1控制儀表及裝置第一章

1、第一章第一章 模擬式控制器模擬式控制器第一章第一章 模擬式控制器模擬式控制器第一節(jié)第一節(jié) 控制器的運算規(guī)律和構(gòu)成方式控制器的運算規(guī)律和構(gòu)成方式第二節(jié)第二節(jié) 基型控制器基型控制器 第三節(jié)第三節(jié) 特種控制器和附加單元特種控制器和附加單元 控制器將來自變送器的測量值與給定值相比較后控制器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例產(chǎn)生的偏差進行比例 ( (P) )、積分、積分( (I) ) 、微分、微分( (D) ) 運運算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號, 去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其

2、他工藝變量的自動控制。的自動控制。圖1-1 單回路控制系統(tǒng)方框圖控制器對象變送器給定值偏差測量值被控變量擾動xsxiy第一節(jié)第一節(jié) 控制器的運算規(guī)律和組成方式控制器的運算規(guī)律和組成方式控制器的運算規(guī)律是指控制器的輸出信號 和輸入偏差之間 隨時間變化的規(guī)律。y一、概述一、概述 對輸入偏差 而言，由于其初值為零，因此基本運算規(guī)律有比例（P）、積分（I）和微分（D）三種，各種控制器的運算規(guī)律均由這些基本運算規(guī)律組合而成。yy 習(xí)慣上稱 0 為正偏差； 0 時 0 稱控制器為正作用； 0 時 0 為反作用二、二、PID控制器的運算規(guī)律控制器的運算規(guī)律 PIDPID運算規(guī)律的表示形式運算規(guī)律的表示形式P

3、D0I1d(d)dtyKtTTt 1. 理想PID控制器微分方程表示法傳遞函數(shù)表示法PDI( )1( )(1)( )Y sW sKT sE sT s比例增益積分時間微分時間2. 實際PID控制器DIPDIID11( )( )1( )1TsFT sFY sW sK FTE ssK T sKF 控制器變量之間的相互干擾系數(shù)，可表示為DI1TFT 考慮相互干擾系數(shù)后的實際比例增益KPFTIFKIDFTKD考慮相互干擾系數(shù)后的實際積分時間考慮相互干擾系數(shù)后的實際微分時間微分增益積分增益具有比例控制規(guī)律的控制器稱為P控制器，其輸出信號 與輸入偏差 （當(dāng)給定值不變時，偏差就是被控變量測量值的變化量）之間成

4、比例關(guān)系。 P P運算規(guī)律運算規(guī)律ypyK ( )pW sK或在實際調(diào)節(jié)器中常用比例度（或稱比例帶）來表示比例作用的強弱。maxminmaxmin100%yyyP1100%Kmaxminmaxminyy與Kp成反比。越小，Kp越大，比例作用就越強。比例度比例度圖1-2 P控制器的階躍響應(yīng)特性P P控制特性控制特性t0t0yKP P控制的特點：反應(yīng)快，控制及時，但系統(tǒng)有余差。比例度與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系: 越小，系統(tǒng)控制越強，但并不是越小越好。減小將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振蕩。P控制器一般用于干擾較小，允許有余差的系統(tǒng)中。 PIPI運算規(guī)律運算規(guī)律具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為PI控制器。對P

5、ID控制器而言，當(dāng)微分時間TD0時，控制器呈PI控制特性。理想理想PIPI控制器的特性控制器的特性P0I1(d )tyKtT PI( )1( )(1)( )Y sW sKE sT s或積分作用能消除余差。只要有偏差存在，積分作用的輸出就會隨時間不斷變化，直到偏差消除，控制器的輸出才穩(wěn)定下來。積分作用一般不單獨使用，而是和比例作用組合起來構(gòu)成PI控制器。由于積分輸出是隨時間積累而逐漸增大的，故控制作用緩慢，造成控制不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。圖1-3 理想PI控制器的階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性t0t0yKPy = yIPyPTIPI(1)tyKT 可表示為比例作用輸出與積分作用輸出之和

6、。其中PIIKytTPPyK在階躍偏差信號作用下，理想PI控制器的輸出隨時間變化的表達式為：比例作用輸出積分作用輸出當(dāng)積分作用輸出與比例作用輸出相等時，IPyy 即PPIKtKT可得ITt也就是說，積分作用的輸出值變化到等于比例作用的輸出值所經(jīng)歷的時間就是積分時間。積分時間TI的意義TI愈短，積分速度愈快，積分作用就愈強。積分時間TI的測定實際實際PIPI控制器的特性控制器的特性實際PI控制器的傳遞函數(shù)為：IPII11( )11T sW sKK T s在階躍偏差信號作用下，實際PI控制器的輸出為：I IPI1 (1)(1)tK TyKKe 階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性t0t0yKPKPKI圖1-4

7、 實際PI控制器的階躍響應(yīng)特性積分增益積分增益KI在階躍偏差信號作用下，實際PI輸出變化的最終值（假定偏差很小，輸出值未達到控制器的輸出限幅值）與初始值（即比例輸出值）之比：I( )(0)yKy當(dāng)積分增益KI為無窮大時，可以證明實際PI控制器的輸出就相當(dāng)于理想輸出。實際上，PI控制器的KI一般都比較大，可以認為實際PI控制器的特性是接近于理想PI控制器特性的?？刂泣c偏差和控制精度控制點偏差和控制精度當(dāng)控制器的輸出穩(wěn)定在某一值時，測量值與給定值之間存在的偏差通常稱為控制點偏差。當(dāng)控制器的輸出變化為滿刻度時，控制點的偏差達最大，其值可以表示為：maxminmaxPIyyK K控制點最大偏差的相對變

8、化值即為控制器的控制精度（）?？紤]到控制器輸入信號（偏差）和輸出信號的變化范圍是相等的，因此，控制精度可以表示為：PI1100%K K 控制精度是控制器的重要指標(biāo)，表征控制器消除余差的能力。KI（或K ）愈大，控制精度愈高，控制器消除余差的能力也愈強。 PDPD運算規(guī)律運算規(guī)律理想理想PDPD控制器的特性控制器的特性或具有比例微分控制規(guī)律的控制器稱為PD控制器。對PID控制器而言，當(dāng)積分時間TI時，控制器呈PD控制特性。PDd()dyKTt PD( )(1)W sKT s微分作用是根據(jù)偏差變化速度進行控制的，有超前控制之稱。在溫度、成分等控制系統(tǒng)中，往往引入微分作用，以改善控制過程的動態(tài)特性。

9、不過，在偏差恒定不變時，微分作用輸出為零，故微分作用也不能單獨使用。圖1-5 理想PD控制器的斜坡響應(yīng)特性斜坡響應(yīng)特性斜坡響應(yīng)特性t0t0yTDPD()yK a tT 可表示為比例作用輸出與微分作用輸出之和。其中DPDyK aTPPyK at當(dāng)偏差為等速上升的斜坡信號時，理想PD控制器為：比例作用輸出微分作用輸出=at y =Kp TDaD y =Kp tPa達到相同的輸出值時，微分作用比單純比例作用提前的時間就是微分時間TD。實際實際PDPD控制器的特性控制器的特性實際PD控制器的傳遞函數(shù)為：DPDD1( )1T sW sKTsK在階躍偏差信號作用下，實際PD控制器的輸出為：DDPD1 (1

10、)KtTyKKe 階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性t0t0y圖1-4 實際PD控制器的階躍響應(yīng)特性PPyKDPD(1)yKKPDK K微分增益KDKD愈大，微分作用愈趨于理想。微分時間TD的測定在階躍偏差信號作用下，實際PD輸出變化的初始值與最終值（即比例輸出值）之比：D(0)( )yKy實際PD控制器的輸出同樣可看作是yPyD與之和。-1DDDPDPDDDy ()10.3681TTtKKeKKKK設(shè)，（）（）在階躍偏差信號作用下，實際PD控制器的輸出從最大值下降了微分輸出幅度的63.2%所經(jīng)歷的時間，就是微分時間常數(shù)TD/KD。此時間常數(shù)再乘上微分增益KD就是微分時間TD。 PIDPID運算規(guī)律運算

11、規(guī)律理想和實際PID控制器的傳遞函數(shù)分別為：PDI( )1( )(1)( )Y sW sKT sE sT sDIPDIID11( )( )1( )1TsFT sFY sW sK FTE ssK T sK當(dāng)偏差為階躍信號時，實際PID控制器的輸出為：DI IDPIDPDPI()(1)()00KttK TTyKFKFeKF etyK KtyK K 當(dāng)時， （ ）當(dāng)時， （ ）階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性ytT1FKPKIKPKDKPF三、三、PID控制器的構(gòu)成控制器的構(gòu)成控制器對輸入信號與給定信號的偏差進行PID運算，因此應(yīng)包括偏差檢測和PID運算兩部分電路。偏差檢測電路PID運算電路測量值偏差I(lǐng)0，

12、U0給定值圖1-8 控制器構(gòu)成示意圖偏差檢測電路通常稱為輸入電路。偏差信號一般采用電壓形式，所以輸入信號和給定信號在輸入電路內(nèi)都是以電壓形式進行比較。輸入電路同時還必須具備內(nèi)外給定電路的切換開關(guān)，正、反作用切換開關(guān)和偏差指示（或輸入、給定分別指示）等部分。PID運算電路是實現(xiàn)控制器運算規(guī)律的關(guān)鍵部分。PIDPID運算電路的構(gòu)成方式運算電路的構(gòu)成方式放大器K0PID反饋電路輸出I0,U0偏差Uf，偏差PDPI輸出I0,U0測量值PDPI輸出I0,U0給定值(a) (b) 結(jié)構(gòu)簡單，相結(jié)構(gòu)簡單，相互干擾系數(shù)大?；ジ蓴_系數(shù)大。電路串聯(lián)，累電路串聯(lián)，累積誤差大。積誤差大。偏差PDI輸出I0,U0偏差P

13、ID輸出I0,U0P(d) (c) 電路并聯(lián)，利于保電路并聯(lián)，利于保證整機精度。證整機精度。1 放大的概念與放大電路的性能指標(biāo)一、放大的概念一、放大的概念二、放大電路的性能指標(biāo)二、放大電路的性能指標(biāo)模擬電路知識基礎(chǔ)一、放大的概念放大的對象：變化量放大的對象：變化量放大的本質(zhì)：能量的控制與轉(zhuǎn)換放大的本質(zhì)：能量的控制與轉(zhuǎn)換放大的特征：功率放大放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真放大的基本要求：不失真放大的前提放大的前提判斷電路能否放判斷電路能否放大的基本出發(fā)點大的基本出發(fā)點VCC至少一路直流至少一路直流電源供電電源供電二、性能指標(biāo)ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAi

14、u1. 放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比：輸出量與輸入量之比電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù)電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù)信號源信號源信號源信號源內(nèi)阻內(nèi)阻輸入電壓輸入電壓輸入電流輸入電流輸出電壓輸出電壓輸出電流輸出電流對信號而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。對信號而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。2. 輸入電阻和輸出電阻 將輸出等效將輸出等效成有內(nèi)阻的電成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。是輸出電阻。LooLoooo) 1(RUURUUUR空載時輸出空載時輸出電壓有效值電壓有效值帶帶RL時的輸出電時的輸出電壓有效值壓有效值iiiIUR 輸入電壓與輸入電壓與輸入電流有輸

15、入電流有效值之比。效值之比。從輸入端看進去的從輸入端看進去的等效電阻等效電阻2.1 差分（動）放大電路的概念集成運放的輸入部分是差分放大電路，集成運放也可看成高性能的差分放大電路。差分放大差分放大電路電路ui1ui2uo放大電放大電路路uiuo差分放大電路有二個輸入端和輸出端。在差動放大電路的兩個輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號，即ui1 = -ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。兩信號的差值稱為差模信號，用uid表示，uid為兩輸入端輸入信號之差，即 uid = ui1 ui2若兩輸入端分別輸入大小相等、極性相同的信號，即ui1 = ui2，這種輸入方式稱為共模輸入，兩信號的算術(shù)平均值稱

16、為共模信號，用uic表示。uic為。 uic = ui1 ui2若ui1 ui2，這種輸入方式稱為比較輸入， ui1、ui2可分解為一對共模信號及一對差模信號。即：2idic1iuuu2idic2iuuu 差分放大電路只對差模信號才起放大作用，對共模信號起抑制作用，故稱為差分放大電路。集成運放的符號_+(a)國標(biāo)符號國標(biāo)符號運放符號運放符號(b)習(xí)慣畫法習(xí)慣畫法集成運放的電壓傳輸特性 由于由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOA

17、od(uPuN) Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線非線性區(qū)性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是UOM (該值接近于電源電壓該值接近于電源電壓) , 就是就是UOM ，即集成運放，即集成運放工作在非線性區(qū)。工作在非線性區(qū)。uO=f (uP-uN)2.2.4理想運放的工作區(qū)域反饋：將放大電路輸出信號（電壓或電流）的部分或全部通過一定的電路（反饋電路）回送到輸入回路的反送過程。引入反饋后，放大電路與反饋電路構(gòu)成一個閉合環(huán)路，所以把引入了反饋的放大電路叫做閉環(huán)放大電路（或閉環(huán)系統(tǒng)），而把未引入反饋的放大電路叫做開環(huán)放大電路（或

18、開環(huán)系統(tǒng)）。按照反饋的極性，可以分為正反饋和負反饋。正反饋:反饋信號增強輸入信號。負反饋:反饋信號削弱輸入信號。判斷運放工作狀態(tài)方法是看電路中引入反饋的極性，若為負反饋，則工作在線性區(qū)若為負反饋，則工作在線性區(qū)；若為若為正反饋或者沒有引入反饋（開環(huán)狀態(tài)），則運正反饋或者沒有引入反饋（開環(huán)狀態(tài)），則運放工作在非線性狀態(tài)。放工作在非線性狀態(tài)。 、線性區(qū)線性區(qū) 1） 理想集成運放兩輸入端間的電壓為0，但又不是短 路，故常稱為“虛短”。 2） 理想運放的兩個輸入端不取電流，但又不是開路，一般稱為“虛斷”。 、 非線性區(qū)：非線性區(qū)：當(dāng) 時， ；當(dāng) 時， 。其中 是集成運放的正向或反向輸出電壓最大值。非線

19、性區(qū)“虛斷”仍然成立。uu0iiuuOmOUuuuOmOUuOmU2.3. 理想運放組成的基本運算電路 （1）運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果，）運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。 （2）描述方法：運算關(guān)系式）描述方法：運算關(guān)系式 uOf (uI) （3）分析方法：）分析方法：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是基本出發(fā)點。是基本出發(fā)點。（1）識別電路；）識別電路；（2）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關(guān)系式的求解方法。）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關(guān)系式的

20、求解方法。2、學(xué)習(xí)運算電路的基本要求1. 研究的問題二、比例運算電路電路的輸入電阻為多少？電路的輸入電阻為多少？2) R？為什么？為什么？Rf太大，噪聲大。如何利用相對小的太大，噪聲大。如何利用相對小的電阻獲得電阻獲得100的比例系數(shù)？的比例系數(shù)？+_iN=iP=0，uN=uP=0虛地虛地在節(jié)點在節(jié)點N：RuiiRIFIffFOuRRRiu1. 反相輸入R=RRf4) 若要若要Ri100k，比例系數(shù)為，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？保證輸入級的對稱性保證輸入級的對稱性IfONfOIPN)1 ()1 (uRRuuRRuuuu運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法2. 同相

21、輸入輸入電阻為無窮大；輸入電阻為無窮大；電阻電阻R？為什么？為什么？R=RRf三、加減運算電路3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：節(jié)點電流法1. 反相求和1. 反相求和I33fI22fI11fO3O2O1OuRRuRRuRRuuuu方法二：利用疊加原理 首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1f

22、O1uRRu2. 同相求和 設(shè)設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf利用疊加原理求解：利用疊加原理求解： 令令uI2= uI3=0，求，求uI1單獨單獨作用時的輸出電壓作用時的輸出電壓 在求解運算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運算結(jié)果在求解運算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運算結(jié)果簡單明了，易于計算。簡單明了，易于計算。1I4321432f1O)1 (uRRRRRRRRRu 同理可得，同理可得， uI2、 uI3單獨作用時的單獨作用時的uO2、 uO3，形式與，形式與uO1相同，相同， uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意義清楚，計算麻煩！物理意義清楚，計算麻煩！ 2. 同相求和 設(shè)設(shè) R1

23、R2 R3 R4 R Rfff3I32I211IPfPfO)()1 (RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu與反相求和運算電路與反相求和運算電路的結(jié)果差一負號的結(jié)果差一負號4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu必不可必不可少嗎？少嗎？3. 加減運算 利用求和運算電路的分析結(jié)果利用求和運算電路的分析結(jié)果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設(shè)設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2

24、fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?實現(xiàn)了差分實現(xiàn)了差分放大電路放大電路四、積分運算電路和微分運算電路RuiiRCI)(d11O IO21tutuRCutttuRCud1IO)()(1 1O12IO21ItuttuRCuttu為常量，則在若tRuCuud1ICO1. 積分運算電路2. 微分運算電路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI 為了克服集成運為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路激振蕩，實用電路應(yīng)采取措施。應(yīng)采取措施。限制輸限制輸入電流入電流滯后補償滯后補償限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值虛地虛地運放由于某種原因運放由于某種原因進入

25、非線性區(qū)而不進入非線性區(qū)而不能自動恢復(fù)的現(xiàn)象能自動恢復(fù)的現(xiàn)象怎么識別微分運算怎么識別微分運算電路？電路？l基型控制器對來自變送器的基型控制器對來自變送器的1 15V5V直流電壓信號與給定值相直流電壓信號與給定值相比較后所產(chǎn)生的偏差進行比較后所產(chǎn)生的偏差進行 PIDPID 運算，并輸出運算，并輸出4 420mA20mA的控制的控制信號。信號。l基型控制器有兩個品種：基型控制器有兩個品種： 全刻度指示控制器和偏差指示控全刻度指示控制器和偏差指示控制器。制器。l組成：由控制單元和指示單元組成。組成：由控制單元和指示單元組成。l在基型控制器基礎(chǔ)上增設(shè)附加電路可構(gòu)成各種特種控制器，在基型控制器基礎(chǔ)上增設(shè)

26、附加電路可構(gòu)成各種特種控制器，如抗積分飽和控制器、前饋控制器、輸出跟蹤控制器等，如抗積分飽和控制器、前饋控制器、輸出跟蹤控制器等，也可附加某些單元具有報警、限幅等功能也可附加某些單元具有報警、限幅等功能。一、概述一、概述測量信號指示線路給定信號指示線路輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手操電路軟手操電路250測量指示給定指示指示單元控制單元15V420mA15V內(nèi)外UiUo1Uo2Uo3Is輸出指示Us420mAIo圖 1-10 基型控制器方框圖S6圖1-11 輸入電路原理圖 輸入電路是由IC1等組成的偏差差動電平移動電路。二、輸入電路二、輸入電路 作用：偏差檢測、電平移動UiIC1R1R2R

27、3R4R5UsR7R8R6Uo1輸入電路采用偏差差動輸入方式，為了消除集中供電引入的誤差。電平移動的目的是使運放工作在允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)。共模信號:大小相等、極性相同的信號；差模信號:大小相等、極性相反的信號；圖1-12 集中供電在普通差動運算電路中引入誤差的原理圖圖1-13 引入導(dǎo)線電阻壓降后的輸入電路原理圖UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UCM1UCM2UB取16785005RRkRk則有：FiCM1CM2o1BTSCM1CM2BFTo1iS11()321()32()UUUUUUUUUUUUUUUU 由于電路分析：l輸出信號Uo1僅與測量信號Ui和給定信號Us的差

28、值成正比，比例系數(shù)為-2，而與導(dǎo)線上的壓Ucm1和Ucm2無關(guān)。lIC1的輸入端的電壓UT T，UF F是在運算放大器共模輸入電壓的允許范圍（222V）之內(nèi)，所以電路能正常工作。l把以零伏為基準(zhǔn)的，變化范圍為V的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以10V為基準(zhǔn)的，變化范圍為8V的偏差輸出信號Uo1結(jié)論結(jié)論：三、三、PD電路電路 組成：組成：無源比例微分網(wǎng)絡(luò)比例運算放大器 作用：將輸入電路輸出的電壓信號Uo1 進行PD運算圖1-14 PD電路同相？還是反相？同相？還是反相？DDTo1DD11(s)(s)1nR C sUUnR C s在微分作用的情況下對于比例放大器有：o2T(s)(s)UU DDo2o1DDDDD

29、D1(s)(s)1,nR C sUUnR C sKnTnR C于是設(shè)則Do2o1DDD1(s)(s)1T sUUTKsK在微分不加入的情況下IC2R1RDUT1/n(n-1)/nUo1 n 通過 向 充電，穩(wěn)態(tài)時UCD (n-1) Uo1 /n當(dāng)微分接入時UT仍為Uo1 /n在切換瞬間UT保持不變，對輸出沒影響UTUo1Uo1R1CDPI電路的等效電路圖四、四、PI電路電路+Io3Po2M( )( )CUsUsC o2o3IIM( )1( )UsUsRC sm IIo3o2o2MIMMIIIIIIo3o2MI11( )()( )(1)( ),1( )(1)( )CCUsUsUsCmRC sCm

30、RC sTmRCCUsUsCT s 設(shè)則PI電路的等效電路圖223( )( )( )/( )( )( )11oFoFFOIIMUsUsUsmUsUsUsRC sC s33( )( )oFUsA Us3023311( )( )1111IMIIoIMIMCCmRC sUsUsCACARC s3023311111,( )( )11IMIIIoMIMCCmRC sCUsUsACARC s因此3Define KMIIACmC11( )11IIPIMIICT sWsCK T s積分飽和積分飽和!1）概念：具有積分作用的控制器在單方向偏差信號單方向偏差信號的長時長時間作用間作用下，其輸出達到輸出范圍上限值或

31、下限值之后，積分作用將繼續(xù)進行，從而使控制器脫離正常狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。2）積分飽和的影響 3）解決辦法：在輸出達到限值時，去掉積分作用，或者在輸出端另加一與偏差相反的信號，使積分作用輸出不再繼續(xù)增加。 tt等待時間U02U03IDIDDMIIDDDIIIDDMDIIIID11C1 T ST2W( )T1KC11SK TKT11T S2 CTT TT1nC1SK K TK TKSSSSS五、五、PID電路傳遞函數(shù)電路傳遞函數(shù)-2DDDD1s1sTTKKIIMII11s11sCTCK TiUsUo1Uo3Uo2U圖1-19 控制器PID電路傳遞函數(shù)方框圖IDDPMIDIIDDIIIDDM

32、DIIIIDDIPDIID2CTT K ,F 1,1,nCTK K TT11T S2CTT W ()TT1nC1SK K TK TKT11SFTF = K FT11SK TK SSSSS設(shè)并考慮到上式分母中得調(diào)節(jié)器各項參數(shù)的取值范圍IDDPMIDIIDIPDIIDMPIIIII2CTT K , F 1,1 ,n CTKKT T11SF TF W()KFT11SKTK n C1 1 0 0 %1 0 0 %2 %5 0 0 %;K2C TmRC,m1T0 . 0 12 . 5miSSS 設(shè)并考慮到上式分母中可略去，則得調(diào)節(jié)器各項參數(shù)的取值范圍為比例度積分時間當(dāng)時，In ; m1 0T0 . 12

33、 5mi n ;當(dāng)時，IDPPDDDD52MIII4IDDDPI Tm RC0 .0 4 1 0 m i n ; Kn1 0 ;AC K,m1K1 0m1 0m C K1 0;T F1KTKF K, TF T, K TFF微 分 時 間微 分 增 益積 分 增 益當(dāng)時 ，； 當(dāng)時 ，相 互 干 擾 系 數(shù)。實 際 整 定 參 數(shù) 與 刻 度 值 之 間 的 關(guān) 系 為式 中或（ 或：IDPID T TK T TF1） 、為 實 際 值 ，（ 或） 、為時 的 刻 度 值 。DI IDKtR TT03PIDiS03PIiS03iSPIPIPminIminPIDU (t)KF(KF)(1-e)(K

34、F)e(U -U )1-7( )K K (U -U )U ( ) U -UK KKKKK,UtU 在階躍輸入信號作用下，電路輸出的時間函數(shù)表達式為階躍響應(yīng)特性見圖。當(dāng)時，因此控制器的靜態(tài)誤差為當(dāng)及都取最小值和而0303max4PminImin( )4VU( )4 2mVKK0.2 10取最大值時，控制器的最大靜態(tài)誤差為1100 = 0.05%Kpmin KImin 控制器的調(diào)節(jié)精度（在不考慮放大器的漂移、積分電容的漏電等因素時）為參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。 先是比例后積分，最后再把微分加。先是比例后積分，最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。曲線

35、振蕩很頻繁，比例度盤要放大。 曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。 曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降。 曲線波動周期長，積分時間再加長。曲線波動周期長，積分時間再加長。 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。曲線振蕩頻率快，先把微分降下來。 動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。 理想曲線兩個波，前高后低四比一。理想曲線兩個波，前高后低四比一。 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。圖1-20 輸出電路 六、輸出電路六、輸出電路作用：把PID電路輸出的、以UB為基準(zhǔn)的15v直流電壓信號轉(zhuǎn)換成

36、420mA的電流信號線路分析線路分析00f12f0fBBFTBF03BfF030f III (1-37)RRR,24VIR24V24KVVVRV(1K)R(1K)V(VV )VVRKRV I R / K定量分析：若忽略復(fù)合管的基極電流，有現(xiàn)設(shè)則由上述三個方程式可得 1-38（）F03BfB03f03B030f120V(VV )IR24V(1K)VI (1-39)(1K)R1-38139137KV24V(1K)V I (1-40)R(1K)R1-38在相同的條件下，由圖可求得把式（）和式（）代入式（）得由式（f030f03B1 R62.5,K1/4,V15VI4 20mA1-40IV(1V)R4

37、0kV10VK1/40.225mA R40k250 ）可知，當(dāng)時，。而由式（）可知，其最后一項（ ）即為運算誤差。最大誤差發(fā)生在最小 即時，將參數(shù)，可得最大誤差為。實際電路中取，可使誤差為零。-+R 1R 2RfRLK RK RUBUo3UFUTIfIoVfIo24vV T1V T237)-(1 III38-1 K/RVI f00f030 ）（七、手動操作電路七、手動操作電路作用：實現(xiàn)手動操作，有軟手操和硬手操兩種操作方式軟手操電路軟手操電路兩個作用：兩個作用：使電容使電容CICI兩端電壓兩端電壓恒等于恒等于U02U021.1. 使使IC3IC3處于保持工作處于保持工作狀態(tài)狀態(tài)-+24VVTU

38、O32.4KVBRFRH30K30KVHWHCMIC3S1硬軟自自S2軟硬CI9.1K1KS3R1RM2RM2RM1RM1+URS S4 41 1S S4 42 2S S4 43 3S S4 44 4U02-UR+UR-URRM-+IC3軟TFCMCIRIUO2UO3S41241424344H03R03M . 1-21 KK KKKK W () VV VRC七手動操作電路軟手操硬手操如圖所示。、為聯(lián)動的自動、軟手操、硬手操切換開關(guān)。、為軟手操板鍵。為硬手操電位器。一軟手動操作電路輸出電壓的變化量為MMMRt (1-41) ( 15V)4 TRCV軟手操輸出電壓滿量程變化所需的時間為124 14

39、 24 34 4H0 3R0 3M . 1 - 2 1 KK KKKK W () VV VRC七手動操作電路軟手操硬手操如圖所示。、為聯(lián)動的自動、軟手操、硬手操切換開關(guān)。、為軟手操板鍵。為硬手操電位器。一軟手動操作電路輸出電壓的變化量為MMMRt ( 1 - 4 1 ) ( 15 V)4 TRCV軟手操輸出電壓滿量程變化所需的時間為軟手操電路輸出電壓的變化量為：軟手操電路輸出電壓滿量程變化所需的時間：改變改變RMRM的大小，可進行的大小，可進行快慢兩種速度的軟手操快慢兩種速度的軟手操硬手操電路硬手操電路-+24VVTUO32.4KVBRFRH30K30KVHWHCMIC3S1硬軟自自S2軟硬CI9.1K1KS3R1RM2RM2RM1RM1+URS S4 41 1S S4 42 2S S4 43 3S S4 44 4U02-UR兩個作用：兩個作用：使電容使電容C CI I兩端電壓恒兩