調(diào)節(jié)單元課件

第四章調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)器（控制器）-----是控制系統(tǒng)的核心，它在閉環(huán)控制系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)定目標(biāo)和檢測(cè)信息作出比較、判斷和決策命令，控制執(zhí)行器的動(dòng)作。控制器使用是否得當(dāng)，直接影響控制質(zhì)量。調(diào)節(jié)器（控制器）特性-----是指控制器的輸出與輸入之間的關(guān)系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的輸出信號(hào)u(t)隨輸入情號(hào)e(t)變化的規(guī)律，即控制器的控制規(guī)律。

PID控制：是上世紀(jì)40年代以前除開關(guān)控制外的唯一控制方式，也是目前應(yīng)用最廣泛、最簡(jiǎn)單、最基本的控制方式。調(diào)節(jié)器（控制器）的基本控制規(guī)律有比例、積分和微分等幾種。工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合?？刂埔?guī)律的表示形式

PID控制器的一般形式為：△y＝f(e)幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：比例作用（P）

比例積分作用（PI）

比例微分作用（PD）

比例積分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；

TI—控制器的積分時(shí)間；

TD—控制器的微分時(shí)間；

控制律：1、比例調(diào)節(jié)器

上式中調(diào)節(jié)器的輸出u實(shí)際上是對(duì)其起始值u0的增量。即：當(dāng)偏差e=0,u=0時(shí)，并不意味調(diào)節(jié)器輸出為零，而是u=u0，u0的大小是可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變的。注意：比例度對(duì)控制過(guò)程的影響比例度的選擇原則:

若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例度來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過(guò)渡過(guò)程曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的比例度來(lái)保證穩(wěn)定。

2、比例積分調(diào)節(jié)器控制律：積分時(shí)間TI的物理意義：在階躍信號(hào)作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

影響：積分控制作用有利于消除余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是當(dāng)TI比較小時(shí)，穩(wěn)定性下降更為嚴(yán)重。

在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，如欲得到與純比例作用相同的穩(wěn)定性，當(dāng)引入積分作用后，應(yīng)適當(dāng)減小，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。3、比例微分調(diào)節(jié)器控制律：很大當(dāng)e為常值時(shí)，微分不起作用，調(diào)節(jié)器等同于比例調(diào)節(jié)器當(dāng)e變化時(shí)，調(diào)節(jié)器作用如右圖影響：微分是按偏差的變化而作用的，它能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制振蕩、抑制超調(diào)，且偏差變化越快，微分校正作用越強(qiáng)。微分作用不適用于擾動(dòng)大而頻繁的系統(tǒng)！4、比例積分微分調(diào)節(jié)器控制律：

PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測(cè)功能，從控制效果看，是比較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因?yàn)镻ID三作用控制器需要整定比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)變量，而在實(shí)際工程上是很難將這三個(gè)變量都整定到最佳值。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇1）選擇依據(jù)：被控過(guò)程的特性（容量大小、延遲時(shí)間、負(fù)荷變化、主要擾動(dòng)等）；對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的要求。對(duì)象特點(diǎn)性能要求調(diào)節(jié)器類型廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大。工藝要求不高比例（P）同上不允許有余差比例積分調(diào)（PI）廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大。允許有余差比例微分（PD）不允許有余差比例積分微分（PID）廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大，負(fù)荷變化也很大。復(fù)雜控制方式2）基本原則：選擇比例或比例積分控制；選擇比例積分或比例積分微分控制；單回路控制已經(jīng)不能滿足控制要求，應(yīng)采用串級(jí)、前饋等復(fù)雜控制方式。調(diào)節(jié)器（控制器）分類按能源形式可分1）電動(dòng)調(diào)節(jié)器2）氣動(dòng)調(diào)節(jié)器按信號(hào)類型可以分為1）模擬式調(diào)節(jié)器2）數(shù)字式調(diào)節(jié)器1）基地式調(diào)節(jié)器2）單元組合調(diào)節(jié)器3）組裝式調(diào)節(jié)器按結(jié)構(gòu)形式可分為1.DDZ-Ⅲ型儀表的特點(diǎn)（1）采用國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：：

電氣零點(diǎn)不是從零開始，且不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這不但利用了晶體管的線性段，而且容易識(shí)別斷電、斷線等故障。本信號(hào)制的電流-電壓轉(zhuǎn)換電阻為250Ω。由于聯(lián)絡(luò)信號(hào)為1～5VDC，可采用并聯(lián)信號(hào)制，因此干擾少，連接方便。（2）廣泛采用線性集成電路，可靠性提高，維修工作量減少。優(yōu)點(diǎn)：

由于集成運(yùn)算放大器均為差分放大器，且輸入對(duì)稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高。由于集成運(yùn)算放大器有高增益，因而開環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到提高。由于采用了集成電路，焊點(diǎn)少，強(qiáng)度高，大大提高了儀表的可靠性。DDZ-Ⅲ型控制器有兩個(gè)基型品種：全刻度指示控制器偏差指示控制器全刻度指示調(diào)節(jié)器的原理方框圖：調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)組成：控制單元、指示單元。控制單元：輸入電路(偏差差動(dòng)和電平移動(dòng)電路)、PID運(yùn)算電路(由PD與PI運(yùn)算電路串聯(lián))、輸出電路(電壓、電流轉(zhuǎn)換電路)以及硬、軟手操電路；指示單元：測(cè)量信號(hào)指示電路、設(shè)定信號(hào)指示電路、內(nèi)設(shè)定電路。調(diào)節(jié)器的信號(hào)：輸入信號(hào)、內(nèi)設(shè)定信號(hào)：1～5V直流電壓；外設(shè)定信號(hào)：4～20mA直流電流，（它經(jīng)過(guò)250Ω精密電阻轉(zhuǎn)換成1～5V直流電壓）調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)：有“自動(dòng)”、“軟手動(dòng)”、“硬手動(dòng)”及“保持”四種。“自動(dòng)”狀態(tài)：測(cè)量信號(hào)與設(shè)定信號(hào)通過(guò)輸入電路進(jìn)行比較，由比例微分電路、比例積分電路對(duì)其偏差進(jìn)行PD和PI運(yùn)算后，再經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電流，作為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)去控制執(zhí)行器。

“軟手動(dòng)”狀態(tài)：可以通過(guò)選擇鍵位調(diào)節(jié)器處于“保持’’(即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值)狀態(tài)，或使輸出電流可按快或慢兩種速度線性地增加或減小，以對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制“硬手動(dòng)”狀態(tài)：調(diào)節(jié)器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動(dòng)操作桿的位置一一對(duì)應(yīng)。

調(diào)節(jié)器的“正”、“反”作用：正偏差-----調(diào)節(jié)器中將偏差e定義為測(cè)量值與設(shè)定值之差（e＝y(tǒng)－r），在測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)。負(fù)偏差-----測(cè)量值小于設(shè)定值。“正”作用-----調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而增加。若是負(fù)偏差，情況相反?！胺础弊饔?----調(diào)節(jié)器的輸出隨著正偏差的增加而減小。若是負(fù)偏差，情況相反。4.1.1輸入電路作用：1）將測(cè)量信號(hào)Vi和設(shè)定信號(hào)Vs相減，得到偏差信號(hào)，再將偏差放大兩倍后輸出；（其輸出信號(hào)將送至比例微分電路。）2）是電平移動(dòng)，將以零伏為基準(zhǔn)的Vi和Vs轉(zhuǎn)換成以電平VB（10V）為基準(zhǔn)的輸出信號(hào)VO1。VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT電路圖：電路分析：輸入電路的傳遞函數(shù)

4.1.2比例微分電路作用：接收以10V電平為基準(zhǔn)的偏差信號(hào)VO1，進(jìn)行比例微分運(yùn)算，其輸出電壓信號(hào)VO2送給比例積分電路。RP1aR1RD斷CDV02KIC21KΩ9.1KΩ通+－V01VBVBRP1aV02IC2+－VTRDCD1KΩ9.1KΩV01VB無(wú)源比例微分網(wǎng)絡(luò)比例電路

微分電路構(gòu)成比例微分電路的作用是對(duì)輸入電路的輸出信號(hào)VO1進(jìn)行比例微分運(yùn)算。電路如圖所示。將PD電路分為無(wú)源比例微分網(wǎng)絡(luò)圖和比例運(yùn)算電路圖兩部分單獨(dú)進(jìn)行分析。充電結(jié)束時(shí)，9.1KΩ電阻上的電壓全部加到電容CD上，此時(shí)VCD（∞）=9.1VO1/10.1

并保持該值不變。比例微分電路的輸出信號(hào)VO２與VT成簡(jiǎn)單的比例放大關(guān)系，因?yàn)楸壤禂?shù)為α，所以有VO２＝αVO1電路圖：電路分析：比例微分電路是由無(wú)源比例微分網(wǎng)絡(luò)和比例運(yùn)算放大器兩部分組成的。RC環(huán)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例微分運(yùn)算，比例運(yùn)算放大器起比例放大作用。比例微分電路的傳遞函數(shù)：4.1.3比例積分電路作用：接收以10V為基準(zhǔn)的PD電路的輸出信號(hào)VO2，進(jìn)行PI運(yùn)算后，輸出以10V為基準(zhǔn)的l～5V電壓VO3，送至輸出電路。VB24VV02自CI×1K1－+IC3DWBG12.4KD3.9K軟硬硬軟自K2×109.1KRI1KV03自CMK1D3.9K軟硬硬軟自K2自K3K1D3.9K軟硬硬軟自K2電路圖：CMV03V02CI－+IC3RIPI電路的等效電路電路分析：4.1.4整機(jī)PID電路傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器的PID電路由輸入電路、PD電路和PI電路三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成。其傳遞函數(shù)應(yīng)是這三個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積。由于相互干擾系數(shù)F的存在，實(shí)際的整定參數(shù)與刻度值之間存在換算關(guān)系。4.1.5輸出電路作用：將PID電路輸出以VB的l～5V直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4—20mA直流電流輸出，它實(shí)際上是一個(gè)具有電平移動(dòng)的電壓—電流轉(zhuǎn)換器。電路圖：4.1.6手動(dòng)操作電路手動(dòng)操作電路分為硬手動(dòng)操作和軟手動(dòng)操作兩種形式，是在比例積分電路中附加手操電路實(shí)現(xiàn)的。電路圖：軟手動(dòng)操作：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓成積分關(guān)系。

硬手動(dòng)操作：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓成比例關(guān)系。DDZ-III型調(diào)節(jié)器的自動(dòng)、軟、硬手動(dòng)的切換過(guò)程可總結(jié)為：

1）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。4.1.7指示電路輸入信號(hào)的指示電路與設(shè)定值信號(hào)的指示電路完全一樣。調(diào)節(jié)器采用雙針電表，全量程地指示測(cè)量值和設(shè)定值。偏差的大小有兩個(gè)指針間的距離反映出來(lái)，在兩針重合時(shí)，偏差為零。電路圖：4.2改進(jìn)型調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)極性發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)不能及時(shí)跟著變化，造成調(diào)節(jié)不及時(shí)4.2.1抗積分飽和調(diào)節(jié)器

針對(duì)積分飽和狀態(tài)，設(shè)計(jì)抗積分飽和調(diào)節(jié)器。4.2.2微分先行PID調(diào)節(jié)器

改進(jìn)原因：當(dāng)給定信號(hào)變化時(shí)，偏差會(huì)出現(xiàn)瞬間的突變，經(jīng)微分作用后調(diào)節(jié)器的輸出很大，使系統(tǒng)的震蕩加劇。

改進(jìn)方法：微分環(huán)節(jié)僅對(duì)測(cè)量值起作用，偏差經(jīng)PI運(yùn)算后，在輸出端與微分輸出端求和輸出。4.2.3比例微分先行PID調(diào)節(jié)器

改進(jìn)原因：設(shè)定值的突變存在比例突變問(wèn)題。

改進(jìn)方法：比例環(huán)節(jié)與微分環(huán)節(jié)和并，組成比例微分先行PID調(diào)節(jié)器。4.2.4非線性PID調(diào)節(jié)器

分段PID調(diào)節(jié)器

帶不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器模擬式調(diào)節(jié)器的局限性：

1）功能單一，靈活性差。

2）信息分散，所用儀表多，且監(jiān)視操作不方便。

3）接線過(guò)多，系統(tǒng)維護(hù)難度大。4.3數(shù)字調(diào)節(jié)器模擬PID調(diào)節(jié)器：用硬件實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字PID調(diào)節(jié)器：用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：

用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制算法非常簡(jiǎn)單；進(jìn)行邏輯運(yùn)算或算法改進(jìn)非常靈活；運(yùn)行可靠，運(yùn)算精度高。一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：其微分方程為：用數(shù)值逼近的方法實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律

數(shù)值逼近的方法：用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化為差分方程。

1、位置式PID控制算法對(duì)上式進(jìn)行離散化處理，得：比例系數(shù)積分時(shí)間常數(shù)采樣時(shí)間微分時(shí)間常數(shù)積分系數(shù)微分系數(shù)位置型控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，比如閥門的開度，需要累計(jì)。

在控制過(guò)程中雖然可以對(duì)進(jìn)行限幅，但可能很大，容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。2、增量式PID控制算法增量型控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量△u(k)，比如步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。與位置式PID算法相比，增量式算法有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴增量型算法不需做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的計(jì)算精度問(wèn)題，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法用到過(guò)去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。⑵增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動(dòng)作影響大。增量只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果。

目前許多控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：數(shù)字機(jī)步進(jìn)電機(jī)3、速度PID算法采樣周期主要用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等單元構(gòu)成的系統(tǒng)4、偏差系數(shù)型PID算法二、PID算法的改進(jìn)1、積分算法的改進(jìn)（1）積分分離PID算法（PD-PID選擇算法）改進(jìn)原因：當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，存在較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)?；舅悸罚寒?dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以消除積分作用導(dǎo)致的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量加大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，投入積分作用，以消除靜差，提高控制精度。

改進(jìn)方法：

當(dāng)|e(k)|>β時(shí)，采用PD控制；

當(dāng)|e(k)|<β時(shí)，采用PID控制。

積分分離閾值β的確定：β過(guò)大，達(dá)不到積分分離的目的；β過(guò)小，則一旦控制量y(t)無(wú)法跳出各積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。算式為：位置式：增量式：其中：（2）過(guò)限削弱積分法積分飽和現(xiàn)象：

當(dāng)系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID調(diào)節(jié)器的輸出由于積分作用的不斷積累而加大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置（如閥門開度達(dá)到最大），若調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大。此時(shí)計(jì)算機(jī)輸出控制量超出了正常運(yùn)行范圍進(jìn)入了飽和區(qū)。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差，逐漸從飽和區(qū)退出，進(jìn)入飽和愈深，則退出飽和區(qū)所需時(shí)間愈長(zhǎng)。

在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即作出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)好象失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象，或稱積分失控現(xiàn)象。過(guò)限削弱積分法：采用增量式PID算法時(shí)的算法流程如下：反向積分飽和（3）積分項(xiàng)采用梯形積分離散化

在離散