Transcript 第十三章

第三编
仪表系统分析
第13章
调节控制单元
概述：
调节器是构成自动控制系统的核心仪表，其基本功能是将
来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此所产生的
偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器
的动作，以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或
液位等的自动调节作用。
如同其他仪表的发展过程一样，用作调节和控制作用的调
节器也经历了从模拟仪表到数模混合仪表，最终再发展到全数
字式仪表的过程。在该发展过程中的典型仪表有电动单元组合
型仪表、数字式调节器以及可编程序调节器等。
典型的控制规律为PID控制。
§13-1、常规控制规律：
一、典型控制系统：
当被控变量因某种干扰原因偏离给定值并产生了偏差时，
调节器将工作，并依据其自身的控制规律使其输出信号变化 ，
通过执行器作用于被控对象，使被控量朝系统给定的方向变化，
从而重新达到新的稳定状态。
§13-1、常规控制规律：
一、典型控制系统：
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
1、比例(P)控制规律：
输出信号的变化量Δy
偏差信号ε
比例系数KP
只要偏差ε产生， 控制器立即产生
控制作用，以减少偏差。系统的偏差随
比例系数kp的增加而减小 ，但无法消除
偏差。而且过大的kp偏差将易引起系统
振荡。
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
2、积分(I)控制规律：
输出信号变化量Δy 的大小与偏差信号ε、
偏差存在的时间TI的大小有关。
当偏差ε不为0：调节器的输出就不断地
变化，偏差存在的时间越长，输出信号
的变化量Δy 也越大，直到调节器的输
出达到极限值为止(即放大器饱和)。当
偏差信号为0零时：积分调节器的输出
信号才能相对稳定，且可稳定在任意值
上，这是一种无定位调节。
因此，积分调节可消除残差(静差)。
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
2、积分(I)控制规律：
阶跃输入的瞬间调节器无输出，
而随着时间的延续其输出逐渐增大。
由此可见，积分调节作用总是滞后于
偏差的存在，不能及时和有效地克服
扰动的影响，使调节不及时，造成被
控变量超调量增加，操作周期和回复
时间增长，也使调节过程缓慢，不易
稳定，是积分控制规律使用时需考虑
的主要问题。所以积分控制规律一般
不单独使用。
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
3、微分(D)控制规律：
图a：在阶跃输入信号出现的瞬间，即t=t0时，偏差差信号的
变化速度为无穷大，理论上输出也应达到无穷大；而当t>t0
时，输入信号的变化等于零，于是微分作用的输出即刻回到
零。这种理想的微分作用是无法实现的，而且也不可能获得好
的调节效果。
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
3、微分(D)控制规律：
图b： 应用中的实际微分控制规律。
在阶跃发生的时刻，输出突然跳跃到一个较大的有限
值，然后按指数曲线衰减直至零。该跳跃跳得越高或降得越
慢，表示微分作用越强。
§13-1、常规控制规律：
二、PID调节器基本控制规律：
3、微分(D)控制规律：
采用微分调节的好处在于偏差尽管不大，但还在偏差开
始剧烈变化的时刻，就能立即自动地产生一个强大的调节作
用，及时抑制偏差的继续增长，故有超前调节的作用。同时，
因为微分调节器的输出大小只与偏差变化的速度有关，当偏差
固定不变时，无论其数值有多大，微分器都无输出，不能消除
偏差，因此不能单独使用。
§13-1、常规控制规律：
PID控制规律：
说明：该控制规律的表示是基于变量形式的，而要表示调
节器的实际输出量y,必须考虑调节器输出的初始值，即有：
式中
是调节器的输出初始值，即在t=0时刻，ε=0，
时的输出值。
其传递函数为：
=0
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
在实际应用中，实用PID控制规律的形成则根据实际控制系
统的情况，有各种不同的构成方式。
DDZ-Ⅱ型仪表的控制规律是通过将PID控制规律安置在反馈
回路中实现的；
DDZ-Ⅲ型仪表则是利用运放电路实现的PI和PD ，通过串联
方式实现控制规律的。
对PI和PD串联方式构成的PID进行改进，就构成了测量值微
分先行的控制规律。
将P、I和D 直接通过并联的方式实现控制规律亦在一些仪表
中得到了实现。为满足特殊要求的需要，还有将P、I和D串
并联混合而形成的控制规律。
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
1、反馈型：
①.结构：
②.传递函数：
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
1、反馈型：
③.讨论：
当放大器放大倍数足够大时，运算电路的传递函数
，
即为反馈回路传递函数
的倒数。即反馈回路和整个闭环
运算电路在运算功能上完全是相反的。
反馈回路衰减多少倍，闭环运算电路就放大多少倍；
反馈回路是微分运算电路，闭环运算电路就是积分作用；
反馈回路是积分电路，闭环运算电路就是微分作用。
以这种方式构成的PID运算电路结构简单，但KP、TI、TD
三者间的干扰较大。主要应用于DDZⅡ 型调节器及某些基地式
调节器中。
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
2、串联型：
①.结构1：
特点：参数的相互干扰小。
但由于电路串联的各级误差会被积累和放大，对各部
分电路的精度要求较高。它们通常由集成运算放大器及RC
电路组成，如DDZⅢ型调节器的PID 控制规律运算电路。
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
2、串联型：
②.结构2：
为解决某些生产过程控制系统给定值s变化频繁，但同时又必
须引入微分作用的矛盾，还可引入测量值微分先行PID运算电
路，如图。
显然，测量值先经比例增益为1的PD电路后再与给定值比较，
差值送入PI 电路。于是，在改变给定值时，由于给定值没有
经过微分环节，调节器的输出就不会因此而出现大的幅度跳
变。
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
3、并联型：
总的输出由三部分的输出相叠加而成。
在此结构中，由于三个运算电路相并联，避免了级间误差累积
的放大，有利于保证整机的精度，并可消除TI、TD 变化对整
机实际整定参数的影响。但是KP的变化仍然会对实际积分时
间和微分时间产生干扰。。
§13-1、常规控制规律：
三、PID控制规律的构成：
3、串、并联混合型：
PI电路和D电路先并联后再与P电路相串联。
这种构成方式不仅可以避免级间的误差累积，也可消除调节器
整定参数KP、TI、TD间的相互干扰。
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
1、原理图：
VO1 
 输入电位

 输出电位
VO 2 

 微分电容
CD 

 微分电阻
 RD 
 RP 
比例调整电阻

放大器左边 的电 路为无源的比例微分电路，实现比例微分控制

放大器右边边的电路为纯比例电路， 实现输出的调整作用。
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
2、工作过程分析：
电压不能突变
t  t0  瞬间：
V01阶跃输入     
 同相端VT (t0 ) V 01，阶跃
 随着充电进行，电容两端电压VCD 从0
开始按指数规律逐渐上升
(  RD C D )
1
R2
t 
 VT 逐渐下降    VT ()  V01 
V01
n
R1  R2
衰减系数
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
2、工作过程分析：
1
R2

 VT ()  V01 
V01 
n
R1  R2

比例关系
输出电压V02


 

同相端T点的电压VT


RP
 V02 ()  VT 
V01
RP1
比例系数
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
3、定量分析：
由三要素法：
VT (t )  VT ()  [VT (t0 )  VT ()] e


(t  t 0 )







t t 0

1
VT ()  V01 (t )
n
VT (t0 )  V01 (t )
  RD C D
( RD 很大)
1
1
 VT (t )  V01 (t )  [V01 (t )  V01 (t )] e
n
n

t t 0
RD C D
(t  t 0 )
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
3、定量分析：
1
1
 VT (t )   V01 (t )  [V01 (t )   V01 (t )] e
n
n
RP
又： V02 (t ) 
 VT
RP1
RP
设： 
RP1
n  KD
TD  nRD C D  K D RD C D

t t 0
RD C D
(t  t 0 )
§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
3、定量分析：
KD

( t t 0 ) 


TD
 V02 (t ) 
1  ( K D  1)  e
 V01 (t )
K D 

(t  t 0 )


V02 () 
 V01 ()
t   :
KD

 t  t0: V02(t0 )  α  V01(t)

T
T

TD
1
t  t0  D : V02 (t0  D ) 
1  ( K D  1)  e  V01 (t0 
)

KD
KD
KD
KD


§13-2、调节器控制规律的实现：
一、比例微分电路(PD)：
3、定量分析：
TD
在t  t0 
时刻：
KD
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
1、原理图：
VO 2 
 输入电位，前级比例微分的输出

 输出电位
VO 3 

比例积分电容，和运放形成基本比例
CI、CM 

调节作用环节

R 
I  积分电阻

 RI、CM、运放 
 积分运算电路
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
1



CI
CM  s
比例运算
CI、CM、运放  
VO 3P (s) 
 VO 2 ( s )  
 VO 2 ( s )
CI  s
CM



VO 2 ( s )

VO 3I (s)
 1 VO 2 ( s )
积分运算
m


 VO 3I (s) 
 RI、CM、运放  
1
RI
sRICM m


sC M
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
叠加定理
  
VO 3 (s)  VO 3P (s)  VO 3I (s)
CI
 1 VO 2 ( s)

VO 2 ( s) 

CM
sRICM
m
CI
1

 (1 
) VO 2 ( s)
CM
sRICM  m
 传递函数：
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
 传递函数：
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
 传递函数：
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
 传递函数：
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
§13-2、调节器控制规律的实现：
二、比例积分电路(PI)：
2、分析：
§13-2、调节器控制规律的实现：
三、PID控制规律传递函数：
由于Ⅲ 型调节器的PID控制规律是由PD环节和PI环节串联
而成，因而控制规律的传递函数应是两者的乘积，即：
§13-2、调节器控制规律的实现：
三、PID控制规律传递函数：
由于Ⅲ 型调节器的PID控制规律是由PD环节和PI环节串联
而成，因而控制规律的传递函数应是两者的乘积，即：
§13-2、调节器控制规律的实现：
三、PID控制规律传递函数：
由于Ⅲ 型调节器的PID控制规律是由PD环节和PI环节串联
而成，因而控制规律的传递函数应是两者的乘积，即：
§13-2、调节器控制规律的实现：
三、PID控制规律传递函数：
由PD环节和PI环节串联输出：
§13-2、调节器控制规律的实现：
四、数字式调节器的控制规律的实现
后续课程介
绍
§13-3、常规调节器基本电路分析
以基型DDZ－Ⅲ调节器为例。
§13-3、常规调节器基本电路分析
以基型DDZ－Ⅲ调节器为例。
能提供PID运算调节功能；
还具有内给定、偏差指示、手动、输出阀位指示等与简单调节
器相同的功能。
基型调节器基本电路由指示单元和控制单元两部分组成：
指示单元：主要包括输入指示电路、给定指示电路和内给定电
路；
控制单元：主要包括输入电路、比例微分电路、比例积分电
路、软手动硬手动电路和输出电路。
§13-3、常规调节器基本电路分析
以基型DDZ－Ⅲ调节器为例。
工作原理：
调节器将变送器或转换器送来的直流1~5VDC的信号Vi与给定值
1~5VDC的信号比较并进行叠加，然后对比较所得的偏差顺序进
行PD和PI 运算，最后转换成一个4~20mA DC和I0，并作为输出
信号输出至执行器。
§13-3、常规调节器基本电路分析
以基型DDZ－Ⅲ调节器为例。
特点：
采用了集成电路运算放大器，从而使其在结构和性能方面都有
了很大的改善和提高。
选用的高增益、高阻抗线性集成电路元件，提高了调节器的精
度、稳定性和可靠性，还降低了功耗；
实现的软、硬两种手动操作方式，尤其是软手动与自动之间的
相互切换双向无平衡无扰动特性，有效地提高了操作性能；
采用的国际标准信号制，扩大了调节器的应用范围，可接受
1~5V 的测量信号，并可产生4~20mA的输出信号；
在集成电路的集成上，可根据需要开展多种功能，并可与计算
机联用，以构成具有协调作用的计算机控制系统。
§13-3、常规调节器基本电路分析
以基型DDZ－Ⅲ调节器为例。
主要性能：
第三编
仪表系统分析
第14章
执行单元
概述：
执行单元是构成控制系统不可缺少的重要组成部分。任何
一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单
元组成。执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被
控变量所对应的某些物理量，例如温度、压力和流量等参数，
从而实现对被控对象的控制目的。因此完全可以说执行单元是
用来代替人的操作的，是工业自动化的“手脚”。
由于执行器的原理比较简单，操作比较单一，因而人们常
常会轻视这一重要环节。事实上执行器大多都安装在生产现
场，长年与生产中的各种介质直接接触，并时常工作在高温、
高压、深冷、强腐蚀等恶劣环境，要保持其安全运行远不是容
易的事情，因而也常常是控制系统中最薄弱的环节。
一、执行器分类与比较
根据所使用的能源种类，执行器可以分为气动、液动
和电动三种。
常规情况下三种执行器的主要特性比较如表：
一、执行器分类与比较
1、气动执行器：
是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器。
它接受调节器的输出控制信号，直接调节被控介质（如液
体、气体或蒸汽等）的流量，使 被控变量控制在系统要
求的范围内，以实现生产过程的自动化。
气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维
护方便和防火防爆等优点，在工业控制系统中应用十分普
遍。
一、执行器分类与比较
2、电动执行器：
电动执行器是以电动执行机构进行操作的。它接受来
自调节器的输出电流4~20mA 信号，并转换为相应的输出
轴角位移或直线位移， 去控制调节机构以实现自动调
节。
电动执行器的优点则是能源采用方便，信号传输速度
快，传输距离远，但其结构复杂、推力小、价格贵和且只
适用于防爆要求不高的场所的缺点，大大地限制了其在工
业环境中的广泛应用。
3、液动执行器：
最大特点是推力大，但在实际工业中的应用较少。
二、执行器基本构成及工作原理
1、原理图：
二、执行器基本构成及工作原理
2、原理：
执行器一般由执行机构和调节机构两部分组成。
执行机构是执行器的推动装置，它可以按照调节器的输出信
号量，产生相应的推力或位移，对调节机构产生推动作用；
调节机构是执行器的调节装置，最常见的调节机构是调节
阀，它受执行机构的操纵，可以改变调节阀阀芯与阀座间的
流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。
二、执行器基本构成及工作原理
2、原理：
执行器接受来自调节器的输出信号，该信号送入信号
转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行
比较，其差值作为执行结构的输入，以确定执行结构的作用
方向和大小；执行结构的输出结果再控制调节器的动作，以
实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置
发生器可以产生其反馈控制所需的位置信号。
执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行
器调节精度，保证执行器工作稳定的重要手段。