1、1第第3 3章章 調節器調節器 基本控制規律基本控制規律 模擬式調節器概述模擬式調節器概述 數字式控制器數字式控制器 23-1 基本控制規律基本控制規律位式控制位式控制比例控制規律（比例控制規律（P）積分及比例積分控制規律（積分及比例積分控制規律（PI）微分及比例微分控制規律（微分及比例微分控制規律（PD）比例積分微分控制規律（比例積分微分控制規律（PID）3何為控制器的控制規律何為控制器的控制規律 e(te(t) )偏差偏差r(tr(t) )給定值給定值(SP) (SP) z(tz(t) )測量值測量值(PV)(PV)控制器的控制規律控制器的控制規律 就是控制就是控制器的輸出信號隨輸入信號器

2、的輸出信號隨輸入信號( (偏偏差差) )變化的規律。這個規律常變化的規律。這個規律常常稱為控制器的特性。常稱為控制器的特性。4 輸入是被控變量與給定值之差即偏差輸入是被控變量與給定值之差即偏差e(te(t) )， 輸出是輸出信號的變化量輸出是輸出信號的變化量y y。 e(te(t) )0 0稱正偏差稱正偏差, , e(te(t) )0 0稱負偏差稱負偏差 e(te(t) )0 0相應的相應的y y0, 0, 稱為正作用控制器稱為正作用控制器 e(te(t) )0 0相應的相應的y y0, 0, 稱為反作用控制器稱為反作用控制器 控制器的正反作用控制器的正反作用5 對于某些工業過程，其過程參量今

3、要求維對于某些工業過程，其過程參量今要求維持在一定的范圍內，而不要求作精確控制。持在一定的范圍內，而不要求作精確控制。這時就可采用比較簡單的開關式控制方法。這時就可采用比較簡單的開關式控制方法。這種控制系統中的執行器只能作開關兩位這種控制系統中的執行器只能作開關兩位式動作，因此，也位式控制。式動作，因此，也位式控制。61、雙位控制、雙位控制 雙位控制是位式控制的最簡單形式。雙位控制是位式控制的最簡單形式。 雙位控制的規律是：當測量值大于給定值時，控雙位控制的規律是：當測量值大于給定值時，控制器的輸出最大（或最小）；當測量值小于給定制器的輸出最大（或最小）；當測量值小于給定值時，則控制器的輸出最

4、小（或最大）。其偏差值時，則控制器的輸出最小（或最大）。其偏差e與輸出與輸出u間的關系為：間的關系為：minmaxuu 00euu0e0 時，或時，或當ee見圖2172、具有中間區域的雙位控制、具有中間區域的雙位控制 帶中間區域的雙位控制規帶中間區域的雙位控制規律是：律是： 當被控變量上升時，必須當被控變量上升時，必須在測量值高于給定值某一在測量值高于給定值某一數值后，閥門才關（或數值后，閥門才關（或開）；當被控變量下降時，開）；當被控變量下降時，必須在測量值低于給定值必須在測量值低于給定值某一數值后，閥門才開某一數值后，閥門才開（或關）。在中間區域是（或關）。在中間區域是不動作的。不動作的。

5、理想的雙位控制的缺陷理想的雙位控制的缺陷8二、比例控制二、比例控制比例控制規律（比例控制規律（P P）可用下列數學式子表示：）可用下列數學式子表示：數數控制器增益或放大系控制器增益或放大系控制器的輸入，及偏差控制器的輸入，及偏差控制器輸出變化量控制器輸出變化量ppKe(t)ute Ku )(1、比例控制規律、比例控制規律9baKeKebaupp 102、比例度及其對控制過程的影響、比例度及其對控制過程的影響1 1）比例度）比例度P P 定義：定義：比例度是控制器輸入的相對變化量與相應的輸出變比例度是控制器輸入的相對變化量與相應的輸出變 化量之比的百分數。化量之比的百分數。常常數數，-K zzu

6、uKKKuuuzzePpminmaxminmaxminmaxminmax% 10010011%1001 pKP在單元組合儀表在單元組合儀表中，控制器的輸中，控制器的輸入信號是由變送入信號是由變送器來的，而控制器來的，而控制器的和變送器的器的和變送器的輸出信號都是統輸出信號都是統一的標準信號，一的標準信號，因此因此K K1 1。所以。所以比例度為比例度為122 2）比例度對過渡過程品質因數的影響）比例度對過渡過程品質因數的影響a、比例度對余差的影響、比例度對余差的影響常規控制系統的結構如下圖常規控制系統的結構如下圖13上述系統可簡化為上述系統可簡化為14因此，比例控制必然存在靜態誤差（又稱余差）

7、。因此，比例控制必然存在靜態誤差（又稱余差）。越小（越小（Kc越大），余差越越大），余差越小，反之亦然。小，反之亦然。15b、比例度對系統穩定的影響、比例度對系統穩定的影響比例度很大時，由于控制作用很比例度很大時，由于控制作用很弱，因此，過渡過程變化緩慢，弱，因此，過渡過程變化緩慢，曲線態平穩（曲線曲線態平穩（曲線5 5、6 6）。減小）。減小比例度，由于控制作用增強，過比例度，由于控制作用增強，過渡過程出現振蕩（曲線渡過程出現振蕩（曲線3 3、4 4）。）。當比例度很小時，由于控制作用當比例度很小時，由于控制作用過強，過渡過程曲線可能出現等過強，過渡過程曲線可能出現等幅振蕩，這時的比例度為稱

8、為臨幅振蕩，這時的比例度為稱為臨界比例度界比例度k k, ,相應的曲線如相應的曲線如2 2所示。所示。當比例度繼續減小至當比例度繼續減小至kk以下時，以下時，系統可能出現發散振蕩（如曲線系統可能出現發散振蕩（如曲線1 1），這時系統就不能進行正常），這時系統就不能進行正常的控制了。的控制了。163、比例控制的特點及其應用場合、比例控制的特點及其應用場合 比例控制規律比較簡單，控制比較及時，一旦有偏差比例控制規律比較簡單，控制比較及時，一旦有偏差出現，馬上就有相應的控制作用。應此，比例控制是出現，馬上就有相應的控制作用。應此，比例控制是一種最基本的控制規律。但是，由于比例控制作用一種最基本的控制

9、規律。但是，由于比例控制作用u與偏差與偏差e成一一對應關系，因此因負荷改變后，比例控成一一對應關系，因此因負荷改變后，比例控制存在余差。制存在余差。 比例控制適用于干擾較小且不頻繁、對象滯后較小而比例控制適用于干擾較小且不頻繁、對象滯后較小而時間常數較大、控制精度要求不高的場合。時間常數較大、控制精度要求不高的場合。17三、三、 比例積分控制（比例積分控制（PI）1、比例積分控制規律（、比例積分控制規律（PI）18比例積分控制器的頻率特性為：比例積分控制器的頻率特性為：)()( jTKjGIpc11由于在低頻段能起放大作用，由于在低頻段能起放大作用， 11,)1,因此能夠消除余差。對數相頻因此

10、能夠消除余差。對數相頻特性在低頻段相角是滯后的，特性在低頻段相角是滯后的，而在高頻段相角大大減小，逐而在高頻段相角大大減小，逐漸接近漸接近0 0。所以比例積分器的積。所以比例積分器的積分作用只在低頻段起作用，而分作用只在低頻段起作用，而在高頻段幾乎沒有作用。在高頻段幾乎沒有作用。192、積分時間及其對過渡過程的影響、積分時間及其對過渡過程的影響tATKttATKAdtTKuIpttIpIpI )(1212AKtATKpp 1tT1在階躍信號輸入中，積分作用輸出為在階躍信號輸入中，積分作用輸出為 若取積分作用的輸出等于比例作用的輸出若取積分作用的輸出等于比例作用的輸出 積分時間的定義：積分時間的

11、定義：在階躍信號輸入下，積分作用的輸出變化在階躍信號輸入下，積分作用的輸出變化到等于比例作用的輸出所經歷的時間就是積分時間到等于比例作用的輸出所經歷的時間就是積分時間T TI I 積分時間積分時間20TI對過渡過程的影響對過渡過程的影響213、積分飽和、積分飽和 具有積分作用的控制器在單方向具有積分作用的控制器在單方向偏差信號的作用下，其輸出達到偏差信號的作用下，其輸出達到輸出范圍上限值或下限值以后，輸出范圍上限值或下限值以后，積分作用將繼續進行，從而使控積分作用將繼續進行，從而使控制器脫離正常工作狀態，這種現制器脫離正常工作狀態，這種現象稱為象稱為積分飽和積分飽和積分飽和的積分飽和的影影響：

12、響：控制不及時控制不及時22防止積分飽和的方法防止積分飽和的方法 在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下限值時限值時 ，暫時去掉積分作用；，暫時去掉積分作用；在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下限值時，使積分作用輸出不繼續增加限值時，使積分作用輸出不繼續增加 。23四、四、 比例微分控制（比例微分控制（PD)1、比例微分控制規律（、比例微分控制規律（PD)24左圖是左圖是PDPD控制器的階躍響控制器的階躍響應。當應。當e e變化瞬間，輸出變化瞬間，輸出uu為一幅值為為一幅值為的脈沖的脈沖信號信號, ,這是微分作用的結這是微分作用的結

13、果。輸出脈沖信號瞬間降果。輸出脈沖信號瞬間降至至K Kc cA A值并保持不變，這值并保持不變，這是比例作用的結果。因此，是比例作用的結果。因此，理論上理論上PDPD調節起控制作用調節起控制作用迅速、無滯后，并有很強迅速、無滯后，并有很強地抑制動態偏差過大的能地抑制動態偏差過大的能力。力。25左圖是左圖是PDPD控制器的控制器的BodeBode圖。由圖。由圖可以看出，圖可以看出，PDPD控制規律的對控制規律的對數幅頻特性在低頻段是一條水數幅頻特性在低頻段是一條水平線，其高度由平線，其高度由K Kc c確定；在高確定；在高頻段是一條斜率為頻段是一條斜率為20dB/dec20dB/dec的直線。由

14、于在高頻段能起放的直線。由于在高頻段能起放大作用，因此能抑制系統中高大作用，因此能抑制系統中高頻振蕩。頻振蕩。PDPD控制器的對數相頻特性在低控制器的對數相頻特性在低頻段的相角接近頻段的相角接近0 0度，隨著頻度，隨著頻率的增加，超前角率的增加，超前角增大，逐增大，逐漸接近漸接近9090度，所以度，所以PDPD控制器的控制器的微分作用只在高頻段起作用，微分作用只在高頻段起作用，而在低頻段幾乎沒有作用。而在低頻段幾乎沒有作用。262、實際比例微分控制規律（、實際比例微分控制規律（PD）及微分時間）及微分時間 理想的比例微分運算規律缺乏抗干擾能力，如果偏差信理想的比例微分運算規律缺乏抗干擾能力，如

15、果偏差信號中含有高頻干擾時，則樹垂有大幅度的變化，這樣容號中含有高頻干擾時，則樹垂有大幅度的變化，這樣容易引起執行器的誤動作。因此理想的易引起執行器的誤動作。因此理想的PD運算規律在實際運算規律在實際中是不能用的，必須加以改進。中是不能用的，必須加以改進。 實際的實際的PD規律的傳遞函數為：規律的傳遞函數為：11 sKTsTKsGDDDpc)()(當輸入偏差當輸入偏差e e為一幅值為為一幅值為A A的階躍信號時，響應為：的階躍信號時，響應為：)()(tTKDpDDeKAKtu 1127AK)u(t AKKu(0)0t ppD 時，時，時，時，當當t=t=時，微分作用已經消失，其時，微分作用已經

16、消失，其輸出為比例控制作用的輸出。而輸出為比例控制作用的輸出。而在在 t=0t=0時的輸出信號為比例輸出時的輸出信號為比例輸出的的K KD D倍，然后慢慢衰減至純比例倍，然后慢慢衰減至純比例作用的輸出。作用的輸出。微分作用具有飽和特性，其作用微分作用具有飽和特性，其作用時間也拉長了，因此不僅對高頻時間也拉長了，因此不僅對高頻信號干擾起到抑制作用，同時改信號干擾起到抑制作用，同時改善了調節器的控制質量。實際的善了調節器的控制質量。實際的PDPD調節規律適用于一些滯后較大調節規律適用于一些滯后較大的對象，如溫度控制系統。的對象，如溫度控制系統。28五、五、 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PI

17、D）)( tDIpDIpdtdeTedtTeKuuuu01)()()()()()()()( IDIDpDIpcDIpcTTtgTTKAjTjTKjGsTsTKsG11111111229實際實際PIDPID控制器在階躍信號控制器在階躍信號的響應曲線如圖開始時，微的響應曲線如圖開始時，微分作用的輸出變化最大，使分作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度的變化，產總的輸出大幅度的變化，產生強烈的超前控制作用，這生強烈的超前控制作用，這種控制作用可看成是預調。種控制作用可看成是預調。然后微分作用逐漸消失，積然后微分作用逐漸消失，積分作用逐漸占主導地位，只分作用逐漸占主導地位，只要余差存在，積分輸出就不要余

18、差存在，積分輸出就不斷增加，這種控制作用可看斷增加，這種控制作用可看成是細調，一直到余差完全成是細調，一直到余差完全消失，積分作用有可能停止。消失，積分作用有可能停止。而在而在PIDPID控制器的輸出中，控制器的輸出中，比例作用是自始至終與偏差比例作用是自始至終與偏差相對應的，它一直是一種最相對應的，它一直是一種最基本的控制作用。基本的控制作用。30PID對數曲線的分析說明對數曲線的分析說明1）幅頻）幅頻2）相頻）相頻31一、調節器的功能與結構一、調節器的功能與結構 3-2 模擬式調節器概述模擬式調節器概述控制器的作用是對測量信號與給定值相比較所產生的偏差控制器的作用是對測量信號與給定值相比較

19、所產生的偏差進行進行PIDPID運算，并輸出控制信號至執行器。除了對偏差信號運算，并輸出控制信號至執行器。除了對偏差信號進行進行PIDPID運算外，一般還須具備以下功能：運算外，一般還須具備以下功能：1)1)偏差顯示偏差顯示2)2)輸出顯示輸出顯示3)3)提供內給定信號及內、外給定的選擇提供內給定信號及內、外給定的選擇4)4)正、反作用的選擇正、反作用的選擇 5)5)手動操作與手動手動操作與手動/ /自動雙向切換自動雙向切換6)6)附加功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、附加功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、 偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策和零啟動等偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策和零

20、啟動等. .32基本結構基本結構3334 二、二、DDZ型電動調節器概述型電動調節器概述 DDZ DDZ型調節器有兩種：型調節器有兩種：全刻度指示調節器和偏差指示全刻度指示調節器和偏差指示調節器。調節器。它們的結構和線路相同，僅指示電路有些差異。這它們的結構和線路相同，僅指示電路有些差異。這兩種基型調節器均具有一般調節器應具有的對偏差進行兩種基型調節器均具有一般調節器應具有的對偏差進行PIDPID運運算、偏差指示、正反作用切換、內外給定切換、產生內給定算、偏差指示、正反作用切換、內外給定切換、產生內給定信號、手動信號、手動/ /自動雙向切換和閥位顯示等功能。自動雙向切換和閥位顯示等功能。 在基

21、型調節器的基礎上，可附加某些單元，如輸入報警、在基型調節器的基礎上，可附加某些單元，如輸入報警、偏差報警、輸出限幅單元等。也可構成各種特種調節器，如偏差報警、輸出限幅單元等。也可構成各種特種調節器，如抗積分飽和調節器、前饋調節器、輸出跟蹤調節器、非線性抗積分飽和調節器、前饋調節器、輸出跟蹤調節器、非線性調節器等以及構成與工業計算機聯用的調節器。調節器等以及構成與工業計算機聯用的調節器。351、主要性能指標、主要性能指標測量信號測量信號 1 15VDC5VDC內給定信號內給定信號 1 15VDC5VDC外給定信號外給定信號 4 420mADC20mADC指示精度指示精度 1%1%輸出信號輸出信號

22、 4 420mADC20mADC負載電阻負載電阻 250250750750輸出保持特性輸出保持特性 -0.1-0.1h h比例度比例度 2 2500500積分時間積分時間 0.040.0410min10min微分時間微分時間 0.040.0410min10min控制精度控制精度 0.5 %0.5 %36 基型調節器線路原理圖2、基型調節器概述、基型調節器概述37 基型調節器的構成方框圖基型調節器的構成方框圖 38輸入電路原理圖 是為了消除集中供電引入的誤差。是為了消除集中供電引入的誤差。 是為了保證運算放大器的正常工作是為了保證運算放大器的正常工作輸入電路原理圖采用這種電路形式有如下兩個目的輸

23、入電路原理圖采用這種電路形式有如下兩個目的 ：輸入電路是偏差差動電平移動電路，它的作用輸入電路是偏差差動電平移動電路，它的作用 ：一是偏差檢：一是偏差檢測與放大；二是電平移動測與放大；二是電平移動 。1 1）輸入電路）輸入電路39 2) 2) 比例微分電路比例微分電路 作用作用: : 是對輸入電路的輸出信號是對輸入電路的輸出信號U U0101進行比例微分運算進行比例微分運算, ,整機的整機的比例度和微分時間通過本電路進行調整。比例度和微分時間通過本電路進行調整。比例微分電路的傳遞函數為：比例微分電路的傳遞函數為：11)(SKTSTnSGDDDP121211RRRnKDDDDCnRT 2PPOP

24、RRR400102) 1(1 )(UeKKtUtTKDDDD413)3)比例積分電路比例積分電路)11 ()(STCCSWIMIPITI = RI CI 其傳遞函數為：其傳遞函數為：比例積分電路的主要作用是對來自比例微分電路的電壓信號比例積分電路的主要作用是對來自比例微分電路的電壓信號U U0202進行比例積分運算進行比例積分運算42 比例積分電路實際的輸出輸入關系比例積分電路實際的輸出輸入關系STKSTCCSWIIIMIPI1111)(KI=K3CM / CI 43比例積分電路比例積分電路在階躍輸入信號作用下，在階躍輸入信號作用下，PIPI電路輸出的時間函數表達式為電路輸出的時間函數表達式為 : :02103) 1()(UeKKCCtUtTKIIMIII比例積分電路的調節器的調節系統仍比例積分電路的調節器的調節系統仍然存在靜差。然存在靜差。44 I0= I0 -If輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以U UB B為基準的為基準的1 15VDC5VDC電壓信號電壓信號U U0303轉