控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置模擬控制器工作原理課件

1、1 2.2.1.控制器的功能 控制器的作用是對(duì)測(cè)量信號(hào)與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，并輸出控制信號(hào)至執(zhí)行器 (1)偏差顯示(2)輸出顯示(3)提供內(nèi)給定信號(hào)及內(nèi)、外給定的選擇(4)正、反作用的選擇 (5)手動(dòng)操作與手動(dòng)/自動(dòng)雙向切換 (6)附加功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報(bào)警、 偏差報(bào)警、軟手動(dòng)抗漂移、停電對(duì)策和零啟動(dòng)等.1 2.2.1.控制器的功能 控制器的作用是對(duì)測(cè)量信號(hào)2 2.2.2.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

2、(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.2 2.2.2.基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性 模擬控制器3 基本元件 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。 3 基本元件 電容C 4 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：傳遞函數(shù)：式中 KP

3、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(shí)）：若P3=0（通大氣）傳遞函數(shù)：式中 KP比例系數(shù)，0 KP 1 4 比例環(huán)節(jié)分壓電路節(jié)流通室（分壓氣路） 5 積分環(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(shí)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(shí)間常數(shù) ,T=RC5 積分環(huán)節(jié)積分電路節(jié)流盲室（積分氣路）6 微分環(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(shí)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

4、遞函數(shù)：式中 T時(shí)間常數(shù)，T=RC6 微分環(huán)節(jié)微分電路微分氣路7 2.2.3.DDZ型電動(dòng)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(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)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(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)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(bào)警、偏差報(bào)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(jì)算機(jī)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。7 2.2.3

5、.DDZ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器 D8 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成 基型調(diào)節(jié)器線路原理圖8 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成 基型調(diào)節(jié)器線路原理圖9 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9 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10 基型調(diào)節(jié)器的電路分析輸入電路 輸入電路是偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路，它的作用 ：一是偏差檢測(cè)與放大；二是電平移動(dòng) 。 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(yùn)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(gè)目的 ：10 基型調(diào)節(jié)器的電路分析輸入電路 輸入電路原理圖 是為11共模輸入電壓UC 利用迭加定理和差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器

6、電路輸出與輸入的關(guān)系式，對(duì)于測(cè)量信號(hào)Ui ，則有 對(duì)于給定信號(hào)Us ，則有 上述關(guān)系式表明： a) 輸出信號(hào)Uo1 僅與測(cè)量信號(hào)Ui和給定信號(hào)Us差值成正比，比例系數(shù)為-2，而與導(dǎo)線電阻上的壓降Ucm1和Ucm2無(wú)關(guān)。 b) 把以零伏為基準(zhǔn)的、變化范圍為15V的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成以UB (10V)為基準(zhǔn)的、變化范圍為08V的偏差輸出信號(hào)V01。 11共模輸入電壓UC 12 (2) 比例微分電路 比例微分電路的作用是對(duì)輸入電路的輸出信號(hào)V01進(jìn)行比例微分運(yùn)算，整機(jī)的比例度和微分時(shí)間通過本電路進(jìn)行調(diào)整。 無(wú)源比例微分電路的傳遞函數(shù)為： 12 (2) 比例微分電路 比例微分電路的作用是對(duì)13同相端輸入

7、運(yùn)放電路的傳遞函數(shù)為：比例微分電路的傳遞函數(shù)為： 1314在階躍輸入信號(hào)下，比例微分電路輸出的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為： 比例微分電路14在階躍輸入信號(hào)下，比例微分電路輸出的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為： 15PD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(shí)，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 15PD電路的定性分析在t=0+ ，由于電容CD上的電壓不能16 比例積分電路 比例積分電路的主要作用是對(duì)來自比例微分電路的電壓信號(hào)

8、U02進(jìn)行比例積分運(yùn)算其傳遞函數(shù)為： TI = RI CI 16 比例積分電路 比例積分電路的主要作用是17 比例積分電路實(shí)際的輸出輸入關(guān)系聯(lián)立求解以上三式，化簡(jiǎn)后可求得KI=K3CM / CI 17 比例積分電路實(shí)際的輸出輸入關(guān)系聯(lián)立求解以上三式，化簡(jiǎn)18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(hào)作用下，PI電路輸出的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為 18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19 積分時(shí)間TI的倍率開關(guān)K3置于“10”檔時(shí)， R15上的電壓經(jīng)電阻RI向電容CM充電。因?yàn)?UR15=1/m U0 m=(R14+ R15)/ R1510 積分時(shí)間是刻度值

9、的10倍。 積分時(shí)間TI的倍率開關(guān)19 積分時(shí)間TI的倍率開關(guān)K3置于“10”檔時(shí)， R1520 (4) 整機(jī)傳遞函數(shù) TD F=1+ Ti20 (4) 整機(jī)傳遞函數(shù) TD21 干擾系數(shù)F反映調(diào)節(jié)器參數(shù)(主要是KP、TI、TD) 互相影響的一個(gè)參數(shù)。 調(diào)節(jié)器的PID運(yùn)算電路是由PD電路和PI電路串聯(lián)構(gòu)成。 a) KP、TI、TD三個(gè)參數(shù)相互干擾的結(jié)果，使實(shí)際比例增益增大（即實(shí)際比例度減?。?，實(shí)際積分時(shí)間增長(zhǎng)、實(shí)際微分時(shí)間縮短。 b) 相互干擾系數(shù)F是一個(gè)大于1的數(shù)，其大小與積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小有關(guān)。 相互干擾系數(shù)F的表達(dá)式取決于調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。 TD F=1+ Ti21 干擾系數(shù)F反映調(diào)節(jié)器

10、參數(shù)(主要是KP、TI、TD) 22PID電路階躍輸入信號(hào)的表達(dá)式22PID電路階躍輸入信號(hào)的表達(dá)式23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(hào)U03轉(zhuǎn)換為流過負(fù)載RL（一端接地）的420mADC輸出電流I0 23輸出電路輸出電路 24 輸出電路 I0= I0 -If24 輸出電路 I0= I0 -If25 輸出電路I0= I0 -If25 輸出電路I0= I0 -If26手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式 手操電路手動(dòng)操作電路原理圖 26手操電路的作用是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，它有軟手操與硬手操兩種操27 軟手操電路作用 ：a)

11、使電容CI兩端的電壓恒等于U02 ； b) 使A3處于保持工作狀態(tài) 扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側(cè)時(shí)，+UR 通過由RM、CM和A3 組成的積分電路使U03線性下降；當(dāng)扳鍵S4扳向-UR一側(cè)時(shí)，U03線性上升。 27 軟手操電路扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側(cè)時(shí)，+28軟手操電路28軟手操電路29 硬手操電路 作用：二是由RE、RF和IC3組成了一個(gè)比例電路一是使CI兩端的電壓恒等于V02；因?yàn)?RF=RE=30k所以 U03=UH 29 硬手操電路 作用：二是由RE、RF和IC3組成了一個(gè)比30 自動(dòng)與手動(dòng)操作之間的切換 自動(dòng)(A)軟手動(dòng)(M) 硬手動(dòng)(H) 軟手動(dòng)(M) 為無(wú)平衡

12、無(wú)擾動(dòng)切換A3處于保持工作狀態(tài)，U03保持不變 軟手動(dòng)自動(dòng)硬手動(dòng)自動(dòng) 為無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換 UCI=U02 ，UF3=0，電容沒有充放電現(xiàn)象 自動(dòng)硬手動(dòng) 軟手動(dòng)硬手動(dòng)須進(jìn)行預(yù)平衡操作 30 自動(dòng)與手動(dòng)操作之間的切換 自動(dòng)(A)軟手動(dòng)(M) 31 指示電路 R25= R26= R27= R28 U0 = Ui I0= I0 +If 31 指示電路 R25= R26= R27= R28 U032 （1）偏差報(bào)警電路基型調(diào)節(jié)器的附加電路32 （1）偏差報(bào)警電路基型調(diào)33基型調(diào)節(jié)器的附加電路（2）輸出限幅電路33基型調(diào)節(jié)器的附加電路（2）輸出限幅電路34基型調(diào)節(jié)器的附加電路（3）PI/P切換調(diào)節(jié)器34基

13、型調(diào)節(jié)器的附加電路（3）PI/P切換調(diào)節(jié)器35DDZ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器PID運(yùn)算電路分析 35DDZ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器PID運(yùn)算電路分析 36 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)應(yīng)用分流公式可求得： 根據(jù)等效電源定理可求得 36 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)應(yīng)用分流公式可求得37應(yīng)用分壓公式求得UAD (S) 傳遞函數(shù)（S）為： 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)37應(yīng)用分壓公式求得UAD (S) 傳遞函數(shù)（S）為： 求38相互干擾系數(shù) (2) 求取 應(yīng)用分壓公式 可求得傳遞函數(shù)為: 應(yīng)用分流公式 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)38相互干擾系數(shù) (2) 求取 應(yīng)用分壓公式 可求得傳遞39 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)39 求取反饋電路的傳遞函數(shù)Wf (S)40微分先行PID運(yùn)算電路分析 40微分先行PID運(yùn)算電路分析 41 PD運(yùn)算電路 應(yīng)用分壓公式可求得: 微分時(shí)間微分放大倍數(shù) 式中 41 PD運(yùn)算電路 應(yīng)用分壓公式可求得: 微分時(shí)間式中 42差動(dòng)輸入運(yùn)算放大電路傳遞函數(shù)為 比例運(yùn)算電路42差動(dòng)輸入運(yùn)算放大電路傳遞函數(shù)為 比例運(yùn)算電路43 PI運(yùn)算電路 整機(jī)傳遞函數(shù)為 當(dāng)測(cè)量值不變時(shí)，整機(jī)傳遞函數(shù)為 43 PI運(yùn)算電路 整機(jī)傳遞函數(shù)為 當(dāng)測(cè)量值不變時(shí)，整機(jī)傳44 PI運(yùn)