自动检测技术与仪表控制系统-调节控制单元解读

1、13.13.调节控制单元调节控制单元作用作用：是自动控制系统的核心仪表，将来自变送器的测量信是自动控制系统的核心仪表，将来自变送器的测量信号与给定信号相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，号与给定信号相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，输出统一标准的调节信号去控制执行机构的动作，以实现对温输出统一标准的调节信号去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位等参数的自动控制。度、压力、流量、液位等参数的自动控制。发展发展：从模拟到数模混合仪表，最终发展为全数字式仪表。：从模拟到数模混合仪表，最终发展为全数字式仪表。 主要内容主要内容常规控制规律常规控制规律PI、PD、PID调

2、节器控制规律的实现调节器控制规律的实现DDZ-、DDZ-和数字式调节和数字式调节器器常规调节器基本电路分析常规调节器基本电路分析先进调节器浅析先进调节器浅析增强型增强型PID控制规律分析、改进型控制规律分析、改进型PID控控制算法制算法13.1.常规控制规律常规控制规律一、典型控制系统一、典型控制系统1.偏差：是测量值和给定值的差值。2.正偏差： 0。3.负偏差： 0。反作用调节器： y0。调节器接收到偏差信号后，按一定的运算（控制）规律输出控制信号，通过执行器作用被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。被控变量能否回到给定值上，以及以怎样的途径、经过多长时间回到给

3、定值上，不仅与被控对象有关，还与调节器的特性，即运算（控制）规律有关，一般在其输入端加一阶跃信号，分析输出信号跟随的变化比例调节器阶跃响应曲线二、基本控制规律二、基本控制规律比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential)1.比例（P） 控制规律：当有偏差时，调节器的输出立刻与偏差成比例变化。特点特点：是最主要、最基本、应用最普遍的控制规律，因为能及时和迅速克服扰动的影响，从而使系统很快稳定，但当被控变量和给定值之差为0时，调节器的输出不会变化，系统无法保持平衡，因此稳定后，被控变量无法达到系统给定值，而存在残差。2.积分(I)控制规律：3.微分(D

4、)控制规律：积分调节器阶跃响应特性曲线y不仅与偏差的大小有关，还与其存在时间有关，存在，则y变化，因此调节器的输出y变化，其存在时间越长y越大，直至y达极限值为止。 =0时y=0，y稳定，但可能稳定在任意值上，是一种无定位调节，因为调节器的输出是随时间的累积而逐渐增大的，阶跃输入瞬间调节器的输出为0，故调节动作缓慢，滞后于偏差的存在，这样会造成调节不及时，使系统的稳定性下降，一般积分控制规律不单独使用。理想微分调节器在阶跃信号出现的瞬间，偏差变化速度为无穷大，输出也为无穷大，但无法实现，调节效果也不好特点：按偏差变化速度进行调节。特点：按偏差变化速度进行调节。即使很小，只要出现变化趋即使很小，

5、只要出现变化趋势，就有调节作用输出，及时抑制偏差的继续增长。但在偏差恒势，就有调节作用输出，及时抑制偏差的继续增长。但在偏差恒定时，无论多大，都不产生控制作用，故不能消除偏差定时，无论多大，都不产生控制作用，故不能消除偏差。三、常规控制规律三、常规控制规律将比例、积分和微分三种基本控制规律进行适当的组合，即可构成多种工业适用的常规控制规律，如比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)控制规律。1.微分方程表示法（调节器正作用）比例积分(PI)控制规律比例微分(PD)控制规律理想比例积分微分(PID)控制规律2.传递函数表示法比例积分(PI)控制规律比例微分(PD)控制规律理想比

6、例积分微分(PID)控制规律3.图示法4.频率特性表示法比例积分(PI)控制规律比例微分(PD)控制规律理想比例积分微分(PID)控制规律四、实用四、实用PIDPID控制规律的构成控制规律的构成根据实际系统的情况，有各种不同的构成方式1.由反馈回路PID环节构成的PID运算电路放大器是由晶体管（或集成运算放大器）等器件组成的直流放大器。PID反馈电路由RC微分和积分环节串联组成的复合回路。DDZ-型调节器及一些基地式模拟调节器均采用这种组成方式。简单，但PID反馈电路相互干扰系数较大。运算电路的传递函数可表示为：K足够大则：2.2.由由PDPD和和PIPI串联构成的串联构成的PIDPID运算电

7、路运算电路PI和PD电路均由集成运算放大器和RC电路组成。DDZ-型调节器。经改动可构成测量值微分先行的调节器，测量值先经比例增益为1的PD电路后再与给定值比较，差值送入PI电路，给定值不经微分，故在改变给定值时，调节器的输出不会发生大幅度变化，避免了给定值扰动。特点：相互干扰系数小，但串联会使各级误差累积放大，对各部分电路精度要求较高。3.3.由由P P、I I、D D并联构成的并联构成的PIDPID运算电路运算电路特点：并联连接避免了级间误差累积放大，有利于保证整机精度。可消除TI、TD变化对调节器实际整定参数的影响。KP的变化使实际积分、微分时间（KPTI、TD/KP）发生变化。4.4.

8、由由P P、I I、D D串并联混合构成的串并联混合构成的PIDPID运算电路运算电路特点：不仅可以避免级间误差的累积也可以消除调节器整定参数间的相互干扰。5.5.实际实际PIDPID运算电路的传递函数及阶跃响应曲线运算电路的传递函数及阶跃响应曲线传递函数不是：而是：阶跃输入时实际PID调节器输出随时间变化的关系为：-是由PI阶跃响应曲线OCDE和PD阶跃响应特性曲线OADF叠加而成。可由图解法求比例增益、积分时间、微分时间13.2.13.2.调节器控制规律的实现调节器控制规律的实现一、一、DDZ-DDZ-型调节器型调节器PIDPID控制规律的实现控制规律的实现1.实现原理：在反馈回路中设置相

9、应的调整环节。实现原理：在反馈回路中设置相应的调整环节。反馈电路的输入，等效于调节器的偏差输入调节器的输出负载调节器的输出电流隔离电路的输出即为反馈回路的输入经比例积分后经微分，最终输出。为为保证反馈回路正常工作，应有：保证反馈回路正常工作，应有：RPRIR27,R282.P控制规律：控制规律：3.PI 控制规律：控制规律：实际上为微分电路，电容CI的初始电压值为0，当偏差信号Ii产生阶跃输入时，电路对电容CI进行充电，VCI两端电压逐渐增加，直到VCI=VR27+VR28，此时RI两端电压逐渐降低为0，其电压的动态变化过程如图该该变化过程构成了积分电路的调节作用！变化过程构成了积分电路的调节

10、作用！fV 电容CD的初始电压为0，Ii阶跃输入时，电路对CD充电，VCD增加，直到VCD=VR27，随着充电电流的逐渐减小，VRD逐渐为0，则Vf=Vf-VRD的动态变化过程如图4.PD 控制规律：控制规律：fV 5.PID 控制规律：控制规律：把PI和PD的调节作用相乘即可获得。6.运算电路的控制规律传递函数表示运算电路的控制规律传递函数表示其中二、二、DDZ-DDZ-型调节器型调节器PIDPID控制规律的实现控制规律的实现1.实现原理实现原理：利用运算放大器先分别形成PI和PD控制规律，再串联形成。因为微分只对信号变化起作用，先进行微分调节，后进行积分调节作用。2.PD电路电路组成：组成

11、：无源比例微分网络和比例运算放大器。调整RD和RP可改变调节器的微分时间和比例度定性分析工作原理：定性分析工作原理：而VO2=VT，因此他们的曲线形状相同定量分析工作原理：定量分析工作原理：即一般形式的比例微分电路传递函数为：所以当输入信号VO1存在阶跃作用时，利用拉氏变换可得输出信号的时间函数表达式为：3.PI电路电路作用：将PD电路的输出电压信号进行PI运算，输出15V电压组成：组成：比例运算电路（CI、CM和IC3）和积分电路（RI、CM、及IC3）电容CI和CM组成比例运算环节RI和CM组成积分运算环节定量分析工作原理：定量分析工作原理：)()( )()(sVsCmRsVRsVmsCs

12、VoMIIoIoMIo2323111 )()()( )( )( sVsCmRCCsVsVsVoMIMIIoPoo23331 对应地有其传递函数为：对应地传递函数为：规定积分时间T1=mRIICI实际上IC3的开环增益不能为无穷大，设为A3，输入阻抗为Ri，则传递函数需要修正为积分增益在在阶跃输入作用下阶跃输入作用下会出现饱和现象，故VO3不能及时跟随VO2变化，调节器的控制作用将暂时处于停顿状态，这种滞后会使控制品质变坏。4.4.PIDPID调节规律传递函数调节规律传递函数11 IIDDMIPIDTKKTCCnKTTF且，令在在阶跃输入作用下阶跃输入作用下三、数字式调节器控制规律的实现三、数字

13、式调节器控制规律的实现位置型算式1.完全微分型算法理想PID控制规律：若按下述方法离散化有：是离散系统，用于连续系统的PID控制规律须经离散化后才可应用。可采用理想PID（完全微分型）和实际PID（不完全微分型）调节算法。都有位置型、增量型、速度型和偏差系数型4种实现形式。输出yn由逐次采样所得的偏差值求和及求增量而得，便于计算机的实现，且与实际控制用的阀位相对应。但当调节器出现故障导致计算错误或输出错误时，会造成控制用调节阀位的错误，使调节器工作失误，严重时会造成整个系统重大事故采用此种时，输出端要有保持器（零阶），保证输出端在一个采样周期输出恒定，去除抖动，但不利于系统正常运行。增量型算式

14、由得：两式相减得：特点：特点：输出增量的计算仅取决于最后几次的偏差，且运算相对简单，适用于实时性高的系统；每次调节器的输出是增量，故输出或计算的误动作小；对输出的增量加以限制可防止大扰动的出现，便于仪表手动和自动间的无扰动切换；当调节器因故障停止输出时，控制用阀位能保持在故障前的状态。速度型算式偏差系数型算式因为T是常数，故与增量型本质上是相同的，主要用于控制步进电机所构成的系统。将增量型算式展开并合并同类项特点：比增量型简单，系数A、B、C能够反映每次偏差对输出的影响程度；系数失去了必要的物理意义，不能直观表达出与比例、微分、积分调节作用相关参数的关系；本质上还是增量型2.不完全微分法对实际

15、PID控制规律连续算式离散化后得不完全微分型PID算式理想PID控制规律中微分作用只能在一个刺痒周期中有效，且调整作用很强导致微分调节作用发挥不理想。故实际上对其进行修正，成为不完全微分型。13.3.13.3.常见调节器基本电路分析常见调节器基本电路分析一、一、DDZ-DDZ-型调节器基本电路分析型调节器基本电路分析放大器输出信号中所含有的大小与IO成正比的交流电流分量，经隔离电路和整流滤波后转换成反馈电流If，经PID调节隔离运算后，将其输出电压Vf反馈回放大器的输入端，并与偏差信号进行叠加，最终使整机输出效果等同于对偏差信号进行连续的PID调节运算二、二、DDZ-DDZ-型调节器基本电路分

16、析型调节器基本电路分析将偏差放大且进行电平移动，使运算放大器工作在允许的共模输入电压范围之内将PID电路输出的15V直流电压信号转换成420mA的输出直流电流工作状态：工作状态：1.自动对偏差进行PID运算后输出标准信号；2.软手动通过操作扳键使其处于不同的位置而使调节器处于保持、输出电流快速变化和输出电流慢速变化状态；3.硬手动移动硬手动操作杆，能使调节器的输出迅速改变到需要的数值。三、数字式调节器基本电路分析三、数字式调节器基本电路分析由微机运算单元、输入电路单元、输出电路单元和人机接口单元四部分组成。1.硬件组成：微机单元（核心组件）：完成调节器的各种运算、功能协调和控制规律的计算。由微

17、处理器（CPU）、只读存储器（ROM、EPROM）、随机存储器（RAM）和输入输出（I/O）接口组成。输入电路单元：实现内部信号制与输入信号制之间的转换、外部输入信号与内部电路的隔离功能。模拟量输入通路将来自于变送器的15V信号经多路模拟开关和A/D转换器送入CPU进行处理。开关量输入通道将多个开关量输入信号转换成能被计算机识别的数字信号，采用光电隔离，抗共模干扰。输出电路单元：实现内部信号制与输出信号制之间的转换，输出信号与内部信号的隔离等功能。模拟量输出接口将多个运算后的数字信号进行D/A转换，并经多路模拟开关送入输出电路暂存，分别输出模拟电压（15V）或电流（420mA）信号。开关量输出

18、接口输出开关量以控制继电器触点的接通与释放，也可控制步进电机的运转。人机接口单元：提供操作员的各种参数设置和显示。由数码显示器、功能键盘（设置和指示各种变量）、显示表盘（测量值、给定值和输出电流的显示）组成。2.软件系统：软件系统：管理程序（主程序）：也称仪表的监控程序或操作系统，典型流程框图如图13-24。中断是定时中断，完成各种运算。用户编程是使用户可根据实际需要编制用户程序，用户程序在主程序执行过程中只作为一个子程序被调用且只须执行一次。自诊断功能设置输入信号和偏差的上下报警线，检查主程序运行是否正常、A/D、D/A及通信功能是否正常等。运算程序：完成各种常用的运算和控制运算。一、增强型一、增强型PIDPID控制规律分析控制规律分析 是数字式调节器的进一步发展。在实际PID规律的基础上，根据实际需要再做进一步的改进而得到。