1、上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄 型調節器型調節器第第4章章 過程控制儀表過程控制儀表上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄調節器將來自變送器的測量信號 與調節器的內給定或外給定信號 進行比較，得到其偏差 ，即 然后調節器對該偏差信號按某一規律進行運算，輸出調節信號控制執行機構的動作，以實現對被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動控制作用。 iVSVSiVV 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄 型調節器圖4-1 全刻度指示調節器組成框圖 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄圖4-2 全刻度指示調節器原理圖 上頁上頁下頁下頁目

2、目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄調節器由控制單元和指示單元組成調節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運算電路、V/I轉換電 路、軟手操和硬手操電路； 指示單元包括測量信號指示和給定信號指示電路。 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄一、一、 輸入電路輸入電路 設A1為理想運算放大器，其開環增益和輸入阻抗為無窮大，T點和F點同電位，即 。由節點電流法可求得: 即：有：FVTV= 321III321IIIRVVVRVRVVBFFFi)21(0o1RVVRVVRVBTTsT02)(21oVsVVi結論：結論：1. 輸出信號 是偏差信號 的兩 倍；2. ，

3、均以零伏為基準的DC 15V， 而 是以 =10V為基準的信號，從 而實現了電平轉移。 1oViVsV1oVBV圖4-3 輸入電路上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 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 比例微分電路 圖4-5比例微分電路的組成a) 無源微分電路 b)比例放大電路 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄有： 設A2為理想運算放大器，其開環增益和輸入阻抗均為無窮大，而輸出阻抗為零，則可不考慮放大器的影響，前后兩部分可單獨分析其運算關系。然后兩部分的傳遞函

4、數相乘，即可得出比例微分電路的傳遞函數 TVVo2sCRRsVnnnsVsVDDDT1)(1)()(1o1o)(1111osVsCRsCnRnDDDD=)(1)(2osVsVF因為)()(sVsVTF所以)()(o2sVsVTnKD設 ， ，把上式化成一般形式 DDDDDDCRKCnRT)(11)(o1o2sVsKTsTKsVDDDDsKTsTKsVsVsWDDDDPD11)()()(1o2o所以PD電路的傳遞函數為 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄當 為階躍作用時，利用拉氏變換，可求得 隨時間變化的數學表達式 ： 1OVo2V)() 1(1 )(1o2otVeKKtVtT

5、KDDDD依據下式，可用實驗法求取微分時間TD %2 .63)()0()()0(2o2o2o2oVVKTVVDD 當開關S置于圖4-4所示位置時，該電路為比例微分電路；當S處于“斷”位置時，微分作用被切除，電路僅具有比例作用。此時微分電容CD通過電阻R并聯在9.1K電阻兩端，CD上的電壓始終跟隨9.1K電阻上的壓降。當S需要從“斷”位置切換至“通”位置時，在切換的瞬間，由于電容上的電壓不能突變，從而保持不變，對控制系統不產生擾動，實現無擾動切換。 圖4-6 PD電路輸出的 階躍響應曲線 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 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4-7 PI電路 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄CI和CM組成比例運算電路，即 圖4-8 PI電路的簡化a) S3在TI1檔 b) S3在TI10檔 2oo23o11VCCVsCsCVMIIMP上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄RI和CM組成積分運算電路，即 dtVCRdtRVCVMIIMI2o2o3o11不難看出，PI電路的輸出是上述兩種運算的疊加，即dtVCRVCCVMIMI2o2

7、o3o1當 為常數時有： 2oV2o3o)1 (VCRtCCVIIMI設積分時間 ，積分增益 IIICmRT IMImCCKK3設A3的開環增益為 K3，且其不能為無窮大，經整理并簡化后有sTKsTCCWIIIMIsPI1111)(PI電路的傳遞函數表達式 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄當輸入為階躍作用時，利用拉氏反變換可得的時間函數表達式 )() 1()(2o3otVeKKCCtVIITKtIIMI可作出實際PI電路在 為階躍作用時輸出 的響應特性，見圖4-9。 2oV3oV圖4-9 PI電路輸出階躍響應曲線 同樣可用實驗法來測定積分時間TI。 上頁上頁下頁下頁目目 錄

8、錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄四、四、 整機的整機的PID傳遞函數傳遞函數 調節器的輸入電路、PD運算電路和PI運算電路，這三個環節決定了整機的傳遞函數，如圖4-10。 圖4-10 調節器傳遞函數框圖 于是調節器的傳遞函數為sTKsTsKTsTCCnsVsVsVsWIIIDDDMIsi1111112)()()()(3osKTsTKTKKTsTsTTTCCnDDIIIIDDDIIDMI11112上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干擾系數：1DITFT MIPnCCK2比例增益：1PK比例度：DDDDDCRCnRT10

9、微分時間：10 nKD微分增益：積分時間：IIICmRT 積分增益：IMICCmKK3 由于相互干擾系數F的存在，上述參數的實際整定值與刻度值（ F 1時）之間的關系為： *FFTTDD*IIFTT*上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄拉氏反變換后，可求得輸出與輸入的時間函數表達式為： )(3otV3( )()(1)()()DIIDKttK TTOPIDisVtKFKFeKF eVV圖4-11為輸入信號為階躍作用時，調節器的輸出響應特性： 圖4-11 PID調節器的輸出階躍響應曲線 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄五、五、輸出電路輸出電路 圖4-12 輸出電

10、路 KRR1043設：3214RRR可列出下列方程： 2454524232BBBTVVRRRVV43o13o44RVVVRVVVRVVBFBFFf)(51543oBfFVVVV即有： 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4ATFVV3o4124VVfffRIVo24 fRVI43oofI1VTBIoo II fRVI43oo設設 為理想運算放大器，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 ： 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄六、手動操作電路和無平衡無擾動切換六、手動操作電路和無平衡無擾動切換 調節器的手動操作

11、電路是附加在PI運算電路中而組成的，有軟手操和硬手操兩種，見圖4-13。 圖4-13 手動操作電路 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄 無平衡無擾動切換是指切換時無需預先調平衡，可隨時切換至所需位置，而切換時調節器的輸出電流不變，對生產過程不產生擾動。無平衡擾動切換：1) 自動軟手操的切換是雙向無平衡無擾動切換。2）同理，硬手操軟手操或者硬手操自動的切換也是 無平衡無擾動切換。3）自動硬手操或軟手操硬手操切換時，欲做到無擾 動切換，必須預先調平衡。上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 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

12、為理想運放，電阻R均為500K該電路是一個電壓跟隨器 即有：由于反饋支路的電流很小，可忽略不計，故流過電流表的電流 0ooRVIIi上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄 隨著生產過程的復雜化和嚴格要求，出現各種復雜的調節系統，而采用基型調節器往往達不到生產過程所要求的控制指標。因此要求調節器的功能在基型調節器基礎上進一步擴大。實現方法是在基型調節器內部增加各種附加單元，以改善其性能。 抗積分飽和調節器抗積分飽和調節器 微分先行微分先行PID調節器調節器 比例微分先行比例微分先行PID調節器調節器 非線性非線性PID調節器調節器上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄

13、一、抗積分飽和調節器一、抗積分飽和調節器圖4-18 積分反饋型抗積分飽和調節器的組成 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄調節過程：圖4-19 抗積分飽和調節器的調節過程 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄二、微分先行二、微分先行PID調節器調節器)()(1)()11 (100)(sVsKTsTsEsTPsMVsDDDI)()11 ()()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI調節器的傳遞函數： 圖4-20微分先行PID調節器原理框圖 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄三、比例微分先行三、比例微分先行PID調節器調節器圖4-

14、21比例微分先行PID調節器的組成框圖 調節器的傳遞函數： )()(11)(1100)(sVsKTsTsEsTPsMViDDDI)(1)()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄四、非線線四、非線線PID調節器調節器非線性PID調節器分為： 分段PID調節器 不靈敏區的PID調節器 不靈敏區的PID調節器，如圖4-22： 在控制點附近一個區域內比例增益大幅降低，而在這個區域以外，則比例增益恢復原值 圖4-22 非線性調節器的調節特性 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄調節原理：圖4-23 非線性調節器的組成

15、原理 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄數字式調節器的優點： 開發周期短，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，性能穩定，工作可靠； 使用和維護方便。 數字式調節器目前已在各行各業的自動控制系統中得到廣泛的應用。 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄一、數字式調節器控制規律的實現一、數字式調節器控制規律的實現 DDZ調節器是模擬式調節器，它利用電子電路進行連續的PID運算。 數字式調節器以微計算機為核心進行有關控制規律的運算，所有控制規律的運算都是周期性的進行，即數字式調節器是離散系統。因此，用于連續系統的PID控制規律必須進行

16、離散化后方可應用于數字式調節器。控制算法：完全微分PID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 實現形式： 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 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：上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2. 不完全微分PID算法 在完成微分PID的輸出端串聯一階慣

17、性環節，如圖4-24。 完全微分PID算法的缺點： 微分作用過于靈敏，微分作用持續時間短，容易引起控制系統振蕩，降低控制品質； 閥門開度時間與調節器的輸出信號時間不相對應 。不完全微分PID調節器：圖4-24 不完全微分PID調節器組成原理框圖 11)( )()(sTsYsYsWff上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 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算法的輸出在較長時間內仍有微分作用，可獲得較好的控制效果，在數字式調節器廣泛應用。 上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄3. 抗積分飽和算法數字調節器最簡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：)2()(211nnnDnILnnPKKKKMV首先判斷偏差 的絕對值 是否趨于預先設定的偏差限定值A，然后確定是否投入積分作用，即： AAKL當當10上頁上頁下頁下頁目目 錄錄上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4. 數字