過程控制及儀表(2)_dlh

1、1遼寧科技大學電信學院遼寧科技大學電信學院過程控制及儀表過程控制及儀表2第二章第二章 基型控制器基型控制器 基型控制器又稱基型調(diào)節(jié)器，對來自變送器的基型控制器又稱基型調(diào)節(jié)器，對來自變送器的1-5V1-5V直流電壓信號與直流電壓信號與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進行給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進行PIDPID運算，輸出運算，輸出4-20mA4-20mA（DCDC）直流控制）直流控制信號。信號。一、基型控制器介紹一、基型控制器介紹調(diào)節(jié)器在控制回路中的位置？調(diào)節(jié)器在控制回路中的位置？控制器執(zhí)行器被控對象變送器給定值被控量操縱量-3第二章第二章 基型控制器基型控制器基型控制器組成：由控制單元和指示單元組成。見

2、圖基型控制器組成：由控制單元和指示單元組成。見圖2-1。4第二章第二章 基型控制器基型控制器控制單元：控制單元： 輸入電路輸入電路(偏差差動和電平移動電路偏差差動和電平移動電路)、PID運算電路運算電路(由由PD與與PI運算電路串聯(lián)運算電路串聯(lián))、輸出電路、輸出電路(電壓、電流轉(zhuǎn)換電路電壓、電流轉(zhuǎn)換電路)以及以及硬、軟手操電路；硬、軟手操電路；指示單元：指示單元： 測量信號指示電路、設定信號指示電路。測量信號指示電路、設定信號指示電路。給定方式給定方式： 內(nèi)給定信號內(nèi)給定信號：1 15V5V直流電壓；直流電壓； 外給定信號：外給定信號：4 420mA20mA直流電流，（它經(jīng)過直流電流，（它經(jīng)過

3、250250精密電阻精密電阻轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成1 15V5V直流電壓）直流電壓）調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)： “自動自動”、“軟手動軟手動”、“硬手動硬手動”及及“保持保持”四種。四種。5第二章第二章 基型控制器基型控制器“自動自動”狀態(tài)：狀態(tài)： 測量信號與設定信號通過輸入電路進行比較，由比例微分電路、測量信號與設定信號通過輸入電路進行比較，由比例微分電路、比例積分電路對其偏差進行比例積分電路對其偏差進行PDPD和和PIPI運算后，再經(jīng)過輸出電路轉(zhuǎn)換為運算后，再經(jīng)過輸出電路轉(zhuǎn)換為4 420mA20mA直流電流，作為調(diào)節(jié)器的輸出信號去控制執(zhí)行器。直流電流，作為調(diào)節(jié)器的輸出信號去控制執(zhí)行器?！败浭?/p>

4、動軟手動”狀態(tài)狀態(tài)： 可以通過選擇鍵位調(diào)節(jié)器處于可以通過選擇鍵位調(diào)節(jié)器處于“保持保持”( (即它的輸出保持切換即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值前瞬間的數(shù)值) )狀態(tài)，或使輸出電流可按快或慢兩種速度線性地增狀態(tài)，或使輸出電流可按快或慢兩種速度線性地增加或減小，以對工藝過程進行手動控制。加或減小，以對工藝過程進行手動控制?！坝彩謩佑彩謩印睜顟B(tài)：狀態(tài)： 調(diào)節(jié)器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的調(diào)節(jié)器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的位置一一對應。位置一一對應。6第二章第二章 基型控制器基型控制器 在基型在基型控制控制器基礎(chǔ)上增設附加電路可構(gòu)成各種特種器基礎(chǔ)上增設附加電路可構(gòu)

5、成各種特種控制控制器，如器，如抗積分飽和抗積分飽和控制控制器、前饋器、前饋控制控制器、輸出跟蹤器、輸出跟蹤控制控制器、非線性器、非線性控制控制器、器、也可附加某些單元具有報警、限幅等功能。也可附加某些單元具有報警、限幅等功能。 基型控制器有兩個品種：基型控制器有兩個品種：全刻度指示控制器全刻度指示控制器和和偏差指示控制器。偏差指示控制器。 全刻度指示控制器主要性能指標：全刻度指示控制器主要性能指標： 測量和內(nèi)給定信號：測量和內(nèi)給定信號：15V(DC)；外給定信號和輸出信號：外給定信號和輸出信號：420mA(DC)；基本誤差一般為基本誤差一般為0.5%；少數(shù)品種為；少數(shù)品種為0.2%、 1.0%

6、；響應時間不超過響應時間不超過1s；負載電阻一般為負載電阻一般為250750；供電供電24V(DC)；測量和給定信號指示精度：測量和給定信號指示精度：1%；比例度：比例度：2%500%；積分時間：積分時間：0.0125min(分兩檔分兩檔)微分時間：微分時間：0.0410min。7第二章第二章 基型控制器基型控制器二、輸入電路二、輸入電路偏差差動電平移動電路偏差差動電平移動電路 _+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUFTsU2-2圖圖輸輸入入電電路路原原理理圖圖8第二章第二章 基型控制器基型控制器組成：組成：由由IC1IC1及電阻組成。及電阻組成。 輸入：輸入：Ui-UsUi

7、-Us。 輸出：輸出： Uo1 Uo1 ，以，以 UB UB 為參考電壓。為參考電壓。作用：作用：1). 1). 信號綜合信號綜合。將（。將（Ui-UsUi-Us）后放大兩倍反相以）后放大兩倍反相以Uo1 Uo1 輸出，即輸出，即 Uo1= -2(Ui-Us)Uo1= -2(Ui-Us)。 2). 2). 電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換。將以。將以0V0V為基準的輸入信號轉(zhuǎn)換為以為基準的輸入信號轉(zhuǎn)換為以 UBUB（10V10V）為基準的輸出信號）為基準的輸出信號Uo1Uo1。 電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換的目的：的目的：使使IC1IC1工作在允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)。工作在允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)。解決了單電源解決了單

8、電源24V24V供電的雙極性信號處理。供電的雙極性信號處理。二、輸入電路二、輸入電路9_+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUFTsU2-2圖圖輸輸入入電電路路原原理理圖圖電路分析電路分析： 同相輸入端等效電路同相輸入端等效電路 )(31BSTUUU反相輸入端等效電路反相輸入端等效電路 )21(311oBiFUUUU)( 21SioUUU10第二章第二章 基型控制器基型控制器三、三、PDPD電路電路組成：組成：IC2 、 CD 、 RD 、 S；輸入信號：輸入信號： U Uo1 ；輸出信號：輸出信號： U Uo2,送送PI電路；電路； 作用：對作用：對 Uo1進行進行PD運算，

9、運算，可設置可設置T D 、 KP （或比例度），（或比例度），見圖見圖2-5。 T D為微分時間；為微分時間； KP為比例系數(shù)。為比例系數(shù)。無源比例微分電路S置斷時，切除微分，只有比例作用比例運放電路_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U斷通S1 BUTF2-5 PD圖圖電電路路 表示相對于基準點表示相對于基準點UB的電壓。的電壓。11第二章第二章 基型控制器基型控制器。愈大，比例作用就越強愈小，成反比，與即可表示為：。此時比例度在單元組合儀表中，輸出信號變化范圍。偏差變化范圍；式中：比例度的一般表達式：比例度PPPKKKyyyyyyy%1001%100 minmaxm

10、inmaxminmaxminmaxminmaxminmax12第二章第二章 基型控制器基型控制器_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U斷通S1 BUTF2-5 PD圖圖電電路路13第二章第二章 基型控制器基型控制器 定性分析：定性分析： Uo1階躍時，階躍時，t0+時時CD電壓不能突電壓不能突變，變，Uo1全部加到全部加到IC2同相端，隨著同相端，隨著CD充電，充電，UCD從零按指數(shù)規(guī)律上升，從零按指數(shù)規(guī)律上升，UT按指數(shù)規(guī)律下降，當按指數(shù)規(guī)律下降，當CD充電結(jié)束，充電結(jié)束，穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時，CD電容相當于斷開，根據(jù)運電容相當于斷開，根據(jù)運放虛斷原則，放虛斷原則，RD上電流

11、為零。上電流為零。UT（）= 1/n*Uo1，并保持不變。并保持不變。Uo2與與UT的關(guān)系：的關(guān)系：Uo2 = UTUo2與與UT的曲線變化形狀相同。的曲線變化形狀相同。無源比例微分電路S置斷時，切除微分，只有比例作用比例運放電路n=10可改變比例度_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U斷通S1 BUTF2-5 PD圖圖電電路路下ppoppoRRRR 定量分析：定量分析：IC2 看作理想運放，對無源比例微分網(wǎng)絡有：看作理想運放，對無源比例微分網(wǎng)絡有：14第二章第二章 基型控制器基型控制器o1DTo1DDDDo1DDU (s)Rn1U (s)U (s)1nnRC s1nR

12、C s1 U (s)n1R C s對比例運放電路有：對比例運放電路有：o2FTFDDo2o1DDDDDDDo2o1DDDU (s)U (s)U (s)U (s)1 nR C sU (s)U (s)n1 R C s Kn;TnR C ,1 T sU (s)U (s)TK1sK 由由于于，所所以以從從上上兩兩式式可可得得設設則則無源比例微分電路S置斷時，切除微分，只有比例作用比例運放電路n=10可改變比例度15第二章第二章 基型控制器基型控制器無源比例微分電路S置斷時，切除微分，只有比例作用比例運放電路n=10_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U斷通S1 BUTF2-5 P

13、D圖圖電電路路所以PD電路的傳遞函數(shù)為：sKTsTKsWDDDDPD11)(12) 1(1)(otTKDDoUeKKtUDDPD電路的階躍響應輸出為：16第二章第二章 基型控制器基型控制器快速的調(diào)節(jié)作用，超前作用KD=n17第二章第二章 基型控制器基型控制器 當圖中開關(guān)處于當圖中開關(guān)處于“斷斷”的位置時，微分作用切除，電路只有的位置時，微分作用切除，電路只有比例作用。問：當電路由比例作用。問：當電路由斷到通斷到通時時IC2同相端電壓會不會突變，對同相端電壓會不會突變，對控制過程有無擾動。控制過程有無擾動。為什么？為什么？S斷時，即不加微分時，斷時，即不加微分時，UT= UO1/n， UO1通過

14、通過R1向向CD充電，充電，穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時CD兩端電壓為：兩端電壓為：UCD=(n-1) UO1/nS接通，加入微分時，接通，加入微分時，電容兩端電壓不能突變電容兩端電壓不能突變所以所以UT仍為仍為 UO1/n。在切換瞬間在切換瞬間UT保持不變，保持不變，對控制過程無擾動。對控制過程無擾動。18第二章第二章 基型控制器基型控制器四、四、PIPI電路電路組成：由組成：由IC3 、RI 、CM 、CI 組成，有源組成，有源PI運放電路；運放電路；輸入信號：輸入信號： Uo2輸出信號：輸出信號： U Uo3，送輸出電路。，送輸出電路。作用：將作用：將PD電路輸出的電路輸出的Uo2進進行行PI運算，輸出

15、以運算，輸出以UB為基準的為基準的15V電壓電壓Uo3至輸出電路；手至輸出電路；手操信號輸入，手自動切換在本操信號輸入，手自動切換在本級切入。級切入。_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF軟硬自軟手操信號硬手操信號S1S2軟硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI圖圖電電路路19第二章第二章 基型控制器基型控制器_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF軟硬自軟手操信號硬手操信號S1S2軟硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI圖圖電電路路聯(lián)動聯(lián)動20第二章第二章 基型控制器基型控制器S3積分換檔：積分換檔

16、：X1，X10兩檔；兩檔； S1 、S2：聯(lián)動開關(guān)，完成自：聯(lián)動開關(guān)，完成自動、軟手動、硬手動切換動、軟手動、硬手動切換（系統(tǒng)手動操作）；（系統(tǒng)手動操作）；PI電路的等效電路：圖電路的等效電路：圖2-8。比例電路部分：比例電路部分： CI 、CM積分電路部分：積分電路部分：RI 、CMm: X1檔時，檔時，m=1; X10檔檔時，時，m=10.比例比例積分積分比例輸入比例輸入積分輸入積分輸入_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF軟硬自軟手操信號硬手操信號S1S2軟硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7PI圖圖電電路路_+o3UFTIC3CMRICIo2

17、Uo2Um2-8 PI圖圖電電路路的的等等效效電電路路21第二章第二章 基型控制器基型控制器定量分析：定量分析：（1）設）設IC3 為理想運放為理想運放其輸出電壓由兩部分組成：其輸出電壓由兩部分組成：1 比比例例運運算算的的輸輸出出電電壓壓為為積積分分運運算算的的輸輸出出電電壓壓為為將將以以上上兩兩式式相相加加，便便可可得得到到的的輸輸出出為為Io3Po2Mo2o3IIM3IIo3o2o2MIMMIIC U(s)U (s)CU (s)1 U(s)R C smICCC11U (s)U (s)U (s)CmR C sCmR C si3RA_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI圖

18、圖電電路路的的等等效效電電路路設設TI=mRICI,則則)(11)(23sUsTCCsUoIMIo3A22第二章第二章 基型控制器基型控制器5111111011, 而而且且由由此此兩兩式式可可求求的的因因，故故可可略略去去不不計計，于于是是電電路路的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)為為o2Fo2FFo3IIMo33FIMIIo3o2I3M3IMI33MU (s)U (s)U (s)/mU (s)U (s)U (s)11RC sC s U (s)AU (s) C1CmR C sU (s) U (s) C1ACA R C sCAACPI_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI圖圖電電路路的的等

19、等效效電電路路i3RA（2）設）設IC3 為實際運放為實際運放3A23第二章第二章 基型控制器基型控制器 (S)UT11CC(S)UPIPI02IMI03S：理想實際24第二章第二章 基型控制器基型控制器(1)e IItK TIo3IIo2MI PICU (t)KKUC2-9T PI 在在階階躍躍輸輸入入作作用用下下，電電路路輸輸出出的的時時間間函函數(shù)數(shù)表表達達式式為為階階躍躍響響應應特特性性如如圖圖所所示示。利利用用此此階階躍躍響響應應函函數(shù)數(shù)，可可由由實實驗驗法法求求取取積積分分時時間間 。電電路路的的積積分分飽飽和和問問題題：解解決決積積分分飽飽和和現(xiàn)現(xiàn)象象的的辦辦法法：緩慢的調(diào)節(jié)作用，

20、直到偏差為零時才不變化。02MI03I02IMI0302MI03UCC2UTtUKCCUtUCCU0t時，當時，當時，當oto2Uoto3UIo2MCUCITIo2MCUCIIo2MCKUC2-9PI圖圖電電路路階階躍躍響響應應特特性性25第二章第二章 基型控制器基型控制器pPI電路電路積分飽和積分飽和問題問題 UO3被限幅時，如果被限幅時，如果UO2不改變不改變方向，電容方向，電容CM繼續(xù)充電，繼續(xù)充電，UCM繼續(xù)上繼續(xù)上升，使得升，使得UCMUO3，UF UT,當當UO2反向時，反向時， UCM逐漸減小，逐漸減小，UO3仍然仍然不變，直到不變，直到UO3=UCM退出飽和。退出飽和。 在飽和

21、區(qū)，輸入在飽和區(qū)，輸入UO2變化，輸出變化，輸出UO3不變，控制器輸出處于失控狀不變，控制器輸出處于失控狀態(tài)，動態(tài)性能嚴重變壞。態(tài)，動態(tài)性能嚴重變壞。p解決積分飽和辦法：解決積分飽和辦法：1)對控制器的輸出加以限幅，使其對控制器的輸出加以限幅，使其不超過額定的最大值或最小值。不超過額定的最大值或最小值。2)限制積分電容兩端的充電電壓。限制積分電容兩端的充電電壓。3)切除積分作用。切除積分作用。ttUo3Uo2積分飽和UCM_+o3UFTIC3CMRICIo2Uo2Um2-8 PI圖圖電電路路的的等等效效電電路路26第二章第二章 基型控制器基型控制器12( )12IDIDDMDIIDDIIIDD

22、MDIIIID1C1T sTsW sT1KC1sKK TsT11T sCTTs T1TnC1sK K TK TsK五、五、PIDPID電路傳遞函數(shù)電路傳遞函數(shù)PID運算是輸入電路、運算是輸入電路、PDPD電路和電路和PIPI電路三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。電路三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。27sKTsTKsFTsFTFKsWDDIIDIP1111)(式中，干擾系數(shù)：1DITFT MIPnCCK2比例增益：1PK比例度：DDDDDCRCnRT10微分時間：10 nKD微分增益：積分時間：IIICmRT 積分增益：IMICCmKK3 由于相互干擾系數(shù)F的存在，上述參數(shù)的實際整定值與刻度值（ F 1時）之間的關(guān)系為：

23、 *FFTTDD*IIFTT*說明三個參數(shù)調(diào)整時互相干擾，造成調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度無法準確。說明三個參數(shù)調(diào)整時互相干擾，造成調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度無法準確。五、五、PIDPID電路傳遞函數(shù)電路傳遞函數(shù)28拉氏反變換后，可求得輸出與輸入的時間函數(shù)表達式為： )(3otU3( )()(1) ()()DI IDKttK TTOPIDisVtK FKFeKF eVV圖2-11為輸入信號為階躍作用時，調(diào)節(jié)器的輸出響應特性： 圖2-11 PID調(diào)節(jié)器的輸出階躍響應曲線 U03t整個曲線由比例項、積分項和微分項三部分組成。調(diào)節(jié)范圍：比例度：=2500%，微分時間TD=0.0410分積分時間TI =0.012.

24、5分 (1檔)，TI =0.125分 (10檔)五、五、PIDPID電路傳遞函數(shù)電路傳遞函數(shù)29作業(yè)p書上271頁n2-4n2-730第二章第二章 基型控制器基型控制器作用：作用：把把PID輸出輸出Uo3 （以（以UB為基準）轉(zhuǎn)換為基準）轉(zhuǎn)換成成4-20mA.DC輸出。輸出。實現(xiàn)電壓實現(xiàn)電壓電流轉(zhuǎn)換。電流轉(zhuǎn)換。見圖見圖2-12。組成：由組成：由IC4 、VT1和和VT2復合管組成。復合管組成。_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250750fU24VLR2-12圖圖輸輸出出電電路路六、輸出電路六、輸出電路31第二章第二章 基型控制器基型控制器2424()24

25、/oof12BBFTBFo3BfFfofo3of III (2-11)IC4RRR,UKUUURU(1K)R(1K)UUUUURKRUIRU IRK定定量量分分析析：若若忽忽略略復復合合管管的的基基極極電電流流，有有現(xiàn)現(xiàn)設設為為理理想想運運放放, ,且且則則由由上上述述三三個個方方程程式式可可得得 2-12（）_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250 750fU24VLR2-12圖圖輸輸出出電電路路32第二章第二章 基型控制器基型控制器fOfOORURKUI433則則若取若取R1 = 4（K KR+ Rf）= 40.25K時，時，可以精確獲得關(guān)系：可以精確獲得關(guān)系：_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250750fU24VLR2-12圖圖輸輸出出電電路路mARUIIIfofoo2045 .624514333第二章第二章 基型控制器基型控制器軟手動操作電路是積分電路硬手動操作電路是比例電路_+IC3RICIo2U1k9.1ko3UBUTF軟硬自S1S2軟 硬自110S3CMVT+24V2.4k1kRFRHSRRM2RM1-URRM2RM1+URS41S42S43S4430k30k2-13圖圖手手動動操操作作電電路路七、手動操作電路七、手動操作電路分為軟手操和硬手操兩種方