第四章 过程控制仪表 林德杰

4.1概述4.2PID控制规律及实现方法4.3模拟调节器4.4数字调节器和可编程调机器4.5PID参数自整定调节器第4章调节器调节器将来自变送器的测量信号z与调节器的内给定或外给定信号x进行比较，得到其偏差e，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。

4.1概述

调节器的作用控制器（调节器）的控制规律：是指控制器的输出控制信号与输入偏差信号之间的关系。控制器的直接输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定（给定）信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号ε

，它是设定值信号Vs与测量信号Vi之差。如果输入ε与输出y的变化方向相同，则称控制器为正作用控制器；反之，如果输入ε

与输出y变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。或偏差表达式：

4.2

PID控制规律及实现方法控制规律有断续控制和连续控制两类：一、断续控制——控制器输出接点信号

双位控制（开关控制）二、连续控制——控制器输出连续信号比例控制（P）;

比例积分控制（PI）;

比例微分控制（PD）;

比例积分微分控制（PID）。控制器（调节器）的控制规律：

4.2

PID控制规律及实现方法一、双位控制双位控制的输出规律：根据输入偏差的正、负，控制器的输出为最大或最小。双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。理想双位控制器的输出y与输入偏差e之间的关系：理想的双位控制特性控制器（调节器）的控制规律：

4.2

PID控制规律及实现方法一、双位控制双位控制实例图双位控制实例电磁阀继电器电极（测量元件）导电液体出料管设定值测量原理：当液位低于设定值H0时，液位未接触电极，继电器断路，此时电磁阀YV全开，液位以最大流量流入贮槽。当液位上升至设定值H0时，液位与电极接触，继电器接通，从而使电磁阀全关，液体不再进入贮槽。

控制器（调节器）的控制规律：

4.2

PID控制规律及实现方法中间区、振荡二、PID调节比例积分微分调节规律是指调节器的输出分别与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的变化率成比例，其英文缩写为PID(proportionalintegralderivative，PID)。理想PID的增量式数学表达式：为调节器输出的增量值，为被控参数与给定值之差。

写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分为调节器的比例增益，为积分时间（以s或min为单位），为微分时间（也以s或min为单位）。

通过改变这三个参数的大小，可以相应改变调节作用的大小及规律。PID控制器的一般形式为：△y＝f(e)几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：比例作用（P）

比例积分作用（PI）

比例微分作用（PD）

比例积分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；TI—控制器的积分时间；TD—控制器的微分时间；

控制规律的表示形式二、PID调节1.比例控制（P）纯比例调节器的输出与输入偏差成正比，比例增益的大小决定了比例调节作用的强弱，Kc越大，比例调节作用越强。当TI→∞、TD=0时，积分项和微分项都不起作用，控制器输出y(t)和偏差信号e(t)成比例关系。＋－KPye被控变量测量值z被控变量给定值xK

p—比例增益

纯比例调节器的阶跃响应特性

1.比例控制（P）图简单的自力式比例控制系统示意图浮球：测量元件活塞阀杠杆（控制器）•当液位高于设定值时，控制活塞阀关小，液位越高，阀关得越小；

•若液位低于设定值时，控制活塞阀开大，液位越低，阀开得越大。•它总能找到一个合适的点，使液位稳定。但如果液位过低，使Δe=0，则活塞无法再提高，Q1

无法加大，调节无法进行。控制原理：例：自力式液位比例控制系统：图中：e：杠杆左端的位移，即液位的变化量；p：杠杆右端的位移，即阀芯的位移量；a、b：分别为杠杆支点与两端的距离。1.比例控制（P）图简单的自力式比例控制系统示意图浮球：测量元件活塞阀杠杆（控制器）阀门开度的改变量（p）与被控变量（液位）的偏差值（e）成比例关系；即比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：Kp为放大倍数（比例增益），它的大小决定了比例控制作用的强弱。Kp越大，比例控制作用越强。

例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程∆Q2htep∆Q1tttt1.比例控制（P）例：自力式液位比例控制系统：1.比例控制（P）比例度：就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出的相对变化值之比，用百分数表示：式中：e为输入偏差；y为相应的输出变化量；为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ

的物理意义：使控制器的输出变化满量程时（控制阀从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。表示输入对输出的控制能力。

对于DDZ-Ⅲ型比例控制器，其输入、输出量程均为4~20mA，此时比例度δ是放大倍数的倒数。即：

1.比例控制（P）举例：（对于DDZ-Ⅲ型比例控制器）当比例度为50%、100%、200%时，分别说明只要偏差e变化占仪表全量程的50%（8mA）、100%（16mA）时，控制器输出就可以变化全量程（16mA）；P=200%说明偏差e变化32mA，控制器输出才能变化全量程（16mA），但是偏差e最大只能变化16mA，控制器的输出就只能变化8mA，在此区间内e和y是成比例的，此区间外，控制器就只能处于饱和状态，不再符合比例关系。1.比例控制（P）uuur0100%50%umaxuminδ=50%

δ

=100%例某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号范围是4～20mA。当指示指针从600℃变到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。解：答温度的偏差在输入量程的50％区间内（即200℃）时，e和u是2倍的关系。u/mAe/℃e420800400δ

=50%PID控制规律对控制过程的影响比例度对控制过程的影响比例度的选择原则:

若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大倍数较小，那么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳定性，就要选择大的比例度来保证稳定。

总结比例控制：控制器的比例度δ越小，它的放大倍数就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然。比例控制作用的强弱通过调整比例度δ实现。

比例控制的优点：控制及时，反应灵敏，偏差越大、控制力度越大。缺点：控制结果存在余差（静差）。因为调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。1.比例控制（P）图

简单的自力式比例控制系统示意图浮球：测量元件活塞阀杠杆（控制器）1.比例控制（P）2.比例积分控制（PI）图

积分控制的阶跃响应当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。（1）积分控制（I）积分控制作用的输出变化量y是输入偏差e的积分。

积分时间常数当输入偏差是幅值为E的阶跃信号时，上式为：积分控制优点：可以到达无余差。积分控制缺点：控制作用是随着时间积累才逐渐增强的，控制动作缓慢，控制不及时。一般不单独使用。由图可见，当有偏差存在时，输出信号随着时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

在阶跃信号作用下（幅值为A)PI输出响应由比例和积分两部分组成当t=TI时，y=2KPAPI控制器的输出随时间变化的表达式为t△yI=△yPt△ypPe△yTI由此可确定积分常数。积分常数越TI大，积分作用越小；反之，积分作用越大；当积分时间为无穷大，积分作用消失，为纯比例控制器。积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。

（2）比例积分控制（PI）PI控制规律对控制过程的影响积分时间对过渡过程的影响左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线３、4可以看出，TI过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，从图中曲线１、２可以看出，TI较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线２就比较理想。（2）比例积分控制（PI）比例积分控制作用优点：控制及时，又能消除余差，可提高系统的控制精度，比例度δ

和积分时间两个参数均可调整。实际积分3.比例微分控制（PD）微分控制规律，就是控制器输出信号的变化与偏差信号的变化速率成正比：对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。理想微分式中：TD—微分时间常数TD越大，微分作用越强；

TD等于零时，微分作用消失。（1）微分控制（D）图

理想微分的阶跃响应当输入偏差为阶跃信号时，微分输出为一冲激信号。由于理想微分运算的输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。实际应用中，一般加以惯性延迟，使控制作用维持一段时间，称为实际微分。图

实际微分的阶跃响应3.比例微分控制（PD）微分的特点：能起到超前控制的作用。即按照偏差变化的速度控制，能在偏差很小时，提前增大控制作用，改善控制品质。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。缺点：微分对静态偏差毫无控制能力。因此微分作用不能单独使用，必须和P或PI结合，组成PD控制或PID控制。另外，微分控制会降低调节器的抗干扰能力（高频但低幅，会使调节阀误动作）。3.比例微分控制（PD）比例微分控制作用可提高系统的控制速度，对惯性大的对象用比例微分，可以改善控制质量，减小最大偏差，缩短控制时间。理想的比例微分控制理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。eAttyty3.比例微分控制（PD）（2）比例微分控制（PD）PD控制规律对控制过程的影响微分时间对过渡过程的影响PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。4.比例积分微分控制（PID）图PID的阶跃响应比例积分微分控制规律为：将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。当控制对象惯性较大且控制精度要求较高时，可将比例积分微分合用。

PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能（此为基础控制作用）、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。

PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。PID阶跃响应特性曲线

PID控制规律对控制过程的影响

比例积分微分控制规律过程控制仪表的分类及特点1.按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。

导管、管路板导线、印刷电路板

接线气动元件

电子元器件

构成气压信号

电信号(电流、电压或数字)

传输信号气源（140kPa）

电源(220VAC，24VDC)能源气动仪表电动仪表2.按信号类型分类

模拟式数字式由模拟元件构成传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等线路较简单，操作方便，使用灵活，价格较低

以微处理器、单片机等大规模集成电路芯片为核心传输信号通常为断续变化的数字量，如脉冲信号等可以进行各种数字运算和逻辑判断，其功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题过程控制仪表的分类及特点3.按结构形式分类

单元组合式仪表基地式仪表集散型计算机控制系统现场总线控制系统

过程控制仪表的分类及特点单元组合式仪表：将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。都经历了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三个发展阶段。根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。单元组合仪表

变送单元

温度变送器压力变送器差压变送器流量变送器液位变送器

将各种被测参数变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表或装置，以供显示、记录或控制

转换（变送）单元

直流毫伏转换器频率转换器电－气转换器气－电转换器

将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号在同一控制系统中使用

单元组合仪表

控制单元

运算单元

比例积分微分控制器比例积分控制器比例微分控制器具有特种功能的控制器

将变送单元的测量信号与给定信号比较，按偏差给出控制信号，去控制执行器加减器乘除器开方器

显示单元指示仪指示记录仪报警器

单元组合仪表

给定单元

执行单元

辅助单元输出统一标准信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参考基准值。

角行程电动执行器直线行程电动执行器气动薄膜调节阀

按控制器输出的控制信号和手动操作信号，改变控制变量操作器：手动操作及手动/自动的切换作用阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼限幅器：限制信号的上、下限值安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用

被控对象执行单元检测元件调节单元给定单元操作单元变送单元显示单元工艺介质阀门被调变量自动手动测量值给定值用电动单元组合仪表组成的控制系统

基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件而构成；其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号；一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用，便可构成一个简单的控制系统；性能价格比高，适用于单参数的控制系统。集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理控制站（下位机）操作站（上位机）过程通信网络数据采集、处理及控制由DCS系统的基本控制器（包括控制卡、信号输入输出卡、电源等）构成或由可编程序控制器PLC（包括CPU、I/O、电源等模块）或带有微处理器的数字式控制仪表构成实现操作站与控制站的连接提供与企业管理网络的连接过程信息的集中显示、操作和管理由工业控制计算机、监视器、打印机、鼠标、键盘、通信网卡等组成现场总线控制系统（FCS系统）现场控制和双向数字通信将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。4.3

模拟调节器DDZ一III型PID基型调节器有两个品种，即全刻度指示调节器和偏差指示调节器。它们的电路结构基本相同，仅指示电路有差异。这里仅介绍全刻度指示调节器。1-双针垂直指示器2-外给定指示灯3-内给定设定轮4-自动—软手动—硬手动切换开关5-硬手动操作杆6-输出指示器7-软手动操作板键4.3.1PID型调节器图4.12

全刻度指示调节器组成框图工作原理：调节器接收变送器输出的测量信号（4~20mA或1~5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号。然后在PD与PI电路中进行

PID运算，由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。图全刻度指示调节器原理图S1：工作状态转换开关S3：积分换档开关S4：软手动操作开关S5：标定指示与测量指示开关S6：内外给定选择开关S7：正反作用选择开关1）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VF=VT。由节点电流法可求得:即：有：结论：1.信号综合：输出信号VO1是偏差信号的两倍；2.电平转移：Vi，Vs均以零伏为基准的DC1~5V，而VO1是以VB=10V为基准的信号，从而实现了电平转移。图4-3输入电路反相端:同相端:4.3.1

PID调节器电平转移问题？？

Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在2～19V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB=10V

，即进行电平移动。

因为Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

则如果VB=0VB=10V时，

V+=V-=3.7～5.7V

保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。V+V-公共地线干扰电压？？电压范围应在2～19V电平转移问题？？2～19V？？而且VB=0时，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID电路IC的范围要求。VB=10时：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V(抬高)

使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。＋－电平转移问题？？问题1.PD电路中无源比例微分电路和比例运算放大器A2分别的主要功能是什么？2.微分作用的切除与介入之间的切换是无扰动的吗？如果是，通过什么实现的？3.理解PI电路的输出是P与I的叠加关系，并掌握Ti的测定方法。4.理解输出电路的主要功能——电平移动功能的电压—电流转换器5.理解手动操作电路的意义；软、硬手动操作电路的区别；无平衡无扰动切换。PID运算电路PID运算电路PD电路（比例微分）PI电路（比例积分）由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。

2.比例微分（PD）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4-4比例微分电路a)无源微分电路b)比例放大电路PD电路的作用：对来自输入电路的V01电压信号，通过CD、RD进行微分运算，再经过比例放大后输出V02信号，作为PI电路的输入信号。PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成

P电路；开关S8打向“通”时，构成

PD电路。2.PD电路分析求PD电路的传递函数：若令：IDID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。所以PD电路的传递函数为：

当S8置于“通”时当为阶跃作用时，利用拉氏变换，可求得随时间变化的数学表达式：依据下式，可用实验法求取微分时间TD

图4-6PD电路输出的阶跃响应曲线

可见，此电路的微分是实际微分

当S8

置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有这时微分电容CD被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。三、比例积分（PI）电路

该电路由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4-7PI电路

S3－积分时间倍乘开关•当其置于“×1”位置时，将1kΩ电阻悬空，1/m的分压关系不存在，CI的充电电压为Vo2；•当其置于“×10”位置时，将1kΩ接入电路，静态V02被分压输入，CI的充电电压为（1-1/m）Vo2，使CI的积分时间TI增大m（m≈10）。（S3为积分时间的换挡开关）

图4-8PI电路的简化a)S3在TI×1档b)S3在TI×10档

S3置于“×1”位置，A3反相输入端电流：（忽略分压电阻9.1kΩ

）解得：设：S3置于“×10”位置时：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。

图4-9PI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。

四、整机的PID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简化后可得：式中，干扰系数：比例增益：比例度：微分时间：微分增益：积分时间：积分增益：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：

拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式为：

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4-11PID调节器的输出阶跃响应曲线5.输出电路图3-17输出电路PI电路输出（1~5V）（4~20mA

）输出电流信号

调节器输出电路的首要任务是将PID电路输出的1～5V电压转换为4～20mA的电流输出，同时还承担电平移动的任务，将以VB＝10V为起点变化的电压转换为0V为基准的电流输出。

1.输出电路以集成运算放大器A4为核心；2.在A4后面用晶体管VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。电路的特点：5.输出电路设：R3＝R4＝10kΩ，R1＝R2＝4R3

由流过R2、R3电流相等：由流过R1、R4电流相等：5.输出电路PI电路输出（1~5V）（4~20mA

）输出电流信号

因为由图：对比两式：如果忽略反馈支路电流If和基极电流IB，由：得：取Rf＝62.5Ω

，则当Vo3＝1～5V时，输出电流I0＝4～20mA。

5.输出电路PI电路输出（1~5V）（4~20mA

）输出电流信号

6.手动操作电路及无扰切换通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式中任一种。自动调节就是根据偏差作PID调节的控制方式，软手动操作及硬手动操作都是手动操作的控制方式。为了避免切换时给控制系统造成扰动，要求电路设计中尽量做到自动调节与手动操作状态间的平滑无扰动切换。（1）A、M间的切换（S1：自动→软手动状态）保持状态积分上升与下降S4-1～S4-4：软手动操作开关硬手动操作电位器

A→M无冲击断开A3的输入CM无放电回路VO3保持不变6.手动操作电路及无扰切换M→A的切换

S1由A切向M时，联动开关同时将积分电容CI右端接VB，由于放大器反向输入端电位约为VB，当S1再由M切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。6.手动操作电路及无扰切换积分上升与下降S4-1～S4-4：软手动操作开关S41或S42按下时：VM<0，输出V03积分上升；S43或S44按下时：VM>0，输出V03积分下降；S41、S44按下时：RM=RM1，为快速积分；S42、S43按下时：RM=RM1+RM2，为慢速积分。用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为“软手动”。6.手动操作电路及无扰切换（1）A、M间的切换（S1：自动→软手动状态）图3-19硬手动操作电路（2）A、H间的切换（自动→硬手动状态）变化缓慢地直流惯性环节当切换开关S1由自动位置A切向硬手动H时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。6.手动操作电路及无扰切换传递函数惯性时间常数

T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s≈0，RF=RH

时，为增益为1的比例电路。可见，VH改变时，VO3很快达到新的稳态值。6.手动操作电路及无扰切换H→A的切换

S1由A切向H时，联动开关同时将积分电容CI右端接VB，由于放大器反向输入端电位约为VB，当S1再由H切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。由A→H时，硬手动操作杆的位置与调节器输出指示位置不一致，则切换时调节器输出会产生突变。A→H的切换是有扰切换。A→H前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。6.手动操作电路及无扰切换（2）A、H间的切换（自动→硬手动状态）（3）M、H间的切换

（软手动→硬手动状态）调节器由软手动状态M→硬手动状态H时，同由A→H一样，其输出值将由原来的数值很快变到硬手动电位器所确定的数值。所以M→H是有扰切换。所以M→H前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。H→M的切换调节器由H→M时，切换后放大器成为保持状态，保持切换前的硬手动输出值，切换是无扰动的。6.手动操作电路及无扰切换DDZ-III型PID调节器的切换特性：软手动（M）自动（A）硬手动（H）无扰无扰无扰需平衡才能无扰A→M：无扰切换M→A：无扰切换A→H：有扰切换H→A：无扰切换M→H：有扰切换H→M：无扰切换6.手动操作电路及无扰切换保持无扰无扰图4-17全刻度指示电路7.测量及给定指示电路电路将以0V为基准的1～5VDC输入信号转换成以VB为基准的1～5mADC电流信号，用电流表加以指示。图3-20全刻度指示电路若R0＝1k，则Vi为1~5V时，I0即为1～5mA。因为：故得：如果忽略反馈支路电流If，则流过表头得电流为：7.测量及给定指示电路改进型调节器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。

抗积分饱和调节器微分先行PID调节器比例微分先行PID调节器非线性PID调节器4.3.2积分饱和问题图4.21

积分反馈型抗积分饱和调节器的组成

积分饱和现象4.3.2积分饱和问题（1）积分饱和及其带来的危害图

加热器出口水温控制系统图

温度比例积分控制系统积分饱和4.3.2积分饱和问题①限制PI调节器的输出uPI>设定限值时，uPI=umax结果：这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差②积分分离法e>设定限值时，改用纯P调节结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差③遇限削弱积分法uPI>设定限值时，只累加负偏差，反之亦然结果：可避免控制量长时间停留在饱和区（2）抗积分饱和措施4.3.2积分饱和问题调节过程：图4-19抗积分饱和调节器的调节过程

二、微分先行PID调节器调节器的传递函数：

图4-20微分先行PID调节器原理框图

三、比例微分先行PID调节器图4-21比例微分先行PID调节器的组成框图

调节器的传递函数：

四、非线线PID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

调节原理：图4-23非线性调节器的组成原理

4.3数字式调节器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。一、数字式调节器控制规律的实现

DDZⅢ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：1.完全微分PID算法位置型：增量型：速度型：偏差型：2.不完全微分PID算法

在完成微分PID的输出端串联一阶惯性环节，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不完全微分PID位置型算法：不完全微分PID增量型算法：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。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

，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：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：

4.数字式非线性控制对于数字式完全微分PID算法的增量算法：

式中，为逻辑系数

二、数字式调节器的组成图4-24数字式调节器的组成框图

包括微机单元、输入电路、输出电路和人机对话单元。三、专家自整定调节器图4-26专家自整定调节器原理框图四、虚拟调节仪表图4-27虚拟调节器原理框图

4.4.1概述作用：

接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。4.4执行器执行器安装在生产现场，直接与介质接触，常常在高压、高温等恶劣的状况下工作，因此，它是控制系统的薄弱环节。直接影响过程控制系统的质量。结构原理：执行机构调节机构调节器输出p0,I0推力、位移操纵变量流量分类：

根据使用能源不同，执行器可分为三大类：1）气动执行器：

以压缩空气为能源,输入信号为20~100KPa

优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等在过程控制中获得最广泛的应用。2）电动执行器：

以电为能源,输入信号为0~10mA·DC(DDZ-II型)或

4~20mA·DC(DDZ-III型)优点：能源取用方便、信号传输速度快、损失小、便于远传。缺点：结构复杂、价格贵、推力较小，只适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。3）液动执行器：

以高压液体为能源。推力最大，但安装、维护麻烦，目前使用不多。4.4.1概述4.4.2电动执行器

电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。最简单的电动执行器称为电磁阀。其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将调节阀的信号转变为阀的开度。

其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，即使用电动机等电的动力启闭调节阀。电动执行机构的构成框图伺服放大器伺服电动机减速器位置发生器+－调节阀4.4.3气动执行机构执行机构调节机构图4-1气动薄膜调节阀示意图1.结构：主要由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成。气动薄膜室阀体推杆阀杆阀位指示标牌3.气动执行机构作用形式：正作用：当来自控制器或阀门定位器的压力信号增加时，推杆向下移动时称正作用。反作用：当输入气压信号增加时，推杆向上移动时称反作用。2.作用：接受气动调节器或电气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作。（公式）有l0mm、16mm、25mm、40mm、60mm、l00mm等常见行程规格：4.4.3气动执行机构正作用执行机构反作用执行机构4.4.3气动执行机构4.4.4调节机构（控制阀体）1.作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。2.流量方程3.调节原理当口径A和差压（P1-P2）一定时，流量Q仅随阻尼系数的变化而变化。改变阀门的开度，可改变流通阻力而控制介质流量。P1P24.气动调节阀的结构与分类阀门的常见结构形式：直通单座阀直通双座阀角阀三通阀隔膜阀蝶阀球阀等4.4.4调节机构（控制阀体）正作用：当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减小，称为正作用。反作用：当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大，称为反作用。正体阀反体阀4.4.4调节机构（控制阀体）5.调节阀的正反作用6.调节阀的选择（1）调节阀的尺寸选择调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，选择其大小的主要依据是流通能力C。流通能力C定义：调节阀全开，阀前后压差为0.1MPa，流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量m3或kg。设流体是不可压缩的，则式中：α为流量系数；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；γ为流体重度；

Δp为调节阀前后压差,Δp=P1-P2；Q为流体的体积流量。4.4.4调节机构（控制阀体）有：可见，流通能力C表示了调节阀的结构参数。对于不同口径、不同结构形式的调节阀，其流通能力C也不同。根据调节所需的物料量Qmax、Qmin，流体重度

γ以及调节阀上的压降ΔP，可以求得最大流量、最小流量时的Cmax和Cmin值，再根据Cmax，在所选用产品型式的标准系列中，选取大于Cmax并最接近一级的C值，最后查出Dg和dg。P115例题！！取：6.调节阀的选择（1）调节阀的尺寸选择（2）调节阀气开、气关形式的选择气开式：即当气压信号P>0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；气关式：即气压信号P>0.02MPa时,阀由全开状态逐渐关闭。

（信号压力范围0.02~0.1MPa)由于执行机构有正、反两种作用形式，调节阀也有正装和反装两种形式。所以，实现气动调节阀的气开、气关时，有四种组合方式，如图4-35和表4-3所示。6.调节阀的选择调节阀气开、气关的选择原则：主要从工艺生产的安全和节约能源来考虑——当发生断电或其他事故引起信号压力中断时,调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员。例如：一般蒸汽加热器选用气开式，一旦气源中断，阀门处于全关状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。锅炉进水的调节阀则选用气关式，当气源中断时，仍有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。（3）单座阀和双座阀的选择：

大口径的阀一般选用双座阀；当阀的口径较小时，一般选用单座阀。（4）流量特性的选择调节阀的流量特性，指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即:式中，Q/Qmax为相对流量，即某一开度的流量与全开流量Qmax之比；

l/L为相对开度，即某一开度行程l与全行程L之比。

理想流量特性当调节阀前后压差（Δp=P1-P2）一定的情况下得到的流量特性，称之为理想流量特性，它仅取决于阀芯的形状。(它是一个调节阀固有的特性）6.调节阀的选择在目前常用的调节阀中，有三种（4种）典型的理想流量特性，即直线流量特性、快开流量特性和等百分比流量特性，其阀芯形状和相应的特性曲线如图4－36和图4－37中。图4-36阀芯形状图4-37调节阀理想流量特性6.调节阀的选择（4）流量特性的选择1）直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位阀芯位移变化所引起的流量变化是常数。积分得：由边界条件求得：直线流量特性数学表达式：定义式：l=0时，Q=Qmin；l=L时，Q=Qmax。边界条件：调节阀的可调比（4）流量特性的选择6.调节阀的选择特性分析：•直线阀的放大系数在任何一点都是相同的，但其对流量的控制力（即流量变化的相对值）在每一点却是不同的。•总结：直线阀在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。

不满足实际要求！例如：在直线特性中观察10％、50％、80％三点，在任一点上行程增大10％所引起的流量变化都是10％，但流量变化的相对值分别为：在10％行程处，流量变化的相对值=（20.7－13）／13=75％在50％行程处，流量变化的相对值=（61.3－51.7）／51.7=19％在80％行程处，流量变化的相对值=（90.3－80.6）／80.6=11％1）直线流量特性只要阀芯位移量相同，则流量变化也总是相同的，即单位行程变换所引起的流量变化是相等的。

在10%开度时：

在50%开度时：

在80%开度时：

相对流量的相对于当前值的相对变化量为：直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易产生振荡；大开度时，调节缓慢，不够及时。

对过程控制系统来说，要求在小负荷时控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一些，这需要由调节阀的流量特性来补偿。直线流量特性调节阀时不能满足这一要求的。表4-4调节阀的相对开度与相对流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3抛物线10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快开10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3对数10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直线10080706050403020100ba

a：l/L(%) b：q/qmax(%)2）等百分比（对数）流量特性等百分比流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成对数关系，即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。或者说单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。求得数学表达式：或：代入边界条件：

（4）流量特性的选择定义式：l=0时，Q=Qmin；l=L时，Q=Qmax。特性分析：•在不同的行程处，流量变化的相对值都是相等的百分数；•等百分比阀门在小开度时控制作用和在大开度时控制能力相等。例如：观察10％、50%、80％三点，行程增大10％所对应的控制力，则有：在10％行程处，流量变化的相对值＝(6.58％-4.67％)/4.67％≈40％在50％行程处，流量变化的相对值＝(25.6％-18.3％)/18.3％≈40％在80％行程处，流量变化的相对值＝(71.2