模拟控制器的原理PPT课件

1、1 2.2.2. 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)=RU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气体的质量流量第1页/共37页2电容C dtdUCidtiUUqCCCCCC1dtdPCMMdtPPmCCCC1CSsMsP1)()(CSsIsU1)()(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

2、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气体的质量流量第2页/共37页31)1)比例环节PKRRUU1212PKRRsUsU1212)()(321212122PRRRPRRRPPKRRRPP21212PKsPsP)()(12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，0KP1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： 第3页/共37页42)积分环节122UUdtdUT11)()(12TSsUsU122PPdtdPT11)()(12TSsPsP积分电路(a)结构原理图(

3、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 第4页/共37页53)微分环节dtdUTUdtdUT1221)()(12TSTSsUsUdtdPTPdtdPT1221)()(12TSTSsPsP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： 第5页/共37页6 2.2.3.DDZ 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

4、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。第6页/共37页7基型调节器的构成 基型调节器线路原理图第7页/共37页8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第8页/共37页9 基型调节器的电路分析输入电路 输入电路输入

5、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 ：第9页/共37页10共模输入电压UC：32326636321626232RRRRRURRRRRURRRRRUUUUBCMCMSTC)(3121BCMCMSUUUU输出与输入关系：414150151514254541121RRRRRUURRRRRURRRRRUUUBCMCMiF)21(310121BCMCMiUUUUUFTUU )( 201SiUUU第10页/共37页11a)输出信号Uo1仅与测

6、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。)(201siUUU结论：第11页/共37页12(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。 )(1)(0112111101121112SURRRSCRRSURRRDDD11)()()(12121112111201SCRSCRRRRRRRSUSUSGDDDDTD111SKTSTnDDDRDRsTUUU12)(无源比

7、例微分电路的传递函数：第12页/共37页13同相端输入运放电路的传递函数为：202)()()(PPOPTPRRRSUSUSG11)()()()()()()(01020102SKTSTnSUSUSUSUSUSUSGDDDTTP121211RRRnKDDDDCnRT 111)(SKTSTnSGDDDD比例微分电路的传递函数为：第13页/共37页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： 0102) 1(1 )(UeKKtUtTKDDDD11)(SKTSTnSGDDDP比例微分电路的传递函数为：第14页/共37页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

8、UT(0+)=U01 0102)0()0(UUUT0102)()(UnUUT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第15页/共37页16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。第16页/共37页17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 )11 ()(STCCSWIMIPITI = RI CI其传递函数为：第

9、17页/共37页18比例积分电路实际的输出输入关系3030314140214)()()(0)()(1)/(1)/(1)(1)/(11)(KSUSUSUSUSUSCRRSCRRSCSUSCRRSCSCSUFTTMIIIIMIIMFSTKSTCCSWIIIMIPI1111)(联立求解以上三式，化简后可求得KI=K3CM /CI第18页/共37页19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 02103) 1()(UeKKCCtUtTKIIMIII第19页/共37页20 积分时间TI的倍率开关S3置于“10”档时， R15上的电压

10、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的倍率开关第20页/共37页21(4)整机传递函数SKTSTKSTSTTTKSWDDIIDIIDP1111)(FKKFKKFTTFTTFKKDDIIDDIIPPSKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)( TD F=1+ Ti第21页/共37页22 干扰系数F F反映调节器参数( (主要是K KP P、T TI I、T TD D) ) 互相影响的一个参数。 调节器的PIDPID运算电路是由PDPD电路和PIPI电路串联构成。 a) KP、TI、TD三

11、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+ TiFKKFKKFTTFTTFKKDDIIDDIIPP第22页/共37页23PIDPID电路阶跃输入信号的表达式)() 1()1)(1(1 )(103SitTKDtTKIPUUeKeKKtUDDII第23页/共37页24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

12、 第24页/共37页25n I0= I0 -If第25页/共37页2603242304URRRU2304040RUIRUIfH250)(032324030VRRRRRVIHHnI0= I0 -If第26页/共37页27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tRCUUMMR03第27页/共37页28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。第28页/共37页29SRCSUSUMMR1)()(03SUSU

13、RR)(2031)(SRCUSUMMRtRCUUMMR03第29页/共37页30 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 第30页/共37页31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第31页/共37页32指示电路 R25= R26= R27= R28 U0 = Ui I0= I0 +If LiLRURUI0025252RUURUIBiFfBiLURURRI2525021)211(第32页/共37页33力矩平衡式PI调节器原理图 气动调节器(Pneumatic controller)(Pneumatic controller)第33页/共37页34力矩平衡式PI调节器方框图第34页/共37页35)S(P)S(P(Al) s (MSmHiklCSTRRRRRRAlCklsMSPIPfPPffHi0001)