PID调节器

PID调节器

将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器，即为调节器，又称调节仪表。通常，调节器分为模拟调节器和数字调节器。

对被调量与给定值的偏差分别进行比例、微分和积分运算，取其和构成连续信号以控制执行器的模拟调节器，它的全称是比例积分微分调节器。这种调节器在工业生产中应用十分广泛。PID调节器的输入信号e（偏差）和输出信号P之间的函数关系可用下式表示：

ttdtdeTdtdteTiteKpp01

式中Kp为调节器的放大系数，Ti为调节器的积分时间,Td为调节器的微分时间。输出变化量 P包含输入变化量的比例项、输入变化量对时间的积分和微分三项，它们分别称为比例作用、积分作用和微分作用。比例作用的校正作用强，稳定性好，但对被调量的调节作用最终达不到给定值,始终存在余差（又称为静态误差）（图1）。积分作用决定于偏差的存在与否,只要有偏差，积分作用就存在,直到偏差消除为止。因此积分作用能消除余差。微分作用总是阻止被控总量的变化(图2)，偏差刚产生时就发生信号进行调节，故有超前作用，能克服调节对象和传感器惯性的影响，增加系统的稳定性。图3表现了在比例(P)作用、比例积分 (PI)作用和比例积分微分(PID)作用下被调量y的变化过程。可以看出,比例积分微分作用为最佳，能迅速地使y达到给定值x。比例积分作用则需要稍长的时间,比例作用则最终达不到给定值,而有余差。具有比例作用的比例调节器和具有比例积分作用的比例积分调节器广泛应用在各个领域。

PID调节器有多种类型,如气动PID调节器和电动PID调节器。单元组合仪表和组装仪表都有PID调节器。PID调节器按整定方式又分为普通型和电压整定型两种。在普通型调节器中,调节器参数K、Ti、Td等只能就地调整，而电压整定型的调节器参数受外界给定信号控制，因而可以制成远程整定、第三参数整定、自整定以及与计算机联用等类型。在直接数字控制系统和工业控制机系统中也广泛采用 PID调节规律控制工业对象。

模拟调节仪表

采用模拟信号的调节器，又称模拟调节器。它确定受控对象参数的模拟形式测量值与给定值的偏差，并根据一定的调节规律产生模拟输出信号推动执行器消除偏差，使受控参数保持在给定值附近或按预定规律变化。在自动化仪表中，调节仪表常被用于对检测仪表的输出信号进行综合以达到控制生产过程的目的。所调节的参数包括温度、压力、流量、液位、成分等。 分类 模拟调节仪表按照所用的能源分为气动仪表、液动仪表和电动仪表三类；按照原理和结构又可分为自力式调节器、基地式调节仪表、简易调节仪表、单元组合仪表和组装式综合控制装置等（见图）。模拟调节仪表按调节作用又分为两位调节器、比例调节器、PI调节器（比例积分调节器）、PID调节器（比例积分微分调节器）、前馈调节器等。

①自力式调节器 以被调介质本身的能量或经过简单的转换后带动调节阀，实现自动调节。浮球式液位调节器（如卫生间用的）就是利用浮球在液面上受到的浮力使调节阀动作。这种调节器不需要外来能源，是一种就地调节的装置。它结构简单，易于维修，适用于控制精度要求不高的单参数调节系统。它在原理和结构上与气动执行器十分类似，常被归入执行器类。

②基地式调节仪表 一种带附加调节机构的指示记录仪表。它接受检测元件发来的信号，靠指示、记录机构的动作带动调节机构发出控制信号，送到执行器实现自动调节。动圈式指示调节仪表、带电动调节器或气动调节器的电动和气动记录仪表都属于这种类型，它们广泛用于控制单台生产设备。

③简易调节仪表 一种可直接接受检测元件的信号，不带指示机构的，专用性较强且结构简单的调节仪表。它也可以接受变送器的信号。无指示调节器和温度报警器都属于简易调节仪表，在中小型企业中得到广泛应用。

④单元组合仪表 由若干种具有独立功能的标准单元组成的一套调节仪表。它完全适应大型机组和过程控制方面的要求，可以实现多回路的复杂控制（见电动单元组合仪表、气动单元组合仪表）。

⑤组装式综合控制装置 简称组装式仪表，是按照一个大型机组或过程控制的要求，选用各种独立的功能组件组合成的专用控制装置。它可按用户的需要组装，因而具有很大的灵活性。

发展方向 模拟调节仪表的今后发展大致有如下几个方面：

①控制功能多样化 按照设备运行的要求，不但要有各种反馈控制功能（如比例积分、比例积分微分等），还要有新型调节规律（如前馈控制、自适应控制、非线性控制等）、程序控制和各种联锁保护。

②系统功能的扩展 生产工艺和生产规模的变化要求自动调节仪表能适应各种单参数、多参数控制系统，能方便地扩展控制功能和系统规模。

③模拟仪表与计算机的兼容性 计算机控制必须与模拟仪表建立联系。如用直接数字控制时对一些关键回路常用模拟调节器作后备，采用给定值控制时则需要通过模拟调节器去控制生产过程。因此必须解决好模拟仪表与计算机联用的问题。

④操作简便性和安全可靠性 随着许多大型、高效率工艺装备的出现，自动控制系统日益庞大复杂，所用的调节仪表也日益增多。例如对一台30万千瓦发电机组用晶体管型单元组合仪表控制，其控制仪表盘面长达10多米，操作把手400多个，机组启动长达10小时,操作人员负担很重。因此对新型调节仪表要求操作简便。此外许多大型的工业装置工作在临界状态下，对自动控制的可靠性有极高的要求，调节仪表应同整个系统的监控、保护装置配合，使整个系统安全可靠地运行。

气动单元组合仪表

由若干种具有独立功能的标准单元组成的一套气动调节仪表,汉语拼音缩写为QDZ。它用压缩空气作为能源。标准单元是按仪表在自动控制系统和自动调节系统中的作用划分的,各单元间使用统一标准的(20～100千帕)气压信号。这些单元经过不同的组合，可构成不同复杂程度的各种自动检测系统和自动调节系统。气动单元组合仪表广泛应用于各种工业生产自动化过程，特别适宜用在易燃、易爆的场合，还常通过转换单元与电动单元组合仪表联用。

发展状况 以压缩空气作为能源的气动仪表已有较长的历史。19世纪末出现气动薄膜调节阀。20世纪初有了指示、纪录型的调节仪表，当时采用大型圆图记录方式，可进行两位调节和比例调节，30年代又增加了积分、微分调节作用，并研制出气动传感器，使简单的基地式仪表的功能进一步完善，主要应用于调节热工生产过程的工艺参数（如温度、压力、流量、液位等），曾称为热工调节仪表。40年代末出现了尺寸为6×6英寸的指示调节仪表，并带有自动-手动切换机构,将整套的基地式仪表按功能划分成若干独立工作的单元。60年代出现了条型、密集安装、具有偏差指示、可与计算机联用的各种新型气动单元组合仪表，外形尺寸与电动单元组合仪表趋向统一。70年代气动单元组合仪表广泛采用集成气路、矢量机构等新型部件，技术性能大为提高。中国在60年代研制的气动单元组合仪表经历了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的发展过程，在工业生产中得到了广泛的应用。

组成 气动单元组合仪表主要由 7类具有独立功能的单元组成（图1）。

① 变送单元 又称变送器。它将各种生产过程中被测量参数（如温度、压力、流量、物位等）转换成标准压力信号（20～100千帕）,传送给其他单元。下表列出常用的气动变送器品种。

② 调节单元 根据被调量与给定值的偏差，按一定调节规律运算(如比例、积分、微分或它们的组合等)，输出一个调节信号给执行器，实现系统的自动调节。常用的调节器有比例调节器、微分调节器、积分调节器、比例积分调节器和PID调节器。

③ 显示单元 用于指示、记录或累积计算被测参数、给定值、调节器输出或阀门位置信号等。带有调节单元的显示单元具有控制中心的作用。有的显示单元具有报警功能。

④ 计算单元 对几个标准的信号进行加、减、乘、除、开方等数学运算，常用于被测参数综合计算和按计算值调节的系统中。

⑤ 定值单元 输出一个固定的或按时间程序变化的给定值给调节单元，实现系统的定值调节和程序调节。

⑥ 辅助单元 配合其他单元完成信号远距离传送，实现信号选择、限幅、切换和手动操作等辅助功能，能增加整套气动单元组合仪表的灵活性。

⑦ 转换单元 将电动调节仪表的标准信号(0～10毫安或4～20毫安)转换为气动仪表的标准信号，以组成电动、气动仪表混合使用的调节系统（见电动单元组合仪表）。

喷嘴-档板机构 用于测量微小位移的气动部件,在气动单元组合仪表的各类单元中均有采用。它由恒节流孔、喷嘴和档板组成（图2）。压力为P0的压缩空气经过恒节流孔，通过喷嘴流入大气，改变档板与喷嘴之间的距离s，能改变环室的输出压力P1(P1称为背压)。s一般在0.007毫米内变化，可获得20～100千帕的P1值。因此大多数气动仪表都采用喷嘴档板机构作为微小位移的检测机构。在液压伺服机构中它也有广泛的应用。

气动放大器 它对输入的气压信号进行压力和功率放大；是变送单元和转换单元的重要部件，也是一般气动仪表的重要部件，常与喷嘴-档板机构连用,将喷嘴的背压放大,作为仪表的输出信号或仪表内部信号。图3是变送单元使用的放大器原理图。喷嘴和档板间的距离改变引起背压P1改变，推动膜片和阀杆移动,改变C室锥阀和A室球阀的开度。A室的空气一部分进入B室作为输出信号，另一部分通过锥阀进入C室排入大气。输出信号的大小决定于两个阀的开度，即与输入信号 P1成比例。放大倍数一般为6～30。锥阀一般不关死，工作时一直有气流排入大气，称为泄气型放大器。调节单元常使用另一种不泄气的放大器。

特点 气动单元组合仪表的优点是：①利用力平衡原理(见力平衡式传感器),精度高,工作可靠。②按组合原理设计，在构成系统时有较大灵活性和通用性。③采用压缩空气作能源，能直接驱动气动执行器，工作平稳，具有防爆、防火、防核辐射等性能。④气路简单，价格低廉。气动单元组合仪表的缺点是：气源需要除油、除水、除尘的净化装置；信号传送速度慢；最大传送距离只有300米；与计算机连用不方便。

电动单元组合仪表

由若干种具有独立功能的标准单元组成的一套电动调节仪表。汉语拼音缩写为DDZ。标准单元是按仪表在自动检测系统和自动调节系统中的作用划分的，各单元间使用统一标准的直流电流(或电压)信号。根据生产工艺要求，这些单元可组成不同复杂程度的自动检测系统和自动调节系统。用集成电路作基本元件的电动单元组合仪表采用直流低电压24伏集中供电，并与备用蓄电池构成无停电装置，能保证仪表的可靠性和安全性。现场仪表用直流4～20毫安,控制室仪表用直流1～5伏作为统一信号。它是电流传输、电压并联接收的信息系统。电动单元组合仪表广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等工业部门，用于单参数、串级和多参数等自动调节。在电子技术的不同发展阶段，电动单元组合仪表又有不同的型式。中国在60年代前后研制的电动单元组合仪表采用电子管和磁放大器为主要放大元件，称为DDZ-Ⅰ型仪表。60年代采用晶体管作为主要放大元件,称为DDZ-Ⅱ型仪表。70年代逐渐采用集成电路，称为DDZ-Ⅲ型仪表。整套仪表的功能大大扩大，性能显著提高。