控制儀表與計算機控制裝置-模擬控制器工作原理

控制儀表與計算機控制裝置_模擬控制器工作原理第一頁，共49頁。2.2.1.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.2第二頁，共49頁。2.2.2.基本構(gòu)成環(huán)節(jié)的特性

電阻R氣阻R(a)

固定電阻(a)固定氣阻

(b)

可調(diào)電阻(b)可調(diào)氣阻

關(guān)系式R=U/I關(guān)系式R=△P/M傳遞函數(shù)U(s)/I(s)=R傳遞函數(shù)R=△P(s)/M(s)式中U——電阻兩端電壓；式中△P——氣阻兩端壓降I——流過電阻的電流。

M——氣體的質(zhì)量流量

模擬控制器都是由各種放大器和由電(氣)阻、電(氣)容構(gòu)成的基本環(huán)節(jié)組合而成.3第三頁，共49頁。基本元件電容C氣容C

(a)固定電容(b)可變電容a)固定氣容(b)可變氣容

關(guān)系式：關(guān)系式：

傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：

式中：q——電容中的電荷量；式中：m——氣容中的氣體質(zhì)量

iC——流過電容的電流；M——氣體的質(zhì)量流量；

UC——電容兩端的電壓。PC——氣容中的壓力。4第四頁，共49頁。比例環(huán)節(jié)

分壓電路

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應關(guān)系式：

傳遞函數(shù)：

式中KP——比例系數(shù)，0<KP<1節(jié)流通室（分壓氣路）

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應關(guān)系式（穩(wěn)態(tài)時）：

若P3=0（通大氣）

傳遞函數(shù)：

式中

KP——比例系數(shù)，0<KP<1

5第五頁，共49頁。積分環(huán)節(jié)積分電路

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數(shù)

式中T——時間常數(shù)，T=RC節(jié)流盲室（積分氣路）

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數(shù)：

式中T——時間常數(shù),T=RC6第六頁，共49頁。微分環(huán)節(jié)微分電路

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數(shù)：

式中T——時間常數(shù)，T=RC

微分氣路

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)階躍響應微分方程：

傳遞函數(shù)：

式中T——時間常數(shù)，T=RC7第七頁，共49頁。2.2.3.DDZ―Ⅲ型電動調(diào)節(jié)器

DDZ―Ⅲ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。8第八頁，共49頁。

基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成

基型調(diào)節(jié)器線路原理圖9第九頁，共49頁。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10第十頁，共49頁。

基型調(diào)節(jié)器的電路分析－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①是為了消除集中供電引入的誤差。②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：11第十一頁，共49頁。共模輸入電壓UC

利用迭加定理和差動輸入運算放大器電路輸出與輸入的關(guān)系式，對于測量信號Ui，則有

對于給定信號Us，則有

上述關(guān)系式表明：a)輸出信號Uo1僅與測量信號Ui和給定信號Us差值成正比，比例系數(shù)為-2，而與導線電阻上的壓降Ucm1和Ucm2無關(guān)。b)把以零伏為基準的、變化范圍為1～5V的輸入信號，轉(zhuǎn)換成以UB(10V)為基準的、變化范圍為0～±8V的偏差輸出信號V01。12第十二頁，共49頁。(2)比例微分電路

比例微分電路的作用是對輸入電路的輸出信號V01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。

無源比例微分電路的傳遞函數(shù)為：

13第十三頁，共49頁。同相端輸入運放電路的傳遞函數(shù)為：

比例微分電路的傳遞函數(shù)為：

14第十四頁，共49頁。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：

比例微分電路15第十五頁，共49頁。PD電路的定性分析在t=0+，由于電容CD上的電壓不能突變，所以UT(0+)=U01

t＞0，CD兩端的電壓按指數(shù)規(guī)律不斷上升故UT按指數(shù)規(guī)律不斷下降當充電過程結(jié)束時，UCD=UR11UT(∞)=U01/n由于U02=αUT，因此U02的變化規(guī)律與UT相同，

而且有

16第十六頁，共49頁。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進行比例積分運算其傳遞函數(shù)為：

TI=RICI

17第十七頁，共49頁。

比例積分電路實際的輸出輸入關(guān)系聯(lián)立求解以上三式，化簡后可求得KI=K3CM/CI

18第十八頁，共49頁。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

19第十九頁，共49頁。積分時間TI的倍率開關(guān)K3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/mU0

m=(R14+R15)/R15≈10積分時間是刻度值的10倍。

積分時間TI的倍率開關(guān)20第二十頁，共49頁。(4)整機傳遞函數(shù)TD

F=1+——

Ti21第二十一頁，共49頁。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運算電路是由PD電路和PI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?。瑢嶋H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+——

Ti22第二十二頁，共49頁。PID電路階躍輸入信號的表達式

23第二十三頁，共49頁。輸出電路輸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1~5VDC電壓信號U03轉(zhuǎn)換為流過負載RL（一端接地）的4~20mADC輸出電流I0

24第二十四頁，共49頁。輸出電路

I0=I0'-If25第二十五頁，共49頁。輸出電路I0=I0'-If26第二十六頁，共49頁。

手操電路的作用是實現(xiàn)手動操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式

手操電路手動操作電路原理圖

27第二十七頁，共49頁。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)

扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側(cè)時，+UR通過由RM、CM和A3組成的積分電路使U03線性下降；當扳鍵S4扳向-UR一側(cè)時，U03線性上升。

28第二十八頁，共49頁。軟手操電路29第二十九頁，共49頁。硬手操電路

作用：二是由RE、RF和IC3組成了一個比例電路一是使CI兩端的電壓恒等于V02；因為

RF==RE=30kΩ所以

U03=–UH30第三十頁，共49頁。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)

為無平衡無擾動切換A3處于保持工作狀態(tài)，U03保持不變

軟手動→自動硬手動→自動

為無平衡無擾動切換

UCI=U02

，UF3=0，電容沒有充放電現(xiàn)象

自動→硬手動軟手動→硬手動須進行預平衡操作

31第三十一頁，共49頁。指示電路

R25=R26=R27=R28

U0=Ui

I0=I0'+If

32第三十二頁，共49頁。

（1）偏差報警電路基型調(diào)節(jié)器的附加電路

33第三十三頁，共49頁?；驼{(diào)節(jié)器的附加電路（2）輸出限幅電路34第三十四頁，共49頁?；驼{(diào)節(jié)器的附加電路（3）PI/P切換調(diào)節(jié)器35第三十五頁，共49頁。DDZ―Ⅱ型電動調(diào)節(jié)器PID運算電路分析

36第三十六頁，共49