过程控制工程 潘永湘 第3章过程控制仪表(1)

若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差。 比例积分调节器的输出可以 看成比例和积分两项输出的 合成，即在阶跃输入的瞬间 有一比例输出，随后在比例 输出的基础上按同一方向输 出不断增大，这就是积分作用。 只要输入不为零，输出的积分 作用会一直随时间增长，如图 中实线所示。而实际的比例积 分调节器，由于放大器的开环 增益为有限值，输出不可能无 限增大，积分作用呈饱和特性，如图中虚线所示。
具有饱和特性的PI调节器的传递函数可写成以下的标 准形式：
1 1 TIs G c (s) K c 1 1 K I TIs
TI为一常数，它表示积分作用的强弱。
TI越大，积分作用越弱；反之，积分作用越强。
KI称为PI调节器的积分增益。 它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与 纯比例作用时产生的输出变化之比。
e u ( / ) 100% emax emin u max u min
式中e为输入偏差；u为控制器输出的变化量； （emax - emin）为输入的最大变化量,即输入量程； （umax –umin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量 程。
比例度:
e u ( / ) 100% emax emin u max u min
3．2．1
比例积分微分调节规律
比例积分微分调节规律是指调节器的输出分别 与输入偏差的大小、偏差的积分和偏差的变化率成比 例，其英文缩写为PID(proPID的增量式数学表达式为
1 de(t ) u ( t ) K c [e(t ) e(t )dt TD ] TI dt
1 1 TDs TIs G c (s) K c 1 TD 1 s K I TIs K D
理想PID调节器的阶跃响应特性如图3－5 中实线所示；而实际PID调节器的阶跃响应 特性如图3－5中虚线所示。
在生产过程自动化的发展进程中，PID调节规律 是应用时间最长、生命力最强的一种控制方式。 在20世纪40年代前后，除在最简单的情况下采 用开关式控制外，它是唯一被采用的控制方式。此 后，随着控制理论和科学技术的发展，虽然出现了 许多新的控制方式，然而截至目前为止，PID调节方 式依然被广泛地采用。
(6)其他功能 除了上述功能外，有的调节器还有一些附加 功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏 差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加 功能都是为了进一步提高调节器的控制功能。
2．执行器的作用
执行器在过程控制中的作用： 接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度， 从而达到控制介质流量的目的。因此，执行器也是过 程控制系统中一个重要的、必不可少的组成部分。 执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、 深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀等恶劣条件下工 作，因而是过程控制系统的最薄弱环节。如果执行器 的选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困 难，甚至会导致严重的生产事故。为此，对于执行器 的正确选用以及安装、维修等各个环节，必须给以足 够的重视。 若执行器是采用电动式的，则无需电／气转换器； 若执行器是采用气动式的，则电／气转换器是必不可 少的。
t t
t
t


比例控制的特点
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。

控制结果存在静差。因为，如果被调量偏
差为零，调节器的输出也就为零
u = KC 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。
在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表示 比例控制作用的强弱。 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化值之比，用百分数表示。
DDZ是电动单元组合仪表汉语拼音的缩写，它经 历了以电子管、晶体管和线性集成电路为基本放大 元件的I型、Ⅱ型和Ⅲ型系列产品阶段。其中DDZ—I、 Ⅱ型已经停产，这里主要介绍DDZ一Ⅲ型模拟式调节 器。 在此之前先对调节规律的数学描述及其特性进 行一些简单的介绍。有关调节规律对系统调节质量 的影响、调节规律的选择和调节器的参数整定将在 第5章中进行详细的讨论。
(4)正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增 大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出 随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。为 了构成一个负反馈控制系统，必须正确地确定调节器 的正、反作用，否则整个控制系统将无法正常运行。 调节器的正、反作用，可通过正、反作用开关进行选 择或由软件实现。
3.安全栅
安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其 作用： 一方面：保证信号的正常传输， 另一方面：控制流入危险场所的能量在爆炸性气 体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制 系统的安全火花性能。 本章重点介绍DDZ-Ⅲ型模拟式调节器、执行器、 电／气转换器和安全栅等控制仪表。
3．2
DDZ-Ⅲ型模拟式调节器
过程控制仪表
第三章 过程控制仪表
3．1过程控制仪表概述
在过程控制中，常将调节器(含可编程序控制 器)、电／气转换器、执行器、安全栅等称为过程控 制仪表，它们是实现工业生产过程自动化的核心装 置。
在过程控制系统中，参数检测仪表将被控量转 换成电流(电压)信号或气压信号，一方面通过显示 仪表对其进行显示和记录，另一方面则将其送往调 节器与给定信号进行比较产生偏差，并按照一定的 调节规律产生调节作用去控制执行器，以改变控制 介质的流量从而使被控量符合生产工艺要求。
据有关资料统计，目前世界上90％以上的过程 控制系统采用的依然是PID调节或基于PID调节的各 种改进型控制方式。 PID调节的主要优点体现在以下几个方面：
1）PID调节模拟了人脑的部分思维，原理简单、容 易理解与实现，使用方便。 2）应用范围广。它能广泛应用于化工、热工、冶 金、炼油以及造纸、建材等各种控制过程。按照 PID控制方式工作的自动调节器产品早已标准化和 系列化，即使在过程计算机控制中，其基本的控制 方式也依然采用的是PID调节或新型PID调节。 3）鲁棒性强。由PID调节规律构成的控制系统当被 控过程的特性发生改变时，只要重新整定调节器的 有关参数，即可使系统的控制性能不会产生明显的 变化。
u
100%
50%
0
umin
控制器输入偏差 变化50% ，就可使控 δ =50% 制器输出变化100%， 若输入偏差变化超过 δ =100% 此量，则控制器输出 饱和，不再符合比例 u ur umax 关系。
例 某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号 范围是4～20mA。当指示指针从600℃变到700℃时，控制 器相应的输出从8mA变为16mA。求设定的比例度。
1.比例调节
当TI ∞、TD=0时，积分项和微分项都不起作用， 上式变为纯比例调节。 纯比例调节器的单位阶跃响应特性如图3－1所示。 由图3－1可见，纯比例调节器
的输出与输入偏差成正比，
比例增益的大小决定了比例 调节作用的强弱，Kc越大，
比例调节作用越强。
∆Q2
比例控制过程
t
原来系统处于平衡， h 进水量与出水量相等，此 e 时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增 加，引起液位下降，浮球 p 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 ∆Q1 水量相等时，系统重新平 衡，液位也不再变化。
解

50%

e emax
/
u u max
100%
u/mA 20 δ =50%
700 600 16 800 400 / 208 100% 4
4 400
e
800
e/ ℃
答 温度的偏差在输入量程的50％区间内 （即200℃）时，e和u是2倍的关系。
2．比例积分调节
如果控制器输入、输出量程相等，则:
u umax
e 1 100% 100% u KC
umin
emin
er
emax
比例度除了表示 控制器输入和输出之 间的增益外，还表明 e 比例作用的有效区间。
比例带δ的物理意义： 使控制器输出变化100%时，所对应的偏 差变化相对量。如δ =50%表明：
(2)输出显示
调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯 上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，
而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节
过程。 (3)内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定 信号常由调节器内部提供，称为内给定；而在随动控制 系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则 称为外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选 择或由软件实现。
(5)手动切换操作 调节器的手动操作功能是必不可少的。 在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器 的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自 动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动 状态以防止系统失控。通过调节器的手动／自动双向切换 开关，可以对调节器进行手动／自动切换，而在切换过程 中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无 扰动切换。
由实际应用可知，调节器不允许具有理想的微 分作用，这是因为具有理想微分作用的调节器缺乏 抗干扰能力，即当输入信号中含有高频干扰时，会 使输出发生很大的变化，引起执行器的误动作。因 此，实际的微分调节器常常具有饱和微分特性。具 有饱和微分特性的比例微分调节器的传递函数为
1 TDs G c (s) K c TD 1 s KD
式中，KD称为PD调节器的微分增益， 它定义为： 在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与 纯比例作用时产生的输出变化之比。 具有饱和特性的比例微分调节器的阶跃响应 特性如图3-4所示。
4．PID调节
同时具有比例、积分、微分作用的调节器称为PID 调节器，理想PID调节规律的传递函数如前所示，而实 际PID调节器的积分和微分作用都具有饱和特性，其传 递函数为
写成传递函数形式，则为