《模拟式控制器》PPT课件.ppt

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1、控制装置,第一篇 模拟式控制仪表及装置,控制装置,第一章 模拟式控制器,控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，并输出统一标准信号,去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。,模拟控制器,第一节 控制器的运算规律和构成方式,控制器的运算规律和构成方式,一、概述,在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控变量偏离给定值，从而产生偏差 xixs。,控制器的运算规律就是指控制器的输出信号与输入偏差之间随时间变化的规律。在研究控制器特性时，输出信号通常指的是变化量，而对输入偏差来说，其初值为零，因此既是变化量，又是

2、实际值。习惯上称0正偏差，0为负偏差。正作用控制器：输入信号增大，输出信号y也增大（或输入信号减小，输出信号y也减小）；反作用控制器：输入信号增大，输出信号y减小（或输入信号减小，输出信号y增大）。,控制器的运算规律和构成方式,基本运算规律有比例（P）、积分（I）和微分（D）三种，各种控制器的运算规律均是由这些基本运算规律组合而成的。,控制器的运算规律和构成方式,二、PID控制器的运算规律,理想PID控制器的运算规律可用下式表示：也可用传递函数表示为 式中 KP控制器的比例增益；TI 控制器的积分时间，以秒或分为单位；TD控制器的微分时间，以秒或分为单位。,PID运算规律的表示形式,控制器的运

3、算规律和构成方式,两点说明：运算规律通常是用增量形式来表示的，若用实际输出值y表示，则应写为 式中 y控制器的输出起始值，亦即 瞬间，时的输出值。当控制器为正作用时，控制器的输出值y为：当控制器为反作用时，控制器的输出值y为：,控制器的运算规律和构成方式,传递函数的表示形式,实际PID控制器,F 控制器变量之间的相互干扰系数，可表示为,KpF 考虑相互干扰系数后的实际比例增益,KI 积分增益,考虑相互干扰系数后的实际微分时间,FTI 考虑相互干扰系数后的实际积分时间,KD 微分增益,控制器的运算规律和构成方式,比例（P）运算规律,具有比例控制规律的控制器称为P控制器，其输出信号 与输入偏差之间

4、成比例关系。对 PID控制器而言，当积分时间，微分时间 时，控制器呈P控制特性。,P控制器输出与输入的关系式为：,或,控制器的运算规律和构成方式,1.比例度,在实际控制器中常用比例度（或称比例带）来表示比例作用的强弱。比例度的一般表达式为：,式中 偏差变化范围；输出信号变化范围。在单元组合仪表中，。此时，比例度可表示为,可见，与KP成反比。愈小，KP愈大，比例作用就愈强。,控制器的运算规律和构成方式,2.P控制特性,在阶跃信号作用下，P控制器的输出响应特性如图所示。输出幅度的大小取决于Kp（或）值。,P控制的特点：反应快，控制及时，但系统有余差。比例度与系统稳定性的关系:越小，系统控制越强，但

5、并不是越小越好。减小将使系统稳定性变差，容易产生振荡。P控制器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。,控制器的运算规律和构成方式,比例积分（PI）运算规律,具有比例积分控制规律的控制器称为PI控制器。对PID控制器而言，当微分时间TD0时，控制器呈PI控制特性。,控制器的运算规律和构成方式,1.理想PI控制器的特性,积分增益 时的PI控制器为理想PI控制器，其表达式为：或 控制器的输出y可表示为比例作用的输出yp与积分作用的输出yi之和 式中，。积分作用能消除余差：积分输出项表明，只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来。上式还表明，积分作用输出变化

6、的快慢与输入偏差的大小成正比，而与积分时间TI成反比。TI愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。,控制器的运算规律和构成方式,积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构成PI控制器。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故控制作用缓慢，造成控制不及时，使系统稳定裕度下降。,控制器的运算规律和构成方式,理想PI控制器的阶跃响应特性,在阶跃偏差信号作用下，理想PI控制器的输出随时间变化的表达式为：,在阶跃正偏差信号加入的瞬间，输出突跳至某一值，这是比例作用（）；以后随时间不断增加，为积分作用（）。若取积分作用的输出等于比例作用的输出，即，可得。这就是定义和测定积分时间的依据。也就是说，在阶跃信

7、号作用下，积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。,控制器的运算规律和构成方式,2.实际PI控制器的特性,实际PI控制器的传递函数为,在阶跃信号作用下，利用拉氏反变换，可得:,实际PI控制器的阶跃响应特性如图所示。由图可知，积分输出并非直线增长，而是按指数曲线（时间常数为KITI）规律变化的，最终趋向于饱和。其稳态值（即最大值）为KPKI。此值取决于控制器的积分增益KI或开环增益（稳态时的放大倍数）K。,控制器的运算规律和构成方式,积分增益KI的意义是，在阶跃信号作用下，PI控制器输出变化的最终值（假定偏差很小，输出值未达到控制器的输出限制值）与初始值（即比例输出值

8、）之比：开环增益K和积分增益KI的关系为 当积分增益KI为无穷大时，这时就相当于理想PI控制器的输出了。实际上，PI控制器的KI一般都比较大（数量级为），因此可认为实际PI控制器的特性是接近于理想PI控制器特性的。,控制器的运算规律和构成方式,3.控制点偏差和控制精度,实际PI控制器的积分增益虽然比较大，但仍是一有限值，因此当控制器的输出稳定在某一值时，测量值和给定值之间依然存在偏差（也就是说实际PI控制器不可能完全消除余差），这种偏差通常称为控制点偏差。当控制器的输出变化为满度时，控制点的偏差达最大，其值可表示为控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的调节精度（），考虑到控制器输入信号和输出信

9、号的变化范围是相等的，故有控制精度是控制器的重要指标，它表征控制器消除余差的能力。KI（或K）愈大，控制精度愈高，该控制器消除余差的能力也愈强。,控制器的运算规律和构成方式,比例微分（PD）运算规律,具有比例微分控制规律的控制器称为PD控制器。对PID控制器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD控制特性。,控制器的运算规律和构成方式,1.理想PD控制器的特性,微分增益 时的PD控制器为理想PD控制器，其表达式为：或 包括比例作用的输出和微分作用的输出两部分。微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间TD成正比。微分时间愈长，微分作用就愈强。微分作用是根据偏差变化速度进行控制的。即使很小，只要出现变化

10、趋势，就有控制作用输出，故有超前控制之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性，不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。当偏差为阶跃信号时，在出现阶跃的瞬间，偏差变化速度很大，理想PD控制器的输出也非常大。这在实际上是很难实现的，而且对系统也无益，所以在工业上使用的是实际PD控制器。,控制器的运算规律和构成方式,实际PD控制器的传递函数为,1.实际PD控制器的特性,相当于对理想PD控制器串接了一阶惯性环节。,在阶跃偏差信号作用下，利用拉氏反变换可求得实际PD控制器的输出为：,控制器输出的初始值为KPKD，它是按指数曲线（时间常数为）规律

11、下降的，最终稳定在KP值（即）。控制器输出最大值（即初始值）的幅度取决于微分增益KD。,控制器的运算规律和构成方式,微分增益KD的意义是，在阶跃信号作用下，PD控制器输出变化的初始值与最终值（即比例输出值）之比：微分增益愈大，微分作用愈趋近于理想。但在电动控制器中，为使控制器在高频信号作用下的输出幅度不致于过大，一般KD取510。如果微分增益，就等同于单纯的比例作用。如果，则控制作用反而减弱，这时称为反微分。在噪声较大的系统中，反微分作用可起到较好的滤波效果。,控制器的运算规律和构成方式,微分时间TD的测定：在阶跃信号作用下，实际PD控制器的输出同样可看做yP和yD两部分之和。设，代入上式，可

12、得微分部分的输出值为此值相当于图中的BC，AB为实际PD控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的63.2所经历的时间，就是微分时间常数。此时间常数再乘上微分增益KD即为微分时间TD。,控制器的运算规律和构成方式,比例积分微分（PID）运算规律,理想PID控制器的运算规律：,实际PID控制器的运算规律：,当偏差为阶跃信号时，利用拉氏反变换，可得：,控制器的运算规律和构成方式,PID运算规律的阶跃响应特性,当 时，；当 时，。由图可知，控制器的比例增益、积分时间和微分时间等变量也可由图解法求得。,控制器的运算规律和构成方式,三、PID控制器的构成,控制器对输入信号与给定信号的偏差进行PID运算，因

13、此应包括偏差检测和PID运算两部分电路。,偏差检测电路通常称为输入电路。偏差信号一般采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。输入电路同时还必须具备内外给定电路的切换开关，正、反作用切换开关和偏差指示（或输入、给定分别指示）等部分。,PID运算电路是实现控制器运算规律的关键部分。,控制器的运算规律和构成方式,PID运算电路的构成方式,放大器K0,PID反馈电路,输出I0，U0,偏差,Uf,控制器的运算规律和构成方式,PID运算电路的构成方式,偏差,P,D,I,输出I0,U0,模拟控制器,第二节 基型控制器,基型控制器,一、概述,作用：对来自变送器的15V直流电压信

14、号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出420mA DC的控制信号。种类：全刻度指示 国内：DTL3110（吉林、西安），DTZ2100（上海、四川），国外：ICE；偏差指示 国内：DTL3210（吉林、西安），DTZ2200（上海、四川），国外：ICD。功能：具有偏差（或测量值、给定值）指示、输出指示、内外给定及软、硬手操和正、反作用切换等功能。主要性能指标：调节精度0.5，测量和给定信号指示精度1，比例度2500，积分时间0.0125min（分两挡）,微分时间0.0410min，负载电阻250750，输出保持特性。,基型控制器,面板结构,基型控制器,侧面结构,基型控制器,尾部接线

15、端子,基型控制器,组成：控制单元和指示单元两部分组成。控制单元包括输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操和硬手操电路等。指示单元包括测量信号指示电路和给定信号指示电路。,基型控制器,二、输入电路（偏差差动电平移动电路）作用：将测量信号Ui和给定信号Us相减，得到偏差信号，再将偏差信号放大两倍后输出；移动信号基准电平，将以零伏为基准的Ui和US转换成以电平UB（10V）为基准的输出信号。组成：内、外给定电路，内、外给定选择开关S6，正、反作用选择开关S7等。,基型控制器,电路分析：,取：,基型控制器,采用差动输入方式的目的，是为了消除集中供电引入的误差。差动放大器对共模信号有很强的抑制

16、能力。电平移动的目的是使运算放大器IC1工作在允许的共模输入电压范围之内。若不进行电平移动，即，则从图可知，在信号下限时，IC1同相端和反相端的电压UT、UF将小于1V，而在24V单电源供电时的运算放大器共模输入电压的下限值一般在2V左右，因此在小信号时，运算放大器将无法正常工作。现把IC1同相端的电阻R6接到电压为10V的UB上，这样就提高了IC1输入端的电平，而且输出电压U0l也是以UB为基准，故输出端的电平也随之提高。,基型控制器,上述关系式表明：输出信号U01仅与测量信号Ui和给定信号US的差值成正比，比例系数为2，而与导线电阻上的压降UCM1和UCM2无关。由关系式可知，IC1输入端

17、的电压UT、UF是在运算放大器共模输入电压的允许范围（222V）之内，所以电路能正常工作。把以零认为基准的、变化范围为15V的输入信号，转换成以10V为基准的、变化范围为08V的偏差输出信号U01。若以零伏为基准，U01的变化范围则为218V，从而满足了后级电路的运算放大器对共模输入电压的要求。,基型控制器,输出偏差U01既是绝对值，又是变化量，在以下讨论PID电路的运算关系时，将用增量形式U01表示。前面的分析和计算都假定R6与R1R5相等。事实上，为了保证偏差差动电平移动电路的对称性，其阻值应略大于R5，即 大于R5。此时由于 R5（500k）R7/R8所以,基型控制器,三、比例微分（PD

18、）电路作用：将输入电路输出的，以UB为基准的电压信号U01进行比例微分（PD）运算，然后输出电压信号U02给比例积分（PI）电路。组成：无源比例微分网络和比例运算放大器串联。图中：RP比例电位器；RD微分电位器；CD微分电容。,基型控制器,1.运算规律 由于采用了同相端输入方式，其输入阻抗很高，因此在分析比例放大电路的运算关系时，可以忽略其影响。S“通”：电路对信号作比例微分运算；S“断”：电路对信号作纯比例运算。当输入U01为一阶跃信号时（S“通”）：在 时，（电容CD上的电压不能突变）随着电容CD充电过程的进行，CD两端电压从零伏起按指数规律不断上升，UT按指数规律不断下降。,在 时，充电

19、结束时，电容CD上的电压将等于电阻9.1k上的电压，此时，并保持该值不变。,基型控制器,比例运算放大器的比例系数为，其输出信号，而 若将运算放大器视为理想运算放大器，则,令：则,反拉氏变换式中：,基型控制器,讨论：当 时，当 时，当 时，,基型控制器,2.比例微分选择开关的无扰动切换原理 开关S 无扰动切换：开关S位置的变化，不影响电路的输出，即电路的输出保持不变。当开关S接在“通”上，如果电路稳定（稳定），电容CD相当于开路，而“断”点的电位也为。因此，从“通”切换到“断”时，保持不变，即开关S从“通”切换到“断”是无扰动切换。此时微分作用被切除，电路只具有比例作用。这时CD并联在9.1k电

20、阻的两端，CD的电压始终跟着9.1k电阻上的压降。当开关S从“断”切换到“通”时，由于CD两端的电压不能突变，因此CD右端的电位为，与 相同，从而保证了电路的输出不因接通微分作用而发生变化，实现了无扰动切换。,基型控制器,3.对IC2要求 共模输入范围 218V（以 为基准电压）输出电压范围 218V（以 为基准电压）（取，）高增益 高输入阻抗 应选择高输入阻抗的运算放大器,基型控制器,四、比例积分（PI）电路作用：将输入信号进行比例积分运算；实现手自动选择（开关S1、S2为联动开关）。,组成：比例运算和积分运算两部分电路组成。比例运算的输入信号为；积分运算的输入信号为；S3为积分换挡开关，置

21、“1”挡时，；置“10”挡时，。,基型控制器,理想运算放大器IC3，即，比例：积分：比例积分：(令)取，比例系数，即：比例度 阶跃信号输入输出关系,1.运算规律,基型控制器,实际运算放大器，即A3为有限值，(UB为参考电位)即对IC3的反相端UF：,反拉氏变换式中：(),基型控制器,讨论：当 时，当 时，当 时，,比例积分电路在阶跃信号作用下，其输出将以一定速度增长或减小，直至电路达到极限状态为止。为了使电路的输出有一个比较一致的范围，并与420mA相对应，电路中加了稳压管2CW7D和三极管3DG6D，当三极管截止，电路输出 被限制在0.7V左右，而其上限则被稳压管限制在5.3V左右。因此比例

22、积分电路的输出范围是。,基型控制器,PI电路的积分饱和问题 对于PI电路，只要输入信号U02不消除，U03将不断地增加（或减小），直到输出电压被限制住，即呈饱和工作状态时为止。在正常工作时，电容CM上的电压UCM恒等于输出电压U03，但在饱和工作状态时，输出电压已被限制住，而输入信号U02依然存在，U02将通过RI向CM继续充电（或放电），所以UCM将继续增加（或减小），这时它已不等于U03了，其结果是使IC3的，这一现象就称为“积分饱和”。如果这时输入信号U02极性改变，由于电容CM上的电压不能突变，故IC3的输出U03不能及时地跟着U02变化，控制器的控制作用将暂时处于停顿状态，这种滞后必

23、然使控制品质变坏。解决积分饱和现象的关键是，在PI电路的输出一旦被限制时，即U03不能再增加（或减小）时，应设法停止对电容CM继续按原来方向充电（或放电），使其不产生过积分现象。基型控制器在控制系统的正常工况下，偏差不是很大，而且不是以某种固定的极性长时间的存在，则IC3的输出将在正常范围内，这时积分饱和现象就不容易出现。,基型控制器,3.对IC3要求 与IC2要求相同，即因选择高输入阻抗的运算放大器。,基型控制器,五、比例积分微分（PID）电路传递函数,设，分母中 1，可忽略，,整机传递函数为：,在阶跃信号作用下：,基型控制器,各参数如下：比例度；积分时间，；微分时间；微分增益；积分增益，干

24、扰系数。实际整定参数与刻度值之间的关系为：,基型控制器,当 时，控制器的静态误差为当KP及KI取最小值KPmin和KImin，而 取最大值4V时，调节器的最大静态误差为 控制器的调节精度（不考虑放大器的漂移、积分电容的漏电等因素）为：由上可知，该调节器有如下特点：相互干扰系数较小；能以较小的RC获得较大的TD、TI；积分增益高，故控制精度也高。,基型控制器,六、输出电路 作用：把PID电路输出的、以UB为基准的15V直流电压转换成420mA的输出直流电流（电压电流的转换）。,图中：；,基型控制器,假设IC4为理想运算放大器，则,图中：；,而,上式中，如果取，则If为运算误差。当 时，误差最大，

25、此时。可以认为If很小，作为运算误差，可取 来消除误差。,基型控制器,七、手动操作电路 手动操作电路分为软手操和硬手操两种,基型控制器,1.软手操电路 当联动开关S1、S置“M”（软手操），IC3的反相端断离自动输入信号，通过RM接至VR或VR，组成积分电路；同时S2将CI与RI公共端接到电平UB，使U02贮存在CI中。软手操的输入信号为VR或VR，由S4来切换。当S4VR时，电压U03按积分规律上升；当S4VR时，电压U03按积分规律下降。,其变化量：为接通UR的时间，则软手操输出满量程所需的时间为，因此，输出电压的上升或下降的快慢取决于RM和CM。当，时，快挡；慢挡。开关S4还有一个“断”

26、位置，不扳动开关S4，即处于“断”位置。这时IC3输入端浮空，输出U03将保持在原数值上。（应选用高输入阻抗的运算放大器和漏电流特别小的电容CM）,基型控制器,2.硬手操电路当联动开关S1、S2置“H”（软手操），IC3的反相端接至电位器WH的滑动触点，电容CM与RF并联，而CM可视为开路状态。（因为硬手动输入信号UH一般为变化缓慢的直流信号，RF与CM并联后，可忽略CM的影响。，）由于，所以硬手动操作电路实际上是一个比例增益为1的比例运算电路，即，调WH即可改变UH的值，U03跟着改变。,基型控制器,3.操作状态间的相互切换 无平衡无扰动切换无平衡切换：是指在自动和手动相互切换时，无需事先调

27、平衡，可以随时切换至所要求的位置。无扰动切换：是指在切换瞬间调节器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。,（事先平衡将UH调至控制器输出）。,基型控制器,八、指示电路作用：把以零伏为基准的15V DC输入信号转换成以UB为基准的15mA DC电流信号，是一个具有电平移动、差动输入方式的比例运算放大器。,全刻度指示控制器的测量信号指示电路和给定信号指示电路是完全相同的。,为了检查指示电路的示值是否正确，设置了标定电路。当开关S切至“标定”时，IC5接受3V的标准电压信号，这时电流表应指示在50的刻度上，否则应调整RL和电流表的机械零点。,基型控制器,当开关S切至“测量”时，IC5接受Ui信号。假设IC5为理想运算放大器，,而，,电流表置于IC5的输出端与U0之间而不与RL串联在一起的原因，是为了使测量结果免受电流表内阻随温度变化的影响，提高测量精度。,得：,If反馈电流，,，忽略,（取）,模拟控制器,第三节 特种控制器和附加单元,特种控制器和附加单元,一、积分反馈型积分限幅控制器,二、PI-P切换控制器,特种控制器和附加单元,三、偏差报警单元,特种控制器和附加单元,四、输出限幅单元,特种控制器和附加单元,