第三章模拟式控制器

t
特点：（1）超前调节，补偿延时和惯性； （2）微分作用体现在控制过程的前期，限制偏差的进 一步增大。可以有效地减少被调量的动态偏差，增强稳定性； （3）偏差存在但不改变时，微分不起作用。
EXIT
第22页
3.1.2 工程常用控制规律
（1）比例（P）调节器
比例调节器的动态方程与比例作用的动态方程相同，即：
或写成
1 de e Td dt
Kd 其中：Td Kp
式中：Kd ——微分作用的比例系数； Td ——微分时间。
EXIT
第30页
理想的比例微分（PD）调节器的传递函数为：
s 1 WPd s 1 Td s es
比例微分（PD）调节器有两个可供调整的参数,即KP 和Kd 或δ和Td。微分时间Td 影响调节器微分作用的强弱；比例带δ 不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。
4、影响控制系统控制质量的主要因素：控制器和对象特性。
EXIT
第 8页
控制系统组成：
调节单元 给定单元
显示单元 执行单元 调节量 变送单元 被调量
被控对象
EXIT
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1、变送器
变送器将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物 理量转换为0～10mA或4～20mA的直流标准信号，并传送到 各指示、调节装置，以实现对生产过程的自动检测和控制。
EXIT
第 3页
一、 单回路控制系统的组成
f (内扰) r + e WT (s)
调节器
λ (外扰) Wμ (s) W0 (来自百度文库)
被控对象
VT
WZ (s)
执行器
μ
y
Vm
Wm (s)
测量变送器
单回路控制系统原理方框图 为了便于系统分析，将测量变送器、执行器、阀门、被控对 象作为一个整体看待，该整体称为“广义对象”。这样上图所示 的单回路控制系统就由调节器和广义对象两部分组成，其等效原 EXIT 理方框图如下图所示： 第 4页
EXIT
第28页
对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器 分别采用P、PI控制时，若保证稳定性相同（ψp= ψ PI=0.75）
r + e WT (s)
调节器
VT
W0 (s)
Vm
试分析比例带δp 、δ PI ，静态偏差eP(∞)、 ePI(∞)，动态偏差 eP(m)、 ePI(m)的大小。
t
比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加，其动态方程 为：
0 edt
t
或写成
1 1 e Ti
0 edt
t
KP 其中：Ti KI
比例积分（PI）调节器的传递函数为：
WPI
KI 1 1 1 s KP s Ti s
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则，单回路等效图为
λ(扰动) r + e WT
* (s)
W0
* (s)
Vm
等效调节器
广义对象
确定广义对象与等效调节器的原则：阶跃输入与响应 输出之间的所有环节的串联视为广义对象。剩下所有环节 的串联称为等效调节器。
EXIT
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调节器的正反作用
调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正 反作用方式选择的目的是使闭环系统在信号关系上形成负反馈。 正作用调节器:当系统的测量值减小给定值增加时，其输出 增加; 反作用调节器:当系统的测量值减小给定值增加时，其输出 减小。
WP s
s 传递函数为：
es
EXIT
KP
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e Δe0 o μ
1
t
e0

o
t
特点：（1）比例作用无惯性、无迟延、动作快,而且 调节动作方向正确。因此,比例作用在控制系统中是促使 控制过程稳定的因素。 （2）输出量μ与输入量e之间有一一对应的关系，调 节结果被调量最终有稳定(静态)偏差,称为有差调节。
es
Kp
1

第23页
EXIT
第24页
1）比例带增大， 比例增益减小，稳 定性增强，控制作 用减弱，动差增大， 静差增大。 比例带减小，比例 增益增大，稳定性 下降，控制作用增 强，动差减小，静 差减小。
2）比例调节为有 差调节
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（2）比例积分（PI）调节器
KI K P e K I 0 edt K P e KP
EXIT
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比例控制 规律及控制器

示意图：
偏差 ε=xi - xs 控制器输出 I0 △y 控制器
4~20 mA
xi
△y KP >1 KP =1
测量值 xs 设定值 △y ε
KP <1
ε
△y
- ε
0
+ ε
EXIT
比例控制器 KP
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（2）积分作用（简称I作用）
积分作用的动态方程为：
1 K I 0 edt K I 0 r y dt = Ti
KP e KP r y
1

r y
式中：KP —调节器的比例系数，即偏差改变一个单位时,调节机 构的位移变化量； δ—比例系数KP的倒数，称为比例带，即当调节机关的 位置改变100% 时,偏差产生的改变量。 比例调节器的传递函数为：
WP s
EXIT
s
若保持相同比例带，试分析在调节器分别为P、PI时系统稳 定性、静差的大小。
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（3）比例微分（PD）调节器
比例微分调节器由比例作用和微分作用组合而成，理想的 比例微分调节器动态方程为：
K d de de K P e Kd KP e dt K P dt
EXIT
+
r
e
调节器
μ
被控对象
y
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3.1 .1 基本调节作用
调节器的控制规律中最基本的调节作用是比例、积分和微分 作用 , 它们各有其独特的作用，下面分别讨论。
（1）比例作用（简称P作用）
比例作用的动态方程为：
KP e KP r y
式中：e ——被调量偏差，调节器的输入信号； μ——调节机构的位置，调节器的输出信号； KP ——比例作用的比例系数。
操作转换器
手动 自动
Ii If
伺服放大器
伺服 电动机
位置变送器
电流表
机 械 减 速 器
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伺服放大器
EXIT
执行机构
伺服放大器作用：综合输入信号和反馈信号，并将该结果 信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。 根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信 号，以控制电动机的正、反运转。 伺服电机：是执行机构的动力部分 减速器 ：将高转速、低转矩变成低转速、高转矩 位置变送器：根据差动变压器的工作原理，利用输出轴 的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和 位置信号。
λ(扰动) r + e WT (s)
调节器
VT
W0* (s)
广义对象
Vm
单回路控制系统等效方框图 若试验得到的被控对象动态特性包括了测量变送器的动态特 性，则广义对象的传递函数为：
W
0
s W0 s Wm s
EXIT
此时等效调节器的传递函数为：
W
T
s WT s WZ s W s
EXIT
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特点:(1）两个可调参数,即KP 和KI 或δ和Ti。 当Ti →∞时，PI→P； 当Ti →0时，即KP →0. （Ti=KP/KI ，而 KI→∞是不可 能的)时，PI→I。 （2）积分时间Ti 影响积分作用的强弱,比例带δ 不但影响 比例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。 （3） 无差调节。
确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程 安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元的正反特性，然 后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。 确定调节器正、反作用的原则：组成系统的各环节静态放 大系数极性相乘必须为负值（构成负反馈的条件）。
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单回路系统注意事项： 1、被调量的选择 2、控制量（调节量）的选择 3、控制通道和扰动通道
d 1 de TD e Td dt dt
式中：TD ——微分惯性时间常数。
实际比例微分（PD）调节器的传递函数为：
1 1 WPD s 1 Td s e s TD s 1
e Δe0
PI调节器 阶跃响应曲 线
o μ
e0
t

e0
o

Ti EXIT
t
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阶跃扰动为Δe 0时
1 e0 e0 t Ti
1
把 t = Ti 代人式(3－11)可得：
e0 1 e0 e0Ti 2 Ti 1
式(7－12)说明，当总的输出等于比例作用输出的2 倍时,其时间就是积分时间Ti 。应用这个关系我们就可 以通过PI 调节器的阶跃响应曲线确定积分时间Ti。
EXIT
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第3章 模拟式控制器
3.1 控制器的控制规律
3.2 DDZ-Ⅲ型控制器
3.3 基型控制器的运行方式
3.4 基型控制器的操作
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第 2页
3.1 控制器的控制规律
概述 1、控制器的运算规律 概念: y=f(ε) 2、偏差的概念：ε=xi-xs 定值系统：Δxi=Δε 3、控制器的正、反作用： xi↑→ε↑→y↑;ε＞0, Δy＞0→正作用 反之亦然。 4、控制器的基本运算规律：双位、P、I、D规律 控制器的组合运算规律： P I 、P D、 PID规律
第3章 模拟式控制器
知识目标
了解控制器的种类及发展 理解比例、微分、积分三种基本控制规律的特点 掌握工程常用控制规律的特点及应用场合 了解DDZ-Ⅲ型控制器的主要功能 掌握DDZ-Ⅲ型基型控制器的构成原理 理解DDZ-Ⅲ型基型控制器的实现电路
技能目标
能够应用所学知识正确使用控制器 能够对控制器进行正确的调校 能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动/自动切换
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（3）微分作用（简称D作用）
微分作用的动态方程为：
d r y de Kd Kd dt dt
传递函数为：
Kd —微分增益。
Wd s
s
es
Kd s
EXIT
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e
e
Δe0
o μ t o μ
Td a
de a dt
t
o
(a)
t
o
(b)
EXIT
第31页
e Δe0 o μ t
e
de a dt
e Δe0 t o μ
KD 1 0.632 e0
e0
o μ
2
t
a T d KD 1 e0 a Td
o
(a)
e0
1
t
o
Td (b)
t
o
TD
t
(c)
比例微分（PD）调节器响应曲线
EXIT
第32页
上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应 曲线，其动态方程为：
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3、调节器
典型的调节组件SAMA图如下图所示：
测量值 给定值
Δ K T ∫
主要功能： 求测量值PV与给定值SP的偏差 对偏差进行比例积分运算 手、自动切换功能 输出信号限幅功能
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二、调节器的控制规律
调节器根据被调量y与给定值r之间的偏差e（输入量）,
输出调节机构控制信号（输出量）,从而引起调节机构位置 μ的变化，使被调量最终等于给定值。调节器的输出量与输 入量之间的动态关系, 称作调节器的控制规律。调节器和被 控对象组成的一个闭合控制回路如下图所示： λ
输入信号 T、p、h
输入转换
Ui +
Uc Uf
－
放大器
输出信号 0～10mA
反馈
变送器原理方框图
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2、执行器
执行器接受调节器的输出信号或手动操作信号，并将其转换 成调节机构(阀门、风门或挡板)动作的位移信号，从而改变被调 量的大小。执行器（气动、电动、液动均可视为比例型。）电动 执行器通常由伺服放大器和执行机构两部分构成，如下图所示：
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三种执行器的特点比较
比较项目 气动执行器 电动执行器 液动执行器
结构 体积 推力 配管配线 动作滞后 频率响应 维护检修 使用场合 温度影响 成本
简单 中 中 较复杂 大 狭 简单 防火防爆 较小 低
复杂 小 小 简单 小 宽 复杂 隔爆型才防火防爆 较大 高
EXIT
简单 大 大 复杂 小 狭 简单 要注意火花 较大 高
t t
0 edt
KI —积分增益 Ti—积分时间
t
du 1 K I e= e K I r y dt Ti
WI s
传递函数为： s
es
EXIT
KI 1 = s Ti s
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e
Δe0
o μ t
o
Ti
t
特点:（1）无差调节； （2） 控制不及时,动作慢，容易引起调节过程振荡， 降低系统稳定性； （3）控制作用体现在控制过程后期。