第04章过程控制仪表

1、上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 型调节器型调节器第第4章章 过程控制仪表过程控制仪表上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录调节器将来自变送器的测量信号 与调节器的内给定或外给定信号 进行比较，得到其偏差 ，即 然后调节器对该偏差信号按某一规律进行运算，输出调节信号控制执行机构的动作，以实现对被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制作用。 iVSVSiVV 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 型调节器图4-1 全刻度指示调节器组成框图 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录图4-2 全刻度指示调节器原理图 上页上页下页下页目

2、目 录录上页上页下页下页目目 录录调节器由控制单元和指示单元组成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和PI运算电路、V/I转换电 路、软手操和硬手操电路； 指示单元包括测量信号指示和给定信号指示电路。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录一、一、 输入电路输入电路 设A1为理想运算放大器，其开环增益和输入阻抗为无穷大，T点和F点同电位，即 。由节点电流法可求得: 即：有：FVTV= 321III321IIIRVVVRVRVVBFFFi)21(0o1RVVRVVRVBTTsT02)(21oVsVVi结论：结论：1. 输出信号 是偏差信号 的两 倍；2. ，

3、均以零伏为基准的DC 15V， 而 是以 =10V为基准的信号，从 而实现了电平转移。 1oViVsV1oVBV图4-3 输入电路上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录二、二、 比例微分（比例微分（PD）电路）电路 比例微分电路由无源比例微分电路和比例运算放大器A2组成，见图4-4和图4-5。 图-4 比例微分电路 图4-5比例微分电路的组成a) 无源微分电路 b)比例放大电路 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录有： 设A2为理想运算放大器，其开环增益和输入阻抗均为无穷大，而输出阻抗为零，则可不考虑放大器的影响，前后两部分可单独分析其运算关系。然后两部分的传递函

4、数相乘，即可得出比例微分电路的传递函数 TVVo2sCRRsVnnnsVsVDDDT1)(1)()(1o1o)(1111osVsCRsCnRnDDDD=)(1)(2osVsVF因为)()(sVsVTF所以)()(o2sVsVTnKD设 ， ，把上式化成一般形式 DDDDDDCRKCnRT)(11)(o1o2sVsKTsTKsVDDDDsKTsTKsVsVsWDDDDPD11)()()(1o2o所以PD电路的传递函数为 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录当 为阶跃作用时，利用拉氏变换，可求得 随时间变化的数学表达式 ： 1OVo2V)() 1(1 )(1o2otVeKKtVtT

5、KDDDD依据下式，可用实验法求取微分时间TD %2 .63)()0()()0(2o2o2o2oVVKTVVDD 当开关S置于图4-4所示位置时，该电路为比例微分电路；当S处于“断”位置时，微分作用被切除，电路仅具有比例作用。此时微分电容CD通过电阻R并联在9.1K电阻两端，CD上的电压始终跟随9.1K电阻上的压降。当S需要从“断”位置切换至“通”位置时，在切换的瞬间，由于电容上的电压不能突变，从而保持不变，对控制系统不产生扰动，实现无扰动切换。 图4-6 PD电路输出的 阶跃响应曲线 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录三、三、 比例积分（比例积分（PI）电路）电路 该电路由

6、 A3、RI、CI和CM等组成，如图4-7所示。由于射极跟随器的输出与A3输出信号同相位，且幅值几乎相等，为便于分析，可把射极跟随器包括在A3中，于是可简化成图4-8。 图4-7 PI电路 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录CI和CM组成比例运算电路，即 图4-8 PI电路的简化a) S3在TI1档 b) S3在TI10档 2oo23o11VCCVsCsCVMIIMP上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录RI和CM组成积分运算电路，即 dtVCRdtRVCVMIIMI2o2o3o11不难看出，PI电路的输出是上述两种运算的叠加，即dtVCRVCCVMIMI2o2

7、o3o1当 为常数时有： 2oV2o3o)1 (VCRtCCVIIMI设积分时间 ，积分增益 IIICmRT IMImCCKK3设A3的开环增益为 K3，且其不能为无穷大，经整理并简化后有sTKsTCCWIIIMIsPI1111)(PI电路的传递函数表达式 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录当输入为阶跃作用时，利用拉氏反变换可得的时间函数表达式 )() 1()(2o3otVeKKCCtVIITKtIIMI可作出实际PI电路在 为阶跃作用时输出 的响应特性，见图4-9。 2oV3oV图4-9 PI电路输出阶跃响应曲线 同样可用实验法来测定积分时间TI。 上页上页下页下页目目 录

8、录上页上页下页下页目目 录录四、四、 整机的整机的PID传递函数传递函数 调节器的输入电路、PD运算电路和PI运算电路，这三个环节决定了整机的传递函数，如图4-10。 图4-10 调节器传递函数框图 于是调节器的传递函数为sTKsTsKTsTCCnsVsVsVsWIIIDDDMIsi1111112)()()()(3osKTsTKTKKTsTsTTTCCnDDIIIIDDDIIDMI11112上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干扰系数：1DITFT MIPnCCK2比例增益：1PK比例度：DDDDDCRCnRT10

9、微分时间：10 nKD微分增益：积分时间：IIICmRT 积分增益：IMICCmKK3 由于相互干扰系数F的存在，上述参数的实际整定值与刻度值（ F 1时）之间的关系为： *FFTTDD*IIFTT*上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式为： )(3otV3( )()(1)()()DIIDKttK TTOPIDisVtKFKFeKF eVV图4-11为输入信号为阶跃作用时，调节器的输出响应特性： 图4-11 PID调节器的输出阶跃响应曲线 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录五、五、输出电路输出电路 图4-12 输出电

10、路 KRR1043设：3214RRR可列出下列方程： 2454524232BBBTVVRRRVV43o13o44RVVVRVVVRVVBFBFFf)(51543oBfFVVVV即有： 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录4ATFVV3o4124VVfffRIVo24 fRVI43oofI1VTBIoo II fRVI43oo设设 为理想运算放大器，则 由图4-12可求得： 综合上两式可求得： 忽略反馈支路电流和晶体管的基极电流，则有 即 ： 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录六、手动操作电路和无平衡无扰动切换六、手动操作电路和无平衡无扰动切换 调节器的手动操作

11、电路是附加在PI运算电路中而组成的，有软手操和硬手操两种，见图4-13。 图4-13 手动操作电路 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 无平衡无扰动切换是指切换时无需预先调平衡，可随时切换至所需位置，而切换时调节器的输出电流不变，对生产过程不产生扰动。无平衡扰动切换：1) 自动软手操的切换是双向无平衡无扰动切换。2）同理，硬手操软手操或者硬手操自动的切换也是 无平衡无扰动切换。3）自动硬手操或软手操硬手操切换时，欲做到无扰 动切换，必须预先调平衡。上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录七、指示电路七、指示电路图4-17 全刻度指示电路 5AFTVV iVV o设

12、为理想运放，电阻R均为500K该电路是一个电压跟随器 即有：由于反馈支路的电流很小，可忽略不计，故流过电流表的电流 0ooRVIIi上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 随着生产过程的复杂化和严格要求，出现各种复杂的调节系统，而采用基型调节器往往达不到生产过程所要求的控制指标。因此要求调节器的功能在基型调节器基础上进一步扩大。实现方法是在基型调节器内部增加各种附加单元，以改善其性能。 抗积分饱和调节器抗积分饱和调节器 微分先行微分先行PID调节器调节器 比例微分先行比例微分先行PID调节器调节器 非线性非线性PID调节器调节器上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录

13、一、抗积分饱和调节器一、抗积分饱和调节器图4-18 积分反馈型抗积分饱和调节器的组成 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录调节过程：图4-19 抗积分饱和调节器的调节过程 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录二、微分先行二、微分先行PID调节器调节器)()(1)()11 (100)(sVsKTsTsEsTPsMVsDDDI)()11 ()()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI调节器的传递函数： 图4-20微分先行PID调节器原理框图 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录三、比例微分先行三、比例微分先行PID调节器调节器图4-

14、21比例微分先行PID调节器的组成框图 调节器的传递函数： )()(11)(1100)(sVsKTsTsEsTPsMViDDDI)(1)()(111100sVsTsVsKTsTsTPsIiDDDI上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录四、非线线四、非线线PID调节器调节器非线性PID调节器分为： 分段PID调节器 不灵敏区的PID调节器 不灵敏区的PID调节器，如图4-22： 在控制点附近一个区域内比例增益大幅降低，而在这个区域以外，则比例增益恢复原值 图4-22 非线性调节器的调节特性 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录调节原理：图4-23 非线性调节器的组成

15、原理 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录数字式调节器的优点： 开发周期短，性能价格比高； 具有自检自诊断的异常报警功能和通信功能； 控制精度高，性能稳定，工作可靠； 使用和维护方便。 数字式调节器目前已在各行各业的自动控制系统中得到广泛的应用。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录一、数字式调节器控制规律的实现一、数字式调节器控制规律的实现 DDZ调节器是模拟式调节器，它利用电子电路进行连续的PID运算。 数字式调节器以微计算机为核心进行有关控制规律的运算，所有控制规律的运算都是周期性的进行，即数字式调节器是离散系统。因此，用于连续系统的PID控制规律必须进行

16、离散化后方可应用于数字式调节器。控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法 ) 不完全微分PID算法(实际PID算法 ) 位置型、增量型、速度型和偏差型 实现形式： 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录1.完全微分PID算法位置型：ninnDiInPnTTTTKy01)()2()(211nnnDnInnPnnTTTTTKTy增量型：)2()(2111nnnDnInnPnnnTTTTKyyy速度型：)21 ()1 (21nDnDnDIPnTTTTTTTTKy偏差型：上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录2. 不完全微分PID算法 在完成微分PID的输出端串联一阶惯

17、性环节，如图4-24。 完全微分PID算法的缺点： 微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控制品质； 阀门开度时间与调节器的输出信号时间不相对应 。不完全微分PID调节器：图4-24 不完全微分PID调节器组成原理框图 11)( )()(sTsYsYsWff上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录不完全微分PID位置型算法： 1)1 (nnnyyayninnDiIPnTTTTKy01)(不完全微分PID增量型算法： 1)1 (nnnyyay)2()(211nnnDnInnPnTTTTKy不完全微分PID算法的输出在较长时间内仍有微分作用，可获得较好的控制效果，在数字式调节器广泛应用。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录3. 抗积分饱和算法数字调节器最简单的抗积分饱和方法是积分分离法积分分离法 ，其基本原理是，在偏差 较小时加入积分作用；而 较大时取消积分作用。这样便减轻积分累计的饱和程度，以达到抗积分饱和的目的。 对于理想PID算法的增量形式：)2()(211nnnDnILnnPKKKKMV首先判断偏差 的绝对值 是否趋于预先设定的偏差限定值A，然后确定是否投入积分作用，即： AAKL当当10上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录4. 数字