過程控制裝置

第4章過程控制裝置4.3調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器：又稱控制器，是控制系統(tǒng)的心臟。它是將參數(shù)測(cè)量值Z（變送器輸出）和規(guī)定的參數(shù)值(給定值X)相比較后，得出被調(diào)量的偏差e，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)u，從而推動(dòng)執(zhí)行器工作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器發(fā)展三階段：基地式控制儀表(液位控制），單元組合式儀表中的控制單元（如DDZ型）和以微處理器為基元的控制裝置（單回路數(shù)字控制器、PLC和微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等）。按照調(diào)節(jié)儀表測(cè)量值和輸出信號(hào)的關(guān)系，調(diào)節(jié)器可以分為正作用調(diào)節(jié)器和反作用調(diào)節(jié)器兩類：假如被調(diào)參數(shù)的測(cè)量值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)也增加，則稱為正作用調(diào)節(jié)器；測(cè)量值增加時(shí)輸出信號(hào)減小，則稱為反作用調(diào)節(jié)器。正作用：變送器輸出Z↑→調(diào)節(jié)器輸出u↑;被調(diào)量偏差e↑=Z-X→u↑;給定值X↑→u↓反作用：Z↑→u↓;e↑=Z-X→u↓;X↑→u↑按照調(diào)節(jié)規(guī)律的不同分比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器和三作用調(diào)節(jié)器。按照儀表所用能源，調(diào)節(jié)器可以分為兩類。①直接作用調(diào)節(jié)器(自力式調(diào)節(jié)器)這種調(diào)節(jié)器不用外加能源，利用被調(diào)介質(zhì)本身能源工作。這種調(diào)節(jié)器多用于調(diào)壓、穩(wěn)流等要求不很嚴(yán)的就地調(diào)節(jié)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。②間接作用調(diào)節(jié)器這種調(diào)節(jié)器利用外加能源，按照外加能源的不同，有電動(dòng)調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器及液動(dòng)調(diào)節(jié)器。在化工生產(chǎn)中以電動(dòng)及氣動(dòng)應(yīng)用得多。具有性能穩(wěn)定、便于遠(yuǎn)距離傳送等特點(diǎn)。1、調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律

調(diào)節(jié)規(guī)律是把調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)斷開后，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u與輸入信號(hào)e間隨時(shí)間變化的規(guī)律。通常研究階躍信號(hào)的輸出信號(hào)變化規(guī)律。

調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有位式調(diào)節(jié)（其中以雙位調(diào)節(jié)比較常用）、比例調(diào)節(jié)（P）、積分調(diào)節(jié)（l）、微分調(diào)節(jié)（D）及其組合形式，如比例積分調(diào)節(jié)（PI）、比例微分調(diào)節(jié)（PD）和比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）。1.1位式調(diào)節(jié)規(guī)律理想的雙位調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：圖2-16理想雙位調(diào)節(jié)規(guī)律1.2比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）

（1）比例放大倍數(shù)(K)

比例關(guān)系：比例調(diào)節(jié)器的輸出變化量Δu(t)與輸入信號(hào)e(t)成比例關(guān)系

式中KP稱為比例增益或比例放大倍數(shù).

比例調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出特性(圖2-20)

特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)具有控制及時(shí)、克服偏差有力。缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)結(jié)果有余差。（2）比例度

工業(yè)上調(diào)節(jié)器常常采用比例度來表示比例作用的強(qiáng)弱。比例度是指調(diào)節(jié)器的輸入相對(duì)變化量與相應(yīng)輸出的相對(duì)變化量之比的百分?jǐn)?shù)。對(duì)于單元組合式儀表，輸入輸出信號(hào)都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)節(jié)器，比例度與比例放大倍數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系，即調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例放大倍數(shù)越大，比例控制作用越強(qiáng)。P控制（比例控制）比例控制器的時(shí)域關(guān)系：

u(t)=KPε(t)傳遞函數(shù)為：比例控制器實(shí)質(zhì)上是一種增益可調(diào)的放大器;比例控制器對(duì)系統(tǒng)性能的影響：

Kp>1時(shí)1）開環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減小。即改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能2）幅值穿越頻率ωc增大，過渡過程時(shí)間ts縮短。即改善了系統(tǒng)的快速性3）穩(wěn)定裕量減小甚至可能為負(fù)值。即系統(tǒng)穩(wěn)定性變差Kp>1時(shí)1、開環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減小。即改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能2、幅值穿越頻率ωc增大，過渡過程時(shí)間ts縮短。即改善了系統(tǒng)的快速性3、穩(wěn)定裕量減小甚至可能為負(fù)值。即系統(tǒng)穩(wěn)定性變差Kp<1時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響相反1.3比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分控制的作用：力圖消除余差。積分時(shí)間的理解：積分時(shí)間表征積分作用的強(qiáng)弱，TI越小，積分速率越大，積分作用越強(qiáng)。其大小為在階躍偏差輸入作用下，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到比例輸出兩倍時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響在PI控制系統(tǒng)中，積分時(shí)間對(duì)過渡過程有雙重影響，一方面積分作用的引入消除了系統(tǒng)的余差，而另一方面卻降低了系統(tǒng)的其他品質(zhì)指標(biāo)。Kp=1時(shí)，頻率特性、對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性為：PI控制作用為：傳遞函數(shù)為：PI控制的Bode圖描述：Kp=1時(shí)1、系統(tǒng)由0型提高到Ⅰ型，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小或消除，改善了穩(wěn)態(tài)性能2、系統(tǒng)的相位裕量有所減小，穩(wěn)定程度變差3、快速性略有提高（wc增大，ts減?。?、抗干擾能力不變。1.4比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律(PD)

理想數(shù)學(xué)表達(dá)式為實(shí)際采用的PD調(diào)節(jié)規(guī)律是比例作用與近似微分作用的組合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式中，KD為微分增益。微分控制的作用：力圖阻止被控變量的變化，適當(dāng)微分，有抑制振蕩的效果。但是微分過強(qiáng)，反而不利系統(tǒng)穩(wěn)定。適用場(chǎng)合：適用時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大的被控對(duì)象。微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響在比例微分控制系統(tǒng)中，若保持調(diào)節(jié)器的比例度不變，微分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響如圖所示。微分時(shí)間TD太小，對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響甚微，如圖中的曲線1，隨著微分時(shí)間的增加，微分作用增強(qiáng)；當(dāng)TD適當(dāng)時(shí)，控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)將得到全面的改善，如圖中的曲線2；但若微分作用太強(qiáng)，反而會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，如圖中的曲線3?？梢?，微分作用的強(qiáng)弱用微分時(shí)間來衡量，對(duì)于控制系統(tǒng)TD要適當(dāng)。1.5比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律(PID)

理想PID數(shù)學(xué)表達(dá)式為工業(yè)上實(shí)際PID調(diào)節(jié)器（DDZ）傳遞函數(shù)表達(dá)式為：式中帶*的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)實(shí)際值，不帶*的值為參數(shù)的刻度值。工業(yè)PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖●PID控制作用對(duì)過渡過程的影響P作用是基本控制作用；I作用能消除系統(tǒng)余差；D作用能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性；從輸出特性曲線看，在過渡過程的前期，PD起主要作用，能抑制系統(tǒng)振蕩；過程后期，PI起主要作用，用于消除系統(tǒng)的余差。1.6調(diào)節(jié)規(guī)律的選取控制規(guī)律的選取可參考如下幾點(diǎn)?！艉?jiǎn)單控制系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控對(duì)象，如果負(fù)荷變化較大，無論選擇那種調(diào)節(jié)規(guī)律，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)都很難得到滿意的控制質(zhì)量，此時(shí)，應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。◆在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的。當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求不高時(shí)，可選擇單純的比例（P）調(diào)節(jié)規(guī)律?！舢?dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較小，而工藝要求無余差時(shí)，可選用比例積分（PI）調(diào)節(jié)規(guī)律。◆當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用。若工藝允許有余差，可選取比例微分（PD）調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無余差時(shí)，則選用比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控制。2、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法從調(diào)節(jié)規(guī)律講，PID是模擬調(diào)節(jié)器中最完善的調(diào)節(jié)器。PID實(shí)際上是一個(gè)運(yùn)算裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的比例、積分、微分等各種運(yùn)算功能。能實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算的方法很多，在電動(dòng)調(diào)節(jié)器中，大多采用運(yùn)算放大器與阻容（RC）電路相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。用不同的RC電路和運(yùn)算放大器進(jìn)行組合，可以得到各種運(yùn)算規(guī)律的電路。調(diào)節(jié)規(guī)律實(shí)現(xiàn)基本原理：下圖是構(gòu)成各種調(diào)節(jié)規(guī)律的方框圖。用傳遞函數(shù)表示當(dāng)放大器增益K趨于無窮時(shí)，則：

只要K足夠大，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)即為反饋回路傳遞函數(shù)Wf(s)的倒數(shù)，這就使反饋電路和整個(gè)閉環(huán)放大器在運(yùn)算功能上是相反的。既反饋電路衰減多少倍，閉環(huán)放大器就放大多少倍；反饋是微分，則閉環(huán)必是積分作用。這就是利用負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律的基本原理。

教材148頁(yè)表4-3和表4-4給出了無源RC電路、基本運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)與運(yùn)算規(guī)律。3、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器一般有氣動(dòng)調(diào)節(jié)器和電動(dòng)調(diào)節(jié)器。其作用是將被控變量測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，然后對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制。氣動(dòng)單元組合儀表QDZ中的控制單元為氣動(dòng)調(diào)節(jié)器，它的輸入、輸出信號(hào)均采用20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。目前使用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)器，其工作原理主要有力平衡和力矩平衡兩種。氣動(dòng)調(diào)節(jié)器線路比較簡(jiǎn)單、直觀，操作容易、價(jià)格便宜，而且由于它使用壓縮空氣作為氣源，是天然防爆儀表，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工等生產(chǎn)過程的控制和防爆要求高的場(chǎng)合。浮動(dòng)板式比例積分（PI）調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介：浮動(dòng)板式比例積分（PI）調(diào)節(jié)器（1）浮動(dòng)板式比例積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理示意圖：（2）調(diào)節(jié)器輸入：Pm；調(diào)節(jié)器輸出：P0；（3）工作原理：調(diào)節(jié)器的四個(gè)波紋管分別引入測(cè)量、給定、正反饋和負(fù)反饋四個(gè)壓力信號(hào)，四者有效面積和剛度相同，且均布在同一個(gè)圓周上。當(dāng)波紋管引入的壓力信號(hào)不等時(shí)，浮動(dòng)板就繞比例桿發(fā)生傾斜現(xiàn)象，導(dǎo)致浮動(dòng)板與壓板上的噴嘴的距離發(fā)生變化，造成噴嘴被壓發(fā)生變化，其輸出壓力信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，作為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、負(fù)反饋信號(hào)（產(chǎn)生比例作用）和正反饋信號(hào)（產(chǎn)生積分作用）。（4）浮動(dòng)板的作用浮動(dòng)板是重要部件，起比較作用和擋板的作用。比較作用

波紋管感受的壓力在浮動(dòng)板上形成力矩，并相互比較。Mm=Pm.A.b1—F測(cè)量波紋管Ms=Ps.A.b3－G給定波紋管ME=P0.A.a2－E負(fù)反饋波紋管，輸出信號(hào)MH=PH.A.a4－H正反饋波紋管，積分信號(hào)根據(jù)力矩平衡原理，在調(diào)節(jié)器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，∑M＝0擋板作用

浮動(dòng)板本身兼擋板的作用。它與壓板上的噴嘴距離發(fā)生變化時(shí)，噴嘴被壓隨之變化，經(jīng)功率放大器放大后輸出。（5）比例桿及比例作用比例桿的作用是改變四個(gè)波紋管的作用力臂，是改變比例范圍的一種機(jī)械方式。比例作用實(shí)現(xiàn)分析

在PI調(diào)節(jié)器中，比例作用是這樣實(shí)現(xiàn)的。關(guān)死積分閥10，這時(shí)正反饋波紋管H內(nèi)的壓力不再變化，為一常數(shù)。由力矩平衡原理可得：MF+MH=MG＋

MEPs.A.b＋P0.A.a＝Pm.A.b＋PH.A.a當(dāng)測(cè)量值從Pm變化到Pm＋ΔPm時(shí)，由于Ps和PH不變，為保持力矩平衡，輸出信號(hào)必然變?yōu)镻0＋ΔP0。故新力矩平衡為：Ps.A.b＋(P0＋ΔP0).A.a＝(Pm＋ΔPm).A.b＋PH.A.a化簡(jiǎn)得到比例度：

δ＝ΔPm/ΔP0×100%=a/b×100%=tgθ×100%該P(yáng)I調(diào)節(jié)器整機(jī)傳遞函數(shù)方框圖如下：4、電動(dòng)調(diào)節(jié)器

模擬式電動(dòng)調(diào)節(jié)器傳送連續(xù)的模擬信號(hào)，主要由輸入、計(jì)算和輸出電路組成。此外，還可附帶指示電路、手動(dòng)操作和輸出限幅電路。其框圖如下：目前廣泛應(yīng)用DDZ—Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表。DDZ—Ⅲ型儀表則采用24VDC集中供電，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)4-20mADC，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為1-5VDC，轉(zhuǎn)換電阻250歐姆，二線制接法。信號(hào)傳輸采用電流傳送-電壓接收的并聯(lián)制方式，儀表可有公共接地點(diǎn)。Ⅲ型儀表采用線性集成電路作為線路中的核心組件，采取安全火花型防爆措施，具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。性能優(yōu)于Ⅱ型。

DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器分類：按功能不同分成基型調(diào)節(jié)器（包括全刻度指示和偏差指示調(diào)節(jié)器兩個(gè)品種）和特殊調(diào)節(jié)器兩類。DTZ-2l00型全刻度指示調(diào)節(jié)器是最基本的一種調(diào)節(jié)器，它除了具有PID運(yùn)算功能外，還具有被調(diào)參數(shù)的顯示、給定值的顯示及閥門位置的顯示功能。DTZ-2100全刻度指示調(diào)節(jié)器工作原理見下圖，調(diào)節(jié)器由指示單元和控制單元組成。指示單元包括測(cè)量和給定指示電路，分別與指示表一起對(duì)測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行連續(xù)指示。控制單元由輸入電路、運(yùn)算電路（內(nèi)給定電路、比例微分、比例積分、硬手操電路、軟手操電路）和輸出電路等構(gòu)成。調(diào)節(jié)器有三種主要工作狀態(tài)，由切換開關(guān)進(jìn)行選擇。（1）“自動(dòng)”狀態(tài)由變送器來的1～5VDC輸入電壓信號(hào)與給定值信號(hào)相比較得到偏差信號(hào)，經(jīng)過輸入回路進(jìn)行電平移位，然后由“PD回路”和“PI回路”組成的PID運(yùn)算回路進(jìn)行運(yùn)算，再由輸出回路轉(zhuǎn)換成4～20mA，DC信號(hào)輸出，送到執(zhí)行器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。（2）軟手動(dòng)操作軟手操(手動(dòng)1)回路直接改變調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。在進(jìn)行軟手操時(shí)，輸出電流以某種速度進(jìn)行變化。一停止手操，輸出就停止變化。（3）硬手動(dòng)操作硬手操(手動(dòng)2)回路也可以直接改變調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。在進(jìn)行硬手操時(shí)，輸出值大小與硬手操操作桿的位置有對(duì)應(yīng)關(guān)系。調(diào)節(jié)器的正反作用：

調(diào)節(jié)器設(shè)有正、反作用切換開關(guān)。在控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的正、反作用不能隨意選擇，要根據(jù)工藝要求及執(zhí)行器的特性來決定，確保控制系統(tǒng)為負(fù)反饋。例如在圖4-3中，假設(shè)進(jìn)料調(diào)節(jié)閥為氣開閥（信號(hào)增大，閥位增大），當(dāng)液位升高時(shí)，應(yīng)減小調(diào)節(jié)閥閥位，即減小凋節(jié)器LC的輸出，說明此時(shí)的調(diào)節(jié)器LC應(yīng)設(shè)置為反作用；如果進(jìn)料調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥（信號(hào)增大閥位減?。?，則調(diào)節(jié)器LC應(yīng)設(shè)置為正作用。

5、調(diào)節(jié)器及其調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇控制器也稱調(diào)節(jié)器，是控制系統(tǒng)的心臟。它的作用是將測(cè)量變送信號(hào)與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，然后按一定的運(yùn)算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。PID控制器是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中首先采用的控制算式。控制器選擇時(shí)，不僅要確定控制器的控制規(guī)律，而且要確定控制器的正、反作用。（A）控制規(guī)律：選擇哪種控制規(guī)律是根據(jù)廣義對(duì)象的特性和工藝的要求來決定的。（B）控制器的正、反作用的確定：作用方向：就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向；反之，當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí)，輸出減少的稱“反作用”方向。在控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象、測(cè)量元件、控制器及變送器和執(zhí)行器都有各自的作用方向。它們?nèi)绻M合不當(dāng)，使總的作用方向構(gòu)成正反饋，則控制系統(tǒng)不但不能起控制作用，反而破壞生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。所以，在系統(tǒng)投運(yùn)前必須注意各環(huán)節(jié)的作用方向，其目的是通過改變控制器的正、反作用，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

測(cè)量元件及變送器：其作用方向一般都是“正”的，因?yàn)楫?dāng)被控變量增加時(shí)，其輸出量增加，所以在考慮控制系統(tǒng)的作用方向時(shí)，可不考慮測(cè)量元件及變送器的作用方向；執(zhí)行器：它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關(guān)閥（注意不要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥的“正作用”和“反作用”混淆）。當(dāng)控制器輸出信號(hào)（即執(zhí)行器的輸入信號(hào)）增加時(shí)，氣開閥的開度增加，流過閥的流體