模擬控制器的原理

1、控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄1 2.2. 模擬控制器模擬控制器 ( Analog Controllers ) 控制器的功能控制器的功能基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性電動調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)器氣動氣動調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2 2.2.1.控制器的功能控制器的功能 控制器的作用是對測量信號與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進行PID運算，并輸出控制信號至執(zhí)行器 (1)偏差顯示(2)輸出顯示(3)提供內(nèi)給

2、定信號及內(nèi)、外給定的選擇(4)正、反作用的選擇 (5)手動操作與手動/自動雙向切換 (6)附加功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、 偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策和零啟動等.控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄3 2.2.2. 2.2.2.基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性 電阻電阻R (a) 固定電阻固定電阻 模擬控制器都是由各種放大器和由電模擬控制器都是由各種放大器和由電(氣氣)阻、阻、電電(氣氣)容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成(b)可調(diào)氣阻可調(diào)氣阻(b) 可調(diào)電阻可調(diào)電阻(a)固

3、定氣阻固定氣阻氣阻氣阻R關(guān)系式關(guān)系式 R=U/I傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) U(s)/I(s)=RU電阻兩端電壓電阻兩端電壓I流過電阻的電流流過電阻的電流關(guān)系式關(guān)系式 R=P/M 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) R=P(s)/M(s) P氣阻兩端壓降氣阻兩端壓降 M氣體的質(zhì)量流量氣體的質(zhì)量流量控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄4 電容電容C dtdUCidtiUUqCCCCCC1dtdPCMMdtPPmCCCC1CSsMsP1)()(CSsIsU1)()(氣容氣容C(a)固定電容固定電容 (b)可變電容可變電容關(guān)系式關(guān)系式關(guān)系式關(guān)

4、系式傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)q電容中的電荷量電容中的電荷量UC電容兩端的電壓電容兩端的電壓m氣容中的氣體質(zhì)量氣容中的氣體質(zhì)量 PC氣容中的壓力。氣容中的壓力。 a)固定氣容固定氣容 (b)可變氣容可變氣容iC流過電容的電流流過電容的電流M氣體的質(zhì)量流量氣體的質(zhì)量流量控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄51)1)比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)PKRRUU1212PKRRsUsU1212)()(321212122PRRRPRRRPPKRRRPP21212PKsPsP)()(12分壓電路分壓電路(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖

5、 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)關(guān)系式：關(guān)系式：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：KP比例系數(shù)，比例系數(shù)，0 KP 1節(jié)流通室節(jié)流通室（分壓氣路）（分壓氣路）(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)關(guān)系式（穩(wěn)態(tài)時）：關(guān)系式（穩(wěn)態(tài)時）：若若P3=0（通大氣）（通大氣）傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄62) 積分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)122UUdtdUT11)()(12TSsUsU122PPdtdPT11)()(12TSsPsP積分電路積分電路(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)微分方程：微分方程：

6、傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：T時間常數(shù)，時間常數(shù)，T=RC 節(jié)流盲室節(jié)流盲室（積分氣路）（積分氣路）(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：T時間常數(shù)，時間常數(shù)，T=RC 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄7 3) 微分微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)dtdUTUdtdUT1221)()(12TSTSsUsUdtdPTPdtdPT1221)()(12TSTSsPsP微分電路微分電路(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：T時間常數(shù)，時間

7、常數(shù)，T=RC 微分氣路微分氣路(a)結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 (b)階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄8 2.2.3.DDZ 2.2.3.DDZ型電動調(diào)節(jié)器型電動調(diào)節(jié)器 DDZ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)具有的對偏差進行PID運算、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、手動/自動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

8、元，如輸入報警、偏差報警、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、非線性調(diào)節(jié)器等以及構(gòu)成與工業(yè)計算機聯(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?？刂苾x表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄9 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成 基型調(diào)節(jié)器線路原理圖控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄10 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控制儀表和計算

9、機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄11 基型調(diào)節(jié)器的電路分析輸入電路 輸入電路輸入電路是偏差差動電平移動電路，它的作用 ：一是偏差檢測與放大；二是電平移動 。 輸入電路原理圖 是為了消除集中供電引入的誤差。 是為了保證運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目的 ：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄12共模輸入電壓共模輸入電壓UC：32326636321626232RRRRRURRRRRURRRRRUUUUBCMC

10、MSTC)(3121BCMCMSUUUU輸出與輸入關(guān)系：輸出與輸入關(guān)系：414150151514254541121RRRRRUURRRRRURRRRRUUUBCMCMiF)21(310121BCMCMiUUUUUFTUU )( 201SiUUU控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄13 a) 輸出信號輸出信號Uo1 僅與測量信號僅與測量信號Ui和給定信號和給定信號Us差值成正差值成正比，比例系數(shù)為比，比例系數(shù)為-2，而與導(dǎo)線電阻上的壓降，而與導(dǎo)線電阻上的壓降Ucm1和和Ucm2無關(guān)。無關(guān)。 b) 把以零伏為基準

11、的、變化范圍為把以零伏為基準的、變化范圍為15V的輸入信號，的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)換成以UB (10V)為基準的、變化范圍為為基準的、變化范圍為08V的的偏差偏差輸出信號輸出信號U01。 )(201siUUU結(jié)論：結(jié)論：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄14 (2) 比例微分電路比例微分電路 作用作用: 是對輸入電路的輸出信號是對輸入電路的輸出信號V01進行比例微分運算，進行比例微分運算，整機的比例度和微分時間通過本電路進行調(diào)整整機的比例度和微分時間通過本電路進行調(diào)整。 )(1)(0112111101121

12、112SURRRSCRRSURRRDDD11)()()(12121112111201SCRSCRRRRRRRSUSUSGDDDDTD111SKTSTnDDDRDRsTUUU12)(無源比例微分電路的傳遞函數(shù)：無源比例微分電路的傳遞函數(shù)：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄15同相端輸入運放電路的傳遞函數(shù)為：同相端輸入運放電路的傳遞函數(shù)為：202)()()(PPOPTPRRRSUSUSG11)()()()()()()(01020102SKTSTnSUSUSUSUSUSUSGDDDTTP121211RRRnKDD

13、DDCnRT 111)(SKTSTnSGDDDD比例微分電路的傳遞函數(shù)為：比例微分電路的傳遞函數(shù)為：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄16在階躍輸入信號下，比例微分電路輸出的時間函數(shù)表達式為： 0102) 1(1 )(UeKKtUtTKDDDD11)(SKTSTnSGDDDP比例微分電路的傳遞函數(shù)為：比例微分電路的傳遞函數(shù)為：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄17PD電路的定性分析電路的定性分析在在t=0+ ，由于電容，

14、由于電容CD上的電壓不能突變上的電壓不能突變 ，所以所以UT(0UT(0+ +)=U)=U0101 0102)0()0(UUUT0102)()(UnUUT當(dāng)當(dāng)充電過程結(jié)束充電過程結(jié)束時，時，UCD= UR11 UT()=U01/n 由于由于U02= UT，因此，因此U02的變化規(guī)律與的變化規(guī)律與UT相同，相同， 而且有而且有t0， CD兩端的電壓按指數(shù)規(guī)律不斷上升故兩端的電壓按指數(shù)規(guī)律不斷上升故UT按指數(shù)規(guī)律按指數(shù)規(guī)律不斷下降不斷下降控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄18開關(guān)開關(guān)“S”S”由由“斷斷”切換到

15、通時，不會引切換到通時，不會引起輸出突變。因為電腦起輸出突變。因為電腦C CD D的電壓能自動跟的電壓能自動跟蹤蹤R R1111的電壓，即穩(wěn)態(tài)時可以舍得的電壓，即穩(wěn)態(tài)時可以舍得“K”K”點點和和“P”P”點電壓相等。點電壓相等?？刂苾x表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄19 比例積分電路 比例積分電路的主要作用是對來自比例微分電路的電壓信號U02進行比例積分運算 )11 ()(STCCSWIMIPITI = RI CI 其傳遞函數(shù)為：控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化

16、工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄20 比例積分電路實際的輸出輸入關(guān)系3030314140214)()()(0)()(1)/(1)/(1)(1)/(11)(KSUSUSUSUSUSCRRSCRRSCSUSCRRSCSCSUFTTMIIIIMIIMFSTKSTCCSWIIIMIPI1111)(聯(lián)立求解以上三式，化簡后可求得KI=K3CM / CI 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄21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。 在階躍輸入信號作用下，PI電路輸出的時間函數(shù)表達式為 021

17、03) 1()(UeKKCCtUtTKIIMIII控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄22 積分時間TI的倍率開關(guān)S3置于“10”檔時， R15上的電壓經(jīng)電阻RI向電容CM充電。因為 UR15=1/m U0 m=(R14+ R15)/ R1510 積分時間是刻度值的10倍。 n積分時間TI的倍率開關(guān)控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄23 (4) 整機傳遞函數(shù)SKTSTKSTSTTTKSWDDIIDIIDP1111)(FKK

18、FKKFTTFTTFKKDDIIDDIIPPSKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)( TD F=1+ Ti控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄24 干擾系數(shù)干擾系數(shù)F F反映調(diào)節(jié)器參數(shù)反映調(diào)節(jié)器參數(shù)( (主要是主要是K KP P、T TI I、T TD D) ) 互相影互相影響的一個參數(shù)。響的一個參數(shù)。 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器的PIDPID運算電路是由運算電路是由PDPD電路和電路和PIPI電路串聯(lián)構(gòu)成。電路串聯(lián)構(gòu)成。 a) KP、TI、TD三個參數(shù)相互干擾的結(jié)果，使實際比例增益增大（即實際比例度減?。?/p>

19、實際積分時間增長、實際微分時間縮短。 b) 相互干擾系數(shù)F是一個大于1的數(shù)，其大小與積分時間和微分時間的大小有關(guān)。 相互干擾系數(shù)F的表達式取決于調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。 TD F=1+ TiFKKFKKFTTFTTFKKDDIIDDIIPP控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄25PID電路階躍輸入信號的表達式)() 1()1)(1(1 )(103SitTKDtTKIPUUeKeKKtUDDII控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄26輸

20、出電路 輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以UB為基準的15VDC電壓信號U03轉(zhuǎn)換為流過負載RL（一端接地）的420mADC輸出電流I0 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄27n I0= I0 -If控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄2803242304URRRU2304040RUIRUIfH250)(032324030VRRRRRVIHHnI0= I0 -If控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油

21、化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄29手操電路的作用是實現(xiàn)手動操作手操電路的作用是實現(xiàn)手動操作:軟手操與硬手操軟手操與硬手操手操電路tRCUUMMR03控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄30 軟手操電路作用作用 ：a) 使電容使電容CI兩端的電壓恒等于兩端的電壓恒等于U02 ； b) 使使A3處于保持工作狀態(tài)處于保持工作狀態(tài) n 扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側(cè)時，+UR 通過RM向CM和A3 充電，使U03線性下降；當(dāng)扳鍵S4扳向-UR一側(cè)時，U03線性上升。控制儀表和

22、計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄31SRCSUSUMMR1)()(03SUSURR)(2031)(SRCUSUMMRtRCUUMMR03控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄32 硬手操電路 作用：二是由二是由RH、RF和和IC3組成了一個比例電路組成了一個比例電路一是使一是使C CI I兩端的電壓恒等于兩端的電壓恒等于V V0202；因為因為 RF=RH=30k所以所以 U03=UH 控制儀表和計算機控制裝置控制儀表和計算機控制裝置廣東石油化工學(xué)院自動化系廣東石油化工學(xué)院自動化系上頁上頁下頁下頁目目 錄錄33 自動與手動操作之間的切換 n自動(A)軟手動(M) n硬手動(H) 軟手動(M)A3處于保持工作狀態(tài)，處于保持工作狀態(tài)，U03保持不變保持不變 n軟手動自動n硬手動 自動UCI=U02 ，UF3=0，電容沒有充放電現(xiàn)象電容沒有充放電現(xiàn)象 n自動硬手動 n軟手動硬手動須進行預(yù)平衡操作須進行預(yù)平衡操作 為無平衡無擾動切換為無平衡