过程控制制仪表-

1、过程控制仪表过程控制仪表1教学目标：教学目标：1 .掌握过程控制基本控制规律比例控制，比例积分控制，掌握过程控制基本控制规律比例控制，比例积分控制，PID控控制各自的特点以及性能的优缺点。制各自的特点以及性能的优缺点。 2.了解了解PID控制三个控制参数的设置方法。控制三个控制参数的设置方法。3.了解常见的模拟式仪表控制器的结构和工作原理。了解常见的模拟式仪表控制器的结构和工作原理。26.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点控制器的控制规律控制器的控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。xrerxe偏差表达式偏差表达式：或或)(

2、efy 控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号号经比较环节比较后得到偏差信号 e ，它是设定值信号，它是设定值信号 r 与测量信号与测量信号 x 之差。之差。36.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点控制规律有断续控制和连续控制两类控制规律有断续控制和连续控制两类：1. 断续控制断续控制控制器输出接点信号控制器输出接点信号 双位控制双位控制 2. 连续控制连续控制控制器输出连续信号控制器输出连续信号 比例控制（比例控

3、制（P）; 比例积分控制（比例积分控制（PI）; 比例微分控制（比例微分控制（PD）; 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）。）。46.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点3.1.1 双位控制双位控制图图3-1 理想的双位控制特性理想的双位控制特性双位控制的输出规律：双位控制的输出规律：根据输入偏差的正、负，控制器的输出为最大或最小。根据输入偏差的正、负，控制器的输出为最大或最小。理想双位控制器的输出理想双位控制器的输出y与输入偏差与输入偏差e之间的关系：之间的关系：)0(0)0(0minmaxeeyeeyy或或（3-1） 双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只双位控制器只有两

4、个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称有开和关两个极限位置，因此又称开关控制开关控制。56.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点3.1.1 双位控制双位控制双位控制实例双位控制实例图图3-2 双位控制实例双位控制实例电磁阀电磁阀继电器继电器电极（测量元件）电极（测量元件）导电液体导电液体出料管出料管设定值设定值测量原理测量原理：当液位低于设定值当液位低于设定值H0时时，液位，液位未接触电极，继电器断路，此未接触电极，继电器断路，此时电磁阀时电磁阀 YV 全开，液位以最全开，液位以最大流量流入贮槽。大流量流入贮槽。当液位上升至设定值当液位上升至设定值H0时时，液，液位与电极

5、接触，继电器接通，位与电极接触，继电器接通，从而使电磁阀全关，液体不再从而使电磁阀全关，液体不再进入贮槽。进入贮槽。 66.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）控制器输出控制器输出 y (t) 和偏差信号和偏差信号 e (t) 成比例关系。成比例关系。Pye被控变量被控变量测量值测量值 x被控变量被控变量给定值给定值 reKypK p 比例增益比例增益 76.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）图图3-3 简单的自力式简单的自力式比例控制系统示意图比例控制系统示意图浮球：测量元件浮球：测量元件活塞阀活塞阀杠杆（控制

6、器）杠杆（控制器）图中：图中：e：杠杆左端的位移，即液位的变化量；：杠杆左端的位移，即液位的变化量；p：杠杆右端的位移，即阀芯的位移量；：杠杆右端的位移，即阀芯的位移量；a、b：分别为杠杆支点与两端的距离：分别为杠杆支点与两端的距离 。 当液位高于设定值时，控制活塞阀关小，当液位高于设定值时，控制活塞阀关小，液位越高，阀关得越小；液位越高，阀关得越小； 若液位低于设定值，控制活塞阀开大，若液位低于设定值，控制活塞阀开大，液位越低，阀开得越大。液位越低，阀开得越大。它总能找到一个合适的点，使液位稳定。它总能找到一个合适的点，使液位稳定。 测量原理测量原理：eabpepab（3-2）86.1 基本

7、控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）图图3-3 简单的自力式简单的自力式比例控制系统示意图比例控制系统示意图浮球：测量元件浮球：测量元件活塞阀活塞阀杠杆（控制器）杠杆（控制器）eabp （3-2）阀门开度的改变量（阀门开度的改变量（p）与被控变量）与被控变量（液位）的偏差值（液位）的偏差值（e）成比例关系；）成比例关系；即比例控制器的输出信号即比例控制器的输出信号y与输入偏与输入偏差差e之间成比例关系：之间成比例关系：eKyp（3-3）K p为放大倍数（比例增益），它的大小决定了比例控制作用为放大倍数（比例增益），它的大小决定了比例控制作用的强弱。的强弱。 K

8、p越大，比例控制作用越强。越大，比例控制作用越强。 96.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）eKyp（3-3）比例度比例度：就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出的：就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出的相对变化值之比，用百分数表示：相对变化值之比，用百分数表示：%100minmaxminmaxyyyxxeP（3-4）minmaxxxminmaxyy式中：式中：e为输入偏差；为输入偏差；y为相应的输出变化量；为相应的输出变化量；为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；为输出的最大变化量，即控

9、制器的输出量程。为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。106.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）%100minmaxminmaxyyyxxeP（3-4）比例度比例度P 的物理意义的物理意义：使控制器的输出变化满量程时（控制阀：使控制器的输出变化满量程时（控制阀从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。程的百分比。 对于对于DDZ-型比例控制器，其输入、输出量程均为型比例控制器，其输入、输出量程均为420mA，此时比例度此时比例度P是放大倍数是放大倍数 的倒数。即：的倒数。即

10、： pKpKP1116.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）%100minmaxminmaxyyyxxeP（3-4）pKP1举例举例：（对于：（对于DDZ-型比例控制器型比例控制器）当比例度为当比例度为50%、100%、200%时，分别说明只要偏差时，分别说明只要偏差e变化变化占仪表全量程的占仪表全量程的50%（8mA）、）、 100%（16mA）时，控制器）时，控制器的输出就可以变化全量程（的输出就可以变化全量程（16mA）；）；P = 200%说明偏差说明偏差e变化变化32mA，控制器输出才能变化全量程，控制器输出才能变化全量程（16mA），而偏差）

11、，而偏差 e 最大只能变化最大只能变化16mA，控制器的输出就，控制器的输出就只能变化只能变化8mA，在此区间内，在此区间内 e和和y是成比例的，此区间外，控是成比例的，此区间外，控制器就只能处于饱和状态。制器就只能处于饱和状态。126.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）pKP1总结比例控制总结比例控制：eKyp控制器的比例度控制器的比例度 P越小，它的放大倍数越小，它的放大倍数 就越大，它将偏差放就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然。大的能力越强，控制力也越强，反之亦然。比例控制作用的强弱通过调整比例度比例控制作用的强弱通过调整比例

12、度P实现。实现。 pK比例控制的优点比例控制的优点：是控制及时，反应灵敏，偏差越大、控制力：是控制及时，反应灵敏，偏差越大、控制力度越大。度越大。缺点缺点：控制结果存在余差。：控制结果存在余差。136.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.2 比例控制（比例控制（P）图图3-3 简单的自力式简单的自力式比例控制系统示意图比例控制系统示意图浮球：测量元件浮球：测量元件活塞阀活塞阀杠杆（控制器）杠杆（控制器）146.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点 原来系统处于平衡，进原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。水阀有一开度。 t=0t=0时

13、，出水量阶跃增时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球下加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出水当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平衡，量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。液位也不再变化。 156.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点 如果如果e = 0e = 0，则活塞无法提高，则活塞无法提高，Q1Q1无法加大，调节无法加大，调节无法进行。无法进行。 比例调节作用比例调节作用是以偏差存在为前是以偏差存在为前提条件，不可能做提条件，不可能做到无静差调节。到无静差调节。166.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.3 比例积分控制（比

14、例积分控制（PI）图图3-5 积分控制的阶跃响应积分控制的阶跃响应积分控制作用积分控制作用的输出变化量的输出变化量y是输入偏差是输入偏差e的积分。的积分。 edtTy11（3-5）积分时间常数积分时间常数当输入偏差是幅值为当输入偏差是幅值为E的阶跃信号时，（的阶跃信号时，（3-5）式为：）式为：EtTEdtTy1111积分控制积分控制优点优点：可以到达无余差。：可以到达无余差。积分控制的积分控制的缺点缺点：控制作用是随着时间：控制作用是随着时间积累才逐渐增强的，控制动作缓慢，控积累才逐渐增强的，控制动作缓慢，控制不及时。制不及时。一般一般不单独使用不单独使用。 由图可见，当有偏差存在时，输出信

15、号随由图可见，当有偏差存在时，输出信号随着时间增大（或减小）。当偏差为零时，输着时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以达到无余差。制器组成控制系统可以达到无余差。176.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.3 比例积分控制（比例积分控制（PI）比例积分控制规律：比例积分控制规律： （3-6）edtTePy111比例积分控制作用优点比例积分控制作用优点：控制及时，又能消除余差，可提高控制及时，又能消除余差，可提高系统的控制精度，比例度系统的控制精度，比例度 P 和积分和积分时间时间 两个参数

16、均可调整。两个参数均可调整。1T若偏差是幅值为若偏差是幅值为E的阶跃干扰的阶跃干扰E1y(1)PItT186.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点IT6.1.3 比例积分控制（比例积分控制（PI）比例积分控制规律：比例积分控制规律： （3-6）edtTePy111积分时间积分时间 越小，积分作用越强；越小，积分作用越强；积分时间积分时间 越大，积分作用越弱。越大，积分作用越弱。当积分时间当积分时间 为无穷大，积分作用为无穷大，积分作用消失，为纯比例控制器。消失，为纯比例控制器。ITIT196.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.4 比例微分控制（比例微分控制（PD）微分控制微分

17、控制规律，就是控制器输出信号的变化与偏差信号的变化规律，就是控制器输出信号的变化与偏差信号的变化速率成正比：速率成正比： （3-7）对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。微分作用。理想微分理想微分yDdeTdt式中：式中：TD 微分时间常数微分时间常数TD越大，微分作用越强；越大，微分作用越强； TD等于零时，微分作用消失。等于零时，微分作用消失。206.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点图图3-6 理想微分理想微分的阶跃响应的阶跃响应当输入偏差为阶跃信号时，当输入偏差为阶跃信号时，微分输出为一冲激信号。微分

18、输出为一冲激信号。由于理想微分运算的输出信号持续由于理想微分运算的输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。时间太短，往往不能有效推动阀门。实际应用中，一般加以惯性延迟，实际应用中，一般加以惯性延迟，称为实际微分。称为实际微分。 图图3-7 实际微分实际微分的阶跃响应的阶跃响应216.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.4 比例微分控制（比例微分控制（PD）微分的特点微分的特点：是能起到超前控制的作用。：是能起到超前控制的作用。即按照偏差变化的速度控制，能在偏差很小即按照偏差变化的速度控制，能在偏差很小时，提前增大控制作用，改善控制品质。时，提前增大控制作用，改善控制品质。 在偏

19、差出现或变化的瞬间，微分立即产在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。芽状态之中。缺点缺点：微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，即控制作用为零。因此时，微分输出为零，即控制作用为零。因此微分作用不能单独微分作用不能单独使用使用，必须和，必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。226.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.4 比例微分控制（比例微分控制（PD） （3-8）比例微分控制作用比例微分控制

20、作用可提高系统的控制可提高系统的控制速度，对惯性大的对象用比例微分，速度，对惯性大的对象用比例微分，可以改善控制质量，减小最大偏差，可以改善控制质量，减小最大偏差，缩短控制时间。缩短控制时间。 1y()PDdeeTdt理想的比例微分控制理想的比例微分控制理想微分作用持续时间太短，执行器理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使来不及响应。一般使 用实际的比例微用实际的比例微分作用。分作用。eAttyty236.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点6.1.5 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）图图3-8 PID的阶跃响应的阶跃响应比例积分微分控制规律比例积分微分控制规律为：

21、为：dtdeTedtTePyD111（3-8）将比例、积分、微分三种控制规将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控又能消除余差，可得到满意的控制效果。制效果。当控制对象惯性较大且控制精度要求较高时，可将比例积当控制对象惯性较大且控制精度要求较高时，可将比例积分微分合用。分微分合用。246.1 基本控制规律及特点基本控制规律及特点 PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基础控比例作用是基础控制；微分作用是用制；微分作用是用于加快系统控制速于加快系统控制速度；积分作用是

22、用度；积分作用是用于消除静差。于消除静差。etty256.2 模拟式控制器模拟式控制器 模拟式控制器用模拟式控制器用模拟电路模拟电路实现控制功能实现控制功能的仪表。其发展经历了的仪表。其发展经历了型（用电子管）、型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用晶体管）和型（用集成电路）。型（用集成电路）。266.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.1 DDZ-III型仪表的特点型仪表的特点 1）使用国际电工委员会（）使用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，）推荐的统一信号标准， 现场传输信号为现场传输信号为DC420mA，控制室联络信号，控制室联络信号DC15V， 信号电流与电压的转换电阻为信号

23、电流与电压的转换电阻为250。 2）采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠）采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠 性高、维修工作量小。性高、维修工作量小。 3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。 二线制：二线制： 24VDC电源和电源和420mA输出输出信号共用二根导线，互相不信号共用二根导线，互相不影响。影响。276.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.2 DDZ-III型控制器的组成与操作型控制器的组成与操作图图3-9 全刻度指示调节器面板全刻度指示调节器面板1. 自动自动/软手操软手操/硬手操切换键硬手操切换键 2. 输入指示器输入指示器

24、( (红黑双针红黑双针) )3. 内给定设定轮内给定设定轮4. 硬手操杆硬手操杆5. 输出指针输出指针6. 软手操杆软手操杆 7. 外给定指示灯外给定指示灯8. 阀门调节区域记忆针阀门调节区域记忆针 9. 输出指示器输出指示器 10. 仪表标牌仪表标牌11、12. 手操器插孔手操器插孔286.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-11 DDZ-DDZ-IIIIII型型调节器结构框图调节器结构框图工作原理工作原理：调节器接收变送器输出的测量信号（：调节器接收变送器输出的测量信号（420mA或或 15V），在输入电路中与给定信号进行比较

25、，得出偏差信），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号。然后在号。然后在PD与与PI电路中进行电路中进行 PID 运算，由输出电路转换运算，由输出电路转换为为420mA直流电流输出。直流电流输出。 296.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-11 DDZ-DDZ-IIIIII型型PIDPID调节器的原理电路调节器的原理电路S1：工作状态转换开关：工作状态转换开关S3：积分换档开关：积分换档开关S4：标定指示与测量指示开关：标定指示与测量指示开关S5：标定指示与测量指示开关：标定指示与测量指示开关S6：内外给定选择开关：内外给

26、定选择开关S7：正反作用选择开关：正反作用选择开关306.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例6.2. 输入电路输入电路输入电路的任务输入电路的任务：（1）是实现测量信号与给定信）是实现测量信号与给定信号的相减，得到偏差信号电压。号的相减，得到偏差信号电压。（2）在输入电路中进行电平移）在输入电路中进行电平移动，把偏差电压的电平抬高到动，把偏差电压的电平抬高到以以+10V为起点变化的电压。为起点变化的电压。由叠加原理可写出放大器同相及反相输入端电压由叠加原理可写出放大器同相及反相输入端电压V+、V-表达式：表达式：1212131oBcmc

27、miVVVVVVBcmcmsVVVVV2131（3-11）（3-10）I1I2I3I1I2I3213213IIIIII反相端反相端:同相端同相端:316.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例6.2.3.1 输入电路输入电路设设A1为理想放大器，则有：为理想放大器，则有：V+V-，由上两式可得：，由上两式可得：1212131oBcmcmiVVVVVVBcmcmsVVVVV2131（3-11）（3-10）sioVVV21（3-12）公共地线干扰电压公共地线干扰电压I1I2I3I1I2I3326.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指

28、示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例6.2.3.1 输入电路输入电路sioVVV21（3-12）1）输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的）输入电路能实现测量值与给定值的相减，获得放大两倍的 偏差信号；偏差信号；2）输出电压）输出电压Vo1与公共地线上的压降与公共地线上的压降Vcm1、Vcm2无关。无关。3）输入电路接受两个以）输入电路接受两个以0V为起点的测量和给定信号，而输出为起点的测量和给定信号，而输出 以以VB=10V为起点的偏差电压，实现了电平移动的要求。为起点的偏差电压，实现了电平移动的要求。I1I2I3I1I2I333电平移动电平移动 Vi、VS都是以地为基准

29、的电压信号，而运放都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件器件+24VDC供供电时，其电时，其正常正常输入、输出输入、输出信号电压范围应在信号电压范围应在219V。为使运算信号。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从符合要求，必须将基准电压从0V抬高到抬高到VB =10V ，即进行电平移动。，即进行电平移动。 34因为因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V 121()0.33 2.33V3SCMCMBVVVVVV则则显然，显然，IC不能正常放大。不能正常放大。如果如果 VB = 0VB = 10V时，时， V+ = V- = 3.75.7V 保证了保证了IC共摸共摸电压在

30、允许范围之电压在允许范围之内，能正常放大。内，能正常放大。V+V-35而且而且 VB = 0时，时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V也不符合后面也不符合后面PID电路电路IC的范围要求。的范围要求。VB = 10时：时：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后面使后面PID电路的电路的IC工作于允许电压范围之内。工作于允许电压范围之内。366.2 模拟式控制器模拟式控制器6.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-13 PIDPID运算电路运算电路6.2.3.2 PID运算电路运算电路PD电路（比例微分）电路（比例微分）PI电路（比例积分）电路

31、（比例积分）由由PI和和PD两个运算电路串联而成，两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。 373.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路1. PD电路分析电路分析PD电路的作用电路的作用：对来自输入电路的对来自输入电路的V01电压信号，电压信号，通过通过CD、RD进行微分运算，再进行微分运算，再经过比例放大后输出经过比例放大后输出V02信号，信号，作为作为PI电路的输入

32、信号。电路的输入信号。S8通：引入微分通：引入微分S8断：无微分作用断：无微分作用IDPD电路以电路以A2为核心组成。微分作为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关用可选择用与不用。开关S8打向打向“断断”时，构成时，构成 P电路；开关电路；开关S8打向打向“通通”时，构成时，构成 PD电路。电路。383.2 模拟式控制器模拟式控制器DDDCnRT 3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路1. PD电路分析电路分析求求PD电路的传递函数电路的传递函数 ： DDoRsIsVnsV11 sVsCRsCnnsCRsVnnsIoDDDDDD

33、1011111 sVsCRsCnRnsVoDDDD1111 sVsCRsCnRnsVsVsVsVsVoDDDDoo12211若令：若令： sVsnTsTnsVoDDo1211（3-13）ID021VV393.2 模拟式控制器模拟式控制器1. PD电路分析电路分析 sVsnTsTnsVoDDo1211（3-13）当当Vo1为阶跃信号时，为阶跃信号时，Vo2的时域响应为：的时域响应为： 1211otTnoVenntVD实际微分因子实际微分因子 可见，此电路的微分是实际的微分。可见，此电路的微分是实际的微分。 40 当当 S8 置于置于“断断”时，微分被切除，时，微分被切除，A2只只作比例运算。有作

34、比例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻分压电阻两端，使两端，使CD右端始终跟随右端始终跟随电压电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时时，保证无扰动切换。，保证无扰动切换。413.2 模拟式控制器模拟式控制器2. PI电路分析电路分析（PI电路以电路以A3为核心组成）为核心组成）由于由于10F电容电容积分需要较大电流，在积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。输出端加一功放三极管。S3积分时间倍乘开关积分时间倍乘开关 当其置于当其置于“1”位置时，将位置时，将1k电阻电阻 悬空，悬空，1/m的分压关系不

35、存在，的分压关系不存在，CI的的 充电电压为充电电压为Vo2； 当其置于当其置于“10”位置时，将位置时，将1k接接入入电路，电路，静态静态V02被分压输入，被分压输入，CI的充电的充电电压为（电压为（1-1/m）Vo2，使，使CI的积分时间的积分时间TI增大增大m倍（倍（m10）。）。（S3为积分时间的换挡开关）为积分时间的换挡开关） 423.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路2. PI电路分析电路分析S3置于置于“1”位置，位置，A3反相输入端电流：反相输入端电流：（忽略分压电阻（忽略分压电阻9

36、.1 k ） 03212ssVCssVCRsVoMoIo解得：解得： sVsCRCCsVoIIMIo2311IIICRT 设：设：S3置于置于“10”位置时：位置时：IIICmRT sVsTCCsVoIMIo2311（3-14）433.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路2. PI电路分析电路分析 sVsTCCsVoIMIo2311（3-14）当当Vo2为阶跃信号时，为阶跃信号时，Vo3的时域响应为：的时域响应为： 2oIMIo3VTt1CCtV 443.2 模拟式控制器模拟式控制器)()(2)(1s

37、VsVsVsio sVsnTsTnsVoDDo12113.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路3. PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数 sVsTCCsVoIMIo2311（3-14）（3-13）（3-12）PPDPIViV01VsV02V03)()()()(03sVsVsVsWsi)()()()()()()(0203010201sVsVsVsVsVsVsVsi453.2 模拟式控制器模拟式控制器)()(2)(1sVsVsVsio sVsnTsTnsVoDDo12113.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路

38、实例3.2.3.2 PID运算电路运算电路3. PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数 sVsTCCsVoIMIo2311（3-14）（3-13）（3-12）合并三式，得合并三式，得PID运算电路运算电路的传递函数为：的传递函数为： snTsTsTTTCCnsVsVsVDDIIDMIsio11123IDTTF1IMICCCnP2nKD令：干扰系数令：干扰系数 比例度比例度 微分增益微分增益 sKT1FsTsFT11PFsVsVsVDDDIsi3o （3-15）463.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.2 PID运算电路运

39、算电路3. PID运算电路的传递函数运算电路的传递函数IDTTF1IMICCCnP2nKD干扰系数干扰系数 比例度比例度 微分增益微分增益 sKT1FsTsFT11PFsVsVsVDDDIsi3o （3-15）FPP/*IFTT*FTTDD/*snTD)11 (1)()()(*3sTsTPsVsVsVDIsio令：实际比例度令：实际比例度 实际积分时间实际积分时间 实际微分时间实际微分时间 忽略微分惯性项：忽略微分惯性项：实际的实际的整定参数整定参数与与刻度值刻度值（F=1F=1时）时）之间的关系：之间的关系：成为理想的成为理想的PID473.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示

40、调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3 输出电路输出电路图图3-17 输出输出电路电路PI电路输出电路输出（15V ）（420mA ）输出电流信号输出电流信号 调节器输出电路的首要任务调节器输出电路的首要任务是将是将PID电路输出的电路输出的15V电压转换为电压转换为420mA的电流输出，同时还承担电平移动的任务，将以的电流输出，同时还承担电平移动的任务，将以VB10V为起点变化的电压转换为为起点变化的电压转换为0V为基准的电流输出。为基准的电流输出。 481.输出电路以集成运算放大器输出电路以集成运算放大器A4为核心；为核心；2.在在A4后面用晶体管后面用晶体管VT1、VT

41、2组成复合管，进行电流放组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。3.2.3.3 输出电路输出电路3.2 模拟式控制器模拟式控制器电路的特点：电路的特点：493.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3 输出电路输出电路PI电路输出电路输出（15V ）（420mA ）输出电流信号输出电流信号 设设：R3R410k，R1R24 R3 foBfoBBBVVVVRRRVVRRRVVVRRRVRRRV54512454512431413144232233由流过由流

42、过R2、R3电流相等：电流相等：由流过由流过R1、R4电流相等：电流相等：VV34124ofVV由图：由图：fofRIV24503.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.3 输出电路输出电路PI电路输出电路输出（15V ）（420mA ）输出电流信号输出电流信号 VV34124ofVV由图：由图：fofRIV24对比两式：对比两式：fooRVI43如果忽略电流如果忽略电流If和电流和电流IB，由：，由：得：得：oBfooIIIIIfooRVI43（3-16）取取R f62.5 ，则当，则当Vo315V时，时，输出电流输出电流I0

43、420mA。 513.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换通过切换开关通过切换开关S1可以选择自动调节可以选择自动调节“A”、软手动操作、软手动操作“M”、硬、硬手动操作手动操作“H”三种控制方式中任一种。自动调节就是根据偏差作三种控制方式中任一种。自动调节就是根据偏差作PID调节的控制方式，软手动操作及硬手动操作都是手动操作的调节的控制方式，软手动操作及硬手动操作都是手动操作的控制方式。为了避免切换时给控制系统造成扰动，要求电路设计控制方式。为了避免切换时给控制系统造成扰动，要

44、求电路设计中尽量做到自动调节与手动操作状态间的平滑无扰动切换。中尽量做到自动调节与手动操作状态间的平滑无扰动切换。523.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换1. A、M间的切换（间的切换（S1：自动：自动软手动状态软手动状态）保持状态保持状态积分上升与下降积分上升与下降S 4-1S 4-4 ：软手动操作开关：软手动操作开关硬手动操硬手动操作电位器作电位器 AM无冲击无冲击断开断开A3的输入的输入CM无放电回路无放电回路VO3保持不变保持不变53MA的切换的切换 S1由由A切向切

45、向M时，联动开关同时将积分电容时，联动开关同时将积分电容CI右端接右端接VB，由于，由于放大器反向输入端电位约为放大器反向输入端电位约为VB，当，当S1再由再由M切回切回A时，由于电压没时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。有突变，切换也是无扰动的。543.2 模拟式控制器模拟式控制器1. A、M间的切换（间的切换（S1：自动：自动软手动状态软手动状态）积分上升与下降积分上升与下降S 4-1S 4-4 ：软手动操作开关：软手动操作开关S 41或或S 42 按下时按下时：VM0，输出，输出V03积分下降；积分下降；S 41、S 44按下时按下时：RM=RM1，为快速积分；，为快速积分；S 42

46、、S 43 按下时按下时：RM=RM1+RM2，为慢速积分，为慢速积分。用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为“软软手动手动”。553.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-19 硬手动操作电路硬手动操作电路3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换2. A、H间的切换间的切换（自动（自动硬手动状态）硬手动状态）变化缓慢地直流变化缓慢地直流惯性环节惯性环节当切换开关当切换开关S1由自由自动位置动位置A切向硬手切向硬手动动 H 时，放大器时，放大器

47、A3接成具有惯性的比接成具有惯性的比例电路。例电路。56)()1()(3sVsCRRsVOMFHH 3( )1( )1OFHHFMVsRVsRR C s 传递函数传递函数惯性时间常数惯性时间常数 T = RFCM =301031010-6 = 0.3sRF=RH 时，为增益为时，为增益为1的比例电路。的比例电路。可见，可见，VH 改变时，改变时，VO3很快达到新的稳态值。很快达到新的稳态值。573.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换HA的切换的切换 S1由由A切向切向H时，联动

48、开关同时将积分电容时，联动开关同时将积分电容CI右端接右端接VB，由于放大器反向输入端电位约为由于放大器反向输入端电位约为VB，当，当S1再由再由H切回切回A时，由时，由于电压没有突变，切换也是于电压没有突变，切换也是无扰动无扰动的。的。由由AH时，硬手动操作杆的位置与调节器输出指示位置不一致，时，硬手动操作杆的位置与调节器输出指示位置不一致，则切换时调节器输出会产生突变。则切换时调节器输出会产生突变。 AH 的切换是的切换是有扰切换有扰切换。AH前，须先调前，须先调RPH与当时的与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。一致，才能做到无扰动切换。2. A、H间的切换间的切换（自动（自动硬手动状

49、态）硬手动状态）583.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换3. M、H间的切换间的切换（软手动（软手动硬手动状态）硬手动状态）调节器由软手动状态调节器由软手动状态M 硬手动状态硬手动状态H时，同由时，同由A H一样，一样，其输出值将由原来的数值很快变到硬手动电位器所确定的数值。其输出值将由原来的数值很快变到硬手动电位器所确定的数值。所以所以MH是是有扰切换有扰切换。MH前，须先调前，须先调RPH与当时的与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。一致，才能做到无扰动切换。HM的切换

50、的切换调节器由调节器由H M时，切换后放大器成为保持状态，保持切换前时，切换后放大器成为保持状态，保持切换前的硬手动输出值，切换是的硬手动输出值，切换是无扰动无扰动的。的。593.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例3.2.3.4 手动操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换DDZ-III型型PID调节器的切换特性：调节器的切换特性：自动（自动（A）软手动（软手动（M）硬手动（硬手动（H）无扰无扰无扰无扰无扰无扰需平衡才能无扰需平衡才能无扰AM：无扰切换无扰切换MA：无扰切换：无扰切换A H：有扰切换有扰切换H A：无扰切换：无扰切换MH

51、：有扰切换有扰切换HM：无扰切换：无扰切换603.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-20 全刻度指示全刻度指示电路电路3.2.3.5 测量及给定指示电路测量及给定指示电路电路将以电路将以0V为基准的为基准的15VDC输入信号转换成以输入信号转换成以VB为基准的为基准的15mADC电流信号，用电流表加以指示。电流信号，用电流表加以指示。613.2 模拟式控制器模拟式控制器3.2.3 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例图图3-20 全刻度指示全刻度指示电路电路3.2.3.5 测量及给定指示电路测量及给定指示电路oB

52、iBVVVVVV2121VVioVV oiooooRVRVII若若R01k，则，则Vi为为15V时，时，I0即为即为15mA。因为：因为：故得：故得：如果忽略反馈支路电流如果忽略反馈支路电流If，则流过表头得电流为：，则流过表头得电流为：62 DDZ-型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。633.3 数字式数字式PID式控制器式控制器数字式调节器的特点数字式调节器的特点：数字式控制器式以微处理器微基础的多功能控制仪表；数字式控制器式以微处理器微基础的多功能控制仪表；可接受多路模

53、拟量及开关量输入信号；可接受多路模拟量及开关量输入信号；能实现复杂的运算控制；能实现复杂的运算控制；具有通信及故障诊断功能。具有通信及故障诊断功能。数字数字PID控制器通过编程来设计控制器通过编程来设计PID调节功能的，又称调节功能的，又称可编程可编程PID调节器，或可编程调节器。调节器，或可编程调节器。643.3 数字式数字式PID式控制器式控制器3.3.1 SLPC单回路可编程调节器的电路原理单回路可编程调节器的电路原理模模拟拟量量输输入入开开关关量量输输入入输输出出端端通信接口通信接口模拟电压模拟电压输出端输出端电流电流 输出端输出端监视定时器监视定时器故障报警故障报警高频变压器高频变压

54、器653.3 数字式数字式PID式控制器式控制器3.3.2 SLPC的数字控制算法的数字控制算法理想理想PID的传递函数为：的传递函数为： sTsTPsEsYD1111PID的时域表达式的时域表达式 ： dttdeTdtteTtePtyD111第第n次采样后的离散的次采样后的离散的PID算式为算式为 ：TeeTTeTePynnDniinn11111663.3 数字式数字式PID式控制器式控制器3.3.2 SLPC的数字控制算法的数字控制算法位置式算式：位置式算式： TeeTTeTePynnDniinn11111 102111ninnDiInneeTTeTTePy位置式算式的缺点：位置式算式的缺点： 1）当前采样时刻的输出，与过去的各个状态有关，计算时要对）当前采样时刻的输出，与过去的各个状态有关，