第4章-调节器和执行器分解

智能建筑环境检测与控制技术4调节器和执行器本章主要介绍过程控制中常用的调节器和执行器的工作原理、种类、特点及其在过程控制中的应用。在调节器的讲述中，主要介绍工业控制中最为普遍和最为常用的比例（P）、积分（I）、微分（D）调节器的控制原理，以及由此基本调节器衍生出的其他类型的调节器，包括比例积分（PI）、比例微分（PD）和比例积分微分（PID）调节器。除此之外，还以SLPC为例介绍了目前较为先进的可编程序调节器的特点和工作原理。在执行器部分，对常用的气动、液动和电动执行器的特点、种类及工作原理进行了介绍。本章要求重点掌握比例、积分、微分控制规律的特点及应用，了解执行器的工作原理及选择方法。智能建筑环境检测与控制技术4.1典型控制系统典型的单回路控制系统的结构框图如图所示。其中，虚线框内部分为调节器，是包括执行器、被控对象和测量变送元件在内的广义被控对象的传递函数，为干扰通道的传递函数。进入调节器的偏差信号定义为)(sWo)(sWp)(sWdry智能建筑环境检测与控制技术4.1典型控制系统当系统稳定时，偏差信号为0或接近于0。当干扰作用于系统而使被控变量偏离设定值时，偏差信号出现。调节器在接收到偏差信号以后，期望根据预设好的控制规律改变其输出信号，通过执行器作用于被控对象，使被控量向系统设定值方向改变，重新回到稳定状态。智能建筑环境检测与控制技术4.1典型控制系统只有存在偏差ε时，调节单元才会真正发挥其作用。对于调节器而言，有正、反作用两种工作方式。所谓正作用方式是指调节器的输出信号u随被调量y的增大而增大，此时整个调节器的增益为“+”。反作用方式则是指u随被调量y的增大而减小，调节器的增益为“－”。智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律PID调节器结构简单，使用方便，且其控制品质对被控对象特性不敏感。因此，具有广泛的适应性。据统计，在过程控制领域中，大约90%的控制回路都采用PID控制。智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P）控制规律比例控制规律的调节器的输出信号的变化量与偏差信号之间存在比例关系，用微分方程形式可表示为为可调的放大倍数（比例增益），其大小反映了比例作用的强弱。uPKuPK智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P）控制规律需要注意的是，当偏差信号ε为0时，由上式可知，调节器的输出信号的变化量为0。但并不意味着此时调节器没有输出或输出为0，只能说明此时调节器的输出为某个平衡值。平衡值的大小一般可通过调整调节器的工作点加以改变。u0u0u智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P）控制规律比例调节是最基本、应用最普遍的控制规律，其显著特点是有差调节。比例调节器的输出信号变化量与输入信号之间始终保持比例关系，也即调节作用是以偏差的存在为前提的，因此系统稳定后，被控变量也无法达到系统给定值，即存在一定的残余偏差。u智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P）控制规律比例度是调节器输入的相对变化量与相应的输出的相对变化量之比的百分数，可以表示为比例度越小，放大倍数越大，将偏差放大的能力越强，控制作用也越强，反之亦然。%100minmaxminmaxuuu智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（二）积分（I）控制规律积分控制规律的调节器的输出信号的变化量与偏差信号的积分成正比，用微分方程形式可表示为为积分时间；为积分速度。udtTuI1ITIT1智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（二）积分（I）控制规律积分调节器的输出信号变化量不仅与偏差信号有关，与其存在的时间也有关。偏差信号存在的时间越长，就越大，直至调节器的输出达到极限值。只有等于零时，输出信号才能相对稳定，且可稳定在任意值上。积分调节规律的显著特点是希望消除残差并最终消除残差。积分调节器的缺点是动作过于迟缓，因此具有滞后调节特点。uu智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（三）微分（D）控制规律微分控制规律的调节器的输出信号的变化量与偏差信号的变化速度成正比，用微分方程形式可表示为为微分时间为偏差信号变化速度udtdTuDDTdtd智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律一、基本控制规律及其表现形式（三）微分（D）控制规律微分控制规律的调节作用是与偏差信号的变化的速度成正比的，可以根据偏差信号的变化趋势及时地产生调节作用，将偏差尽早消除，因此具有超前调节能力。微分调节在实际工程中不能单独使用，只能起辅助调节作用。智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律二、常规PID控制规律（一）比例积分（PI）调节器由比例与积分两种调节作用结合而成，既能达到控制及时的目的，又能消除残差，可以提高控制精度。01dtTKuIP智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律二、常规PID控制规律（二）比例微分（PD）调节器微分调节器不能单独使用。实际应用时，至少与比例控制组合成比例微分（PD）调节器使用。dtdTKuDP智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律二、常规PID控制规律（三）比例积分微分（PID）调节器当控制对象惯性较大且对控制精度要求较高时，可采用将比例、积分与微分三种调节作用结合而成的比例积分微分（PID）调节器。dtdTdtTKuDIP01智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律三、数字PID控制规律对采取近似算法，为采样周期。dtdTdtTKuDIP01TdtdTdt100kkkiiT智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律三、数字PID控制规律（一）位置型这种算式的输出Δuk是通过逐次采样偏差εi进行求和、求增量获得，便于计算机实现。因Δuk与实际控制中的阀位相对应，因此称为位置型算式。kikkiTTTTKu01)(DIPkk智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律三、数字PID控制规律（二）增量型增量型算式的输出只取决于最后几次偏差，计算相对简单，提高了实时性，因此得到了广泛的应用。)2()(2111kkkDkIkkPkkTTTTKuu智能建筑环境检测与控制技术4.2PID控制规律三、数字PID控制规律（三）速度型由于采样周期T为常数，因此速度型算式与增量型算式在本质上是相同的。速度型算式主要应用于控制步进电机等单元构成的系统。)2()(2111kkkDkIkkPkkkTTTTTKTuuv智能建筑环境检测与控制技术4.3模拟式PID调节器模拟式PID调节器采用模拟电路实现各种控制规律，也称电动调节器。目前仍在使用的主要为DDZ-III型调节器，它广泛采用了集成电路，提高了可靠性和安全性；符合国际电工委员会（IEC）推荐的4－20mADC和1－5VDC统一信号标准；增加了安全栅，构成安全火花型防爆系统，可适应化工厂及炼油厂的防爆要求。智能建筑环境检测与控制技术4.3.1DDZ-Ⅲ型PID调节器的组成智能建筑环境检测与控制技术4.3.2输入电路由叠加原理可写出放大器同相与反相输入端电压分别为设A1为理想放大器，则有V-=V+，即sB1()3VVVio1B1132VVVV和sBio1B111332VVVVVo1siBis22VVVVVV智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路一、比例微分电路设A2为理想放大器，通过电容CD上的充电电流为则对于A2的输入端，有o1DDo1DDDD()11()()11VsCsnnIsVsnnRCsRCso1DDDDo1DD1()()()11()1VsVsIsRnnRCsVsnRCs智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路一、比例微分电路又因，，则有比例微分电路传递函数为o21()()VsVs()()VsVsDDo2o1DD1()()()1nRCsVsVsVsnRCsDDDnRCTDPDD1()1TsWsTnsn智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路一、比例微分电路则有当输入信号为阶跃信号时，可得Vo2的时域响应为Do2o1()1(1)e()ntTVtnVtn智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路二、比例积分电路设A3为理想放大器，则对比例调节电路有对积分调节电路有MIo3Po2o2MI1()()()1CsCVsVsVsCCso2o3Io2MIIM()11()d()dVtVttVttCmRmRC智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路二、比例积分电路又因Vo3(s)=Vo3P(s)+Vo3I(s)，假设Vo2(t)为阶跃信号，则Vo2(t)在t≥0时为常数，则有比例积分电路传递函数Io3o2MII1()1()CVsVsCmRCsIIImRCTIPIMI1()1CWsCTs智能建筑环境检测与控制技术4.3.3PID运算电路二、比例积分电路当输入信号为阶跃信号时，可得Vo3的时域响应为Io3o2MI()1()CtVtVtCT智能建筑环境检测与控制技术4.3.4输出电路R3=R4=10kΩ，R1=R2=4R3，假设A4为理想放大器，则有又V-=V+，由式（4-27）和式（4-28）进行整理，可得32B232324RRVVRRRR41Bo3f1414RRVVVVRRRRfo31244VV智能建筑环境检测与控制技术4.3.4输出电路由图可知由式（4-29）和式（4-30），可得而Io又远大于If和IB，故可近似有fof24VIRo3of4VIRo3of4VIR智能建筑环境检测与控制技术4.4可编程调节器可编程调节器也称为数字式调节器，不同于模拟式调节器那样所有控制功能都由硬件电路实现，而是采用了数字技术，以微处理器（CPU）为核心部件，极大地增强了其使用功能，可以同时控制单个或者多个回路。加之配有多路模拟量及数字量输入接口，可以取代多台模拟仪表，实现复杂的控制运算。智能建筑环境检测与控制技术4.4可编程调节器可编程调节器定义了相应的编程语言，即面向过程语言（ProcedureOrientedLanguage，POL）。用户使用它可以将各软件功能模块进行组态，用以指明模块之间的连接顺序，定义数据的输入与输出，进行各种运算，进而实现某种确定的调节功能，以适应各种不同的控制场合。智能建筑环境检测与控制技术4.4.1可编程调节器的特点（1）实现了模拟仪表与数字式仪表的一体化，通用性强。（2）运算控制功能强大。（3）所有控制功能通过软件实现。（4）具有通信功能，便于系统扩展。（5）可靠性高，具有自诊断功能，维护方便。智能建筑环境检测与控制技术4.4.2可编程调节器SLPC简介一、SLPC调节器的组成及外部结构SLPC调节器主要由CPU、ROM、RAM、D/A转换器、过程输入/输出接口、数据通信接口及人机接口组成。SLPC调节器的外形结构和操作方式与模拟控制仪表类似，具有5个1～5VDC模拟量输入通道；6个的可编程数字量输入/输出通道（其输入输出由用户决定）；2个1～5VDC模拟量输出通道，用以输出控制信号给其他仪表；1个4～20mADC模拟量输出通道，用以驱动调节阀；1个点故障状态输出通道和1个全双工串行通信通道。智能建筑