過(guò)程控制儀表第4章模擬式調(diào)節(jié)器1

1、第四章第四章 模擬式調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器 本章的主要內(nèi)容：本章的主要內(nèi)容： PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法 基型基型PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 特種調(diào)節(jié)器特種調(diào)節(jié)器要求：要求：1 1）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的）熟悉調(diào)節(jié)器的功能要求，掌握基本調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表示及其響應(yīng)特性；數(shù)學(xué)表示及其響應(yīng)特性；2 2）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及型調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成、電路原理及其應(yīng)用特點(diǎn)；其應(yīng)用特點(diǎn)； 調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào) 與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號(hào) 進(jìn)行比較，得到其偏差 ，即 然后調(diào)節(jié)器對(duì)該偏差信號(hào)按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)

2、現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制作用。 iVSVSiVV 4.1 4.1 PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法 調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律1. 基本概念和名詞基本概念和名詞 在定值自動(dòng)控制(調(diào)節(jié))系統(tǒng)中，由于干擾使被控量(輸出)偏離設(shè)定值(期望值)，即被控參數(shù)(量)產(chǎn)生了偏差。 x=x-xr 式中： x：偏差量 x：被控量 xr：給定值 調(diào)節(jié)器特性是指它的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。稱為調(diào)節(jié)器特性是指它的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律。稱為調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律。設(shè)輸入信號(hào)為設(shè)輸入信號(hào)為x，輸出變化量為輸出變化量為y。 x0， y 0 ；x 0 ， y 0， y 0 ；x 0稱為反

3、作用調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)可能有不同的量綱，例如溫度調(diào)節(jié)器輸入調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)可能有不同的量綱，例如溫度調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)是溫度，而輸出信號(hào)為電壓或電流。為了便于特性的通用性，將輸入信號(hào)是溫度，而輸出信號(hào)為電壓或電流。為了便于特性的通用性，將輸入和輸出用相對(duì)量來(lái)表示：和輸出用相對(duì)量來(lái)表示： e= x/(xmax-xmin) 式中：xmax，xmin為被測(cè)量的最大值和最小值， xmax-xmin為測(cè)量范圍。 p= y/(ymax-ymin) 式中：ymax，ymin為輸出量的最大值和最小值， ymax-ymin為輸出范圍。2. 比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律理想理想PI

4、D的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(寫成傳遞函數(shù)形式寫成傳遞函數(shù)形式：第一項(xiàng)為比例（P）部分，第二項(xiàng)為積分（I）部分，第三項(xiàng)為微分（D）部分；Kc：為調(diào)節(jié)器的比例增益，TI：為積分時(shí)間（以s或min為單位），TD：為微分時(shí)間（也以s或min為單位）。 三個(gè)部分可以分別組合成P（比例），PI（比例積分），PD（比例微分），PID（比例積分微分）（一）比例調(diào)節(jié)器一）比例調(diào)節(jié)器微分方程表達(dá)式和時(shí)間特性微分方程表達(dá)式和時(shí)間特性 微分

5、方程為 p=Kpe （p為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，e為被控參數(shù)與給定值之差 ) 其階躍響應(yīng)曲線(在輸入端加階躍信號(hào),其輸出隨時(shí)間變化的曲線)浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。浮球?yàn)樗粋鞲衅?，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時(shí)刻如果某時(shí)刻Q2加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，加大，造成水位下降，則浮球帶動(dòng)活塞提高，使使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。epba=ebap CyK e 如果如果e = 0，則活塞無(wú)，則活塞無(wú)法提高，法提高，Q1 無(wú)法加大，調(diào)無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行。節(jié)無(wú)法進(jìn)行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過(guò)程比例

6、控制過(guò)程Q2htepQ1tttt 原來(lái)系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水原來(lái)系統(tǒng)處于平衡，進(jìn)水量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥量與出水量相等，此時(shí)進(jìn)水閥有一開(kāi)度。有一開(kāi)度。 t=0時(shí)，出水量階躍增加，時(shí)，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開(kāi)大。進(jìn)水閥開(kāi)大。 當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位相等時(shí)，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。也不再變化。 其特點(diǎn)是響應(yīng)快，調(diào)節(jié)及時(shí)，是最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律，但是會(huì)產(chǎn)生靜差。 e=0，p=0，即調(diào)節(jié)器無(wú)輸出，調(diào)節(jié)作用喪失。2. 調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù) P稱為比例帶（比例度），是輸入相對(duì)變化量與輸出相對(duì)變化量之比。它表示

7、輸出變化全范圍（100%）所對(duì)應(yīng)的輸入變化范圍。 KP是比例調(diào)節(jié)器的可調(diào)參數(shù)比例增益。 ueeremaxeminuminumax比例度除了表示比例度除了表示控制器輸入和輸出之間控制器輸入和輸出之間的增益外，還表明比例的增益外，還表明比例作用的有效區(qū)間。作用的有效區(qū)間。比例帶比例帶P的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的偏差變化相對(duì)量。如化相對(duì)量。如P=50%表明：表明： 控制器輸入偏差控制器輸入偏差變化變化50% ，就可使控，就可使控制器輸出變化制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過(guò)若輸入偏差變化超過(guò)此量，則控制器輸出此量，則控制器輸出

8、飽和，不再符合比例飽和，不再符合比例關(guān)系。關(guān)系。puur0100%50%umaxuminP =50%P =100%例例:某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400800，輸出信號(hào)，輸出信號(hào)范圍是范圍是420mA。當(dāng)指示指針從。當(dāng)指示指針從600變到變到700時(shí)，控制時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。700 60016 8800400204/100%解解maxmaxeueu/100%P50%答答:溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的50區(qū)間內(nèi)（即區(qū)間內(nèi)（即200）時(shí)，）時(shí)，e和和u是是2倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。u/

9、mAe/ e420800400P =50%( (二二) ) 比例積分控制（比例積分控制（PIPI） 當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1） 積分控制（積分控制（I） 輸出變化量輸出變化量u(t)與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比01u(t)tIedtT當(dāng)當(dāng)e是幅值為是幅值為E的階躍時(shí)的階躍時(shí)01Eu(t)etIIdttTTTI 積分時(shí)間積分時(shí)間eEttuq積分作用具有保持功能，積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。故積分控制可以消除余差。q積分輸出信號(hào)隨著時(shí)間逐積分輸出信號(hào)隨

10、著時(shí)間逐漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積漸增強(qiáng)，控制動(dòng)作緩慢，故積分作用不單獨(dú)使用。分作用不單獨(dú)使用。v 積分控制的特點(diǎn)積分控制的特點(diǎn)當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或當(dāng)有偏差存在時(shí)，積分輸出將隨時(shí)間增長(zhǎng)（或減?。?；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。減小）；當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出能保持在某一值上。eEttu 若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又若將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差能消除余差 。 （2） 比例積分控制（比例積分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 稱為稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信

11、號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純?cè)陔A躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。 Ti必須根據(jù)對(duì)象選定，對(duì)管道壓力、必須根據(jù)對(duì)象選定，對(duì)管道壓力、流量等滯后不大的對(duì)象，可選小一些，對(duì)流量等滯后不大的對(duì)象，可選小一些，對(duì)溫度則可選大些。溫度則可選大些。IK（三）比例微分調(diào)節(jié)器（三）比例微分調(diào)節(jié)器 由于大慣性系統(tǒng)(例如溫度對(duì)象)，即使受到大的擾動(dòng)，被控量開(kāi)始時(shí)變化仍不大，偏差很小，PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用很弱，但偏差卻以一定的速度增長(zhǎng)。所以PI調(diào)節(jié)器就不能及時(shí)克服擾動(dòng)的影響，會(huì)造成大的動(dòng)態(tài)偏差和長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。加入微分作用，在偏差尚不大時(shí)，根據(jù)偏差變化趨勢(shì)（速

12、度），提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，使過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)得到改善。 1.微分作用微分作用 它的微分方程表達(dá)式為：在階躍輸入作用下，其輸出如下圖所示。dtdeTpDq 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。芽狀態(tài)之中。q微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。當(dāng)偏差存在，微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。但不變化時(shí)，微分輸出為零，因此不能單獨(dú)使用。必須和必須和P或或PI結(jié)合，組成結(jié)合，組成PD控制或控制或PID控

13、制?？刂?。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)eEttu2.比例微分控制（比例微分控制（PD） 實(shí)際的比例微分控制實(shí)際的比例微分控制 理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。際的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(DK稱為PD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。 （四）比例、積分、微分三作用調(diào)節(jié)器（四）比例、積分、微分三作用調(diào)節(jié)器（PID） 將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用

14、的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果?？傻玫綕M意的控制效果。階躍響應(yīng)特性如下圖所示。 PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用制；微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用是用度；積分作用是用于消除靜差。于消除靜差。sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)( 傳統(tǒng)的PID經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)大體分為以下幾步：1 關(guān)閉控制器的I和D元件，加大P元件，使產(chǎn)生振蕩。2 減小P，使系統(tǒng)找到臨界振蕩點(diǎn)。3 加大I，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值。4 重新上電，觀察超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否

15、符合系統(tǒng)要求。5 針對(duì)超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)增加微分項(xiàng)。 PID控制器參數(shù)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法確定控制器參數(shù)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法確定 PID控制器的參數(shù)整定不是唯一的，事實(shí)上比例、積分和微分三部分作用相互影響。從應(yīng)用的角度看，只要被控對(duì)象主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可。為此人們根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各種不同被控對(duì)象的PID的參數(shù)都是有一定的范圍。這就給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了一個(gè)基準(zhǔn)。 下表給出了幾種常見(jiàn)被控量PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可供參考。 物理量特 點(diǎn)KP TI/minTD/min液位 允許有靜差，可不用積分和微分 1.25-2.5 壓力 對(duì)象的滯后不大，可不用微分1.4-3.5 0.4-3 溫度 對(duì)象有較大的滯后，常用

16、微分1.6-5 3.0-10 0.5-3流量 時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，KP較小，TI較小，不用微分1.0-2.5 3.0-10二二. PID運(yùn)算電路的構(gòu)成運(yùn)算電路的構(gòu)成 由串聯(lián)反饋運(yùn)放和并聯(lián)反饋運(yùn)放可以構(gòu)成各種運(yùn)算電路，加入輸入和輸出電路就可以構(gòu)成P，PI，PD和PID各種調(diào)節(jié)器。（一（一）由由P，PD和和PI串聯(lián)組成的串聯(lián)組成的PID運(yùn)算電路運(yùn)算電路 其電路原理如下圖所示 考慮到各電路的輸入阻抗比輸出阻抗大得多。串聯(lián)時(shí)互相影響小，IC1IC3的開(kāi)環(huán)增益K1，K2和K3都足夠大。dtdVFTdtVFTVFKdtdVKTdtVTKViDiIiPDDII11000式中 KP1=R3RP2/R4RP1

17、，KP2=R2/(R1+R2)=1/n KP3=C1/Cm KP=KP1KP2KP3 比例增益 KD=n 微分增益 KI=K3Cm/CI 積分增益 TDnCDRD 預(yù)調(diào)時(shí)間 TI=RICI 再調(diào)時(shí)間 F=1+TD/TI 相互干擾系數(shù) 圖示運(yùn)算電路的實(shí)際比例系數(shù)為：KP=KPF 實(shí)際再調(diào)時(shí)間為：TI=TIF 實(shí)際預(yù)調(diào)時(shí)間為：TD=TD/F F表示PID運(yùn)算電路實(shí)際的整定參數(shù)KP ， TI和TD之間互相干擾的程度。 當(dāng)F =1， KP ， TI和TD三個(gè)參數(shù)在調(diào)整時(shí)無(wú)相互影響。 當(dāng)F1，且與TI ，TD有關(guān)，調(diào)整TI將引起F變化，也就使TD和KP變化；調(diào)整TD也會(huì)引起F變化，從而使TI和KP隨之變

18、化。 F越大，互相影響越嚴(yán)重。 2. 省去省去P放大器的放大器的PID運(yùn)算電路運(yùn)算電路 如下圖所示，將比例放大器與 PD合并，信號(hào)只經(jīng)過(guò)一次反向，因此VO和Vi極性相反。DDZ-型調(diào)節(jié)器的PID運(yùn)算電路就是這種結(jié)構(gòu)。 由PD和PI串聯(lián)得到的PID運(yùn)算電路優(yōu)點(diǎn)是可以是測(cè)量值微分先行的調(diào)節(jié)器，測(cè)量值經(jīng)過(guò)微分后再與給定值比較，差值送入積分電路。由于給定值不經(jīng)過(guò)微分，在改變給定時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出不會(huì)發(fā)生大的突變，避免給定值對(duì)系統(tǒng)大擾動(dòng)。 串聯(lián)構(gòu)成的運(yùn)算電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是F較小。 缺點(diǎn)是各級(jí)誤差積累放大，為保證整機(jī)精度，對(duì)各部分電路的精度要求較高。（二）由（二）由P， I和和D并聯(lián)組成的并聯(lián)組成的PID運(yùn)算

19、電路運(yùn)算電路 其原理電路如圖所示，由P，I和D三個(gè)運(yùn)算電路并聯(lián)連接，然后由加法器把他們的輸出相加（即V0=V01+V02+V03 ），構(gòu)成PID電路。這種方式的特點(diǎn)：避免級(jí)間誤差的積累放大，對(duì)保證整機(jī)精度有利；可消除參數(shù)TI，TD變化對(duì)整機(jī)實(shí)際整定參數(shù)（KP，TD，TI）的影響；由于比例級(jí)與積分，微分電路并聯(lián)，KP變化將使實(shí)際預(yù)調(diào)時(shí)間TD/KP和再調(diào)時(shí)間KPTI發(fā)生變化，即KP對(duì)TD，TI有影響。（三）串聯(lián)并聯(lián)混合式（三）串聯(lián)并聯(lián)混合式PID運(yùn)算電路運(yùn)算電路 為了消除PID參數(shù)之間的相互干擾，可采用串聯(lián)并聯(lián)混合電路，如下圖所示，PI和D并聯(lián)后再與變比例級(jí)串聯(lián)，其框圖如下圖所示。練習(xí)1.某比例積

20、分調(diào)節(jié)器的輸入、輸出范圍均為420mA DC，若設(shè)比例度P=100%，TI=2min，穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出為6mA；若在某一時(shí)刻輸入階躍增加1mA，試求經(jīng)過(guò)4min后調(diào)節(jié)器的輸出。2.某控制器初始輸出U0為1.5VDC，當(dāng)UI加入0.1V的階躍輸入時(shí)（給定值不變），U0為2V。隨后U0線性上升，經(jīng)5秒U(xiǎn)0為4.5V，則比例增益，比例度，積分時(shí)間和微分時(shí)間分別是多少？ 4.2 4.2 DDZ-DDZ-型型基型基型PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了型（用電子管）、型（用電子管）、型（用晶體管）和型（用晶體管）和型（用集

21、成電路）。型（用集成電路）。PID，PI，PD和P調(diào)節(jié)器的組成基本相同，它們之間只是運(yùn)算電路部分不同，其中PID調(diào)節(jié)器是最完善的調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器的構(gòu)成調(diào)節(jié)器的構(gòu)成1、 DDZ-型儀表的主要技術(shù)指標(biāo)及外形型儀表的主要技術(shù)指標(biāo)及外形主要技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量信號(hào)：測(cè)量信號(hào)：15V.DC； 外給定信號(hào)：外給定信號(hào)：420mA.DC；內(nèi)給定信號(hào)：內(nèi)給定信號(hào)：15V.DC； 測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度：測(cè)量與給定信號(hào)的指示精度：1；輸入阻抗影響：輸入阻抗影響：滿刻度的滿刻度的0.1； 輸出保持特性：輸出保持特性：0.1（每小時(shí)）；（每小時(shí)）；輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：420mA.DC； 調(diào)節(jié)精度：調(diào)節(jié)

22、精度：0.5；負(fù)載電阻：負(fù)載電阻：250750。1-雙針垂直指示器雙針垂直指示器2-外給定指示燈外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)自動(dòng)軟手動(dòng)軟手動(dòng)硬手動(dòng)硬手動(dòng) 切換開(kāi)關(guān)切換開(kāi)關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵軟手動(dòng)操作板鍵DDZ-DDZ-基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ敾驼{(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐贰⑷腚娐?、PDPD與與PIPI電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路

23、。 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖 2 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理 二二. DDZ-型調(diào)節(jié)器的原理和特性型調(diào)節(jié)器的原理和特性它由集成運(yùn)放芯片代替晶體管分立元件，使它相對(duì)于DDZ-型具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：提高了調(diào)節(jié)器的性能指標(biāo)；采用集成電路，大大提高了可靠性，降低了功耗；有軟（積分）硬（比例）兩種手動(dòng)操作方式；易于功能擴(kuò)展。 （一）工作原理（一）工作原理基型全刻度指示調(diào)節(jié)器原理圖如下圖所示。主要由6個(gè)運(yùn)放電路為核心，主電路A1 A4，指示電路A5和A6。1）調(diào)節(jié)器工作電源電壓為24VDC，偏移電壓為10VDC由高精度集成電源獲得。2）主電路（控制單元）包括輸入電路（偏差差動(dòng)電

24、平移動(dòng)電路）IC1，PID運(yùn)算電路（PDIC2和PIIC3串聯(lián)）。3）輸出電路（V/I轉(zhuǎn)換） IC4 ，以及內(nèi)給定電路。4）指示電路：輸入信號(hào)指示IC5和給定信號(hào)指示IC6 。5）給定信號(hào)：給定信號(hào)分為內(nèi)給定和外給定，由開(kāi)關(guān)S6選擇。內(nèi)給定信號(hào)15VDC，外給定信號(hào)420mA，內(nèi)端子板上250精密電阻轉(zhuǎn)換為15VDC，面板上指示燈指示外給定狀態(tài)。6）調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)：它有自動(dòng)，保持，軟手動(dòng)和硬手動(dòng)四種工作狀態(tài)。 工作狀態(tài)由開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)由開(kāi)關(guān)S1和和S2切換：切換： S1和和S2為為“1”位置為位置為“自動(dòng)自動(dòng)”狀態(tài)；狀態(tài)； S1和和S2為為“2”位置為位置為“保持保持”狀態(tài)；狀態(tài)； S4按下為按

25、下為“軟手動(dòng)軟手動(dòng)”狀態(tài)；狀態(tài)； S1和和S2為為“3”位置為位置為“硬手動(dòng)硬手動(dòng)”狀態(tài)。狀態(tài)。 “自動(dòng)自動(dòng)”狀態(tài)：測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)通過(guò)輸入電路比較產(chǎn)生偏狀態(tài)：測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)通過(guò)輸入電路比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，由差信號(hào)，由PD和和PI對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算后，再經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)運(yùn)算后，再經(jīng)輸出電路轉(zhuǎn)換為換為420mADC信號(hào)輸出，去控制執(zhí)行器。信號(hào)輸出，去控制執(zhí)行器。 “軟手動(dòng)軟手動(dòng)”狀態(tài)：輸出可按快慢兩種速度線性增加或減少，對(duì)狀態(tài)：輸出可按快慢兩種速度線性增加或減少，對(duì)工藝（生產(chǎn)）過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制。工藝（生產(chǎn)）過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制。 “保持保持”狀態(tài)：使調(diào)節(jié)器輸出保持切換前瞬間的數(shù)值

26、。狀態(tài)：使調(diào)節(jié)器輸出保持切換前瞬間的數(shù)值。 “硬手動(dòng)硬手動(dòng)”狀態(tài)：調(diào)節(jié)器輸出與給定電壓成正比，即與硬手動(dòng)狀態(tài)：調(diào)節(jié)器輸出與給定電壓成正比，即與硬手動(dòng)桿位置一一對(duì)應(yīng)。桿位置一一對(duì)應(yīng)。 DDZ-III型調(diào)節(jié)器軟、硬手動(dòng)的切換過(guò)程可總結(jié)為型調(diào)節(jié)器軟、硬手動(dòng)的切換過(guò)程可總結(jié)為: 自動(dòng)切換到軟手動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到無(wú)擾動(dòng)切換；2) 軟手動(dòng)切換到硬手動(dòng)，需平衡后切換才能做到無(wú)擾動(dòng)切換；3) 硬手動(dòng)切換到軟手動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到無(wú)擾動(dòng)切換；4) 軟手動(dòng)切換到自動(dòng)，無(wú)需平衡即可做到無(wú)擾動(dòng)切換。 （二）（二）DDZ-型調(diào)節(jié)器的特性分析型調(diào)節(jié)器的特性分析 在DDZ-型調(diào)節(jié)器中，由于積分增益高KI105（m=1時(shí)）

27、，不便于直接進(jìn)行測(cè)量，而采用閉環(huán)跟蹤誤差作為一項(xiàng)綜合指標(biāo)，它既包括積分增益有限引入的誤差，也包括了調(diào)節(jié)器各環(huán)節(jié)引入的誤差，能在一定程度上表明調(diào)節(jié)器構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)的調(diào)節(jié)精度，也便于測(cè)量。1）電路構(gòu)成）電路構(gòu)成 將調(diào)節(jié)器接成自閉環(huán)系統(tǒng)如下圖所示。為構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)必須將正反作用開(kāi)關(guān)置于反作用位置；為了及時(shí)跟蹤，將微分作用切斷，積分時(shí)間置于最小（m=1）2）電路分析）電路分析 DDZ-型調(diào)節(jié)器閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)框圖如下圖所示。圖中1為輸入電路誤差，2為比例微分電路誤差，3為PI電路誤差，4為輸出電路誤差，設(shè)為各級(jí)折算到輸入級(jí)后的誤差總和，即電路的最大誤差。 設(shè)閉環(huán)跟蹤誤差為=VR-Vi ,則 因?yàn)镈DZ-型調(diào)節(jié)

28、器輸入信號(hào)為15VDC，量程為4V，所以閉環(huán)跟蹤相對(duì)誤差為：由上式可知，閉環(huán)跟蹤誤差主要包括兩項(xiàng)閉環(huán)跟蹤誤差主要包括兩項(xiàng)： 由調(diào)節(jié)器開(kāi)環(huán)增益決定KPKI，調(diào)節(jié)器各級(jí)誤差折算到輸入后的和。 KI很大，I、 4很小，可以忽略不計(jì)。則式中： 由上式可知：由于積分增益很高，由輸出電路引入的誤差可忽略不計(jì)；由PI電路引入的誤差與比例帶大小有關(guān)，當(dāng)比例帶很小時(shí)，P=2%時(shí)， 3很小，可忽略不計(jì)。 因此 當(dāng)比例帶最大時(shí)， P=500%DDZ-型調(diào)節(jié)器閉環(huán)跟蹤精度為0.5%,必須同時(shí)滿足 P=2% 0.5% 和 P=500% 0.5% 為此，當(dāng)P=2%時(shí)，調(diào)整輸入電路的運(yùn)放IC1的調(diào)0電位器，以滿足精度要求；

29、當(dāng)P=500%時(shí)，調(diào)整PI電路中的調(diào)0電位器，來(lái)滿足精度要求。 從以上分析可知從以上分析可知：跟蹤誤差取決于積分增益KI和各級(jí)引入的誤差，KI足夠大時(shí)主要取決于各級(jí)誤差；各級(jí)誤差由運(yùn)放參數(shù)決定，主要由失調(diào)電流和電壓引起，但它可通過(guò)調(diào)0電路來(lái)消除；溫度變化引起運(yùn)放的參數(shù)漂移，調(diào)零的方法無(wú)法解決。 4.3 特種調(diào)節(jié)器特種調(diào)節(jié)器 為了適應(yīng)多種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特殊要求，在基型調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，附加相應(yīng)的單元電路，形成了具有附加功能的調(diào)節(jié)器，即特種調(diào)節(jié)器。特種調(diào)節(jié)器的應(yīng)用可以大大提高過(guò)程自動(dòng)化水平，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)和生產(chǎn)的安全性。 特種調(diào)節(jié)器的種類：特種調(diào)節(jié)器的種類： 抗積分飽和調(diào)節(jié)器抗積分飽和調(diào)節(jié)器非線性非線性P

30、ID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器微分先行微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器比例微分先行比例微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器一. 輸出限幅抗積分飽和調(diào)節(jié)器（一）積分飽和現(xiàn)象及其危害一）積分飽和現(xiàn)象及其危害 1. 積分飽和現(xiàn)象（過(guò)積分現(xiàn)象）積分飽和現(xiàn)象（過(guò)積分現(xiàn)象） 2. 積分飽和現(xiàn)象的危害積分飽和現(xiàn)象的危害 積分飽和現(xiàn)象在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中是十分有害的，它會(huì)造成調(diào)節(jié)的滯后，使調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。如電路處于積分飽和狀態(tài)，當(dāng)偏差消失或反向時(shí)，例如偏差Vi由負(fù)值變?yōu)檎?，調(diào)節(jié)器輸出不能及時(shí)改變，調(diào)節(jié)閥不能及時(shí)動(dòng)作，使調(diào)節(jié)器暫時(shí)喪失了調(diào)節(jié)功能，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使VF（上圖a）及V0（上圖b）恢復(fù)到開(kāi)始限幅瞬間的數(shù)值，即使積分電路脫離積分飽和狀態(tài)時(shí)

31、，電路輸出才能對(duì)偏差作正確的反應(yīng)，這段等待時(shí)間就造成了調(diào)節(jié)的滯后，使調(diào)節(jié)過(guò)程的超調(diào)量加大。 要防止產(chǎn)生調(diào)節(jié)滯后作用，必須在輸出限幅的同時(shí)，采取抗積分飽和的措施?？狗e分飽和的電路種類較多，下面我們以一個(gè)電路為例說(shuō)明抗積分飽和的原理。（二）偏差反饋型積分限幅電路（二）偏差反饋型積分限幅電路 當(dāng)輸出V03在上下限設(shè)定電壓范圍內(nèi)，即 VL V03 VH （VL、VH及V03均對(duì)基準(zhǔn)電平VB而言）時(shí)，隔離二極管VD1、VD2均不導(dǎo)通，積分限幅電路不起作用，調(diào)節(jié)器對(duì)輸入偏差信號(hào)V02（及V01）按PI作用進(jìn)行運(yùn)算。 當(dāng)輸入超過(guò)上限，即V03 VH 時(shí)，IC5同相端電壓為正值，輸出正向飽和電壓VC，驅(qū)使VD

32、1導(dǎo)通，通過(guò)電阻加到IC7同相輔入端。因輸出V03超過(guò)上限，V02必定為負(fù)極性信號(hào)，VC與V02極性相反，由于IC5的開(kāi)環(huán)增益很高，因此VC為很強(qiáng)的負(fù)反饋信號(hào)，它迫使V03保持在VH附近。此時(shí)，IC6輸出也為正信號(hào)，VD2截止，此路斷開(kāi)。 當(dāng)輸出V03的小于下限VL時(shí)，即V03 VL ，VD2導(dǎo)通，E點(diǎn)電壓VE為負(fù)值，而此時(shí)的V02必定為正極性信號(hào)，因此 VE亦為很強(qiáng)的負(fù)反饋信號(hào)，它迫使 V03在 VL附近工作。非線性PID調(diào)節(jié)器分為： 分段PID調(diào)節(jié)器 不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器 二. 非線性調(diào)節(jié)器 非線性調(diào)節(jié)器是整定參數(shù)（如KP）隨輸入信號(hào)大小變化的調(diào)節(jié)器，下圖所示即為非線性比例調(diào)節(jié)器的特性。不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，如右圖： 在控制點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)比例增益大幅降低，而在這個(gè)區(qū)域以外，則比例增益恢復(fù)原值 非