调节器和执行器分解.pptx

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1、4.1 典型控制系统典型控制系统 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第1页/共60页4.1 典型控制系统典型控制系统 当系统稳定时，偏差信号为0 0或接近于0 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。第2页/共60页4.1 典型控制系统典型控制系统 只有存在偏差时，调节单元才会真正发挥其

2、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“”。第3页/共60页4.2 PID控制规律控制规律 PIDPID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%90%的控制回路都采用PIDPID控制。第4页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P 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

3、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。第5页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P P）控制规律 需要注意的是，当偏差信号为0 0时，由上式可知，调节器的输出信号的变化量 为0 0。但并不意味着此时调节器没有输出或输出为0 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。第6页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P 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

4、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。第7页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（一）比例（P 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。第8页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（二）积分（I 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

5、为 为积分时间；为积分速度。第9页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（二）积分（I 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。第10页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（三）微分（D 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

6、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 第11页/共60页4.2 PID控制规律控制规律一、基本控制规律及其表现形式（三）微分（D 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。第12页/共60页4.2 PID控制规律控制规律二、常规PIDPID控制规律（一）比例积分（PIPI）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。第13页/共60页4.2 PID控制规律

7、控制规律二、常规PIDPID控制规律（二）比例微分（PDPD）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（PDPD）调节器使用。第14页/共60页4.2 PID控制规律控制规律二、常规PIDPID控制规律（三）比例积分微分（PIDPID）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（PIDPID）调节器。第15页/共60页4.2 PID控制规律控制规律三、数字PIDPID控制规律 对 采取近似算法，为采样周期。第16页/共60页4.2 PID控制规律控制规律三、数字PIDPID控制规律（一）位置型 这

8、种算式的输出uk是通过逐次采样偏差i进行求和、求增量获得，便于计算机实现。因uk与实际控制中的阀位相对应，因此称为位置型算式。第17页/共60页4.2 PID控制规律控制规律三、数字PIDPID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。第18页/共60页4.2 PID控制规律控制规律三、数字PIDPID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。第19页/共60页4.3 模拟式模拟式PID调节器调节器 模拟式PIDPID调节器采用模拟

9、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-IIIDDZ-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（IECIEC）推荐的4 420mA 20mA DCDC和1 15V 5V DCDC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。第20页/共60页 DDZ-型型PID调节器的组成调节器的组成第21页/共60页 输入电路输入电路 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+，即和第22页/共60页 PID运算电路运算电路一、比例微分电路设A2为理想放大器，通过电容

10、CD上的充电电流为则对于A2的输入端，有第23页/共60页 PID运算电路运算电路一、比例微分电路又因 ，则有比例微分电路传递函数为第24页/共60页 PID运算电路运算电路一、比例微分电路 则有当输入信号为阶跃信号时，可得Vo2的时域响应为第25页/共60页 PID运算电路运算电路二、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第26页/共60页 PID运算电路运算电路二、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t0时为常数，则有比例积分电路传递函数第27页/共60页 PID运算电路运算电路二、比例积分

11、电路当输入信号为阶跃信号时，可得Vo3的时域响应为第28页/共60页 输出电路输出电路 R3=R4=10k，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，可得第29页/共60页 输出电路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，故可近似有第30页/共60页4.4 可编程调节器可编程调节器 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（CPUCPU）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

12、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。第31页/共60页4.4 可编程调节器可编程调节器 可编程调节器定义了相应的编程语言，即面向过 程 语 言（Procedure Oriented Language，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。第32页/共60页可编程调节器的特点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

13、高，具有自诊断功能，维护方便。第33页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介一、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15V DC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15V DC模拟量输出通道，用以输出控制信号给其他仪表；1个420mA DC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。第34页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介二、

14、SLPC调节器的用户程序 SLPC调节器所有的功能都是借助于对寄存器的定义完成的，不同的数据存放在对应的寄存器中。SLPC调节器内部有许多与应用软件密切相关的用户寄存器，主要分为基本寄存器和功能扩展寄存器两类。第35页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介二、SLPC调节器的用户程序（一）基本寄存器（1）模拟量输入数据寄存器Xn。（2）模拟量输出数据寄存器Yn。（3）开关量输入寄存器DIn。（4）开关量输出寄存器DOn。（5）可变参数寄存器Pn。（6）固定常数寄存器Kn。（7）中间数据暂存寄存器Tn。（8）运算寄存器Sn。第36页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介二

15、、SLPC调节器的用户程序（二）功能扩展寄存器 为了扩展其控制功能，SLPC调节器还设置了A类、B类和FL类功能扩展寄存器，每一类均包括多个寄存器。倘若不需要进行功能扩展，则可对全部寄存器置于初始值。（1）A类寄存器。（2）B类寄存器。（3）FL类寄存器。需要注意的是，上述所有寄存器均对应着RAM中不同的存储单元，这种对应关系可以通过软件进行指定和修改。第37页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介三、程序控制规律的构成及实现 可编程调节器是通过控制语句来实现程序控制规律的。在可编程调节器的程序存储区（ROM）中，既存放有软件管理程序，又存放有各种运算模块和功能模块。用户只需将这些

16、运算模块和功能模块通过指令连接起来，就完成了编程，这一过程也称为“组态”。SLPC调节器的用户指令分为输入指令、输出指令、基本运算指令、函数运算指令、条件判断指令、存储位移指令、控制功能指令和结束指令8类，参见课本表4-1。第38页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介三、程序控制规律的构成及实现 SLPC可编程调节器中的控制功能语句包含3条，即基本控制语句BSC、串级控制语句CSC和选择控制语句SSC。BSC CSC SSC 第39页/共60页可编程调节器可编程调节器SLPC简介简介三、程序控制规律的构成及实现【例4-1】把两个输入变量X1和X2相加后，由Y1输出。解 程序如下：

17、LD X1（读入X1数据）LD X2（读入X2数据）+（对X1、X2求和）ST Y1（将结果送往Y1）END（程序结束）第40页/共60页4.5 执行器执行器 执行器的作用是接受来自调节器的控制信号，将其转换为直线位移或角位移，控制调节机构的开度，最终实现对被控对象的调节，因此可以说执行器是工业自动化的“手脚”。执行器因工作原理简单，容易成为控制系统中被忽视的环节。第41页/共60页执行器的原理及分类执行器的原理及分类一、执行器的原理 执行器一般由执行机构和调节机构两部分组成执行机构是推动装置，将控制信号转变为调节机构位移。调节机构是控制部分，在执行机构的推动下，实现对被控对象的调节。第42页

18、/共60页执行器的原理及分类执行器的原理及分类二、执行器的分类 执行器按照使用能源的不同，分为气动、液动和电动三种。气动执行器因结构简单，动作可靠，输出动力较大，价格低廉，维修方便，防火防爆等。液动执行器输出推力很大，但其辅助设备往往较为笨重，体积较大。电动执行器能源取用方便，信号传递迅速，传输距离远，结构复杂，推力小，防火防爆性能差。第43页/共60页气动执行器气动执行器 常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类 气动薄膜式执行机构采用弹性膜片将输入气压转变为推力，带动膜片上 的阀杆移动，使阀芯产生位移，从而改变调节阀的开度。这类执行机构结构简单，价格便宜，适用于输出力较小、精度较高的场合。

19、第44页/共60页气动执行器气动执行器 常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类 气动活塞式执行机构采用无弹簧的气缸活塞将输入气压转换为活塞的位移，通过阀杆等结构来改变调节阀的开度。这类执行器结构可以获得较大的推力，允许活塞产生较大的位移，因而适用于长行程的场合。第45页/共60页阀门定位器阀门定位器 阀门定位器是气动执行器主要的辅助装置，与气动执行器配套使用。用于提高调节阀位置精度，实现准确定位，并改善调节阀的工作特性。第46页/共60页电动执行器电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节阀两部分组成，与气动执行器不同之处在于执行机构采用电动机等电的动力来启闭调节阀。根据配用的阀门的要求，电动

20、执行器的输出方式主要有直线行程、角行程和多转式三种。电动执行器接受调节器输出的0 010mA10mA或4 420mA20mA的直流电流信号，并将其转换为对应的角位移或直线位移，用以操纵执行机构，实现对被控量的自动调整。第47页/共60页电动执行器电动执行器 以角行程电动执行器为例，以 表示输入电流，表示输出轴转角，两者间存在下述线性关系 K比例系数 第48页/共60页电动执行器电动执行器 为保证电动执行器的输入与输出之间严格按比例关系变化，可采用比例负反馈构成闭环控制回路。电动执行器还提供手动输入方式，以便在系统掉电时，可进行手动操作。第49页/共60页电动执行器电动执行器 伺服放大器由前置的

21、磁放大器、可控硅触发电路和可控硅交流开关组成。第50页/共60页调节阀调节阀一、调节阀的工作原理 调节阀是各种执行器的调节机构，主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆等组成，其本质上是一个局部阻力可以改变的节流元件。第51页/共60页调节阀调节阀二、调节阀的分类及结构（一）直通单座阀 直通单座阀的阀体内 只有一个阀芯和阀座。其结构简单，泄漏量小，流体对阀芯上下面作用的不平衡推力较大。当阀前后差压较大或阀芯尺寸较大时，这种不平衡力可能会相当大，影响阀芯的准确定位。这种阀门一般应用在对泄漏量要求严格、小口径、低压差的场合。第52页/共60页调节阀调节阀二、调节阀的分类及结构（二）直通双座阀 直通双座阀的阀体

22、内有两个阀芯和阀座，流体对上下阀芯的推力方向相反，大小近乎相等。因此，使用时允许有较大的差压，流通 能力比同口径的单座阀要大。由于加工的限制，上下两个阀芯、阀座不易保证同时密闭，因此关闭时泄漏量较大；此外，阀体内流路复杂，高差压时流体对阀体的冲蚀较严重，也不适用高黏度与含悬浮颗粒的控制介质。第53页/共60页调节阀调节阀二、调节阀的分类及结构（三）角形阀 角形阀的阀体呈直角形，阀芯与直通单座控制阀类似，一般为底进侧出。这种阀流路简单且阻力小，适用于现场管道要求直角连接，高黏度、高差压和含有少量悬浮物的控制介质。第54页/共60页调节阀调节阀二、调节阀的分类及结构（四）球阀（五）蝶阀第55页/共

23、60页调节阀调节阀二、调节阀的分类及结构（六）凸轮挠曲阀第56页/共60页调节阀调节阀三、调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即 相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开时流量之比；相对行程，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。第57页/共60页调节阀调节阀三、调节阀的流量特性典型的理想流量特性曲线典型的理想流量特性曲线 阀芯形状阀芯形状 第58页/共60页调节阀调节阀四、调节阀的选择（一）调节阀的阀体类型选择（二）调节阀执行机构的选择（三）调节阀的作用方式选择（四）调节阀流量特性的选择（五）调节阀口径的选择第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页