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1、过程控制与自动化仪表 湖南大学电气与信息工程学院 涂春鸣 主要内容 o绪论 o检测仪表 o调节器 o执行器和防爆栅 o调节对象的特性及实验测定 o单回路调节系统设计及调节器参数整定 o复杂调节系统 调节器主要内容 o常用调节规律 oPID运算电路 oPID调节器的线路实例 oPID数字控制算法 o可编程逻辑控制器（PLC）简介 o先进过程控制策略 调节器又称控制器或控制仪表。其作用 是把被控变量的测量值和给定值进行比较， 得出偏差后，按一定的调节规律进行运算， 输出控制信号，以推动执行器动作，对生产 过程进行自动调节。 调节器 DDZ电动调节器 DDZ-S单回路调节器 YS100单回路调节器
2、YS80单回路调节器 3.1 常用调节规律 调节规律：调节器的输出信号与输入偏差信 号之间的关系。 y = f (e) 控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人 工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经比 较环节比较后得到偏差信号 e ，它是设定值信号 r 与测量信 号 x 之差。 e = r x 或 e = x - r 常用调节规律有断续控制和连续控制两类： 一、断续控制控制器输出接点信号，如双 位控制、多位控制。 二、连续控制控制器输出连续信号，如比 例(proportional)控制、比例积分(integral)控制 、比例微分(derivative)控制、比例积分微分控
3、制 ，以及其它先进控制方法。 理想的双位控制器输出 y 与输入偏差 e 之间的 关系为： e 0 （或e 0）时 = ymax ymin y e 0）时 理想的双位控制特性 ymax ymin e y 有中间区的双位控制特性 ymax ymin e y 3.1.1 双位控制 只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个 极限位置，因此又称开关控制。 例1：温度双位控制系统 温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电 器吸合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温 控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。 220V 进水 出水 二位式控制器电路原理框图： 测量信号 给定信号 U0 是一种最简单的调节
4、器，根据被调量偏差符 号的正、负，输出只有两个位置，高电平或低电平 ，可以当一个电子开关用。 有中间区的双位控制效果： 被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。 理想双位控制效果： t y T T0 t t y T T0 t 3.1.2 三位控制 控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。 ymax ymin e y e2 e1 测量信号 给定1 U01 U02 给定2 三位控制器电路原理框图： 例2：温度三位控制系统 温度低于T1时，温控器使继电器1、2都吸合， 加热器1、2都通电加热；温度高于T1低于T2时，温 控器使继电器1吸合、继电器2断开，只有加热器1通 电；温度高于T2时，继电器1、2
5、都断开。 J1 J2 T2 T1 1 2 2 220V 进水 出水 温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度 快；温度偏差小时，小幅调整。 t y T T2 T1 t 要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连 续变化的调节器。 传递函数为 3.1.3 比例控制（P） 控制器输出y（t）和偏差信号e（t）成比例关系 Kp比例增益 P y e 被控变量 测量值x 被控变量 给定值xr 浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为 执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮 球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。 如果e = 0，则活塞 无法提高，Q1 无法加 大，调节无法进行。 例：自力式液
6、位比例控制系统 ab h Q1 Q2 e p 比例控制过程 Q2 h t e p Q1 t t t t 原来系统处于平衡， 进水量与出水量相等，此 时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增 加，引起液位下降，浮球 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 水量相等时，系统重新平 衡，液位也不再变化。 v 比例控制的特点 q控制及时。只要有偏差，输出立刻成比例地变 化，偏差越大，输出的控制作用越强。 q增大KP ，会使系统的稳定性和动态性能变差， 但可相应地减小余差，提高静态精度。 q控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零 ，调节器的输出也就为零 y = KP e 以偏差存在为前提条件，不
7、能做到无静差调节。 ab h Q1 Q2 e p h1 ab h Q1 Q2 e p h2 在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表 示比例控制作用的强弱。 所谓比例度P（ ）就是指控制器输入偏差的相 对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数 表示。 式中e为输入偏差；y为控制器输出的变化量； （xmax - xmin）为测量输入的最大变化量，即控制器 的输入量程；（ymax ymin）为输出的最大变化量， 即控制器的输出量程。 如果控制器输入、输出量程相等，则: 比例度: y x xr xmax xmin ymin ymax 比例度除了表 示控制器输入和输 出之间的增益外， 还表明比
8、例作用的 有效区间。 比例度P的物理意义： 使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变 化相对量。如P=50%表明： 控制器输入偏差 变化50% ，就可使控 制器输出变化100%， 若输入偏差变化超过 此量，则控制器输出 饱和，不再符合比例 关系。 y x xr 0 100% 50% xmaxxmin P=50% P=100% 工业常见系统比例度的参考范围 o温度控制系统20%60% o压力控制系统30%70% o流量控制系统40%100% o液位控制系统20%80% 3.1.4 比例积分控制（PI） 当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的 基础上，加积分控制作用。 （1） 积分控制（I）
9、 输出变化量y与输入偏差e的积分成正比 当e是幅值为E的阶跃时 TI 积分时间 e E t t y q积分作用具有保持功能， 故积分控制可以消除余差。 q积分输出信号随着时间逐 渐增强，控制动作缓慢，故积 分作用不单独使用。 v 积分控制的特点 当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或 减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。 e E t t y （2） 比例积分控制（PI） 若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消 除余差 。 e E t t y KPE 2KPE 3KPE 4KPE 2TI3TITI0 工业常见系统积分常数的参考范围 o温度控制系统310min o压力控制系统0.4
10、3min o流量控制系统0.11min o液位控制系统一般不用积分作用 3.1.5 比例微分控制（PD） 对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速 度，此时可增加微分作用。 式中：TD 微分时间 偏差变化速度 理想微分 （1） 微分控制（D） e E t t y q 微分作用能超前控制， 提高稳定性和快速性。在偏 差出现或变化的瞬间，微分 立即产生强烈的调节作用， 使偏差尽快地消除于萌芽。 q微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在， 但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。 必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。 v 微分控制的特点 e E t t y （2）比例微分控制（PD）
11、理想的比例微分控制 e A t t y t y 理想微分作用持续时间 太短，执行器来不及响应。 一般使用实际的比例微分。 实际比例微分 t y KPA 当t=T=TD/KD KPKDA T 0.368KPA(KD-1) q将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起， 只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又 能消除余差，可得到满意的控制效果。 3.1.6 比例积分微分控制（PID） q PID控制作用中， 比例作用是基础控制； 微分作用是用于加快系 统控制速度；积分作用 是用于消除静差。 e t t y q比例作用始终为基本分量，微分在开始阶段有很 大输出，具超前作用，然后消失，积分作用则在
12、开 始时作用不明显，然后逐渐增大，起主要控制作用 ，直至余差消失为止。 PID参数对系统动静态特性的影响 o比例度过小，即比例放大系数过大时，比例 控制作用很强，系统有可能产生振荡； o积分时间过小时，积分控制作用很强，易引 起振荡； o微分时间过大时，微分控制作用过强，易产 生振荡。 PID参数对系统动静态特性的影响 比例（P）控制 PID参数对系统动静态特性的影响 比例积分（PI）控制 PID参数对系统动静态特性的影响 比例微分（PD）控制 PID参数对系统动静态特性的影响 比例积分微分（PID）控制 P、I、D控制规律的特点 o比例控制规律（P）：能较快地克服扰动的影响， 使系统稳定下来
13、，但有余差； o比例积分控制规律（PI）：应用最广泛，无余差； o比例微分控制规律（PD）：对改善系统的动态性 能指标，有显著的效果。不适用于纯滞后较大，测量 信号有噪声或周期性扰动的系统，有余差； o比例积分微分控制规律（PID）：是一种理想的控 制规律，但参数整定困难。 3.2 PID运算电路 传递函数实现方法： 高增益运放深度负反馈 Gi（S） X（S） Gf（S） Y（S） A（S） 由PI和PD两个运算电路串联而成，各信号电 压都是以VB=10V为基准起算的。 PIPD 1、 PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与 不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S
14、8打 向“通”时，构成 PD电路。 ID qPD传递函数 得 式中： 微分时间常数 ID 又因 得 实际微分因子 q 阶跃响应 当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为 V02 TD/n V01/n 63% t 可见，此电 路的微分是实际 的微分。 当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例 运算。有 这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端 ，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“ 通”时，保证无扰动切换。 2、PI电路分析 PI电路以A3为核心组成，开关S3为积分时间倍乘开关 。当S3打向1档时，1K电阻被悬空，不起分压作用 ；当S3打向10档时，1K电阻接到基准
15、线，静态V02 被分压输入。 由于10F电电容 积分需要较大电流， 在A3输出端加一功放 三极管。 则 qPI传递函数 运放负输入端节点电流方程（S3置于10档）： 传函为 设: Ti = mRICI 积分时间常数 S3打向10档时： m=10 S3打向1档时： m=1 q 阶跃响应 当V02为阶跃信号时，V03的阶跃响应为 t V03 （C I /CM）V02 -V03 t 理想运放时 实际运放时 3.3 PID调节器的线路实例 输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软 手动）切换电路、输出电路及指示电路。 输入 电路 PD电路PI电路 输出 电路 测量 外给 内给定电路给定值指示 输出指示 软手动 电路 硬手动 电路 测量值指示 内给 S6 S1 MH A DDZ-型调节器结构方框图 1-双针垂直指示器 2-外给定指示灯 3-内给定设定轮 4-自动软手动硬手动 切换开关 5-
