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1、第四章 调节单元,本章要点,1）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及其响应特性； 2）熟悉 DDZ-型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点； 3）了解改进型调节器的原理； 4）了解数字式调节器的原理；,过程控制仪表概述,过程仪表的定义及作用,1 调节器的功能,（1）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。 （2）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。 （3）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，
2、给定信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。,（4）正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。 （5）手动切换操作 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在切换过程中，又希
3、望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。 （6）其它功能 如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能,2 执行器的作用,执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。 若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。,3 安全栅,安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性
4、混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。,第一节 DDZ-型模拟式调节器,补充 ：PID调节规律，比例积分微分调节规律,理想PID的增量式数学表达式 ：,写成传递函数形式：,1 比例调节规律,比例控制数学表达式 ：,纯比例调节器的阶跃响应特性,比例控制的特点 控制及时、适当。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。,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 u = KC e 即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。,在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度来表示比例控制作用的强弱。 所谓比例度就是指控制器输入偏差的相
5、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；u为控制器输出的变化量；（emax - emin）为输入的最大变化量,及输入量程；（umax umin）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:,比例度除了表示控制器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。,比例度的物理意义：,使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变化相对量。如 =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。,例 某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信号
6、范围是420mA。当指示指针从600变到700时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。,解,答 温度的偏差在输入量程的50区间内（即200）时，e和u是2倍的关系。, =50%,2 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） 输出变化量u(t)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,积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。 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。,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
7、持在某一值上。,若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差 。 （2） 比例积分控制（PI）,比例积分调节器的阶跃响应特性,称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,3 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）,微分作用能超前控制。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状态之中。,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
8、PI结合，组成PD控制或PID控制。,微分控制的特点,（2）比例微分控制（PD） 实际的比例微分控制,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作用。,称为PD调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。,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。,4 比例积分微分控制（PID）,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。,DDZ-型基型调节器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经
9、历了型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用集成电路）。,PID调节器的阶跃响应特性,1 DDZ-型仪表的特点及外形 特点： 测量信号：15V.DC； 外给定信号：420mA.DC； 内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：1； 输入阻抗影响：满刻度的0.1； 输出保持特性：0.1（每小时）； 输出信号：420mA.DC； 调节精度：0.5； 负载电阻：250750。,DDZ-基型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与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。,全刻度指示调节器的构成框图,2 全刻度指示调节器的
10、构成原理,全刻度指示调节器的线路实例,输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号Vi和给定信号Vs之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。 求偏差 e ：V01 = k ( Vs Vi ),1 输入电路,因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。,可列出两输入节点的电流方程：,而 VTVF 则 V01 = 2（Vi VS）,采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，,（2） 求偏差 Vi VS，进行偏差运算。 （3）将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。,电路的特点
11、 （1）输入阻抗高,（4） 进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB =10V ，即进行电平移动。,因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V,则,显然，IC不能正常放大。,如果 VB = 0,VB = 10V时， V+ = V- = 3.75.7V 保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。,而且 VB = 0时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V 也不符合后面PID电路IC的范围要求。,VB = 10时：VO1= -2（V
12、i-VS ） = 218V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。,2、 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S8打向“通”时，构成 PD电路。,PD传递函数,得,式中：n=KD,微分时间常数,又因,得,阶跃响应,当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为,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。,3、PI电路分析 它接收以10V为基准的PD电
13、路的输出信号V02，进行PI运算后，输出以10V为基准的15V电压V03，送至输出电路。该电路由A3、R1、C1、CM等组成。S3为积分档切换开关，S1、S2为自动、软手动、硬手动联动切换开关，该电路除了实现PI运算外，手动操作信号也从该级输入。A3的输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。,由于电容CM积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。,PI传递函数 S1置于“自动”位置、S3分别置于“1”、“10”档时的简化电路：,根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：,S3打向10档时： m=10 S3打向1档时： m=1,PID运算电路由PI和PD两个运算电路串联而成
14、，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,4 输出电路,其任务是将PID电路输出电压VO3 =15V变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至0V。,在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。,取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3,由V+V-得,转换关系,则,而,若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K时，,可以精确获得关系：,5 调节器的整机传递函数 输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结构框图,整机传递函数可表示为 :,6 手动操作电路
15、及无扰切换 通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。,AM无冲击,1) A、M间的切换,S1从A切换到M时：,断开A3的输入,CM无放电回路,VO3保持不变,S42闭合-VM接入按TI =100s的时间积分,S41闭合-VM接入按TI =6s的时间积分,同理，S43（或S44）闭合+VM接入反向积分,用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为 “软手动”。,2) A、H间的切换 当切换开关S1由自动位置A，切向硬手动 H 时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。,由于CM充电迅速，A3的输出近似为比例电路。,传递函数,时间常数 T =
16、RFCM =301031010-6 = 0.3s 可见，VH 改变时，VO3很快达到新的稳态值。 AH前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。 MH也同样。,3) M、HA间的切换 S1由A切向M或H时，联动开关同时将积分电容CI接VB，使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。,自动（A）,软手动（M）,无扰,无扰,硬手动（H）,无扰,有扰,总结：,DDZ-III型调节器软、硬手动的切换过程可总结为: 自动切换到软手动，无需平衡即可做到无 扰动切换； 2) 软手动切换到硬手动，需平衡后切换才能 做到无扰动切换； 3) 硬手动切换到软手动，无需平衡即可做到 无扰动切换； 4) 软手动切换到自动，无需平衡即可做到无 扰动切换。
