第四章 控制器执行器.

密度1g/cm3时，每小时流过阀门的流体流量。
控制器和执行器
1）理想流量特性：
①快开型:
阀芯形状不同，流量特性不同：
小开度时流量就很大，随行程增大，流量很快最大
②直线型:
小开度时作用太强，大开度时作用弱
③抛物线：
介于上下之间
④对数：
小开度时控制平稳缓和，大开度时灵敏有效。
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2）工作流量特性
控制器和执行器
数 字 式 它以微型计算机为核心，功能完善， 性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的 问题，满足现代生产过程的高质量控制要 求。它可实现连续生产过程、断续生产过
程的控制，也可以通过在PLC中加入PID
等控制功能，实现批量控制。
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4.1 .1 PID控制器的基本控制规律
最基本的作用是: 比例(P)、积分(I)和微分(D)作用 1. 比例作用 (P作用) 动态方程式：u K p e 传递函数为：G ( s ) K p 1 特点为：
1
2
3
4
5
6 7
6
DDZ－III型控制器(调节器)正面图 1－位号牌 2－内外给定指示 3－内给定设定拨盘 4-A/M/H切换 5－阀位表 6－软手动操作扳键 7－双针全刻度指示表
控制器和执行器
DDZ―Ⅲ型调节器的基本组成
控制器和执行器
□数字式控制器 ：以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路
由系统程序、用户程序构成软件
控制器和执行器
(2)气动活塞式执行机构基本结构和工作原理 基本部件：活塞和气缸
P1
活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动
两侧可以分别输入一个固定信号和一个变 动信号，或两侧都输入变动信号。
P2
它的输出特性有比例式及两位式两种。
※两位式是根据输入执行活塞两侧的操 作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧 ，使推杆从一个位置移到另一极端位置
2. 比例积分(PI)调节器
KI t 1 1 t u K P (e e dt) (e e dt) 动态方程为 ： 0 KP TI 0
) 传递函数为: G( s) (1 TI s
KI : 调节器的积分速度, 即当偏差改变100% 时,调节机构 的移动速度 。 TI: 积分时间。 越大积分作用越弱，消除静差 越慢； 反之，越小消除静差 越快，但稳定性下降，振荡加强。
de ) dt
1 G( s) (1 TD s) TI s
1
1 (1 TD s ) 1 TI s G( s) (1 1 TD s) K I TI s K D
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4. 比例积分微分(PID)调节器
理想PID调节器 实际PID调节器
液动-以高压液体为能源（推力最大）
控制器和执行器
3 执行器的组成：执行机构和控制（调节）机构两个部分
PO 1
例：
气 动 执 行 机 构
2 3
6 调 节 机 构
4
5
气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座
控制器和执行器
PO IO
执行机构
F→l
M→θ
常用的控制器按其控制规律可分为：
比例调节器（P）、 比例积分调节器（PI）、 比例微分调节（PD）、 比例积分微分调节器（PID）
控制器和执行器
1. 比例(P)调节器
传递函数为: G ( s ) K P
1

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，它是调节器的参数 ;
前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，
也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还 可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运 算等。 通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现 的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择 所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便 可实现所需的运算与控制功能。
1
1
控制器和执行器
积 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响
左图表示在同样比例度下 积分时间对过渡过程的影 响。由图中曲线３可以看 出，TI过大时积分作用不 明显，余差消除地也慢， 从图中曲线１、２可以看
出，TI较小时易于消除余
差，但系统的振荡加剧。 相比之下，曲线２就比较 理想。
控制器和执Leabharlann Baidu器
a. 串联管道中的流量特性
控制器和执行器
基本控制作用总结:
比例作用能单独地执行调节任务,并能使控制过程趋于稳定, 但使被调量产生静态偏差。 积分作用只有极少的情况(对象自平衡能力大,惯性和迟延很 小等)才能单独应用,会使控制过程变成振荡甚至不稳定 , 但能 使被调量减小静态偏差。 微分作用不能单独使用,但能提高控制系统的稳定性,有效地 减少被调量的动态偏差.
控制器和执行器
4.4 执行器
4.4.1 执行器概述
执行器是指：阀门－ 调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴) 电机－ 连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用)
变频器-实现交流电动机的转速调节
1.执行器作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的
开度产生相应变化，从而达到调节操作变量的目的。
控制器和执行器
1)气动执行机构
主要分为两大类：薄膜式与活塞式 薄膜式与活塞式执行机构又可分为：有弹簧和无弹簧两种
控制器和执行器
(1)气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理
气源 PO
气源PO
气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数 的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般 为数秒到数十秒之间。
执行器是控制系统必不可少的环节。 执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节。（与介质
（操作变量）直接接触(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压）
2.执行器分类：气动- 以压缩空气为能源（结构简单、工作可靠、输出力矩大、防火防爆）
电动-以电为能源（动作迅速、信号传递快、易于接口）
第4章 控制器和执行器
4.1 控制器
4.1 .1 PID控制器基本控制规律 4.1 . 2 PID运算电路 4.1 . 3 可编程数字控制器原理及应用
4.2 执行器
4.2 .1 执行机构的作用、结构原理、工作特性 4.2 .2 调节机构的作用、结构原理、工作特性
控制器和执行器
4.1 控制器
□模拟式控制器：
控制器和执行器
4. 比例积分微分(PID)调节器
理想PID调节器 动 态 方 程 传 递 函 数 实际PID调节器
1 1 u (e TI
de 1 0 edt T D dt ) TI
t
du 1 1 udt T u ( e D 0 dt TI
t

t
0
edt T D
l
1 Ii Kf

1 Ii Kf
控制器和执行器
4.执行器的作用方式
从安全生产的角度来确定正反作用
正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器
的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀
反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小
气动调节阀通常称为气关阀 如果，介质是强腐蚀性的，在生产过程 中不允许溢出，调节阀的作用形式？
定程序调节器 混合调节器 数字式调节器的特点 ：
可编程调节器
批量调节器
实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到了
很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数
字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的 特征。
控制器和执行器
运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功 能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、
（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确, 在控 制系统中是促使控制过程稳定的因素；
（2）有差作用 控制器和执行器
2.积分作用(I作用)
1 t 动态方程式： u T 0 e dt I
传递函数为：G ( s) 1 特点为：
TI s
积分时间常数
（1）控制过程结束时,被调量与其给定值之间没有稳态偏差 (无差调节)； （2）积分作用在控制系统中是使控制过程振荡的因素,很少单 独使用
※比例式是在两位式基础上加有阀门定 位器后，使推杆位移与信号压力成比例关 系。
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2)电动执行机构
伺服放大器是一个 具有继电特性的非 线性环节：
Ii I f Ii I f 无输出 2 输出～215V 2
Δ为不灵敏区
Δ太大会？？
Δ太小会？？
电动执行机构输出为角行程或者直行程：
δ ：比例系数Kp的倒数,即当调节机关的位置改变100% 时， 偏差应有的改变量, 称为比例带。 越大比例作用越弱，残差越大； 反之，越小反应越灵敏，但稳定度下降。
控制器和执行器
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。 控制器和执行器
控制器和执行器
3. 微分作用(D作用)
de u T D 动态方程式： dt
传递函数为： G(s) TD s 特点为：
（1）微分作用具有超前调节的特点 （2）能提高控制过程的稳定性 de u T dt （3）不能单独使用
D
微分时间常数
控制器和执行器
控制器和执行器
控制器和执行器
1.体系结构：硬件系统、软件系统 2.工作原理：工业现场变送器输出的模拟信号，经多路开关及A/D转换成
数字信号存入RAM，CPU按用户程序，依次从系统ROM读出有关输入处理程序、 运算处理程序，同时从RAM、EPROM中读出各种数据，执行用户程序并将运算 结果输出，再经D/A转换、多路开关、保持输出标准的模拟信号去控制执行器。
调节机构
流通截面积 操纵变量
另：辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构
执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。 它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推 动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 调节机构——根据推力产生位移或转角，改变开度。 它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。 所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 定位器——准确定位，改善调节机构的动态特性，实现分程控制的装置 手操机构——当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用 它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。
e
阶 跃 响 应 曲 线
e
e0
PID
0
t
KD 1


e0
0
e0
t
PID
I

D
0
I
e0
P
D

e0
P
t

0
t
控制器和执行器
4.1 . 2 PID运算电路
4 . 2 一个完整的控制器
1）输入电路 2）给定、指示电路 3）PID运算电路 4）自动手动切换电路 5）输出电路
4. 3 可编程数字控制器
比例带δ不但影响比例作用的强弱而且也影响微分作用的强弱 .
3. 比例微分(PD)调节器
K D de 1 1 de u K P (e ) (e ) 动态方程为 ： K P dt T D dt
传递函数为: G ( s ) 1 (1 TD s )

KD: 调节器的微分速度, 即当偏差改变100% 时,调节机构的 移动速度 。 TD: 微分时间。 越小微分作用越弱； 越大（长） , 表示微分作用越强，能克服容量和测量 滞后，但对突变信号反应过猛。
控制器和执行器
微 分 时 间 对 过 渡 过 程 的 影 响
能提高系统的响应速度，同时改
善过程的动态品质，抑制过渡过程
的最大动态偏差，有助于提高系统 的稳定性。 一般只适应于时间常数较大或多 容过程的调节控制，而不适用于流 量、压力等一些变化剧烈的过程。 其次，当微分作用太强时会导致系 统中的控制阀频繁开启，容易造成 系统振荡。 PD控制一般总是以比例动作为主， 微分动作为辅。
H
如果后面的环节不允许没有物料，调节 阀的作用形式？
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4.4.2 执行器的使用 1.参数：公称直径、阀座直径 流通能力：阀全开，前后压差为0.1MPa, 流体 2.组合类型：气开、气关、正装、反装 3.流量特性：
被控介质流过阀门相对流量与阀门相对开度之间的关系。
q qmax l f( ) L