第3章调节器(1)-V3

1、1第第3 3章章 调节器调节器 基本控制规律基本控制规律 模拟式调节器概述模拟式调节器概述 数字式控制器数字式控制器 23-1 基本控制规律基本控制规律位式控制位式控制比例控制规律（比例控制规律（P）积分及比例积分控制规律（积分及比例积分控制规律（PI）微分及比例微分控制规律（微分及比例微分控制规律（PD）比例积分微分控制规律（比例积分微分控制规律（PID）3何为控制器的控制规律何为控制器的控制规律 e(te(t) )偏差偏差r(tr(t) )给定值给定值(SP) (SP) z(tz(t) )测量值测量值(PV)(PV)控制器的控制规律控制器的控制规律 就是控制就是控制器的输出信号随输入信号器

2、的输出信号随输入信号( (偏偏差差) )变化的规律。这个规律常变化的规律。这个规律常常称为控制器的特性。常称为控制器的特性。4 输入是被控变量与给定值之差即偏差输入是被控变量与给定值之差即偏差e(te(t) )， 输出是输出信号的变化量输出是输出信号的变化量y y。 e(te(t) )0 0称正偏差称正偏差, , e(te(t) )0 0称负偏差称负偏差 e(te(t) )0 0相应的相应的y y0, 0, 称为正作用控制器称为正作用控制器 e(te(t) )0 0相应的相应的y y0, 0, 称为反作用控制器称为反作用控制器 控制器的正反作用控制器的正反作用5 对于某些工业过程，其过程参量今

3、要求维对于某些工业过程，其过程参量今要求维持在一定的范围内，而不要求作精确控制。持在一定的范围内，而不要求作精确控制。这时就可采用比较简单的开关式控制方法。这时就可采用比较简单的开关式控制方法。这种控制系统中的执行器只能作开关两位这种控制系统中的执行器只能作开关两位式动作，因此，也位式控制。式动作，因此，也位式控制。61、双位控制、双位控制 双位控制是位式控制的最简单形式。双位控制是位式控制的最简单形式。 双位控制的规律是：当测量值大于给定值时，控双位控制的规律是：当测量值大于给定值时，控制器的输出最大（或最小）；当测量值小于给定制器的输出最大（或最小）；当测量值小于给定值时，则控制器的输出最

4、小（或最大）。其偏差值时，则控制器的输出最小（或最大）。其偏差e与输出与输出u间的关系为：间的关系为：minmaxuu 00euu0e0 时，或时，或当ee见图2172、具有中间区域的双位控制、具有中间区域的双位控制 带中间区域的双位控制规带中间区域的双位控制规律是：律是： 当被控变量上升时，必须当被控变量上升时，必须在测量值高于给定值某一在测量值高于给定值某一数值后，阀门才关（或数值后，阀门才关（或开）；当被控变量下降时，开）；当被控变量下降时，必须在测量值低于给定值必须在测量值低于给定值某一数值后，阀门才开某一数值后，阀门才开（或关）。在中间区域是（或关）。在中间区域是不动作的。不动作的。

5、理想的双位控制的缺陷理想的双位控制的缺陷8二、比例控制二、比例控制比例控制规律（比例控制规律（P P）可用下列数学式子表示：）可用下列数学式子表示：数数控制器增益或放大系控制器增益或放大系控制器的输入，及偏差控制器的输入，及偏差控制器输出变化量控制器输出变化量ppKe(t)ute Ku )(1、比例控制规律、比例控制规律9baKeKebaupp 102、比例度及其对控制过程的影响、比例度及其对控制过程的影响1 1）比例度）比例度P P 定义：定义：比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出变比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出变 化量之比的百分数。化量之比的百分数。常常数数，-K zzu

6、uKKKuuuzzePpminmaxminmaxminmaxminmax% 10010011%1001 pKP在单元组合仪表在单元组合仪表中，控制器的输中，控制器的输入信号是由变送入信号是由变送器来的，而控制器来的，而控制器的和变送器的器的和变送器的输出信号都是统输出信号都是统一的标准信号，一的标准信号，因此因此K K1 1。所以。所以比例度为比例度为122 2）比例度对过渡过程品质因数的影响）比例度对过渡过程品质因数的影响a、比例度对余差的影响、比例度对余差的影响常规控制系统的结构如下图常规控制系统的结构如下图13上述系统可简化为上述系统可简化为14因此，比例控制必然存在静态误差（又称余差）

7、。因此，比例控制必然存在静态误差（又称余差）。越小（越小（Kc越大），余差越越大），余差越小，反之亦然。小，反之亦然。15b、比例度对系统稳定的影响、比例度对系统稳定的影响比例度很大时，由于控制作用很比例度很大时，由于控制作用很弱，因此，过渡过程变化缓慢，弱，因此，过渡过程变化缓慢，曲线态平稳（曲线曲线态平稳（曲线5 5、6 6）。减小）。减小比例度，由于控制作用增强，过比例度，由于控制作用增强，过渡过程出现振荡（曲线渡过程出现振荡（曲线3 3、4 4）。）。当比例度很小时，由于控制作用当比例度很小时，由于控制作用过强，过渡过程曲线可能出现等过强，过渡过程曲线可能出现等幅振荡，这时的比例度为称

8、为临幅振荡，这时的比例度为称为临界比例度界比例度k k, ,相应的曲线如相应的曲线如2 2所示。所示。当比例度继续减小至当比例度继续减小至kk以下时，以下时，系统可能出现发散振荡（如曲线系统可能出现发散振荡（如曲线1 1），这时系统就不能进行正常），这时系统就不能进行正常的控制了。的控制了。163、比例控制的特点及其应用场合、比例控制的特点及其应用场合 比例控制规律比较简单，控制比较及时，一旦有偏差比例控制规律比较简单，控制比较及时，一旦有偏差出现，马上就有相应的控制作用。应此，比例控制是出现，马上就有相应的控制作用。应此，比例控制是一种最基本的控制规律。但是，由于比例控制作用一种最基本的控制

9、规律。但是，由于比例控制作用u与偏差与偏差e成一一对应关系，因此因负荷改变后，比例控成一一对应关系，因此因负荷改变后，比例控制存在余差。制存在余差。 比例控制适用于干扰较小且不频繁、对象滞后较小而比例控制适用于干扰较小且不频繁、对象滞后较小而时间常数较大、控制精度要求不高的场合。时间常数较大、控制精度要求不高的场合。17三、三、 比例积分控制（比例积分控制（PI）1、比例积分控制规律（、比例积分控制规律（PI）18比例积分控制器的频率特性为：比例积分控制器的频率特性为：)()( jTKjGIpc11由于在低频段能起放大作用，由于在低频段能起放大作用， 11,)1,因此能够消除余差。对数相频因此

10、能够消除余差。对数相频特性在低频段相角是滞后的，特性在低频段相角是滞后的，而在高频段相角大大减小，逐而在高频段相角大大减小，逐渐接近渐接近0 0。所以比例积分器的积。所以比例积分器的积分作用只在低频段起作用，而分作用只在低频段起作用，而在高频段几乎没有作用。在高频段几乎没有作用。192、积分时间及其对过渡过程的影响、积分时间及其对过渡过程的影响tATKttATKAdtTKuIpttIpIpI )(1212AKtATKpp 1tT1在阶跃信号输入中，积分作用输出为在阶跃信号输入中，积分作用输出为 若取积分作用的输出等于比例作用的输出若取积分作用的输出等于比例作用的输出 积分时间的定义：积分时间的

11、定义：在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化在阶跃信号输入下，积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间到等于比例作用的输出所经历的时间就是积分时间T TI I 积分时间积分时间20TI对过渡过程的影响对过渡过程的影响213、积分饱和、积分饱和 具有积分作用的控制器在单方向具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的作用下，其输出达到偏差信号的作用下，其输出达到输出范围上限值或下限值以后，输出范围上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使控积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态，这种现制器脱离正常工作状态，这种现象称为象称为积分饱和积分饱和积分饱和的积分饱和的影影响：

12、响：控制不及时控制不及时22防止积分饱和的方法防止积分饱和的方法 在控制器输出达到输出范围上限值或下在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时限值时 ，暂时去掉积分作用；，暂时去掉积分作用；在控制器输出达到输出范围上限值或下在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时，使积分作用输出不继续增加限值时，使积分作用输出不继续增加 。23四、四、 比例微分控制（比例微分控制（PD)1、比例微分控制规律（、比例微分控制规律（PD)24左图是左图是PDPD控制器的阶跃响控制器的阶跃响应。当应。当e e变化瞬间，输出变化瞬间，输出uu为一幅值为为一幅值为的脉冲的脉冲信号信号, ,这是微分作用的结这是微分作用的结

13、果。输出脉冲信号瞬间降果。输出脉冲信号瞬间降至至K Kc cA A值并保持不变，这值并保持不变，这是比例作用的结果。因此，是比例作用的结果。因此，理论上理论上PDPD调节起控制作用调节起控制作用迅速、无滞后，并有很强迅速、无滞后，并有很强地抑制动态偏差过大的能地抑制动态偏差过大的能力。力。25左图是左图是PDPD控制器的控制器的BodeBode图。由图。由图可以看出，图可以看出，PDPD控制规律的对控制规律的对数幅频特性在低频段是一条水数幅频特性在低频段是一条水平线，其高度由平线，其高度由K Kc c确定；在高确定；在高频段是一条斜率为频段是一条斜率为20dB/dec20dB/dec的直线。由

14、于在高频段能起放的直线。由于在高频段能起放大作用，因此能抑制系统中高大作用，因此能抑制系统中高频振荡。频振荡。PDPD控制器的对数相频特性在低控制器的对数相频特性在低频段的相角接近频段的相角接近0 0度，随着频度，随着频率的增加，超前角率的增加，超前角增大，逐增大，逐渐接近渐接近9090度，所以度，所以PDPD控制器的控制器的微分作用只在高频段起作用，微分作用只在高频段起作用，而在低频段几乎没有作用。而在低频段几乎没有作用。262、实际比例微分控制规律（、实际比例微分控制规律（PD）及微分时间）及微分时间 理想的比例微分运算规律缺乏抗干扰能力，如果偏差信理想的比例微分运算规律缺乏抗干扰能力，如

15、果偏差信号中含有高频干扰时，则树垂有大幅度的变化，这样容号中含有高频干扰时，则树垂有大幅度的变化，这样容易引起执行器的误动作。因此理想的易引起执行器的误动作。因此理想的PD运算规律在实际运算规律在实际中是不能用的，必须加以改进。中是不能用的，必须加以改进。 实际的实际的PD规律的传递函数为：规律的传递函数为：11 sKTsTKsGDDDpc)()(当输入偏差当输入偏差e e为一幅值为为一幅值为A A的阶跃信号时，响应为：的阶跃信号时，响应为：)()(tTKDpDDeKAKtu 1127AK)u(t AKKu(0)0t ppD 时，时，时，时，当当t=t=时，微分作用已经消失，其时，微分作用已经

16、消失，其输出为比例控制作用的输出。而输出为比例控制作用的输出。而在在 t=0t=0时的输出信号为比例输出时的输出信号为比例输出的的K KD D倍，然后慢慢衰减至纯比例倍，然后慢慢衰减至纯比例作用的输出。作用的输出。微分作用具有饱和特性，其作用微分作用具有饱和特性，其作用时间也拉长了，因此不仅对高频时间也拉长了，因此不仅对高频信号干扰起到抑制作用，同时改信号干扰起到抑制作用，同时改善了调节器的控制质量。实际的善了调节器的控制质量。实际的PDPD调节规律适用于一些滞后较大调节规律适用于一些滞后较大的对象，如温度控制系统。的对象，如温度控制系统。28五、五、 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PI

17、D）)( tDIpDIpdtdeTedtTeKuuuu01)()()()()()()()( IDIDpDIpcDIpcTTtgTTKAjTjTKjGsTsTKsG11111111229实际实际PIDPID控制器在阶跃信号控制器在阶跃信号的响应曲线如图开始时，微的响应曲线如图开始时，微分作用的输出变化最大，使分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度的变化，产总的输出大幅度的变化，产生强烈的超前控制作用，这生强烈的超前控制作用，这种控制作用可看成是预调。种控制作用可看成是预调。然后微分作用逐渐消失，积然后微分作用逐渐消失，积分作用逐渐占主导地位，只分作用逐渐占主导地位，只要余差存在，积分输出就不要余

18、差存在，积分输出就不断增加，这种控制作用可看断增加，这种控制作用可看成是细调，一直到余差完全成是细调，一直到余差完全消失，积分作用有可能停止。消失，积分作用有可能停止。而在而在PIDPID控制器的输出中，控制器的输出中，比例作用是自始至终与偏差比例作用是自始至终与偏差相对应的，它一直是一种最相对应的，它一直是一种最基本的控制作用。基本的控制作用。30PID对数曲线的分析说明对数曲线的分析说明1）幅频）幅频2）相频）相频31一、调节器的功能与结构一、调节器的功能与结构 3-2 模拟式调节器概述模拟式调节器概述控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差控制器的作用是对测量信号与给定值相比较

19、所产生的偏差进行进行PIDPID运算，并输出控制信号至执行器。除了对偏差信号运算，并输出控制信号至执行器。除了对偏差信号进行进行PIDPID运算外，一般还须具备以下功能：运算外，一般还须具备以下功能：1)1)偏差显示偏差显示2)2)输出显示输出显示3)3)提供内给定信号及内、外给定的选择提供内给定信号及内、外给定的选择4)4)正、反作用的选择正、反作用的选择 5)5)手动操作与手动手动操作与手动/ /自动双向切换自动双向切换6)6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、 偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零

20、启动等. .32基本结构基本结构3334 二、二、DDZ型电动调节器概述型电动调节器概述 DDZ DDZ型调节器有两种：型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示全刻度指示调节器和偏差指示调节器。调节器。它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行PIDPID运运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动信号、手动/ /自动双向切换和阀位显示等功能。自动双向切换和阀位显示等功能。 在基

21、型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器。调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器。351、主要性能指标、主要性能指标测量信号测量信号 1 15VDC5VDC内给定信号内给定信号 1 15VDC5VDC外给定信号外给定信号 4 420mADC20mADC指示精度指示精度 1%1%输出信号输出信号

22、 4 420mADC20mADC负载电阻负载电阻 250250750750输出保持特性输出保持特性 -0.1-0.1h h比例度比例度 2 2500500积分时间积分时间 0.040.0410min10min微分时间微分时间 0.040.0410min10min控制精度控制精度 0.5 %0.5 %36 基型调节器线路原理图2、基型调节器概述、基型调节器概述37 基型调节器的构成方框图基型调节器的构成方框图 38输入电路原理图 是为了消除集中供电引入的误差。是为了消除集中供电引入的误差。 是为了保证运算放大器的正常工作是为了保证运算放大器的正常工作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的输

23、入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的 ：输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用 ：一是偏差检：一是偏差检测与放大；二是电平移动测与放大；二是电平移动 。1 1）输入电路）输入电路39 2) 2) 比例微分电路比例微分电路 作用作用: : 是对输入电路的输出信号是对输入电路的输出信号U U0101进行比例微分运算进行比例微分运算, ,整机的整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。比例度和微分时间通过本电路进行调整。比例微分电路的传递函数为：比例微分电路的传递函数为：11)(SKTSTnSGDDDP121211RRRnKDDDDCnRT 2PPOP

24、RRR400102) 1(1 )(UeKKtUtTKDDDD413)3)比例积分电路比例积分电路)11 ()(STCCSWIMIPITI = RI CI 其传递函数为：其传递函数为：比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号U U0202进行比例积分运算进行比例积分运算42 比例积分电路实际的输出输入关系比例积分电路实际的输出输入关系STKSTCCSWIIIMIPI1111)(KI=K3CM / CI 43比例积分电路比例积分电路在阶跃输入信号作用下，在阶跃输入信号作用下，PIPI电路输出的时间函数表达式为电路输出的时间函数表达式为 : :02103) 1()(UeKKCCtUtTKIIMIII比例积分电路的调节器的调节系统仍比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差。然存在静差。44 I0= I0 -If输出电路的作用是将比例积分电路输出的以输出电路的作用是将比例积分电路输出的以U UB B为基准的为基准的1 15VDC5VDC电压信号电压信号U U0303转