《模拟控制器的原理》PPT课件.ppt

控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 2.2. 模拟控制器 ( Analog Controllers ) 控制器的功能 基本构成环节的特性 电动调节器 气动调节器 1 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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. 2 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 2.2.2.基本构成环节的特性 电阻R (a) 固定电阻 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 (b)可调气阻 (b) 可调电阻 (a)固定气阻 气阻R 关系式 R=U/I 传递函数 U(s)/I(s)=R U电阻两端电压 I流过电阻的电流 关系式 R=P/M 传递函数 R=P(s)/M(s) P气阻两端压降 M气体的质量流量 3 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 电容C 气容C (a)固定电容 (b)可变电容 关系式 关系式 传递函数 传递函数 q电容中的电荷量 UC电容两端的电压 m气容中的气体质量 PC气容中的压力。 a)固定气容 (b)可变气容 iC流过电容的电流M气体的质量流量 4 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 1)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： KP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： 5 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 2) 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： 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： T时间常数，T=RC 6 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 3) 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： 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： 传递函数： 7 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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。 8 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 基型调节器的构成 基型调节器线路原理图 9 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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 10 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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 ： 11 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 共模输入电压UC： 输出与输入关系： 12 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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U01。 结论： 13 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 (2) 比例微分电路 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： 14 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 同相端输入运放电路的传递函数为： 比例微分电路的传递函数为： 15 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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： 比例微分电路的传递函数为： 16 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 PD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 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 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 17 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 开关“S”由“断”切换到通时，不会引 起输出突变。因为电脑CD的电压能自动跟 踪R11的电压，即稳态时可以舍得“K”点 和“P”点电压相等。 18 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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U02进行比例积分运算 TI = RI CI 其传递函数为： 19 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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 20 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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 21 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 积分时间TI的倍率开关S3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 积分时间是刻度值的10倍。 n积分时间TI的倍率开关 22 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 (4) 整机传递函数 TD F=1+ Ti 23 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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+ Ti 24 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 PID电路阶跃输入信号的表达式 25 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 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 26 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 n I0= I0 -If 27 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 nI0= I0 -If 28 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 手操电路的作用是实现手动操作:软手操与硬手操 手操电路 29 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 软手操电路 作用 ：a) 使电容CI两端的电压恒等于U02 ； b) 使A3处于保持工作状态 n 扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+UR 通过 RM向CM和A3 充电，使U03线性下降； 当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。 30 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 31 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 硬手操电路 作用： 二是由RH、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=RH=30k 所以 U03=UH 32 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 自动与手动操作之间的切换 n自动(A)软手动(M) n硬手动(H) 软手动(M) A3处于保持工作状态，U03保持不变 n软手动自动 n硬手动 自动 UCI=U02 ，UF3=0，电容没有充放电现象 n自动硬手动 n软手动硬手动 须进行预平衡操作 为无平衡无扰动切换 为无平衡无扰动切换 33 控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系 上页下页目 录 指示电路 R25= R26= R27= R28 U0 = Ui I0= I0 +If 34 控制仪表和计算机控