第2章 调节器精选文档.ppt

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1、第2章 调节器本讲稿第一页，共七十一页比列调节器输出y(t)与输入x(t)成正比，表示为传递函数：Kc：称为比例增益比例调节器会产生与偏差成正比的输出信号，通过执行器可减小偏差。因为，它是使用偏差来减小偏差，故不能完全消除静差，属于有静差调节。积分调节器要消除静差，可采用积分调节器，其输出与输入的积分成正比。只要存在偏差，输出就不断增长，直到偏差为0，输出将停留在新的位置（不是0）。本讲稿第二页，共七十一页比例积分调节器积分调节器虽然可以消除静差，但动作迟缓，动态品质变坏，并可能造成系统不稳定。微分调节器它可以在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化趋势，产生强烈的调节作用，使得偏差尽快地消除

2、在萌芽状态。可以改善调节器的动态特性，但是对静态偏差无抑制作用。故一般不单独使用。本讲稿第三页，共七十一页PID调节器（比例积微分调节器）将比例调节，积分调节，微分调节组合在一起，做到既快捷又平稳准确。本讲稿第四页，共七十一页2.2 PID运算电路运算电路A(s)：运算放大器Gi(s)：输入网络传递函数Gf(s)：输出网络传递函数整个电路传递函数：若：A(s)Gf(s)1，则即：只与输入网络和输出网络有关，而与放大电路增益无关，故其稳定性好，并可克服放大器的非线性。合理选择输入网络、输出网络可实现PI、PID控制等。本讲稿第五页，共七十一页2.2.1 比例积分运算电路比例积分运算电路（PI运算

3、电路）为了实现仪表的单电源供电，常用电平移动措施，输入、输出电压都以VB为基准。CI与CM构成比例电路，RI与CM构成积分电路，故VO与Vi构成比例积分关系。本讲稿第六页，共七十一页若给调节器输入一个阶跃信号（t0时），则在t0时：此后，随着时间线性增长，每过TiRICI，输出增加Ti：积分时间，它越小积分作用越强；CI/CM：比例增益过程控制中常用比例度这个概念。过程控制中常用比例度这个概念。本讲稿第七页，共七十一页比例度：1、比例增益的倒数；2、其定义为：输入相对变化与由于比例作用所产生的输出相对变化之比。3、比例度表示：调节阀开度改变100即从全关到全开时所需要的输入的变化范围。本讲稿第

4、八页，共七十一页如图，积分特性，是把运放当做理想运放。实际运放的A和输入电阻均不为无限大。这时：这时积分作用不再是理想的。其阶跃响应为：本讲稿第九页，共七十一页积分作用的引入可以大大减少静差，而且用积分增益Ki衡量积分作用的强弱，Ki越大静差越小。Ki一般在104以上Ki：积分增益Ti：积分时间本讲稿第十页，共七十一页2.2.2 比例微分电路比例微分电路1、无源比例微分电路定性分析：假设Vi上加一个阶跃信号时，V首先突变为Vi，随着充电的进行Vi渐小至Vi/n本讲稿第十一页，共七十一页定量分析：当Vi为阶跃输入时：第一部分是比例作用，第二部分对应其微分作用，但不是理想微分。本讲稿第十二页，共七

5、十一页令TD=nRDCD，微分时间；Kd=n，微分增益，表示微分的最大跳变值与比例作用产生的变化值之比。阶跃响应为：本讲稿第十三页，共七十一页2.2.3 PID运算电路本讲稿第十四页，共七十一页其中：干扰系数，反映PI和PD参数之间的相互影响当Ki和Kd比较大时实际的比例度：P*=P/F实际的微分时间：Td*=Td/F实际的积分时间：Ti*=FTi本讲稿第十五页，共七十一页2.3 PID调节器的阶跃响应和频率特性调节器的阶跃响应和频率特性2.3.1 PID调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应一般TiTd，则微分作用仅仅在阶跃信号刚刚加入时起主要作用；随后，积分效果逐渐体现并加强。这样，可在输入变化

6、时，由微分和比例作用迅速作出反应，可以改善动态特性。只要存在偏差，随着积分作用的加强，最终消除静差。本讲稿第十六页，共七十一页2.3.2 PID调节器的频率响应调节器的频率响应令F=1(忽略干扰系数的作用）。令S=j，并取对数乘以20，得一般：Ki1，Kd1，TiTd可以分段作出其幅频特性和相频特性。若Td 1，微分作用可忽略本讲稿第十七页，共七十一页若频率更低，1/（KiTi）时：若1/（KiTi）1/Ti时：水平直线每十倍频程下降20分贝直线当1/Ti 1/Td（当然同时满足当 1/Ti）时：Kd/Td 1/Td时：每十倍频程上升20分贝直线积分作用可忽略本讲稿第十八页，共七十一页在低频段

7、，增益高，可以有效消除静差，这是积分作用的效果；在高频段，产生附加正相移，从而提高系统稳定性，提高调节动作的快速性。Kd/Td时：注：虚线为理想注：虚线为理想PID情况情况本讲稿第十九页，共七十一页2.4 PID调节器的线路实例调节器的线路实例本讲稿第二十页，共七十一页内给定信号和外给定信号；软手动信号和硬手动信号；测量信号，外给定信号，输出信号采用标准信号；本讲稿第二十一页，共七十一页2.4.1 输入电路输入电路作用：进行测量信号与给定信号的差，得到偏差信号，以便于后面进行PID调节。实际上就是一个差动放大电路。考虑仪表供电的方便，内部放大器宜采用单电源供电。而单电源供电时，运放的输入端不能

8、在0V左右工作。这也需要解决。测量信号（测量信号（4-20mA）经过）经过250欧姆电阻转换为欧姆电阻转换为1-5V电压。电压。RCM1，RCM2为公共地线电阻本讲稿第二十二页，共七十一页RCM1、RCM2、RO都非常小，其阻值在计算时，可忽略，而仅仅考虑其上的电压。由V+=V_可得：此即得偏差信号。VB的作用是什么？的作用是什么？对Vs15V，VCM1=VCM2=01V0.33V的输入电压不能使得运算放大器工作。1、2、不接VB，输出端不能得到负向的输出。本讲稿第二十三页，共七十一页2.4.2 PID运算电路运算电路S8开关：实现微分作用的接通与切除。且微分的接入是无扰接入。S3开关：积分时

9、间常数的倍乘开关。打到10的位置，等效把电阻增大了10倍，即积分时间增大了约10倍，但要考虑干扰系数的作用和对积分增益Ki的影响。本讲稿第二十四页，共七十一页2.4.3 输出电路输出电路作用：将PID电路送来的15V电压信号转换为420mA电流信号。VT1和VT2复合管以共射极方式驱动负载。A4、复合三极管经Rf和R4形成电流负反馈，以便产生恒流输出。VO3（PID电路输出），以VB为变化起点电压，而负载是接在输出与地之间。本讲稿第二十五页，共七十一页及得：又由图：得：若Rf62.5，V03=15V，则IO=420mA本讲稿第二十六页，共七十一页2.4.4 手动操作电路及自动手动切换手动操作电

10、路及自动手动切换在工艺过程的启动、停车或故障时，常需要进行手动操作，DDZ-3调节器中设置了自动调节(A)、软手动操作（M）、硬手动操作（H）三种工作方式。V02：比例微分的输出；S1：工作方式切换开关；S4：软手动操作时的扳键开关；RPH：硬手动时调节电位器。本讲稿第二十七页，共七十一页1、软手动操作、软手动操作S1：打到M位置。1扳键开关S4全开时，V03保持；S4被朝着某个方向推动时，分别接通不同极性电压和阻值，从而控制积分方向和速度；2S1使得C1的右端接VB，以便再切换回去时，不至于造成输出的大幅度扰动。由于CM的漏电和运算放大器输入电阻不为无限大，V03的保持是暂时的，故选用CM和

11、A3要特别注意。本讲稿第二十八页，共七十一页2、硬手动电路、硬手动电路S1打到H位置其电路如图所示，此时为一阶惯性环节。改变RPH，可改变输出。固定RPH的位置，则固定输出不变。注意：切换到硬手动会出现输出的扰动，所以切换前需事先将RPH调到适当的位置，再切换到硬手动。但是，从硬手动切换到其他方式，不会出现扰动。本讲稿第二十九页，共七十一页2.4.5 测量及给定指示电路测量及给定指示电路功能：指示测量值与给定值的大小。可以使用双指针电表，其夹角即为偏差，所以同时也指示了偏差。实现方法：将15V的测量和给定信号转换为15mA的电流，再送入指示电表（满偏为5mA）进行指示。VO=Vi若RO为1K，

12、则Io即为15mA。本讲稿第三十页，共七十一页2.5 数字控制算法数字控制算法 现代智能仪表广泛采用以微处理器为核心的数字式仪表，如PID调节器即可以采用数字式。特点：1.功能丰富，很多功能可以用软件来实现，参数修改容易；2.具有自诊断功能，有效防止事故的发生；3.可以方便地与上位机或测控网络 通信；4.便于小型化，并减小功耗。在数字式在数字式PID调节器中，各种运算被离散化，以便用软件实现，如：微分用调节器中，各种运算被离散化，以便用软件实现，如：微分用差分代替，积分用累加代替。差分代替，积分用累加代替。本讲稿第三十一页，共七十一页2.5.1 基本基本PID的离散表达式的离散表达式在连续PI

13、D调节器中，输出表达式为：在数字式调节器中，调节器输出y（t）和偏差信号x（t）均为离散的，它们以采样周期T为间隔，即输出与输入都只有在采样时刻才有意义。采样周期：连采样周期：连续两次采样之续两次采样之间的时间间隔间的时间间隔本讲稿第三十二页，共七十一页此式，为位置式PID算式。还有增量式上式为理想PID的离散表达式。实际中，理想PID的效果往往不够好，如：理想微分部分对于高频干扰十分敏感。常将理想微分用不完全微分代替。增量式PID算式。连续式不完全微分：本讲稿第三十三页，共七十一页写成差分形式：此即为不完全微分的离散表示形式。将其替代前面理想PID中的微分部分即得较实用的PID运算式。不完全

14、微分部分本讲稿第三十四页，共七十一页2.5.2 采样周期的选择1.香农定理：对于一个具有有限频谱（-max Td时，可以近似为图d，图d实际上相当于在基本PID的设定值通道中增加一个时间常数Td的一阶惯性环节。本讲稿第三十八页，共七十一页2.比例先行的PID算法（也称I-PD算法）与微分先行想法类似，同时考虑到比例作用在设定值阶跃时也会产生冲击，可以将比例也先行，即对设定值不进行比例运算。本讲稿第三十九页，共七十一页3.带可变型设定值滤波器SVF的PID算法当当 0，0时：时：为比例先行；为比例先行；当当 1，0时：时：为微分先行；为微分先行；当当、在在01间取值间取值时由比例先行到微分时由比

15、例先行到微分先行连续变化。先行连续变化。本讲稿第四十页，共七十一页2.5.4 混合过程混合过程PID算法算法 在某些化工过程控制中，常需要控制多种产品按照一定的比例混合，得到所需要的产品，如图所示。这种控制的关键是各成分的比例，而不是瞬时流量的恒定。若采用普通PID控制，流量偏离设定值时，虽然可以通过调节马上回归到设定值，但会使得该组成分的总量少阴影部分面积对应的数量。为了，满足此类控制的需要，希望控制特性如(b)图所示。即，正负偏差积分总和为0。本讲稿第四十一页，共七十一页混合PID控制的原理方框：工作原理：偏差信号先进行积分再送入PID调节器。通过PID调节可以使得偏差的积分趋近0。本讲稿

16、第四十二页，共七十一页2.6 单回路可编程控制器单回路可编程控制器特点：1.以微处理器为控制核心；2.一般一个控制器只对一个控制回路进行控制；3.除了可以接受多路模拟量和数字开关量输入，产生控制输出外，由于微处理器的引入，还可以完成很多复杂的运算控制功能，以及通信和系统自检功能；4.与控制现场之间采用420mA电流信号，与控制室其他环节采用15V联络信号。5.可以取代模拟仪表（如模拟PID调节器）。SLPC：Single Loop Programmable Controller本讲稿第四十三页，共七十一页SLPC型型可可编编程程控控制制器器电电路路本讲稿第四十四页，共七十一页组成：1.数字开关

17、量输入、输出口（DI、DO）；2.模拟量输入口；3.调节器模拟量输出口；4.CPU和RAM、ROM（系统ROM，用户ROM）及D/A等；5.测量指示电路及通信端口；6.键盘及编程口；1.数字开关量输入、输出口：共有6个DI/DO口，每个口既可以设置为输入也可以设置成输出，而且既可以接收电平型输入，也可以接收通断型输入。每个DI/DO采用的是变压器隔离方式，目的是抑制干扰的引入。本讲稿第四十五页，共七十一页每个DI/DO的结构：输出功能S1始终处于断开状态。若要输出“1”，S2做一定频率的通断切换。由于N1和N2的耦合，在N2上感应相应电压，经过VD2整流使得VT1导通，从而接通外面负载。若要输

18、出“0”，S2不做切换，VT1截止。输入功能S1始终处于接通状态。S2做不停的通断切换。DI为“1”时（外部接点接通，电阻小；外加低电压，0.5V+1V），N3两端可视为短路，在S2接通时，N1上电压也为0，D上得到高电平；DI为“0”则反之。VD1还有续流作用。本讲稿第四十六页，共七十一页2.A/D、D/A转换功能SLPC内含12位高速DA芯片，它有两个功能：其一是实现D/A输出，用于调节和联络；其二是实现A/D功能，采集入模拟电压。A/D功能是通过CPU的控制，实现逐位比较，通过程序得到模拟电压对应的数字量。其原理类似逐位比较的A/D转换芯片的工作原理。SLPC有X1X5五路模拟输入，通过

19、多路开关切换选择一路进行A/D转换。内部还有两路输入（+1V和+5V），由基准电源产生。此二路用于自动校准，并进行转换电路的检测。本讲稿第四十七页，共七十一页3.模拟输出SLPC有Y1Y3共3路模拟输出，但是只有Y1输出为420mA电流输出，可驱动执行器，而Y2、Y3输出为15V电压信号，一般用作联络信号。4.后退备用方式及手动功能当自诊断程序或WDT检测到故障时，发出FAIL信号，并自动将Y1切换至保持状态，将X1直接送至测量指示。此时，可根据X1的指示用扳键开关手动调节Y1输出。SLPC内设监视定时器（WDT）。正常情况下，CPU经过200ms完成一次工作循环。如果在200ms内，CPU不

20、能完成一次工作循环，WDT就会产生报警信号及相应的措施。其原理是：内设一个带复位的定时器，计满时间为0.5s。在CPU正常工作时，每次循环（200ms）完后，CPU向定时器发出清零信号，定时器复位，重新定时。如果，CPU有故障，则200ms完成不了循环，发不出清零信号，定时器0.5s计满，则发出报警信号。本讲稿第四十八页，共七十一页2.6.2 SLPC的工作节拍的工作节拍SLPC是按照100ms或200ms的定周期节拍工作的。100ms或200ms为一个控制循环。定时器每10ms向CPU发出一次中断，20次中断即200ms。第一个10ms，进行系统自检包括输出回路短路检查和备用电池检查。第二、

21、三个10ms，读入DI，并进行模拟量的AD转换，进行两次转换并取平均，以滤除50HZ干扰。随后，执行用户程序，产生输出。本讲稿第四十九页，共七十一页2.6.3 用户程序结构及数据格式用户程序结构及数据格式用户程序实际上是完成数字仪表中的组态。类似于组合式仪表，SLPC预先做好了各种运算模块和功能模块，每个模块相当于一块仪表。用户程序将这些模块连接起来，进行一定的设置完成所需的系统功能。用户程序有三种基本指令：信号输入指令（LOAD)、信号输出指令（FUNCTION)、信号输出指令(STORE)。如下为一个加法运算程序：LD X1 读入X1数据LD X2 读入X2数据+X1、X2求和ST Y1

22、结果送Y1输出END 本讲稿第五十页，共七十一页程序运行情况：程序运行情况：1.SLPC所有程序的运行是以5个运算寄存器S1S5为中心的；2.五个运算寄存器采用的是堆栈结构。3.程序的运行不同于汇编语言中的寻址操作。本讲稿第五十一页，共七十一页内部数据结构：内部数据结构：数据表示范围：-7.999+7.999与模拟量15V或440mA对应的内部数据为：0.0001.000SLPC内部除了运算寄存器，还有16种寄存器，由他们形成了SLPC的指令集。Xn：模拟量输入寄存器Yn：模拟量输出寄存器Pn：可变常数寄存器Kn：固定常数寄存器Tn：中间数据暂存寄存器An：控制模块功能扩展寄存器Bn：参数整定

23、寄存器Din：开关量输入寄存器Don：开关量输出寄存器FLn：状态标志寄存器本讲稿第五十二页，共七十一页2.6.4运算模块运算模块SLPC 共有46种指令，分为5类：1）输入指令:一种，LD；2）输出指令：一种，ST；3）结束指令：一种，END；4）运算指令：分为基本运算指令（11种）和带编号的函数运算指令（13种），主要进行各种数学运算；5）控制指令：19种，主要进行逻辑判断和程序控制。1.基本运算模块(1)四则运算模块、，功能：对S1和S2中的数据进行四则运算，结果存入S1。“”和“”运算时，被减数或被除数必须放在S2中，减数或除数必须放在S1中。若要求X2-X1，结果送Y1，则程序如下：

24、LD X2;LD X1;；ST Y1本讲稿第五十三页，共七十一页(2)开方运算SLPC中的开方采用小信号切除方式，当被开方数小于一定值时，令开方结果为0。采用固定切除点，当输入被开方数据小于满刻度的1时，令开方结果为0。采用可变切除点，S2中存被开方数据，S1中存小信号切除阀值，开方结果存S1。当输入低于切除点时，令输出等于输入；当输入大于切除点时，输出为输入的开方。本讲稿第五十四页，共七十一页(3)取绝对值运算模块ABS对S1中的数据取绝对值，结果仍存于S1。(4)高选、低选模块HSL、LSL将S1、S2两个寄存器的数据中分别选取高值或低值，结果存S1。(5)高、低限幅模块HLM、LLMS2

25、中存变量，S1中存规定的上、下限。用S1对S2进行限幅处理，结果存S1。2.带编号的运算模块完成较复杂的运算，且运算时必须有专用的数据存储区。正因为如此，其使用次数受限，每个带编号模块只能用一次。本讲稿第五十五页，共七十一页(1)折线函数模块FX1、FX2及FX3、FX4 FX1和FX2是在横轴等分段的，而FX3和FX4是自由分段的。（2）一阶惯性环节LAG18S2中存输入变量，S1中存时间常数，结果也存入S1。LD X1 LD P1：读入惯性时间常数LAG1ST Y1本讲稿第五十六页，共七十一页（3）微分运算模块LED1、2S2中存输入变量，S1中存微分时间常数，运算结果也存S1中。（4）纯

26、滞后运算模块DED13S2中存输入变量，S1中存纯滞后时间L，运算结果也存S1中。一次多可以延迟07999s，如果要求时间更长，可以采用两级。LD X1LD P1DED1LD P2DED2ST Y1两次延迟的程序本讲稿第五十七页，共七十一页（5）变化率运算模块VEL13S2中存输入变量，S1中存时间间隔t，运算结果也存S1中。（6）变化率限幅模块VLM16 S3中存输入变量，S2中存上升速度限制值，S1中存下降速度限制值，变化率限幅后结果也存S1中。内部数据01对应变化率每分钟100 通过变化率限幅可以减少输入冲击。（7）计时模块TIM14用于累计生产动作的时间。每个周期查看S1的状态，若S1

27、中的数据为1，则开始或继续计时，累计时间存入S1。若S1中的数据为0，则计时器清零，并停止计时。本讲稿第五十八页，共七十一页3.条件判断模块（1）上、下限报警模块HAL14、LAL14输入变量存S3，报警设定值存S2，回环宽度存S1。运算后，若输入超过报警范围，则S1置1，若变量在正常范围内，则S1置0。本讲稿第五十九页，共七十一页（2）逻辑运算模块AND、OR、NOT、EOR运算前，将运算量存在S1和S2，运算后，结果存S1中。（3）转移指令GO nn，GIF nnGO nn为无条件转移，nn为程序步数。GIF nn为有条件转移，若S1为1则转移，若S1为0不转移。（4）转子指令GO SUB

28、 nn，GIF SUB nn（5）子程序块SUB nn及返回指令RTN本讲稿第六十页，共七十一页2.6.5 控制模块及编程控制模块及编程 SLPC 有三种功能结构，从而实现相应的控制功能。但是，每台SLPC只能工作于其中一种结构。本讲稿第六十一页，共七十一页基本控制模块BSC：内含一个调节单元CNT1，相当于一个模拟仪表的PID环节，用于构成单回路控制；串级控制模块CSC：内含两个互相串联的调节单元CNT1、CNT2，可以组成串级系统；选择控制系统SSC：内含两个并联的调节单元CNT1、CNT2和一个单刀三掷切换开关，用于组成选择控制系统。各种模式又可以指定为不同的算法，指定不同的动作方式及不

29、同的控制周期等。为此，在SLPC中设有5个控制字CNT1CNT5，如表2-5所示。通过设置可完成微分先行、比例先行、采样PI、批量PID等不同算法。采样采样PI算法示意算法示意本讲稿第六十二页，共七十一页批量批量PID算法算法 一种针对批量生产中频繁启动过程的控制而进行的一种优化算法。通过批量控制，可以使得启动时快速接近设定值，而又不产生大的超调。启动时，调节单元输出可能的较大上限值，使得测量值快速接近设定值，直到设定值与测量值之差小于偏差幅度BD为止，然后再以常规PID进行控制。BDBBBL有什么意义？本讲稿第六十三页，共七十一页1.基本控制模块运算前，测量值VP存入S1，运算结果也存入S1

30、。由A、B、FL三类寄存器控制其工作和参数等。本讲稿第六十四页，共七十一页例例21 反应罐内温度控制反应罐内温度控制 内部温度高时，化学反应活跃，对象增益大；温度低时，对象增益降低。若调节器增益固定，则不能同时满足高温和低温时的控制要求。A3寄存器可以实现，变增益控制。本讲稿第六十五页，共七十一页步号程序S1S2说明123456789LD X1FX1LD K1ST A3LD X1BSCST Y1ENDX1f(X1)K1K1 f(X1)K1 f(X1)X1MVMVf(X1)K1f(X1)K1f(X1)K1 f(X1)读入温度值通过折线求得增益读入系数K1乘上系数存可变增益入A3读入温度值进行模块

31、运算输出结果控制程序控制程序本讲稿第六十六页，共七十一页例例22 应用应用Smith补偿法改善大滞后对象的控制效果补偿法改善大滞后对象的控制效果在过程控制中，对于纯滞后时间和惯性时间大的对象，使用常规在过程控制中，对于纯滞后时间和惯性时间大的对象，使用常规PID难于控制，为此引入了一种难于控制，为此引入了一种Smith补偿法。补偿法。本讲稿第六十七页，共七十一页LD Y1 Y1 读入输出量VMLD Y1 Y1 Y1 读入输出量VMLD P2 P2 Y1 Y1 读入纯滞后时间LDED1 Y1 纯滞后运算 作减法 LD P3 P3 读入惯性时间T LAG 1 作惯性运算 LD P1 P1 读入对象

32、增益KP 获得Smith输出ST A2 送A2补偿端 LD X1 X1 读入测量值VP BSC VM 作基本BSC运算ST Y1 VM 由Y1输出ENDS1S2S3本讲稿第六十八页，共七十一页2.串级控制模块CSC内含2个控制单元CNT1和CNT2，CNT1的输出可以做为CNT2单元的设定值（由串级开关决定）3.选择控制模块SSC内含2个并行控制单元CNT1和CNT2，可以由选择开关进行选择，从而产生输出。本讲稿第六十九页，共七十一页2.6.6 程序的写入和调试程序的写入和调试一、编程器组成与原理一、编程器组成与原理本讲稿第七十页，共七十一页二、编程器的操作面板二、编程器的操作面板本讲稿第七十一页，共七十一页