第六章 控制仪表与装置

PID调节器
R(s)
E(s)
Kp
KI
s
KDs
M (s)
G0 (s)
C (s)
PID调节器的运动方程为： m(t) Kpe(t) KI
写成传递函数形式
e(t)dt
KD
de(t) dt
G e (s)
M(s) E(s)
Kp
KI s
KDs
Kp K D (s G e (s)
K
2 p
4K I K D
de(t) m(t) K pe(t) K pTD dt
式中：KD=KpTD——微分调节器比例系数；
TD——微分时间常数。 传递函数：G c (s) K p K Ds＝K p＋K pTD s＝K（p 1＋TD s）
为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：
G 0 (s)
ω
2 n
s(s 2ζ
4、成本较低；
网络分布结构图
DCS系统结构分布图
优点： 1. 4C技术综合应用； 2. 计算机网络的使用； 3. 使用方便； 4. 功能丰富； 缺点： 1. 数字化不彻底； 2. 没有通信标准，兼容性差； 3. 自动化孤岛；
进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的 长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导 致了现场总线逐步取代了4～20mA的模拟信号传输线， 并由此引发了控制系统领域的技术革命。主要表现为：
1
了过大的转矩，同时又
没有阻尼所造成的。
（解决：t= ta时提前制动） 0 b.t1＜t＜t3：
ta t1 t2 t b t3 t 4 t5
t
e(t) ＜ 0 ，电动机转矩 e(t)
也为负，使输出相反加
速下降，由于惯性的存
1
在，加之缺少阻尼，在
t3< t< t5的时间内，出现 了向下的超调量。
0
t
PD调节器对系统动态响 应的影响分析。
PD调节器
c(t)
cmax 1
0
t a t1
t2 tb t3 t 4 t5
t
e(t)
1
R(s)
E(s)
M (s)
Kp
G0 (s)
0
t
KDs
•
e(t)
0
由微分调节器作用由TD决定。
t
TD大，微分作用强，TD小，
m(t)
微分作用弱，选择好TD很重
要。
0
t
由以上分析可知： 微分控制是一种 “预见” 型的控制。它测出 e(t) 的瞬 时变化率，作为一个有效早期修正信号，在超调量出现前会产 生一种校正作用。 如果系统的偏差信号变化缓慢或是常数，偏差的导数就很 小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。 注意：模拟PD调节器的微分环节是一个高通滤波器，会使 系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意 解决。
ωn)
系统的开环传递函数：
G(s)
Gc
(s)G 0 (s)
ω
2 n
(K p
s(s 2ζ
K Ds) ωn)
以上分析可知： PD调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个 s= －Kp / KD 的零点.
系统输出超调分析
（电动机振动系统）
c(t)
a.0＜t＜t1：
cmax
e(t) > 0，电动机提供
1 全数字化
6 多功能仪表
2
7 开放性
3 双向传输
8 互操作性
4 自诊断
9 智能化与自治性
5 节省布线及控制室空间
PID（比例—积分—微分）调节器在工业控制中得到广泛地应 用。它有如下特点： 1.对系统的模型要求低 实际系统要建立精确的模型往往很困难。而PID调节器 对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能进行调节。 2.调节方便 调节作用相互独立，最后以求和的形式出现的，人们可改 变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。 3.适应范围较广 一般校正装置，系统参数改变，调节效果差，而PID调节器 的适应范围广，在一定的变化区间中，仍有很好的调节效果。
显示、操作功能 — 操作盘； 调节、运算与控制功能— 控制柜；
调节对象
执行单元
自动 调节单元 手动
操作单元 给定单元
被调量
检测元件
现场
变送单元
显示单元
集控室
组件组装式仪表分布图
• 单回路数字调节器（可编程调节器） 用于模拟量连续调节；
• 可编程控制器PLC 用于开关量顺序控制；
• 分散控制系统 DCS 由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监 督控制，下层实现控制功能；
解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点， 实现了将控制策略的硬接线变为软接线 ！
• STD总线工业PC；
• PC总线（ISA与PCI）工业PC；
• PC104标准工业PC； 优点：
缺点：
1、软件资源丰富； 2、硬件功能软件化； 3、系统构成灵活；
（给水泵控制）
1、可靠性依赖于设计； 2、使用人员专业性强；
1. 现场仪表智能化 —— 具有本地控制和总线通信 的能力；
2. 控制系统结构彻底分散。
• 现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为工厂 的底层网络.
• 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。
• 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络
• 特点： – 适应工业应用环境， – 要求实时性强，可靠性高，安全性好。 – 多为短帧传送， – 通信的传输速率相对较低。
2、比例——积分(PD)调节器及其控制规律
一、控制仪表与装置的分类与发展 二、调节器 三、执行器 四、变送器
• 单参数，单回路； • 检测、放大、显示与控制是一个整体； • 系统功能固定； • 仪表之间不能相互兼容；
• 整套仪表分为若干个独立功能单元； • 各功能单元之间以统一标准信号联系； • 可以灵活组合各种控制系统；
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阀门
调节对象
被调量 检测元件
执行单元
自动 调节单元 手动
操作单元 给定单元
变送单元 显示单元
单元组合仪表
DDZ－ I 型（50年代）：电子管与磁放大器型； DDZ－ II 型（60年代）：晶体管型； DDZ－III 型（70年代）：集成运算放大器型； DDZ－ S 型（80年代）：智能微处理器型；
• 目标：大型企业综合自动化的需要； • 基本构成元件：集成运算放大器； • 结构特点：将以下两大功能分开
Kp
)(s
2K D
s
K
2 p
1K I K D
)
2K D
不难看出，引入PID调节器后，系统的型号数增加了Ⅰ，还提供了两个实 数零点。因此，对提高系统的动态特性方面有更大的优越性。
1、比例——微分(PD)调节器及其控制规律
PD调节器
R(s)
E(s)
Kp
M (s) G0 (s)
KDs
调节器的运动方程：