第1章模拟式控制器.ppt

控制器功能 将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行一定规律的运算 并输出统一标准信号 去控制执行机构的动作 以实现对温度 压力 流量 液位及其他工艺变量的自动控制 图1 1单回路控制系统方框图 模拟式控制器 1 1 1 控制器的运算规律和构成方式 一 概述 1 1 控制器的运算规律和构成方式 图1 2液位控制系统框图 电开阀 控制器的作用方式 电关阀 控制器的作用方式 例 给定单元 流量调节器 调节阀 锅炉 温度变送器 XR Xi 扰动 图1 3温度控制系统框图 电开阀 调节冷水水量来控制水箱温度 调节器的作用方式 调节管道蒸汽流量来控制锅炉温度 调节器的作用方式 1 1 控制器的运算规律和构成方式 例 1 1 控制器的运算规律和构成方式 二 PID控制器的运算规律 1 1 控制器的运算规律和构成方式 图1 4P控制器的阶跃响应特性 2 P控制特性 P控制的特点 控制快速及时 但系统有余差 P控制器一般用于干扰较小 允许有余差的系统中 余差是否可以为0 比例度是否越小越好 例 4 20mA比例调节器 输入从4 8mADC变化 输出从4 14mADC变化 1 1 控制器的运算规律和构成方式 0 1 1 控制器的运算规律和构成方式 2 PI运算规律 1 理想PI控制器的特性 或 纯积分作用特点 1 PI作用特点 既能消除余差 但调节速度又较快 思考 积分的快慢与什么因素有关 能消除余差 但调节作用较为缓慢 图1 5理想PI控制器的阶跃响应特性 2 PI阶跃响应特性 比例作用输出 积分作用输出 先比例后积分 1 1 控制器的运算规律和构成方式 3 PI调节的积分时间TI确定 即 可得 结论 1 1 控制器的运算规律和构成方式 2 实际PI控制器的特性 1 阶跃响应特性 图1 6实际PI控制器的阶跃响应特性 1 1 控制器的运算规律和构成方式 拉普拉斯反变换 2 积分增益KI和静态增益K 积分增益KI 静态增益K 1 1 控制器的运算规律和构成方式 3 控制点偏差和控制精度 控制点偏差 控制精度 1 1 控制器的运算规律和构成方式 输出全量程变化时 输入偏差最大值 输出全量程变化时 输入偏差最大值的相对变化量 PI调节适用于负荷变化不大 对象滞后较小场合 如压力 流量 液位 例 控制精度为0 2的DDZ III调节器 最大电流偏差 1 1 控制器的运算规律和构成方式 KP 4KI 104控制器控制精度 1 1 控制器的运算规律和构成方式 3 PD运算规律 1 理想PD控制器的特性 或 1 1 控制器的运算规律和构成方式 PD控制特点 超前控制 热交换器 为什么要进行PD调节 1 1 控制器的运算规律和构成方式 图1 7理想PD控制器的斜坡响应特性 为什么D调节具有超前调节特点 达到相同的输出值时 微分作用比单纯比例作用提前的时间就是微分时间TD 图1 8 a 理想PD响应曲线 图1 8 b 实际PD响应曲线 y y 1 1 控制器的运算规律和构成方式 2 实际PD控制器的特性 实际PD控制器的传递函数为 实际PD控制器的输出为 阶跃响应特性 图1 9实际PD作用的阶跃响应特性 t 0 1 1 控制器的运算规律和构成方式 1 微分增益KD确定 KD在5 10之间取值 KD反映什么 1 1 控制器的运算规律和构成方式 2 微分时间常数 D的测定 D的确定 在阶跃信号的作用下 PD调节器输出从开始按指数规律下降到 了 微分部分输出的37 63 所经历的时间 1 1 控制器的运算规律和构成方式 1 1 控制器的运算规律和构成方式 基准 4 PID运算规律 当偏差为阶跃信号时 实际PID控制器的输出为 实际PID控制器的传递函数 理想PID控制器的传递函数 1 1 控制器的运算规律和构成方式 阶跃响应特性 图1 10实际PID控制器的阶跃响应特性 1 1 控制器的运算规律和构成方式 使被调参量既快又稳且无余差到设定值 总结 P PI PD PID控制规律特点 参数确定 时域和复域表达式 响应曲线 应用场合 1 1 控制器的运算规律和构成方式 三 PID控制器的构成 图1 12PID串联构成方框图 1 PD PI串联结构 1 1 控制器的运算规律和构成方式 P I D相互影响 在给定值较频繁变化的场合 采用微分先行结构 2 P I D并联结构 积分 微分之间有无影响 比例对积分 微分有无影响 1 1 控制器的运算规律和构成方式 图1 13PID并联构成方框图 3 P I D混联结构 图1 14PID混联构成方框图 1 1 控制器的运算规律和构成方式 1 2 基型控制器 图1 15基型控制器方框图 一 组成 电压电路指示 输入电压 输出电流 内外给定电压均有显示仪表指示 控制方式 自动 软手动和硬手动 自动对偏差进行PID运算输出控制电流给执行器 软手动输出电流与给定参考电压成积分关系 硬手动输出电流取决于手动拨盘电压 图1 16输入电路原理图 偏差差动电平移动电路 二 输入电路 1 作用 偏差检测 电平移动 1 输入电路采用偏差差动输入方式 为了消除集中供电引入的误差 2 电平移动的目的是使运放工作在允许的共模输入电压范围内 1 2 基型控制器 图1 17集中供电引入的误差 为何采用偏差差动输入方式 1 2 基型控制器 取 则有 2 电路分析 1 2 基型控制器 F T 3 为何要进行电平移动目的使输入电压在运放共模容许输入电压范围内 运放能正常工作 运放不能正常工作 运放共模容许输入电压范围在2V以上 1 2 基型控制器 三 PD电路 组成 无源比例微分网络 比例运算放大器 1 作用 将输入电路输出的电压信号 Uo1进行PD运算 图1 19PD电路 1 2 基型控制器 输入 输出关系S置 通 1 2 基型控制器 1 2 基型控制器 方法二 三要素法 1 2 基型控制器 2 通 断 无扰动切换稳态时 通 断 切换 VTB电位均等于为等电位切换 输出无跳变 断 位 思考 阶跃输入下 PD电路输出相应特性曲线 实验法如何确定微分增益和微分时间常数 其它方法如何确定微分增益和微分时间常数 1 2 基型控制器 1 2 基型控制器 图1 20 电路的等效电路图 四 PI电路 1 功能 对 V02进行PI运算 输出对VB的信号 1 2 基型控制器 2 理想PI运算关系 1 2 基型控制器 3 实际PI运算关系 1 2 基型控制器 4 实际PI电路阶跃响应曲线 图1 22实际PI电路阶跃响应曲线 由公式 慢积分为快积分时间10倍 1 2 基型控制器 思考 输入端长期接受正偏差是否会出现积分饱和 如何消除积分饱和 1 2 基型控制器 五 PID电路传递函数 2 图1 23控制器PID电路传递函数方框图 1 2 基型控制器 1 2 基型控制器 调节精度 图1 24实际PID阶跃响应曲线 稳态误差及调节精度 1 2 基型控制器 六 输出电路 1 功能 电平移动与V I变换 将以VB为基准的1 5VDC信号转变为4 20mADC的信号输出 方法1 静态分析法 1 2 基型控制器 图1 25输出电路 1 2 基型控制器 方法2 动态分析法 1 2 基型控制器 图1 25输出电路 1 2 基型控制器 七 手动操作电路 作用 实现手动操作 有软手操和硬手操两种操作方式 图1 26手动操作电路 1 2 基型控制器 1 软手操电路 两个作用 使电容CI两端电压恒等于U02使IC3处于保持工作状态 软手操电路功能 控制器的输出电压与输入参考电压的信号成积分关系 图1 27软手操作电路 思考 自动与软手动之间切换是否为无扰动切换 1 2 基型控制器 1 积分输出 2 慢手操与快手操 1 2 基型控制器 软手操电路输出电压满量程1 5V变化所需的时间 改变RM的大小 可进行快慢两种速度的软手操 1 2 基型控制器 2 硬手操电路 1 功能 控制器的输出压与手动输入电压信号成比例关系 图1 28硬手操作电路 两个作用 使电容CI两端电压恒等于U02组成比例电路 思考 A M H之间切换能否实现无扰动 M H AH A MA M H 1 2 基型控制器 1 2 基型控制器 八 指示电路 功能 全量程地指示测量值 给定值或偏差值 放大器为闭环增益为1的差动放大器 1 测量 1 2 基型控制器 Vi置于 校验 位置 3V电压加于输入端 表头指示在50 刻度值 2 校验 思考 电流表能否串接在R0之路中 1 2 基型控制器 1 3 特种控制器和附加单元 积分饱和及抗积分饱和对策积分反馈型积分限幅控制器PI P切换控制器偏差报警单元输出限幅单元 图1 30简单的积分限幅电路 一 抗积分饱和控制器 1 概述 1 3 特种控制器和附加单元 1 积分饱和 具有积分作用的调节器在单向偏差信号的长期作用下 积分电容两端电压超出正常工作电压范围的现象 2 积分饱和产生原因 PI PID 调节器输出进行限幅 但受单向偏差作用 会使积分电路偏离正常工作状态 积分电容两端电压超过正常的范围 3 积分饱和危害 积分饱和后 即使偏差变号 调节器也需一段时间回到正常工作范围 这段时间调节器未发挥作用 被调参数可能超出较多 出现废品 发生事故 1 3 特种控制器和附加单元 积分饱和危害举例 图1 32取代调节系统 1 3 特种控制器和附加单元 1 3 特种控制器和附加单元 对策取消积分作用 使输入偏差反向 4 出现积分饱和的条件及对策 条件 有积分作用的调节器 积分作用调节器长期接受单向偏差的作用 电路积分反馈型积分限幅控制器PI P切换控制器 1 3 特种控制器和附加单元 2 积分反馈型积分限幅控制器 图1 34积分反馈型积分限幅控制器 1 3 特种控制器和附加单元 在PI调节器上附加上下限限幅和抗积分饱和电路 1 正常情况 2 异常情况 输出超上限 1 3 特种控制器和附加单元 输出超下限 当出现输出超限时 抗积分饱和电路动作 输入 1 3 特种控制器和附加单元 1 3 特种控制器和附加单元 二 偏差报警单元 图1 35偏差报警单元 偏差报警单元 1 3 特种控制器和附加单元 输入电路 偏差差动电平移动电路 的输出信号 当 报警状态 解除报警状态条件 或 UC Ub值取决于R3 R4值 分析推导报警与解除报警状态的条件 1 正常情况 1 3 特种控制器和附加单元 2 偏差超限情况 1 3 特种控制器和附加单元 3 解除报警状态条件 二 输出限幅单元 图1 36输出限幅单元 特种控制器和附加单元 1 3 1 输出限幅单元功能将控制器输出限制在一定范围之内 保证控制阀不处于危险开度 2 电路分析 1 正常情况 VT1 VT2截止 2 超上限 VT1截止 VT2导通 嵌位 1 3 特种控制器和附加单元 3 超下限 VT2截止 VT1导通 嵌位 1 3 特种控制器和附加单元 1 模拟式控制器思考题与习题 1 P PI PD PID调节规律的特点及其表达式 为何理想的积分 微分调节不能单独使用 2 比例度 积分时间 微分时间 微分时间常数 微分增益 积分增益 概念及确定方法 3 PI调节器调节精度的计算方法及公式 4 PID调节器相互干扰系数F的物理意义 实际比例度 积分时间 微分时间与整定刻度值的关系 如何减小相互干扰系数 5 某P控制器的输入信号是4 20mA 输出信号是1 5V 当比例度 60 时 输入变化所引起的输出变化是多少 6 说明积分增益与微分增益的物理意义 它们的大小对控制器的输出有什么影响 7 某PID控制器 正作用 输入输出信号都是1 5V 控制器的输入输出初始值都是1V 比例度为200 积分与微分时间都是2min 微分增益为10 积分增益无穷大 在t 0时输入1V的阶跃信号 分别求t 12S时 1 PI工况下的输出值 2 PD工况下的输出值 8 DDZ III调节器输入电路为何采用差动输入