SS第十三章 调节控制单元

第十三章调节控制单元13.1常规控制规律13.1.1.典型控制系统13.1.2.基本控制规律比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)是调节器的基本控制规律。13.1.2.1.比例（P）控制规律具有比例控制规律的调节器其输出信号的变化量与偏差信号之间存在比例关系，用微分方程形式表示可为：13.1.2.2.积分（I）控制规律

具有积分控制规律的调节器其输出信号的变化量与偏差信号的积分成正比，用微分方程形式表示可为：13.1.2.3.微分（D）控制规律

具有微分控制规律的调节器其铃出信号的变化量与偏差信号的变化速度成正比，用微分方程形式表示可为：13.1.3.常规控制规律

将比例、积分和微分三种基本控制规律进行适当的组合，即可构成多种工业适用的常规控制规律，包括比例积分(PI)、比例微分(PD)和比例积分微分(PID)控制规律。13.1.3.1.微分方程表示法比例积分（PI）控制规律比例微分（PD）控制规律理想比例积分微分（PID）控制规律13.1.3.2.传递函数表示法13.1.3.3.图示法13.1.3.4.频率特性表示法比例积分（PI）控制规律比例微分（PD）控制规律理想比例积分微分（PID）控制规律13.1.4.实用PID控制规律的构成13.1.4.1.由反馈回路PID环节构成的PID运算电路运算电路的传递函数可表示为：当K足够大时13.1.4.2.由PD和PI串联构成的PID运算电路在这种方式中，参数的相互干扰小。但由于电路串联的各级误差会被积累和放大，对各部分电路的精度要求较高。它们通常由集成运算放大器及RC电路组成，如

DDZ—皿型调节器的

PID控制规律运算电路。13.1.4.3.由P、I和D并联构成的PID运算电路由于三个运算电路相并联，避免了级间误差累积的放大，有利于保证整机的精度，并可消除了T1和TD变化对整机实际整定参数的影响。但是，Kp的变化仍然会对实际积分时间和微分时间产生干扰。13.1.4.4.由P、I和D串并联混合构成的PID运算电路

为消除KP、TI和TD之间的相互干扰，可采用P、I和D串并联混合的电路如图13—10所示，构成实用的PID运算电路。这种构成方式不仅可以避免级间的误差累积，也可消除调节器整定参数间的相互干扰。实际应用过程中的PID

控制规律运算电路的表达式采用传递函数表达式可表示为：13.2.调节器控制规律的实现13.2.1.DDZ—Ⅱ型调节器PID控制规律的实现调节运算电路动态响应曲线分析等效电路图

用传递函数方式表示图13—12所示运算电路的控制规律，则由无源电路形成的反馈回路的传递函数为：13.2.2.DDZ—Ⅲ型调节器PID控制规律的实现13.2.2.1.比例微分电路即一般形式的比例微分电路传递函数为：13.2.2.2.比例积分电路比例积分电路传递函数为：规定积分时间为TI=mRICI,则上式简化为：13.2.2.3.PID控制规律传递函数

如前所述，由于Ⅲ型调节器的PID控制规律是由PD环节和PI环节串联而成．因而PID控制规律的传递函数应是两者的乘积，即由以上分析可知，Ⅲ型调节器与Ⅱ型调节器相比有如下特点：

(1)相互干扰系数小

(2)可以用较小的RC获得较大的TD和TI(3)积分增益高，调节精度高。因为积分增益是有限的，所以PID调节器积分作用终了时的静态误差可表示为：13.2.3.数字式调节器控制规律的实现

同数字式调节器可采用理想的PID调节算法，也可采用实际的PID调节算法，在此分别称为完全微分型和不完全微分型。对每种算法都有位置型、增量型、速度型和偏差系数型4种实现形式。13.2.3.1.完全微分型算法(1)位置型算式式(13—59)即是位置型算式的具体形式。(2)增量型算式增量型PID算式的核心是在前一采样周期输出值的基础上，计算本采样周期的增量。(3)速度型算式将调节器的增量值除以采样间隔时间T，即可得调节器输出饱和速度为；(4)偏差系数型算式将式(13—61)展开并合并同类项可得如下算式：13.2.3.2.不完全微分型算法

考虑下式所示的实际PID控制规律连续算式：则经离散化后的不完全微分型PID算式为：13.3常规调节器基本电路分析13.3.1DDZ—Ⅱ型调节器基本电路分析13.3.2.DDZ—Ⅲ型调节器基本电路分析

图13—22基型调节器基本电路结构图13.3.3.数字式调节器基本电路分析图13—23基型调节器输出电路示意图

从数字式调节器出现以来，目前国内外已有不同种类的调节器产品，且其种类繁多。但无论是哪种调节器，其设计思想都大同小异，基本类似。这些设计思想包括以下几种。

(1)具有与常规模拟式调节器同样的外特性

(2)保持常规模拟式调节器的操作方式

(3)功能价格比较高

(4)功能的模块化

(5)具有自诊断的异常报警功能

(6)提供通讯功能13.4.可编程序调节器13.4.1.可编程序调节器的工作原理可编程序调节器就是在控制程序固定的数字式调节器的基础上，将原有的控制程序模块化，然后将这些模块的连接顺序留给用户来定义，并依靠事先定义好的可看作是数据接口的各种寄存器，将用户编制的用户程序组态在一起，从而可以根据实际过程控制的需要，由用户自行设计控制规律并加以实现。13.4.2.程序控制规律的构成和实现每个模块在组态过程中都要求使用一定的代码来描述模块间的组态关系。一般地用于可编程序调节器的代码分两类，一类是数字式的代码，其形式接近机器语言，便于计算机组织和维护，但难以表示其应用含义；另一类是类似助记符号的英文字符串或其他符号，其形式接近汇编语言，有一定的可视性．有助于用户理解。程序控制规律的实现是由控制语句完成的。13.5.先进调节器浅析13.5.1.增强型PID控制规律分析对具有两个以上干扰源及较大惯性滞后时间常数的被控对象来说，当用简单的单回路控制系统难以达到较好的控制效果时，可采用串级控制策略与前馈加反馈控制策略。图13-28前馈加反馈控制系统原理图13.5.2.改进型PID控制算法13.5.2.1.微分先行PID控制其传递函数可表示为：13.5.2.2.比例微分先行PID控制比例微分先行PID控制的传递函数可表示为：13.5.2.3.非线性PID控制

最简单的分段PID控制就是积分分离PID控制，即在比例和微分不变的前提下，分段启动积分作用，以达到抗积分饱和的作用。其基本工作原理是在偏差较小时加入积分作用．而当偏差较大时则取消积分作用。该方法实际上是通过减轻积分累计的饱和程度来达到抗积分饱和的作用的，其作用的动态特性曲线如图13—31所示。因而调节器在理想PID控制规律状态下输出的增量表达式为：在实际应用中也存在与上述要求相反的情况，13.5.3.虚拟调节仪表发展趋势与单元组合式调节器一样，虚拟调节仪表也需要提供输入输出通道，而且输入输出信号均采用标准制式，具有标准接口。由于调节仪表完全由个人计算机