第1章模拟式仪表课件

自动自动自动自动化化化化仪表仪表仪表仪表模拟式控制器模拟式控制器本章内容本章内容第一节第一节 控制器的运算规律和构成方式控制器的运算规律和构成方式第二节第二节 基型控制器基型控制器 第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元本章内容本章内容第一节第一节 控制器的运算规律和构成方式控制器的运算规律和构成方式P P、PIPI、PDPD、PIDPID特点及控制器的构成特点及控制器的构成第二节第二节 基型控制器基型控制器控制器功能，各组成部分电路分析。控制器功能，各组成部分电路分析。第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元PIPI抗积分饱和，偏差报警，输出限幅。抗积分饱和，偏差报警，输出限幅。第一节第一节 控制器的运算规律和构成方控制器的运算规律和构成方式式一一.概述概述二二.PID控制器的运算规律控制器的运算规律三三.PID控制器的构成控制器的构成 控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例产生的偏差进行比例(P)、积分、积分(I)、微分、微分(D)运运算，并输出统一标准信号算，并输出统一标准信号,去控制执行机构的动作，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。的自动控制。图1-1 单回路控制系统方框图控制器对象变送器给定值偏差测量值被控变量扰动xsxiy模拟调节器（控制算法由电路实现）模拟调节器（控制算法由电路实现）数字控制器（含数字控制器（含CPUCPU，控制算法由程序实现），控制算法由程序实现）控制器的运算规律和组成方式控制器的运算规律和组成方式u控制器的运算规律是指控制器的输出信号 和输入偏差之间 随时间变化的规律。y一、概述一、概述u 对输入偏差 而言，由于其初值为零，因此u决定控制系统的性能品质因素:被控对象的特性控制器的特性1、运算规律：、运算规律：输出输出信号信号y随输入信号随输入信号的变化规律。的变化规律。2、运算规律种类、运算规律种类P、PI、PD、PID四种。四种。y y3、控制器的作用方式、控制器的作用方式一、概述一、概述控制器的运算规律和组成方式控制器的运算规律和组成方式一、概述一、概述u基本运算规律有比例（P）、积分（I）和微分（D）三种，各种控制器的运算规律均由这些基本运算规律组合而成。yyu 习惯上称 0 为正偏差；0 时 0 称控制器为正作用；0 为反作用图图1-21-2液位控制系统框图液位控制系统框图电开阀，控制器的作用方式；电关阀，控制器的作用电开阀，控制器的作用方式；电关阀，控制器的作用方式。方式。例：例：给定给定控制器控制器电动调节阀电动调节阀上水箱上水箱液位变送器液位变送器XRX i扰动给定单元流量调节器流量调节器调节阀调节阀锅炉锅炉温度变送器温度变送器XRX i扰动图图1-31-3温度控制系统框图温度控制系统框图电开阀，调节冷水水量来控制水箱温度，调节器的电开阀，调节冷水水量来控制水箱温度，调节器的作用方式；调节管道蒸汽流量来控制锅炉温度，调作用方式；调节管道蒸汽流量来控制锅炉温度，调节器的作用方式。节器的作用方式。例：例：二、二、PID控制器的运算规律控制器的运算规律 PIDPID运算规律的表示形式运算规律的表示形式1.理想PID控制器微分方程表示法传递函数表示法比例增益积分时间微分时间2.实际PID控制器F 控制器变量之间的相互干扰系数，可表示为考虑相互干扰系数后的实际比例增益KPFTIFKIDFTKD考虑相互干扰系数后的实际积分时间考虑相互干扰系数后的实际微分时间微分增益积分增益是比例系数.大小于控制器的构成有关该试表明,当控制器无积分作用或无微分作用时F=1.当KI,KD均很大时,该式就近似等于理想PID运算表达式.说明说明:前面两式是控制器为正作用时的输出变化量和传递前面两式是控制器为正作用时的输出变化量和传递函数。若函数。若Kp前有负号，则为反作用。前有负号，则为反作用。为讨论方便起见，讨论各种运算规律时，设控制器为讨论方便起见，讨论各种运算规律时，设控制器处于正作用工况。处于正作用工况。具有比例控制规律的控制器称为P控制器，其输出信号 与输入偏差（当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）之间成比例关系。P P运算规律运算规律y或在实际调节器中常用比例度（或称比例带）来表示比例作用的强弱。与Kp成反比。越小，Kp越大，比例作用就越强。1.1.比例度比例度图1-2 P控制器的阶跃响应特性2.2.P P控制特性控制特性t0t0yKP输出幅值的大小取决于Kp(或)值特点:(1).控制器作用及时迅速.(2).会使系统有余差产生.余差产生的原因:当被控参数受干扰影响而偏离给定值后,不能再回到原数值上,因为如果被控参数值与给定值之间的偏差为零,控制器输出不会发生变化,系统就无法保持平衡.减小余差方法:Kp增加减小.但增加Kp系统稳定性变差图1-2 P控制器的阶跃响应特性2.2.P P控制特性控制特性t0t0yKP1.P控制的特点：反应快，控制及时，但系统有余差。2.比例度与系统稳定性的关系:越小，系统控制越强，但并不是越小越好。减小将使系统稳定性变差，容易产生振荡。3.P控制器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。课堂练习：教材P39 1-5作业：1-4，1-6 PIPI运算规律运算规律具有比例积分控制规律的控制器称为PI控制器。对PID控制器而言，当微分时间TD0时，控制器呈PI控制特性。1.1.理想理想PIPI控制器的特性控制器的特性或积分作用能消除余差。只要有偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来。积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构成PI控制器。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故控制作用缓慢，造成控制不及时，使系统稳定裕度下降。图1-3 理想PI控制器的阶跃响应特性阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0yKPy=yIPyPTI可表示为比例作用输出与积分作用输出之和。其中在阶跃偏差信号作用下，理想PI控制器的输出随时间变化的表达式为：比例作用输出积分作用输出当积分作用输出与比例作用输出相等时，即可得也就是说，积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。积分时间TI的意义TI愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。积分时间TI的测定2.2.实际实际PIPI控制器的特性控制器的特性实际PI控制器的传递函数为：在阶跃偏差信号作用下，实际PI控制器的输出为：阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0yKPKPKI图1-4 实际PI控制器的阶跃响应特性积分增益积分增益KI在阶跃偏差信号作用下，实际PI输出变化的最终值（假定偏差很小，输出值未达到控制器的输出限幅值）与初始值（即比例输出值）之比：当积分增益KI为无穷大时，可以证明实际PI控制器的输出就相当于理想输出。实际上，PI控制器的KI一般都比较大，可以认为实际PI控制器的特性是接近于理想PI控制器特性的。控制点偏差和控制精度控制点偏差和控制精度当控制器的输出稳定在某一值时，测量值与给定值之间存在的偏差通常称为控制点偏差。当控制器的输出变化为满刻度时，控制点的偏差达最大，其值可以表示为：控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的控制精度（）。考虑到控制器输入信号（偏差）和输出信号的变化范围是相等的，因此，控制精度可以表示为：控制精度是控制器的重要指标，表征控制器消除余差的能力。KI（或K）愈大，控制精度愈高，控制器消除余差的能力也愈强。PDPD运算规律运算规律1.1.理想理想PDPD控制器的特性控制器的特性或具有比例微分控制规律的控制器称为PD控制器。对PID控制器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD控制特性。微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，有超前控制之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性。不过，在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性斜坡响应特性斜坡响应特性t0t0yTD可表示为比例作用输出与微分作用输出之和。其中当偏差为等速上升的斜坡信号时，理想PD控制器为：比例作用输出微分作用输出=at y=Kp TDaD y=Kp tPa达到相同的输出值时，微分作用比单纯比例作用提前的时间就是微分时间TD。2.2.实际实际PDPD控制器的特性控制器的特性实际PD控制器的传递函数为：在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出为：阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0y图1-4 实际PD控制器的阶跃响应特性微分增益KDKD愈大，微分作用愈趋于理想。微分时间TD的测定在阶跃偏差信号作用下，实际PD输出变化的初始值与最终值（即比例输出值）之比：在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的63.2%所经历的时间，就是微分时间常数TD/KD。此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD。实际PD控制器的输出同样可看作是 yPyD与之和。P、PI、PD控制规律的特点控制规律的特点调节规律调节规律特点特点在控制系统中的作用在控制系统中的作用P控制作用及时迅速，只要有偏控制作用及时迅速，只要有偏差就有输出。差就有输出。快速消除偏差，但有余差，快速消除偏差，但有余差，Kp大，余差小。大，余差小。PII作用动作缓慢，但可消除静差。作用动作缓慢，但可消除静差。PI作用有作用有P作用迅速和作用迅速和I作用消作用消除静差的特点。除静差的特点。I作用影响系统作用影响系统稳定性。稳定性。注：实际积分不能消除静差，注：实际积分不能消除静差，但可使余差大大减小。但可使余差大大减小。I作用可大大减小系统余差，作用可大大减小系统余差，故用于系统静差要求较高故用于系统静差要求较高的系统中。的系统中。PDD作用快，输出与偏差的变化作用快，输出与偏差的变化速度成正比，可使动态最大偏速度成正比，可使动态最大偏差大大减小，故有超前作用。差大大减小，故有超前作用。D作用可改善系统动态特性，作用可改善系统动态特性，使最大动态偏差大大减小。使最大动态偏差大大减小。PIDPID运算规律运算规律同时采用比例、积分、微分调节方法。通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。采用比例积分微分（PID）调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。PID控制方法是目前参数连续控制连续控制系统中普遍采用的控制方法。PIDPID运算规律运算规律理想和实际PID控制器的传递函数分别为：当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为：阶跃响应特性阶跃响应特性如如1-7图图:PID-AE曲线PI-OCDE曲线PD-OADF曲线PI 和PD迭加构成PID曲线.几种调节方法的比较lP调节lPI调节lPD调节lPID调节三、三、PID控制器的构成控制器的构成控制器对输入信号与给定信号的偏差进行PID运算，因此应包括偏差检测和PID运算两部分电路。偏差检测电路PID运算电路测量值偏差I0，U0给定值图1-8 控制器构成示意图偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。输入电路同时还必须具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。PID运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。其主要构成方式有：其主要构成方式有：v1.由放大器和由放大器和PID反馈电路构成反馈电路构成v2.由由PD和和PI电路串联构成电路串联构成v3.由由P.I.D电路并联构成电路并联构成v4.由由P.I.D电路串电路串.并联构成并联构成1、由放大器和由放大器和PID反馈电路构成反馈电路构成 放大器由晶体管放大器由晶体管(或集成运算放大器或集成运算放大器)组成的直流放组成的直流放大器，大器，PID反馈电路由反馈电路由RC微分、积分环节串联组成的微分、积分环节串联组成的复合电路。复合电路。特点：电路结构简单、互相干扰系数大特点：电路结构简单、互相干扰系数大。放大器K0PID反馈电路输出I0,U0偏差Uf，2、由由PD和和PI电路串联构成电路串联构成特点：特点：给定值不经过微分，故在改变定值时，控制器输出不会发生给定值不经过微分，故在改变定值时，控制器输出不会发生大幅度的变化，从而避免了给定值扰动。大幅度的变化，从而避免了给定值扰动。偏差PDPI输出I0,U0此种电路稍加改动即可变为测量微分先行的控制器。测量值PDPI输出I0,U0给定值3、由由P.I.D电路并联构成电路并联构成偏差PDI输出I0,U04、由由P.I.D电路串电路串.并联构成并联构成偏差PID输出I0,U0P课堂练习：1-8基型控制器对来自变送器的基型控制器对来自变送器的1 15V5V直流电压信号与给定值相直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏差进行比较后所产生的偏差进行 PIDPID 运算，并输出运算，并输出4 420mA20mA的控制的控制信号。信号。基型控制器有两个品种：基型控制器有两个品种：全刻度指示控制器全刻度指示控制器和和偏差指示控偏差指示控制器制器。模拟控制器模拟控制器指针式表头指针式表头全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在全刻度指示：输入信号和设定值分别由不同的指针在0100范围指示范围指示偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号偏差值指示：仅利用一个指针来指示偏差信号3030基型控制器基型控制器一、概述一、概述数字控制器数字控制器通过通过LEDLED或者液晶屏显示或者液晶屏显示基型控制器对来自变送器的基型控制器对来自变送器的1 15V5V直流电压信号与给定值相直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏差进行比较后所产生的偏差进行 PIDPID 运算，并输出运算，并输出4 420mA20mA的控制的控制信号。信号。组成：由控制单元和指示单元组成。组成：由控制单元和指示单元组成。在基型控制器基础上增设附加电路可构成各种特种控制器，在基型控制器基础上增设附加电路可构成各种特种控制器，如抗积分饱和控制器、前馈控制器、输出跟踪控制器等，如抗积分饱和控制器、前馈控制器、输出跟踪控制器等，也可附加某些单元具有报警、限幅等功能也可附加某些单元具有报警、限幅等功能。基型控制器基型控制器一、概述一、概述测量信号指示线路测量信号指示线路输入电路PD电路PI电路输出电路硬手操电路软手操电路250测量指示给定指示指示单元指示单元控制单元控制单元15V420mA15V内外UiUo1Uo2Uo3Is输出指示Us420mAIo图 1-10 基型控制器方框图 输出显示输出显示输出显示输出显示 显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。显示调节器输出信号的大小，习惯上输出显示表也称作阀位表。内、外给定的选择内、外给定的选择内、外给定的选择内、外给定的选择 给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供给定信号可以由调节器内部产生，也可以由其它仪表外部提供 内给定的调整内给定的调整内给定的调整内给定的调整 若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定若设定值为内给定，用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值值正、反作用的选择正、反作用的选择正、反作用的选择正、反作用的选择何谓正作用？何谓反作用？何谓正作用？何谓反作用？为为了了构构成成一一个个负负反反馈馈控控制制系系统统，必必须须正正确确的的确确定定调调节节器器的的正正、反反作作用用，否否则则整整个个控控制制系系统统就就无无法法正正常常运运行行。调调节节器器的的正正、反反作作用用，是是通通过过正正、反反作作用用开开关关来来选选择择的。的。手手手手/自动双向切换自动双向切换自动双向切换自动双向切换 何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？何谓手动？何谓自动？为什么要进行手自动切换？手动操作手动操作手动操作手动操作 可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出 无扰动切换无扰动切换无扰动切换无扰动切换 手手自自动动切切换换时时都都希希望望不不给给控控制制系系统统带带来来扰扰动动，即即调调节节器器的的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）讨讨 论论讨讨 论论电压电路指示：电压电路指示：输入电压，输出电流，内外给定电压均有显示仪输入电压，输出电流，内外给定电压均有显示仪表指示。表指示。控制方式：控制方式：自动、软手动和硬手动。自动、软手动和硬手动。自动对偏差进行自动对偏差进行PIDPID运算输出控制电流给执行器。运算输出控制电流给执行器。软手动输出电流与给定参考电压成积分关系。软手动输出电流与给定参考电压成积分关系。硬手动输出电流取决于手动拨盘电压。硬手动输出电流取决于手动拨盘电压。DTL-3110型调节器正面图1 1自动自动-软手动软手动-硬手动切换开关；硬手动切换开关；2 2双针垂直指示器；双针垂直指示器；3 3内给定设定内给定设定轮；轮；4 4输出指示器；输出指示器；5 5硬手动操作杆；硬手动操作杆；6 6软手动操作板键；软手动操作板键；7 7外给定外给定指示灯；指示灯；8 8阀位指示器；阀位指示器；9 9输出记录指示；输出记录指示；1010位号牌；位号牌；1111输入检测输入检测插孔；插孔；1212手动输出插孔手动输出插孔DDZDDZ电动电动控制器控制器1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键全刻度指示控制器：全刻度指示控制器：一台一台DDZ-DDZ-型温度比例控制器，测量型温度比例控制器，测量的全量程为的全量程为0100001000，当指示值变化，当指示值变化100100，控制器比例度为，控制器比例度为8080，求相应，求相应的控制器输出将变化多少？的控制器输出将变化多少？例题例题解：根据比例度的定义解：根据比例度的定义代入相关数据，得代入相关数据，得 可解得输出变化值可解得输出变化值运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识运算放大器的引出端运算放大器的引出端运算放大器的引出端运算放大器的引出端UTUF输入端(+、-)：+端为同相输入端 -端为反相输入端 UT 为同相端对地的电压 UF 为反相端对地的电压Ud电压差Ud 从同相端到反相端Uo输出端：Uo 为输出端对地的电压(输出电压)U+U电源端（U+、U-）分析线路时往往把运算放大器看成是双端输入、双端输入、双端输入、双端输入、单端输出的三端器件单端输出的三端器件单端输出的三端器件单端输出的三端器件。运算放大器的基本性能运算放大器的基本性能运算放大器的基本性能运算放大器的基本性能Uc为共模输入电压为共模输入电压Ud为差模输入电压为差模输入电压任何一个运算放大器，其允许承受的任何一个运算放大器，其允许承受的Uc和和Ud都有一定都有一定的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压(又称又称差模输入范围差模输入范围)和最大共模输入电压和最大共模输入电压(又称又称共模输共模输入范围入范围)。运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最大输出电压一般比电源电压低大输出电压一般比电源电压低1 12V,2V,最大输出电流一最大输出电流一般为般为5mA5mA或或10mA10mA，在仪表电路中需要输出大电流时，往，在仪表电路中需要输出大电流时，往往采用三极管进行电流放大。往采用三极管进行电流放大。如果对两个输入端信号进行改写：如果对两个输入端信号进行改写：如果对两个输入端信号进行改写：如果对两个输入端信号进行改写：理想运算放大器的基本性能理想运算放大器的基本性能理想运算放大器的基本性能理想运算放大器的基本性能+KoRoRiUFUTIbFIbTUdUo输入电阻：输入电阻：Ri Ri输出电阻：输出电阻：Ro Ro0开环增益：开环增益：Ko Ko失调、漂移为零失调、漂移为零重要结论（理想运放在正常使用过程中满足）：重要结论（理想运放在正常使用过程中满足）：重要结论（理想运放在正常使用过程中满足）：重要结论（理想运放在正常使用过程中满足）：1.差模输入为差模输入为0：UTUF（Ud0）2.输入端电流为输入端电流为0：IbF0，IbT0运算放大器的单电源供电运算放大器的单电源供电运算放大器的单电源供电运算放大器的单电源供电运算放大器需要电源，通常有运算放大器需要电源，通常有2种供电方式：单电源供电和双电源种供电方式：单电源供电和双电源供电供电UoUTUFE=Ep+EoUoUTUFEp En出出于于仪仪表表总总体体设设计计的的需需要要、便便于于仪仪表表的的安安装装以以及及变变送送器器采采用用二二线线制制等等原原因，在仪表线路中，一般都采用因，在仪表线路中，一般都采用单电源供电单电源供电，即由一组，即由一组+24V+24V电源供电。电源供电。运算放大器的使用条件运算放大器的使用条件运算放大器的使用条件运算放大器的使用条件运算放大器不论采用单电源供电还是双电源供电，都必须满足运算放大器不论采用单电源供电还是双电源供电，都必须满足以下条件：以下条件：UoUTUFUU0V24V19V2V12V12V7V10V0V24V23V1V12V12V11V11V共模输入电压范围共模输入电压范围输出电压范围输出电压范围IIIIII型仪表中运放的供电型仪表中运放的供电型仪表中运放的供电型仪表中运放的供电DDZ-IIIDDZ-III型型等等系系列列仪仪表表的的信信号号范范围围为为1 15V5V，在在24V24V单单电电源源供供电电时时，显显然然不不能能满满足足共共模模输入范围的要求。输入范围的要求。UoUTUFE=Ep+EoEp En为此，在仪表的电路中，采用电平移动的方法，即另加电平移动电源UB，以便使UT 和UF 进入共模输入范围以内。另加电平移动电源UB 之后，运算放大器电路在单电源供电时以UB 为基准的运算关系，跟双电供电时以地（0V）为基准的运算关系，在形式上完全相同。在DDZ-III型仪表及其它系列仪表中，所有接收仪表的输入电路均采用这种形式的电路。图1-11 输入电路原理图 输入电路是由IC1等组成的偏差差动电平移动电路。二、输入电路二、输入电路 作用：偏差检测、电平移动UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo11.1.输入电路采用输入电路采用偏差差动输偏差差动输入方式入方式，为了消除集中供，为了消除集中供电引入的误差。电引入的误差。2.2.电平移动电平移动的目的是使运放的目的是使运放工作在允许的共模输入电工作在允许的共模输入电压范围内压范围内,保证运算放大器保证运算放大器的正常工作的正常工作图图1-12 1-12 集中供电引入的误差集中供电引入的误差二线制二线制变送器变送器IC1为何采用为何采用偏差差动输入方式？偏差差动输入方式？取则有：电路分析：图图1-13 1-13 引入导线电阻压降后引入导线电阻压降后的输入电路原理图的输入电路原理图UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UCM1UCM2UBFT为何要进行电平移动为何要进行电平移动运放能正常工作运放能正常工作运放不能正常工作运放不能正常工作运放共模容许输入电压范围在运放共模容许输入电压范围在2V以上。以上。目的使输入电压在运放共模容许输入电压范围内。目的使输入电压在运放共模容许输入电压范围内。1.输出信号Uo1仅与测量信号Ui和给定信号Us的差值成正比，比例系数为-2，而与导线上的压Ucm1和Ucm2无关。2.IC1的输入端的电压UT T，UF F是在运算放大器共模输入电压的允许范围（222V）之内，所以电路能正常工作。3.把以零伏为基准的，变化范围为V的输入信号，转换成以10V为基准的，变化范围为8V的偏差输出信号Uo1结论：结论：三、三、PD电路电路 组成：无源比例微分网络比例运算放大器组成：无源比例微分网络比例运算放大器 1、作用：将输入电路输出的电压信号作用：将输入电路输出的电压信号Uo1 进行进行PD运算运算图1-14 PD电路1.在微分作用的情况下输入、输出关系S置“通”对于比例放大器有：2.在微分不加入的情况下IC2R1RDUT1/n(n-1)/nUo1 n 通过 向 充电，稳态时UCD (n-1)Uo1/n当微分接入时UT仍为Uo1/n在切换瞬间UT保持不变，对输出没影响UTUo1Uo1R1CD输入、输出关系S置“断”图1-17 电路的等效电路图四、四、PI电路电路1 1、功能：对、功能：对UU0202进行进行PIPI运算，输出对运算，输出对U UB B的信号的信号。+2、理想、理想PI运算关系运算关系3、实际、实际PI运算关系运算关系4、实际、实际PI电路阶跃响应曲线电路阶跃响应曲线图1-18 实际PI电路阶跃响应曲线由公式由公式慢积分为快积分时间慢积分为快积分时间10倍倍积分饱和积分饱和1）概念：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号单方向偏差信号的长时长时间作用间作用下，其输出达到输出范围上限值或下限值之后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常状态，这种现象称为积分饱和。思考：输入端长期接受正偏差是否会出现思考：输入端长期接受正偏差是否会出现积分饱和积分饱和？2）积分饱和的影响 3）解决办法：在输出达到限值时，去掉积分作用，或者在输出端另加一与偏差相反的信号，使积分作用输出不再继续增加。tt等待等待时间时间U02U03如何消除如何消除积分饱和积分饱和？五、五、PID电路传递函数电路传递函数图1-19 控制器PID电路传递函数方框图-2五、五、PID电路传递函数电路传递函数图1-19 控制器PID电路传递函数方框图-2图1-20 输出电路 六、输出电路六、输出电路功能：电平移动与V/I变换。把以UB为基准的15v直流电压信号转换成420mA的电流信号线路分析线路分析七、手动操作电路七、手动操作电路作用：实现手动操作，有软手操和硬手操两种操作方式图1-21 手动操作电路软手操电路软手操电路两个作用：两个作用：1.1.使电容使电容CICI两端电压两端电压恒等于恒等于U02U022.2.使使IC3IC3处于保持工作处于保持工作状态状态软手操电路功能：控制软手操电路功能：控制器的输出电压与输入参器的输出电压与输入参考电压的信号成积分关考电压的信号成积分关系。系。软手操电路输出电压的变化量为：软手操电路输出电压满量程变化所需的时间：改变改变R RM M的大小，可进行的大小，可进行快慢两种速度的软手操快慢两种速度的软手操快速软手动操作：快速软手动操作：S41或S43UR,RM=RM1=30KW,则慢速软手动操作：慢速软手动操作：S42或S44UR,RM=RM1+RM2=500KW,则2、硬手操电路、硬手操电路（1）功能：控制器的输出压与手动输入电压信号）功能：控制器的输出压与手动输入电压信号成成比例比例关系。关系。图1-23 硬手操作电路两个作用：两个作用：1.1.使电容使电容C CI I两端电两端电压恒等于压恒等于U U02022.2.组成比例电路组成比例电路硬手动操作电路硬手动操作电路Uo2CIRI自S1UH RHUBCMRFIC3Uo3S1、S2“硬手操”时，IC3反相输入端通过电阻RH接至WH的滑头，将RF并在CM上，将C1、R1的公共端接到电平UB上，使Uo2存贮在CI.UH一般为变化缓慢的直流信号，RF、RH并联后可忽略CM因为RH=RF 。所以，硬手动操作电路实际上是一个比例增益为1的比例运算电路。即Uo3=-UH 。自动与手动操作的相互切换自动与手动操作的相互切换无平衡无平衡：指在自动和平衡相互切换时，无需事先调平 衡。无扰动无扰动：指在切换瞬间控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。八、指示电路八、指示电路基型控制器基型控制器八、指示电路八、指示电路功能：全量程地指示测量值、给定值或偏差值。功能：全量程地指示测量值、给定值或偏差值。放大器为闭环增益为放大器为闭环增益为1的差动放大器。的差动放大器。1、测量、测量1.2基型控制器基型控制器Vi置于置于“校验校验”位置，位置，3V电压加于输入端，表电压加于输入端，表头指示在头指示在50%刻度值。刻度值。2、校验、校验1.1.开关开关S S处于测量位置时处于测量位置时IC5IC5接接收收UiUi信号信号第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元特种控制器：特种控制器：为适应特殊控制系统的特殊要求，在基型控制器上增设附加电路，由此形成具有相应功能的控制器，称特种控制器。一、特种控制器一、特种控制器二、附加单元二、附加单元v积分反馈型积分限幅控制器vPI-P切换控制器v偏差报警单元v输出限幅单元特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元一特种控制器一特种控制器（一）抗积分饱和控制器 控制器如长时间接受固定极性的输入偏差易造成积分饱和影响控制质量，为保证系统正常故采用抗积分饱和控制器。抗积分饱和的方法是抗积分饱和的方法是：限制积分电容两端的电压，使其不超出正常工作范围。限制积分电容两端的电压，使其不超出正常工作范围。积分切除。积分切除。积分反馈型积分限幅控制器积分反馈型积分限幅控制器 是在基型控制器上设置一个积分反馈积分限幅电路而构成。当IC3 的输出电压在正常范围内时，控制器作PI(或PID)运算。当IC3的输出电压超过上下限时，则积分反馈积分限幅电路将通过负反馈限制积分电容两端的电压，从而达到抗积分饱和与输出限幅的目的。在在PIPI调节器上附加上调节器上附加上下限限幅下限限幅和和抗积分饱和抗积分饱和电路。电路。（1）正常情况）正常情况（2）异常情况）异常情况输出超上限输出超上限输出超下限输出超下限当出现输出超限时，抗积分饱和电路动作，输入？当出现输出超限时，抗积分饱和电路动作，输入？二、二、PI-P切换控制器切换控制器当IC3的输出电压Uo3在正常作用范围之内时，控制器按PI规律动作当到达上限值（100%）或下限值（0%）时控制器立即切换至p运算状态，积分作用切除，以防止积分饱和。三、三、偏差报警单元偏差报警单元 当控制系统的偏差超出给定范围时，报警单元发出报警信号。报警信号由继电器的触点输出，可以用来接通报警灯、报警电铃等回路，也可间接的驱动执行机构，采取必要的紧急措施。1.3特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元输入电路（偏差差动电平移动电路）的输出信号输入电路（偏差差动电平移动电路）的输出信号当当报警状态报警状态解除报警状态条件解除报警状态条件或或U C 、Ub值取决于值取决于R3、R4值值。分析推导报警与解除报警状态的条件。分析推导报警与解除报警状态的条件。1、正常情况、正常情况1.3特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元2、偏差超限情况、偏差超限情况1.3特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元3、解除报警状态条件、解除报警状态条件1、输出限幅单元功能输出限幅单元功能将控制器输出限制在一定范围之内，保证控制阀将控制器输出限制在一定范围之内，保证控制阀不处于危险开度。不处于危险开度。2、电路分析电路分析（1）正常情况）正常情况VT1、VT2截止截止（2）超上限）超上限VT1截止，截止，VT2导通导通嵌位嵌位1.3特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元（3）超下限）超下限VT2截止，截止，VT1导通导通嵌位嵌位1.3特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元四、四、输出限幅单元输出限幅单元 将控制器的输出限制在一定的范围内，从而保证控制阀不处于危险开度。原理图如图所示：作业1-4，1-10