过程控制制仪表-

过程控制仪表1教学目标：1.掌握过程控制基本控制规律比例控制，比例积分控制，PID控制各自的特点以及性能的优缺点。2.了解PID控制三个控制参数的设置方法。3.了解常见的模拟式仪表控制器的结构和工作原理。26.1基本控制规律及特点控制器的控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。偏差表达式：或

控制器的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

e

，它是设定值信号

r

与测量信号

x之差。36.1基本控制规律及特点控制规律有断续控制和连续控制两类：1.断续控制——控制器输出接点信号双位控制2.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）。46.1基本控制规律及特点3.1.1双位控制图3-1

理想的双位控制特性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。理想双位控制器的输出y与输入偏差e之间的关系：（3-1）

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。56.1基本控制规律及特点3.1.1双位控制双位控制实例图3-2

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。66.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）控制器输出y

(t)和偏差信号e

(t)成比例关系。＋－Pye被控变量测量值x被控变量给定值rK

p—比例增益

76.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）图3-3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）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。•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，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。测量原理：（3-2）86.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）图3-3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）（3-2）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：（3-3）K

p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。K

p越大，比例控制作用越强。

96.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）（3-3）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：（3-4）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。106.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）（3-4）比例度P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。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P是放大倍数的倒数。即：

116.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）（3-4）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，控制器的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），而偏差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。126.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）总结比例控制：控制器的比例度P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P实现。比例控制的优点：是控制及时，反应灵敏，偏差越大、控制力度越大。缺点：控制结果存在余差。136.1基本控制规律及特点6.1.2比例控制（P）图3-3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）146.1基本控制规律及特点

原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。

t=0时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。

156.1基本控制规律及特点

如果e=0，则活塞无法提高，Q1无法加大，调节无法进行。比例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。166.1基本控制规律及特点6.1.3比例积分控制（PI）图3-5积分控制的阶跃响应积分控制作用的输出变化量y是输入偏差e的积分。（3-5）积分时间常数当输入偏差是幅值为E的阶跃信号时，（3-5）式为：积分控制优点：可以到达无余差。积分控制的缺点：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。176.1基本控制规律及特点6.1.3比例积分控制（PI）比例积分控制规律：

（3-6）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P和积分时间两个参数均可调整。若偏差是幅值为E的阶跃干扰186.1基本控制规律及特点6.1.3比例积分控制（PI）比例积分控制规律：

（3-6）积分时间越小，积分作用越强；积分时间越大，积分作用越弱。当积分时间为无穷大，积分作用消失，为纯比例控制器。196.1基本控制规律及特点6.1.4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：（3-7）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。206.1基本控制规律及特点图3-6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，称为实际微分。图3-7实际微分的阶跃响应216.1基本控制规律及特点6.1.4比例微分控制（PD）微分的特点：是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。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，即控制作用为零。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。226.1基本控制规律及特点6.1.4比例微分控制（PD）

（3-8）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。eAttyty236.1基本控制规律及特点6.1.5比例积分微分控制（PID）图3-8PID的阶跃响应比例积分微分控制规律为：（3-8）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。246.1基本控制规律及特点

PID控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。etty256.2模拟式控制器

模拟式控制器用模拟电路实现控制功能的仪表。其发展经历了Ⅰ型（用电子管）、Ⅱ型（用晶体管）和Ⅲ型（用集成电路）。266.2模拟式控制器6.2.1DDZ-III型仪表的特点1）使用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。

2）采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性高、维修工作量小。

3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。二线制：

24VDC电源和4~20mA输出信号共用二根导线，互相不影响。276.2模拟式控制器6.2.2DDZ-III型控制器的组成与操作图3-9全刻度指示调节器面板1.自动/软手操/硬手操切换键2.输入指示器(红黑双针)3.内给定设定轮4.硬手操杆5.输出指针6.软手操杆7.外给定指示灯8.阀门调节区域记忆针9.输出指示器10.仪表标牌11、12.手操器插孔286.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-11DDZ-III型调节器结构框图工作原理：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。296.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-11DDZ-III型PID调节器的原理电路S1：工作状态转换开关S3：积分换档开关S4：标定指示与测量指示开关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306.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例6.2.输入电路输入电路的任务：（1）是实现测量信号与给定信号的相减，得到偏差信号电压。（2）在输入电路中进行电平移动，把偏差电压的电平抬高到以+10V为起点变化的电压。由叠加原理可写出放大器同相及反相输入端电压V+、V-表达式：（3-11）（3-10）I1I'2I'3I'1I2I3反相端:同相端:316.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例6.2.3.1输入电路设A1为理想放大器，则有：V+＝V-，由上两式可得：（3-11）（3-10）（3-12）公共地线干扰电压I1I'2I'3I'1I2I3326.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例6.2.3.1输入电路（3-12）1）输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的偏差信号；2）输出电压Vo1与公共地线上的压降Vcm1、Vcm2无关。3）输入电路接受两个以0V为起点的测量和给定信号，而输出以VB=10V为起点的偏差电压，实现了电平移动的要求。I1I'2I'3I'1I2I333电平移动

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。

34因为Vs=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

则显然，IC不能正常放大。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-35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

使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。＋－366.2模拟式控制器6.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-13PID运算电路6.2.3.2PID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。

373.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路1.PD电路分析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。S8－通：引入微分S8－断：无微分作用IDPD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。383.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路1.PD电路分析求PD电路的传递函数：若令：（3-13）ID393.2模拟式控制器1.PD电路分析（3-13）当Vo1为阶跃信号时，Vo2的时域响应为：实际微分因子

可见，此电路的微分是实际的微分。

40

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。413.2模拟式控制器2.PI电路分析（PI电路以A3为核心组成）由于10μF电容积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。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倍（m≈10）。（S3为积分时间的换挡开关）423.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路2.PI电路分析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：（3-14）433.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路2.PI电路分析（3-14）当Vo2为阶跃信号时，Vo3的时域响应为：443.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路3.PID运算电路的传递函数（3-14）（3-13）（3-12）PPDPIViV01VsV02V03453.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路3.PID运算电路的传递函数（3-14）（3-13）（3-12）合并三式，得PID运算电路的传递函数为：令：干扰系数比例度微分增益（3-15）463.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2PID运算电路3.PID运算电路的传递函数干扰系数比例度微分增益（3-15）令：实际比例度实际积分时间实际微分时间忽略微分惯性项：实际的整定参数与刻度值（F=1时）之间的关系：成为理想的PID473.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3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。481.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。3.2.3.3输出电路3.2模拟式控制器电路的特点：493.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3输出电路PI电路输出（1~5V）（4~20mA

）输出电流信号

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：由图：503.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3输出电路PI电路输出（1~5V）（4~20mA

）输出电流信号

由图：对比两式：如果忽略电流If和电流IB，由：得：（3-16）取Rf＝62.5，则当Vo3＝1～5V时，输出电流I0＝4～20mA。

513.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4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。523.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4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）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53M→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。543.2模拟式控制器1.A、M间的切换（S1：自动→软手动状态）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”。553.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-19硬手动操作电路3.2.3.4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）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。56

传递函数惯性时间常数

T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3sRF=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。573.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4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。2.A、H间的切换（自动→硬手动状态）583.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4手动操作电路及无扰切换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。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。593.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4手动操作电路及无扰切换DDZ-III型PID调节器的切换特性：自动（A）软手动（M）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603.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-20全刻度指示电路3.2.3.5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。613.2模拟式控制器3.2.3全刻度指示调节器的线路实例图3-20全刻度指示电路3.2.3.5测量及给定指示电路若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：62DDZ-Ⅲ型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。633.3数字式PID式控制器数字式调节器的特点：数字式控制器式以微处理器微基础的多功能控制仪表；可接受多路模拟量及开关量输入信号；能实现复杂的运算控制；具有通信及故障诊断功能。数字PID控制器通过编程来设计PID调节功能的，又称可编程PID调节器，或可编程调节器。643.3数字式PID式控制器3.3.1SLPC单回路可编程调节器的电路原理模拟量输入开关量输入输出端通信接口模拟电压输出端电流输出端监视定时器故障报警高频变压器653.3数字式PID式控制器3.3.2SLPC的数字控制算