过程控制及仪表(2)_dlh

1、1辽宁科技大学电信学院辽宁科技大学电信学院过程控制及仪表过程控制及仪表2第二章第二章 基型控制器基型控制器 基型控制器又称基型调节器，对来自变送器的基型控制器又称基型调节器，对来自变送器的1-5V1-5V直流电压信号与直流电压信号与给定值相比较所产生的偏差进行给定值相比较所产生的偏差进行PIDPID运算，输出运算，输出4-20mA4-20mA（DCDC）直流控制）直流控制信号。信号。一、基型控制器介绍一、基型控制器介绍调节器在控制回路中的位置？调节器在控制回路中的位置？控制器执行器被控对象变送器给定值被控量操纵量-3第二章第二章 基型控制器基型控制器基型控制器组成：由控制单元和指示单元组成。见

2、图基型控制器组成：由控制单元和指示单元组成。见图2-1。4第二章第二章 基型控制器基型控制器控制单元：控制单元： 输入电路输入电路(偏差差动和电平移动电路偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路运算电路(由由PD与与PI运算电路串联运算电路串联)、输出电路、输出电路(电压、电流转换电路电压、电流转换电路)以及以及硬、软手操电路；硬、软手操电路；指示单元：指示单元： 测量信号指示电路、设定信号指示电路。测量信号指示电路、设定信号指示电路。给定方式给定方式： 内给定信号内给定信号：1 15V5V直流电压；直流电压； 外给定信号：外给定信号：4 420mA20mA直流电流，（它经过直流电流，（它经过

3、250250精密电阻精密电阻转换成转换成1 15V5V直流电压）直流电压）调节器的工作状态调节器的工作状态： “自动自动”、“软手动软手动”、“硬手动硬手动”及及“保持保持”四种。四种。5第二章第二章 基型控制器基型控制器“自动自动”状态：状态： 测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行比例积分电路对其偏差进行PDPD和和PIPI运算后，再经过输出电路转换为运算后，再经过输出电路转换为4 420mA20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。“软手

4、动软手动”状态状态： 可以通过选择键位调节器处于可以通过选择键位调节器处于“保持保持”( (即它的输出保持切换即它的输出保持切换前瞬间的数值前瞬间的数值) )状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。加或减小，以对工艺过程进行手动控制。“硬手动硬手动”状态：状态： 调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。位置一一对应。6第二章第二章 基型控制器基型控制器 在基型在基型控制控制器基础上增设附加电路可构成各种特种器基础上增设附加电路可构

5、成各种特种控制控制器，如器，如抗积分饱和抗积分饱和控制控制器、前馈器、前馈控制控制器、输出跟踪器、输出跟踪控制控制器、非线性器、非线性控制控制器、器、也可附加某些单元具有报警、限幅等功能。也可附加某些单元具有报警、限幅等功能。 基型控制器有两个品种：基型控制器有两个品种：全刻度指示控制器全刻度指示控制器和和偏差指示控制器。偏差指示控制器。 全刻度指示控制器主要性能指标：全刻度指示控制器主要性能指标： 测量和内给定信号：测量和内给定信号：15V(DC)；外给定信号和输出信号：外给定信号和输出信号：420mA(DC)；基本误差一般为基本误差一般为0.5%；少数品种为；少数品种为0.2%、 1.0%

6、；响应时间不超过响应时间不超过1s；负载电阻一般为负载电阻一般为250750；供电供电24V(DC)；测量和给定信号指示精度：测量和给定信号指示精度：1%；比例度：比例度：2%500%；积分时间：积分时间：0.0125min(分两档分两档)微分时间：微分时间：0.0410min。7第二章第二章 基型控制器基型控制器二、输入电路二、输入电路偏差差动电平移动电路偏差差动电平移动电路 _+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUFTsU2-2图图输输入入电电路路原原理理图图8第二章第二章 基型控制器基型控制器组成：组成：由由IC1IC1及电阻组成。及电阻组成。 输入：输入：Ui-UsUi

7、-Us。 输出：输出： Uo1 Uo1 ，以，以 UB UB 为参考电压。为参考电压。作用：作用：1). 1). 信号综合信号综合。将（。将（Ui-UsUi-Us）后放大两倍反相以）后放大两倍反相以Uo1 Uo1 输出，即输出，即 Uo1= -2(Ui-Us)Uo1= -2(Ui-Us)。 2). 2). 电平转换电平转换。将以。将以0V0V为基准的输入信号转换为以为基准的输入信号转换为以 UBUB（10V10V）为基准的输出信号）为基准的输出信号Uo1Uo1。 电平转换电平转换的目的：的目的：使使IC1IC1工作在允许的共模输入电压范围内。工作在允许的共模输入电压范围内。解决了单电源解决了单

8、电源24V24V供电的双极性信号处理。供电的双极性信号处理。二、输入电路二、输入电路9_+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUFTsU2-2图图输输入入电电路路原原理理图图电路分析电路分析： 同相输入端等效电路同相输入端等效电路 )(31BSTUUU反相输入端等效电路反相输入端等效电路 )21(311oBiFUUUU)( 21SioUUU10第二章第二章 基型控制器基型控制器三、三、PDPD电路电路组成：组成：IC2 、 CD 、 RD 、 S；输入信号：输入信号： U Uo1 ；输出信号：输出信号： U Uo2,送送PI电路；电路； 作用：对作用：对 Uo1进行进行PD运算，

9、运算，可设置可设置T D 、 KP （或比例度），（或比例度），见图见图2-5。 T D为微分时间；为微分时间； KP为比例系数。为比例系数。无源比例微分电路S置断时，切除微分，只有比例作用比例运放电路_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U断通S1 BUTF2-5 PD图图电电路路 表示相对于基准点表示相对于基准点UB的电压。的电压。11第二章第二章 基型控制器基型控制器。愈大，比例作用就越强愈小，成反比，与即可表示为：。此时比例度在单元组合仪表中，输出信号变化范围。偏差变化范围；式中：比例度的一般表达式：比例度PPPKKKyyyyyyy%1001%100 minmaxm

10、inmaxminmaxminmaxminmaxminmax12第二章第二章 基型控制器基型控制器_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U断通S1 BUTF2-5 PD图图电电路路13第二章第二章 基型控制器基型控制器 定性分析：定性分析： Uo1阶跃时，阶跃时，t0+时时CD电压不能突电压不能突变，变，Uo1全部加到全部加到IC2同相端，随着同相端，随着CD充电，充电，UCD从零按指数规律上升，从零按指数规律上升，UT按指数规律下降，当按指数规律下降，当CD充电结束，充电结束，稳态时，稳态时，CD电容相当于断开，根据运电容相当于断开，根据运放虚断原则，放虚断原则，RD上电流

11、为零。上电流为零。UT（）= 1/n*Uo1，并保持不变。并保持不变。Uo2与与UT的关系：的关系：Uo2 = UTUo2与与UT的曲线变化形状相同。的曲线变化形状相同。无源比例微分电路S置断时，切除微分，只有比例作用比例运放电路n=10可改变比例度_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U断通S1 BUTF2-5 PD图图电电路路下ppoppoRRRR 定量分析：定量分析：IC2 看作理想运放，对无源比例微分网络有：看作理想运放，对无源比例微分网络有：14第二章第二章 基型控制器基型控制器o1DTo1DDDDo1DDU (s)Rn1U (s)U (s)1nnRC s1nR

12、C s1 U (s)n1R C s对比例运放电路有：对比例运放电路有：o2FTFDDo2o1DDDDDDDo2o1DDDU (s)U (s)U (s)U (s)1 nR C sU (s)U (s)n1 R C s Kn;TnR C ,1 T sU (s)U (s)TK1sK 由由于于，所所以以从从上上两两式式可可得得设设则则无源比例微分电路S置断时，切除微分，只有比例作用比例运放电路n=10可改变比例度15第二章第二章 基型控制器基型控制器无源比例微分电路S置断时，切除微分，只有比例作用比例运放电路n=10_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U断通S1 BUTF2-5 P

13、D图图电电路路所以PD电路的传递函数为：sKTsTKsWDDDDPD11)(12) 1(1)(otTKDDoUeKKtUDDPD电路的阶跃响应输出为：16第二章第二章 基型控制器基型控制器快速的调节作用，超前作用KD=n17第二章第二章 基型控制器基型控制器 当图中开关处于当图中开关处于“断断”的位置时，微分作用切除，电路只有的位置时，微分作用切除，电路只有比例作用。问：当电路由比例作用。问：当电路由断到通断到通时时IC2同相端电压会不会突变，对同相端电压会不会突变，对控制过程有无扰动。控制过程有无扰动。为什么？为什么？S断时，即不加微分时，断时，即不加微分时，UT= UO1/n， UO1通过

14、通过R1向向CD充电，充电，稳态时稳态时CD两端电压为：两端电压为：UCD=(n-1) UO1/nS接通，加入微分时，接通，加入微分时，电容两端电压不能突变电容两端电压不能突变所以所以UT仍为仍为 UO1/n。在切换瞬间在切换瞬间UT保持不变，保持不变，对控制过程无扰动。对控制过程无扰动。18第二章第二章 基型控制器基型控制器四、四、PIPI电路电路组成：由组成：由IC3 、RI 、CM 、CI 组成，有源组成，有源PI运放电路；运放电路；输入信号：输入信号： Uo2输出信号：输出信号： U Uo3，送输出电路。，送输出电路。作用：将作用：将PD电路输出的电路输出的Uo2进进行行PI运算，输出

15、以运算，输出以UB为基准的为基准的15V电压电压Uo3至输出电路；手至输出电路；手操信号输入，手自动切换在本操信号输入，手自动切换在本级切入。级切入。_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF软硬自软手操信号硬手操信号S1S2软硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI图图电电路路19第二章第二章 基型控制器基型控制器_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF软硬自软手操信号硬手操信号S1S2软硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI图图电电路路联动联动20第二章第二章 基型控制器基型控制器S3积分换档：积分换档

16、：X1，X10两档；两档； S1 、S2：联动开关，完成自：联动开关，完成自动、软手动、硬手动切换动、软手动、硬手动切换（系统手动操作）；（系统手动操作）；PI电路的等效电路：图电路的等效电路：图2-8。比例电路部分：比例电路部分： CI 、CM积分电路部分：积分电路部分：RI 、CMm: X1档时，档时，m=1; X10档档时，时，m=10.比例比例积分积分比例输入比例输入积分输入积分输入_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF软硬自软手操信号硬手操信号S1S2软硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7PI图图电电路路_+o3UFTIC3CMRICIo2

17、Uo2Um2-8 PI图图电电路路的的等等效效电电路路21第二章第二章 基型控制器基型控制器定量分析：定量分析：（1）设）设IC3 为理想运放为理想运放其输出电压由两部分组成：其输出电压由两部分组成：1 比比例例运运算算的的输输出出电电压压为为积积分分运运算算的的输输出出电电压压为为将将以以上上两两式式相相加加，便便可可得得到到的的输输出出为为Io3Po2Mo2o3IIM3IIo3o2o2MIMMIIC U(s)U (s)CU (s)1 U(s)R C smICCC11U (s)U (s)U (s)CmR C sCmR C si3RA_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI图

18、图电电路路的的等等效效电电路路设设TI=mRICI,则则)(11)(23sUsTCCsUoIMIo3A22第二章第二章 基型控制器基型控制器5111111011, 而而且且由由此此两两式式可可求求的的因因，故故可可略略去去不不计计，于于是是电电路路的的传传递递函函数数为为o2Fo2FFo3IIMo33FIMIIo3o2I3M3IMI33MU (s)U (s)U (s)/mU (s)U (s)U (s)11RC sC s U (s)AU (s) C1CmR C sU (s) U (s) C1ACA R C sCAACPI_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI图图电电路路的的等

19、等效效电电路路i3RA（2）设）设IC3 为实际运放为实际运放3A23第二章第二章 基型控制器基型控制器 (S)UT11CC(S)UPIPI02IMI03S：理想实际24第二章第二章 基型控制器基型控制器(1)e IItK TIo3IIo2MI PICU (t)KKUC2-9T PI 在在阶阶跃跃输输入入作作用用下下，电电路路输输出出的的时时间间函函数数表表达达式式为为阶阶跃跃响响应应特特性性如如图图所所示示。利利用用此此阶阶跃跃响响应应函函数数，可可由由实实验验法法求求取取积积分分时时间间 。电电路路的的积积分分饱饱和和问问题题：解解决决积积分分饱饱和和现现象象的的办办法法：缓慢的调节作用，

20、直到偏差为零时才不变化。02MI03I02IMI0302MI03UCC2UTtUKCCUtUCCU0t时，当时，当时，当oto2Uoto3UIo2MCUCITIo2MCUCIIo2MCKUC2-9PI图图电电路路阶阶跃跃响响应应特特性性25第二章第二章 基型控制器基型控制器pPI电路电路积分饱和积分饱和问题问题 UO3被限幅时，如果被限幅时，如果UO2不改变不改变方向，电容方向，电容CM继续充电，继续充电，UCM继续上继续上升，使得升，使得UCMUO3，UF UT,当当UO2反向时，反向时， UCM逐渐减小，逐渐减小，UO3仍然仍然不变，直到不变，直到UO3=UCM退出饱和。退出饱和。 在饱和

21、区，输入在饱和区，输入UO2变化，输出变化，输出UO3不变，控制器输出处于失控状不变，控制器输出处于失控状态，动态性能严重变坏。态，动态性能严重变坏。p解决积分饱和办法：解决积分饱和办法：1)对控制器的输出加以限幅，使其对控制器的输出加以限幅，使其不超过额定的最大值或最小值。不超过额定的最大值或最小值。2)限制积分电容两端的充电电压。限制积分电容两端的充电电压。3)切除积分作用。切除积分作用。ttUo3Uo2积分饱和UCM_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI图图电电路路的的等等效效电电路路26第二章第二章 基型控制器基型控制器12( )12IDIDDMDIIDDIIIDD

22、MDIIIID1C1T sTsW sT1KC1sKK TsT11T sCTTs T1TnC1sK K TK TsK五、五、PIDPID电路传递函数电路传递函数PID运算是输入电路、运算是输入电路、PDPD电路和电路和PIPI电路三个环节的串联而成。电路三个环节的串联而成。27sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干扰系数：1DITFT MIPnCCK2比例增益：1PK比例度：DDDDDCRCnRT10微分时间：10 nKD微分增益：积分时间：IIICmRT 积分增益：IMICCmKK3 由于相互干扰系数F的存在，上述参数的实际整定值与刻度值（ F 1时）之间的关系为：

23、 *FFTTDD*IIFTT*说明三个参数调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法准确。说明三个参数调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法准确。五、五、PIDPID电路传递函数电路传递函数28拉氏反变换后，可求得输出与输入的时间函数表达式为： )(3otU3( )()(1) ()()DI IDKttK TTOPIDisVtK FKFeKF eVV图2-11为输入信号为阶跃作用时，调节器的输出响应特性： 图2-11 PID调节器的输出阶跃响应曲线 U03t整个曲线由比例项、积分项和微分项三部分组成。调节范围：比例度：=2500%，微分时间TD=0.0410分积分时间TI =0.012.

24、5分 (1档)，TI =0.125分 (10档)五、五、PIDPID电路传递函数电路传递函数29作业p书上271页n2-4n2-730第二章第二章 基型控制器基型控制器作用：作用：把把PID输出输出Uo3 （以（以UB为基准）转换为基准）转换成成4-20mA.DC输出。输出。实现电压实现电压电流转换。电流转换。见图见图2-12。组成：由组成：由IC4 、VT1和和VT2复合管组成。复合管组成。_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250750fU24VLR2-12图图输输出出电电路路六、输出电路六、输出电路31第二章第二章 基型控制器基型控制器2424()24

25、/oof12BBFTBFo3BfFfofo3of III (2-11)IC4RRR,UKUUURU(1K)R(1K)UUUUURKRUIRU IRK定定量量分分析析：若若忽忽略略复复合合管管的的基基极极电电流流，有有现现设设为为理理想想运运放放, ,且且则则由由上上述述三三个个方方程程式式可可得得 2-12（）_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250 750fU24VLR2-12图图输输出出电电路路32第二章第二章 基型控制器基型控制器fOfOORURKUI433则则若取若取R1 = 4（K KR+ Rf）= 40.25K时，时，可以精确获得关系：可以精确获得关系：_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250750fU24VLR2-12图图输输出出电电路路mARUIIIfofoo2045 .624514333第二章第二章 基型控制器基型控制器软手动操作电路是积分电路硬手动操作电路是比例电路_+IC3RICIo2U1k9.1ko3UBUTF软硬自S1S2软 硬自110S3CMVT+24V2.4k1kRFRHSRRM2RM1-URRM2RM1+URS41S42S43S4430k30k2-13图图手手动动操操作作电电路路七、手动操作电路七、手动操作电路分为软手操和硬手操两种方