过程控制及仪表装置第三章

EXIT第第1页了解控制器的种类及开展了解控制器的种类及开展理解比例、微分、积分三种根本控制规律的特点理解比例、微分、积分三种根本控制规律的特点掌握工程常用控制规律的特点及应用场合掌握工程常用控制规律的特点及应用场合了解了解DDZ-DDZ-型控制器的主要功能型控制器的主要功能掌握掌握DDZ-DDZ-型基型控制器的构成原理型基型控制器的构成原理理解理解DDZ-DDZ-型基型控制器的实现电路型基型控制器的实现电路能够应用所学知识正确使用控制器能够应用所学知识正确使用控制器能够对控制器进行正确的调校能够对控制器进行正确的调校能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动/自动切换自动切换第第3章章 模拟式控制器模拟式控制器知识目标知识目标技能目标技能目标EXIT第第2页第第3章章 模拟式模拟式控制器控制器3.1 控制器的控制规律控制器的控制规律3.4 基型控制器的操作基型控制器的操作3.2 DDZ-型控制器型控制器3.3 基型控制器的运行方式基型控制器的运行方式EXIT第第3页一、概述一、概述1、控制器的运算规律、控制器的运算规律 概念概念:y=f()2、偏差的概念：、偏差的概念：=xi-xs 定值系统：定值系统：xi=3、控制器的正、反作用：、控制器的正、反作用：xiy;0,y0正作用正作用 反之亦然。反之亦然。4、控制器的根本运算规律：双位、控制器的根本运算规律：双位、P、I、D规律规律 控制器的组合运算规律：控制器的组合运算规律：P I、P D、PID规律规律3.1 控制器的控制规律控制器的控制规律EXIT第第4页(一一)P控制规律控制规律1、P控制规律定义：控制规律定义：P控制器的输出变化量控制器的输出变化量Y与输入偏与输入偏 差、差、之间成之间成比例的关系。比例的关系。Y=Kp2、阶跃响应曲线：、阶跃响应曲线：3、比例度、比例度的概念：的概念：单元组合式仪表单元组合式仪表:用来表示用来表示P作用的强弱，作用的强弱，P作用作用 0t0t0t0ty二、二、控制器的控制规律控制器的控制规律EXIT第第5页比例控制比例控制 规律及控制器规律及控制器l示意图：比例控制器KPyy+-0KP 1xi=xi-xs-y y 设定值控制器输出偏差I0420 mA控制器y xs测量值KP=1EXIT第第6页二二I I、PIPI规律规律1.I 控制规律定义：控制规律定义：2.PI控制器的控制器的y与与的关系：的关系：3.阶跃响应曲线：阶跃响应曲线：=A常数常数 那么：那么：4.积分时间积分时间Ti的定义及测试的定义及测试Ti的依据的依据5.控制点、控制点偏差与控制精度的概念控制点、控制点偏差与控制精度的概念控制器的输出变化量控制器的输出变化量y与输入偏差与输入偏差之间成积分的关系。之间成积分的关系。EXIT第第7页2.2.比例积分作用比例积分作用 PI PI 0t0t0t0tI0t0tPITi积分作用的依据是偏差对时间的累积，作用是消除余差。yy0t0tAAEXIT第第8页积分控制规律积分控制规律l:为阶跃信号时为阶跃信号时l积分是偏差对积分是偏差对 时间的累积时间的累积:l=0时输出不变时输出不变或称积分保持或称积分保持ttyTi00PIEXIT第第9页比例比例-积分规律积分规律l:为阶跃信号时tty Pty I+=y PItEXIT第第10页三三D D、PDPD规律规律l:为阶跃信号时为阶跃信号时tPPttPD+=PPDTDEXIT第第11页(四四PIDPID三作用控制规律三作用控制规律l:为阶跃信号时tPPttPD+=PPIDTDtPI+ttEXIT第第12页比例、积分、微分三作用规律：比例、积分、微分三作用规律：0t0t0t0tp0t0tI0t0tPIDTi0t0tD1-1/=63%TdEXIT第第13页三、型控制器的功能实现一、型控制器的功能3.2 DDZ-型控制器型控制器二、型控制器的构成EXIT第第14页指示单元：指示单元：测量信号测量信号Vi指示电路及显示表指示电路及显示表:显示显示 Vi的大小的大小 给定信号给定信号Vs指示电路及显示表指示电路及显示表:显示显示Vs的大小的大小控制单元：控制单元：输入电路：偏差运算、电平移动输入电路：偏差运算、电平移动 V01=2(Vi-Vs)PD电路：对电路：对V01进行进行PD运算运算 PI电路：对电路：对V02信号进行信号进行PI运算运算 输出电路输出电路:电压电压V03电流电流I0的转换、电平移动的转换、电平移动附加：附加：内给定电路内给定电路:提供提供Vs内内 软手操电路软手操电路:提供提供VR 硬手操电路硬手操电路:提供提供VH控制器有四种工作状态：控制器有四种工作状态：A、M、H、保持特性：、保持特性：一、一、型控制器的功能型控制器的功能EXIT第第15页测量指示电路%Vi%Vs输入电路比例微分电路比例积分电路输出电路给定电路软手操电路电路硬手操电路电路MHHViVH1 5 VV01V02V03MAI04 20 mA4 20 mA1 5 V给定指示电路输出指示-测量指示给定指示%I0VsK1ISVRVS内内VS外外内给定外给定A：自动控制K5软手操硬手操指示单元控制单元附加电路附加电路:手动遥控手动遥控测量输入外给定输入输出电流给定信号3 V DC测量标定K6主电路:PID运算运算PD运算PI运算二、二、型控制器的构成型控制器的构成EXIT第第16页控制控制电路路一一输入入电路路V01=-2V01=-2Vi-VsVi-Vs=-2=-2二比例微分二比例微分PDPD电路路对V01V01进行行PDPD运算运算三比例三比例积分分PIPI电路路对V02V02进行行PIPI运算运算 四四输出出电路路五整机特性分析五整机特性分析 三、三、型控制器的功能实现型控制器的功能实现EXIT第第17页一输入电路一输入电路简单减法电路及存在的问题简单减法电路及存在的问题 设K=2,那么有 供供电电源回路在源回路在导线电阻阻RCM上上产生生电压降降VCM，使得，使得输入控制器入控制器的的测量信号不只是量信号不只是V，而是，而是V+VCM。引线电阻。引线电阻RCM上的压降上的压降VCM就要引起较大的测量误差。这个误差的大小与引线就要引起较大的测量误差。这个误差的大小与引线长度、粗细及环境温度有关。长度、粗细及环境温度有关。EXIT第第18页由于由于+24V单电源供电，使一般减法电路中的运算放大器输入单电源供电，使一般减法电路中的运算放大器输入端电压有可能超出允许的共模电压范围而不能正常工作。端电压有可能超出允许的共模电压范围而不能正常工作。式中VS的取值范围为15V，系数K取2，那么可算出IC1的输入端电压范围 显然，当显然，当VS较小时，这样低的正反相输入端的共模电压，已较小时，这样低的正反相输入端的共模电压，已经超出了运算放大器的共模电压范围而不能正常工作。经超出了运算放大器的共模电压范围而不能正常工作。一般运算放大器，为确保其正常的工作状态都有共模电压范围的要一般运算放大器，为确保其正常的工作状态都有共模电压范围的要求，在求，在24V供电条件下，其共模电压允许范围为供电条件下，其共模电压允许范围为219V。一输入电路一输入电路EXIT第第19页偏差差动电平移动输入电路一输入电路一输入电路设R1=R2=R3=R4=R5=R=500KR7=R8=5KIC1为理想运算放大器，那么流入IC1反相输入端的电流近似的为零。即同理：EXIT第第20页1.作用：作用：(1)将将Vi与与Vs进行减运算，并放大进行减运算，并放大2倍，倍，V01=-2Vi-Vs (2)进行电平移动进行电平移动 (3)消除引线电阻上压降的影响消除引线电阻上压降的影响2.为什么要进行电平移动为什么要进行电平移动 为了使运放器为了使运放器IC1工作在允许的共模输入电压范围之工作在允许的共模输入电压范围之内。内。3.为什么要采用差动输入电路为什么要采用差动输入电路 为了消除集中供电引线电阻压降引入的误差为了消除集中供电引线电阻压降引入的误差4.输入电路的特性：输入电路的特性：V01=2(Vi-Vs)=KP(Vi-Vs)=KP G1(S )=KP=-2 一输入电路一输入电路EXIT第第21页二比例微分二比例微分PD电路电路比例微分运算电路原理如下图，它的作用是接受由输入电路送来的以比例微分运算电路原理如下图，它的作用是接受由输入电路送来的以10V10V电平为基准的输出信号电平为基准的输出信号V01V01，对，对V01V01进行比例微分运算，再经比例进行比例微分运算，再经比例放大的后输出放大的后输出V02V02信号，送给比例积分电路。信号，送给比例积分电路。RPRP为比例电位器，为比例电位器，RDRD为微分电位器，为微分电位器，CDCD为微分电容。控制为微分电容。控制RDRD可以可以改变微分时间改变微分时间TDTD，控制，控制RPRP可以改变比例度。开关可以改变比例度。开关K2K2用来切除或引用来切除或引入微分作用，当开关入微分作用，当开关K2K2置于置于“通的位置，具有比例微分作用，通的位置，具有比例微分作用，当不需要微分作用时，开关当不需要微分作用时，开关K2K2置于置于“断的位置。断的位置。EXIT第第22页在这个过程中在这个过程中V VT T下降速度取决于下降速度取决于RDRD、CDCD的大小，即取决的大小，即取决于微分作用的强弱，于微分作用的强弱，分析分析PD作用的物理过程：作用的物理过程：当开关当开关K2K2置于置于“通的位置时，假设在电路输入通的位置时，假设在电路输入端加一正阶跃输入信号端加一正阶跃输入信号V01V01，在开始参加信号的瞬间，在开始参加信号的瞬间t=0t=0，由于电容，由于电容CDCD上的电压上的电压VCDVCD不能突变，输入信不能突变，输入信号全部加到了号全部加到了IC2IC2的同相输入端的同相输入端T T点，使点，使T T点电压点电压VTVT一一开始就有一跃变，其数值开始就有一跃变，其数值VT=V01VT=V01，随着随着电容器电容器CDCD充电过程的进行充电过程的进行，电容电容CDCD两端电压两端电压VCDVCD从零伏起按指数规律不断上升从零伏起按指数规律不断上升，所以，所以V VT T按指数规律按指数规律不断下降不断下降。当当充电时间足够长充电时间足够长时，被充电的电容时，被充电的电容CDCD上的电压上的电压V VCDCD等于输入电压等于输入电压V V0101在在R9R9电阻上的分压，充电停止，电阻上的分压，充电停止，此时，并保持该值不变。此时，并保持该值不变。EXIT第第23页输入信号输入信号V V0101为阶跃信号时，为阶跃信号时，V V0202的变化曲线形状与的变化曲线形状与V VT T变化曲线完全一样。变化曲线完全一样。，。EXIT第第24页1.作用作用：(1)对对V01进行进行PD运算，运算，V02送至送至PI电路，电路，(2)实现实现、Td的调整的调整2.定性分析工作原理：定性分析工作原理：无源微分电路：无源微分电路：比例运算放大：比例运算放大：定量分析：定量分析：二比例微分二比例微分PD电路电路EXIT第第25页三比例积分三比例积分PI电路电路 比例积分电路比例积分电路接收比例微分电路输出接收比例微分电路输出的的以以10V10V为基准为基准的电压信号的电压信号V V0202，进行比例积分运算以后，进行比例积分运算以后，输出以输出以10V10V电平为基准电平为基准的的1-5VDC1-5VDC电压电压V V0303送送至输出电路。该电路由运算放大器至输出电路。该电路由运算放大器ICIC33，电阻，电阻R RI I，电容，电容C CM M、C CI I等组成。等组成。由于由于射极跟随器的输出射极跟随器的输出信号与信号与IC3IC3输出信号同相位，输出信号同相位，为便于分析，为便于分析，可把射极跟随可把射极跟随器包括在器包括在IC3IC3中，中，于是于是PIPI电路电路可简化成图示电路。可简化成图示电路。K3 K3为积分换挡开关。积分时间有为积分换挡开关。积分时间有“乘乘1 1与与“乘乘1010两挡，由开两挡，由开关关K3K3选择。当选择。当K3K3置于置于“乘乘1010挡时，积分时间是刻度值的挡时，积分时间是刻度值的1010倍。倍。IC3IC3输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。EXIT第第26页设运算放大器设运算放大器IC3IC3的放大倍数为的放大倍数为A3A3，输入电阻，输入电阻RiRi晶体管射极跟晶体管射极跟随器的电压增益为随器的电压增益为1 1，那么有：，那么有：式中式中K Kp p-比例积分电路的比例增益比例积分电路的比例增益，T TI I-积分时间，积分时间，K KI I-积分增益，积分增益，运算放大器运算放大器ICIC3 3的放大倍数的放大倍数A A3 3 很大，可近似为理想比例积分电路的传递函很大，可近似为理想比例积分电路的传递函数：数：EXIT第第27页当输入信号作阶跃度变化时，通过对上式进行反拉氏变换可得到当输入信号作阶跃度变化时，通过对上式进行反拉氏变换可得到t=0t=0时，时，t=t=时，时，t=Tt=TI I时，时，输出输出V03V03的阶跃响应曲线的阶跃响应曲线 由于运算放大器由于运算放大器ICIC3 3的放大倍数的放大倍数A A3 3为有限值，因此积分增益为有限值，因此积分增益K KI I也是有限值。也是有限值。比例积分电路的最大输出电压是有限的。比例积分电路的最大输出电压是有限的。EXIT第第28页1.作用：作用：(1)对对V02进行进行PI运算运算(2)实现实现Ti的调整的调整2.电路分析：电路分析：理想特性：理想特性：实际特性：实际特性：三比例积分三比例积分PI电路电路EXIT第第29页四输出电路四输出电路1作用：V03I0 电平移动 EXIT第第30页五整机特性分析五整机特性分析 控制器的整机线路分析控制器的整机线路分析EXIT第第31页 DDZ DDZ型控制器有自动型控制器有自动(A)(A)、软手动、软手动(M)(M)和硬手动和硬手动(H)(H)三种三种工作状态，并通过联动开关进行切换。工作状态，并通过联动开关进行切换。在自动运行方式下，是以控制器的输出指挥执行器，因而在自动运行方式下，是以控制器的输出指挥执行器，因而执行器输出轴的转角同控制器的输出电流是相对应的。一般执执行器输出轴的转角同控制器的输出电流是相对应的。一般执行器输出轴的转角从行器输出轴的转角从00到到9090变化时，所对应的控制器输出电变化时，所对应的控制器输出电流为流为4 420mADC20mADC。只要被控量的偏差为零时就可以从手动切换为自动。只要被控量的偏差为零时就可以从手动切换为自动。在自动运行时，控制器的手动输出信号，一般都不能自动在自动运行时，控制器的手动输出信号，一般都不能自动地跟踪自动输出信号，因此，由自动切换到手动前，必须将手地跟踪自动输出信号，因此，由自动切换到手动前，必须将手操拨盘的刻度拨到与自动输出信号相对应的值上，然后由自动操拨盘的刻度拨到与自动输出信号相对应的值上，然后由自动切换到手动，方能到达无扰动切换。切换到手动，方能到达无扰动切换。3.3 基型控制器的运行方式基型控制器的运行方式一、自动运行方式一、自动运行方式EXIT第第32页 控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投入控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投入运行时，往往先进行手动操作，来改变控制器的输出信号，待运行时，往往先进行手动操作，来改变控制器的输出信号，待系统根本稳定后再切换至自动运行。系统出现某种故障、设备系统根本稳定后再切换至自动运行。系统出现某种故障、设备启停或控制器的自动局部失灵，也必须切换到手动操作。启停或控制器的自动局部失灵，也必须切换到手动操作。二、手动运行方式二、手动运行方式3.3 基型控制器的运行方式基型控制器的运行方式EXIT第第33页(1)软手动操作电路软手动操作电路 当切换开关当切换开关K1K1，置于，置于“M“M位置位置时，为软手动操作状态，又称速度时，为软手动操作状态，又称速度式手操，是指控制器的输出电流随式手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成积分关系而变化。手动输入电压成积分关系而变化。(2)硬手动操作电路硬手动操作电路 当切换开关当切换开关K1K1，置于，置于“位置位置时，为硬手动操作状态，又称比例式时，为硬手动操作状态，又称比例式手操，是指控制器的输出电流随手动手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成比例关系而变化。输入电压成比例关系而变化。EXIT第第34页三、手动自动无扰动切换三、手动自动无扰动切换(1)(1)无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换 所谓无平衡切换，是指在自动、手动切换时，不需要事先所谓无平衡切换，是指在自动、手动切换时，不需要事先调平衡，可以随时切换至所需要位置。所谓无扰动切换是调平衡，可以随时切换至所需要位置。所谓无扰动切换是指在切换时控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。指在切换时控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。型控制器由自动或硬手动向软手动的切换以及由软手动型控制器由自动或硬手动向软手动的切换以及由软手动或硬手动向自动的切换均为无平衡无扰动的切换方式。或硬手动向自动的切换均为无平衡无扰动的切换方式。(2)(2)有平衡无扰动的切换有平衡无扰动的切换 但凡向硬手动方向的切换，从自动到硬手动或从软手动到但凡向硬手动方向的切换，从自动到硬手动或从软手动到硬手动，均为有平衡的无扰动切换。即要做到无扰动切换，硬手动，均为有平衡的无扰动切换。即要做到无扰动切换，必须事先平衡。必须事先平衡。EXIT第第35页n自动(A)软手动(M)n硬手动(H)软手动(M)为无平衡无扰动切换为无平衡无扰动切换A3处于保持工作状态，处于保持工作状态，U03保持不变保持不变 n软手动软手动自动自动n硬手动硬手动 自动自动 为无平衡无扰动切换为无平衡无扰动切换 UCI=U02，UF3=0，电容没有充放电现象电容没有充放电现象 n自动硬手动 n软手动硬手动须进行预平衡操作须进行预平衡操作 DDZ型控制器的切换过程可描述如下型控制器的切换过程可描述如下：三、手动自动无扰动切换三、手动自动无扰动切换EXIT第第36页一一型控制器内外特性型控制器内外特性1.正面板 2.侧面板3.背后接线端子4.整机线路初读3.4 基型控制器的操作基型控制器的操作EXIT第第37页型型控制器控制器的外特性的外特性EXIT第第38页型控制器的外特性EXIT第第39页PIDPID运算规律运算规律 1.理想理想PID运算规律运算规律 :传递函数传递函数:2.实际实际PID规律规律:传递函数：3.特性曲线小结小结EXIT第第40页整机特性分析整机特性分析 控制器的整机线路分析控制器的整机线路分析当当KI=TI=TD=0 F=1 KD=时时实际特性：实际特性：理想特性：理想特性：小结小结EXIT第第41页控制器的线路分析控制器的线路分析控制电路控制电路一输入电路一输入电路 Vi-VsVi-Vs V01 V01二比例微分二比例微分PDPD电路电路 V01 V01 V02V02三比例积分三比例积分PIPI电路电路 V02 V02 V03 V03 四输出电路四输出电路 V03 V03 I0 I0五整机特性分析五整机特性分析 Vi-VsVi-Vs I0 I0六手动操作电路六手动操作电路 1.1.软手动操作电路：软手动操作电路：2.2.硬手操电路：硬手操电路：小结小结EXIT第第42页基型节器的根本组成方框图及工作原理基型节器的根本组成方框图及工作原理测量指示电路%Vi%Vs输入电路比例微分电路比例积分电路输出电路给定电路软手操电路电路硬手操电路电路MHHViVH1 5 VV01V02V03MAI04 20 mA4 20 mA1 5 V给定指示电路输出指示-测量指示给定指示%I0VsK1ISVRVS内内VS外外内给定外给定A：自动控制K5软手操硬手操指示单元控制单元附加电路附加电路:手动遥控手动遥控测量输入外给定输入输出电流给定信号3 V DC测量标定K6主电路:PID运算运算PD运算PI运算小结小结EXIT第第43页1.工业上常用控制器的控制规律有哪几种？工业上常用控制器的控制规律有哪几种？2.在模拟控制器中，一般采用什么方式实现各种控制在模拟控制器中，一般采用什么方式实现各种控制规律？规律？3.试述试述DDZ-型控制器的功能。型控制器的功能。4.基型控制器由哪几组成？各局部的主要作用是什么基型控制器由哪几组成？各局部的主要作用是什么？5.DDZ-型控制器的输入电路为什么要采用差动输型控制器的输入电路为什么要采用差动输入方式？为什么要进行电平移动？入方式？为什么要进行电平移动？6.DDZ-型控制器有哪几种工作状态？什么是软手型控制器有哪几种工作状态？什么是软手动状态和硬手动状态？动状态和硬手动状态？7.什么是控制器的无扰动切换？什么是控制器的无扰动切换？DDZ-型控制器如型控制器如何实现何实现“手动手动/自动无扰动切换？为什么从软手动方自动无扰动切换？为什么从软手动方式向硬手动方式切换需要事先平衡？式向硬手动方式切换需要事先平衡？EXIT第第44页谢谢大家！谢谢大家！再见！再见！