模拟控制器的原理

1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 1 2.2. 模拟控制器模拟控制器 ( Analog Controllers ) 控制器的功能控制器的功能 基本构成环节的特性基本构成环节的特性 电动调节器电动调节器 气动气动调节器调节器 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 2 2.2.1.控制器的功能控制器的功能 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、 (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. 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 3 2.2.2. 2.2.2.基本构成环节的特性基本构成环节的特性 电阻电阻R (a) 固定电阻固定电阻 模拟控制器都是由各种放大器和由电模拟控制器都是由各种放大器和由电(气气)阻、阻、 电电(气气)容构成的基本环节组合而成容构成的基本环节组合而成 (b)

3、可调气阻可调气阻 (b) 可调电阻可调电阻 (a)固定气阻固定气阻 气阻气阻R 关系式关系式 R=U/I 传递函数传递函数 U(s)/I(s)=R U电阻两端电压电阻两端电压 I流过电阻的电流流过电阻的电流 关系式关系式 R=P/M 传递函数传递函数 R=P(s)/M(s) P气阻两端压降气阻两端压降 M气体的质量流量气体的质量流量 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 4 电容电容C dt dU Ci dti UU q C C C C CC 1 dt dP CM Mdt PP m C C CC 1 C

4、SsM sP1 )( )( CSsI sU1 )( )( 气容气容C (a)固定电容固定电容 (b)可变电容可变电容 关系式关系式 关系式关系式 传递函数传递函数 传递函数传递函数 q电容中的电荷量电容中的电荷量 UC电容两端的电压电容两端的电压 m气容中的气体质量气容中的气体质量 PC气容中的压力。气容中的压力。 a)固定气容固定气容 (b)可变气容可变气容 iC流过电容的电流流过电容的电流M气体的质量流量气体的质量流量 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 5 1)1)比例环节比例环节 P K R

5、R U U 1 2 1 2 P K R R sU sU 1 2 1 2 )( )( 3 21 2 1 21 2 2 P RR R P RR R P P K RR R P P 21 2 1 2 PK sP sP )( )( 1 2 分压电路分压电路 (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 关系式：关系式： 传递函数：传递函数： KP比例系数，比例系数，0 KP 1 节流通室节流通室（分压气路）（分压气路） (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 关系式（稳态时）：关系式（稳态时）： 若若P3=0（通大气）（通大气） 传递函数：传递函数： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和

6、计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 6 2) 积分环节环节 12 2 UU dt dU T 1 1 )( )( 1 2 TSsU sU 12 2 PP dt dP T 1 1 )( )( 1 2 TSsP sP 积分电路积分电路 (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 微分方程：微分方程： 传递函数：传递函数： T时间常数，时间常数，T=RC 节流盲室节流盲室（积分气路）（积分气路） (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 微分方程：微分方程： 传递函数：传递函数： T时间常数，时间常数，T=RC 控制仪表和计

7、算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 7 3) 微分微分环节环节 dt dU TU dt dU T 1 2 2 1)( )( 1 2 TS TS sU sU dt dP TP dt dP T 1 2 2 1)( )( 1 2 TS TS sP sP 微分电路微分电路 (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 微分方程：微分方程： 传递函数：传递函数： T时间常数，时间常数，T=RC 微分气路微分气路 (a)结构原理图结构原理图 (b)阶跃响应阶跃响应 微分方程：微分方程： 传递函数：传递函数： 控制仪表和

8、计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 8 2.2.3.DDZ 2.2.3.DDZ型电动调节器型电动调节器 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

9、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。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 9 基型调节器的构成基型调节器的构成 基型调节器线路原理图 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 10 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 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化

10、工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 11 基型调节器的电路分析输入电路 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 ： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 12 共模输入电压共模输入电压UC： ： 32 326 63 632 1 62 623 2 RR RRR U RR RRR U RR RRR UU UU B CMCM

11、S TC )( 3 1 21BCMCMS UUUU 输出与输入关系：输出与输入关系： 41 415 01 51 514 2 54 541 1 2 1 RR RRR UU RR RRR U RR RRR UU U B CMCMi F ) 2 1 ( 3 1 0121BCMCMiUUUUU FT UU )( 2 01 S i UUU 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 13 a) 输出信号输出信号Uo1 仅与测量信号仅与测量信号Ui和给定信号和给定信号Us差值成正差值成正 比，比例系数为比，比例系数为-2

12、，而与导线电阻上的压降，而与导线电阻上的压降Ucm1和和Ucm2 无关。无关。 b) 把以零伏为基准的、变化范围为把以零伏为基准的、变化范围为15V的输入信号，的输入信号， 转换成以转换成以UB (10V)为基准的、变化范围为为基准的、变化范围为08V的的偏差 偏差 输出信号输出信号U01。 。 )(2 01si UUU 结论：结论： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 14 (2) 比例微分电路比例微分电路 作用作用: 是对输入电路的输出信号是对输入电路的输出信号V01进行比例微分运算，进行比例微分

13、运算， 整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。 )( 1 )( 01 1211 11 01 1211 12 SU RR R SC R R SU RR R D D D 1 1 )( )( )( 12 1211 1211 12 01 SCR SCR R RR RR R SU SU SG DD DD T D 1 11 S K T ST n D D D RDRsT UUU 12)( 无源比例微分电路的传递函数：无源比例微分电路的传递函数： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目

14、目 录录 15 同相端输入运放电路的传递函数为：同相端输入运放电路的传递函数为： 2 02 )( )( )( P POP T P R RR SU SU SG 1 1 )( )( )( )( )( )( )( 01 02 01 02 S K T ST nSU SU SU SU SU SU SG D D DT T P 12 1211 R RR nK D DDD CnRT 1 11 )( S K T ST n SG D D D D 比例微分电路的传递函数为：比例微分电路的传递函数为： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页

15、 目目 录录 16 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： 0102 ) 1(1 )(UeK K tU t T K D D D D 1 1 )( S K T ST n SG D D D P 比例微分电路的传递函数为：比例微分电路的传递函数为： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 17 PD电路的定性分析电路的定性分析 在在t=0+ ，由于电容，由于电容CD上的电压不能突变上的电压不能突变 ，所以所以UT(0UT(0+ +)=U)=U01 01 0102 )0()0(UUU T 010

16、2 )()(U n UU T 当当充电过程结束充电过程结束时，时，UCD= UR11 UT()=U01/n 由于由于U02= UT，因此，因此U02的变化规律与的变化规律与UT相同，相同， 而且有而且有 t0， CD两端的电压按指数规律不断上升故两端的电压按指数规律不断上升故UT按指数规律按指数规律 不断下降不断下降 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 18 开关开关“S”S”由由“断断”切换到通时，不会引切换到通时，不会引 起输出突变。因为电脑起输出突变。因为电脑C CD D的电压能自动跟的电压能自

17、动跟 踪踪R R11 11的电压，即稳态时可以舍得 的电压，即稳态时可以舍得“K”K”点点 和和“P”P”点电压相等。点电压相等。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 19 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 ) 1 1 ()( STC C SW IM I PI TI = RI CI 其传递函数为： 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 20 比例积分电路

18、实际的输出输入关系 303 03 14 14 02 14 )()()( 0)( )( 1 )/( 1 )/( 1 )( 1 )/( 1 1 )( KSUSUSU SU SU SC RR SC RR SC SU SC RR SC SC SU FT T M I I I I M I I M F STK ST C C SW II I M I PI 1 1 1 1 )( 联立求解以上三式，化简后可求得 KI=K3CM / CI 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 21 比例积分电路 比例积分电路的调节器的调节

19、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 02 1 03 ) 1()(UeKK C C tU t TK II M I II 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 22 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 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动

20、化系 上页上页下页下页 目目 录录 23 (4) 整机传递函数 S K T STK ST STT T KSW D D II D II D P 1 1 1 1 )( F K KFKK F T TFTTFKK D DII D DIIPP S K T STK ST ST KSW D D II D I P 1 1 1 1 )( TD F=1+ Ti 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 24 干扰系数干扰系数F F反映调节器参数反映调节器参数( (主要是主要是K KP P、T TI I、T TD D) ) 互相

21、影互相影 响的一个参数。响的一个参数。 调节器的调节器的PIDPID运算电路是由运算电路是由PDPD电路和电路和PIPI电路串联构成。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 F K KFKK F T TFTTFKK D DII D DIIPP 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上

22、页下页下页 目目 录录 25 PID电路阶跃输入信号的表达式 )() 1()1)(1(1 )( 1 03Si t T K D t TK IP UUeKeKKtU D D II 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 26 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R L （一端接地）的 420mADC输出电流I0 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 27

23、 n I0= I0 -If 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 28 03 24 23 04 U RR R U 23 04 04 0 R U I R U I f H 250 )( 0323 24 03 0 V R RR RR V I H H nI0= I0 -If 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 29 手操电路的作用是实现手动操作手操电路的作用是实现手动操作:软手操与硬手操软手操与硬手操 手操电路 t R

24、C U U MM R 03 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 30 软手操电路 作用作用 ：a) 使电容使电容CI两端的电压恒等于两端的电压恒等于U02 ； b) 使使A3处于保持工作状态处于保持工作状态 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。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 31 SRCSU S

25、U MMR 1 )( )( 03 S U SU R R )( 2 03 1 )( SRC U SU MM R t RC U U MM R 03 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 32 硬手操电路 作用： 二是由二是由RH、RF和和IC3组成了一个比例电路组成了一个比例电路 一是使一是使C CI I两端的电压恒等于两端的电压恒等于V V02 02； ； 因为因为 RF=RH=30k 所以所以 U03=UH 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工学院自动化系 上页上页下页下页 目目 录录 33 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，处于保持工作状态，U03保持不变保持不变 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 为无平衡无扰动切换为无平衡无扰动切换 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置 广东石油化工学院自动化系广东石油化工