第五章 自動控制儀表

1、第五章 自動控制儀表控制器是控制系統(tǒng)的核心?？刂破魇强刂葡到y(tǒng)的核心?？刂破鞯淖饔茫嚎刂破鞯淖饔茫嚎刂茍?zhí)行器，改變操縱變量，使被控變量符合生產(chǎn)要求?？刂茍?zhí)行器，改變操縱變量，使被控變量符合生產(chǎn)要求。 控制器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測變送環(huán)節(jié)傳送過來的信息與被控變控制器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測變送環(huán)節(jié)傳送過來的信息與被控變量的設(shè)定值比較后得到偏差，然后根據(jù)偏差按照一定的量的設(shè)定值比較后得到偏差，然后根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出控制信號作用于執(zhí)行器上。算，最終輸出控制信號作用于執(zhí)行器上。 控制器的分類控制器的分類控制器一般可按能源形式、信號類型和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類?？刂破饕话憧?/p>

2、按能源形式、信號類型和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。按能源形式：按能源形式：氣動氣動電動電動氣動控制儀表的特點氣動控制儀表的特點：結(jié)構(gòu)簡單，性：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價格便宜，能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，價格便宜，并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適并且具有本質(zhì)安全防爆性能，特別適用于石油、化工等有爆炸危險的場所。用于石油、化工等有爆炸危險的場所。目前采用的控制器以目前采用的控制器以電動控制電動控制器占絕大多數(shù)器占絕大多數(shù)電動控制儀表的特點電動控制儀表的特點：可以實現(xiàn)無滯后的遠(yuǎn)距離傳送，同時又具有能源簡單、便于和計可以實現(xiàn)無滯后的遠(yuǎn)距離傳送，同時又具有能源簡單、便于和計算機(jī)配合的特點。由于采取安全火花防

3、爆措施解決了防爆問題，算機(jī)配合的特點。由于采取安全火花防爆措施解決了防爆問題，電動儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險場所，因此在工業(yè)生產(chǎn)電動儀表同樣也能應(yīng)用于易燃易爆的危險場所，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。控制器的分類控制器的分類 信號制及供電方式信號制及供電方式 信號制信號制-指在成套儀表系列中，各個儀表的輸入輸出間指在成套儀表系列中，各個儀表的輸入輸出間 采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號來進(jìn)行信號傳輸?shù)膯栴}采用何種統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號來進(jìn)行信號傳輸?shù)膯栴}。氣動控制儀表氣動控制儀表：0.020.020.1MPa0.1MPa 電動控制儀表電動控制儀表，0 010mA10mA

4、（DCDC）電流信號作為電動電流信號作為電動型儀表型儀表 4 420mA20mA（DCDC）電流信號電流信號 1 15V5V（DCDC）電壓信號電壓信號 電動電動型儀表型儀表傳輸方式傳輸方式：進(jìn)出控制室的傳輸信號采用電流信號，：進(jìn)出控制室的傳輸信號采用電流信號， 控制室內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號采用電壓信號控制室內(nèi)部各儀表間聯(lián)絡(luò)信號采用電壓信號 模擬式模擬式 傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡單，傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，其線路簡單， 操作方便，價格較低操作方便，價格較低概概 述述 p一般與檢測裝置、顯示裝置一起組一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)裝在一個整體之內(nèi)p同時具有檢

5、測、控制與顯示的功能同時具有檢測、控制與顯示的功能p結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便p通用性差，信號不易傳遞通用性差，信號不易傳遞p一般應(yīng)用于簡單控制系統(tǒng)中。一般應(yīng)用于簡單控制系統(tǒng)中。 基地式儀表基地式儀表概概 述述 單元組合式儀表儀表單元組合式儀表儀表按各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表分為若干單元，按各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將整套儀表分為若干單元，各單元能獨立實現(xiàn)某種功能，使用時可以按生產(chǎn)工藝的不同要求各單元能獨立實現(xiàn)某種功能，使用時可以按生產(chǎn)工藝的不同要求挑選需要的單元加以組合，其特點是應(yīng)用靈活，通用性強(qiáng)，使用挑選需要的單元加以組合，其特點是應(yīng)用靈

6、活，通用性強(qiáng)，使用維護(hù)方便，特別適用于中、小企業(yè)的過程控制系統(tǒng)；維護(hù)方便，特別適用于中、小企業(yè)的過程控制系統(tǒng)； 數(shù)數(shù) 字字 式式它以微型計算機(jī)為核心，功能完善，它以微型計算機(jī)為核心，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要問題，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。它可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程、斷續(xù)生產(chǎn)過求。它可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程、斷續(xù)生產(chǎn)過程的控制，也可以通過在程的控制，也可以通過在PLCPLC中加入中加入PIDPID等等控制功能，實現(xiàn)批量控制?？刂乒δ埽瑢崿F(xiàn)批量控制。概概 述述 基本概念基本概念控制規(guī)律的定義：控制規(guī)律的定義：

7、是指控制器的是指控制器的輸出信號輸出信號與與輸入信號輸入信號之間的關(guān)系。之間的關(guān)系?？刂埔?guī)律就是控制器的輸出信號控制規(guī)律就是控制器的輸出信號p(t)p(t)隨輸入信號隨輸入信號e(t)e(t)變化的規(guī)律。變化的規(guī)律?？刂破鲌?zhí)行器對象測量變送器+SPxzepqyf( )( )( )0e tx tz t PIDPID控制器的一般形式為：控制器的一般形式為：p pf(e) f(e) 幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：eKpP比例作用（比例作用（P P） )1(0edtTeKptIP比例積分作用（比例積分作用（PIPI） )(dtdeTeKpD

8、P比例微分作用（比例微分作用（PDPD） )1(0dtdeTedtTeKpDtIP比例積分微分作用（比例積分微分作用（PIDPID）K KP P控制器的比例增益；控制器的比例增益； T TI I控制器的積分時間；控制器的積分時間； T TD D控制器的微分時間控制器的微分時間； 控制規(guī)律的表示形式控制規(guī)律的表示形式理想的理想的maxmaxminmin,0,0,0,0pepepppepe或圖5-1 理想雙位控制特性圖5-2 雙位控制示例實際實際為了降低控制機(jī)構(gòu)的開關(guān)頻率，延長控制系統(tǒng)中運(yùn)動部件的使用壽命。為了降低控制機(jī)構(gòu)的開關(guān)頻率，延長控制系統(tǒng)中運(yùn)動部件的使用壽命。給雙位控制系統(tǒng)增加了中間區(qū)，當(dāng)

9、偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機(jī)構(gòu)不給雙位控制系統(tǒng)增加了中間區(qū)，當(dāng)偏差在中間區(qū)內(nèi)變化時，控制機(jī)構(gòu)不會動作。會動作。maxmaxmaxminmaxminmin,peepppeepeemin保持或不變,e圖5-3 實際的雙位控制規(guī)律圖5-4 具有中間區(qū)的雙位控制過程雙位控制過程中一般采用雙位控制過程中一般采用振幅振幅與與周期周期作為品質(zhì)指標(biāo)作為品質(zhì)指標(biāo) 結(jié)論結(jié)論被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使被控變量波動的上、下限在允許范圍內(nèi)，使周期長周期長些比較有利。些比較有利。 雙位控制器雙位控制器結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單、成本較低成本較低、易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)，因而，因而應(yīng)用很普遍。應(yīng)用很普遍。 bpeapKe bp

10、ae根據(jù)相似三角形原理，有：Kp放大倍數(shù)（比例增益）KpKp越大，越大，控制器的輸出信號控制器的輸出信號p與輸入信號與輸入信號eKpKp（比例增益）比例增益）衡量比例控制作用強(qiáng)弱的變量。在實際中，衡量比例控制作用強(qiáng)弱的變量。在實際中，習(xí)慣上使用比例度習(xí)慣上使用比例度 表示比例控制作用的強(qiáng)弱。表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例度比例度 定義：控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)，定義：控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)，表達(dá)式為表達(dá)式為maxminmaxmin100%exxppp其中：其中：e e為控制器輸入信號的變化量，即偏差信號；為控制器輸入信號的變化量，

11、即偏差信號； (x (xmaxmax-x -xminmin) )為控制器輸入為控制器輸入信號的變化范圍，即量程；信號的變化范圍，即量程； p p為控制器輸出信號的變化量，即控制命令；為控制器輸出信號的變化量，即控制命令；( (p pmaxmax-p-pminmin) )為控制器輸出信號的變化范圍。為控制器輸出信號的變化范圍。例題例題：一臺比例作用的溫度控制器，其溫度的變化范圍為：一臺比例作用的溫度控制器，其溫度的變化范圍為400800400800，控，控制器的輸出范圍是制器的輸出范圍是420mA420mA。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從600600變化到變化到700700時，控制器相應(yīng)時，控制器相應(yīng)的輸出

12、從的輸出從8mA8mA變?yōu)樽優(yōu)?2mA12mA，試求該控制器的比例度。，試求該控制器的比例度。解：解：maxminmaxmin700600800400100%100%100%128204exxppp這說明在這個比例度下，溫度全范圍變化（相當(dāng)于這說明在這個比例度下，溫度全范圍變化（相當(dāng)于400 400 ）時，控制器的）時，控制器的輸出從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)，輸出從最小變?yōu)樽畲?，在此區(qū)間內(nèi)， p p 和和e e是成一一對應(yīng)比例關(guān)系。是成一一對應(yīng)比例關(guān)系?？梢钥闯霰壤鹊木唧w意義為：使控制器的輸出變化滿刻度時，相應(yīng)的控制可以看出比例度的具體意義為：使控制器的輸出變化滿刻度時，相應(yīng)的控制器輸入變化

13、量占輸入信號變化范圍的百分?jǐn)?shù)。即要使輸出做全范圍變化，輸器輸入變化量占輸入信號變化范圍的百分?jǐn)?shù)。即要使輸出做全范圍變化，輸入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮?。入信號必須改變?nèi)砍痰陌俜种畮?。左圖是比例度的示意圖，當(dāng)比例度分左圖是比例度的示意圖，當(dāng)比例度分別為別為50%50%、100%100%、200%200%時，只要偏時，只要偏差差e e的變化占輸入信號變化范圍的的變化占輸入信號變化范圍的50%50%、100%100%、200%200%時，控制器的輸時，控制器的輸出就可以由最小出就可以由最小p pminmin 變?yōu)樽畲笞優(yōu)樽畲髉 pmaxmax。maxminmaxmin(/) 100%epxxpp

14、比例度的定義式可改寫為比例度的定義式可改寫為maxminmaxminmaxminmaxmin11100%100%100%ppexxppCpKxxKppC C為控制器輸出信號的變化范圍與輸入信號的變化范圍之比，稱為為控制器輸出信號的變化范圍與輸入信號的變化范圍之比，稱為儀表儀表系數(shù)系數(shù)。對于單元組合儀表，有對于單元組合儀表，有maxminmaxmin()()xxpp所以所以1100%pK結(jié)論：比例度結(jié)論：比例度 與放大倍數(shù)與放大倍數(shù)K Kp p成反比。比例度成反比。比例度 越小，放大倍數(shù)越小，放大倍數(shù)K Kp p越大，越大，它將偏差（控制器輸入）放大的能力越強(qiáng)，反之亦然。它將偏差（控制器輸入）放

15、大的能力越強(qiáng)，反之亦然。為何會有余差為何會有余差 ？圖圖5-75-7簡單水槽的比例控制過程簡單水槽的比例控制過程液位開始下降液位開始下降作用在控制閥上的信號作用在控制閥上的信號進(jìn)水量增加進(jìn)水量增加偏差的變化曲線偏差的變化曲線在在t=tt=t0 0時，系統(tǒng)外加一個干擾作時，系統(tǒng)外加一個干擾作用用下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡過程。下圖為簡單水槽的比例控制系統(tǒng)的過渡過程。 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。 比例度比例度 愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，愈大，過渡過程曲線愈平穩(wěn)，余差也愈大。比例度愈小，余差也愈小，余差也愈大。比例度愈小，余差也愈小，過渡過程曲線振蕩愈厲

16、害。當(dāng)比例度過渡過程曲線振蕩愈厲害。當(dāng)比例度 減減小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩，小到某一數(shù)值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩，此時的比例度稱為此時的比例度稱為臨界比例度臨界比例度 k k。 圖5-8 比例度對過渡過程的影響PP K, K余 差小或一對矛盾 要統(tǒng)籌兼顧穩(wěn)定性高或輸出輸出p p與輸入與輸入e e的關(guān)系為：的關(guān)系為：0tIpKedt其中其中K KI I表示積分速度。表示積分速度。 輸出信號的大小不僅與偏差信號的大小有關(guān)，而且與偏差信號存在的時輸出信號的大小不僅與偏差信號的大小有關(guān)，而且與偏差信號存在的時間長短有關(guān)。只有在偏差信號間長短有關(guān)。只有在偏差信號e e 等于零的情況下，控制器的輸

17、出才能相對等于零的情況下，控制器的輸出才能相對穩(wěn)定。因此，穩(wěn)定。因此，力圖消除余差是積分控制作用的重要特性力圖消除余差是積分控制作用的重要特性。積分控制作用的積分控制作用的輸出信號輸出信號p p與偏差信號與偏差信號e e的的積分成正比。積分成正比。積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律階躍偏差下的開環(huán)輸出特性：階躍偏差下的開環(huán)輸出特性： 在幅度為在幅度為A A的階躍偏差作用下，積分控的階躍偏差作用下，積分控制器的開環(huán)輸出特性為制器的開環(huán)輸出特性為0tIIpKAdtK At如右圖所示，這是一條斜率不變的直線，如右圖所示，這是一條斜率不變的直線，直到控制器的輸出達(dá)到最大值或最小值直到控制器的輸出達(dá)到最大值或最小

18、值而無法再進(jìn)行積分為止，輸出直線的斜而無法再進(jìn)行積分為止，輸出直線的斜率即輸出的變化速度正比于控制器的積率即輸出的變化速度正比于控制器的積分速度分速度K KI I，即，即 dp/dt=Kdp/dt=KI IA A。 p e O O t A t KIAt 是比例作用和積分作用的合成，輸出是比例作用和積分作用的合成，輸出p p與輸入與輸入e e的關(guān)系為：的關(guān)系為：00( )1()tpItpIpKeKe t dtKeedtTT TI I稱為積分時間，稱為積分時間，T TI I=1/K=1/KI I積分控制的特點積分控制的特點（1 1）能消除余差）能消除余差（2 2）動作緩慢，調(diào)節(jié)不及時，一般不能單獨

19、使用）動作緩慢，調(diào)節(jié)不及時，一般不能單獨使用在幅度為在幅度為A A的階躍輸入下，比例輸出的階躍輸入下，比例輸出立即跳變到立即跳變到K Kp pA A，然后積分輸出隨時，然后積分輸出隨時間線性增長。輸出特性是一根截距為間線性增長。輸出特性是一根截距為K Kp pA A、斜率為、斜率為K Kp pA/TA/TI I的直線。的直線。開環(huán)輸出特性：開環(huán)輸出特性：積分時間積分時間T TI I越大，直線越平坦，說明積越大，直線越平坦，說明積分作用越弱；分作用越弱；T TI I越小，直線越陡峭，說越小，直線越陡峭，說明積分作用越強(qiáng)。明積分作用越強(qiáng)。ppIKpK AAtTKITITIp積分作用越強(qiáng)積分作用越強(qiáng)

20、積分時間積分時間TITI定義定義：在階躍偏差作用下，：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的時間，就是積分時間經(jīng)歷的時間，就是積分時間TI TI 。積分時間積分時間TI測定測定：將比例度將比例度置于置于100%100%的刻度上，然的刻度上，然后對控制器輸入一個幅度為后對控制器輸入一個幅度為A A的階躍的階躍偏差，測出控制器的輸出跳變值，偏差，測出控制器的輸出跳變值，同時按秒表計時，等到積分輸出與同時按秒表計時，等到積分輸出與比例輸出相同時所經(jīng)歷的時間就是比例輸出相同時所經(jīng)歷的時間就是積分時間積分時間TITI。TI圖5-11 積分時間對過渡過程的

21、影響結(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)點是能夠消除余差，然而降低了積分作用的優(yōu)點是能夠消除余差，然而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性；若要保持系統(tǒng)原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比例度，這會使系若要保持系統(tǒng)原有的衰減比，必須相應(yīng)加大控制器的比例度，這會使系統(tǒng)的其它控制指標(biāo)下降。因此，如果余差不是主要的控制指標(biāo)，就沒有統(tǒng)的其它控制指標(biāo)下降。因此，如果余差不是主要的控制指標(biāo)，就沒有必要引入積分作用。必要引入積分作用。 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 和和T TI I兩個兩個參數(shù)可供選擇，因此適

22、用范圍比較寬廣，多數(shù)控制系統(tǒng)都可以采用。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。例題分析對一臺比例積分控制器作開環(huán)試驗。已知對一臺比例積分控制器作開環(huán)試驗。已知K Kp p=2=2，T TI I= 0.5min= 0.5min。若輸入偏差如圖所示若輸入偏差如圖所示, ,試畫出該控制器的輸出信號變化曲線。試畫出該控制器的輸出信號變化曲線。輸入偏差信號變化曲線例題分析例題分析圖圖 輸出曲線圖輸出曲線圖edtpI4當(dāng)當(dāng)K KC C = 2 , = 2 , T TI I = 0. 5min = 0. 5min時時31430244dtdtpI3184dtpI 在在t t=0=01mi

23、n1min期間期間, ,由于由于e e=0 ,=0 ,故輸出為故輸出為0 0。在在t t=1=13min3min期間期間, ,由于由于e e=1,=1,所以所以t t=3min=3min時時, ,其輸出其輸出 在在t t=3=34min4min期間期間, ,由于由于e e=-2,=-2,故故t t=4min=4min時時, ,其積分總輸出其積分總輸出 故故p pI I輸出波形如圖輸出波形如圖9-22 (b)9-22 (b)所示。所示。 將圖將圖 (a) (a)、(b)(b)曲線疊加曲線疊加, ,便可得到便可得到PIPI控制器的輸出控制器的輸出, ,如圖如圖9 (c)9 (c)所示。所示。 微分

24、控制規(guī)律微分控制規(guī)律deDdtpTTD-微分時間微分時間按偏差變化速度進(jìn)行控制，理想的微分控制規(guī)律，其輸出信號按偏差變化速度進(jìn)行控制，理想的微分控制規(guī)律，其輸出信號p p正比于輸入正比于輸入信號信號e e對時間的導(dǎo)數(shù)：對時間的導(dǎo)數(shù)： 理想微分器在階躍偏差信號作用下的開環(huán)輸理想微分器在階躍偏差信號作用下的開環(huán)輸出特性是一個幅度無窮大、脈寬趨于零的尖出特性是一個幅度無窮大、脈寬趨于零的尖脈沖，輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與脈沖，輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的存在與否無關(guān)，即偏差固定不變時，偏差的存在與否無關(guān)，即偏差固定不變時，不論其數(shù)值有多大，微分作用都無輸出。純不論其數(shù)值有多大，微分作

25、用都無輸出。純粹的微分控制是無益的，因此常將微分控制粹的微分控制是無益的，因此常將微分控制與比例控制結(jié)合在一起使用與比例控制結(jié)合在一起使用。階躍偏差下的開環(huán)輸出特性：階躍偏差下的開環(huán)輸出特性：理想的比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為理想的比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為比例微分控制規(guī)律比例微分控制規(guī)律()pDdepKeTdt理想的比例微分控制器的開環(huán)輸理想的比例微分控制器的開環(huán)輸出特性如右圖所示出特性如右圖所示t0pet理想比例微分開環(huán)輸出特性理想比例微分開環(huán)輸出特性理想的比例微分控制器在制造上是困難的，理想的比例微分控制器在制造上是困難的，工業(yè)上都是用實際比例微分規(guī)律的控制器。工業(yè)上都是用實際比例

26、微分規(guī)律的控制器。實際比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為實際比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (1)exp()DppDDKpK AK A KtTKD為微分增益（微分放大倍數(shù)）為微分增益（微分放大倍數(shù)）0 ,(0 ),( )0.368(1),( )pDDpDpDptpK K ATtTp TK A KK AKtpK A 動態(tài)特性分析動態(tài)特性分析實際比例微分控制器在幅度為實際比例微分控制器在幅度為A的階躍偏差作用的階躍偏差作用下的開環(huán)輸出特性，見下圖。下的開環(huán)輸出特性，見下圖。KPAKPKDApe階躍偏差作用下實際比例微分開環(huán)輸出特性階躍偏差作用下實際比例微分開環(huán)輸出特性在偏差跳變瞬間，輸出跳變幅在偏差跳

27、變瞬間，輸出跳變幅度為比例輸出的度為比例輸出的KD倍，即倍，即KDKpA,然后按指數(shù)規(guī)律下降，然后按指數(shù)規(guī)律下降，最后當(dāng)最后當(dāng)t趨于無窮大時，僅有趨于無窮大時，僅有比例輸出比例輸出KpA。因此決定微分。因此決定微分作用的強(qiáng)弱有兩個因素：一個作用的強(qiáng)弱有兩個因素：一個是開始跳變幅度的倍數(shù)，用微是開始跳變幅度的倍數(shù)，用微分增益分增益KD來衡量，另一個是來衡量，另一個是降下來所需要的時間，用微分降下來所需要的時間，用微分時間時間TD來衡量。輸出跳得越高，來衡量。輸出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越或降得越慢，表示微分作用越強(qiáng)。強(qiáng)。 微分增益微分增益KD是固定不變的，是固定不變的，只與控制器的類型

28、有關(guān)。電只與控制器的類型有關(guān)。電動控制器的動控制器的KD一般為一般為510。如果如果KD =1，則此時等同于純，則此時等同于純比例控制。比例控制。 KD 1，稱為，稱為正微正微分分。KD 1的，稱為的，稱為反微分器反微分器，它的控制作用反而減弱。這它的控制作用反而減弱。這種反微分作用運(yùn)用于噪音較種反微分作用運(yùn)用于噪音較大的系統(tǒng)中，會起到較好的大的系統(tǒng)中，會起到較好的濾波作用。濾波作用。KPAKPKDApe微分時間微分時間TD越大，微分作用越強(qiáng)。由于微分在輸入偏差變化的越大，微分作用越強(qiáng)。由于微分在輸入偏差變化的瞬間就有較大的輸出響應(yīng)，因此微分控制被認(rèn)為是超前控制。瞬間就有較大的輸出響應(yīng)，因此微

29、分控制被認(rèn)為是超前控制。微分時間微分時間TD的測定：的測定：先測定階躍信號先測定階躍信號A作用下比作用下比例微分輸出從例微分輸出從KDKpA下降到下降到KpA+0.368KpA(KD-1)所經(jīng)歷的所經(jīng)歷的時間時間t，此時，此時t=TD/KD，再將，再將該時間該時間t乘以微分增益乘以微分增益KD即即可?？伞PAKPKDApe0.368KpA(KD -1)例如，當(dāng)例如，當(dāng)Kp=1，KD=5時，輸入偏差變化時，輸入偏差變化e=A=2mA,則則KDKpA=10mA， KpA+0.368KpA(KD-1) 5mA。測定輸出從測定輸出從10mA下降到下降到5mA所經(jīng)歷的時間所經(jīng)歷的時間t，則則TD= t

30、 KD1()pDIdepKeedtTTdt由于由于PID控制器有比例度控制器有比例度、積分時間、積分時間TI、微分時、微分時間間TD三個參數(shù)可供選擇，三個參數(shù)可供選擇，因而適用范圍廣，在溫因而適用范圍廣，在溫度和成分分析控制系統(tǒng)度和成分分析控制系統(tǒng)中得到更為廣泛的應(yīng)用。中得到更為廣泛的應(yīng)用。 各類化工過程常用的控制規(guī)律如下：各類化工過程常用的控制規(guī)律如下：液位：液位：一般要求不高，用一般要求不高，用P或或PI控制規(guī)律；控制規(guī)律；流量流量：時間常數(shù)小，測量信息中雜有噪音，用：時間常數(shù)小，測量信息中雜有噪音，用PI或或加反微分控制規(guī)律；加反微分控制規(guī)律；壓力：壓力：介質(zhì)為液體的時間常數(shù)小，介質(zhì)為氣

31、體的時介質(zhì)為液體的時間常數(shù)小，介質(zhì)為氣體的時間常數(shù)中等，用間常數(shù)中等，用P或或PI控制規(guī)律；控制規(guī)律；溫度：溫度：容量滯后較大，用容量滯后較大，用PID控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。 6.3.1模擬式控制器基本結(jié)構(gòu)模擬式控制器基本結(jié)構(gòu) 模擬式控制器所傳送的信號形式為連續(xù)的模擬信號，其基本結(jié)構(gòu)包模擬式控制器所傳送的信號形式為連續(xù)的模擬信號，其基本結(jié)構(gòu)包括比較環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)、放大器三部分。括比較環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)、放大器三部分。6.3 模擬式控制器模擬式控制器 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié): :將被控變量的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差。電動控制器是在將被控變量的測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差。電動控制器是在輸入電路中進(jìn)行

32、電壓或電流信號的比較。輸入電路中進(jìn)行電壓或電流信號的比較。 反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié): :控制器的控制器的PIDPID控制規(guī)律是通過反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行的。輸出的電信號通過控制規(guī)律是通過反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行的。輸出的電信號通過電阻和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。電阻和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。放大器放大器 : : 放大器實質(zhì)上是一個穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動控制器中可放大器實質(zhì)上是一個穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動控制器中可采用高增益的集成運(yùn)算放大器。采用高增益的集成運(yùn)算放大器。 6.3.2 6.3.2 DDZ-DDZ-型電動單元控制器型電動單元控制器 是模擬式控制器中較為常見的一種，它以來自變送器或轉(zhuǎn)換

33、器的是模擬式控制器中較為常見的一種，它以來自變送器或轉(zhuǎn)換器的1 15 5V V直流測量信號作為輸入信號，與直流測量信號作為輸入信號，與1 15 5V V直流設(shè)定信號相比較得到偏差信號，直流設(shè)定信號相比較得到偏差信號，然后對此信號進(jìn)行然后對此信號進(jìn)行PIDPID運(yùn)算后，輸出運(yùn)算后，輸出1 15 5V V或或4 42020mAmA直流控制信號，以實現(xiàn)直流控制信號，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。對工藝變量的控制。 電氣零點不是從零開始，且不與機(jī)械零點重合，這不但利用了晶體管的線性段，而且容易識別斷電、斷線等故障。 本信號制的電流-電壓轉(zhuǎn)換電阻為250。 由于聯(lián)絡(luò)信號為15V DC，可采用并聯(lián)信號制，因此干

34、擾少，連接方便。 由于集成運(yùn)算放大器均為差分放大器，且輸入對稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高。 由于集成運(yùn)算放大器有高增益，因而開環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到提高。 由于采用了集成電路，焊點少，強(qiáng)度高，大大提高了儀表的可靠性。 各單元省掉了電源變壓器，沒有工頻電源進(jìn)入單元儀表，既解決了儀表發(fā)熱問題，又為儀表的防爆提供了有利條件。 在工頻電源停電時備用電源投入，整套儀表在一定時間內(nèi)仍可照常工作，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)視控制作用，有利于安全停車。 （ （ 基型控制器基型控制器 當(dāng)控制器處于當(dāng)控制器處于“自動自動”狀態(tài)狀態(tài)時，測量信號與設(shè)定信號通過輸入電時，測量信號與設(shè)定信號通過輸入電路進(jìn)行比較，由比

35、例微分電路、比例積分電路對其偏差進(jìn)行路進(jìn)行比較，由比例微分電路、比例積分電路對其偏差進(jìn)行PDPD和和PIPI運(yùn)算后，運(yùn)算后，再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為4 42020mAmA直流電流，作為控制器的輸出信號，去控制執(zhí)行直流電流，作為控制器的輸出信號，去控制執(zhí)行器。器。 當(dāng)控制器處于當(dāng)控制器處于“保持保持”狀態(tài)（即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值）狀態(tài)（即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值）時，若同時將控制器切換到時，若同時將控制器切換到“軟手動軟手動”狀態(tài)，輸出可按快或慢兩種速度線狀態(tài)，輸出可按快或慢兩種速度線性地增加或減小，以對工藝過程進(jìn)行手動控制。當(dāng)控制器處于性地增加或減小，以對工藝過程進(jìn)行手動控

36、制。當(dāng)控制器處于“硬手動硬手動”狀態(tài)時，控制器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的位狀態(tài)時，控制器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的位置一一對應(yīng)。置一一對應(yīng)。 控制器的工作狀態(tài)有控制器的工作狀態(tài)有“自動自動”、“軟手動軟手動”、“硬手動硬手動”及及“保持保持”四種四種控制器中將偏差控制器中將偏差e e定義為測量值與設(shè)定值之差（定義為測量值與設(shè)定值之差（e=X-Ze=X-Z），），若測量值大于若測量值大于設(shè)定值，稱為正偏差；若測量值小于設(shè)定值，稱為負(fù)偏差。設(shè)定值，稱為正偏差；若測量值小于設(shè)定值，稱為負(fù)偏差。當(dāng)控制器置當(dāng)控制器置于于“正正”作用時，控制器的輸出隨著正偏差的

37、增加而增加；置于作用時，控制器的輸出隨著正偏差的增加而增加；置于“反反”作用時，控制器的輸出隨著正偏差的增加而減小。作用時，控制器的輸出隨著正偏差的增加而減小。若是負(fù)偏差，其控制若是負(fù)偏差，其控制器在器在“正正”、“反反”作用下的輸出剛好與正偏差的情況相反。作用下的輸出剛好與正偏差的情況相反。 控制器還設(shè)有控制器還設(shè)有“正正”、“反反”作用開關(guān)供選擇，以滿足作用開關(guān)供選擇，以滿足控制系統(tǒng)的控制要求控制系統(tǒng)的控制要求 使用基型控制器時有幾點應(yīng)注意：使用基型控制器時有幾點應(yīng)注意： 正確設(shè)置內(nèi)、外設(shè)定開關(guān)正確設(shè)置內(nèi)、外設(shè)定開關(guān) “內(nèi)內(nèi)”設(shè)定時，設(shè)定電壓信號由控制器內(nèi)部的設(shè)定電路產(chǎn)生，操作設(shè)定時，設(shè)定

38、電壓信號由控制器內(nèi)部的設(shè)定電路產(chǎn)生，操作者通過設(shè)定值撥盤確定設(shè)定信號大小。者通過設(shè)定值撥盤確定設(shè)定信號大小。在定值控制系統(tǒng)中，控制器應(yīng)置于在定值控制系統(tǒng)中，控制器應(yīng)置于“內(nèi)內(nèi)”設(shè)定。設(shè)定。 “ “外外”設(shè)定時，由外部裝置提供設(shè)定值信號。設(shè)定時，由外部裝置提供設(shè)定值信號。在隨動控制系統(tǒng)中，在隨動控制系統(tǒng)中，控制器應(yīng)置于控制器應(yīng)置于“外外”設(shè)定。設(shè)定。如串級控制系統(tǒng)中的副控制器設(shè)定值由主控制器如串級控制系統(tǒng)中的副控制器設(shè)定值由主控制器的輸出值提供；比值控制中的從動量控制器設(shè)定值由主動量測量值提供。的輸出值提供；比值控制中的從動量控制器設(shè)定值由主動量測量值提供。 正確設(shè)置正確設(shè)置P P、I I、D

39、D參數(shù)。控制器上的參數(shù)?？刂破魃系腜IDPID參數(shù)不能任意設(shè)置，必須通過參參數(shù)不能任意設(shè)置，必須通過參數(shù)整定，選擇一組合適的數(shù)整定，選擇一組合適的PIDPID參數(shù)，這樣才能保證控制器在控制系統(tǒng)中發(fā)參數(shù)，這樣才能保證控制器在控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。揮作用。 一般在剛剛開車或控制工況不正常時采用手動控制，待系統(tǒng)正常穩(wěn)一般在剛剛開車或控制工況不正常時采用手動控制，待系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時無擾動切換到自動控制。定運(yùn)行時無擾動切換到自動控制。 控制器控制器“正正”、“反反”作用開關(guān)不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及作用開關(guān)不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及控制閥的氣開、氣關(guān)情況來決定，保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋。控制閥的氣開

40、、氣關(guān)情況來決定，保證控制系統(tǒng)為負(fù)反饋。 17圖5-18 DTL-3110型調(diào)節(jié)器正面圖1自動-軟手動-硬手動切換開關(guān)；2雙針垂直指示器；3內(nèi)給定設(shè)定輪；4輸出指示器；5硬手動操作桿；6軟手動操作板鍵；7外給定指示燈；8閥位指示器；9輸出記錄指示；10位號牌；11輸入檢測插孔；12手動輸出插孔 數(shù)字式控制器模擬式控制器構(gòu)成原理數(shù)字技術(shù)模擬技術(shù)所用器件以微處理機(jī)為核心部件以運(yùn)算放大器等模擬電子器件為基本部件儀表總的功能和輸入輸出關(guān)系基本一致。 n 一、概述一、概述6.4.2 數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成 硬件部分硬件部分 主機(jī)電路主機(jī)電路過程輸入輸出通道過程輸入輸出通道人人-機(jī)聯(lián)

41、系部件機(jī)聯(lián)系部件通訊部件通訊部件ROMROM存放系統(tǒng)程序。存放系統(tǒng)程序。EPROMEPROM存放用戶程序存放用戶程序 . .RAM RAM 存放輸入數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間值、結(jié)果存放輸入數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間值、結(jié)果CTCCTC的定時功能用來確定調(diào)節(jié)器的采樣周期等等的定時功能用來確定調(diào)節(jié)器的采樣周期等等 多為單片機(jī)多為單片機(jī) 是數(shù)字式調(diào)節(jié)器的核心，用于實現(xiàn)儀表數(shù)是數(shù)字式調(diào)節(jié)器的核心，用于實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，各組成部分之間的管理。據(jù)運(yùn)算處理，各組成部分之間的管理。 將多個模擬量輸入信號分別轉(zhuǎn)換為將多個模擬量輸入信號分別轉(zhuǎn)換為CPUCPU所接受的數(shù)字量。所接受的數(shù)字量。 多路模擬開關(guān)將多

42、個模擬量輸入信號分別連接到采樣保持器。多路模擬開關(guān)將多個模擬量輸入信號分別連接到采樣保持器。 采樣保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用采樣保持器具有暫時存儲模擬輸入信號的作用 A AD D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。 利用利用D DA A轉(zhuǎn)換器與電壓比較器，按逐位比較原理來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。轉(zhuǎn)換器與電壓比較器，按逐位比較原理來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。 開關(guān)量輸入通道將多個開關(guān)輸入信號轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)識別的數(shù)字信號。開關(guān)量輸入通道將多個開關(guān)輸入信號轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)識別的數(shù)字信號。 開關(guān)量指的是在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷，或者邏輯電平為開關(guān)量指的是

43、在控制系統(tǒng)中電接點的通與斷，或者邏輯電平為“1”1”與與“0”0”這類兩種狀態(tài)的信號這類兩種狀態(tài)的信號開關(guān)量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進(jìn)行隔離傳輸。開關(guān)量輸入通道常采用電耦合器件作為輸入電路進(jìn)行隔離傳輸。 依次將多個運(yùn)算處理后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換依次將多個運(yùn)算處理后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換D/AD/A轉(zhuǎn)換器起數(shù)模轉(zhuǎn)換作用。轉(zhuǎn)換器起數(shù)模轉(zhuǎn)換作用。 V VI I轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換器將15V15V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成420mA420mA的電流信號。的電流信號。 開關(guān)量輸出通道通過鎖存器輸出開關(guān)量（包括數(shù)字、脈沖量）信號，以便控開關(guān)量輸出通道通過鎖存器輸出開關(guān)量（包括數(shù)字、脈沖量）信號，以便控制制繼電器觸點和無觸點開關(guān)的接通與釋放，也可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。繼電器觸點和無觸點開關(guān)的接通與釋放，也可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 采用光電耦合器件作為輸出電路進(jìn)行隔離傳輸采用光電耦合器件作為輸出電路進(jìn)行隔離傳輸 主要有主要有 以位并以位并行、字行、字節(jié)