第二章：控制器.ppt

1、第二章：控制器,重点和难点： P、I、D、PI、PD、PID控制规律的特点及其响应曲线 数字式PID的离散方程 DDZ-型基型调节器的分类电路分析、计算 数字式控制器硬件、软件组成原理 有关调节器的分析、计算,控制器在自动化控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规 律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。 习惯上，单元组合仪表和单个仪表形式的控制器常称调节器，如DDZ-II型电动调节器，DDZ-III型电动调节器和可编程调节器等。 本章首先介绍控制规律的基本概念，这是控制器的共性问题；然后介绍模拟式控制器和数字式控制器。有关可

2、编程程序控制器等内容 将在以后的章节或相关课程中介绍。,1、控制规律：,1）控制规律的表示方法： A：何为控制器的控制规律： 令：偏差e=PV-SP 控制器的控制规律就是控制器的输出随输入信号（偏差）的变化 的规律。,控制器,执行器,对象,变送器,sp,T,+,-,PV,D（干扰）,习惯上：e0称为正偏差； e0，控制器的输出u 0： 称为正作用控制器 e0 ，控制器的输出u 0： 称为反作用控制器 基本控制规律：比例（P）、积分（I）、微分（D） 常用控制规律：P、PI、PD、PID四种工业上常用的控制规律。,B：控制规律的表示方法： 调节器的输入信号和输出信号可能是不同的物理量。 为了用通

3、式表示它们的特性-采用无量纲方程，故都用相对量来表示调节器的输入和输出信号。 输入：偏差相对于输入信号范围的比值表示； X = e /（ e max- e min） 输出：输出变化量相对于输出信号范围的比值表示； Y = u /（ u max- u min）,2）控制器的控制规律：,（1）比例控制规律： YP=KPXKP：为比例放大倍数 或比例增益 比例增益反映了比例作用的强弱： KP越大，比例作用越强，在X一定时，控制器器的输出越大。 在控制器常用比例增益的倒数来表示比例作用的强弱 比例带（比例度）：=1/KP *100% * kP比例作用 ; kP 比例作用,x,y,100%,50%,50

4、%,PB=50%,PB=100%,PB=200%,50%,200%,100%,注意： 在模拟控制器中，比例作用的强弱是用 Kp 的倒数-比例度进行刻度的，但“”一般不在比例度盘上划出来。,比例控制规律的特点：,及时迅速：只要有偏差输入，其输出立即按比例变化。 控制器的输出与输入成比例关系，在有扰 动时最后的输出有余差,X,Y,t,t,A,KPA,余差的定义： 调节过程结束时，测量信号的新稳态值和给定信号之差。 为什么P控制规律会产生余差呢？是P控制规律自身的特点 考察用P控制规律构成的定值控制系统 请同学们思考!。,假设系统原处于平衡状态，则xi= xs。由于扰动f的加入，使对象的输出发生变化

5、，破坏了平衡状态。若f xi xi xs x进入调节器，经P运算后，则有y去克服扰动f，力图使x，但是P调节器的输出y和输入x因成正比关系而有相互对应关系，若想输出一定的信号y去克服扰动f的影响，就必须有一定的输入信号x存在。,因此，比例调节过程结束时，总存在一个x ， x = xi xs 式中 xi 新稳态值 xs给定值 x 余差 所以，P调节器当负荷发生变化时（xi发生变化），或给定值发生变化时（xs发生变化）均会产生余差，其大小和比例增益有关。 KP 余差,讨论: 一台比例调节器，输入信号15V，输出信号420mA，若 =40%时，输入信号变化量为1V，输出信号的变化量为多少？,补充作业

6、,液位控制系统采用纯比例调节器，在开车前要对变送器、调节器和执行器进行联校，当=20%，偏差=0时，手动操作使调节器的输出=12mA，若给定信号突变5%，调节器为正作用，试问突变瞬间调节器的输出为多少？当调节器为反作用时，试问突变瞬间调节器的输出为多少？,（2）比例积分控制规律：积分控制规律,输出信号和输入信号对时间的积分成正比。积分作用：输出与时间的长短有关！ y=1/TIxdt TI 积分时间 TI 积分作用 TI 积分作用,输入阶跃信号，输出信号随时间的延长不断增加，当输入信号结束时，输出信号就停留在某个位置上。 TI ，曲线斜率，积 分作用； TI ，曲线斜率 ，积 分作用,无定位特性

7、,TI小,TI大,输出信号和输入信号 存在的大小 方向 时间 无定位特性有关 无定位特性的定义： 当输入信号消除时，I控制规律的输出可以稳定在任何一个数值上。,I控制规律的特点,只要偏差存在，输出就会随着时间不断地增长，直到偏差消除为止。 在偏差刚出现时，积分输出的反应缓慢，不象比例那样及时迅速，导致动态偏差增大，调节过程拖长。,很少单独使用I 控制规律，通常是综合两者的优点，形成PI控制规律。 三、PI控制规律 y=KP(x+ 1/TIxdt) KP 比例增益， TI 积分时间,输入阶跃信号，开始一瞬间，输出信号向上跳跃一下，形成比例作用。然后，随着时间的增加而逐渐上升，形 成积分作用。可见

8、 PI控制规律的输出是比例和积分 的合成,TI的定义： 控制规律在阶跃输入信号的作用下，积分部分的输出变化到和比例部分的输出相等时所经历的时间为TI 。,X,A,Y,KPA,KPA,TI,t,t,上述分析表明积分部分 的输出具有饱和特性， 我们把t时，PI控制 规律出现积分饱和时的 增益K= KPKI称为静态 增益，式中的KI称为 积分增益。,积分增益的定义： 在阶跃输入信号的作用下，采用PI控制规律的实际调节器的输出的最终变化量和初始变化量之比。 KI=y()/y(t0)= KPKIx/KPx KI的物理意义表明实际的PI调节器消除余差的能力，KI余差。,PI控制规律的特点：输出信号响应速度

9、快， 消除余差。,几个概念：,控制点：对于具有积分作用的控制器，当测量值等于 给定值时输出可以稳定在一个值上，这个值 称为控制点。 控制点偏差：由于具有积分作用的控制器的开环增益 为有限值，控制器的输出不便时，测量 值与给定值不完全相同，有一个偏差， 这个偏差称为控制点偏差。 控制精度：最大控制点偏差占输入信号变化范围的百 分数。（或调节精度） 积分增益、积分饱和,练习： 某调节器的=100%，TI=2min，初始状态输入=输出=12mA，后来输入信号从12mA阶跃变化到14mA，试问经过多长时间后输出信号可以达到20mA？ 分析：使用y=KP(x+1/ TIxdt),解： y=KP(x+1/

10、 TIxdt) (20-12)=1(2+1/2 2dt) 8=2+1/2*(2t) t=6(分),讨论： 参见图示曲线，曲线1为=100%时的PI特性曲线，若其它条件不变，令 =50%，则曲线1变成曲线2，对否？为什么？ 分析：使用TI的定义,解： 不对。 由曲线1的已知条件 =100%可以推导出曲线1的TI为某个值， 曲线2的已知条件除了 =50%之外，没有其它变化，TI的值和曲线1是相同的。 所以曲线2的斜率变陡峭。,(3)、比例微分控制规律,采用微分规律的必要性 对于要求比较高的控制系统，常希望根据被控变量的变化趋势采用控制措施，以防止被控变量产生过大的偏差。 A：理想微分控制规律： 输

11、出信号和输入信号的变化速度成正比。 y=TDdx/dt TD 微分时间 TD 微分作用 TD 微分作用,输入阶跃信号， t=t0瞬间，输出信号跳向无穷大， tt0以后，返回零状态。,x,y,t,t,t0,t0,不能 使用,当输入信号中含有高频信号时，采用理想D就会使输出产生干扰信号，造成执行器的误动作。 因此，不能使用理想D控制规律，通常采用理想D和比例作用以及一阶惯性环节组成实际比例微分控制规律（PD控制规律）。,G（S）=Y（S）/X（S） =KP（1+TDS）/（1+TDS/KD ） KD：微分增益。,KD的定义： 在阶跃输入信号的作用下实际PD控制规律的输出的初始变化量和最终变化量之比

12、。 KD=y(t0)/y()=KPKDx/KPx KD，微分作用 ； KD，微分作用。 KD530，一般调节器KD均为常数， 常取KD 10。,PD调节器整定的参数是和TD ， TD的定义： 在阶跃输入信号的作用下，实际的PD调节器的输出信号从开始的跳变值下降了最大值和最终稳态值之差的63.2%所经历的时间td的KD倍，就是微分时间TD。 TD = tdKD td 微分时间常数。,PD控制规律的特点： 不论输入信号多大，只要有变化趋势，立即产生输出信号，具有较强的调节作用，这是一种先于比例作用的调节动作，所以称为“超前”调节。（超前是说D作用比P作用超前的时间为td）,练习：,（4）、PID控

13、制规律,理想PID： y=KP(x+1/TIxdx+TDdx/dt) 实际PID：,输入阶跃信号，则输出信号的变化规律是： 为理想的PID调节 器 为实际的PID调节 器,t,t,x,y,实际的PID调节器是微分和积分都有饱和特性，关键在于KD和KI均为有限值。,PID调节器的特点： 反应迅速（P）， 消除余差（I）， 超前动作（D）。,作业： 1、根据给定的阶跃输入信号，画出调节器的输出信号波形图。 1）、P调节器，=50%; 2）、PI调节器， =100%，TI=3min； 3）、PD调节器， =100%，TD=3min，KD=10。,x,作业：,2、一台调节器的测量信号的指针由50%下降

14、到25%时，其纯比例输出信号由12mADC下降到8mADC，该调节器的实际比例带为多少？，该调节器的作用方向是正还是负？,3、某调节器，稳态时测量信号、给定信号和输出信号均为5mA，当测量信号阶跃变化1mA时，输出信号立刻变成6mA，然后随时间匀速上升，当输出信号到达7mA时所用的时间为25s，试问该调节器的、TI各是多少？,带不灵敏区（死区）的PID算式：,积分分离PID算式：,第二节 模拟式控制器,本节重点内容提示: 一、基本定义 二线制、 软手动、 硬手动、 保持特性、无平衡无扰动切换 二、基本构成 输入电路、 PD电路、 PI电路的原理电路（读图、各元件的作用） 三、基本原理,三、基本

15、原理 1.输入电路 （掌握为什么采用偏差、差动输入、电平移动电路，利用叠加原理推导电路的输入输出关系式） 2.PD电路和PI电路 （掌握电路的定性分析, 即t=0、t0、t0时电路的变化过程） 3.双向无平衡无扰动切换 （掌握自动手动、手动自动无平无扰切换的原因）,1、控制器的功能,作用：将来自变送器的测量信号与给定信 号相比较所产生的偏差进行PID运算， 并输出控制信号到执行器。 其它的作用：偏差显示、输出显示、提 供内给定信与内外给定选 择、正反作用切换、手动 操作及手自动双向切换。,2、 DDZ-型电动调节器,1）概述： 品种：基型；特种调节器； 主要性能： 测量信号： 1-5VDC 外

16、给定信号： 4-20mADC 输出信号： 4-20mADC 负载电阻： 250-750 比例带： 2%-500% 积分时间： 0.01-22min 微分时间： 0.04-10min 控制精度： % 输出保持特性：- 0 1%每小时；,2） 基型调节器的构成：,测量指示电路,输入电路,给定指示电路,PD电路,软手动电路,PI电路,输出电路,硬手动电路,Ui1-5VDC,Is4-20mA,Uo1,Uo2,Uo3,测量指示 红针指示 1-5mADC,给定指示 黑针指示 1-5mADC,软 M,硬 H,A 自,输出指示,4-20mA,RL,1-5V,工作状态：自动、手动（软手动、硬手）、保持； 状态切

17、换：自动 软手动 硬手动 软手动 硬手动 自动 自动 硬手动 软手动 硬手动 调节作用方向选择:正作用、反作用。,3）基本电路分析,1、输入电路： 作用：A、是测量信号与给定信号相减得 偏差信号再将其放大两倍； B、是电平移动，将0V为基准的Ui 转换为UB（10V）为基准的输出 信号U01。,Uc1,差动,移动,集成运算放大器为理想IC 应满足： 差模输入阻抗， 偏置电流Ib1、Ib20， 共模增益0 差模增益,为何是差动？,消除导线电阻压降Ucm1和Ucm2的影响,4 20mA流经导线电阻Rcm1产生了U cm1 Ucm14 20mA Rcm101V US 15V或 US 420mA250

18、15V 调节器的输入信号 Ui U cm1 US 输入信号引入一个误差U cm1 ，是不允许的。,采用差动输入的形式后: Ucm1是个共模信号，不会被放大。 U iUs是个差模信号，可以被放大。,大小相等、方向相同的形式作用IC两个输入端对地之间的信号,作用IC两个输入端对地之间的信号,为何是电平移动? 满足共模输入电压范围的要求。 电平移动的定义： 共模输入电压范围的定义：,将电源负端为零电平的信号转换成以参考电位为基准的信号,在保证IC正常工作的情况下，IC的UT或UF的大小。,B：比例微分电路,作用：是对输入电路的输出信号U01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。,定性分析 Uo