自動化儀表與裝置第二章 第二節(jié)

1、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄1 2.2. 模擬控制器模擬控制器 控制器的功能控制器的功能基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性DDZDDZ型電動調(diào)節(jié)器型電動調(diào)節(jié)器微分先行微分先行PIDPID運算電路分析運算電路分析控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2 2.2.1.控制器的功能控制器的功能 控制器的作用是對測量信號與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進行PID運算，并輸出控制信號至執(zhí)行器 (1)偏差顯示(2)輸出顯示(3)提供內(nèi)給定信號及內(nèi)、外給定的選擇(4)正、反作用的選擇 (5)手動操作與手動/自動雙向切換 (6)附加

2、功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、 偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策和零啟動等.控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄3 2.2.2. 2.2.2.基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性 電阻R 氣阻R (a) 固定電阻 (a)固定氣阻 (b) 可調(diào)電阻 (b)可調(diào)氣阻 關(guān)系式 R=U/I 關(guān)系式 R=P/M 傳遞函數(shù) U(s)/I(s)=R 傳遞函數(shù) R=P(s)/M(s) 式中 U電阻兩端電壓； 式中 P氣阻兩端壓降 I流過電阻的電流。 M氣體的質(zhì)量流量 模擬控制器都是由各種放大器和由電(氣)阻、電(氣)容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成.控制儀表和計算機控制裝

3、置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4 基本元基本元件件 電容C 氣容C (a)固定電容 (b)可變電容 a)固定氣容 (b)可變氣容 關(guān)系式： 關(guān)系式： 傳遞函數(shù)： 傳遞函數(shù)： 式中：q電容中的電荷量； 式中：m氣容中的氣體質(zhì)量 iC流過電容的電流； M氣體的質(zhì)量流量； UC電容兩端的電壓。 PC氣容中的壓力。 dtdUCidtiUUqCCCCCC1dtdPCMMdtPPmCCCC1CssMsP1)()(CssIsU1)()(控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄5 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)分壓電路 (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)關(guān)系式： 傳遞函

4、數(shù)： 式中 KP比例系數(shù)，0 KP 1節(jié)流通室（分壓氣路） (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng) 關(guān)系式（穩(wěn)態(tài)時）： 若P3=0（通大氣） 傳遞函數(shù)： 式中 KP比例系數(shù)，0 KP 1 PKRRUU1212PKRRsUsU1212)()(321212122PRRRPRRRPPKRRRPP21212PKsPsP)()(12控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄6 積分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)積分電路 (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng) 微分方程： 傳遞函數(shù) 式中 T時間常數(shù)，T=RC 節(jié)流盲室（積分氣路） (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng) 微分方程： 傳遞函數(shù)： 式中 T時間常數(shù)

5、,T=RC122UUdtdUT11)()(12TssUsU122PPdtdPT11)()(12TssPsP控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄7 微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)微分電路 (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng) 微分方程： 傳遞函數(shù)： 式中 T時間常數(shù)，T=RC 微分氣路 (a)結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)微分方程： 傳遞函數(shù)： 式中 T時間常數(shù)，T=RCdtdUTUdtdUT1221)()(12TsTssUsUdtdPTPdtdPT1221)()(12TsTssPsP控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄8 2.2.3.DDZ 2

6、.2.3.DDZ型電動調(diào)節(jié)器型電動調(diào)節(jié)器 DDZ型調(diào)節(jié)器有兩種：全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器，它們的結(jié)構(gòu)和線路相同，僅指示電路有些差異。這兩種基型調(diào)節(jié)器均具有一般調(diào)節(jié)器應(yīng)具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內(nèi)外給定切換、產(chǎn)生內(nèi)給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。 在基型調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，可附加某些單元，如輸入報警、偏差報警、輸出限幅單元等。也可構(gòu)成各種特種調(diào)節(jié)器，如抗積分飽和調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器、輸出跟蹤調(diào)節(jié)器、非線性調(diào)節(jié)器等以及構(gòu)成與工業(yè)計算機聯(lián)用的調(diào)節(jié)器，如SPC系統(tǒng)用調(diào)節(jié)器和DDC備用調(diào)節(jié)器?？刂苾x表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目

7、錄錄9 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成 基型調(diào)節(jié)器線路原理圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄10 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖 輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手操電路軟手操電路控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄11 基型調(diào)節(jié)器的電路分析輸入電路 輸入電路輸入電路是偏差差動電平移動電路，它的作用 ：一是偏差檢測與放大；二是電平移動 。 輸入電路原理圖 是為了消除集中供電引入的誤差。 是為了保證運算放大器的正常工作輸入電路原理圖采用這種電路形式有如下兩個目的 ：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄

8、錄12共模輸入電壓UC 利用迭加定理和差動輸入運算放大器電路輸出與輸入的關(guān)系式，對于測量信號Ui ，則有 對于給定信號Us ，則有 上述關(guān)系式表明：上述關(guān)系式表明： a) 輸出信號輸出信號Uo1 僅與測量信號僅與測量信號Ui和給定信號和給定信號Us差值成正比，比例系數(shù)為差值成正比，比例系數(shù)為-2，而與導(dǎo)線電阻上的壓降，而與導(dǎo)線電阻上的壓降Ucm1和和Ucm2無關(guān)。無關(guān)。 b) 把以零伏為基準(zhǔn)的、變化范圍為把以零伏為基準(zhǔn)的、變化范圍為15V的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以UB (10V)為基準(zhǔn)的、變化范圍為為基準(zhǔn)的、變化范圍為08V的偏差輸出信號的偏差輸出信號V01。 )(3121BCM

9、CMSTCUUUUUUiUU201sUU201)( 2010101siUUUUU控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄13 (2) 比例微分電路 比例微分電路的作用作用是對輸入電路的輸出信號V01進行比例微分運算，整機的比例度和微分時間通過本電路進行調(diào)整。 無源比例微分電路的傳遞函數(shù)為： )(1)(0112111101121112SURRRSCRRSURRRDDD11)()()(12121112111201SCRSCRRRRRRRSUSUSGDDDDTD111SKTSTnDDDRDRsTUUU12)(控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下

10、頁下頁目目 錄錄14同相端輸入運放電路的傳遞函數(shù)為： 比例微分電路的傳遞函數(shù)為： 202)()()(PPOPTPRRRSUSUSG11)()()()()()()(01020102SKTSTnSUSUSUSUSUSUSGDDDTTP121211RRRnKDDDDCnRT 111)(SKTSTnSGDDDD控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄15在階躍輸入信號下，比例微分電路輸出的時間函數(shù)表達式為： 0102) 1(1 )(UeKKtUtTKDDDDn比例微分電路11)(SKTSTnSGDDDP控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目

11、目 錄錄16PD電路的定性分析電路的定性分析在t=0+ ，由于電容CD上的電壓不能突變 ，所以UT(0+)=U01 t0， CD兩端的電壓按指數(shù)規(guī)律不斷上升故UT按指數(shù)規(guī)律不斷下降 當(dāng)充電過程結(jié)束時，UCD= UR11 UT()=U01/n 由于U02= UT，因此U02的變化規(guī)律與UT相同， 而且有 0102)0()0(UUUT0102)()(UnUUT控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄17 比例積分電路 比例積分電路的主要作用是對來自比例微分電路的電壓信號U02進行比例積分運算其傳遞函數(shù)為： )11 ()(STCCSWIMIPITI = RI CI

12、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄18 比例積分電路實際的輸出輸入關(guān)系3030314140214)()()(0)()(1)/(1)/(1)(1)/(11)(KSUSUSUSUSUSCRRSCRRSCSUSCRRSCSCSUFTTMIIIIMIIMFSTKSTCCSWIIIMIPI1111)(聯(lián)立求解以上三式，化簡后可求得KI=K3CM / CI 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄19比例積分電路 比例積分電路的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然存在靜差。 在階躍輸入信號作用下，PI電路輸出的時間函數(shù)表達式為 02103) 1()

13、(UeKKCCtUtTKIIMIII控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄20 積分時間TI的倍率開關(guān)K3置于“10”檔時， R15上的電壓經(jīng)電阻RI向電容CM充電。因為 UR15=1/m U0 m=(R14+ R15)/ R1510 積分時間是刻度值的10倍。 n積分時間TI的倍率開關(guān)控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄21 (4) 整機傳遞函數(shù)SKTSTKSTSTTTKSWDDIIDIIDP1111)(FKKFKKFTTFTTFKKDDIIIDDIIPPSKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)( TD F=

14、1+ Ti控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄22 干擾系數(shù)干擾系數(shù)F F反映調(diào)節(jié)器參數(shù)反映調(diào)節(jié)器參數(shù)( (主要是主要是K KP P、T TI I、T TD D) ) 互相影互相影響的一個參數(shù)。響的一個參數(shù)。 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器的PIDPID運算電路是由運算電路是由PDPD電路和電路和PIPI電路串聯(lián)構(gòu)成。電路串聯(lián)構(gòu)成。 a) KP、TI、TD三個參數(shù)相互干擾的結(jié)果，使實際比例增益增大（即實際比例度減?。?，實際積分時間增長、實際微分時間縮短。 b) 相互干擾系數(shù)F是一個大于1的數(shù)，其大小與積分時間和微分時間的大小有關(guān)。 相互干擾系數(shù)F的表達式取決于調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

15、。 TD F=1+ TiFKKFKKFTTFTTFKKDDIIIDDIIPP控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄23PID電路階躍輸入信號的表達式)() 1()1)(1(1 )(103SitTKDtTKIPUUeKeKKtUDDII控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄24輸出電路 輸出電路 輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以UB為基準(zhǔn)的15VDC電壓信號U03轉(zhuǎn)換為流過負載RL（一端接地）的420mADC輸出電流I0 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄25 輸出電路n I0=

16、 I0 -If控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄26 輸出電路03242304URRRU2304040RUIRUIfH250)(042324040VRRRRRVIHHnI0= I0 -If控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄27手操電路的作用是實現(xiàn)手動操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式手操電路的作用是實現(xiàn)手動操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式 手操電路手動操作電路原理圖 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄28 軟手操電路作用作用 ：a) 使電容使電容CI兩端的電壓恒等于兩端

17、的電壓恒等于U02 ； b) 使使A3處于保持工作狀態(tài)處于保持工作狀態(tài) n扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側(cè)時，+UR 通過由RM、CM和A3 組成的積分電路使U03線性下降；n當(dāng)扳鍵S4扳向-UR一側(cè)時，U03線性上升。 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄29軟手操電路SRCSUSUMMR1)()(03SUSURR)(2031)(SRCUSUMMRtRCUUMMR03控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄30 硬手操電路 作用：二是由RE、RF和IC3組成了一個比例電路一是使CI兩端的電壓恒等于V02；因為因為 R

18、F=RE=30k所以所以 U03=UH 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄31 自動與手動操作之間的切換 n自動(A)軟手動(M) n硬手動(H) 軟手動(M) 為無平衡無擾動切換A3處于保持工作狀態(tài)，U03保持不變 n軟手動自動n硬手動自動 為無平衡無擾動切換 UCI=U02 ，UF3=0，電容沒有充放電現(xiàn)象 n自動硬手動 n軟手動硬手動須進行預(yù)平衡操作 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄32 指示電路 R25= R26= R27= R28 U0 = Ui I0= I0 +If LiLRURUI0025252RU

19、URUIBiFfBiLURURRI2525021)211(控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄33 （1）偏差報警電路基型調(diào)節(jié)器的附加電路控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄34基型調(diào)節(jié)器的附加電路（2）輸出限幅電路控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄35基型調(diào)節(jié)器的附加電路（3）PI/P切換調(diào)節(jié)器控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄36DDZDDZ型電動調(diào)節(jié)器型電動調(diào)節(jié)器PIDPID運算電路分析運算電路分析 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和

20、計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄37 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)應(yīng)用分流公式可求得：應(yīng)用分流公式可求得： 282727)(11)()(RSISCRRSCRSISEfDDDfnSCRRSCRRRRRRSIDDDDDf)(1)()(2727282827根據(jù)等效電源定理可求得 )(1)(2728RRSCRSZDDnSCRRSCRRRRRRDDDDD)(1)(2727282827控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄38 應(yīng)用分壓公式求得UAD (S) SRCRSZSERSCRSZSESUInnInnAD1)(1)(1)()(）（傳遞函數(shù)（S）為：

21、SRCRSZSISESISUSWInfnfADf1)(1)(1)()()()(STSTFSCRRKRRSWDIDDDf1)(11)()(272827 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄39相互干擾系數(shù) IDDDRCCRRRRRRF）（2728271IDDITTCC）（ 11 fKiK(2) 求取 應(yīng)用分壓公式應(yīng)用分壓公式 可求得傳遞函數(shù)為: 21512151)()(RRWRRRWSUSUKPPPADff應(yīng)用分流公式應(yīng)用分流公式 21512)()(RRWRRRSISUKPPPiii求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)控制儀表

22、和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄40SKTSKTSTSTFKSISISGDDIIDIPi11)1()()()(0 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)SKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)(IDDITTCCF）（ 11控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄41微分先行PID運算電路分析 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁下頁目目 錄錄42 PD運算電路 )()()()()(211SUSUSUSUSURCFTmD應(yīng)用分壓公式可求得: )(11)(01211SURRRSCRSCSUDDDCD)()(012122SURRRSURSKTSTSUSUSGDDDmPD11)()()(10微分時間微分放大倍數(shù) 式中 DDDCRT221RRRKD控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置上頁上頁下頁