過程控制與自動化儀表-第三章-調(diào)節(jié)器

1、 過程控制儀表過程控制儀表調(diào)節(jié)器（可編程序控制器）調(diào)節(jié)器（可編程序控制器）調(diào)節(jié)器的功能調(diào)節(jié)器的功能 檢測與變送電檢測與變送電/ /氣信號送往調(diào)節(jié)器與給定信號進(jìn)行比較產(chǎn)氣信號送往調(diào)節(jié)器與給定信號進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，按照調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用去控制執(zhí)行器。生偏差，按照調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用去控制執(zhí)行器。（1 1）：）：偏差顯示偏差顯示（2 2）：）：輸出顯示輸出顯示（3 3）：）：內(nèi)、外給定的選擇內(nèi)、外給定的選擇（4 4）：）：正、反作用的選擇正、反作用的選擇（5 5）：）：手動切換操作手動切換操作（6 6）：）：其他功能其他功能執(zhí)行器執(zhí)行器接受來自調(diào)節(jié)器的控制信號，改變閥門開度，控制介質(zhì)流量。接受來自

2、調(diào)節(jié)器的控制信號，改變閥門開度，控制介質(zhì)流量。直接與控制介質(zhì)接觸，高溫、高壓、深冷、高粘度條件下工作。直接與控制介質(zhì)接觸，高溫、高壓、深冷、高粘度條件下工作。安全柵安全柵保證信號的正常傳輸。保證信號的正常傳輸?？刂屏魅胛ｋU(xiǎn)場所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火控制流入危險(xiǎn)場所的能量在爆炸性氣體或爆炸性混合物的點(diǎn)火能量以下。能量以下。調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器的輸出分別于輸入偏差的大小、偏差的積分和偏差調(diào)節(jié)器的輸出分別于輸入偏差的大小、偏差的積分和偏差的微分變化率有關(guān)即比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（的微分變化率有關(guān)即比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PIDPID）。）。理想的輸出理想的輸出PIDPID數(shù)學(xué)表達(dá)式：

3、數(shù)學(xué)表達(dá)式：)()(1)()(1dttdeTdtteTteKtuDcKcKc為調(diào)節(jié)器的比例增益，為調(diào)節(jié)器的比例增益，T1T1為積分時(shí)間，為積分時(shí)間，TDTD為微分時(shí)間為微分時(shí)間化為傳遞函數(shù)：化為傳遞函數(shù)：)11 ()(1sTsTKsGDcc比例調(diào)節(jié)（比例調(diào)節(jié)（P P）)()(,0TD1teKtuTc純比例調(diào)節(jié)式子變?yōu)槠鹱饔梅e分項(xiàng)和微分項(xiàng)不時(shí)，、當(dāng)純比例調(diào)節(jié)器的純比例調(diào)節(jié)器的單位階躍響應(yīng)特性：單位階躍響應(yīng)特性：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)浮球?yàn)閭鞲衅?，杠桿為控制器，浮球?yàn)閭鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器?；钊y為執(zhí)行器。ebapepbaeKyc如果如果e=0e=0，則

4、活塞無法提高，則活塞無法提高，Q1Q1無法加大，調(diào)節(jié)無法進(jìn)行無法加大，調(diào)節(jié)無法進(jìn)行例：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)Q2htepQ1tttt原來系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與原來系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開度。開度。t=0t=0時(shí)，出水量階躍增加，引時(shí)，出水量階躍增加，引起液位的下降，浮球下移帶動起液位的下降，浮球下移帶動進(jìn)水閥開大。進(jìn)水閥開大。當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位不再時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位不再變化。變化。比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)工程上習(xí)慣用工程上習(xí)慣用比例度比例度表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱表示

5、比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱定義：定義：調(diào)節(jié)器輸入偏差的相對變化量與相應(yīng)輸出的相對變化量之比調(diào)節(jié)器輸入偏差的相對變化量與相應(yīng)輸出的相對變化量之比%100)/(minmaxminmaxuuueeee e為輸入偏差，為輸入偏差，u u為控制器輸出變化量；為控制器輸出變化量；emax-eminemax-emin為輸入最大變化量，為輸入最大變化量，即輸入量程；即輸入量程；umax-uminumax-umin為輸出最大變化量，即輸出量程。為輸出最大變化量，即輸出量程。比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)電動儀表中輸入、輸出信號統(tǒng)一為電動儀表中輸入、輸出信號統(tǒng)一為420mA420mA，故，故%1001%100cKue比例調(diào)節(jié)特點(diǎn)：比例

6、調(diào)節(jié)特點(diǎn)：調(diào)節(jié)及時(shí)，反應(yīng)調(diào)節(jié)及時(shí)，反應(yīng)靈敏，偏差出現(xiàn)及時(shí)調(diào)節(jié)，偏差靈敏，偏差出現(xiàn)及時(shí)調(diào)節(jié)，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)?？刂平Y(jié)果存在偏差?？刂平Y(jié)果存在偏差。以偏差的存在為前提條件以偏差的存在為前提條件ueeremaxeminuminumax練習(xí)題練習(xí)題某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400400800800，輸出信號范圍是，輸出信號范圍是4 420mA20mA。當(dāng)指示指針從。當(dāng)指示指針從600600變到變到700700時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從從8mA8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA16mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。積分調(diào)節(jié)（積分調(diào)節(jié)（I I

7、）幅值為幅值為E E的階躍時(shí)：的階躍時(shí)：輸出變化量輸出變化量u(t)u(t)與輸入偏差與輸入偏差e(t)e(t)的積分成正比的積分成正比eEttudtteTtu)(1)(1tTEtu1)(積分調(diào)節(jié)（積分調(diào)節(jié)（I I）eEttu積分調(diào)節(jié)特點(diǎn)：積分調(diào)節(jié)特點(diǎn)：積分作用具有保持功能，能夠消除積分作用具有保持功能，能夠消除余差。余差。當(dāng)當(dāng)t t較小時(shí)，控制作用很弱，不能及較小時(shí)，控制作用很弱，不能及時(shí)克服干擾作用，故時(shí)克服干擾作用，故不單獨(dú)作用。不單獨(dú)作用。當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分隨時(shí)間增長（或減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分隨時(shí)間增長（或減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。出保持在某一值

8、上。比例積分調(diào)節(jié)（比例積分調(diào)節(jié)（PIPI）比例積分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)：比例積分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)：將比例與積分結(jié)合起來，既能及時(shí)控制，又能消除余差。將比例與積分結(jié)合起來，既能及時(shí)控制，又能消除余差。只要輸入不為零，輸出的積分作只要輸入不為零，輸出的積分作用一直增長。用一直增長。實(shí)際中開環(huán)增益為有限值，輸出實(shí)際中開環(huán)增益為有限值，輸出不可能無限增大，積分作用最終不可能無限增大，積分作用最終飽和。飽和。微分調(diào)節(jié)（微分調(diào)節(jié)（D D）輸出變化量輸出變化量u(t)u(t)與輸入偏差與輸入偏差e(t)e(t)的微分成正比的微分成正比dtdeTtuD)(eEttu微分調(diào)節(jié)特點(diǎn)：微分調(diào)節(jié)特點(diǎn)：偏差出現(xiàn)的瞬間立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的

9、偏差出現(xiàn)的瞬間立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，是偏差消除于萌芽之調(diào)節(jié)作用，是偏差消除于萌芽之中，即中，即超前控制超前控制對偏差無控制能力，當(dāng)偏差存在對偏差無控制能力，當(dāng)偏差存在時(shí)輸出為零，因此時(shí)輸出為零，因此不單獨(dú)使用不單獨(dú)使用。比例微分調(diào)節(jié)（比例微分調(diào)節(jié)（PDPD）比例積分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)：比例積分調(diào)節(jié)階躍響應(yīng)：理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，缺理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，缺乏抗干擾能力。乏抗干擾能力。實(shí)際中比例微分調(diào)節(jié)作用同樣具實(shí)際中比例微分調(diào)節(jié)作用同樣具有有飽和飽和特性。特性。比例積分微分調(diào)節(jié)（比例積分微分調(diào)節(jié)（PIDPID）將比例、積分和微分結(jié)合起將比例、積分和微分結(jié)合起來，強(qiáng)度配適得當(dāng)，得到滿來，強(qiáng)度配

10、適得當(dāng)，得到滿意的控制效果。意的控制效果。PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 PIDPID中，中，比例作用是比例作用是基礎(chǔ)控制基礎(chǔ)控制；微分作用是用于微分作用是用于加快系統(tǒng)控加快系統(tǒng)控制速度制速度；積分作用是用于；積分作用是用于消消除靜差除靜差。比例積分微分調(diào)節(jié)（比例積分微分調(diào)節(jié)（PIDPID）在生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展進(jìn)程中，在生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展進(jìn)程中，PIDPID調(diào)節(jié)是應(yīng)用時(shí)間最長，生調(diào)節(jié)是應(yīng)用時(shí)間最長，生命力最強(qiáng)的一種控制方式，目前命力最強(qiáng)的一種控制方式，目前PIDPID控制仍被廣泛的使用?？刂迫员粡V泛的使用。PIDPID控制主要優(yōu)點(diǎn)：控制主要優(yōu)點(diǎn)：1 1）PIDPID調(diào)節(jié)模擬了人腦的部分思維，原

11、理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，使用方調(diào)節(jié)模擬了人腦的部分思維，原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，使用方便。便。2 2）應(yīng)用范圍廣，按照）應(yīng)用范圍廣，按照PIDPID控制方式工作的自動調(diào)節(jié)器產(chǎn)品早已標(biāo)準(zhǔn)控制方式工作的自動調(diào)節(jié)器產(chǎn)品早已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化?；拖盗谢?。3 3）魯棒性強(qiáng)。由）魯棒性強(qiáng)。由PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律構(gòu)成的控制系統(tǒng)中的控制過程特性發(fā)調(diào)節(jié)規(guī)律構(gòu)成的控制系統(tǒng)中的控制過程特性發(fā)生改變時(shí)，只要重新整定參數(shù)，即可使系統(tǒng)性能不發(fā)生明顯變化。生改變時(shí)，只要重新整定參數(shù)，即可使系統(tǒng)性能不發(fā)生明顯變化。DDZ-DDZ-型模擬式型模擬式調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器型型：電子管電子管型型：晶體管晶體管型型：線性集成電路線性集成電路1-雙針垂直指

12、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-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全刻度指示調(diào)節(jié)器構(gòu)成原理全刻度指示調(diào)節(jié)器構(gòu)成原理DDZ-DDZ-基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ敾驼{(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、入電路、PDPD與與PIPI電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。 全刻度指示

13、調(diào)節(jié)器線路原理圖全刻度指示調(diào)節(jié)器線路原理圖輸入電路輸入電路輸入電路的主要作用是獲得與輸入信號輸入電路的主要作用是獲得與輸入信號Vi和給定信號和給定信號Vs之差成比例之差成比例的偏差信號的偏差信號 因測量信號因測量信號Vi和給定和給定信號信號Vs分別通過雙臂分別通過雙臂電阻差模輸入到運(yùn)放電阻差模輸入到運(yùn)放A1的同相和反相輸入的同相和反相輸入端。端。輸入電路輸入電路得和由，為理想放大器，設(shè)、321321FT1IIIIIIVVARVVVRVRVVBoFFFi)21(01RVVRVVRVBTTST0)(21sioVVV經(jīng)整理得比例積分電路比例積分電路 接受接受PDPD電路的輸出信號電路的輸出信號V02V02，進(jìn)行，進(jìn)行PIPI運(yùn)算后，輸出電壓運(yùn)算后，輸出電壓V03V03，送，送至輸出電路。至輸出電路。 數(shù)字式控制器數(shù)字式控制器模擬式調(diào)節(jié)器的局限性：模擬式調(diào)節(jié)器的局限性： 1）功能單一，靈活性差；）功能單一，靈活性差； 2）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便；）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便； 3）接線過多，系統(tǒng)維護(hù)難度大。）接線過多，系統(tǒng)維護(hù)難度