4 過程控制裝置-調(diào)節(jié)器(2).ppt

1、過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用,第四章 過程控制裝置(2),4.2 調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器的基本作用： 對測量信號與給定值相比較產(chǎn)生偏差e； 對偏差e進(jìn)行PID運(yùn)算，并輸出控制信號p至執(zhí)行器 附加功能：還需具備以下功能： (1)偏差顯示 (2)輸出顯示 (3)提供內(nèi)給定信號及內(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.,4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),對于PID調(diào)節(jié)器： 當(dāng)積分時間Ti時，PD調(diào)節(jié)器； 當(dāng)微分時間Td0時，PI調(diào)節(jié)器； Ti且Td0時，P調(diào)節(jié)器 下面討論P(yáng)ID調(diào)節(jié)規(guī)

2、律的實(shí)現(xiàn)方法。 模擬控制器都是由各種放大器和由電阻、電容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成。,4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),即只要K足夠大，W(s)就為Wf(s)的倒數(shù)。放大器和反饋電路在功能上相反： 欲使閉環(huán)放大器放大多少倍；就使反饋電路衰減多少倍； 欲使閉環(huán)放大電路具有積分作用，就使反饋電路是微分電路； 欲使閉環(huán)放大電路具有微分作用，就使反饋電路是積分電路； 利用負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律的基本原理。 無源基本電路結(jié)構(gòu)如表4-3所示。,4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),集成運(yùn)算放大器具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特點(diǎn)，因此各種運(yùn)算規(guī)律可直接由加接到線性運(yùn)算放

3、大器的負(fù)反饋回路上來實(shí)現(xiàn)，表4-4給出了一些基本運(yùn)算電路及運(yùn)算規(guī)律。,4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),4.2.1 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn),圖4-30給出了由P、I、D三個運(yùn)算電路并聯(lián)連接，通過加法器相加所組成的基本PID電路。,4.2.2調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),(1) 調(diào)節(jié)器的組成及原理 組成：方框圖如圖4-31所示。主要有：輸入電路、PID運(yùn)算電路、輸出電路三部分。附帶有指示電路、手動操作電路及輸出限幅電路等。指示電路分為偏差指示、給定值指示與輸入指示的全刻度指示兩種。,功能：對來自變送器信號與給定值相比較后所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出420mA的控制信號。,

4、4.2.2調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),各部分作用 輸入電路 包括偏差檢測電路、內(nèi)給定電路、內(nèi)外給定切換開關(guān)、正反作用開關(guān)及濾波電路等，如圖4-32所示。,4.2.2調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),PID運(yùn)算電路 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 輸出電路 對運(yùn)算電路的輸出信號放大，提供調(diào)節(jié)器的輸出信號。 手動操作電路 實(shí)現(xiàn)人工控制。輸出一個由操作人員控制的“手動電流”到執(zhí)行器。 “手動”、“自動”切換借助手動自動切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。 輸出限幅電路 有些調(diào)節(jié)器中設(shè)有。用以將調(diào)節(jié)器的輸出限制在一定范圍內(nèi)，從而保證調(diào)節(jié)閥不處于危險開度。調(diào)節(jié)器輸出的上限值和下限值都可以調(diào)節(jié)。,(2)電動調(diào)節(jié)器,目前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZIII型

5、電動調(diào)節(jié)儀表采用線性集成電路作為線路中的核心組件，采用了二線制接法，采取安全火花型防爆措施，具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。 DDZIII型調(diào)節(jié)器按照功能不同，可分成基型調(diào)節(jié)器和特殊調(diào)節(jié)器兩類，基型調(diào)節(jié)器有兩個品種，一種是全刻度指示調(diào)節(jié)器，另一種是偏差指示調(diào)節(jié)器。它們的電路相只是指示電路有些差異。下面主要討論DTZ2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器。,(2)電動調(diào)節(jié)器,全刻度指示調(diào)節(jié)器對被調(diào)參數(shù)與給定值進(jìn)行0一100全刻度范圍顯示，顯示的差值為偏差值。偏差指示調(diào)節(jié)器沒有輸入信號的全刻度指示，直接指示偏差大小。 DTZ2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器是最基本的一種調(diào)節(jié)器，除具有PID運(yùn)算功能外，還具有被調(diào)參數(shù)的顯示、

6、給定值的顯示及表示閥門位置的顯示功能。,基型調(diào)節(jié)器的主要特點(diǎn),采用了高增益、高阻抗線性集成電路組件，提高了儀表的精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了功耗。 有軟、硬兩種手動操作方式，具有保持狀態(tài)，具有雙向非平衡無擾動切換特性。 便于各種功能的擴(kuò)展?？稍黾痈鞣N不同的功能組件，如前饋調(diào)節(jié)，自動選擇調(diào)節(jié)等。 采用標(biāo)準(zhǔn)信號制，接受來自變送器的或轉(zhuǎn)換器輸出的1-5v DC測量信號，輸出4-20mA Dc信號。信號起點(diǎn)不是零，易識別斷電、斷線等故障。 能與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，作為SPC調(diào)節(jié)器或DDC備用調(diào)節(jié)器等,基型電動調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),全刻度指示調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-33所示線路原理圖如圖4-34所示。調(diào)節(jié)器由指示單元和

7、控制單元兩部分組成。 主要性能指標(biāo)： ：2%500%；TI：0.0125min； TD：0.0410min；負(fù)載電阻：250750； 控制精度：0.5%,基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖,構(gòu)成方框圖如圖?？梢姡?控制單元包括：輸入電路、PD電路、PI電路、輸出電路、軟硬手操電路等組成；指示單元包括：測量信號指示電路和給定信號指示電路。,輸入電路,PD電路,PI電路,輸出電路,硬手操電路,軟手操電路,基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成,測量、內(nèi)給定信號：15VDC，由對應(yīng)顯示電路顯示，其差值即調(diào)節(jié)器輸入偏差；外給定為420MADC，由250精密電阻轉(zhuǎn)換為15VDC。 工作狀態(tài)四種：自動、軟手動、硬手動、保持。,基型調(diào)節(jié)器的

8、構(gòu)成,開關(guān)作用： S6 ：內(nèi)、外給定選擇開關(guān)； S5 ：標(biāo)定、測量； S1、S2 ：工作狀態(tài)切換（無擾切換）；S7 ：正反作用切換； S3 ：積分時間選擇檔； S4 （ S41、S42 、 S43、S44） ：軟手動撥鍵,基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成,基型調(diào)節(jié)器分析輸入電路,輸入電路 偏差差動電平移動電路。 組成：如圖4-35所示由101組成的偏差差動電平移動電路作用 ：偏差檢測與放大；電平移動 。 電平移動：將電源負(fù)端為零電平的信號轉(zhuǎn)換成以參考電位Vb為基準(zhǔn)的信號。 采用這種電路形式 的兩個目的： 消除集中供電引入的誤差 保證運(yùn)算放大器正常工作,如圖，,整理得：,對于“EB”點(diǎn)：,對于“EA”點(diǎn)：,由于

9、EB=EA，所以：,電路分析,輸出信號Vo1 僅與測量信號Vi和給定信號Vs差值成正比，比例系數(shù)為-2。 把以零伏為基準(zhǔn)的、變化范圍為15V的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以VB (10V)為基準(zhǔn)的、變化范圍為08V的偏差輸出信號V01。 當(dāng)開關(guān)K101置于“正”，輸入信號大于給定值(正偏差)時， V01為負(fù)值；而當(dāng)開關(guān)K101 置于“反”時， V01為正值。調(diào)節(jié)器利用K101實(shí)現(xiàn)正反作用切換。,結(jié)論：,輸入電路小結(jié),(2) 比例微分回路 PD,作用: 對輸入電路的輸出信號V01進(jìn)行PD運(yùn)算。 整機(jī)的比例度和微分時間TD通過本電路進(jìn)行調(diào)整 組成：無源RC PD網(wǎng)絡(luò)、同相運(yùn)放。如圖4-36所示,由于集成電路采

10、用同向輸入端輸入，輸入阻抗很高，在分析時可以不考慮運(yùn)算放大器的影響。,圖中：S微分切換； RD微分電阻； CD微分電容,當(dāng)輸入VO1為一階躍信號時，在t=0+ ，由于電容CD上的電壓不能突變 ，所以VT(0+)=U01 t0， VCD按指數(shù)規(guī)律不斷上升故VT按指數(shù)規(guī)律不斷下降 當(dāng)充電過程結(jié)束時，VCD= VR11 VT()=V01/n 由于V02= VT，因此V02的變化規(guī)律與VT相同， 而且有,(2) 比例微分回路 PD電路分析,定性分析,(2) 比例微分回路 PD,在微分作用（S打向“通”）的情況下，電路等效如圖,令：KD=n, TD= nRDCD, 則：,在階躍輸入信號下，比例微分電路輸

11、出的時間函數(shù)表達(dá)式為：,本電路中，n=10；=1250； KD=10；TD=0.0410min； 比例增益,電路分析-定量分析,在微分不加入（S打向“斷”）的情況下,電路分析-定量分析,在階躍輸入信號下，比例微分電路輸出的時間函數(shù)表達(dá)式為：,比例微分電路的傳遞函數(shù)為：,電路分析-定量分析,比例積分回路,作用：對來自PD電路的信號V02進(jìn)行PI運(yùn)算,輸出以VB為基準(zhǔn)的15V的電壓信號。引入積分功能 組成：PI電路如圖4-39所示。 “1”和“10”表示積分時間刻度值有兩擋。 接在放大器A103輸出端的電阻、二極管D及晶體管BG1構(gòu)成射極跟隨器，與其他附加單元配套輸出限幅。 定性分析 Vo2階躍變

12、化瞬間，可看成電容分壓的比例環(huán)節(jié) 隨后Vo2通過RM對CM充電，UCM不斷增加。 輸出電壓Vo3（近似= UCM ）隨時間增加。 只要有v02存在，積分作用就 不會終止，直到輸出電路發(fā)生飽和。 CM的充電速度與充電電流成比例。,比例積分回路,積分飽和現(xiàn)象 正常工作時， UCM=Vo3；放大器飽和后，Vo3被限制，輸入V02仍存在， V02通過RI繼續(xù)向CM充(放)電，UCM繼續(xù)增加或者減小，導(dǎo)致 UCMVo3 ， EAEB，積分飽和。 若這時V02 極性改變，由于UCM不能突變，不能立即恢復(fù)到EA=EB的正常狀態(tài)，Vo3不能及時跟隨V02的變化，調(diào)節(jié)動作處于停頓狀態(tài)，使調(diào)節(jié)品質(zhì)變差。 因此應(yīng)該

13、避免積分飽和的形成。,PI電路定量分析,R、D、BG1構(gòu)成射級跟隨器，得到正向輸出電壓；D正向限幅。在分析時，將它們看成A103內(nèi)部的一部分。PI電路可簡化為如下等效電路。,比例積分電路實(shí)際的輸出輸入關(guān)系,聯(lián)立求解可得：,由于K105，,考慮到A103 的開環(huán)增益K，輸出輸入關(guān)系推導(dǎo)如下：,比例積分電路,比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然存在靜差。,若K， PI電路的階躍響應(yīng)時間函數(shù)表達(dá)式為,設(shè)：KI=（KCM ）/（m CI ），TI= m RiCI,(5) 輸出電路,作用：將PI電路輸出的以VB為基準(zhǔn)的15VDC電壓信號V03轉(zhuǎn)換為流過負(fù)載RL（一端接地）的420mADC輸出電流I0 。比例運(yùn)算

14、器 結(jié)構(gòu)：如圖所示。電壓-電流轉(zhuǎn)換器，復(fù)合管VT1、VT2把A4的輸出電壓轉(zhuǎn)換成整機(jī)的電流輸出。采用復(fù)合管可提高放大倍數(shù)，減小基極電流，使IOIO-If。,由上述三個方程式可得：,定性分析：Vo3（+）A104反向端，A104輸出，IO及IO，經(jīng)R127反饋到反向輸入端使EB ，構(gòu)成比例放大器，IO及IO與VO3成比例關(guān)系。,定量分析：忽略復(fù)合管基極電流，即認(rèn)為IO=IO-If； 將A104 看成理想運(yùn)放，并設(shè) R124=R127, R125=R126 = 4R124 ，由圖可得：,線路分析,（A）,（B）,(C),在相同的條件下，由圖可得：,把式（B）和式（C）代入式（A） 得:,式(B)可

15、知，當(dāng)Rf=62.5 W，K =1/4,UO3=15V時，IO=420mA。 式(D)可知，其最后一項(xiàng)(If)即為運(yùn)算誤差。最大誤差發(fā)生在UO3最小(1V) 時。將相關(guān)參數(shù)代入可得最大誤差為0.225mA,實(shí)際電路中為使誤差為零，對電路參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。,（D）,即：,手操電路,作用：實(shí)現(xiàn)手動操作，有軟手操和硬手操兩種操作方式。 組成：在PI電路中附加手操電路實(shí)現(xiàn)，如圖。 圖中：S1、S2：自軟手硬手動聯(lián)動切換開關(guān)； S4-1、S4-2、S4-3、S4-4：軟手動扳鍵； RPH：硬手動電位器,軟手操電路,作用 ： a) 使電容CI兩端的電壓恒等于U02 ； b) 使A3處于保持工作狀態(tài)。CM無放

16、電回路。,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。 當(dāng)松開扳鍵S4時，處在斷位置，A3輸入懸空，輸出Uo3保持,硬手操電路,作用：兩個 使CI兩端的電壓恒等于V02； 由RH、RF和A3組成了一個比例電路 RH=RF=30k, U03= UH,自動與手動操作之間的切換,自動(A)軟手動(M) 硬手動(H)軟手動(M),軟手動自動 硬手動自動,自動硬手動 軟手動硬手動,須進(jìn)行預(yù)平衡操作，既在切換前撥動硬手操撥盤，使其刻度與輸出對應(yīng),A3處于保持工作狀態(tài)，U03保持不變, 為無平衡無擾動切換,UCI

17、=U02 ，UF3=0，電容沒有充放電現(xiàn)象; 為無平衡無擾動切換,指示電路,在DDZ-型調(diào)節(jié)器中，有全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器，兩者指示電路相同； 測量信號指示電路和給定信號指示電路完全相同，以測量信號指示電路為例討論，如圖2-29，是一個具有電平移動電源UB的差動輸入運(yùn)算放大電路，圖中，R25= R26= R27= R28=500k 。,輸入信號：測量信號15V（0V基準(zhǔn)）； 輸出信號：15mADC用0%100%刻度的雙針指示電流表指示； 開關(guān)S：“測量”、“標(biāo)定”切換開關(guān),指示電路,當(dāng)S處于“測量”位置時，A201接收Vi信號， R201 = R204可求得：,于是：,由圖可知，流過

18、電流表的電流為,而：,可見，Io與電流表內(nèi)阻無關(guān)。因此，當(dāng)電流表內(nèi)阻隨溫度變化時，不會影響測量精度。,為恒值，可通過調(diào)整電流表的機(jī)械零點(diǎn)來消除該項(xiàng)的影響。,標(biāo)定：開關(guān)S切換至標(biāo)定位置時，A5接受3V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，這時電流表應(yīng)指示在50的刻度上,B,1,U,2R,I 0與電流表內(nèi)阻無關(guān)，因此，當(dāng)電流表內(nèi)阻隨溫度變化時，不會影響測量精度。,為恒值，可通過調(diào)整電流表的機(jī)械零點(diǎn)來消除該項(xiàng)的影響。,結(jié)論：,比例度：,積分時間：,m=1時，TI=0.012.5min， m=10時，TI=0.125min。,微分時間: TD=nRDCD=0.0410min;,微分增益: KD=n=10,積分增益:,當(dāng)m=1時，KI 105； 當(dāng)m=10時, KI104,調(diào)節(jié)器各項(xiàng)參數(shù)的取值范圍為：,相互干擾系數(shù),干擾系數(shù)F反映調(diào)節(jié)器參數(shù)(主要是KP、TI、TD) 互相影響的一個參數(shù)。 調(diào)節(jié)器的PID運(yùn)算電路是由PD電路和P