控制仪表与计算机控制装置-模拟控制器工作原理.ppt

1,2.2. 模拟控制器,控制器的功能,基本构成环节的特性,DDZ型电动调节器,微分先行PID运算电路分析,2,2.2.1.控制器的功能,控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器,(1)偏差显示,(2)输出显示,(3)提供内给定信号及内、外给定的选择,(4)正、反作用的选择,(5)手动操作与手动/自动双向切换,(6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、 偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等.,3,2.2.2.基本构成环节的特性,电阻R 气阻R (a) 固定电阻 (a)固定气阻 (b) 可调电阻 (b)可调气阻 关系式 R=U/I 关系式 R=P/M 传递函数 U(s)/I(s)=R 传递函数 R=P(s)/M(s) 式中 U电阻两端电压； 式中 P气阻两端压降 I流过电阻的电流。 M气体的质量流量,模拟控制器都是由各种放大器和由电(气)阻、电(气)容构成的基本环节组合而成.,4,基本元件,电容C 气容C (a)固定电容 (b)可变电容 a)固定气容 (b)可变气容 关系式： 关系式： 传递函数： 传递函数： 式中：q电容中的电荷量； 式中：m气容中的气体质量 iC流过电容的电流； M气体的质量流量； UC电容两端的电压。 PC气容中的压力。,5,比例环节,6,积分环节,7,微分环节,8,2.2.3.DDZ型电动调节器,DDZ型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动/自动双向切换和阀位显示等功能。 在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器，如SPC系统用调节器和DDC备用调节器。,9,基型调节器的构成,基型调节器线路原理图,10,基型调节器的构成方框图,输入电路,PD电路,PI电路,输出电路,硬手操电路,软手操电路,11,基型调节器的电路分析输入电路,输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用 ：一是偏差检测与放大；二是电平移动 。,输入电路原理图, 是为了消除集中供电引入的误差。, 是为了保证运算放大器的正常工作,输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的 ：,12,共模输入电压UC 利用迭加定理和差动输入运算放大器电路 输出与输入的关系式， 对于测量信号Ui ，则有 对于给定信号Us ，则有 上述关系式表明： a) 输出信号Uo1 仅与测量信号Ui和给定信号Us差值成正比，比例系数为-2，而与导线电阻上的压降Ucm1和Ucm2无关。 b) 把以零伏为基准的、变化范围为15V的输入信号，转换成以UB (10V)为基准的、变化范围为0±8V的偏差输出信号V01。,13,(2) 比例微分电路,比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号V01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。 无源比例微分电路的传递函数为：,14,同相端输入运放电路的传递函数为： 比例微分电路的传递函数为：,15,在阶跃输入信号下，比例微分电路输出的时间函数表达式为：,比例微分电路,16,PD电路的定性分析,在t=0+ ，由于电容CD上的电压不能突变 ，所以UT(0+)=U01 t0， CD两端的电压按指数规律不断上升故UT按指数规律不断下降 当充电过程结束时，UCD= UR11 UT()=U01/n 由于U02= UT，因此U02的变化规律与UT相同， 而且有,17,比例积分电路,比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号U02进行比例积分运算 其传递函数为：,TI = RI CI,18,比例积分电路实际的输出输入关系,联立求解以上三式，化简后可求得,KI=K3CM / CI,19,比例积分电路,比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差。,在阶跃输入信号作用下，PI电路输出的时间函数表达式为,20,积分时间TI的倍率开关K3置于“×10”档时， R15上的电压经 电阻RI向电容CM充电。因为 UR15=1/m U0 m=(R14+ R15)/ R1510 积分时间是刻度值的10倍。,积分时间TI的倍率开关,21,(4) 整机传递函数,TD F=1+ Ti,22,干扰系数F反映调节器参数(主要是KP、TI、TD) 互相影响的一个参数。 调节器的PID运算电路是由PD电路和PI电路串联构成。 a) KP、TI、TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。 b) 相互干扰系数F是一个大于1的数，其大小与积分时间和微分时间的大小有关。 相互干扰系数F的表达式取决于调节器的结构。,TD F=1+ Ti,23,PID电路阶跃输入信号的表达式,24,输出电路,输出电路 输出电路的作用是将比例积分电路输出的以UB为基准的15VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的420mADC输出电流I0,25,输出电路,I0= I0' -If,26,输出电路,I0= I0' -If,27,手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式,手操电路,手动操作电路原理图,28,软手操电路,作用 ：a) 使电容CI两端的电压恒等于U02 ； b) 使A3处于保持工作状态,扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+UR 通过由RM、CM和A3 组成的积分电路使U03线性下降； 当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。,29,软手操电路,30,硬手操电路,作用：,二是由RE、RF和IC3组成了一个比例电路,一是使CI两端的电压恒等于V02；,因为 RF=RE=30k 所以 U03=UH,31,自动与手动操作之间的切换,自动(A)软手动(M) 硬手动(H) 软手动(M) 为无平衡无扰动切换,A3处于保持工作状态，U03保持不变,软手动自动 硬手动自动 为无平衡无扰动切换,UCI=U02 ，UF3=0，电容没有充放电现象,自动硬手动 软手动硬手动,须进行预平衡操作,32,指示电路,R25= R26= R27= R28,U0 = Ui,I0= I0' +If,33,（1）偏差报警电路,基型调节器的附加电路,34,基型调节器的附加电路,（2）输出限幅电路,35,基型调节器的附加电路,（3）PI/P切换调节器,36,DDZ型电动调节器PID运算电路分析,37,求取反馈电路的传递函数W'f (S),应用分流公式可求得：,根据等效电源定理可求得,38,应用分压公式求得UAD (S),传递函数（S）为：,求取反馈电路的传递函数W'f (S),39,相互干扰系数,(2) 求取,应用分压公式,可求得传递函数为:,应用分流公式,求取反馈电路的传递函数W'f (S),40,求取反馈电路的传递函数W'f (S),41,微分先行PID运算电路分析,42,PD运算电路,应用分压公式可求得:,微分时间 微分放大倍数,式中,43,差动输入运算放大电路传递函数为,比例运算电路,44,PI运算电路,整机传递函数为,当测量值不变时，整机传递函数为,45,PI运算电路,当给定值不变时，整机的传递函数为,46,力矩平衡式PI调节 器原理图,气动仪表PID运算分析,47,力矩平衡式PI调节器方框图,48,力矩平衡式PI调节器,49,力矩平衡式PI调节器,将上式右边分子分母同除以,整理后可得,