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1、4.1 DDZ- 型调节器 4.2 改进型调节器 4.3 数字式调节器,第4章 过程控制仪表,调节器将来自变送器的测量信号 与调节器的内给定或外给定信号 进行比较，得到其偏差 ，即 然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制作用。,调节器的作用,4.1 DDZ- 型调节器,图4-1 全刻度指示调节器组成框图,图4-2 全刻度指示调节器原理图,调节器由控制单元和指示单元组成 控制单元包括输入电路、PD和PI运算电路、V/I转换电 路、软手操和硬手操电路； 指示单元包括测量信号指示和给定信号指示电路。,一、 输入电
2、路,设A1为理想运算放大器，其开环增益和输入阻抗为无穷大，T点和F点同电位，即 。由节点电流法可求得: 即： 有：,=,结论：,1. 输出信号 是偏差信号 的两 倍； 2. ， 均以零伏为基准的DC 15V， 而 是以 =10V为基准的信号，从 而实现了电平转移。,图4-3 输入电路,二、 比例微分（PD）电路,比例微分电路由无源比例微分电路和比例运算放大器A2组成，见图4-4和图4-5。,图-4 比例微分电路,图4-5比例微分电路的组成 a) 无源微分电路 b)比例放大电路,有：,设A2为理想运算放大器，其开环增益和输入阻抗均为无穷大， 而输出阻抗为零，则可不考虑放大器的影响，前后两部分可单
3、独分 析其运算关系。然后两部分的传递函数相乘，即可得出比例微分电 路的传递函数,=,因为,所以,设 ， ，把上式化成一般形式,所以PD电路的传递函数为,当 为阶跃作用时，利用拉氏变换，可求得 随时间变化的数学表达式 ：,依据下式，可用实验法求取微分时间TD,当开关S置于图4-4所示位置时，该电路为比例微分 电路；当S处于“断”位置时，微分作用被切除，电路 仅具有比例作用。此时微分电容CD通过电阻R并联在 9.1K电阻两端，CD上的电压始终跟随9.1K电阻上的压 降。当S需要从“断”位置切换至“通”位置时，在切换的 瞬间，由于电容上的电压不能突变，从而保持不变，对 控制系统不产生扰动，实现无扰动
4、切换。,图4-6 PD电路输出的 阶跃响应曲线,三、 比例积分（PI）电路,该电路由 A3、RI、CI和CM等组成，如图4-7所示。 由于射极跟随器的输出与A3输出信号同相位，且幅值几乎相等，为便于分析，可把射极跟随器包括在A3中，于是可简化成图4-8。,图4-7 PI电路,CI和CM组成比例运算电路，即,图4-8 PI电路的简化 a) S3在TI1档 b) S3在TI10档,RI和CM组成积分运算电路，即,不难看出，PI电路的输出是上述两种运算的叠加，即,当 为常数时有：,设积分时间 ，积分增益,设A3的开环增益为 K3，且其不能为无穷大，经整理并简化后有,PI电路的传递函数表达式,当输入为
5、阶跃作用时，利用拉氏反变换可得的时间函数表达式,可作出实际PI电路在 为阶跃作用时输出 的响应特性，见图4-9。,图4-9 PI电路输出阶跃响应曲线,同样可用实验法来测定积分时间TI。,四、 整机的PID传递函数,调节器的输入电路、PD运算电路和PI运算电路，这三个环节决 定了整机的传递函数，如图4-10。,图4-10 调节器传递函数框图,于是调节器的传递函数为,简化后可得：,式中，干扰系数：,比例增益：,比例度：,微分时间：,微分增益：,积分时间：,积分增益：,由于相互干扰系数F的存在，上述参数的实际整定值与刻度值（ F 1时） 之间的关系为：,拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式
6、为：,图4-11为输入信号为阶跃作用时，调节器的输出响应特性：,图4-11 PID调节器的输出阶跃响应曲线,五、输出电路,图4-12 输出电路,设：,可列出下列方程：,即有：,设,设 为理想运算放大器，,，则,由图4-12可求得：,综合上两式可求得：,忽略反馈支路电流,和晶体管,的基极电流,，则有,即 ：,六、手动操作电路和无平衡无扰动切换,调节器的手动操作电路是附加在PI运算电路中而组成的， 有软手操和硬手操两种，见图4-13。,图4-13 手动操作电路,无平衡无扰动切换是指切换时无需预先调平衡，可随 时切换至所需位置，而切换时调节器的输出电流不变，对 生产过程不产生扰动。,无平衡扰动切换：
7、,1) 自动软手操的切换是双向无平衡无扰动切换。 2）同理，硬手操软手操或者硬手操自动的切换也是 无平衡无扰动切换。 3）自动硬手操或软手操硬手操切换时，欲做到无扰 动切换，必须预先调平衡。,七、指示电路,图4-17 全刻度指示电路,设,为理想运放，,电阻R均为500K,该电路是一个电压跟随器,即有：,由于反馈支路的电流很小，可忽略不计，故流过电流表的电流,4.2 改进型调节器,随着生产过程的复杂化和严格要求，出现各种复杂 的调节系统，而采用基型调节器往往达不到生产过程所 要求的控制指标。因此要求调节器的功能在基型调节器 基础上进一步扩大。实现方法是在基型调节器内部增加 各种附加单元，以改善其
8、性能。,抗积分饱和调节器 微分先行PID调节器 比例微分先行PID调节器 非线性PID调节器,一、抗积分饱和调节器,图4-18 积分反馈型抗积分饱和调节器的组成,调节过程：,图4-19 抗积分饱和调节器的调节过程,二、微分先行PID调节器,调节器的传递函数：,图4-20微分先行PID调节器原理框图,三、比例微分先行PID调节器,图4-21比例微分先行PID调节器的组成框图,调节器的传递函数：,四、非线线PID调节器,非线性PID调节器分为： 分段PID调节器 不灵敏区的PID调节器,不灵敏区的PID调节器，如图4-22：,在控制点附近一个区域内比例 增益大幅降低，而在这个区域以 外，则比例增益
9、恢复原值,图4-22 非线性调节器的调节特性,调节原理：,图4-23 非线性调节器的组成原理,4.3 数字式调节器,数字式调节器的优点： 开发周期短，性能价格比高； 具有自检自诊断的异常报警功能和通信功能； 控制精度高，性能稳定，工作可靠； 使用和维护方便。,数字式调节器目前已在各行各业的自动控 制系统中得到广泛的应用。,一、数字式调节器控制规律的实现,DDZ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行 连续的PID运算。 数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的 运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式 调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律 必须进行离散化后方可应
10、用于数字式调节器。,控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法 ) 不完全微分PID算法(实际PID算法 ),位置型、增量型、速度型和偏差型,实现形式：,1.完全微分PID算法,位置型：,增量型：,速度型：,偏差型：,2. 不完全微分PID算法,在完成微分PID的输出端串联一 阶惯性环节，如图4-24。,完全微分PID算法的缺点：,微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制 系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应 。,不完全微分PID调节器：,图4-24 不完全微分PID调节器组成原理框图,不完全微分PID位置型算法：,不完全微分PID增量型算法：,不完
11、全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用， 可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。,3. 抗积分饱和算法,数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法 ，其基本原理是， 在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样 便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。,对于理想PID算法的增量形式：,首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，,然后确定是否投入积分作用，即：,4. 数字式非线性控制,对于数字式完全微分PID算法的增量算法：,式中，,为逻辑系数,二、数字式调节器的组成,图4-24 数字式调节器的组成框图,包括微机单元、输入电路、输出电路和人机对话单元。,三、专家自整定调节器,图4-26 专家自整定调节器原理框图,四、虚拟调节仪表,图4-27 虚拟调节器原理框图,
