2.2模拟调节器

1、调节器变送器和转换器 运算器和执行器模拟式控制仪表及装置 模拟式控制仪表及装置 主要以DDZ-型仪表为主。主要特点：元器件以线性集成电路为主，仪表结构合理、功能多样，采用国际标准信号和集中统一供电，整套仪表可构成本质安全型防爆系统，从而保证了仪表的稳定性和可靠性，使用方便。 主要性能指标：4-20MA或1-5V，基本误差0.5%,响应时间不超过1s，供电24VDC等 仪表的分析方法 仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式。 仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属于这一类的仪表有DDZ-型仪表、大部分的变送器以及气动仪表等。 整机由数目不等的运算放大

2、器电路以不同形式组装而成。如DDZ-、I系列和EK系列仪表等。 这一类仪表一般具有如图1-3所示的典型结构，即整个仪表可以划分为三部分：输入部分、放大器和反馈部分 。采用单个放大器的仪表分析方法1.采用单个放大器的仪表特点 由图1-3可以求得整个仪表的输出与输入关系为 (1-1)式中 输入部分的转换系数； 放大器的放大系数； 反馈部分的反馈系数。当满足KKf1的条件时 (1-2)由于 因此 ，即 (1-3) 上述分析表明，采用单个放大器的仪表具有如下特点。 在满足 的条件时，仪表的输出关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性。 在满足 的条件时，仪表的输入部分的输出信号 于整机输出信号y经反

3、馈部分反馈到放大器输入端的反馈信号 基本相等，即放大器的净输入趋向于零。2.分析方法 式（1-1）-（1-3）是对采用单个放大器的仪表进行分析的主要依据。对于这一类仪表的分析，首先是将仪表划分为三部分：输入部分、放大器和反馈部分。然后对各个部分进行分析，重点是输入部分和反馈部分。进而根据式（1-2）或式（1-3）求出整机输出与输入之间的关系，即可得到整机性。 要将整个仪表划分为三个部分，关键是如何确定图1-3的比较环节和引出反馈的取样环节；比较环节的确定可以从放大器的输入端即所加位置着手；取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手。 电动仪表的比较方式有两种：串联比较和并联比较。如图1-4和1

4、-5所示。 电动仪表的取样方式有两种：电流取样和电压取样。如图1-6所示。 采用运算放大器的仪表分析方法 这一类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相连。1.运算放大器的基本知识（1） 运算放大器的基本性能 在仪表电路图中，运算放大器一般用图1-7所示的长方形符号表示。 引出端 有五个基本的引出端 a.输入端（+、-） +端位同相输入端，-端位反相输入端。 b.输出端 U。为输出端对地的电压。 c.电源端（U+、U-） 他们通常分别连接到运算放大器所需的正、负电源上。 运算放大器基本特征 在分析仪表线路时,往往把运算放大器理想化。理想运算放大器具有如下特点

5、： a.输入电阻 ； b.输出电阻 ； c.开环电压增益 ； d.失调及其漂移为零。 由上述特点，可以得出如下两条重要的结论：a.差模输入电压为零，即 或 ； b. 输入端输入电流为零 即 。 （2）运算放大电路 反相端输入 反相端输入运算放大器电路如图1-8所示。因为所以又因为 所以整理可得 同相端输入 同相端输入运算放大器电路如图1-9所示 。因为所以又因为所以即差动输入 差动输入运算放大器电路如图1-10所示。因为所以又因为如果所以则调节器的运算规律基型调节器 特种调节器和附加单元1 模拟调节器 概述 调节器的作用是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、

6、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。 模拟调节器（控制算法由电路实现） 数字控制器（含CPU，控制算法由程序实现） 一般调节器还需要具备如下功能，以适应自动控制的需要： 偏差指示 指示偏差信号模拟调节器指针式表头全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在0100范围指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号30数字控制器通过LED或者液晶屏显示 输出显示 显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供 内给定的调整 若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘

7、来改变设定值正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。 手/自动双向切换何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？ 手动操作 可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出 无扰动切换 手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换） Kp/Ti/Td的设置 改变控制器的特性在控制系统中，当扰动产生，使被控变量偏离给定值时，即会形成偏差：（即偏差=测量值-给定值）注意：这里偏差的正负与控制系统偏差的概念相差一

8、个正、负号！如果偏差大于零，称为正偏差；如果偏差小于零，正为负偏差。如果偏差增大时，输出变量也增大，则调节器为正作用调节器。如果偏差增大时，输出变量反而减小，则调节器为反作用调节器。调节器选用正作用还是反作用，还得看对象特性及执行器的特性，总的目的是要确保整个自动控制系统是一个负反馈的！调节规律：调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。基本的运算规律有比例（PROPORTION）、积分（INTEGRAL）、微分（DIFFERENTIAL）三种，通常简称为PID调节规律。1.1调节器的运算规律和构成方式控制规律f（）z(t)x(t)e(t)u(t)控制规律：控制器的输出信号随输入信号(偏

9、差)变化的规律也称为调节规律强调：如果 ，则控制器称正作用控制器；反之， ，则称反作用控制器基本控制规律： 位式控制（双位控制较常用） 比例作用(Proportional) 积分作用(Intergral) 微分作用(Derivative)工业上（最）常用的控制规律： 双位控制 纯比例控制 P 比例积分控制 PI 比例微分控制 PD 比例积分微分控制 PID。 一个控制系统主要包括二类基本环节：调节器和广义对象。广义对象在控制系统中属于固定因素，当系统设计好以后，广义对象特性也就被确定下来；在整个控制系统中的控制作用主要是通过调节器来实现的，而调节器真正实现控制的本质在于选择合适的调节规律。 不

10、同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。基本的控制规律双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，调节器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律可描述为：x(t)z(t)e(t)p(t)+pmaxpmin 这是一种理想的双位控制，请问这种理想的双位控制策略能否直接由于实际工业现场的控制？双位控制双位控制 控制器罐压力变送器排放电磁阀例如：某压力控制系统，控制设定值为100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压力稍稍大于100KPa

11、时，调节器输出为1，电磁阀开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值100KPa，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，大于100 KPa，调节器输出为1，电磁阀开，这样调节器输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开”和“关”二个状态上不停的动作。 这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的使用寿命一般在10万50万次。 如果把双位特性调整为 x(t)z(t)e(t)u(t)+umaxuminu双位控制总结 由于位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置所以整个系统不可能保持在一个平衡状态被控变量总在设定值的附近波动，其过渡过程是持续的

12、等幅振荡滞回区间的大小影响振荡频率。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器的使用寿命。位式控制的特 点：简单、过渡过程是振荡的位式控制的适用范围：时间常数大 纯滞后小 负荷变化不大也不激烈 控制要求不高。 u纯比例控制 POO 由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号(指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制” 纯比例控制也是一种最基本的控制规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克服位式控制振荡、不稳定的缺点。比例调节规律表达

13、式： 比例调节规律 或 u0是偏差e=0时的调节器的稳定输出值KP是调节器的比例增益或放大倍数（与对象增益的区别） KPu(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)u(t)根据上述响应曲线，可以明显地看出比例调节器的一个特点：控制及时。一旦偏差不为0，调节器的输出即刻发生改变。 比例增益KP是比例调节器输出变化量u与偏差e之比： 比例增益KP和比例度 KP越大，比例作用越强，KP越小比例作用越弱。 但是，在工业现场，一般都习惯于用比例度来表示比例作用的强弱比例度的定义：输入信号的相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。 其中：C仪表常数，当输入输出是统一信号时，仪表常数C1， 在没有特定指明

14、的情况下，C1，因为在一个系统中所选用仪表的信号制一般都是统一的。 KP越大 越小 比例作用越强。 比例作用对过渡过程的影响 结论：纯比例控制系统，过渡过程结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 控制作用越强 余差越小、最大偏差越小KP 太大或太小 控制作用太强 稳定性降低、甚至造成系统不稳定纯比例调节系统的特点：控制及时 控制结果有余差纯比例控制适用场合： 干扰幅度较小 纯滞后较小 负荷变化不大 控制要求不太高 一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大

15、些以保证稳定。 比例调节特性三个特点：作用迅速及时；KP表征比例作用的强弱；克服干扰作用后有余差。为了减小余差，可以增大KP（即减小比例度）。比例度越小，余差也越小，但系统的稳定性变差 ytt00Kp比例积分控制 PI比例控制最大的优点是反应快，控制作用及时 最大的缺点是控制结果存在余差 当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。比例积分控制就是由比例作用和积分作用二种控制作用组合而成 积分作用是指调节器的输出与输入（偏差）对时间的积分成比例的特性。表达式为 ： 积分作用积分u(t)e(t)z(t)+_x(t)uI(t)e(

16、t)AuI(t)e(t)ATi：积分时间，因为Ti在分母底下，所以Ti越大积分作用越小。 只要有偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差为0消除余差调节器的输出是偏差随时间的积分，当t较小时，调节器输出u(t)很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用， 所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。 特点：能消除余差；动作是慢慢来的（因而不单独使用）；TI表征积分作用的强弱，TI越大，积分作用越弱 比例积分控制作用比例积分(PI)控制由比例和积分二种控制作用组合而成 比例作用项积分作用项如果加入幅值为A的阶跃信号：e(t)u(t)AuI=KPAt/TiuP=KPA积分时间的定义：在阶跃输入

17、下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。 控制点偏差和调节精度实际PI调节器的KI值比较大但仍是一个限值。因此当调节器的输出稳定在某一值时，测量值和给定值之间依然存在偏差（也就是说实际PI调节器不可能完全消除余差），这种偏差通常称为控制点偏差。当调节器的输出变化为满度时，控制点的偏差达最大，其值为：控制点最大偏差的相对变化值即为调节器的调节精度（），考虑到调节器输入信号和输出信号的变化范围是相等的，故有：调节精度是调节器的重要指标，它表征调节器消除余差的能力。KI越大，调节精度越高，消除余差的能力越强。积分作用对过渡过程的影响 采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两

18、重性。在同样的比例度下，缩短积分时间Ti，将使积分调节作用加强，容易消除余差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。 由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线3，Ti过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线1。 积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；注意事项： 引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（增大比例度或降低比例增益） 当对象滞后很大时，可能控制时间较长

19、、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用比例微分控制 PD积分控制最大的优点是消除余差 最大的缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低 比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的被控变量与给定值的偏差而进行动作。但对于惯性较大的对象，为了使控制作用及时，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会先改变阀门开度以克服干扰影响，它是根据偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好。微分作用就是模拟这一实践活动而采用的控

20、制规律。微分控制主要用来克服被控对象的容量滞后(时间常数T)，但不能克服纯滞后。 比例微分控制就是由比例作用和微分作用二种控制作用组合而成 微分作用是指调节器的输出与输入变化率成比例关系，成比例的特性。表达式为： 微分作用微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)Td：微分时间，Td越大微分作用越强。 微分作用的目的：克服对象滞后大的影响，改善过渡过程品质。微分作用的原理：根据偏差信号变化速度来确定调节器的输出，改变操作变量（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种控制作用组合而成 比例作用项微分作用项e(t)Ae(

21、t)0At 从(b)图中可以看出，当输入为斜坡曲线时存在：u(t)e(tTd)，所以微分控制起到了超前的作用，即：调节器输出比输入超前TD时间 从(a)图上可得出，当加入阶跃输入时，微分作用产生了一个函数，当t0时，u(t)e(t)，很显然这种控制作用在实际应用中没有什么态大的意义 根据这2个特点不难理解：微分作用不能作为一种单独的调节规律来使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于对象时间常数较大的系统之中。 u(t)T+KpA(a)u(t)0+e(t)=Atu(t)=(Td+t)A(b)实际的比例微分控制作用 从前面的波形图中可以看到，如果调节器的输入为阶跃信号，理想PD调节器的

22、输出为脉冲信号，而脉冲信号不可能被其它环节（执行器）所接收到。在工业应用现场时不采用理想的PD作用，而采用实际的PD作用。 实际的PD作用表达式为：式中，Kd为微分增益，它反映了实际微分特性与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一般为510。 另外还有一类Kd UL)当U03UH+Ueb1时（Ueb1为VT1发射级的正向压降），VT1的发射极正偏而导通，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的发射极反偏而截止。当U03UL-Ueb2时，VT2导通，U03也被限制在恒定的值上。此时VT1截止。当UL U03UH 时，VT1和VT2均截止，对调节器的输出没有影响。1.3特种调节器和附加单元1.3.1特种调节器为适应多种控制系统的特殊要求，在基型调节器上增设附加电路，由此形成具有相应功能的调节器，一般称之为特种调节器。此外，为使用方便，还有多种附加单元可设置在基型调节器或特种调节器中，以增加其功能（一）抗积分饱和调节器抗积分饱和的方法，一般是限制积分电容两端的电压不让其超出正常工作范围，或者切除积分作用。抗积分饱和电动指示调节仪，是在DTZ型电动指示调节仪基础上，附加抗积分饱和限制器而成，该调节仪在自动状态下其积分信号将不会超过上限值或下限值，并且