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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,控制仪表和计算机控制装置,广东石油化工学院自动化系,上页,下页,目 录,1,2.2.1.,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,.,1 2.2.1.控制器的功能 控制器的作用是对测量信号,2,2.2.2.,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,.,2 2.2.2.基本构成环节的特性 模拟控制器,3,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,i,C,流过电容的电流；,M,气体的质量流量；,U,C,电容两端的电压。,P,C,气容中的压力。,3 基本元件 电容C,4,比例环节,分压电路,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,关系式：,传递函数：,式中,K,P,比例系数，,0,K,P,1,节流通室（分压气路）,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,关系式（稳态时）：,若,P,3,=0,（通大气）,传递函数：,式中,K,P,比例系数，,0,K,P,1,4 比例环节分压电路节流通室（分压气路）,5,积分,环节,积分电路,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,微分方程：,传递函数,式中,T,时间常数，,T=RC,节流盲室（积分气路）,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,微分方程：,传递函数：,式中,T,时间常数,T=RC,5 积分环节积分电路节流盲室（积分气路）,6,微分,环节,微分电路,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,微分方程：,传递函数：,式中,T,时间常数，,T=RC,微分气路,(a),结构原理图,(b),阶跃响应,微分方程：,传递函数：,式中,T,时间常数，,T=RC,6 微分环节微分电路微分气路,7,2.2.3.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。,7 2.2.3.DDZ型电动调节器 D,8,基型调节器的构成,基型调节器线路原理图,8 基型调节器的构成 基型调节器线路原理图,9,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,9 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,10,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：,10 基型调节器的电路分析输入电路 输入电路原理图 是为,11,共模输入电压,U,C,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,1,5V,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,。,11共模输入电压UC,12,(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,V,01,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,：,12 (2)比例微分电路 比例微分电路的作用是对,13,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：,13,14,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,14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：,15,PD,电路的定性分析,在,t=0,+,，由于电容,C,D,上的电压不能突变,，,所以,U,T,(0,+,)=U,01,t,0,，,C,D,两端的电压按指数规律不断上升故,U,T,按指数规律不断下降,当充电过程结束时，,U,CD,=U,R11,U,T,()=U,01,/n,由于,U,02,=U,T,，因此,U,02,的变化规律与,U,T,相同，,而且有,15PD电路的定性分析在t=0+，由于电容CD上的电压不能,16,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,U,02,进行比例积分运算,其传递函数为：,T,I,=,R,I,C,I,16 比例积分电路 比例积分电路的主要作用是,17,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,K,I,=,K,3,C,M,/,C,I,17 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,18,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,18比例积分电路 比例积分电路的调节器的调节系统仍,19,积分时间,T,I,的倍率开关,K,3,置于,“,10,”,档时，,R,15,上的电压经,电阻,R,I,向电容,C,M,充电。因为,U,R15,=1/m U,0,m=(R,14,+R,15,)/R,15,10,积分时间是刻度值的,10,倍。,积分时间,T,I,的倍率开关,19 积分时间TI的倍率开关K3置于“10”档时，R15,20,(4),整机传递函数,T,D,F,=,1,+,T,i,20 (4)整机传递函数 TD,21,干扰系数,F,反映调节器参数,(,主要是,K,P,、,T,I,、,T,D,),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)K,P,、,T,I,、,T,D,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。,T,D,F,=,1,+,T,i,21 干扰系数F反映调节器参数(主要是KP、TI、TD),22,PID,电路阶跃输入信号的表达式,22PID电路阶跃输入信号的表达式,23,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,U,B,为基准的,15VDC,电压信号,U,03,转换为流过负载,R,L,（一端接地）的,420mADC,输出电流,I,0,23输出电路输出电路,24,输出电路,I,0,=I,0,-I,f,24 输出电路 I0=I0-If,25,输出电路,I,0,=I,0,-I,f,25 输出电路I0=I0-If,26,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,26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,27,软手操电路,作用：,a),使电容,C,I,两端的电压恒等于,U,02,；,b),使,A,3,处于保持工作状态,扳键,S,4,扳向软手操输入电压,+U,R,一侧时，,+U,R,通过由,R,M,、,C,M,和,A,3,组成的积分电路使,U,03,线性下降；,当扳键,S,4,扳向,-U,R,一侧时，,U,03,线性上升。,27 软手操电路扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+,28,软手操电路,28软手操电路,29,硬手操电路,作用：,二是由,R,E,、,R,F,和,IC,3,组成了一个比例电路,一是使,C,I,两端的电压恒等于,V,02,；,因为,R,F=,=R,E,=30k,所以,U,03,=,U,H,29 硬手操电路 作用：二是由RE、RF和IC3组成了一个比,30,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,A,3,处于保持工作状态，,U,03,保持不变,软手动,自动,硬手动,自动,为无平衡无扰动切换,U,CI,=,U,02,，,U,F3,=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,30 自动与手动操作之间的切换 自动(A)软手动(M),31,指示电路,R,25,=R,26,=R,27,=R,28,U,0,=U,i,I,0,=I,0,+I,f,31 指示电路 R25=R26=R27=R28 U0,32,（,1,）偏差报警电路,基型调节器的附加电路,32 （1）偏差报警电路基型调,33,基型调节器的附加电路,（,2,）输出限幅电路,33基型调节器的附加电路（2）输出限幅电路,34,基型调节器的附加电路,（,3,）,PI/P,切换调节器,34基型调节器的附加电路（3）PI/P切换调节器,35,DDZ,型电动调节器,PID,运算电路分析,35DDZ型电动调节器PID运算电路分析,36,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,36 求取反馈电路的传递函数Wf(S)应用分流公式可求得,37,应用分压公式求得,U,AD,(S),传递函数（,S,）为：,求取反馈电路的传递函数,W,f,(S),37应用分压公式求得UAD(S)传递函数（S）为：求,38,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),38相互干扰系数 (2)求取 应用分压公式 可求得传递,39,求取反馈电路的传递函数,W,f,(S),39 求取反馈电路的传递函数Wf(S),40,微分先行,PID,运算电路分析,40微分先行PID运算电路分析,41,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,41 PD运算电路 应用分压公式可求得:微分时间式中,42,差动输入运算放大电路传递函数为,比例运算电路,42差动输入运算放大电路传递函数为 比例运算电路,43,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,43 PI运算电路 整机传递函数为 当测量值不变时，整机传,44,PI,运算电路,当给定值不变时，整机的传递函数为,44 PI运算电路当给定值不变时，整机的传递函数为,45,力矩平衡式,PI,调节,器原理图,气动仪表,PID,运算分析,45力矩平衡式PI调节气动仪表PID运算分析,46,力矩平衡式,PI,调节器方框图,46 力矩平衡式PI调节器方框图,47,力矩平衡式,PI,调节器,47 力矩平衡式PI调节器,48,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,48 力矩平衡式PI调节器将上式右边分子分母同除以 整理后,
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