过程控制装置

第4章过程控制装置4.3调节器

调节器：又称控制器，是控制系统的心脏。它是将参数测量值Z（变送器输出）和规定的参数值(给定值X)相比较后，得出被调量的偏差e，再根据一定的调节规律产生输出信号u，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。调节器发展三阶段：基地式控制仪表(液位控制），单元组合式仪表中的控制单元（如DDZ型）和以微处理器为基元的控制装置（单回路数字控制器、PLC和微计算机系统等）。按照调节仪表测量值和输出信号的关系，调节器可以分为正作用调节器和反作用调节器两类：假如被调参数的测量值增加时，调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器；测量值增加时输出信号减小，则称为反作用调节器。正作用：变送器输出Z↑→调节器输出u↑;被调量偏差e↑=Z-X→u↑;给定值X↑→u↓反作用：Z↑→u↓;e↑=Z-X→u↓;X↑→u↑按照调节规律的不同分比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器和三作用调节器。按照仪表所用能源，调节器可以分为两类。①直接作用调节器(自力式调节器)这种调节器不用外加能源，利用被调介质本身能源工作。这种调节器多用于调压、稳流等要求不很严的就地调节系统。结构简单，价格低廉。②间接作用调节器这种调节器利用外加能源，按照外加能源的不同，有电动调节器、气动调节器及液动调节器。在化工生产中以电动及气动应用得多。具有性能稳定、便于远距离传送等特点。1、调节器的调节规律

调节规律是把调节器和系统断开后，调节器的输出信号u与输入信号e间随时间变化的规律。通常研究阶跃信号的输出信号变化规律。

调节器的基本调节规律有位式调节（其中以双位调节比较常用）、比例调节（P）、积分调节（l）、微分调节（D）及其组合形式，如比例积分调节（PI）、比例微分调节（PD）和比例积分微分调节（PID）。1.1位式调节规律理想的双位调节规律的数学表达式为：图2-16理想双位调节规律1.2比例调节规律（P）

（1）比例放大倍数(K)

比例关系：比例调节器的输出变化量Δu(t)与输入信号e(t)成比例关系

式中KP称为比例增益或比例放大倍数.

比例调节规律的输出特性(图2-20)

特点：优点具有控制及时、克服偏差有力。缺点是调节结果有余差。（2）比例度

工业上调节器常常采用比例度来表示比例作用的强弱。比例度是指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。对于单元组合式仪表，输入输出信号都是统一标准信号的调节器，比例度与比例放大倍数互为倒数关系，即调节器的比例度越小，则比例放大倍数越大，比例控制作用越强。P控制（比例控制）比例控制器的时域关系：

u(t)=KPε(t)传递函数为：比例控制器实质上是一种增益可调的放大器;比例控制器对系统性能的影响：

Kp>1时1）开环增益加大，稳态误差减小。即改善了系统的稳态性能2）幅值穿越频率ωc增大，过渡过程时间ts缩短。即改善了系统的快速性3）稳定裕量减小甚至可能为负值。即系统稳定性变差Kp>1时1、开环增益加大，稳态误差减小。即改善了系统的稳态性能2、幅值穿越频率ωc增大，过渡过程时间ts缩短。即改善了系统的快速性3、稳定裕量减小甚至可能为负值。即系统稳定性变差Kp<1时，对系统性能的影响相反1.3比例积分调节规律积分控制的作用：力图消除余差。积分时间的理解：积分时间表征积分作用的强弱，TI越小，积分速率越大，积分作用越强。其大小为在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。积分时间对过渡过程的影响在PI控制系统中，积分时间对过渡过程有双重影响，一方面积分作用的引入消除了系统的余差，而另一方面却降低了系统的其他品质指标。Kp=1时，频率特性、对数幅频特性和对数相频特性为：PI控制作用为：传递函数为：PI控制的Bode图描述：Kp=1时1、系统由0型提高到Ⅰ型，系统的稳态误差减小或消除，改善了稳态性能2、系统的相位裕量有所减小，稳定程度变差3、快速性略有提高（wc增大，ts减小）4、抗干扰能力不变。1.4比例微分调节规律(PD)

理想数学表达式为实际采用的PD调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，其数学表达式如下式中，KD为微分增益。微分控制的作用：力图阻止被控变量的变化，适当微分，有抑制振荡的效果。但是微分过强，反而不利系统稳定。适用场合：适用时间常数较大或容量滞后较大的被控对象。微分时间对过渡过程的影响在比例微分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，微分时间对过渡过程的影响如图所示。微分时间TD太小，对系统的品质指标影响甚微，如图中的曲线1，随着微分时间的增加，微分作用增强；当TD适当时，控制系统的品质指标将得到全面的改善，如图中的曲线2；但若微分作用太强，反而会引起系统振荡，如图中的曲线3。可见，微分作用的强弱用微分时间来衡量，对于控制系统TD要适当。1.5比例积分微分调节规律(PID)

理想PID数学表达式为工业上实际PID调节器（DDZ）传递函数表达式为：式中带*的量为调节器参数实际值，不带*的值为参数的刻度值。工业PID调节器的阶跃响应曲线如图●PID控制作用对过渡过程的影响P作用是基本控制作用；I作用能消除系统余差；D作用能改善系统的稳定性；从输出特性曲线看，在过渡过程的前期，PD起主要作用，能抑制系统振荡；过程后期，PI起主要作用，用于消除系统的余差。1.6调节规律的选取控制规律的选取可参考如下几点。◆简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应选用复杂控制系统。◆在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例（P）调节规律。◆当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分（PI）调节规律。◆当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。若工艺允许有余差，可选取比例微分（PD）调节规律；如工艺要求无余差时，则选用比例积分微分（PID）调节规律，如温度、成分、pH等参数的控制。2、调节器调节规律的实现方法从调节规律讲，PID是模拟调节器中最完善的调节器。PID实际上是一个运算装置，实现对输入信号的比例、积分、微分等各种运算功能。能实现这些计算的方法很多，在电动调节器中，大多采用运算放大器与阻容（RC）电路相结合的方法实现。用不同的RC电路和运算放大器进行组合，可以得到各种运算规律的电路。调节规律实现基本原理：下图是构成各种调节规律的方框图。用传递函数表示当放大器增益K趋于无穷时，则：

只要K足够大，调节器的传递函数即为反馈回路传递函数Wf(s)的倒数，这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算功能上是相反的。既反馈电路衰减多少倍，闭环放大器就放大多少倍；反馈是微分，则闭环必是积分作用。这就是利用负反馈回路实现各种调节规律的基本原理。

教材148页表4-3和表4-4给出了无源RC电路、基本运算电路结构与运算规律。3、气动调节器模拟调节器一般有气动调节器和电动调节器。其作用是将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对偏差进行比例、积分、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。气动单元组合仪表QDZ中的控制单元为气动调节器，它的输入、输出信号均采用20～100kPa的标准气压信号。目前使用的气动调节器，其工作原理主要有力平衡和力矩平衡两种。气动调节器线路比较简单、直观，操作容易、价格便宜，而且由于它使用压缩空气作为气源，是天然防爆仪表，因此广泛应用于石油、化工等生产过程的控制和防爆要求高的场合。浮动板式比例积分（PI）调节器简介：浮动板式比例积分（PI）调节器（1）浮动板式比例积分调节器结构原理示意图：（2）调节器输入：Pm；调节器输出：P0；（3）工作原理：调节器的四个波纹管分别引入测量、给定、正反馈和负反馈四个压力信号，四者有效面积和刚度相同，且均布在同一个圆周上。当波纹管引入的压力信号不等时，浮动板就绕比例杆发生倾斜现象，导致浮动板与压板上的喷嘴的距离发生变化，造成喷嘴被压发生变化，其输出压力信号经功率放大器放大后，作为调节器输出信号、负反馈信号（产生比例作用）和正反馈信号（产生积分作用）。（4）浮动板的作用浮动板是重要部件，起比较作用和挡板的作用。比较作用

波纹管感受的压力在浮动板上形成力矩，并相互比较。Mm=Pm.A.b1—F测量波纹管Ms=Ps.A.b3－G给定波纹管ME=P0.A.a2－E负反馈波纹管，输出信号MH=PH.A.a4－H正反馈波纹管，积分信号根据力矩平衡原理，在调节器处于稳态时，∑M＝0挡板作用

浮动板本身兼挡板的作用。它与压板上的喷嘴距离发生变化时，喷嘴被压随之变化，经功率放大器放大后输出。（5）比例杆及比例作用比例杆的作用是改变四个波纹管的作用力臂，是改变比例范围的一种机械方式。比例作用实现分析

在PI调节器中，比例作用是这样实现的。关死积分阀10，这时正反馈波纹管H内的压力不再变化，为一常数。由力矩平衡原理可得：MF+MH=MG＋

MEPs.A.b＋P0.A.a＝Pm.A.b＋PH.A.a当测量值从Pm变化到Pm＋ΔPm时，由于Ps和PH不变，为保持力矩平衡，输出信号必然变为P0＋ΔP0。故新力矩平衡为：Ps.A.b＋(P0＋ΔP0).A.a＝(Pm＋ΔPm).A.b＋PH.A.a化简得到比例度：

δ＝ΔPm/ΔP0×100%=a/b×100%=tgθ×100%该PI调节器整机传递函数方框图如下：4、电动调节器

模拟式电动调节器传送连续的模拟信号，主要由输入、计算和输出电路组成。此外，还可附带指示电路、手动操作和输出限幅电路。其框图如下：目前广泛应用DDZ—Ⅲ型电动调节仪表。DDZ—Ⅲ型仪表则采用24VDC集中供电，现场传输信号4-20mADC，控制室联络信号为1-5VDC，转换电阻250欧姆，二线制接法。信号传输采用电流传送-电压接收的并联制方式，仪表可有公共接地点。Ⅲ型仪表采用线性集成电路作为线路中的核心组件，采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。性能优于Ⅱ型。

DDZ-Ⅲ型调节器分类：按功能不同分成基型调节器（包括全刻度指示和偏差指示调节器两个品种）和特殊调节器两类。DTZ-2l00型全刻度指示调节器是最基本的一种调节器，它除了具有PID运算功能外，还具有被调参数的显示、给定值的显示及阀门位置的显示功能。DTZ-2100全刻度指示调节器工作原理见下图，调节器由指示单元和控制单元组成。指示单元包括测量和给定指示电路，分别与指示表一起对测量信号和给定信号进行连续指示。控制单元由输入电路、运算电路（内给定电路、比例微分、比例积分、硬手操电路、软手操电路）和输出电路等构成。调节器有三种主要工作状态，由切换开关进行选择。（1）“自动”状态由变送器来的1～5VDC输入电压信号与给定值信号相比较得到偏差信号，经过输入回路进行电平移位，然后由“PD回路”和“PI回路”组成的PID运算回路进行运算，再由输出回路转换成4～20mA，DC信号输出，送到执行器进行自动调节。（2）软手动操作软手操(手动1)回路直接改变调节器的输出信号实现手动操作。在进行软手操时，输出电流以某种速度进行变化。一停止手操，输出就停止变化。（3）硬手动操作硬手操(手动2)回路也可以直接改变调节器的输出信号实现手动操作。在进行硬手操时，输出值大小与硬手操操作杆的位置有对应关系。调节器的正反作用：

调节器设有正、反作用切换开关。在控制系统中，模拟调节器的正、反作用不能随意选择，要根据工艺要求及执行器的特性来决定，确保控制系统为负反馈。例如在图4-3中，假设进料调节阀为气开阀（信号增大，阀位增大），当液位升高时，应减小调节阀阀位，即减小凋节器LC的输出，说明此时的调节器LC应设置为反作用；如果进料调节阀为气关阀（信号增大阀位减小），则调节器LC应设置为正作用。

5、调节器及其调节规律的选择控制器也称调节器，是控制系统的心脏。它的作用是将测量变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按一定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。PID控制器是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。也是计算机控制系统中首先采用的控制算式。控制器选择时，不仅要确定控制器的控制规律，而且要确定控制器的正、反作用。（A）控制规律：选择哪种控制规律是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。（B）控制器的正、反作用的确定：作用方向：就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。在控制系统中，被控对象、测量元件、控制器及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用，反而破坏生产过程的稳定。所以，在系统投运前必须注意各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。

测量元件及变送器：其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量增加，所以在考虑控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向；执行器：它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀（注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”和“反作用”混淆）。当控制器输出信号（即执行器的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，流过阀的流体