基地式儀表是將測量、顯示、控制和執(zhí)行幾都分組合設(shè)計(jì)成一個(gè)整體裝置。由于儀表直接安裝于被控的生產(chǎn)設(shè)備附近，故稱為基地式或現(xiàn)場型儀表。基地式儀表的所有部件都裝在一個(gè)機(jī)殼里，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠、價(jià)格便宜、運(yùn)行穩(wěn)定、維修方便、安全防爆等優(yōu)I。一般情況下，用一臺(tái)氣動(dòng)調(diào)節(jié)器與一個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥配合使用，就可解決簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的檢測、指示、控制和報(bào)警全部問題。本文重點(diǎn)介紹氣動(dòng)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID控制的基本原理。

1、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器比例(P)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)
一個(gè)假想的氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)器原理如圖1所示。誤差的檢測由波紋管A和B來實(shí)現(xiàn)，測量值或設(shè)定值的任何變化都將導(dǎo)致?lián)醢宓囊苿?dòng)，經(jīng)噴嘴擋板機(jī)構(gòu)放大后，至功率放大器再進(jìn)行功率放大，其輸出P0又經(jīng)反饋波紋管E和驅(qū)動(dòng)桿F作用于擋板，最后使調(diào)節(jié)器輸出P0穩(wěn)定在某一值，并實(shí)現(xiàn)與測量值和設(shè)定值之差成比例。氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的比例增益可通過改變增益調(diào)整球的上下位置進(jìn)行整定，氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出零點(diǎn)可通過調(diào)零彈簧進(jìn)行調(diào)整，氣動(dòng)調(diào)節(jié)器正作用、反作用可通過改變測量信號和設(shè)定值信號輸入波紋管A和B的方法來實(shí)現(xiàn)。在圖中，測量信號進(jìn)入波紋管B，設(shè)定信號進(jìn)入波紋管A，氣動(dòng)調(diào)節(jié)器是正作用如果改為測量信號進(jìn)入A，設(shè)定信號進(jìn)入B，則變?yōu)榉醋饔谩?/span>



2、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器比例積分(PI)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)
比例控制的主要問題是存在靜差。為了減少或消除靜差，可以采用高增益比例控制器或開關(guān)式調(diào)節(jié)器，但會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無靜差，可以把圖1所示的比例調(diào)節(jié)器變?yōu)閳D2所示的PI調(diào)節(jié)器。對圖1和圖2進(jìn)行比較可知，兩者的區(qū)別只是比例控制器的調(diào)零彈簧被波紋管H和針閥I所代替。如果圖2中的針閥I在波紋管H為某一固定壓力時(shí)被關(guān)閉，則波紋管H的作用就相當(dāng)于圖1的調(diào)零彈簧。這時(shí)PI調(diào)節(jié)器就相當(dāng)于P調(diào)節(jié)器。如果針閥I全開，波紋管E和H之間的作用力相平衡，這就等于沒有負(fù)反饋?zhàn)饔茫刂破骶统蔀殚_關(guān)調(diào)節(jié)器。如果針閥I處于全關(guān)或全開之間的某一位置，則在測量值與設(shè)定值有一偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器一方面由噴嘴擋板機(jī)構(gòu)、功率放大器及波紋管E等實(shí)現(xiàn)比例控制作用，另一方面又通過針閥I和波紋管H實(shí)現(xiàn)積分控制作用。顯然，這種PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是開始是比例控制，因?yàn)橛胸?fù)反饋，故使比例增益較小；后來是積分作用，由波紋管H來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭钦答伿箍刂破鞅壤鲆嬖龃螅湓龃蟮臄?shù)值是流入波紋管H或從波紋管H流出的流量之函數(shù)。因此，這種調(diào)節(jié)器能實(shí)現(xiàn)初始響應(yīng)的低增益，然后增大增益以克服靜差的問題，即完成低、高增益兩種功能作用。



3、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器比例微分(PD)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)
控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)是提高穩(wěn)定性，減少衰減振蕩周期和初始超調(diào)，減少或消除靜差。積分作用雖然能消除靜差，但不能解決振蕩周期和初始超調(diào)的問題。實(shí)際上，有了積分作用，振蕩周期和初始超調(diào)反而增加。為了減少振蕩周期和初始超調(diào)，調(diào)節(jié)器應(yīng)在初始響應(yīng)時(shí)是高增益，然后是減少增益。這一現(xiàn)象與積分作用是相矛盾的，而PD調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)上述目的。PD調(diào)節(jié)器原理如圖3所示。 
  

 
圖3中，PD調(diào)節(jié)器與圖1所示的P調(diào)節(jié)器基本上是相同的，在波紋管E的反饋回路加入一針閥D，如果針閥D在波紋管E為某一固定壓力時(shí)關(guān)閉，則比例反饋?zhàn)饔镁拖В?/span>調(diào)節(jié)器就成為開關(guān)控制器；如果針閥D全開，則調(diào)節(jié)器就是比例調(diào)節(jié)器。如果針閥D在全開和全關(guān)之間的某一開度，即在測量值與設(shè)定值之間有一偏差時(shí)，由于比例負(fù)反饋?zhàn)饔?波紋管E的壓力變化)受到抑制，故開始時(shí)的比例增益比較大，然后逐漸增大比例負(fù)反饋?zhàn)?/span>用，使比例增益減少。因此，PD調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)減少振蕩周期和初始超調(diào)的控制功能，也能減少靜差，但不能消除靜差。

4、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器比例積分微分(PID)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)
開關(guān)控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、可維護(hù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)減小靜差或無靜差控制，但是開關(guān)控制器會(huì)使控制系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。如果采用適當(dāng)増益的比例調(diào)節(jié)器，雖然能減小系統(tǒng)振蕩，但又會(huì)使控制系統(tǒng)產(chǎn)生靜差。而采用PI調(diào)節(jié)器雖然可以消除靜差，但又增加了振蕩周期和初始超調(diào)；PD調(diào)節(jié)器可以減小振蕩周期和初始超調(diào)，但不能消除靜差。把比例、積分和微分3種作用組合起來的PID調(diào)節(jié)器綜合了上述幾種調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，能使控制系統(tǒng)獲得理想的調(diào)節(jié)性能。氣動(dòng)組合儀表的PID調(diào)節(jié)器原理如圖4所示。 



 
在工業(yè)自動(dòng)控制中PID調(diào)節(jié)器使用很廣泛，閱讀完本文，大家對氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID控制的原理有所了解，有必要進(jìn)一步了解技術(shù)更先進(jìn)的人工智能調(diào)節(jié)器和傻瓜式模糊PID調(diào)節(jié)器，對豐富您過程控制相關(guān)知識(shí)大有好處。