调节器及其调节规律课件.ppt

1、第第3章章调节器及其调节规律调节器及其调节规律任课教师：何王勇任课教师：何王勇简介简介 控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律定值进行比较，得出偏差后，按一定的调节规律(PID)进行运算，输出进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。控制仪表按工作能源分类有：控制仪表按工作能源分类有：1电动仪表电动仪表 以以220VAC或或24VDC作为工作能源，其输入输出信号均采用作为工作能源，其输入输出信号均采用

2、010mA或或420mA的标准信号。的标准信号。简介（续）简介（续）2气动仪表气动仪表以以140kPa的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用20100kPa的标准气压信号。的标准气压信号。3自力式仪表自力式仪表hQ1Q2 不需要专门提供工不需要专门提供工作能源。作能源。例：自力式液位调例：自力式液位调节器节器3.1调节规律调节规律3.1.1概述概述调节器根据被调量调节器根据被调量y 与规定值与规定值r的偏差信号的偏差信号e(或再加上一些补充或再加上一些补充信号信号)而使执行机构按一定规律而使执行机构按一定规律(即控制规律即控制规律)动作动作,从

3、而引起调节机关位置从而引起调节机关位置的变化。调节器输入量为偏差的变化。调节器输入量为偏差e,输出量为调节机关位置输出量为调节机关位置,动态特性是指动态特性是指调节器的输出量与输入量的动态关系调节器的输出量与输入量的动态关系,常称作调节器的控制规律。常用的常称作调节器的控制规律。常用的调节器按其控制规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调调节器按其控制规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器、比例积分微分调节器。这些调节器的控制规律都是由基本调节作节器、比例积分微分调节器。这些调节器的控制规律都是由基本调节作用比例、积分、微分组合而成。用比例、积分、微分组合而成。3.1.1

4、概述（续）概述（续）PID 控制具有以下优点：控制具有以下优点：原理简单原理简单适应性强适应性强鲁棒性强鲁棒性强3.1.2基基本调节作用本调节作用PY()W()E()ssKs传递函数为传递函数为 1基本比例控制（基本比例控制（P）控制器输出控制器输出y（t）和偏差信号）和偏差信号e（t）成比例关系）成比例关系py(t)K e(t)Kp比例增益比例增益 Pye被控变量被控变量测量值测量值x被控变量被控变量给定值给定值xrv 比例控制的特点比例控制的特点:q控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。大，输

5、出的控制作用越强。q控制结存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也控制结存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零就为零 y=KP e即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。3.1.2基本调节作用（续基本调节作用（续1）在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表示比例控制作用的来表示比例控制作用的强弱。强弱。所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。化值之比，

6、用百分数表示。式中式中e为输入偏差；为输入偏差；y为控制器输出的变化量；（为控制器输出的变化量；（xmax-xmin）为测）为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（ymax ymin）为输出的最）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。大变化量，即控制器的输出量程。3.1.2基本调节作用（续基本调节作用（续2）maxminmaxmineyP(/)100%xxyy如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度比例度:Ce1P100%100%yKyxxrxmaxxminyminymax比例度除了表示控制比例度除了表示控制器输

7、入和输出之间的增益外，器输入和输出之间的增益外，还表明比例作用的有效区间。还表明比例作用的有效区间。3.1.2基本调节作用（续基本调节作用（续3）maxminmaxmineyP(/)100%xxyy比例带比例带P的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%100%时，所对应的偏差变化相对量。如时，所对应的偏差变化相对量。如P=50%P=50%表明：表明：控制器输入偏差变化控制器输入偏差变化50%，就可使控制器输出变化就可使控制器输出变化100%，若输入偏差变化超过此量，则若输入偏差变化超过此量，则控制器输出饱和，不再符合比控制器输出饱和，不再符合比例关系。例关系。yxxr0

8、100%50%xmaxxminP=50%P=100%3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续4）当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。作用。（1）积分控制（积分控制（I）输出变化量输出变化量y与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比01ytIedtT当当e是幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时01EyetIIdttTTTI 积分时间积分时间eEtty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续5）2 2比例积分控制（比例积分控制（PIPI）q积分作用具有保持功能，故积分积分作用具有保持功能，故积分控制可以

9、消除余差。控制可以消除余差。q积分输出信号随着时间逐渐增强积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。用。v积分控制的特点积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。失时，输出能保持在某一值上。eEtty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续6）若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。（2）比例积分控制（）比例积分控制（PI）011y()PtIeedtT若偏差是幅值

10、为若偏差是幅值为E的阶跃干扰的阶跃干扰E1y(1)PItTY()11()(1)()PIsW sE sT seEtty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续7）对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。作用。yDdeTdt式中：式中：TD 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分（1）微分控制（微分控制（D）eEtty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续8）3比例微分控制（比例微分控制（PD）q 微分作用能超前控制。在偏差出现微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，微分立即

11、产生强烈的调或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。之中。q微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和出为零，因此不能单独使用。必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEtty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续9）（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1y()PDdeeTdt1()(1)PDWsT seAttyt

12、y 理想微分作用持续时间太短，执行理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。分作用。3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续10）11()(1)PDIWsT sT sq 将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。比例积分微分控制（比例积分微分控制（PIDPID）011y()PtDIdeeedtTTdt3.1.2基本比例控制（续基本比例

13、控制（续11）q PID控制作用中，比例作用控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。于消除静差。etty3.1.2基本比例控制（续基本比例控制（续12）由由PI和和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。PIPD3.1.3PID运算电路运算电路o11V()V()I()dDsss Rno1o1o11()()1()V(s)11DdDDDD

14、VsVsC snnIsnR C sRC sIDV()sDDo11nR C s1V(s)n1sDDR C得得3.1.3PID运算电路（续运算电路（续1）1PD传递函数传递函数021()()VsVsO202O1V(s)11W()V(s)11ndDDdDDT snR C ssTnR C sns式中：式中：DDdCnRT 微分时间常数微分时间常数ID又因又因 得得 实际微分因子实际微分因子3.1.3PID运算电路（续运算电路（续2）q 阶跃响应阶跃响应 n0201V()1(1)V()DtTtnetn当当V01为阶跃信号时，为阶跃信号时，V02的阶跃响应为的阶跃响应为V02TD/nV01/n63%t 可

15、见，此电可见，此电路的微分是实际路的微分是实际的微分。的微分。3.1.3PID运算电路（续运算电路（续3）当当 S8 置于置于“断断”时，微分被切除，时，微分被切除，A2只作比例运算。有只作比例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻两端，使分压电阻两端，使CD右端始终跟右端始终跟随电压随电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时，保证无扰动切换。时，保证无扰动切换。3.1.3PID运算电路（续运算电路（续4）PI电路以电路以A3为核心组成，开关为核心组成，开关S3为积分时间倍乘开关。当为积分时间倍乘开关。当S3打向

16、打向1档时，档时，1K电阻被悬空，不起分压作用；当电阻被悬空，不起分压作用；当S3打向打向10档时，档时，1K电阻接到基准线，电阻接到基准线，静态静态V02被分压输入。被分压输入。由于由于10F电容电容积分需要积分需要较大电流，在较大电流，在A3输出端加一功输出端加一功放三极管。放三极管。3.1.3PID运算电路（续运算电路（续5）2PI电路分析电路分析)()(1)(322sVsCRsVmsVsCOMIOOI 030302()W()()VssVs)1(sCmRCCMIMI )11(sCmRCCIIMI 则则qPI传递函数传递函数IC负输入端节点电流方程（负输入端节点电流方程（S3置于置于10档

17、）：档）：3.1.3PID运算电路（续运算电路（续6）传函为传函为设设:Ti=mRICI 积分时间常数积分时间常数S3打向打向10档时：档时：m=10S3打向打向1档时：档时：m=1 030302()W()()VssVs)11(sCmRCCIIMI 031W(s)(1)TIMICCs 3.1.3PID运算电路（续运算电路（续7）q 阶跃响应阶跃响应 当当V02为阶跃信号时，为阶跃信号时，V03的阶跃响应为的阶跃响应为0302tV(t)(1)VTIMICC tV03（C I/CM）V02-V03t理想运放时理想运放时实际运放时实际运放时3.1.3PID运算电路（续运算电路（续8）输入电路：输入电

18、路：V01=2（Vi VS）030302V(s)1W(s)(1)V(s)TIMICCs O202O1V(s)1W()V(s)1nddT ssTnsPD电路：电路：PI电路：电路：PID运算是上述三个环节的串联而成。运算是上述三个环节的串联而成。3.1.3PID运算电路（续运算电路（续9）3PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数DD03IIIDisM11V(s)C2V(s)V(s)C1nTT sTT sTnsDI1TFT 干扰系数干扰系数MIC2CnPq PID传递函数传递函数 令：令：比例度比例度D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV(s)V(s)P1sK微分增益微分增益DKn

19、则：则：3.1.3PID运算电路（续运算电路（续10）（1）若）若TDKD，则上式分母实际微分项近似为，则上式分母实际微分项近似为1若若TD TI，则，则 DI11W()(1)sT sPT s这时这时 成为理想的成为理想的PID D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV(s)V(s)P1sKDI11TFT 3.1.3PID运算电路（续运算电路（续11）（2）调节器的实际比例度为调节器的实际比例度为P/F，实际微分时间为，实际微分时间为TD/F，实际，实际积分时间为积分时间为FTI。说明三个参数调整时互相干扰，造成调节器整定参数说明三个参数调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法准

20、确。的刻度无法准确。D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV(s)V(s)P1sKDI1=1.25TFT 各参数的实际值与各参数的实际值与F=1时相差时相差25%。例：当例：当TI/TD=4时，时，3.1.3PID运算电路（续运算电路（续12）q阶跃响应阶跃响应 整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成。整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成。调节范围：调节范围：P=2500%，TD=0.0410分分 TI=0.012.5分分 (1档档)，TI=0.125分分 (10档档)V03t3.1.3PID运算电路（续运算电路（续13）输出电路输出电路其任务是将其任务是将

21、PID电路输出电压电路输出电压VO3=15V变换为变换为420mA的电流输的电流输出，并将基准电平移至出，并将基准电平移至0V。在在A4后面用后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。的电流负反馈来保证良好的恒流特性。3.1.3PID运算电路（续运算电路（续14）测量及给定指示电路测量及给定指示电路 用动圈表头来指示测量值和给定值。用动圈表头来指示测量值和给定值。S5切换到切换到“标定标定”时，可进行时，可进行示值标定。示值标定。流过动圈表头的电流为流过动圈表头的电流为OiOOORVRVI 3.1.3PID运算

22、电路（续运算电路（续15）3.2调节器调节器3.2.1调节器的基本组成调节器的基本组成调节器主要由输入电路、运算电路和输出电路三部分组成。调节器主要由输入电路、运算电路和输出电路三部分组成。调节器一般接受来自变送器的电流输出信号，变换为电压信号后与给调节器一般接受来自变送器的电流输出信号，变换为电压信号后与给定值比较，产生偏差信号。该偏差信号经定值比较，产生偏差信号。该偏差信号经PID运算电路处理后，再由输出运算电路处理后，再由输出电路送出调节信号电流，以使执行器产生相应的动作。电路送出调节信号电流，以使执行器产生相应的动作。（1）输入电路）输入电路 一般调节器的输入电路包括偏差检测电路、内给

23、定稳压电一般调节器的输入电路包括偏差检测电路、内给定稳压电源电路、内外给定切换开关、正反作用选择开关及滤波电路等源电路、内外给定切换开关、正反作用选择开关及滤波电路等（2）运算电路）运算电路 根据设定的比例度根据设定的比例度（比例带）、积分时间和微分时间对偏（比例带）、积分时间和微分时间对偏差信号进行差信号进行PID运算。它是调节器实现运算。它是调节器实现PID控制规律的关键环节。控制规律的关键环节。（3）输出电路）输出电路 将运算电路的输出信号放大，提供调节器的输出信号。将运算电路的输出信号放大，提供调节器的输出信号。（4）手动操作电路）手动操作电路 由于控制系统或操作上的需要，一般调节器都

24、有由于控制系统或操作上的需要，一般调节器都有“手手动动/自动自动”模式。模式。（5）输出限幅电路）输出限幅电路3.2.1调节器的基本组成（续）调节器的基本组成（续）节器的作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后，得节器的作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程中的参数进行自动调节。假如被调参数的测量值增器工作，对生产过程中的参数进行自动调节。假如被调参数的测量值增加时，调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器；测量值增加时加时，

25、调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器；测量值增加时输出信号减小的则称为反作用调节器。输出信号减小的则称为反作用调节器。按照仪表所用能源，调节器有电动调节器、气动调节器及液动调节器按照仪表所用能源，调节器有电动调节器、气动调节器及液动调节器三种类型。电动调节器具有性能稳定、便于远距离传送等特点。三种类型。电动调节器具有性能稳定、便于远距离传送等特点。3.2.2调节器控制规律的实现方法调节器控制规律的实现方法3.2.2调节器控制规律的实现方法（续调节器控制规律的实现方法（续1）从调节规律来讲，从调节规律来讲，PID调节器是模拟调节器中最完善的调节器。调节器是模拟调节器中最完善的调节器。如果设

26、定如果设定PID调节器的积分时间调节器的积分时间TI时，即得到了比例微分（时，即得到了比例微分（PD）调节器；使微分时间调节器；使微分时间TD=0时，即成为比例积分（时，即成为比例积分（PI）调节器；同时使）调节器；同时使TI无穷大和无穷大和TD=0时，则成为纯比例（时，则成为纯比例（P）调节器。可见，）调节器。可见，PID、PI、PD和和P调节器的组成是基本相同的，它们之间只是运算电路部分有所不调节器的组成是基本相同的，它们之间只是运算电路部分有所不同。用传递函数表示调节器的输出与输入的关系如下：同。用传递函数表示调节器的输出与输入的关系如下：W（s）=K1+KWf（s）（3-24）式中，式

27、中，K为放大器增益；为放大器增益；W（s）为调节器的传递函数；）为调节器的传递函数；Wf（s）为反）为反馈回路的传递函数。馈回路的传递函数。如果放大器的增益如果放大器的增益K足够大的话，调节器的传递函数足够大的话，调节器的传递函数W即为反馈传递函即为反馈传递函数数W的倒数，即当的倒数，即当K时，有时，有 W（s）1/Wf（s）（）（3-25）这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算器的运算功能上是相反的，即这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算器的运算功能上是相反的，即反馈电路衰减几分之一，闭环放大器就放大多少倍；反馈电路是微分电路，反馈电路衰减几分之一，闭环放大器就放大多少倍；反馈电路是微分电路，则闭环放大电路必然具有积分作用，这就是利用负反馈回路实现各种调节规则闭环放大电路必然具有积分作用，这就是利用负反馈回路实现各种调节规律的基本原理。律的基本原理。3.2.2调节器控制规律的实现方法（续调节器控制规律的实现方法（续2）模拟式模拟式调节器调节器基本控制基本控制规律及特点规律及特点DDZ-基型调节器基型调节器PDP位式位式输入电路输入电路运算电路运算电路输出电路输出电路A、M、H电路电路指示电路指示电路PIPID3.3小结小结