控制仪表与计算机控制装置模拟控制器工作原理课件

1、1 2.2.1.控制器的功能 控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器 (1)偏差显示(2)输出显示(3)提供内给定信号及内、外给定的选择(4)正、反作用的选择 (5)手动操作与手动/自动双向切换 (6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、 偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等.1 2.2.1.控制器的功能 控制器的作用是对测量信号2 2.2.2.基本构成环节的特性 电阻R 气阻R (a)固定电阻 (a)固定气阻 (b)可调电阻 (b)可调气阻 关系式 R=U/I 关系式 R=P/M 传递函数 U(s)/I(s)=R 传递函数 R=P

2、(s)/M(s) 式中 U电阻两端电压； 式中 P气阻两端压降 I流过电阻的电流。 M气体的质量流量 模拟控制器都是由各种放大器和由电(气)阻、电(气)容构成的基本环节组合而成.2 2.2.2.基本构成环节的特性 模拟控制器3 基本元件 电容C 气容C (a)固定电容 (b)可变电容 a)固定气容 (b)可变气容 关系式： 关系式： 传递函数： 传递函数： 式中：q电容中的电荷量； 式中：m气容中的气体质量 iC流过电容的电流； M气体的质量流量； UC电容两端的电压。 PC气容中的压力。 3 基本元件 电容C 4 比例环节分压电路 (a)结构原理图 (b)阶跃响应关系式：传递函数：式中 KP

3、比例系数，0 KP 1节流通室（分压气路） (a)结构原理图 (b)阶跃响应 关系式（稳态时）：若P3=0（通大气）传递函数：式中 KP比例系数，0 KP 1 4 比例环节分压电路节流通室（分压气路） 5 积分环节积分电路 (a)结构原理图 (b)阶跃响应微分方程：传递函数式中 T时间常数，T=RC 节流盲室（积分气路） (a)结构原理图 (b)阶跃响应微分方程：传递函数：式中 T时间常数 ,T=RC5 积分环节积分电路节流盲室（积分气路）6 微分环节微分电路 (a)结构原理图 (b)阶跃响应微分方程：传递函数：式中 T时间常数，T=RC 微分气路 (a)结构原理图 (b)阶跃响应微分方程：传

4、递函数：式中 T时间常数，T=RC6 微分环节微分电路微分气路7 2.2.3.DDZ型电动调节器 DDZ型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动/自动双向切换和阀位显示等功能。 在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器，如SPC系统用调节器和DDC备用调节器。7 2.2.3

5、.DDZ型电动调节器 D8 基型调节器的构成 基型调节器线路原理图8 基型调节器的构成 基型调节器线路原理图9 基型调节器的构成方框图 输入电路PD电路PI电路输出电路硬手操电路软手操电路9 基型调节器的构成方框图输入电路PD电路PI电路输出电路10 基型调节器的电路分析输入电路 输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用 ：一是偏差检测与放大；二是电平移动 。 输入电路原理图 是为了消除集中供电引入的误差。 是为了保证运算放大器的正常工作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的 ：10 基型调节器的电路分析输入电路 输入电路原理图 是为11共模输入电压UC 利用迭加定理和差动输入运算放大器

6、电路输出与输入的关系式，对于测量信号Ui ，则有 对于给定信号Us ，则有 上述关系式表明： a) 输出信号Uo1 仅与测量信号Ui和给定信号Us差值成正比，比例系数为-2，而与导线电阻上的压降Ucm1和Ucm2无关。 b) 把以零伏为基准的、变化范围为15V的输入信号，转换成以UB (10V)为基准的、变化范围为08V的偏差输出信号V01。 11共模输入电压UC 12 (2) 比例微分电路 比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号V01进行比例微分运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。 无源比例微分电路的传递函数为： 12 (2) 比例微分电路 比例微分电路的作用是对13同相端输入

7、运放电路的传递函数为：比例微分电路的传递函数为： 1314在阶跃输入信号下，比例微分电路输出的时间函数表达式为： 比例微分电路14在阶跃输入信号下，比例微分电路输出的时间函数表达式为： 15PD电路的定性分析在t=0+ ，由于电容CD上的电压不能突变 ，所以UT(0+)=U01 t0， CD两端的电压按指数规律不断上升故UT按指数规律不断下降 当充电过程结束时，UCD= UR11 UT()=U01/n 由于U02= UT，因此U02的变化规律与UT相同， 而且有 15PD电路的定性分析在t=0+ ，由于电容CD上的电压不能16 比例积分电路 比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号

8、U02进行比例积分运算其传递函数为： TI = RI CI 16 比例积分电路 比例积分电路的主要作用是17 比例积分电路实际的输出输入关系联立求解以上三式，化简后可求得KI=K3CM / CI 17 比例积分电路实际的输出输入关系联立求解以上三式，化简18比例积分电路 比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差。 在阶跃输入信号作用下，PI电路输出的时间函数表达式为 18比例积分电路 比例积分电路的调节器的调节系统仍19 积分时间TI的倍率开关K3置于“10”档时， R15上的电压经电阻RI向电容CM充电。因为 UR15=1/m U0 m=(R14+ R15)/ R1510 积分时间是刻度值

9、的10倍。 积分时间TI的倍率开关19 积分时间TI的倍率开关K3置于“10”档时， R1520 (4) 整机传递函数 TD F=1+ Ti20 (4) 整机传递函数 TD21 干扰系数F反映调节器参数(主要是KP、TI、TD) 互相影响的一个参数。 调节器的PID运算电路是由PD电路和PI电路串联构成。 a) KP、TI、TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。 b) 相互干扰系数F是一个大于1的数，其大小与积分时间和微分时间的大小有关。 相互干扰系数F的表达式取决于调节器的结构。 TD F=1+ Ti21 干扰系数F反映调节器

10、参数(主要是KP、TI、TD) 22PID电路阶跃输入信号的表达式22PID电路阶跃输入信号的表达式23输出电路输出电路 输出电路的作用是将比例积分电路输出的以UB为基准的15VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的420mADC输出电流I0 23输出电路输出电路 24 输出电路 I0= I0 -If24 输出电路 I0= I0 -If25 输出电路I0= I0 -If25 输出电路I0= I0 -If26手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式 手操电路手动操作电路原理图 26手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操27 软手操电路作用 ：a)

11、使电容CI两端的电压恒等于U02 ； b) 使A3处于保持工作状态 扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+UR 通过由RM、CM和A3 组成的积分电路使U03线性下降；当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。 27 软手操电路扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+28软手操电路28软手操电路29 硬手操电路 作用：二是由RE、RF和IC3组成了一个比例电路一是使CI两端的电压恒等于V02；因为 RF=RE=30k所以 U03=UH 29 硬手操电路 作用：二是由RE、RF和IC3组成了一个比30 自动与手动操作之间的切换 自动(A)软手动(M) 硬手动(H) 软手动(M) 为无平衡

12、无扰动切换A3处于保持工作状态，U03保持不变 软手动自动硬手动自动 为无平衡无扰动切换 UCI=U02 ，UF3=0，电容没有充放电现象 自动硬手动 软手动硬手动须进行预平衡操作 30 自动与手动操作之间的切换 自动(A)软手动(M) 31 指示电路 R25= R26= R27= R28 U0 = Ui I0= I0 +If 31 指示电路 R25= R26= R27= R28 U032 （1）偏差报警电路基型调节器的附加电路32 （1）偏差报警电路基型调33基型调节器的附加电路（2）输出限幅电路33基型调节器的附加电路（2）输出限幅电路34基型调节器的附加电路（3）PI/P切换调节器34基

13、型调节器的附加电路（3）PI/P切换调节器35DDZ型电动调节器PID运算电路分析 35DDZ型电动调节器PID运算电路分析 36 求取反馈电路的传递函数Wf (S)应用分流公式可求得： 根据等效电源定理可求得 36 求取反馈电路的传递函数Wf (S)应用分流公式可求得37应用分压公式求得UAD (S) 传递函数（S）为： 求取反馈电路的传递函数Wf (S)37应用分压公式求得UAD (S) 传递函数（S）为： 求38相互干扰系数 (2) 求取 应用分压公式 可求得传递函数为: 应用分流公式 求取反馈电路的传递函数Wf (S)38相互干扰系数 (2) 求取 应用分压公式 可求得传递39 求取反馈电路的传递函数Wf (S)39 求取反馈电路的传递函数Wf (S)40微分先行PID运算电路分析 40微分先行PID运算电路分析 41 PD运算电路 应用分压公式可求得: 微分时间微分放大倍数 式中 41 PD运算电路 应用分压公式可求得: 微分时间式中 42差动输入运算放大电路传递函数为 比例运算电路42差动输入运算放大电路传递函数为 比例运算电路43 PI运算电路 整机传递函数为 当测量值不变时，整机传递函数为 43 PI运算电路 整机传递函数为 当测量值不变时，整机传44 PI运