控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置-模擬控制器工作原理

2.2.模擬控制器

控制器的功能基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性DDZ―Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器微分先行PID運(yùn)算電路分析12.2.1.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.22.2.2.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(s)/M(s)式中U——電阻兩端電壓；式中△P——?dú)庾鑳啥藟航礗——流過(guò)電阻的電流。

M——?dú)怏w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.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——?dú)馊葜械臍怏w質(zhì)量

iC——流過(guò)電容的電流；M——?dú)怏w的質(zhì)量流量；

UC——電容兩端的電壓。PC——?dú)馊葜械膲毫Α?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——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

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=RC6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：

傳遞函數(shù)：

式中T——時(shí)間常數(shù)，T=RC72.2.3.DDZ―Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)器

DDZ―Ⅲ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(xiàn)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(xiàn)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。8

基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成

基型調(diào)節(jié)器線(xiàn)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①是為了消除集中供電引入的誤差。②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：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(xiàn)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1～5V的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成以UB(10V)為基準(zhǔn)的、變化范圍為0～±8V的偏差輸出信號(hào)V01。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(guò)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：

13同相端輸入運(yùn)放電路的傳遞函數(shù)為：

比例微分電路的傳遞函數(shù)為：

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：

比例微分電路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

t＞0，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(guò)程結(jié)束時(shí)，UCD=UR11UT(∞)=U01/n由于U02=αUT，因此U02的變化規(guī)律與UT相同，

而且有

16比例積分電路比例積分電路的主要作用是對(duì)來(lái)自比例微分電路的電壓信號(hào)U02進(jìn)行比例積分運(yùn)算其傳遞函數(shù)為：

TI=RICI

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

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

19積分時(shí)間TI的倍率開(kāi)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)閁R15=1/mU0

m=(R14+R15)/R15≈10積分時(shí)間是刻度值的10倍。

積分時(shí)間TI的倍率開(kāi)關(guān)20(4)整機(jī)傳遞函數(shù)TD

F=1+——

Ti21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)際比例度減小），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+——

Ti22PID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1~5VDC電壓信號(hào)U03轉(zhuǎn)換為流過(guò)負(fù)載RL（一端接地）的4~20mADC輸出電流I0

24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

27軟手操電路作用：a)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(guò)由RM、CM和A3組成的積分電路使U03線(xiàn)性下降；當(dāng)扳鍵S4扳向-UR一側(cè)時(shí)，U03線(xiàn)性上升。

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)?/p>

RF==RE=30kΩ所以

U03=–UH30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(méi)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

31指示電路

R25=R26=R27=R28

U0=Ui

I0=I0'+If

32

（1）偏差報(bào)警電路基型調(diào)節(jié)器的附加電路

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35DDZ―Ⅱ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)W'f(S)應(yīng)用分流公式可求得：

根據(jù)等效電源定理可求得

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)W'f(S)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)W'f(S)39求取反饋電路的傳遞函數(shù)W'f