过程控制装置-3调节器讲解课件.ppt

1、第第 三三 章章一、概述一、概述 二、二、PIDPID调节规律及实现方法调节规律及实现方法三、模拟调节器模拟调节器 四、数字式调节器和可编程调节器四、数字式调节器和可编程调节器五、五、PIDPID参数自整定调节器参数自整定调节器调节器调节器是控制系统中的大脑和指挥中心，如图是控制系统中的大脑和指挥中心，如图4.1.14.1.1所示。所示。在自动调节系统中，由于扰动的作用，调节参数在自动调节系统中，由于扰动的作用，调节参数X X偏离给定值偏离给定值X XR R，产生偏差，产生偏差X X，即，即 X-XXR调节器图4.1.1 控制系统框图变送器执行器+pq控制对象X=X-XX=X-XR R (4.

2、1)(4.1)偏差作为调节器的输入信号进入调节器，并按该调节器所制作偏差作为调节器的输入信号进入调节器，并按该调节器所制作的调节规律进行运算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果的调节规律进行运算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为调节器的输出作为调节器的输出p p控制执行机构动作，完成指挥中心的任务。控制执行机构动作，完成指挥中心的任务。现在应用已经成熟的调节规律已有多种，如现在应用已经成熟的调节规律已有多种，如PIDPID调节规律调节规律、自自适应控制适应控制、模糊控制模糊控制等。等。1 1 常规常规PIDPID调节规律调节规律 调节规律对无量纲的数值进行运算，即输入信号调节规律对无

3、量纲的数值进行运算，即输入信号e e、输出信号输出信号p p分别为分别为minmaxminmax,YYYpXXXe 式中，式中，Xmax-Xmin 为被调节参数的最大值与最小值之差为被调节参数的最大值与最小值之差，即测量范围。，即测量范围。Ymax-Ymin 为输出量的最大值与最小值之差，即输出范为输出量的最大值与最小值之差，即输出范围。围。当当 e 0，p0时，我们称调节器为时，我们称调节器为正作用调节器正作用调节器；反；反之，当之，当 e 0，而，而p0时，称调节器为时，称调节器为反作用调节器反作用调节器。（4.24.2）调节器的调节规律一般可用以下四种方式表示：1）微分方程式2）传递函数

4、3）频率特性4）时间特性a)阶跃响应特性图4.2.1 比例调节器特性0p0eb)对数幅频特性L()Kpe20lgKpt0tL()（1 1）比例调节器（）比例调节器（P P）比例调节器的比例调节器的微分方程微分方程：p=p=K Kp p e e （4.34.3）比例调节器的比例调节器的传递函数传递函数：W(sW(s)=)=K Kp p （4.44.4）比例调节器的比例调节器的频率特性频率特性：W(jW(j)=)=K Kp p（4.54.5）比例调节器的时间特性和对数幅频特性如图比例调节器的时间特性和对数幅频特性如图4.2.14.2.1所所示。比例调节器对所有频率信号调节作用强度相同。示。比例调节

5、器对所有频率信号调节作用强度相同。比例调节为比例调节为有差调节有差调节，系统调节过程终止时，静差，系统调节过程终止时，静差必然存在。且扰动必然存在。且扰动q q越大，要求补偿其影响的越大，要求补偿其影响的p p值越大值越大。比例调节器的特点 调节及时 存在静态偏差（静差）例如：对于定值调节问题，扰动越大，要求补偿它的影响的比例控制器的输出值越大，静差越大。最大静差：emax=1/Kp.P比例带:%100%100%1001minmaxminmaxYYYXXXpeKPp 输入输出都是0-10mA DC 的比例调节器，输入从零变到4mA DC 时，输出相应变化10 mA,则比例带是多少？静差静差是用

6、来衡量调节器的是用来衡量调节器的重要指标重要指标之一：调节精度之一：调节精度%。增大增大KpKp虽然能减小静差虽然能减小静差，但由于系统常由多个惯性，但由于系统常由多个惯性环节串联，环节串联，KpKp过大过大，会使系统产生，会使系统产生自激振荡自激振荡。因此，。因此，对于某些扰动较大，对象惯性也大的系统，单纯的比对于某些扰动较大，对象惯性也大的系统，单纯的比例调节器难以兼顾动态和静态的品质指标。例调节器难以兼顾动态和静态的品质指标。L()20dB/十倍频程1=1/(KITI)图4.2.3 PI调节器的时间特性和对数幅频特性c)PI调节器的对数幅频特性020lgKIKp2=1/TI 20lgKp

7、20lgKIa)比例积分作用的阶跃响应peKpettKpKIeb)理想与实际PI调节器阶跃响应peett（2 2）比例积分调节器（）比例积分调节器（PIPI）)1(edtTeKpIp)11(1)(sTPsWIsTKsTPsWIII11111)(PIPI调节器的微分方程：调节器的微分方程：（4.8）理想理想PIPI调节器传递函数：调节器传递函数：其中，其中，T TI I为积分时间，为积分时间，K KI I为积分增益。为积分增益。（4.94.9）实际的实际的PIPI调节器传递函数：调节器传递函数：（4.104.10）积分作用的特点：积分作用能消除静差；积分作用动作缓慢，在偏差刚出现时，调节器作用很

8、弱不能及时克服扰动的影响，因此很少单独使用。PI调节器的频率特性：)1arctan(2)(1111)(wTjIIpIIewTTwKjwTPjwW PI调节器输出调节器输出p可以看作比例和积分两项输出之和可以看作比例和积分两项输出之和。在调节器输入端加阶跃信号e 比例输出：积分输出：TI的物理意义的物理意义：当输入e时，先有比例输出p1，对过程进行调节；当t=TI时，调节器的积分作用输出一个等于比例输出的调节作用，因此TI为再调时间。当比例带一定时，TI表示积分作用的强弱。ePp11etPTpI12具有饱和特性的PI调节器sTKsTPsWIII11111)(频率特性：频率特性：其中，其中，T T

9、I I为积分时间，为积分时间，K KI I为积分增益。为积分增益。222)(1arctanexp)(1)(111111)(wTKwTKwTjwTKwTPKjwTKjwTPjwwIIIIIIIIIIII具有饱和特性的PI调节器 阶跃响应特性：etTKPKPePKsTKsTPseLsWseLtpIIIIIII1exp111111)()(11输出趋于有限值输出趋于有限值eKKpIpIKK称为静态增益pIKKK)(KI为积分增益，表示具有饱和特性的积分作用消除静差的能力KI为积分增益，表示具有饱和特性的积分作用消除静差的能力利用终值定理可求出系统静差：sysWstest)(1lim)(lim0最大静差

10、出现在输出最大，即y=100%时，PIIstKKKPssWste11)(1lim)(lim%0KI表示PI调节器较比例调节器的调节精度增加的倍数，即表示PI调节器消除静差的能力。现在由于集成运算放大器的开环增益做到105已不困难，因此DDZ-III调节器的KI可达104 105。在某些结构的调节器中，KI为一常数，Kp=1/P可在一定范围内调整；在另一些结构的调节器中，K（）为一常数。（3 3）比例微分调节器（）比例微分调节器（PDPD）比例作用根据偏差的大小进行调节，积分作用可以减比例作用根据偏差的大小进行调节，积分作用可以减小被调参数的余差小被调参数的余差。对于一般的调节系统，。对于一般的

11、调节系统，PIPI调节器已调节器已经能满足生产过程自动化的要求，是应用最多的调节器经能满足生产过程自动化的要求，是应用最多的调节器。但当对象有较大的惯性、对象开始变化时偏差较小，但当对象有较大的惯性、对象开始变化时偏差较小，却以较大的速度增加等却以较大的速度增加等。此时，。此时，PIPI调节器不能及时克服调节器不能及时克服扰动的影响，以致造成大的动态偏差和长的调节时间。扰动的影响，以致造成大的动态偏差和长的调节时间。PIPI调节的品质就较差，需要根据被调参数变化的趋势采调节的品质就较差，需要根据被调参数变化的趋势采取调节措施，取调节措施，以防止被调参数产生更大的偏差，这就是以防止被调参数产生更

12、大的偏差，这就是微分调节微分调节。)(dtdeTeKpDp)1(1)(sTPsWDsKTsTPsWDDD111)(PDPD调节器的调节器的微分方程微分方程：理想的理想的PDPD调节器调节器传递函数传递函数：实际的实际的PDPD调节器调节器传递函数传递函数：其中，其中，TDTD为微分时间，为微分时间，KDKD为微分增益。为微分增益。图4.2.4 PD调节器的时间特性和对数幅频特性a)理想的PD作用阶跃响应b)实际的PD作用阶跃响应KPKDeKP(KD-1)eKPeTD/Kp0p0pe0.63KP(KD-1)etKD/TD c)PD调节器的对数幅频特性+20dB/十倍频程0tL()t20lgKp1

13、/TD20lgKD对于一个固定不变的偏差，不管它的数值多大，根本不会有微分作用，因此它不能克服静差。)arctanexp(1)1()(2wTjwTKjwTKjwWDDPDP比例微分调节器的频率特性：比例微分调节器的频率特性：对数幅频特性：对数幅频特性：2)(1lg20)(wTKwLDP PI调节器的输出可看作比例输出和微分输出的合成。比例微分作用比只有比例作用可提前一个时间 t=TD,TD称为比例微分调节器的预调时间。实际上，调节器不具有理想的微分作用，这是因为具有理想微分作用的调节器缺乏抗干扰的能力。当输入信号含有高频干扰时，会使输出发生大的变化，引起执行器的误动作。因此，实际调节器需要限制

14、微分输出的大小，即要使调节器具有饱和微饱和微分特性分特性。sKTsTPsWDDD111)(2221)(1lg20)(wKTwTKwLDDDP实际的比例微分调节器实际的比例微分调节器对数幅频特性对数幅频特性阶跃输出响应阶跃输出响应tTKKeeKpDDDpexp)1(实际PD调节器与理想PD调节器的区别1）理想PD调节器输出为无穷大而实际PD调节器输出为有限值KpKDe KD为微分增益，它在阶跃输入下的瞬间PD调节器总增益与比例部分增益之比值。KD太大容易引入高频干扰信号，因此将KD限制在530范围。2）实际的PD调节器与理想的PD调节器的第二个区别，是微分输出的下降不是瞬时完成的，而是按指数规律

15、下降。测定测定P P和和TD的方法1.1.比例度比例度P P的测定：将的测定：将TD调到零，在输入阶跃信号e时，得到比例输出时，得到比例输出p pp p,因此因此P=1/KP=1/Kp p=e/p=e/pp p2.2.微分时间微分时间T TD D的测定：将比例带的测定：将比例带P P调到调到100%100%，则，则tTKDDDeKeep)1(.1tTKDDeeKpD在在t=0t=0时，时，因此因此（微分增益）（微分增益）在在DDKTt 时，时，37.0)1()1(1DppDppKeKeKeKeKeKp即微分部分下降了即微分部分下降了63%63%。（4 4）比例积分微分调节器（）比例积分微分调节

16、器（PIDPID）比例积分微分调节器又称比例积分微分调节器又称PIDPID三作用调节器，为三种三作用调节器，为三种调节效果的迭加。理想的调节效果的迭加。理想的PIDPID调节器传递函数为：调节器传递函数为：11()(1)DIW sT sPT s实际的实际的PIDPID调节器具有调节器具有饱和特性饱和特性，传递函数为：，传递函数为：111()11DIDIIDT sT sW sTPsK T sK比例系数比例系数KpKp、微分时间、微分时间TDTD、积分时间、积分时间TI TI ，有以下规律：，有以下规律：KpKp ：KpKp越大，系统反应灵敏，过渡过程越快，但稳定度下降。越大，系统反应灵敏，过渡过

17、程越快，但稳定度下降。TD TD：TDTD越大，微分作用越强，能够克服容量和测量滞后，但越大，微分作用越强，能够克服容量和测量滞后，但对突变信号反应过猛对突变信号反应过猛 。TI TI：TITI越小，积分作用越强，消除余差越快，稳定度下降，振越小，积分作用越强，消除余差越快，稳定度下降，振荡加强荡加强 。频率特性频率特性jwKTjwTKjwTjwTKjwWDDIIDIp1111)(当当w w较小时，微分作用可以忽略，它相当于一个比例较小时，微分作用可以忽略，它相当于一个比例积分调节器；当积分调节器；当w w较大时，积分作用可以忽略，相当于较大时，积分作用可以忽略，相当于比例微分调节器。比例微分

18、调节器。2 2 调节规律的实现方法调节规律的实现方法 （1 1）模拟调节器实现方法）模拟调节器实现方法 用用RCRC电路的各种电阻电容组合实现调节规律。电路的各种电阻电容组合实现调节规律。RCsVVsWio11)(Vi图4.2.6 一个RC电路实现调节规律例CRVo该电路的传递函数：该电路的传递函数：一些一些PIDPID实现方案实现方案 串联式串联式PID PID 调节器调节器 测量值微分先行调节器测量值微分先行调节器 并联与串并联混合式调节器并联与串并联混合式调节器 （输入输出特性不好，不能用于调节器）（输入输出特性不好，不能用于调节器）串联式PID 调节器 由运算放大器的特点：开环放大倍数

19、非常大，当电路未饱和时，差模输入信号几乎为零，即VFVT，输入阻抗非常高，输入电路不取电流。在运算放大器构成负反馈电路时，可以证明：电路的输出阻抗为零，输出为理想的电压信号。这个特点使得应用运算放大器实现调节规律电路非常简单。串联式PID 调节器串联式PID 调节器 比例环节传递函数W1(s)、比例微分环节传递函数W2(s)、比例积分环节传递函数W3(s)分别为：sTKsTKsWsKTsTKsWKsWIIIPDDDPP1111)(11)()(332211、PIDPID运算电路总的传递函数为：运算电路总的传递函数为：11111)(321321，因IIDDDDIIIIDDDIIDPPPTKKTsK

20、TsTKTKKTsTsTTTKKKWWWsW略去，令略去，令 为干扰系数，有为干扰系数，有 IDTTF1sKTsTKsTsTKsKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIPDDIIDIP11111111)(由于干扰系数由于干扰系数F F的存在，式中，的存在，式中，KpKp、TI TI、TD TD 为调节器为调节器仪表的刻度值，仪表的刻度值，KpKp、TI TI、TD TD 为实际值，即实际的调为实际值，即实际的调节器整定值或调节效果值。它们之间的关系为：节器整定值或调节效果值。它们之间的关系为：F=1+TD/TI -相互干扰系数 Kp=FKp -比例系数 TI=F TI -再调时间 TD=TD

21、/F -预调时间只要F1，TI、TD 的调节都会影响Kp、TI、TD，这是由于PID的串联式结构的原因。并且，可以证明，正是这种串联式结构，使应用受到限制：在调节器的整定中，TI 与TD 的整定必须满足：TD/TI1/4。在串级PID电路中，输入信号为测量信号与给定信号的差值，即包括给定信号。也就是说，当操作者旋转给定信号发生器的操作旋钮，改变给定信号时，操作的变化速率将被微分调节规律PD电路作用，并在输出端Vo上反映出来。这是我们所不愿意看到的。测量值微分先行调节器测量值微分先行调节器 测量值微分先行调节器测量值微分先行调节器 图示电路方案将对信号变化的调节作用只作用于测量值，让微分先行，从

22、而克服了操作者在操作时引起的扰动。并联式调节器)111(11)(sKTsKTsTKKsKTsTsTKsWDDPDIPPDDDIP传递函数：传递函数：在并联式结构中，干扰系数为在并联式结构中，干扰系数为KpKp，KpKp变化会使实际的变化会使实际的再调时间再调时间TITI和预调时间和预调时间TDTD发生变化。发生变化。并联式PID调节器 PID串联式结构的干扰系数F使调节不方便、有应用限制，并且串联也使各环节的误差积累放大。在组件组装式仪表中出现了并联式结构与串并联混合式结构。误差积累降低了，干扰也消除了。串并联混合式调节器sKTsTsTKsWDDDIP111)(传递函数：传递函数：可见没有干扰

23、。可见没有干扰。数字控制系统的PID控制算法01()()()()tcDIde tu tKe te t dtTTdtsT0()()()()(1)ksDciIsTTu tKe ke ie ke kTT理想理想PIDPID：采样时间：采样时间：位置型：位置型：增量型：增量型：()(1)()()2(1)(2)()(1)sDcIsTTuKe ke ke ke ke ke kTTu ku ku 速度型：速度型：()()(1)()()2(1)(2)csDsIsKTTv ke ke ke ke ke ke kTTT 1 1 基型基型PID PID 调节器调节器 （1 1）DDZ-DDZ-调节器的基本功能和性能

24、指标调节器的基本功能和性能指标调节器仪表应该具有以下基本功能：能对偏差调节器仪表应该具有以下基本功能：能对偏差Vi-VsVi-Vs作作PIDPID运算；能指示输入信号运算；能指示输入信号ViVi、给定信号、给定信号VsVs与输出与输出信号信号IoIo；可以实现正；可以实现正/反作用调节器；在必要时能用反作用调节器；在必要时能用手动操作，且操作应该很灵活；在自动与手动操作之手动操作，且操作应该很灵活；在自动与手动操作之间切换时应能双向无平衡无扰动切换；有可靠灵活的间切换时应能双向无平衡无扰动切换；有可靠灵活的故障措施等。故障措施等。DDZ-DDZ-调节器能以简单、可靠而巧妙调节器能以简单、可靠而

25、巧妙的方式实现以上基本功能。的方式实现以上基本功能。DDZ-DDZ-调节器的基本性能指标：调节器的基本性能指标：1、DDZ-调节器的基本性能指标：调节器的基本性能指标：比例带比例带P：2%500%再调时间再调时间TI：0.012.5分或0.125分 预调时间预调时间TD：0.0410分或断 微分增益微分增益KD：10 输入信号输入信号：15VDC输入及给定指示范围输入及给定指示范围 1 5mA内给定信号内给定信号：15VDC，稳定度稳定度：0.1%外给定信号外给定信号：420mADCPID参数整定范围：参数整定范围：输出信号输出信号：420mADC负载电阻负载电阻：250750 闭环跟踪精度闭

26、环跟踪精度：0.5%指示精度指示精度：动圈式0.5%输出保持特性输出保持特性：-1%/h温度范围温度范围：050电源电源：24V10%（2 2）工作原理）工作原理DDZ-DDZ-型基型调节器组成框图如图型基型调节器组成框图如图4.3.14.3.1所示。该仪表由两块电所示。该仪表由两块电路板组成：路板组成：控制单元与指示单元控制单元与指示单元。在控制单元内，输入信号。在控制单元内，输入信号I Ii i进进入输入电路后转换为电压信号，与给定信号作减法运算求得偏入输入电路后转换为电压信号，与给定信号作减法运算求得偏差差e(te(t)，即即V V0101。输入电路还有去掉干扰和调节整机电平的作用输入电

27、路还有去掉干扰和调节整机电平的作用。V V0101通过后继串联的通过后继串联的PDPD、PIPI电路进行电路进行PIDPID运算得到运算得到V V0303信号。输信号。输出电路将电压信号转换为适合于传输、便于带负载的电流信号出电路将电压信号转换为适合于传输、便于带负载的电流信号I Io o。手动操作电路加在。手动操作电路加在PIPI电路上，这是该设计的巧妙而上乘之作，电路上，这是该设计的巧妙而上乘之作，性能良好且价格便宜的实现了自动与手动之间的双向无平衡无性能良好且价格便宜的实现了自动与手动之间的双向无平衡无扰动切换。扰动切换。（3 3）电路分析与设计特点）电路分析与设计特点1 1）输入电路）

28、输入电路-偏差输入电平移动电路偏差输入电平移动电路DDZ-DDZ-型仪表组成的控制系统采用直流型仪表组成的控制系统采用直流24V24V单电源集单电源集中供电，正是集中供电引出了信号传输误差。如图中供电，正是集中供电引出了信号传输误差。如图4.3.24.3.2示出信号传输误差电路模型：由于变送器与调节器安装示出信号传输误差电路模型：由于变送器与调节器安装的地理位置不同，等效的传输电阻的地理位置不同，等效的传输电阻Rcm1Rcm1、Rcm2Rcm2则不同则不同，其上的压降，其上的压降Vcm1Vcm1、Vcm2Vcm2就不同。调节器的输入电路就不同。调节器的输入电路采用差动放大电路，将采用差动放大电

29、路，将Vcm1Vcm1、Vcm2Vcm2作为电路的共模信作为电路的共模信号，就是为了利用差动放大电路不传输共模信号的特点号，就是为了利用差动放大电路不传输共模信号的特点来克服这种集中供电引入的误差。来克服这种集中供电引入的误差。偏差差动电平移动电路工作原理)2)(31)2(31)2(/)(/012101210141541251451154154RiTFBcmcmRTBcmcmiBcmcmiFVVVVVVVVVVVVVVVVVRRRRRVRRRRRVVRRRRRV（则，有倍数非常大，因为运算放大器的放大同理可求得设设R1=R2=R3=R4=R5=R6R1=R2=R3=R4=R5=R6运算放大器的

30、反相输运算放大器的反相输入端入端V VF F有三个信号影响，如图有三个信号影响，如图4.3.24.3.2中的、与中的、与注意：注意：V V0101是以是以V VB B为基准的信号，为基准的信号，V VB B是电平移动电源，是电平移动电源，为十伏。即调节器的输入电路将信号的电平移到了为十伏。即调节器的输入电路将信号的电平移到了V VB B上。上。偏差差动电平移动电路1.由于采用差动电路，输出电压仅与测量信号和给定信号之差成正比，与导线电阻的压降无关。2.采用电平移动，以VB为基准输出。3.将运算放大器的共模输入电压调整到电压容许范围。2 2）PDPD电路电路-微分作用的投入与切除是无扰的微分作用

31、的投入与切除是无扰的PDPD电路用电路用RCRC网络实现比例微分运算，用运算放大器网络实现比例微分运算，用运算放大器构成的跟随器实现阻抗变换，构成的跟随器实现阻抗变换，传递函数传递函数为为PDPD电路的一个显著特点是电路的一个显著特点是微分作用开关电路微分作用开关电路，该电路以，该电路以简单可靠的方式使微分作用的投入与切除简单可靠的方式使微分作用的投入与切除“无扰无扰”。sCRsCnRnVVsWDDDDD11)(010202020303030302030311,11111111FFFIIIFPIImImImmIIIImIIIPIIIVVVVVVVCmR C smK VWRVCC sC sK R

32、 C sK CTmR CCCKmCT sWK T s ，V令；，则，3 3）PIPI电路电路-手动操作与切换问题手动操作与切换问题 调节器的调节器的PIPI电路在运算放大器的前向通道上加了一个电路在运算放大器的前向通道上加了一个射射极跟随器极跟随器。因运算放大器的放大倍数。因运算放大器的放大倍数K K0303非常大，射极跟非常大，射极跟随器的加入不会对传递函数有影响，只是为了加限幅电路随器的加入不会对传递函数有影响，只是为了加限幅电路。在在V VF F端列节点电流方程端列节点电流方程 这是一个典型的具有这是一个典型的具有饱和特性饱和特性的比例积分环节的比例积分环节 电路由手动操作状态向自动状态

33、的切换电路由手动操作状态向自动状态的切换在手操状态下，与K1联动的K2开关将CI并接在V02上，因此，CI总是在跟踪着V02的变化，即CI在作无扰切换的准备，有CI（t0-）=V02（t0-），并且VT接信号公共端“地”，则VF虚地，有V03（t0-）=Cm（t0-）。当K1、K2联动开关将电路状态由手操切向自动时，由于电容上的电压不能突变，有 VF（t0+）=V02（t0+）-CI（t0+）=V02（t0+）-CI（t0-）=V02（t0+）-V02（t0-）=0从而能保证VF继续虚地，由于Cm上的电压不能突变，因此，V03（t0+）=Cm（t0+）=Cm（t0-）=V03（t0-）所以，由

34、手动操作向自动的切换是无扰的，并且是无平衡无扰动的切换。当软手操按钮未按下，或开关K1并未置于某一接点上时，运算放大器的反相输入端处于浮空状态，如图4.3.4所示，此时电路输出V03等于电容Cm上的电压。如果电容Cm的绝缘性能不好，或运算放大器的输入阻抗不够高，时间长了V03会跨下来。衡量Cm与运算放大器性能的这项指标称为保持特性。在一些国外的调节器设计中，为了提高这项指标，有的还在PI电路上加接了补偿电路。4 4）输出电路）输出电路-关于负载关于负载 输出电路将输出电路将1 15V5V的的V03V03转换为电流信号转换为电流信号I 0I 0作为执行机作为执行机构的开度信号。调节器与执行器的安

35、装位置相距较远，线构的开度信号。调节器与执行器的安装位置相距较远，线路传输变数较多，所以该电路的路传输变数较多，所以该电路的衡流性能衡流性能要求较高。要求较高。输出电路输出电路-关于负载关于负载HOFTHOBFBTRKVIVVRIVVVKKVKVVKV03032411)24(11，求得因）（、HORKVI03输出电路将15V的V03转换为电流信号I 0作为执行机构的开度信号。调节器与执行器的安装位置相距较远，线路传输变数较多，所以该电路的衡流性能要求较高。性能指标列出负载电阻变化范围为250750，实际可达150 1.2K。RH=62.5。通常，用RH调节来调节该电路的转换系数。电路输出I 0

36、=I 0+I f，在设计的电路参数，以及要求的精度下，I f I 0，所以有I 0I 0，即，表达式中不含负载电阻RL，因此RL只同电气极限参数有关。5 5）指示电路）指示电路-简单实用，温度性能好简单实用，温度性能好如图所示，指示电路为典型的差动放大电路。如图所示，指示电路为典型的差动放大电路。V V 0 0=V=V i i V V 0 0是以为是以为V VB B基准的输出电压，基准的输出电压，I I 0 0=V =V 0 0/R/R 0 0，指示表，指示表头为毫安表，指示头为毫安表，指示I I 0 0电流。由于电流。由于R R远大于表头支路电阻远大于表头支路电阻，有，有I I 0 0I I

37、 0 0 。sKTsTKsTsTKsKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIPDDIIDIP11111111)(（4 4）DDZ-DDZ-调节器特性分析调节器特性分析1 1）调节器的传递函数）调节器的传递函数DDZ-DDZ-调节器采用串联结构，传递函数已有推导，为调节器采用串联结构，传递函数已有推导，为式中式中T TD D=nCnCD DR RD D -刻度的预调时间刻度的预调时间T TI I=mCmCI IR RI I -刻度的再调时间刻度的再调时间K KD D=n -=n -微分增益微分增益KI=K03Cm/(KI=K03Cm/(mCImCI)-)-积分增益积分增益F=1+TD/TI-F

38、=1+TD/TI-相互干扰系数相互干扰系数KpKp=FKpFKp -实际的比例系数实际的比例系数TI=F TI -TI=F TI -实际的再调时间实际的再调时间TD=TD/F -TD=TD/F -实际的预调时间实际的预调时间2 2）误差分析）误差分析DDZ-DDZ-调节器采用串联结构，误差会积累与放大，调节器采用串联结构，误差会积累与放大，R6R6支路上串接一个可调电阻，用于调节输入电路的静态支路上串接一个可调电阻，用于调节输入电路的静态对称对称 积分电路中运算放大器的失调电压会引起误积分运算，积分电路中运算放大器的失调电压会引起误积分运算，这将会是相当大的误差。解决的办法是运算放大器的同相这

39、将会是相当大的误差。解决的办法是运算放大器的同相输入端输入端VTVT不是直接接不是直接接VBVB，而是接一个高精度的可调电源，而是接一个高精度的可调电源。4 4 积分饱和问题积分饱和问题PIDPID调节器在某些生产过程的控制中会出现积分饱和问题调节器在某些生产过程的控制中会出现积分饱和问题。表现的现象是调节器在无征兆的情况下停止工作或似乎。表现的现象是调节器在无征兆的情况下停止工作或似乎出现故障。这类问题常发生在反复启停、操作量限制较大出现故障。这类问题常发生在反复启停、操作量限制较大、扰动较大和调节时间较长的系统中。、扰动较大和调节时间较长的系统中。（1 1）积分饱和及其带来的危害）积分饱和

40、及其带来的危害调节滞后、调节品质变坏，还会带来生产事故调节滞后、调节品质变坏，还会带来生产事故 （2 2）抗积分饱和措施）抗积分饱和措施 积分饱和的原因是：当输出达到限幅值时，积分作积分饱和的原因是：当输出达到限幅值时，积分作用没有停止。因此，抗积分饱和的措施如下，应用某用没有停止。因此，抗积分饱和的措施如下，应用某种方法自动地监视着积分环节的输出，当输出达到限种方法自动地监视着积分环节的输出，当输出达到限幅值时：幅值时：1.1.限制电容上的电压限制电容上的电压VcVc。2.2.取消积分作用，转换成比例作用。取消积分作用，转换成比例作用。3.3.使输入信号为零或反向。使输入信号为零或反向。（3

41、 3）电路举例）电路举例 1 1 概述概述数字调节器是模拟调节器的取代与向前的一个飞跃发展数字调节器是模拟调节器的取代与向前的一个飞跃发展，对生产过程进行直接数字控制。与模拟调节器相比，对生产过程进行直接数字控制。与模拟调节器相比，性价比大为提高性价比大为提高 （1 1）硬件结构）硬件结构数字调节器实际上就是一台用于工业控制的微型计算机，数字调节器实际上就是一台用于工业控制的微型计算机，主要功能是对生产过程实行直接数字控制。主要功能是对生产过程实行直接数字控制。（2）软件构成）软件构成数字调节器作为一台工业控制仪表，与计算机比较，具有数字调节器作为一台工业控制仪表，与计算机比较，具有软件功能单

42、一、任务明确的特点。其软件由软件功能单一、任务明确的特点。其软件由监控程序监控程序与与应应用程序用程序构成。构成。2 2 模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输入通道主要考虑抗干扰、实时性、精度、转换模拟量输入通道主要考虑抗干扰、实时性、精度、转换速度、转换多路不同信号制的模拟信号以及成本价格等方速度、转换多路不同信号制的模拟信号以及成本价格等方面的因素。面的因素。（1 1）高精度的多路数据输入通道）高精度的多路数据输入通道当控制现场有多种信号，且变送器属于不同的信号制，当控制现场有多种信号，且变送器属于不同的信号制，输出的信号与数字调节器输入信号不符时，需要通过适当输出的信号与数字调节器输入信

43、号不符时，需要通过适当的转换器将不同信号制的信号转换成为调节器能够接收的的转换器将不同信号制的信号转换成为调节器能够接收的信号。各通道的数据由微机控制的多路开关分时循环采入信号。各通道的数据由微机控制的多路开关分时循环采入，经，经A/DA/D转换器转换成数字量后送入微机。转换器转换成数字量后送入微机。（2 2）同步通道）同步通道当数据转换的时间性要求很高时，可采用图当数据转换的时间性要求很高时，可采用图4.4.44.4.4所示设所示设计。应用微机控制的采样保持器计。应用微机控制的采样保持器S/HS/H，在要求的时刻对各，在要求的时刻对各自通道的数据采样暂存，然后等待多路开关分时的循环的自通道的

44、数据采样暂存，然后等待多路开关分时的循环的采入，从而获得各通道同步的信号。采入，从而获得各通道同步的信号。（3 3）高抗干扰通道）高抗干扰通道 从输入通道引入的干扰分为串模干扰与共模干扰。串模从输入通道引入的干扰分为串模干扰与共模干扰。串模干扰与输入信号串联迭加在输入信号上。串模干扰产生的干扰与输入信号串联迭加在输入信号上。串模干扰产生的原因很多，可能有信号源内部的因素，也可能是信号传输原因很多，可能有信号源内部的因素，也可能是信号传输线受到的电磁感应等。在硬件电路中一般采用线受到的电磁感应等。在硬件电路中一般采用滤波滤波的方法的方法克服，克服，软件中有软件中有均值法均值法、概率的方法概率的方

45、法，也有各种，也有各种滤波器软滤波器软件件等。等。3 3 模拟量输出通道与手操电路模拟量输出通道与手操电路模拟量输出通道主要考虑多路输出、无干扰、精度、负载模拟量输出通道主要考虑多路输出、无干扰、精度、负载能力、手操电路、无扰切换及成本价格等方面的因素。能力、手操电路、无扰切换及成本价格等方面的因素。（1 1）一个简单的模出通道）一个简单的模出通道图图4.4.6 a)4.4.6 a)方案是一种价廉物美的设计方案，一片高精度的方案是一种价廉物美的设计方案，一片高精度的DACDAC转换芯片就可以使电路有很高的指标。转换芯片就可以使电路有很高的指标。（2 2）一种带手操的模出通道设计）一种带手操的模

46、出通道设计如图如图4.4.74.4.7为一种带手操电路的模拟量输出通道的设计方案，为一种带手操电路的模拟量输出通道的设计方案，主要解决软手操与自动主要解决软手操与自动/手动之间的无扰切换问题。手动之间的无扰切换问题。4 4 可编程序调节器可编程序调节器 “可编程序可编程序”体现在体现在通讯功能通讯功能和和编程器编程器上。可编程序调上。可编程序调节器内含标准的功能软件，能实现几种预定的控制模式、节器内含标准的功能软件，能实现几种预定的控制模式、控制类型。编程方式较为灵活，用户只要能进行简单的控制类型。编程方式较为灵活，用户只要能进行简单的“编程编程”，或称，或称“组态组态”，就能实现较为复杂的控

47、制系统。，就能实现较为复杂的控制系统。（1 1）基本功能）基本功能一般调节器提供的控制模式有：单回路控制模式、串级一般调节器提供的控制模式有：单回路控制模式、串级控制模式和选择控制模式，以及通过控制模件的组合构成控制模式和选择控制模式，以及通过控制模件的组合构成复杂控制模式的可编程模式。复杂控制模式的可编程模式。常见的控制类型：基本常见的控制类型：基本 PIDPID控制、比例控制、采样控制、比例控制、采样 PIPI控控制、批量制、批量 PIPI控制。利用可编程模式或上位机通信方式，控制。利用可编程模式或上位机通信方式，可以进一步实现预测控制、解耦控制、前馈控制、非线性可以进一步实现预测控制、解

48、耦控制、前馈控制、非线性控制等先进控制策略。控制等先进控制策略。常见的编程方式有两种：常见的编程方式有两种：编程器编程编程器编程与与在上位机应用编在上位机应用编程软件包编程程软件包编程。例如，在普通。例如，在普通 PCPC机上使用随仪表提供的机上使用随仪表提供的程序生成软件包对调节器编程组态。程序生成软件包对调节器编程组态。可编程序调节器为了使用灵活，常具有多种与上位机通可编程序调节器为了使用灵活，常具有多种与上位机通信的通信接口，如信的通信接口，如RS-232CRS-232C、RS-485RS-485、RS-422RS-422等等。（2 2）可编程序调节器组态方法）可编程序调节器组态方法可编

49、程序调节器组态方法的设计是以不懂计算机，但懂传可编程序调节器组态方法的设计是以不懂计算机，但懂传统控制系统设计、维护人员为对象，以合适的性价比为目统控制系统设计、维护人员为对象，以合适的性价比为目标。常见的组态方法有：标。常见的组态方法有：组态字方式组态字方式、模块代码方式模块代码方式与与组组态语言法态语言法。1 1 概述概述 PID PID自整定是一种依赖对被控过程动特性的识别，自动自整定是一种依赖对被控过程动特性的识别，自动计算计算PIDPID参数的整定方法。大致可分为两大类：参数的整定方法。大致可分为两大类：波形识别波形识别和以和以对象数学模型为基础对象数学模型为基础的自整定。的自整定。

50、2 2 继电器振荡继电器振荡PIDPID参数自动整定技术参数自动整定技术 控制图 继电震荡自整定系统过程XR产生振荡的条件是：产生振荡的条件是：argG(jargG(j)=-)=-Ku=4 Ku=4/(/()=1/)=1/()式中，式中，KuKu是继电特性在传输幅度为的正弦信是继电特性在传输幅度为的正弦信号的等价增益，幅度可依据振荡曲线计算。号的等价增益，幅度可依据振荡曲线计算。3 3 迭代自整定控制算法迭代自整定控制算法继电器振荡继电器振荡PIDPID参数自动整定技术应用于确定初始整定参数自动整定技术应用于确定初始整定参数，而迭代算式适用于在参数整定较好的基础上进行实参数，而迭代算式适用于在