调节单元课件

第四章调节单元调节器（控制器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。控制器使用是否得当，直接影响控制质量。调节器（控制器）特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。

PID控制：是上世纪40年代以前除开关控制外的唯一控制方式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控制方式。调节器（控制器）的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。控制规律的表示形式

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；

控制律：1、比例调节器

上式中调节器的输出u实际上是对其起始值u0的增量。即：当偏差e=0,u=0时，并不意味调节器输出为零，而是u=u0，u0的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。注意：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。

2、比例积分调节器控制律：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。

影响：积分控制作用有利于消除余差，但降低了系统的稳定性，特别是当TI比较小时，稳定性下降更为严重。

在调节器参数整定时，如欲得到与纯比例作用相同的稳定性，当引入积分作用后，应适当减小，以补偿积分作用造成的稳定性下降。3、比例微分调节器控制律：很大当e为常值时，微分不起作用，调节器等同于比例调节器当e变化时，调节器作用如右图影响：微分是按偏差的变化而作用的，它能够提高系统的稳定性，抑制振荡、抑制超调，且偏差变化越快，微分校正作用越强。微分作用不适用于扰动大而频繁的系统！4、比例积分微分调节器控制律：

PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、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。调节器控制规律的选择1）选择依据：被控过程的特性（容量大小、延迟时间、负荷变化、主要扰动等）；对系统控制质量的要求。对象特点性能要求调节器类型广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大。工艺要求不高比例（P）同上不允许有余差比例积分调（PI）广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大。允许有余差比例微分（PD）不允许有余差比例积分微分（PID）广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大，负荷变化也很大。复杂控制方式2）基本原则：选择比例或比例积分控制；选择比例积分或比例积分微分控制；单回路控制已经不能满足控制要求，应采用串级、前馈等复杂控制方式。调节器（控制器）分类按能源形式可分1）电动调节器2）气动调节器按信号类型可以分为1）模拟式调节器2）数字式调节器1）基地式调节器2）单元组合调节器3）组装式调节器按结构形式可分为1.DDZ-Ⅲ型仪表的特点（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。

优点：：

电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。本信号制的电流-电压转换电阻为250Ω。由于联络信号为1～5VDC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。（2）广泛采用线性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。优点：

由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型品种：全刻度指示控制器偏差指示控制器全刻度指示调节器的原理方框图：调节器结构组成：控制单元、指示单元。控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。调节器的信号：输入信号、内设定信号：1～5V直流电压；外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压）调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。“自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为4～20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

“软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持’’(即它的输出保持切换前瞬间的数值)状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制“硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。

调节器的“正”、“反”作用：正偏差-----调节器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e＝y－r），在测量值大于设定值时。负偏差-----测量值小于设定值。“正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。若是负偏差，情况相反。“反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，情况相反。4.1.1输入电路作用：1）将测量信号Vi和设定信号Vs相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。）2）是电平移动，将以零伏为基准的Vi和Vs转换成以电平VB（10V）为基准的输出信号VO1。VBIC1R1R6－+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT电路图：电路分析：输入电路的传递函数

4.1.2比例微分电路作用：接收以10V电平为基准的偏差信号VO1，进行比例微分运算，其输出电压信号VO2送给比例积分电路。RP1aR1RD断CDV02KIC21KΩ9.1KΩ通+－V01VBVBRP1aV02IC2+－VTRDCD1KΩ9.1KΩV01VB无源比例微分网络比例电路

微分电路构成比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。电路如图所示。将PD电路分为无源比例微分网络图和比例运算电路图两部分单独进行分析。充电结束时，9.1KΩ电阻上的电压全部加到电容CD上，此时VCD（∞）=9.1VO1/10.1

并保持该值不变。比例微分电路的输出信号VO２与VT成简单的比例放大关系，因为比例系数为α，所以有VO２＝αVO1电路图：电路分析：比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。比例微分电路的传递函数：4.1.3比例积分电路作用：接收以10V为基准的PD电路的输出信号VO2，进行PI运算后，输出以10V为基准的l～5V电压VO3，送至输出电路。VB24VV02自CI×1K1－+IC3DWBG12.4KD3.9K软硬硬软自K2×109.1KRI1KV03自CMK1D3.9K软硬硬软自K2自K3K1D3.9K软硬硬软自K2电路图：CMV03V02CI－+IC3RIPI电路的等效电路电路分析：4.1.4整机PID电路传递函数调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。4.1.5输出电路作用：将PID电路输出以VB的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，它实际上是一个具有电平移动的电压—电流转换器。电路图：4.1.6手动操作电路手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。电路图：软手动操作：调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系。

硬手动操作：调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系。DDZ-III型调节器的自动、软、硬手动的切换过程可总结为：

1）自动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换。

2）软手动切换到硬手动，需平衡后切换才能做到无扰动切换。

3）硬手动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换。

4）软手动切换到自动，无需平衡即可做到无扰动切换。4.1.7指示电路输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。电路图：4.2改进型调节器输入信号极性发生变化时，输出信号不能及时跟着变化，造成调节不及时4.2.1抗积分饱和调节器

针对积分饱和状态，设计抗积分饱和调节器。4.2.2微分先行PID调节器

改进原因：当给定信号变化时，偏差会出现瞬间的突变，经微分作用后调节器的输出很大，使系统的震荡加剧。

改进方法：微分环节仅对测量值起作用，偏差经PI运算后，在输出端与微分输出端求和输出。4.2.3比例微分先行PID调节器

改进原因：设定值的突变存在比例突变问题。

改进方法：比例环节与微分环节和并，组成比例微分先行PID调节器。4.2.4非线性PID调节器

分段PID调节器

带不灵敏区的PID调节器模拟式调节器的局限性：

1）功能单一，灵活性差。

2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便。

3）接线过多，系统维护难度大。4.3数字调节器模拟PID调节器：用硬件实现PID调节规律数字PID调节器：用数字计算机实现PID调节规律数字调节器的优点：

用软件来实现PID控制算法非常简单；进行逻辑运算或算法改进非常灵活；运行可靠，运算精度高。一、数字PID调节器

PID调节器的传递函数为：其微分方程为：用数值逼近的方法实现PID控制规律

数值逼近的方法：用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。

1、位置式PID控制算法对上式进行离散化处理，得：比例系数积分时间常数采样时间微分时间常数积分系数微分系数位置型控制算法提供执行机构的位置，比如阀门的开度，需要累计。

在控制过程中虽然可以对进行限幅，但可能很大，容易产生积分饱和现象。2、增量式PID控制算法增量型控制算法提供执行机构的增量△u(k)，比如步进电机的步数。与位置式PID算法相比，增量式算法有如下优点：⑴增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。⑵增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大。增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。

目前许多控制系统采用步进电机去控制执行机构：数字机步进电机3、速度PID算法采样周期主要用于控制步进电动机等单元构成的系统4、偏差系数型PID算法二、PID算法的改进1、积分算法的改进（1）积分分离PID算法（PD-PID选择算法）改进原因：当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，存在较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间的波动。基本思路：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以消除积分作用导致的稳定性降低，超调量加大；当被控量接近给定值时，投入积分作用，以消除静差，提高控制精度。

改进方法：

当|e(k)|>β时，采用PD控制；

当|e(k)|<β时，采用PID控制。

积分分离阈值β的确定：β过大，达不到积分分离的目的；β过小，则一旦控制量y(t)无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。算式为：位置式：增量式：其中：（2）过限削弱积分法积分饱和现象：

当系统存在一个方向的偏差，PID调节器的输出由于积分作用的不断积累而加大，从而导致执行机构达到极限位置（如阀门开度达到最大），若调节器输出继续增大，阀门开度不可能再增大。此时计算机输出控制量超出了正常运行范围进入了饱和区。

当系统出现反向偏差，逐渐从饱和区退出，进入饱和愈深，则退出饱和区所需时间愈长。

在这段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差反向立即作出相应的改变，这时系统好象失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象，或称积分失控现象。过限削弱积分法：采用增量式PID算法时的算法流程如下：反向积分饱和（3）积分项采用梯形积分离散化

在离散