1、化工过程自动化西北民族大学化工学院6 控制器控制器6.1 概述6.2 基本控制规律6.3 模拟式控制器6.4 数字式控制器6.1 概述概述 控制器是控制系统的核心。6.1.1 控制器的作用6.1.2 控制器的分类6.1.1 控制器的作用控制器的作用 控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。控制器在闭环控制系统中将检测变送环节传送过来的信息与被控变量的设定值比较后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制规律进行运算，最终输出控制信号作用于执行器上。6.1.2 控制器的分类控制器的分类 控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。（1）按能源形式：电动和气动（2）按信号
2、类型：模拟式和数字式（3）按结构形式：基地式、单元组合式、组装式、集散控制系统气动控制仪表气动控制仪表 气动控制仪表发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因此广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。电动控制仪表电动控制仪表 电动控制仪表相对气动控制仪表出现得较晚，但由于电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表容易得多，并且容易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极为迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能使用电动控制仪表。目前采
3、用的控制器以电动控制器占绝大多数。模拟式控制仪表模拟式控制仪表 模拟式控制仪表的传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简单，操作方便，在过程控制中已经广泛应用。数字式控制仪表数字式控制仪表 数字式控制仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，以微型计算机为核心，其功能完善，性能优越，能够解决模拟式仪表难以解决的问题。近二十年来数字式控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制中，以提高控制质量。基地式控制仪表基地式控制仪表 基地式控制仪表将控制机构与指示、记录机构组成一体，结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般仅用于一些简单控制系统。单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表 单元组合式控制仪表是将整套仪
4、表划分成能独立实现某种功能的若干单元，各个单元之间用统一标准信号联系。将各个单元进行不同的组合，可以构成具有各种功能的控制系统，使用灵活方便。目前使用较多的单元组合式控制器属电动型，而在一些老装置上电动型控制器还在使用，气动单元控制器由于控制滞后太大已经很少使用。组装式控制器组装式控制器 组装式控制器是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。集散控制系统集散控制系统 随着计算机技术发展，出现了各种以微处理器为基础的控制器，在结构、功能、可靠性等各个方面都使控制器进入一个新阶段。近二十多年来出现了许多基于集散控制系统或者现场总线的控制器，它们除了控制功能外，还具有
5、网络通信等功能，适应信息社会大规模生产需要。6.2 基本控制规律基本控制规律6.2.1 基本概念基本概念6.2.2 双位控制双位控制6.2.3 比例控制比例控制(P)6.2.4 比例积分控制比例积分控制(PI)6.2.5 比例微分控制比例微分控制(PD)6.2.6 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID)6.2.1 基本概念基本概念 过程控制一般是指连续控制系统，控制器的输出随时间的变化发生连续变化。不管是何种控制器，都有其基本的控制规律。控制规律的定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制器的输入信号e(t)：是测量值y(t)与被控变量的设定值之差，即e(t)=y(t)-r(t)
6、；控制器的输出信号：是送往执行机构的控制命令u(t)。基本的控制规律基本的控制规律 研究控制器的控制规律时是把控制器与系统断开的，即只在开环时单独研究控制器本身的特性。在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号u(t)随时间的变化规律。基本的控制规律共有四种，即：位式控制（其中以双位控制比较常见）、比例控制、积分控制、微分控制，以及它们的组合形式。研究基本的控制规律的意义研究基本的控制规律的意义 不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。要选
7、用合适的控制器，首先必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，然后，根据过渡过程品质指标要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。举例说明选用控制系统举例说明选用控制系统 以蒸汽加热反应釜为例：设反应温度为85，反应过程是轻微放热的，还需要从外界补充一些热量。双位控制双位控制 发现温度一低于85，就把蒸汽阀门全开，一高于85，就全关，这种做法称双位控制，因为阀门开度只有两个位置，全开或全关。可以看到，阀门在全开时，供应的蒸汽量一定多于需要量，因此温度将会上升，超过设定值85；阀门在全关时，供应的蒸汽量一定少于需要量，因此温度将会下降，低于设定值85。有了这一多一少能起到控制温度的作用，然而
8、又使供需一直不平衡，温度波动不可避免，它是一个持续振荡过程。用双位控制规律来控制反应器温度，显然控制质量差，一般不采用。改进控制方案改进控制方案 若在正常情况下，温度为85，阀门开度是三圈，有人这样做，若温度高于85，每高出5就关一圈阀门；若低于85，每降低5就开一圈阀门。显然，阀门的开启度与偏差成比例关系，用数学公式表示则为：式中y是测量值。）（开启圈数85513y 比例控制比例控制 比例控制规律模仿上述操作方式，控制器的输出u(t)与偏差e(t)有一一对应关系：u(t)=u(0)+Kce(t)式中u(t)是比例控制器的输出；u(0)是偏差e为零时的控制器输出，e=y-r；Kc是控制器的比例
9、放大倍数。比例控制的缺点是在负荷变化时有余差。例如，在这一例子中，如果工况有变动，阀门开三圈，就不再能使温度保持在85。再次改进控制方案再次改进控制方案 比例操作方式不能使温度回到设定值，有余差存在。为了消除余差，有人这样做：把阀门开启数圈后，不断观察测量值，若低于85，则慢慢地继续开大阀门；若高于85，则慢慢地把阀门关小，直到温度回到85。与上一方式的基本差别是，这种方式是按偏差来决定阀门开启或关闭的速度，而不是直接决定阀门开启的圈数。积分控制积分控制 积分控制规律就是模仿上述操作方式。控制器输出的变化速度与偏差成正比，即 或 由积分式可看出，只要有偏差随时间而存在，控制器输出总是在不断变化
10、，直到偏差为零时，输出才会稳定在某一数值上。)()(teKdttduItIdtteKutu0)()0()(微分控制微分控制 由于温度过程的容量滞后较大，当出现偏差时，其数值已较大，为此，有人再补充这样的经验，观察偏差的变化速度即趋势来开启阀门的圈数，这样可抑制偏差幅度，易于控制。微分控制规律就是模仿这种操作方式，控制器的输出与偏差变化速度成正比，用数学公式表示为：dttdeTtuD)()(6.2.2 双位控制双位控制 理想的双位控制器输出与输入偏差之间的关系为：当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，输出值为最小（或最大）。控制器只有两个输出值，相应的执行机构
11、只有开和关两个极限位置。maxmaxminmin,0,0,0,0ueueuuueue或 umin umax u(t)e(t)实际的双位控制实际的双位控制 为了降低控制机构的开关频率，延长控制系统中运动部件的使用寿命。给双位控制系统增加了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作。maxmaxmaxminmaxminmin,ueeuuueeueemin保持或不变,e实际的双位控制特性 umin umax u(t)e(t)emin emax 6.2.3比例控制比例控制(P)(1)比例控制规律比例控制规律(2)比例度比例度(3)比例度比例度 对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响(1)比例控
12、制规律比例控制规律 输出信号与输入信号之间的关系为 式中：Kc 比例增益，衡量比例控制作用强弱的变量。比例增益Kc是控制器的输出变量u(t)与输入变量e(t)之比。Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出u(t)也越大。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延滞。()()cu tK e t比例控制规律的开环输出特性：比例控制规律的开环输出特性：比例增益Kc衡量比例控制作用强弱的变量。在实际中，习惯上使用比例度表示比例控制作用的强弱。u(t)t O A e(t)t O KcA 阶跃偏差作用下比例控制器的开环输出特性(2)比例度比例度 定义：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值
13、之比的百分数，表达式为 其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；(Zmax-Zmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程；u为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(umax-umin)为控制器输出信号的变化范围。maxminmaxmin100%eZZuuu比例度的具体意义比例度的具体意义 可以看出比例度的具体意义为：使控制器的输出变化满刻度时，相应的控制器输入变化量占输入信号变化范围的百分数。即要使输出做全范围变化，输入信号必须改变全量程的百分之几。比例度示意图比例度示意图 右图是比例度的示意图，当比例度分别为50%、100%、200%时，只要偏差e的变化占输入信号变化范围的50%、10
14、0%、200%时，控制器的输出就可以由最小umin 变为最大umax。100%50%50%umax umin maxmin%eZZ=50%=100%=200%比例度示意图仪表系数仪表系数 比例度的定义式可改写为 C为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化范围之比，称为仪表系数。maxminmaxmin1100%1100%ccuuK ZZCK比例度比例度与比例增益与比例增益Kc的关系的关系 由前面得：对于单元组合仪表，有 所以1100%cKmaxminmaxmin()()ZZuumaxminmaxmin11100%100%ccuuCK ZZK结论结论 结论：比例度 与放大倍数Kc成反比。比例度
15、越小，放大倍数Kc越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。例题：例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变化范围为400800，控制器的输出范围是420mA。当温度从600变化到700时，控制器相应的输出从8mA变为12mA，试求该控制器的比例度。例题求解例题求解 解：这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于400 ）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区间内，e和u是成比例的。maxminmaxmin700600800400100%100%100%128204eZZuuu(3)比例度比例度 对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 在扰动即设定值变化时有余差存在。比例度愈大
16、，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度k。如果较小，振荡频率提高，把被控变量拉回到设定值所需的时间就短。比例度对过渡过程影响的图解比例度对过渡过程影响的图解t t t y y y 适当 偏大 太大 比例度对过渡过程的影响 t t y t y y 小于临界值 等于临界值 偏小 比例度比例度 对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响（2）最大偏差在两类外作用下不一样，在扰动作用下，越小，最大偏差越小；在设定作用下且系统处于衰减振荡时，越小，最大偏差却越大。因为最大偏差取决于余差和超调量。在扰动作
17、用下，主要取决于余差，小则余差小，所以最大偏差也小；在设定作用下，最大偏差取决于超调量，小则超调量大，所以最大偏差就大。比例度对过渡过程影响的图解比例度对过渡过程影响的图解（2）y(t)减小 y(0)y(t)减小 y(0)t（a）扰动作用（b）设定作用 新的设定值 t 比例度对过渡过程的影响选择比例度选择比例度的原则的原则 一般地，若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度要小，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程的曲线较好。反之，比例度就要大，以保证系统稳定。比例控制特点比例控制特点 比例控制特点：是最基本、最主要、应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快
18、稳定。适用场合：扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞较小或控制要求不高的场合。6.2.4 比例积分控制比例积分控制(PI)(1)积分控制规律(2)比例积分控制规律(3)积分时间TI对系统过渡过程的影响(4)积分饱和及防止(1)积分控制规律积分控制规律 输出u(t)与输入e(t)的关系为 其中KI表示积分速度。输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且与偏差信号存在的时间长短有关。只有在偏差信号e等于零的情况下，控制器的输出才能相对稳定。因此，力图消除余差是积分控制作用的重要特性。0()()tIu tKe t dt阶跃偏差下的开环输出特性：阶跃偏差下的开环输出特性：在幅度为A的阶跃偏差作用下，
19、积分控制器的开环输出特性为 u(t)=KIe(t)dt=KIAt 如左图所示，这是一条斜率不变的直线，直到控制器的输出达到最大值或最小值而无法再进行积分为止，输出直线的斜率即输出的变化速度正比于控制器的积分速度KI，即 du(t)/dt=KIA。u(t)e(t)O O t A t KIAt 阶跃偏差下的开环输出特性积分作用的落后性：积分作用的落后性：积分控制作用总是滞后于偏差的存在，所以在工业生产中很少单独使用。常常将比例作用和积分作用相结合组成比例积分控制作用来使用。积分作用的落后性(2)比例积分控制规律比例积分控制规律 是比例作用和积分作用的合成，因此，输出u(t)与输入e(t)的关系为
20、其中：Kce(t)是比例项，（Kc/TI）0te(t)dt是积分项，TI称为积分时间，（Kc/TI）=KI。001()()()()()tcItcIu tK e te t dtTK e tKe t dt开环输出特性：开环输出特性：在幅度为A的阶跃输入下，比例输出立即跳变到KCA，然后积分输出随时间线性增长，输出特性是一根截距为KCA、斜率为KCA/TI的直线。积分时间积分时间TI 积分时间TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱；TI越小，直线越陡峭，说明积分作用越强。积分时间TI定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI。积分时间积分时间TI测定：测定：
21、将比例度置于100%的刻度上，然后对控制器输入一个幅度为A的阶跃偏差，测出控制器的输出跳变值，同时按秒表计时，等到积分输出与比例输出相同时所经历的时间就是积分时间TI。(3)积分时间积分时间TI对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，若保持控制器的比例度不变，则可从下图所示的曲线族中看到，随着TI减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；TI过小，可能导致系统不稳定。TI小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。结论：结论：在比例控制系统中引入积分作用的优点是能够消除余差，然而降低了系统的稳定性；若要保持系统原有
22、的衰减比，必须相应加大控制器的比例度，这会使系统的其它控制指标下降。因此，如果余差不是主要的控制指标，就没有必要引入积分作用。由于比例积分控制器具有比例和积分控制的优点，有比例度和TI两个参数可供选择，因此适用范围比较宽广，多数控制系统都可以采用。(4)积分饱和及防止积分饱和及防止 积分饱和指的是一种积分过量现象。间歇式反应釜温度控制系统举例说明（举例说明（1）在间歇式反应釜温度控制系统中，进料的温度较低，离设定值较远，所以在初始阶段偏差较大，控制器输出会达到积分极限，把加热蒸汽阀开足。当釜内温度达到和开始超出设定值后，蒸汽阀仍不能及时关小，结果使温度大大超出设定值，使动态偏差加大，控制质量变
23、差。举例（举例（2）举例说明（举例说明（2）压力放空系统（保证压力不超限）中，设定值为压力的容许限值，在正常情况下，放空阀是全关的，实际压力总是低于此设定值，偏差长期存在。如果采用气关阀（气源中断时保证安全）。假设采用气动控制器，由于正常工况下偏差一直存在，控制器输出会达到上限。在偏差反向后，阀门的开关状态不变，控制器未能起到它应该起的作用。结论：结论：凡是长期存在偏差的简单控制系统，常会出现积分饱和的现象。复杂控制系统也会出现积分饱和现象。解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制规律。当控制器输出在某一范围之内时。采用PI控制规律，目的消除余差；当超出某一限值时，采用P作用，目的防止积分
24、饱和。6.2.5 比例微分控制比例微分控制(PD)（1）微分控制规律微分控制规律（2）比例微分控制规律比例微分控制规律(1)微分控制规律微分控制规律 理想的微分控制规律，其输出信号u(t)正比于输入信号e(t)对时间的导数：TD为微分时间 dttdeTtuD)()(微分控制的特点微分控制的特点 理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输出。纯粹的微分控制是无益的，因此常将微分控制与比例控制结合在一起使用。（2）比例微分控制规律）比例微分控制规律 理想的比
25、例微分控制规律的数学表达式为 理想的比例微分控制器的 开环输出特性如图所示 理想的比例微分控制器 在制造上是困难的，工业 上都是用实际比例微分规律的控制器。dttdeTteKtuDc)()()(理想比例微分开环输出特性实际的比例微分控制实际的比例微分控制 实际比例微分控制规律的数学表达式为 KD为微分增益（微分放大倍数）若将KD取得较大，可近似认为是理想比例微分控制。在幅度为A的阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出为 其中T=TD/KD dttdeTteKtudttudKTDcDD)()()()()exp()1()(TtKAKAKtuDcc开环输出特性开环输出特性 实际比例微分控制器在幅度
26、为A的阶跃偏差作用下的开环输出特性，见左图。由：得：阶跃偏差作用下实际比例微分开环输出特性0,(0),()0.368(1),()CDDCDCDCtuK K ATtTu TK A KK AKtuK A )exp()1()(TtKAKAKtuDcc决定微分作用强弱的因素决定微分作用强弱的因素 在偏差跳变瞬间，输出跳变幅度为比例输出的KD倍，即KDKcA,然后按指数规律下降，最后当t趋于无穷大时，仅有比例输出KcA。因此决定微分作用的强弱有两个因素：一个是开始跳变幅度的倍数，用微分增益KD来衡量，另一个是降下来所需要的时间，用微分时间TD来衡量。输出跳得越高，或降得越慢，表示微分作用越强。微分增益微
27、分增益KD 微分增益KD是固定不变的，只与控制器的类型有关。电动控制器的KD一般为510。如果KD=1，则此时等同于纯比例控制。KD 1，称为正微分。KD 1的，称为反微分器，它的控制作用反而减弱。这种反微分作用运用于噪音较大的系统中，会起到较好的滤波作用。)exp()1()(TtKAKAKtuDcc微分时间微分时间TD TD的测定：先测定阶跃信号A作用下比例微分输出从KDKcA下降到KCA+0.368KCA(KD-1)所经历的时间t，此时t=TD/KD，再将该时间t乘以微分增益KD即可。实际比例微分控制器微分时间测定微分时间微分时间TD的影响的影响 微分时间TD越大，微分作用越强。由于微分在
28、输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制。从实际使用情况来看，比例微分控制规律用得较少，在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用，组成PID控制。6.2.6 比例积分微分控制比例积分微分控制(PID)（1）理想比例积分微分控制理想比例积分微分控制(PID)（2）实际比例积分微分控制实际比例积分微分控制(PID)（3）微分时间微分时间TD对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响（4）PID控制器的构成控制器的构成(1)理想比例积分微分控制理想比例积分微分控制(PID)理想PID控制器的运算规律数学表达式为：式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分
29、（D）部分。Kc为控制器的比例增益；TI为积分时间（以秒或分为单位）；TD为微分时间（也以秒或分为单位）。dttdeTdtteTteKtuDIc1)(比例积分微分控制的关系比例积分微分控制的关系 这三个参数大小可以改变，相应地改变控制作用大小及规律：（1）若TI为，TD为0，积分项和微分项都不起作用，则为比例控制。（2）若TD为0，微分项不起作用，则为比例积分控制。（3）若TI为，积分项不起作用，则为比例微分控制控制器运算规律的另一种表现形式控制器运算规律的另一种表现形式 控制器运算规律通常都是用增量形式表示，若用实际值表示，则改写为：式中u(t)=u(t)+u(0)，u(0)为控制器初始输出
30、值，即t=0瞬间偏差为0时的控制器输出。)0(1)(udttdeTdtteTteKtuDIc(2)实际比例积分微分控制实际比例积分微分控制(PID)实际的PID控制规律比较复杂。在幅度为A的阶跃偏差作用下，实际PID控制可看成是世纪的比例、积分和微分三部分作用的叠加，即 其开环特性如右图所示。()1(1)exp()DcDIDtK tu tK AKTT阶跃偏差作用下PID控制器开环输出特性（3）微分时间）微分时间TD对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 适当的微分作用：在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。当被控变量一有变
31、化时，根据变化趋势适当加大控制器的输出信号，将有利于克服扰动对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统的稳定性。微分时间微分时间TD对系统过渡过程的影响对系统过渡过程的影响 保持原来的衰减比n：如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n，则可适当减小控制器的比例度，一般可减小15%左右，从而使控制系统的控制指标得到全面改善。如果引入的微分作用太强，即TD太大，反而会引起控制系统剧烈地振荡。此外，当测量中有显著的噪声时，如流量测量信息常带有不规则的高频干扰信号，则不宜引入微分作用，有时甚至需要引入反微分作用。微分作用的两面性：微分作用的两面性：微分时间TD的大小对系统过渡过程的影响，如下图
32、所示。若取TD太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如图中曲线1；选取适当的TD，系统的控制指标将得到全面的改善，如图中曲线2；但若TD取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡，如图中曲线3所示。PID控制器的适用场合控制器的适用场合 适用场合：用于时滞大的场合。由于PID控制器有比例度、积分时间TI、微分时间TD三个参数可供选择，因而适用范围广，在温度和成分分析控制系统中得到更为广泛的应用。各类化工过程常用的控制规律各类化工过程常用的控制规律 液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的
33、时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或PI控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。（4）PID控制器的构成控制器的构成 PID的构成方式有好几种，如电动型控制器中将P、I、D环节直接在反馈网络中串接，而电动型控制器以及数字式控制器中采用PD和PI电路相串接的形式。在串接形式中，一般认为PD接在PI之前较为合适。例题例题 某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为 （t单位为分钟）。试问：（1）这是什么控制规律？（2）求出控制器各个控制参数。（3）画出其开环输出特性图。28tue 例题求解例题求解（1）解：(1)PD控制规律。(2)由 得：解之得：KC=2，KD=5，TD=5。(
34、)1(1)exp()DcDIDtK tu tK AKTT2(1)81CCDDDK AK A KKT例题求解（例题求解（2）(3)开环输出特性曲线：因为 KCA=2，KCKDA=10 所以曲线如右图所示 O u(t)t 2 10 6.3 模拟式控制器模拟式控制器6.3.1 模拟式控制器基本结构模拟式控制器基本结构6.3.2 DDZ-型电动单元控制器型电动单元控制器6.3.1模拟式控制器基本结构模拟式控制器基本结构 模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基本结构包括比较环节、反馈环节、放大器三部分。比较环节比较环节 将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。在输入电路中进行电压或电流信
35、号的比较。反馈环节反馈环节 控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器放大器 放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。6.3.2 DDZ-型电动单元控制器型电动单元控制器 DDZ-型电动单元控制器型电动单元控制器是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的15V直流测量信号作为输入信号，与15V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出15V或420mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。型控制器的特点（型控制器的特点（1）与II型（晶体管）仪表相比
36、，型控制器的具有以下特点：采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。由于采用集成电路，扩展了功能，在基型控制器的基础上可增加各种功能，如非线性控制器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈控制器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，也可以根据需要在控制器上附加一些单元如偏差报警、输出双向限幅及其它功能的电路。型控制器的特点（型控制器的特点（2）整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为在自动与软手动
37、之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。型控制器的特点（型控制器的特点（3）采用国际标准信号制，现场传输信号为420mA直流电流，控制室联络信号为15V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（420mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。基型控制器基型控制器基型控制器的操作基型控制器的操作 控制器的工作状态有控制器的工作状态有“自动自动”、“软手动软手动”、“硬手动硬手动”及及“
38、保持保持”四种四种 当控制器处于“自动”状态时，测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转换为420mA直流电流，作为控制器的输出信号，去控制执行器。当控制器处于“保持”状态（即它的输出保持切换前瞬间的数值）时，若同时将控制器切换到“软手动”状态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。当控制器处于“硬手动”状态时，控制器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。基型控制器的操作基型控制器的操作（2）控制器还设有控制器还设有“正正”、“反反”作用开关供选择，以作用开关供选择，以满足
39、控制系统的控制要求满足控制系统的控制要求 控制器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e=y-r），若测量值大于设定值，称为正偏差；若测量值小于设定值，称为负偏差。当控制器置于“正”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加；置于“反”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，其控制器在“正”、“反”作用下的输出刚好与正偏差的情况相反。使用基型控制器时应注意的问题使用基型控制器时应注意的问题 正确设置内、外设定开关正确设置内、外设定开关 “内”设定时，设定电压信号由控制器内部的设定电路产生，操作者通过设定值拨盘确定设定信号大小。在定值控制系统中，控制器应置于“内”设定。“外”设定时
40、，由外部装置提供设定值信号。在随动控制系统中，控制器应置于“外”设定。如串级控制系统中的副控制器设定值由主控制器的输出值提供；比值控制中的从动量控制器设定值就是由主动量测量值提供。使用基型控制器时应注意的问题使用基型控制器时应注意的问题（2）一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控制，待一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控制，待系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控制。系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控制。控制器控制器“正正”、“反反”作用开关不能随意选择，要根据作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定，保证控制工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定，保证控制
41、系统为负反馈。系统为负反馈。正确设置正确设置P、I、D参数。控制器上的参数。控制器上的PID参数不能任参数不能任意设置，必须通过参数整定，选择一组合适的意设置，必须通过参数整定，选择一组合适的PID参数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥作用。参数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥作用。例例1 如图所示的液位控制系统，假设工艺要求供气中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、气关特性，并选择控制器的正、反作用。液位控制系统例例1求解求解 解：(1)控制阀气开、气关特性的选择 因为：工艺要求供气中断时液体不得外溢，根据安全原则 所以：选用气开阀。(2)控制器的正、反作用的选择 因为：所以：选用反作用
42、控制器LyeLu阀开度反作用反作用控制器控制器例例2 如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定调节器的正、反作用。蒸汽加热反应釜例例2求解求解 解：解：(1)确定控制阀的气开、气关特性 因为：工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时热源关断 所以：应选气开阀。(2)确定调节器的正、反作用 因为：所以：控制器应选反作用TyeTu阀门开度例例3 如图加热炉温度控制系统，试确定控制器的正、反作用。TT TC 燃料油 工艺变量 气开阀 加热炉温度控制带控制点的流程图例例3求解求解 解：解：(1)确定控制阀的气开、气关特性 因：供气中断时，应使燃料阀全关，停止供应燃料油，不致使
43、加热炉温度过高烧坏炉子。故：选气开阀。(2)确定调节器的正、反作用 因为：所以：控制器应选反作用TyeTu阀门开度6.4 数字式控制器数字式控制器6.4.1 数字式控制器主要特点数字式控制器主要特点6.4.2 数字式控制器的基本构成数字式控制器的基本构成6.4.3 KMM控制器控制器6.4.1 数字式控制器主要特点数字式控制器主要特点 实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化 具有丰富的运算控制功能具有丰富的运算控制功能 使用灵活方便，通用性强使用灵活方便，通用性强 具有通讯功能，便于系统扩展具有通讯功能，便于系统扩展 可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 6.4.2 数字式控
44、制器的基本构成数字式控制器的基本构成 硬件部分硬件部分 主机电路 过程输入输出通道 人-机联系部件 通讯部件 软件部分软件部分 包括系统程序和用户程序。数字式控制器硬件示意数字式控制器硬件示意系统程序系统程序主要包括监控程序和中断处理程序两部分，是控制器软件的主体。用户程序用户程序 用户程序由用户自行编制，实际上是根据需要将系统程序中提供的有关功能模块组合连接起来（通常称为“组态”），以达到控制目的。控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有离线和在线编程两种方法。在线编程在线编程 指编程器与控制器共用一个CPU，编程器插一个EPROM供用户写入，用户程序调试完毕后写入EPROM，然后将EPROM取下，插在控制器上相应的EPROM插座上。离线编程离线编程 指编程器自带一个CPU，编程器脱离控制器，自行组成一台“程序写入器”，独立完成编程操作，并将程序写入EPROM，然后再把写好的EPROM插在控制器上相应的EPROM插座上。6.4.3 KMM控制器控制器 KMM控制器是具有IEC标准尺寸的DIGITRONIK系列中的一个主要品种。它适合小规模生产装置的控制、显示和操作，并且可以通过通讯接口挂到数据通道上与集散系统（例如TDC-3000）或同其它个人计算机连接，实现大、中规模的分散控制、集中管理、操作和监视。KMM控制器面板布置控制器面板布置KMM控制器面板布置
