）比例微分電路比例微分電路的作用是對(duì)輸入電路的輸出信號(hào)進(jìn)行比例微分運(yùn)算，整機(jī)的比例度和微分時(shí)間通過(guò)本電路進(jìn)行調(diào)整。其原理圖示於圖2－15，有圖可見(jiàn)，它由無(wú)源RC比例微分電路和同相端輸入運(yùn)算放大電路串聯(lián)而成。比例微分電路的傳遞函數(shù)為(2-32)斷通KS圖2－15

比例微分電路原理圖返回目錄由式（2－32）求得，在階躍輸入信號(hào)下，比例微分電路輸出的時(shí)間函數(shù)運(yùn)算式為(2-33)根據(jù)這一關(guān)係式，可得出PD電路的階躍回應(yīng)特性，如圖2－16所示。圖2－16

比例微分電路的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄（3）比例積分電路比例積分電路的主要作用是來(lái)自比例微分電路的電壓信號(hào)進(jìn)行比例積分運(yùn)算，輸出以為基準(zhǔn)的1～5VDC電壓信號(hào)給電路，其電路原理圖如圖2－17所示?！?0×1自軟硬軟硬自軟手操信號(hào)硬手操信號(hào)圖2－17

比例積分電路原理圖返回目錄圖2－17可簡(jiǎn)化為圖2－18的形式根據(jù)電路關(guān)係可求得實(shí)際比例積分運(yùn)算關(guān)係式(2-34)圖2－18

比例積分電路的簡(jiǎn)化電路在階躍輸入信號(hào)作用下，PI電路輸出的時(shí)間函數(shù)運(yùn)算式為(2-35)返回目錄根據(jù)上式可以畫(huà)出PI電路的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)，如圖2－19（4）整機(jī)傳遞函數(shù)

調(diào)節(jié)器的PID電路由上述的輸入電路，PD電路和PI電路三者串聯(lián)構(gòu)成，如圖2－20所示，其傳遞函數(shù)為這三個(gè)電路的傳遞函數(shù)的乘積?；?jiǎn)後可得(2-36)圖2－19實(shí)際PI控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄圖2－19實(shí)際PI控制器的階躍回應(yīng)曲線(xiàn)返回目錄-2圖2－20

調(diào)節(jié)器PID電路傳遞函數(shù)方框圖（5）輸出電路輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以為基準(zhǔn)的1～5VDC電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為流過(guò)負(fù)載（一端接地）的4～20mADC輸出電流，實(shí)際上它是個(gè)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。輸出電路如圖2－21所示。返回目錄為了便於分析輸出電路的工作原理，可將電阻VT1，VT2以及負(fù)載電阻RL等運(yùn)算放大器A4等效成一個(gè)運(yùn)算放大器，並畫(huà)成圖2－22的形式。由圖以及電路運(yùn)算關(guān)係可求得圖2－21

輸出電路原理圖返回目錄則有（2-37）

代入數(shù)值並取 則有相應(yīng)的輸出電流圖2－22

輸出電路的等效電路（6）手操電路

手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操和硬手操兩種操作方式。軟手操：是指調(diào)節(jié)器的輸出電流隨手動(dòng)輸入時(shí)間而逐漸改變。返回目錄硬手操：是指調(diào)節(jié)器輸出電流隨手動(dòng)輸入而立即改變。手動(dòng)操作電路是在比例積分電路的基礎(chǔ)上附加軟手操電路和硬手操電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2－23所示。圖2－23

手動(dòng)操作電路原理圖自軟硬自軟硬×1×10返回目錄軟手操電路當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S2置於軟手操（M）位置時(shí)，圖2－23可化簡(jiǎn)為圖2－24。軟圖2－24

軟手操等效電路硬手操電路自硬圖2－25

硬手操等效電路當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S2置於硬手操

（H）位置時(shí)，圖2－23的電路可

用圖2－25的電路等效。

注：自動(dòng)向硬手動(dòng)、軟手動(dòng)向硬手動(dòng)的切換，必須進(jìn)行預(yù)平衡操作，才能做到無(wú)擾動(dòng)切換。返回目錄2.2.3.4.基型調(diào)節(jié)器的附加電路為了適應(yīng)某些控制系統(tǒng)的特殊要求，調(diào)節(jié)器可增設(shè)各種附加單元電路，如偏差報(bào)警、輸入報(bào)警、輸出限幅等。在基型調(diào)節(jié)器上增設(shè)某些附加電路，可形成具有相應(yīng)功能的特種調(diào)節(jié)器，如PI/P切換調(diào)節(jié)器、積分回饋型限幅調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器等。下麵是幾個(gè)常用的有代表性的電路。（1）偏差報(bào)警電路通過(guò)電位器可以調(diào)整其大小。偏差報(bào)警電路在控制系統(tǒng)的偏差超出規(guī)定範(fàn)圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)報(bào)警信號(hào)由繼電器的接點(diǎn)輸出，可以用來(lái)接通指示燈、報(bào)警電鈴等回路，也可以間接地驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以?huà)?cǎi)取必要的緊急措施。偏差報(bào)警電路的原理圖如圖2－26所示，該電路接收調(diào)節(jié)器輸入電路的輸出信號(hào)，時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為報(bào)警設(shè)定值，圖2－30中，比較器A9、A10分別和VT1和VT2等構(gòu)成具有滯環(huán)特性的上限和下限報(bào)警電路。圖2－27

是偏差報(bào)警電路的工作特性。返回目錄圖2－26

偏差報(bào)警電路的原理圖J返回目錄圖2－27是偏差報(bào)警電路的工作特性。abcdef（a）（b）

(2)

輸出限幅電路輸出限幅電路的作用是將調(diào)節(jié)器的輸出限制在一定的範(fàn)圍之內(nèi)，以保證調(diào)節(jié)閥不處?kù)段ｋU(xiǎn)開(kāi)度，其原理圖2－28中虛線(xiàn)以下部分所示。由圖可見(jiàn)，它是通過(guò)限制VT3的輸入電壓，從而達(dá)到限制調(diào)節(jié)器輸出的目的。分別為上、下限幅設(shè)定電壓，改變它們的大小，可以改變調(diào)節(jié)器的輸出上、下限值。返回目錄上限幅下限幅圖2－28輸出限幅電路原理圖輸出電路基型調(diào)節(jié)器輸出限幅單元返回目錄（3）PI/P切換調(diào)節(jié)器為上限幅（或下限

PI/P切換調(diào)節(jié)器是在基型調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加了PI/P切換電路後構(gòu)成的。其功能是當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出在正常工作範(fàn)圍以?xún)?nèi)時(shí)，該調(diào)節(jié)器按PI控制規(guī)律工作，當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到上限值或下限值時(shí)，調(diào)節(jié)器立即由PI運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)切換為按P控制規(guī)律工作狀態(tài)，從而達(dá)到抗積分飽和目的。其工作原理如圖2－29虛線(xiàn)以下部分所示。PI/P切換電路由電壓跟隨器A6和A2、比較器A5以及場(chǎng)效應(yīng)管VT1等組成，幅）給定電壓。

調(diào)節(jié)器輸出為上限值時(shí)的PI/P切換是將圖2－29中S按實(shí)線(xiàn)位置連接。調(diào)節(jié)器輸出為下限值時(shí)的PI/P切換是將圖2－29中S按虛線(xiàn)位置連接。返回目錄圖2－29PI/P切換調(diào)節(jié)器原理圖1:1放大器基型調(diào)節(jié)器P/PI切換電路返回目錄2.2.4.氣動(dòng)儀錶PID運(yùn)算分析本節(jié)的目的是介紹氣動(dòng)儀錶的分析方法，因此選用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單直觀(guān)的力矩平衡式比例積分調(diào)節(jié)器為例介紹。力矩平衡式比例積分調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2－30所示。根據(jù)上述氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)作過(guò)程可以得到如圖2－31所示的方框圖。圖2－30力矩平衡式PI調(diào)節(jié)器原理圖返回目錄圖2－31

力矩平衡式PI調(diào)節(jié)器方框圖返回目錄可求得PI控制規(guī)律的運(yùn)算式

(2-38)若式（38）中，則可得理想的PI控制規(guī)律的運(yùn)算式(2-39)返回目錄

2.3.數(shù)字式控制器數(shù)字式控制器具有豐富的運(yùn)算控制功能和數(shù)字通訊功能、靈活而方便的操作手段、形象而直觀(guān)的數(shù)字或圖形顯示、高度的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了儀錶和電腦的一體化，比模擬控制器能更方便有效地控制和管理生產(chǎn)過(guò)程，因而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)用途和性能的差異，數(shù)字式控制器有以下幾種類(lèi)型。

（1）定程式控制器（2）可編程調(diào)節(jié)器（3）混合控制器

（4）批量控制器2.3.1.數(shù)字式控制器構(gòu)成原理模擬控制器只是由硬體（模擬元器件）構(gòu)成，它的功能也完全是由硬體構(gòu)成形式所決定，因此控制功能比較單一；而數(shù)字控制器由以處理返回目錄器（CPU）為核心構(gòu)成的硬體電路和由系統(tǒng)程式、用戶(hù)程式構(gòu)成的軟件兩大部分組成，其主要是由軟體所決定，因此可以實(shí)現(xiàn)各種不同的控制功能。2.3.1.1.數(shù)字式控制器的硬體電路數(shù)字式控制器的硬體電路由主機(jī)電路、過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人機(jī)介面電路以及通信介面電路等部分組成，其構(gòu)成框圖如圖

2－32所示。2.3.1.2.

數(shù)字式控制器的軟體數(shù)字式控制器的軟體分為系統(tǒng)程式和用戶(hù)程式兩大部分。2.3.1.3.

數(shù)字式控制器的特點(diǎn)（1）運(yùn)算控制功能強(qiáng)；（2）通過(guò)軟體實(shí)現(xiàn)所需功能；（3）帶有自診斷功能；（4）帶有數(shù)字通訊功能；（5）具有和模擬控制器相同的外特性；（6）保持常規(guī)模擬式控制器的操作方式。返回目錄圖2－32

數(shù)字式控制器的硬體電路返回目錄2.3.2.SPLC可編程調(diào)節(jié)器2.3.2.1.概述

SLPC可編程調(diào)節(jié)器是一種代表性、功能較為完全的可編程調(diào)節(jié)器，它具有基本PID、串級(jí)、選擇、非線(xiàn)性、採(cǎi)樣PI、批量PID等控制功能，並具有自整定功能，可哥使PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳整定。用戶(hù)只需使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言，即可編制各種控制與運(yùn)算程式，使調(diào)節(jié)器具有規(guī)定的控制運(yùn)算功能。

2.3.2.2.SLPC可編程調(diào)節(jié)器的硬體電路SLPC可編程調(diào)節(jié)器的硬體電路原理圖如圖2－33所示。（1）主機(jī)電路；（2）過(guò)程輸入通道；（3）過(guò)程輸出通道；（4）開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道；（5）人/機(jī)聯(lián)繫部件；（6）通訊介面電路。返回目錄

返回目錄返回目錄圖2－33SLPC可編程調(diào)節(jié)器的硬體電路原理圖返回目錄2.3.2.3.SLPC可編程調(diào)節(jié)器的軟體部分

SLPC可編程調(diào)節(jié)器的軟體由系統(tǒng)程式和功能模組兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)程式用於保證整個(gè)調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行，這部分用戶(hù)是不能調(diào)用的。SLPC可編程調(diào)節(jié)器的功能模組是以指令形式提供的。

SLPC可編程調(diào)節(jié)器指令有以下4種類(lèi)型：信號(hào)讀取指令LD、信號(hào)存儲(chǔ)指令ST、程式結(jié)束指令END和各種功能指令。

2.3.2.4.SLPC可編程調(diào)節(jié)器的應(yīng)用SLPC可編程調(diào)節(jié)器用戶(hù)程式的編制步驟和方法（5）列工作清單（worksheet）；（1）確定調(diào)節(jié)器應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)；（2）確定控制功能和控制演算法；（3）確定溫壓補(bǔ)償運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型；（4）數(shù)學(xué)模型的規(guī)格化；（6）填寫(xiě)數(shù)據(jù)清單（datasheet）；（7）程式清單。返回目錄

2－1

某控制器，初始輸出Uo為1.5VDC，當(dāng)Ui加入0.1V的階躍輸入（給定值不變），Uo為2V，隨後Uo線(xiàn)性上升，經(jīng)5minUo為4.5V則比例增益、比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間分別為多少？2－2

為什麼積分控制規(guī)律不單獨(dú)使用，而微分控制規(guī)律不能單獨(dú)使用？

2－4

基型調(diào)節(jié)器的輸入電路為什麼採(cǎi)用偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路？它是如何消除導(dǎo)線(xiàn)電阻所引起的誤差?

思考題與習(xí)題2－3

何謂積分飽和？它對(duì)控制系統(tǒng)有何影響？如何防止積分飽和？2－5

何謂相互干擾係數(shù)？它對(duì)控制參數(shù)有什麼影響？2－6

什麼是功能模組？SLPC可編程調(diào)節(jié)器有哪些功能模組?返回目錄

變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度，壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、記錄或控制之用。無(wú)論是由模擬儀錶構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計(jì)算機(jī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，變送器都是不可缺少的環(huán)節(jié)，獲取精確和可靠的過(guò)程參數(shù)值是進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。

按照被控參數(shù)分類(lèi)，變送器主要有差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器和流量變送器等。變送器的理想輸入輸出特性如圖3－1所示。和分別為變送器測(cè)量範(fàn)圍的上限值和下限值，即被測(cè)參數(shù)的上限值和下限值。圖中，。和分別為變送器輸出信號(hào)的上限值和下限值，對(duì)於模擬式變送器，和即為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上限值和下限值；對(duì)於智能式變送器，和即為輸出的數(shù)字信號(hào)範(fàn)圍的上限值和下限值。yx0圖3－1變送器的理想輸入輸出特性返回目錄由圖3－1可得出變送器的輸出一般運(yùn)算式為

式中x----變送器的輸入信號(hào)；

y----相對(duì)應(yīng)於X時(shí)變送器的輸出。3.1.概述3.1.1.變送器的構(gòu)成原理3.1.1.1.模擬式變送器的構(gòu)成原理

模擬式變送器完全由模擬元器件構(gòu)成，它將輸入的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其性能也完全取決於所採(cǎi)用的硬體。從構(gòu)成原理來(lái)看，模擬式變送器由測(cè)量部分，放大器和回饋部分三部分組成，如圖3－2所示。在放大器的輸入端還加有調(diào)與零點(diǎn)遷移信號(hào),由零點(diǎn)調(diào)整（簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)零）和零點(diǎn)遷移（簡(jiǎn)稱(chēng)遷移）環(huán)節(jié)產(chǎn)生。y0圖3－1變送器的理想輸入輸出特性x返回目錄

測(cè)量部分中包含檢測(cè)元件，它的作用是檢測(cè)被測(cè)參數(shù)x，並將其