《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章第第3 3章章 控制儀表控制儀表 控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。在反饋系統(tǒng)中控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。在反饋系統(tǒng)中其作用是把被控變量的測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，其作用是把被控變量的測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出控得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，以推動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)制信號(hào)，以推動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制?？刂?。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章控制儀表控制儀表按工作能源分類有：按工作能源分類有：1、電動(dòng)電動(dòng)儀表儀表以以220VAC或或24VDC作為工作能源，輸入輸出作為工作能源，輸入輸出均采用均采用010mA或或420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2、氣動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表以以140kPa的氣壓信號(hào)作為工作能源，輸入輸出的氣壓信號(hào)作為工作能源，輸入輸出均采用均采用20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章hQ1Q2 3、自力式儀表、自力式儀表不需要專門提供工作能源的控制儀表或裝置。不需要專門提供工作能源的控制儀表或裝置。例：自力式液位調(diào)節(jié)器例：自力式液位調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 控制儀表的發(fā)展基本上分為三個(gè)階段：控制儀表的發(fā)展基本上分為三個(gè)階段：1、基地式儀表基地式儀表 q 將將檢檢測(cè)測(cè)、控控制制、顯顯示示功功能能設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)在在一一個(gè)個(gè)整整體體內(nèi)內(nèi)，安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。q 安裝簡(jiǎn)單、使用方便，適用于小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。安裝簡(jiǎn)單、使用方便，適用于小規(guī)模控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2、單元式組合儀表單元式組合儀表單單元元組組合合式式儀儀表表是是將將儀儀表表按按其其功功能能的的不不同同分分成成若若干干單單元元（例例變變送送單單元元、給給定定單單元元、控控制制單單元元、顯顯示單元等），每個(gè)單元只完成其中的一種功能。示單元等），每個(gè)單元只完成其中的一種功能。各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。各個(gè)單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值顯示器顯示器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-型電動(dòng)儀表型電動(dòng)儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZDDZ型電動(dòng)型電動(dòng)儀表儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ型型組裝儀表組裝儀表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3、以微處理器為中心的控制儀表（裝置）以微處理器為中心的控制儀表（裝置）內(nèi)內(nèi)設(shè)設(shè)微微處處理理器器，用用軟軟件件實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控控制制功功能能，可可以以實(shí)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制?，F(xiàn)各種復(fù)雜控制。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：q工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（DDS）q集散控制裝置（集散控制裝置（DCS）q單回路數(shù)字控制器（單回路數(shù)字控制器（SLPC）q可編程數(shù)字控制器（可編程數(shù)字控制器（PLC）q現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置（現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置（FCS）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章YS80單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章YS100單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-S單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章CENTUM-XL綜合控制系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值3.1基本控制規(guī)律及特點(diǎn)基本控制規(guī)律及特點(diǎn)反饋控制器的輸入信號(hào)是測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)反饋控制器的輸入信號(hào)是測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)（內(nèi)部設(shè)定或外部輸入），將測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)（內(nèi)部設(shè)定或外部輸入），將測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)相比較后得到偏差信號(hào)后再進(jìn)行控制運(yùn)算相比較后得到偏差信號(hào)后再進(jìn)行控制運(yùn)算。e=r x 或或 e=x-r f(e)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 y=f(e)控制規(guī)律是指控制器的輸出與偏差之間的關(guān)系。控制規(guī)律是指控制器的輸出與偏差之間的關(guān)系。給定值給定值f(e)+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值控制規(guī)律有控制規(guī)律有斷續(xù)控制斷續(xù)控制和和連續(xù)控制連續(xù)控制兩類：兩類：一一、斷斷續(xù)續(xù)控控制制控控制制器器輸輸出出接接點(diǎn)點(diǎn)信信號(hào)號(hào)，如如雙雙位控制、三位控制。位控制、三位控制。二二、連連續(xù)續(xù)控控制制控控制制器器輸輸出出連連續(xù)續(xù)信信號(hào)號(hào)，如如比比例例控控制制、比比例例積積分分控控制制、比比例例微微分分控控制制、比比例例積積分分微分控制。微分控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章e 0 0 （或（或e 0 0）時(shí)時(shí)=ymaxyminye 0 0 0）時(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)雙位控制特性標(biāo)準(zhǔn)雙位控制特性ymaxyminey標(biāo)準(zhǔn)雙位控制特性標(biāo)準(zhǔn)雙位控制特性ymaxyminey3.1.1 雙位控制雙位控制雙雙位位控控制制器器只只有有兩兩個(gè)個(gè)輸輸出出值值，相相應(yīng)應(yīng)的的執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)只只有有開開和和關(guān)關(guān)兩兩個(gè)個(gè)極極限限位位置置，因因此此又又稱稱開開關(guān)關(guān)控控制制。標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)雙位控制器輸出準(zhǔn)雙位控制器輸出y與偏差與偏差e之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 例例1：溫度雙位控制系統(tǒng)：溫度雙位控制系統(tǒng)：溫度低于給定值時(shí)，溫控器輸出高電平，繼電溫度低于給定值時(shí)，溫控器輸出高電平，繼電器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時(shí)，溫器吸合，加熱器通電加熱；溫度高于給定值時(shí)，溫控器輸出低電平，繼電器斷開，加熱器斷電?？仄鬏敵龅碗娖剑^電器斷開，加熱器斷電。220V繼電器繼電器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章標(biāo)準(zhǔn)雙位控制過程：標(biāo)準(zhǔn)雙位控制過程：被控溫度在給定值被控溫度在給定值Tr附近持續(xù)振蕩，無法穩(wěn)定。附近持續(xù)振蕩，無法穩(wěn)定。tTty加熱功率加熱功率Tr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章為了減少振蕩，可采用有中間區(qū)的雙位控制：為了減少振蕩，可采用有中間區(qū)的雙位控制：e 0 ）時(shí)時(shí)=yyminymaxe 0 （或（或e -0 ）時(shí)時(shí)有中間區(qū)的雙位控制特性有中間區(qū)的雙位控制特性-0ey0有中間區(qū)的雙位控制特性有中間區(qū)的雙位控制特性-0ey0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 具具有有中中間間區(qū)區(qū)的的雙雙位位控控制制過過程程可可以以延延長(zhǎng)長(zhǎng)振振蕩蕩周周期期、降降低低振振蕩蕩頻頻率率，但但被被控控溫溫度度振振幅幅加加大大（在在TH，TL區(qū)間振蕩）。區(qū)間振蕩）。tTTHTLtp加熱功率加熱功率過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章二位式控制器電路原理框圖：二位式控制器電路原理框圖：測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)給定信號(hào)給定信號(hào)U0是是一一種種最最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的的控控制制器器，根根據(jù)據(jù)被被控控量量偏偏差差的的正正、負(fù)負(fù)，輸輸出出只只有有兩兩種種信信號(hào)號(hào)，高高電電平平或或低低電平，可以當(dāng)一個(gè)電子開關(guān)用。電平，可以當(dāng)一個(gè)電子開關(guān)用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章三位控制：三位控制：控制器有三個(gè)輸出位值，控制器有三個(gè)輸出位值，可以控制兩個(gè)繼電器?？梢钥刂苾蓚€(gè)繼電器。測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)給定給定1U01U02給定給定2J1J2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 三位控制的動(dòng)作規(guī)律：三位控制的動(dòng)作規(guī)律：控制器有兩個(gè)設(shè)定值。當(dāng)偏差值小于上限設(shè)定控制器有兩個(gè)設(shè)定值。當(dāng)偏差值小于上限設(shè)定時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。?；當(dāng)偏差值大時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。划?dāng)偏差值大于下限設(shè)定時(shí)，輸出為最?。ɑ蜃畲螅?；當(dāng)偏差值于下限設(shè)定時(shí)，輸出為最?。ɑ蜃畲螅?；當(dāng)偏差值位于設(shè)定區(qū)間時(shí)，輸出中間值。位于設(shè)定區(qū)間時(shí)，輸出中間值。ymaxymineye2e1ymaxymineye2e1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 例例2：溫度三位控制系統(tǒng)溫度三位控制系統(tǒng) 溫度低于溫度低于T1時(shí)時(shí)J1、J2 都吸合，加熱器都吸合，加熱器1、2都通電都通電加熱；溫度高于加熱；溫度高于T1低于低于T2時(shí)，時(shí)，J1斷開使加熱器斷開使加熱器1斷開，斷開，只有加熱器只有加熱器2通電；溫度高于通電；溫度高于T2時(shí)時(shí)J1、J2都斷開使加熱都斷開使加熱器器1、2都斷開。都斷開。J1J2T2T112220V過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 三三位位控控制制效效果果：溫溫度度偏偏差差大大時(shí)時(shí)升升溫溫速速度度快快；溫溫度偏差小時(shí)小幅調(diào)整。振蕩幅值明顯減小。度偏差小時(shí)小幅調(diào)整。振蕩幅值明顯減小。要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。續(xù)變化的調(diào)節(jié)器。tpTT2T1t加熱功率加熱功率過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 3.1.2 比例控制（比例控制（P）控制器輸出增量控制器輸出增量y(t)和偏差信號(hào)和偏差信號(hào)e(t)成比例關(guān)系成比例關(guān)系Kp比例增益比例增益 Pye測(cè)量值測(cè)量值x給定值給定值xr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：浮浮球球?yàn)闉樗晃粋鱾鞲懈衅髌?，杠杠桿桿為為控控制制器器，活活塞塞閥閥為為執(zhí)執(zhí)行行器器。如如果果某某時(shí)時(shí)刻刻Q2加加大大，造造成成水水位位下下降降，則則浮浮球帶動(dòng)活塞提高，使球帶動(dòng)活塞提高，使Q1加大，阻止水位下降。加大，阻止水位下降。標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式：標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式：y y 控制器的輸出增量控制器的輸出增量 e 控制器的輸入偏差控制器的輸入偏差KP 控制器的放大倍數(shù)控制器的放大倍數(shù) 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章用放大倍數(shù)用放大倍數(shù)K KP P 表達(dá)控制器比例控制作用的局限性表達(dá)控制器比例控制作用的局限性yxxrxmaxxminyminymax放大倍數(shù)表示儀表的輸入輸出之比例關(guān)系，但放大倍數(shù)表示儀表的輸入輸出之比例關(guān)系，但不能表達(dá)儀表在多大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系。對(duì)于實(shí)不能表達(dá)儀表在多大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系。對(duì)于實(shí)際的儀器儀表，其輸入輸出范圍都是有限的，還需際的儀器儀表，其輸入輸出范圍都是有限的，還需要表達(dá)此關(guān)系成立的區(qū)間。因此，工程上用比例度要表達(dá)此關(guān)系成立的區(qū)間。因此，工程上用比例度P表示比例控制作用的強(qiáng)弱。表示比例控制作用的強(qiáng)弱。Pye測(cè)量值測(cè)量值x給定值給定值xr過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。值與相應(yīng)的輸出相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。（xmax-xmin）控制器的輸入量程控制器的輸入量程（ymax ymin）控制器的輸出量程控制器的輸出量程如果控制器輸入、輸出量程相等，則如果控制器輸入、輸出量程相等，則:yxxrxmaxxminyminymaxye過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章使使控控制制器器輸輸出出變變化化100%時(shí)時(shí)，對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的輸輸入入偏偏差差變化范圍。如變化范圍。如 P=50%表明：表明：控制器輸入偏差量為控制器輸入偏差量為輸入范圍的輸入范圍的50%，就可使，就可使控制器輸出變化控制器輸出變化100%，若，若輸入偏差變化超過此量，輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出飽和，不再則控制器輸出飽和，不再符合比例關(guān)系。符合比例關(guān)系。yxxr0100%50%xmaxxminP=50%P=100%比比例例度度除除了了表表達(dá)達(dá)控控制制器器輸輸入入和和輸輸出出之之間間的的增增益益外，還表達(dá)了比例作用的有效區(qū)間。其物理意義：外，還表達(dá)了比例作用的有效區(qū)間。其物理意義：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 比例度計(jì)算比例度計(jì)算舉例：舉例：某某比比例例控控制制器器，溫溫度度測(cè)測(cè)量量范范圍圍為為400800，輸輸出出控控制制信信號(hào)號(hào)范范圍圍是是420mA。若若測(cè)測(cè)量量顯顯示示從從600變變到到700時(shí)時(shí)，控控制制器器相相應(yīng)應(yīng)的的輸輸出出從從8mA變變?yōu)闉?6mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。解解答答：溫溫度度的的偏偏差差在在輸輸入入量量程程的的50（即即200）區(qū)區(qū)間間內(nèi)內(nèi)時(shí)，時(shí)，e和和y是是2倍關(guān)系。倍關(guān)系。y/mAx/e420800400P=50%過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 yv 比例控制的特點(diǎn)比例控制的特點(diǎn)q控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時(shí)、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強(qiáng)。q控制結(jié)果控制結(jié)果存在靜差。存在靜差。位式控制位式控制比例控制比例控制過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章可可知知：如如果果被被調(diào)調(diào)量量偏偏差差為為零零，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的輸輸出出增增量也就為零。量也就為零。即控制作用是以偏差存在為前提條件，不可能做即控制作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。因?yàn)椋旱綗o靜差調(diào)節(jié)。因?yàn)椋簓=KP e 如圖所示：若如圖所示：若e=0，則活塞無法提高，則活塞無法提高，Q1 無法加大，則沒有調(diào)節(jié)無法加大，則沒有調(diào)節(jié)作用。作用。y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章Q2hteyQ1tttt控制過程：控制過程：設(shè)設(shè)t=0時(shí)出水量階躍增加，引起液位時(shí)出水量階躍增加，引起液位下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。當(dāng)進(jìn)水量增加到下降，浮球下移帶動(dòng)進(jìn)水閥開大。當(dāng)進(jìn)水量增加到與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)又平衡。但液位比原來略低。與出水量相等時(shí)，系統(tǒng)又平衡。但液位比原來略低。y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.1.3 比例積分控制（比例積分控制（PI）當(dāng)要求控制精度較高時(shí)，就需要在比例控制的當(dāng)要求控制精度較高時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用?；A(chǔ)上，加積分控制作用。（1）積分控制積分控制（I）當(dāng)當(dāng)e是幅值為是幅值為E的階躍時(shí)的階躍時(shí)TI 積分時(shí)間積分時(shí)間y y的簡(jiǎn)寫的簡(jiǎn)寫當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持。當(dāng)偏差消失時(shí)，輸出保持。eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q積積分分作作用用有有保保持持功功能能，故故積積分分控制可以消除余差。控制可以消除余差。q積積分分輸輸出出隨隨時(shí)時(shí)間間逐逐漸漸增增強(qiáng)強(qiáng)，控控制動(dòng)作緩慢，故積分不單獨(dú)使用。制動(dòng)作緩慢，故積分不單獨(dú)使用。v 積分控制的特點(diǎn)積分控制的特點(diǎn)輸輸出出變變化化量量y與與偏偏差差e的的積積分分成成正正比比。當(dāng)當(dāng)有有偏偏差差存存在在時(shí)時(shí)，積積分分輸輸出出將將隨隨時(shí)時(shí)間間增增長(zhǎng)長(zhǎng)（或或減減小小）；當(dāng)當(dāng)偏偏差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。差消失時(shí)，輸出保持在某一值上。eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（2）比例積分控制（比例積分控制（PI）若將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又若將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又能消除余差能消除余差。若偏差是幅值為若偏差是幅值為E的階躍干擾的階躍干擾eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 3.1.4 比例微分控制比例微分控制（PD）對(duì)對(duì)于于慣慣性性較較大大的的對(duì)對(duì)象象，常常常常希希望望能能加加快快控控制制速速度，此時(shí)可增加微分作用。度，此時(shí)可增加微分作用。偏差變化速度；偏差變化速度；TD 微分時(shí)間微分時(shí)間 理想微分理想微分（1）微分控制（微分控制（D）ettp如果偏差是斜坡信號(hào)，則如果偏差是斜坡信號(hào)，則微分作用為階躍信號(hào)。微分作用為階躍信號(hào)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q 微微分分作作用用能能超超前前控控制制。在在偏偏差差出出現(xiàn)現(xiàn)或或變變化化的的瞬瞬間間，微微分分立立即即產(chǎn)產(chǎn)生生強(qiáng)強(qiáng)烈烈的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)作作用用，使使偏偏差差盡盡快快地地消除于萌芽狀態(tài)之中。消除于萌芽狀態(tài)之中。q微微分分對(duì)對(duì)靜靜態(tài)態(tài)偏偏差差毫毫無無控控制制能能力力。當(dāng)當(dāng)偏偏差差存存在在，但但不不變變化化時(shí)時(shí)，微微分分輸輸出出為為零零。因因此此微微分分不不能能單單獨(dú)獨(dú)使使用用，必必須須和和P或或PI組合控制。組合控制。v 微分控制的特點(diǎn)微分控制的特點(diǎn)eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（2）比例微分控制（）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制：理想的比例微分控制：理想微分作用對(duì)高頻干擾理想微分作用對(duì)高頻干擾很敏感，會(huì)對(duì)執(zhí)行器造成沖擊。很敏感，會(huì)對(duì)執(zhí)行器造成沖擊。工業(yè)中經(jīng)常使用實(shí)際的比例微工業(yè)中經(jīng)常使用實(shí)際的比例微分作用。分作用。eEtty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章實(shí)際的比例微分作用：實(shí)際的比例微分作用：eEttyq將將比比例例、積積分分、微微分分結(jié)結(jié)合合在在一一起起，只只要要強(qiáng)強(qiáng)度度配配合適當(dāng)，既合適當(dāng)，既能快速能快速調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，又能消除余差，又能消除余差。實(shí)際的比例微分作用帶有一實(shí)際的比例微分作用帶有一階慣性。它限制了微分沖擊幅度，階慣性。它限制了微分沖擊幅度，放緩了信號(hào)變化速度。放緩了信號(hào)變化速度。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q PID控制中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分用于加控制中，比例作用是基礎(chǔ)控制；微分用于加快系統(tǒng)控制速度；積分用于消除靜差?？煜到y(tǒng)控制速度；積分用于消除靜差。q 不是所有對(duì)象都是用不是所有對(duì)象都是用PID控制最好。控制最好。etty3.1.5 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PID）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.1 DDZ-型儀表的特點(diǎn)型儀表的特點(diǎn)1）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：420mA DC和和15V DC，其主要，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制；并且容易識(shí)別優(yōu)點(diǎn)是可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制；并且容易識(shí)別斷電、斷線等故障。斷電、斷線等故障。2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。提高、可靠性提高、維修工作量減少。3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。3.2 模擬式控制器模擬式控制器模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。其發(fā)展模擬式控制器用模擬電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。其發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)歷了DDZ-、型（型（D-電動(dòng)電動(dòng)D-單元單元Z-組合）。組合）。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2-輸入指示器輸入指示器7-外給定指示燈外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪內(nèi)給定設(shè)定輪1-AMH切換開關(guān)切換開關(guān)5-輸出指針輸出指針4-硬手動(dòng)操作桿硬手動(dòng)操作桿6-軟手動(dòng)操作板鍵軟手動(dòng)操作板鍵3.2.2 DDZ-型控制器的型控制器的組成與操作組成與操作過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章DDZ-基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、自動(dòng)與手動(dòng)（硬運(yùn)算電路、自動(dòng)與手動(dòng)（硬手動(dòng)和軟手動(dòng)）切換電路、輸出電路及指示電路。手動(dòng)和軟手動(dòng)）切換電路、輸出電路及指示電路。輸入電路PD電路PI電路輸出電路測(cè)量外給內(nèi)給定電路給定值指示輸出指示軟手動(dòng)電路硬手動(dòng)電路測(cè)量值指示內(nèi)給S6S1MHA圖圖3.11 DDZ-型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3全刻度指示調(diào)節(jié)器電路原理全刻度指示調(diào)節(jié)器電路原理過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3.1輸入電路輸入電路輸入電路的首要任務(wù)是求偏差。從變送器傳來輸入電路的首要任務(wù)是求偏差。從變送器傳來的測(cè)量信號(hào)電流經(jīng)的測(cè)量信號(hào)電流經(jīng)250電阻轉(zhuǎn)換成輸入電壓電阻轉(zhuǎn)換成輸入電壓Vi ，采采用用差動(dòng)輸入方式差動(dòng)輸入方式求偏差求偏差 e：V01=k(V給定給定 V測(cè)量測(cè)量 )Rcm1、Rcm2-接地線的接地線的等效電阻等效電阻過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章可列出運(yùn)放兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：可列出運(yùn)放兩輸入節(jié)點(diǎn)的電流方程：Vcm1、Vcm2 -接地線上的壓降接地線上的壓降-端端+端端過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章因因 V+V-則則 V01=2（Vi VS）得得過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 電路功能及特點(diǎn)電路功能及特點(diǎn)（1）輸入阻抗高輸入阻抗高采采用用差差動(dòng)動(dòng)輸輸入入電電路路，輸輸入入阻阻抗抗很很高高，不不從從信信號(hào)號(hào)源源Vi、VS 取電流，輸入信號(hào)不衰減。取電流，輸入信號(hào)不衰減。（2）求偏差求偏差 進(jìn)行偏差運(yùn)算：進(jìn)行偏差運(yùn)算：Vi VS（3）將偏差放大將偏差放大 為為了了提提高高對(duì)對(duì)偏偏差差的的靈靈敏敏度度，對(duì)對(duì)其其后后的的運(yùn)運(yùn)算算有有利利，這里先將偏差放大兩倍。這里先將偏差放大兩倍。V01=2（Vi VS）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（4）消除傳輸線上壓降的影響消除傳輸線上壓降的影響 DDZ-采采用用共共用用電電源源，在在Vi的的傳傳輸輸線線上上可可能能包包括括其其它它儀儀表表的的電電流流，導(dǎo)導(dǎo)線線電電阻阻雖雖不不大大但但其其壓壓降降不不可可忽略。忽略。差動(dòng)輸入可以消除差動(dòng)輸入可以消除導(dǎo)線電阻的影響。導(dǎo)線電阻的影響。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（5）進(jìn)行電平移動(dòng)進(jìn)行電平移動(dòng) Vi、VS都都是是以以地地為為基基準(zhǔn)準(zhǔn)的的電電壓壓信信號(hào)號(hào)，而而運(yùn)運(yùn)放放IC器器件件+24VDC供供電電時(shí)時(shí)，其其正正常常工工作作輸輸入入、輸輸出出信信號(hào)號(hào)電電壓壓范范圍圍在在219V。為為使使信信號(hào)號(hào)符符合合IC工工作作范范圍圍，必必須須將將IC基準(zhǔn)電壓從基準(zhǔn)電壓從0V抬高到抬高到VB=10V，即電平移動(dòng)。，即電平移動(dòng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章計(jì)算：計(jì)算：因?yàn)橐驗(yàn)?Vs=15V，VCM1=VCM2=01V 如果如果 VB=0，則：，則：V+V-IC不能正常工作不能正常工作 不符合后面不符合后面PID電路電路IC的的輸入范圍要求輸入范圍要求過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章VO1=-2（Vi-VS）=218V 后面后面PID電路的電路的IC輸入也處于允許范圍之內(nèi)。輸入也處于允許范圍之內(nèi)。而而 VB=10V時(shí)：時(shí)：V+=V-=3.75.7V保保證證IC共共模模電電壓壓在在允允許許范范圍圍之之內(nèi)內(nèi)，IC能正常放大。能正常放大。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 3.2.3.2 PID運(yùn)算電路運(yùn)算電路PID運(yùn)運(yùn)算算電電路路由由PI和和PD兩兩個(gè)個(gè)運(yùn)運(yùn)算算電電路路串串聯(lián)聯(lián)而而成成。由由于于輸輸入入電電路路中中已已采采取取電電平平移移動(dòng)動(dòng)措措施施，此此電電路路各信號(hào)電壓都是以各信號(hào)電壓都是以VB=10V為基準(zhǔn)的。為基準(zhǔn)的。PIPD過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 1、PD電路分析電路分析 PD電電路路以以A2為為核核心心組組成成。微微分分作作用用可可以以選選擇擇：開開關(guān)關(guān)S8打打向向“通通”時(shí)時(shí)，構(gòu)構(gòu)成成 PD電電路路；開開關(guān)關(guān)S8打打向向“斷斷”時(shí)，微分作用被切斷。時(shí)，微分作用被切斷。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章qPD傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)ID得：得：而：而：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章式中：式中：微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)ID得：得：實(shí)際微分因子實(shí)際微分因子過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) 當(dāng)當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，為階躍信號(hào)時(shí)，V02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為V02TD/nV01/n63%tID實(shí)際微分實(shí)際微分因子造成因子造成過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 當(dāng)當(dāng)S8置置于于“斷斷”時(shí)時(shí)，微微分分切切除除，A2只只作作比比例例運(yùn)運(yùn)算算。這這時(shí)時(shí)微微分分電電容容被被開開關(guān)關(guān)S8接接在在9.1K電電阻阻兩兩端端，使使CD右右端端始始終終跟跟隨隨電電壓壓V01/n。當(dāng)當(dāng)開開關(guān)關(guān)S8切切換換到到“通通”時(shí)時(shí)，保證無擾動(dòng)切換。，保證無擾動(dòng)切換。比例運(yùn)算時(shí)：比例運(yùn)算時(shí)：得得過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 2、PI電路分析電路分析PI電路以電路以A3為核心組成。開關(guān)為核心組成。開關(guān)S3為積分時(shí)間倍乘為積分時(shí)間倍乘開關(guān)：當(dāng)開關(guān)：當(dāng)S3打向打向1檔時(shí)，檔時(shí)，1K電阻被懸空，不起分壓作電阻被懸空，不起分壓作用；當(dāng)用；當(dāng)S3打向打向10檔時(shí)，檔時(shí)，1K電阻接到基準(zhǔn)線，電阻接到基準(zhǔn)線，RI兩端兩端電壓為電壓為V02/m。由于由于10F電電容容積積分需要較大電流，在分需要較大電流，在A3輸出端加一功放三輸出端加一功放三極管。極管。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章則則qPI傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)A3負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程（負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程（S3置于置于10檔）：檔）：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章傳函為傳函為令：令：TI=m RICI 積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù)S3打向打向10檔時(shí)：檔時(shí)：m=10S3打向打向1檔時(shí)：檔時(shí)：m=1 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) 當(dāng)當(dāng)V02為階躍信號(hào)時(shí)，為階躍信號(hào)時(shí)，V03的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為（C I/CM）V02-V03tt-V03理想運(yùn)放時(shí)理想運(yùn)放時(shí)實(shí)際運(yùn)放時(shí)實(shí)際運(yùn)放時(shí)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3、PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：輸入電路：PD電路：電路：PI電路：電路：PID運(yùn)算是上述三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。運(yùn)算是上述三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章干擾系數(shù)干擾系數(shù)q PID傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 令：令：比例度比例度微分增益微分增益則：則：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（1）若）若TDKD，則則上式分母上式分母實(shí)際實(shí)際微分微分項(xiàng)項(xiàng)近似近似為為1若若TD TI，則則 這時(shí)這時(shí) 為理想的為理想的PID 的討論：的討論：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章（2）調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器的的實(shí)實(shí)際際比比例例度度為為P/F，實(shí)實(shí)際際微微分分時(shí)時(shí)間間為為TD/F，實(shí)實(shí)際際積積分分時(shí)時(shí)間間為為FTI，而而F不不固固定定。說說明明三三個(gè)個(gè)參參數(shù)數(shù)調(diào)調(diào)整整時(shí)時(shí)互互相相干干擾擾，造造成成調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器整整定定參參數(shù)數(shù)PID的刻度無法準(zhǔn)確。的刻度無法準(zhǔn)確。各參數(shù)的實(shí)際值與各參數(shù)的實(shí)際值與F=1時(shí)相差時(shí)相差25%。例：當(dāng)例：當(dāng)TI/TD=4時(shí)，時(shí)，過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章q階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) PID階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)曲曲線線由由比比例例項(xiàng)項(xiàng)、實(shí)實(shí)際際微微分分項(xiàng)項(xiàng)和和積積分項(xiàng)三部分組成。分項(xiàng)三部分組成。參數(shù)調(diào)整范圍：參數(shù)調(diào)整范圍：V03tP=2500%TD=0.0410分分TI=0.012.5分分 (1檔檔)TI=0.125分分 (10檔檔)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3.3輸出電路輸出電路其其任任務(wù)務(wù)是是將將PID電電路路輸輸出出電電壓壓VO3=15V變變換換為為420mA的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0V。在在A4后后面面用用VT1、VT2組組成成復(fù)復(fù)合合管管進(jìn)進(jìn)行行電電流流放放大大，強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋If保證良好的恒流特性。保證良好的恒流特性。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章?。喝。篟3=R4=10K，R1=R2=4R3 由由V+V-得得 q轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章解得：解得：另有：另有：則則可以證明：可以證明：若取若取 R1=4（R3+Rf）=40.25K此式精確。此式精確。代入代入而而過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3.3 手動(dòng)操作電路及無擾切換手動(dòng)操作電路及無擾切換通通過過切切換換開開關(guān)關(guān)S1可可以以選選擇擇自自動(dòng)動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)“A”、軟軟手手動(dòng)操作動(dòng)操作“M”、硬手動(dòng)操作、硬手動(dòng)操作“H”三種控制方式。三種控制方式。AM無沖擊無沖擊1.A、M間的切換間的切換S1從從A切換到切換到M時(shí)時(shí)：斷開斷開A3的輸入的輸入CM無放電回路無放電回路VO3保持不變保持不變過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章按按S42閉合閉合-VM接入接入以以TI=100s的時(shí)間積分的時(shí)間積分按按S41閉合閉合-VM接入接入以以TI=6s的時(shí)間積分的時(shí)間積分同理按同理按S43（或或S44）閉合閉合+VM接入接入反向積分反向積分用手動(dòng)操作來改變調(diào)節(jié)器輸出，信號(hào)變化比較用手動(dòng)操作來改變調(diào)節(jié)器輸出，信號(hào)變化比較緩和，稱為緩和，稱為“軟手動(dòng)軟手動(dòng)”。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章2A、H間的切換間的切換切換開關(guān)切換開關(guān)S1由位置由位置A切向硬手動(dòng)切向硬手動(dòng) H 時(shí)，放大器時(shí)，放大器A3接成具有慣性的比例電路。接成具有慣性的比例電路。由于由于CM充電迅速，充電迅速，A3的輸出近似為比例電路，的輸出近似為比例電路，輸出幅值由輸出幅值由VH決定。決定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章v 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)vA、M H前前，須須先先調(diào)調(diào)RPH與與當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)的的VO3一一致致，才才能能做做到到無無擾動(dòng)切換，即需平衡才無擾。擾動(dòng)切換，即需平衡才無擾。T=RFCM =301031010-6=0.3sA3負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程：負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程：說明說明VO3變化很快變化很快過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3M、HA間的切換間的切換S1由由A切向切向M或或H時(shí)，聯(lián)動(dòng)開關(guān)同時(shí)將積分電容時(shí)，聯(lián)動(dòng)開關(guān)同時(shí)將積分電容CI接接VB，使，使VCI始終等于始終等于V02。當(dāng)。當(dāng)S1再由再由H、M切回切回A時(shí)，時(shí)，由于電壓沒有突變，切換也是無擾動(dòng)的。由于電壓沒有突變，切換也是無擾動(dòng)的。自動(dòng)（自動(dòng)（A）軟手動(dòng)（軟手動(dòng)（M）無擾無擾 無擾無擾硬手動(dòng)（硬手動(dòng)（H）無擾無擾有擾有擾總結(jié)：總結(jié)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章3.2.3.4 測(cè)量及給定指示電路測(cè)量及給定指示電路 用動(dòng)圈表頭來指示測(cè)量值或給定值。用動(dòng)圈表頭來指示測(cè)量值或給定值。S5切換到切換到“標(biāo)定標(biāo)定”時(shí)，可進(jìn)行示值標(biāo)定。時(shí)，可進(jìn)行示值標(biāo)定。流過動(dòng)圈表頭的電流為流過動(dòng)圈表頭的電流為過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章 DDZ-型是模擬儀表的典型代表。實(shí)際電路中還型是模擬儀表的典型代表。實(shí)際電路中還有電源、補(bǔ)償、濾波、保護(hù)、調(diào)整等輔助環(huán)節(jié)。有電源、補(bǔ)償、濾波、保護(hù)、調(diào)整等輔助環(huán)節(jié)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第3章章小結(jié)小結(jié)基本控制基本控制規(guī)律及特點(diǎn)規(guī)律及特點(diǎn)模擬式控制模擬式控制器器DDZ-DDZ-PDP位式位式輸入電路輸入電路運(yùn)算電路運(yùn)算電路輸出電路輸出電路A、M、H電路電路指示電路指示電路PIPID 作業(yè)（作業(yè)（P106）：）：3-1、3-6、3-10、3-14題題