2.2模擬調(diào)節(jié)器

1、調(diào)節(jié)器變送器和轉(zhuǎn)換器 運(yùn)算器和執(zhí)行器模擬式控制儀表及裝置 模擬式控制儀表及裝置 主要以DDZ-型儀表為主。主要特點(diǎn)：元器件以線性集成電路為主，儀表結(jié)構(gòu)合理、功能多樣，采用國際標(biāo)準(zhǔn)信號和集中統(tǒng)一供電，整套儀表可構(gòu)成本質(zhì)安全型防爆系統(tǒng)，從而保證了儀表的穩(wěn)定性和可靠性，使用方便。 主要性能指標(biāo)：4-20MA或1-5V，基本誤差0.5%,響應(yīng)時間不超過1s，供電24VDC等 儀表的分析方法 儀表整體結(jié)構(gòu)上看，模擬式控制儀表有兩種構(gòu)成形式。 儀表整機(jī)采用單個放大器，其放大器可由若干級放大電路或不同的放大器串聯(lián)而成。屬于這一類的儀表有DDZ-型儀表、大部分的變送器以及氣動儀表等。 整機(jī)由數(shù)目不等的運(yùn)算放大

2、器電路以不同形式組裝而成。如DDZ-、I系列和EK系列儀表等。 這一類儀表一般具有如圖1-3所示的典型結(jié)構(gòu)，即整個儀表可以劃分為三部分：輸入部分、放大器和反饋部分 。采用單個放大器的儀表分析方法1.采用單個放大器的儀表特點(diǎn) 由圖1-3可以求得整個儀表的輸出與輸入關(guān)系為 (1-1)式中 輸入部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)； 放大器的放大系數(shù)； 反饋部分的反饋系數(shù)。當(dāng)滿足KKf1的條件時 (1-2)由于 因此 ，即 (1-3) 上述分析表明，采用單個放大器的儀表具有如下特點(diǎn)。 在滿足 的條件時，儀表的輸出關(guān)系僅取決于輸入部分的特性和反饋部分的特性。 在滿足 的條件時，儀表的輸入部分的輸出信號 于整機(jī)輸出信號y經(jīng)反

3、饋部分反饋到放大器輸入端的反饋信號 基本相等，即放大器的凈輸入趨向于零。2.分析方法 式（1-1）-（1-3）是對采用單個放大器的儀表進(jìn)行分析的主要依據(jù)。對于這一類儀表的分析，首先是將儀表劃分為三部分：輸入部分、放大器和反饋部分。然后對各個部分進(jìn)行分析，重點(diǎn)是輸入部分和反饋部分。進(jìn)而根據(jù)式（1-2）或式（1-3）求出整機(jī)輸出與輸入之間的關(guān)系，即可得到整機(jī)性。 要將整個儀表劃分為三個部分，關(guān)鍵是如何確定圖1-3的比較環(huán)節(jié)和引出反饋的取樣環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)的確定可以從放大器的輸入端即所加位置著手；取樣環(huán)節(jié)的確定可以從儀表的輸出信號回路著手。 電動儀表的比較方式有兩種：串聯(lián)比較和并聯(lián)比較。如圖1-4和1

4、-5所示。 電動儀表的取樣方式有兩種：電流取樣和電壓取樣。如圖1-6所示。 采用運(yùn)算放大器的儀表分析方法 這一類儀表的線路是由若干個運(yùn)算放大器電路組裝而成，主要是運(yùn)算放大器電路以串聯(lián)形式相連。1.運(yùn)算放大器的基本知識（1） 運(yùn)算放大器的基本性能 在儀表電路圖中，運(yùn)算放大器一般用圖1-7所示的長方形符號表示。 引出端 有五個基本的引出端 a.輸入端（+、-） +端位同相輸入端，-端位反相輸入端。 b.輸出端 U。為輸出端對地的電壓。 c.電源端（U+、U-） 他們通常分別連接到運(yùn)算放大器所需的正、負(fù)電源上。 運(yùn)算放大器基本特征 在分析儀表線路時,往往把運(yùn)算放大器理想化。理想運(yùn)算放大器具有如下特點(diǎn)

5、： a.輸入電阻 ； b.輸出電阻 ； c.開環(huán)電壓增益 ； d.失調(diào)及其漂移為零。 由上述特點(diǎn)，可以得出如下兩條重要的結(jié)論：a.差模輸入電壓為零，即 或 ； b. 輸入端輸入電流為零 即 。 （2）運(yùn)算放大電路 反相端輸入 反相端輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-8所示。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)?所以整理可得 同相端輸入 同相端輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-9所示 。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)樗约床顒虞斎?差動輸入運(yùn)算放大器電路如圖1-10所示。因?yàn)樗杂忠驗(yàn)槿绻詣t調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律基型調(diào)節(jié)器 特種調(diào)節(jié)器和附加單元1 模擬調(diào)節(jié)器 概述 調(diào)節(jié)器的作用是將被控變量測量值與結(jié)定值進(jìn)行比較，然后對比較后得到的偏差進(jìn)行比例、積分、

6、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對被控變量的自動控制。 模擬調(diào)節(jié)器（控制算法由電路實(shí)現(xiàn)） 數(shù)字控制器（含CPU，控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)） 一般調(diào)節(jié)器還需要具備如下功能，以適應(yīng)自動控制的需要： 偏差指示 指示偏差信號模擬調(diào)節(jié)器指針式表頭全刻度指示：輸入信號和設(shè)定值分別由不同的指針在0100范圍指示偏差值指示：僅利用一個指針來指示偏差信號30數(shù)字控制器通過LED或者液晶屏顯示 輸出顯示 顯示調(diào)節(jié)器輸出信號的大小，習(xí)慣上輸出顯示表也稱作閥位表。內(nèi)、外給定的選擇給定信號可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由其它儀表外部提供 內(nèi)給定的調(diào)整 若設(shè)定值為內(nèi)給定，用戶可以調(diào)整調(diào)節(jié)器上的內(nèi)給定撥盤

7、來改變設(shè)定值正、反作用的選擇何謂正作用？何謂反作用？為了構(gòu)成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)，必須正確的確定調(diào)節(jié)器的正、反作用，否則整個控制系統(tǒng)就無法正常運(yùn)行。調(diào)節(jié)器的正、反作用，是通過正、反作用開關(guān)來選擇的。 手/自動雙向切換何謂手動？何謂自動？為什么要進(jìn)行手自動切換？ 手動操作 可以調(diào)整手操撥盤或者手操扳鍵來改變調(diào)節(jié)器的輸出 無擾動切換 手自動切換時都希望不給控制系統(tǒng)帶來擾動，即調(diào)節(jié)器的輸出信號不發(fā)生突變（即必須要求無擾動切換） Kp/Ti/Td的設(shè)置 改變控制器的特性在控制系統(tǒng)中，當(dāng)擾動產(chǎn)生，使被控變量偏離給定值時，即會形成偏差：（即偏差=測量值-給定值）注意：這里偏差的正負(fù)與控制系統(tǒng)偏差的概念相差一

8、個正、負(fù)號！如果偏差大于零，稱為正偏差；如果偏差小于零，正為負(fù)偏差。如果偏差增大時，輸出變量也增大，則調(diào)節(jié)器為正作用調(diào)節(jié)器。如果偏差增大時，輸出變量反而減小，則調(diào)節(jié)器為反作用調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器選用正作用還是反作用，還得看對象特性及執(zhí)行器的特性，總的目的是要確保整個自動控制系統(tǒng)是一個負(fù)反饋的！調(diào)節(jié)規(guī)律：調(diào)節(jié)器的輸出信號與輸入信號之間隨時間變化的規(guī)律?；镜倪\(yùn)算規(guī)律有比例（PROPORTION）、積分（INTEGRAL）、微分（DIFFERENTIAL）三種，通常簡稱為PID調(diào)節(jié)規(guī)律。1.1調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律和構(gòu)成方式控制規(guī)律f（）z(t)x(t)e(t)u(t)控制規(guī)律：控制器的輸出信號隨輸入信號(偏

9、差)變化的規(guī)律也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律強(qiáng)調(diào)：如果 ，則控制器稱正作用控制器；反之， ，則稱反作用控制器基本控制規(guī)律： 位式控制（雙位控制較常用） 比例作用(Proportional) 積分作用(Intergral) 微分作用(Derivative)工業(yè)上（最）常用的控制規(guī)律： 雙位控制 純比例控制 P 比例積分控制 PI 比例微分控制 PD 比例積分微分控制 PID。 一個控制系統(tǒng)主要包括二類基本環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器和廣義對象。廣義對象在控制系統(tǒng)中屬于固定因素，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計好以后，廣義對象特性也就被確定下來；在整個控制系統(tǒng)中的控制作用主要是通過調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的，而調(diào)節(jié)器真正實(shí)現(xiàn)控制的本質(zhì)在于選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律。 不

10、同的控制規(guī)律適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，必須根據(jù)生產(chǎn)要求來選用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律。如選用不當(dāng)，不但不能起到好的作用，反而會使控制過程惡化，甚至造成事故?；镜目刂埔?guī)律雙位控制是自動控制系統(tǒng)中最簡單也很實(shí)用的一種控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器輸出只有2個固定的數(shù)值，即只有2個極限位置，其基本的控制規(guī)律可描述為：x(t)z(t)e(t)p(t)+pmaxpmin 這是一種理想的雙位控制，請問這種理想的雙位控制策略能否直接由于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的控制？雙位控制雙位控制 控制器罐壓力變送器排放電磁閥例如：某壓力控制系統(tǒng)，控制設(shè)定值為100KPa，當(dāng)罐內(nèi)壓力剛好達(dá)到100KPa時，調(diào)節(jié)器輸出為0，電磁閥關(guān)；罐內(nèi)壓力稍稍大于100KPa

11、時，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開，排除氣體降低系統(tǒng)壓力，此時罐內(nèi)壓力馬上又小于設(shè)定值100KPa，電磁閥關(guān)，內(nèi)部壓力馬上又會重新升高，大于100 KPa，調(diào)節(jié)器輸出為1，電磁閥開，這樣調(diào)節(jié)器輸出在0與1之間不斷變化，電磁閥也在“開”和“關(guān)”二個狀態(tài)上不停的動作。 這種現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中是絕對不允許的，因?yàn)槿魏我环N設(shè)備都有一定的使用壽命，電磁閥的使用壽命一般在10萬50萬次。 如果把雙位特性調(diào)整為 x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxuminu雙位控制總結(jié) 由于位式控制的執(zhí)行器是從一個固定位置到另一個固定位置所以整個系統(tǒng)不可能保持在一個平衡狀態(tài)被控變量總在設(shè)定值的附近波動，其過渡過程是持續(xù)的

12、等幅振蕩滯回區(qū)間的大小影響振蕩頻率。振蕩頻率低，控制質(zhì)量差；振蕩頻率高，影響執(zhí)行器的使用壽命。位式控制的特 點(diǎn)：簡單、過渡過程是振蕩的位式控制的適用范圍：時間常數(shù)大 純滯后小 負(fù)荷變化不大也不激烈 控制要求不高。 u純比例控制 POO 由此可見，在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變量(液位)的偏差值成比例，這就是比例控制規(guī)律，其輸出信號的變化量與輸入信號(指偏差，當(dāng)給定值不變時，偏差就是被控變量測量值的變化量)的變化量之間成比例關(guān)系，這種控制規(guī)律稱為“純比例控制” 純比例控制也是一種最基本的控制規(guī)律，從上面這個例子可以看出來，純比例控制至少能克服位式控制振蕩、不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)

13、式： 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 或 u0是偏差e=0時的調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定輸出值KP是調(diào)節(jié)器的比例增益或放大倍數(shù)（與對象增益的區(qū)別） KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)根據(jù)上述響應(yīng)曲線，可以明顯地看出比例調(diào)節(jié)器的一個特點(diǎn)：控制及時。一旦偏差不為0，調(diào)節(jié)器的輸出即刻發(fā)生改變。 比例增益KP是比例調(diào)節(jié)器輸出變化量u與偏差e之比： 比例增益KP和比例度 KP越大，比例作用越強(qiáng)，KP越小比例作用越弱。 但是，在工業(yè)現(xiàn)場，一般都習(xí)慣于用比例度來表示比例作用的強(qiáng)弱比例度的定義：輸入信號的相對變化量占輸出信號的相對變化量的百分?jǐn)?shù)。 其中：C儀表常數(shù)，當(dāng)輸入輸出是統(tǒng)一信號時，儀表常數(shù)C1， 在沒有特定指明

14、的情況下，C1，因?yàn)樵谝粋€系統(tǒng)中所選用儀表的信號制一般都是統(tǒng)一的。 KP越大 越小 比例作用越強(qiáng)。 比例作用對過渡過程的影響 結(jié)論：純比例控制系統(tǒng)，過渡過程結(jié)束以后必定存在余差。 KP越大或越小余差越小KP 越大或越小 控制作用越強(qiáng) 余差越小、最大偏差越小KP 太大或太小 控制作用太強(qiáng) 穩(wěn)定性降低、甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：控制及時 控制結(jié)果有余差純比例控制適用場合： 干擾幅度較小 純滯后較小 負(fù)荷變化不大 控制要求不太高 一般來說，若對象滯后較小、時間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小時，比例度可以選得小些，以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)快些，從而過渡過程曲線的形狀較好。反之，比例度就要選大

15、些以保證穩(wěn)定。 比例調(diào)節(jié)特性三個特點(diǎn)：作用迅速及時；KP表征比例作用的強(qiáng)弱；克服干擾作用后有余差。為了減小余差，可以增大KP（即減小比例度）。比例度越小，余差也越小，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差 ytt00Kp比例積分控制 PI比例控制最大的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，控制作用及時 最大的缺點(diǎn)是控制結(jié)果存在余差 當(dāng)工藝對控制質(zhì)量有更高要求，不允許控制結(jié)果存在余差時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。比例積分控制就是由比例作用和積分作用二種控制作用組合而成 積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入（偏差）對時間的積分成比例的特性。表達(dá)式為 ： 積分作用積分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(

16、t)AuI(t)e(t)ATi：積分時間，因?yàn)門i在分母底下，所以Ti越大積分作用越小。 只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器輸出會不斷變化，直到偏差為0消除余差調(diào)節(jié)器的輸出是偏差隨時間的積分，當(dāng)t較小時，調(diào)節(jié)器輸出u(t)很小，控制作用很弱，不能及時克服干擾作用， 所以一般不單獨(dú)采用積分作用，而與比例作用配合使用。 特點(diǎn)：能消除余差；動作是慢慢來的（因而不單獨(dú)使用）；TI表征積分作用的強(qiáng)弱，TI越大，積分作用越弱 比例積分控制作用比例積分(PI)控制由比例和積分二種控制作用組合而成 比例作用項積分作用項如果加入幅值為A的階躍信號：e(t)u(t)AuI=KPAt/TiuP=KPA積分時間的定義：在階躍輸入

17、下，積分作用的輸出變化到比例作用的輸出所經(jīng)歷的時間。 控制點(diǎn)偏差和調(diào)節(jié)精度實(shí)際PI調(diào)節(jié)器的KI值比較大但仍是一個限值。因此當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出穩(wěn)定在某一值時，測量值和給定值之間依然存在偏差（也就是說實(shí)際PI調(diào)節(jié)器不可能完全消除余差），這種偏差通常稱為控制點(diǎn)偏差。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出變化為滿度時，控制點(diǎn)的偏差達(dá)最大，其值為：控制點(diǎn)最大偏差的相對變化值即為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度（），考慮到調(diào)節(jié)器輸入信號和輸出信號的變化范圍是相等的，故有：調(diào)節(jié)精度是調(diào)節(jié)器的重要指標(biāo)，它表征調(diào)節(jié)器消除余差的能力。KI越大，調(diào)節(jié)精度越高，消除余差的能力越強(qiáng)。積分作用對過渡過程的影響 采用比例積分控制作用時，積分時間對過渡過程的影響具有兩

18、重性。在同樣的比例度下，縮短積分時間Ti，將使積分調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，容易消除余差，這是有利的一面。但縮短積分時間，加強(qiáng)積分調(diào)節(jié)作用后，會使系統(tǒng)振蕩加劇，有不易穩(wěn)定的傾向。積分時間越短，振蕩傾向越強(qiáng)烈，甚至?xí)蔀椴环€(wěn)定的發(fā)散振蕩，這是不利的一面。 由圖可以看出，積分時間過大或過小均不合適。Ti過大，積分作用不明顯，余差消除很慢，見曲線3，Ti過小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定程度降低，見曲線1。 積分作用的特點(diǎn)：消除余差，會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；注意事項： 引入積分作用以后，能消除余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性必然會降低，所以在使用過程中應(yīng)適當(dāng)降低比例作用（增大比例度或降低比例增益） 當(dāng)對象滯后很大時，可能控制時間較長

19、、最大偏差也較大；負(fù)荷變化過于劇烈時，由于積分動作緩慢，使控制作用不及時，此時可增加微分作用比例微分控制 PD積分控制最大的優(yōu)點(diǎn)是消除余差 最大的缺點(diǎn)是動作緩慢、產(chǎn)生相位滯后、穩(wěn)定性降低 比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律，都是根據(jù)已經(jīng)形成的被控變量與給定值的偏差而進(jìn)行動作。但對于慣性較大的對象，為了使控制作用及時，常常希望能根據(jù)被控變量變化的快慢來控制。在人工控制時，雖然偏差可能還小，但看到參數(shù)變化很快，估計到很快就會有更大偏差，此時會先改變閥門開度以克服干擾影響，它是根據(jù)偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的變化一露頭，就立即動作，這樣控制的效果將會更好。微分作用就是模擬這一實(shí)踐活動而采用的控

20、制規(guī)律。微分控制主要用來克服被控對象的容量滯后(時間常數(shù)T)，但不能克服純滯后。 比例微分控制就是由比例作用和微分作用二種控制作用組合而成 微分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入變化率成比例關(guān)系，成比例的特性。表達(dá)式為： 微分作用微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分時間，Td越大微分作用越強(qiáng)。 微分作用的目的：克服對象滯后大的影響，改善過渡過程品質(zhì)。微分作用的原理：根據(jù)偏差信號變化速度來確定調(diào)節(jié)器的輸出，改變操作變量（超前控制）。 e(t)u(t)TT+e(t)u(t)00+AtTdA比例微分控制作用比例微分(PD)控制由比例和微分二種控制作用組合而成 比例作用項微分作用項e(t)Ae(

21、t)0At 從(b)圖中可以看出，當(dāng)輸入為斜坡曲線時存在：u(t)e(tTd)，所以微分控制起到了超前的作用，即：調(diào)節(jié)器輸出比輸入超前TD時間 從(a)圖上可得出，當(dāng)加入階躍輸入時，微分作用產(chǎn)生了一個函數(shù)，當(dāng)t0時，u(t)e(t)，很顯然這種控制作用在實(shí)際應(yīng)用中沒有什么態(tài)大的意義 根據(jù)這2個特點(diǎn)不難理解：微分作用不能作為一種單獨(dú)的調(diào)節(jié)規(guī)律來使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于對象時間常數(shù)較大的系統(tǒng)之中。 u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)實(shí)際的比例微分控制作用 從前面的波形圖中可以看到，如果調(diào)節(jié)器的輸入為階躍信號，理想PD調(diào)節(jié)器的

22、輸出為脈沖信號，而脈沖信號不可能被其它環(huán)節(jié)（執(zhí)行器）所接收到。在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場時不采用理想的PD作用，而采用實(shí)際的PD作用。 實(shí)際的PD作用表達(dá)式為：式中，Kd為微分增益，它反映了實(shí)際微分特性與理想微分特性接近的程度 Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般為510。 另外還有一類Kd UL)當(dāng)U03UH+Ueb1時（Ueb1為VT1發(fā)射級的正向壓降），VT1的發(fā)射極正偏而導(dǎo)通，由于Uh和Ueb1是恒定的，因此U03也被限制在恒定的值上。由于， UHUL，U03 UL, VT2的發(fā)射極反偏而截止。當(dāng)U03UL-Ueb2時，VT2導(dǎo)通，U03也被限制在恒定的值上。此時VT1截止。當(dāng)UL U03UH 時，VT1和VT2均截止，對調(diào)節(jié)器的輸出沒有影響。1.3特種調(diào)節(jié)器和附加單元1.3.1特種調(diào)節(jié)器為適應(yīng)多種控制系統(tǒng)的特殊要求，在基型調(diào)節(jié)器上增設(shè)附加電路，由此形成具有相應(yīng)功能的調(diào)節(jié)器，一般稱之為特種調(diào)節(jié)器。此外，為使用方便，還有多種附加單元可設(shè)置在基型調(diào)節(jié)器或特種調(diào)節(jié)器中，以增加其功能（一）抗積分飽和調(diào)節(jié)器抗積分飽和的方法，一般是限制積分電容兩端的電壓不讓其超出正常工作范圍，或者切除積分作用?？狗e分飽和電動指示調(diào)節(jié)儀，是在DTZ型電動指示調(diào)節(jié)儀基礎(chǔ)上，附加抗積分飽和限制器而成，該調(diào)節(jié)儀在自動狀態(tài)下其積分信號將不會超過上限值或下限值，并且