Transcript 第3章

第3章 模拟式控制器
知识目标
了解控制器的种类及发展
理解比例、微分、积分三种基本控制规律的特点
掌握工程常用控制规律的特点及应用场合
了解DDZ-Ⅲ型控制器的主要功能
掌握DDZ-Ⅲ型基型控制器的构成原理
理解DDZ-Ⅲ型基型控制器的实现电路
技能目标
能够应用所学知识正确使用控制器
能够对控制器进行正确的调校
能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动/自动切换
EXIT
第1页
第3章 模拟式控制器
3.1 控制器的控制规律
3.2 DDZ-Ⅲ型控制器
3.3 基型控制器的运行方式
3.4 基型控制器的操作
EXIT
第2页
3.1 控制器的控制规律
一、概述
1、控制器的运算规律 概念: y=f(ε)
2、偏差的概念：ε=xi-xs 定值系统：Δxi=Δε
3、控制器的正、反作用：
xi↑→ε↑→y↑;ε＞0, Δy＞0→正作用
反之亦然。
4、控制器的基本运算规律：双位、P、I、D规律
控制器的组合运算规律： P I 、P D、 PID规律
EXIT
第3页
二、 控制器的控制规律
(一) P控制规律
1、 P控制规律定义：
P控制器的输出变化量ΔY与输入偏 差、 ε之间成
比例的关系。
ΔY=Kp·ε
ε
2、阶跃响应曲线：
3、比例度δ的概念：
0
t0

y
   max  100%
y
y max
1

 100%
KP
单元组合式仪表 :
δ用来表示P作用的强弱，δ↑→P作用↓
EXIT
0
t
t0
t
第4页
比例控制 规律及控制器
 示意图：
偏差
ε=xi - xs
xi
控制器输出
I0
△y
控制器
测量值 xs
设定值 △y
ε
ε
△y
KP >1
KP =1
4~20 mA
KP <1
△y
- ε
EXIT
0
+ ε
比例控制器
KP
第5页
（二）I、PI规律
1. I 控制规律定义：
控制器的输出变化量Δy与输入偏差ε之间成积分的关系。
1
y 
TI
t
  dt
0
2.PI控制器的y与ε的关系：

1
y  K P   
TI

t

0

  dt 
3.阶跃响应曲线：ε=A常数 则：


1
y  K P  A 
At 
TI


4.积分时间Ti的定义及测试Ti的依据
5.控制点、控制点偏差与控制精度的概念
EXIT
第6页
1
1
y  (   dt)

Ti
2.比例积分作用 PI
ε
ε
A
0
A
t
t0
0
I △y
t
t0
△y
PI
0
t0
0
t
t0
t
Ti
积分作用的依据是偏差对时间的累积，
作用是消除余差。
EXIT
第7页
积分控制规律
ε:为阶跃信号时
积分是偏差对
时间的累积:
ε=0时输出不变
或称积分保持
ε
t
0
△y
PI
t
0
Ti
EXIT
第8页
比例-积分规律
ε :为阶跃信号时
ε
t
△y PI
△y I
△y P
+
=
t
t
EXIT
t
第9页
（三）D、PD规律
ε :为阶跃信号时
ε
t
△PP
△PPD
△PD
+
t
=
TD
t
EXIT
第10页
(四）PID三作用控制规律
 ε :为阶跃信号时
△PP
ε
t
t
△PI
△PD
△PPID
+
=
t
TD
t
EXIT
+
t
t
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比例、积分、微分三作用规律：
1
ε
0
p
1
p  ( e 

Ti
t
t0
de
 edt  Td  dt )
D
0
（1-1/ε）=63%
t0
t
Td
PID
0
I
t0
t
0
0
t0
t0
t
Ti
t
EXIT
第12页
3.2
DDZ-Ⅲ型控制器
一、Ⅲ型控制器的功能
二、Ⅲ型控制器的构成
三、Ⅲ型控制器的功能实现
EXIT
第13页
一、Ⅲ型控制器的功能
指示单元：测量信号Vi指示电路及显示表 : 显示 Vi的大小
给定信号Vs指示电路及显示表: 显示Vs的大小
控制单元：输入电路：偏差运算、电平移动 V01= －2(Vi -Vs)
PD电路：对V01进行PD运算
PI电路：对V02信号进行PI运算
输出电路:电压V03—电流I0的转换、电平移动
附加：内给定电路:提供Vs内
软手操电路:提供VR
硬手操电路:提供VH
控制器有四种工作状态：A、M、H、保持特性：

1
I 0  K P   
TI

d

dt

T
D
0
dt
t
EXIT




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二、Ⅲ型控制器的构成
指示单元
%
Vs
%
控制单元
给定
指示
给定
指示电路
测量
指示电路
K6
测量
标定
主电路: PID运算
3 V DC
PD运算
ε
Vi
测量
输入
1~5V
Vs
%
I0
输入
电路
V01 比例微
分电路
A：自动控制
V02 A
M
给定
信号
软手操
PI运算
K1
比例积
分电路
V03 输出
电路
输出
指示
输出
电流
I0
4 ~ 20 mA
H
Vi
测量
指示
硬手操
1~5V
外给定
输入
IS
4 ~ 20 mA
K5
VS外
VS内
外给定
内给定
给定
电路
软手操
电路电路 VR
VH
M
硬手操
电路电路
H
EXIT
附加电路:
手动遥控
第15页
三、Ⅲ型控制器的功能实现
控制电路
（一）输入电路
V01=-2（Vi-Vs）= -2ε
 1  TD S
（二）比例微分PD电路
V02 ( s)  
 V01 ( s)
TS
n 1  KD
对△ V01进行PD运算
t
1

C
TS
（三）比例积分PI电路
V03 ( s )   T 
 V02
1
CM 1  A T S
对ΔV02进行PI运算
1
（四）输出电路
I 0 
V03
250
（五）整机特性分析


1
I
I I
W ( S )  K P 1 
 TD S 
 TI S

EXIT
第16页
（一）输入电路
简单减法电路及存在的问题
V01  VF Vi  VF

0
KR
R
V01  K (VS  Vi )
设K=2,则有
i
i
V01  2(VS  Vi )  2(Vi  VS )
供电电源回路在导线电阻RCM上产生电压降VCM，使得输入控制器
的测量信号不只是V，而是V+VCM。引线电阻RCM上的压降
VCM就要引起较大的测量误差。这个误差的大小与引线
长度、粗细及环境温度有关。
EXIT
第17页
（一）输入电路
由于+24V单电源供电，使一般减法电路中的运算放大器输入
端电压有可能超出允许的共模电压范围而不能正常工作。
K
VT  V F 
VS
1 K
式中VS的取值范围为1~5V，系数K取2，则可算出IC1的
输入端电压范围
2
VT  VF  (1  5)V  0.67  3.3V
3
显然，当VS较小时，这样低的正反相输入端的共模电压，已
经超出了运算放大器的共模电压范围而不能正常工作。
一般运算放大器，为确保其正常的工作状态都有共模电压范围的要
求，在24V供电条件下，其共模电压允许范围为2～19V。
EXIT
第18页
（一）输入电路
偏差差动电平移动输入电路
设R1= R2= R3= R4= R5= R=500K
R7= R8=5K
IC1为理想运算放大器，则流入
IC1反相输入端的电流近似的为零。
即
1
V  VB  VF
Vi  VCM 1  VF VCM 2  VF 2 01


0
R1
R4
R5
1
1
VF  (Vi  VCM 1  VCM 2  VB  V01 )
3
2
V01  2(Vs Vi )  2(Vi  VS )
同理：
1
VT  (VS  VCM 1  VCM 2  VB )
3
EXIT
第19页
（一）输入电路
1.作用：(1)将Vi与Vs进行减运算，并放大2倍，
V01=-2（Vi-Vs）
(2)进行电平移动
(3)消除引线电阻上压降的影响
2.为什么要进行电平移动
为了使运放器IC1工作在允许的共模输入电压范围之内。
3.为什么要采用差动输入电路
为了消除集中供电引线电阻压降引入的误差
4.输入电路的特性：V01= －2(Vi -Vs) = －KP(Vi -Vs)
= － KPε
G1(S )= － KP= -2
EXIT
第20页
（二）比例微分PD电路
比例微分运算电路原理如图所示，它的作用是接受由输入电路送来的
以10V电平为基准的输出信号V01，对V01进行比例微分运算，再经比例
放大的后输出V02信号，送给比例积分电路。
RP为比例电位器，RD为微分电位器，CD为微分电容。控制RD可以
改变微分时间TD，控制RP可以改变比例度。开关K2用来切除或引
入微分作用，当开关K2置于“通”的位置，具有比例微分作用，
当不需要微分作用时，开关K2置于“断”的位置。
EXIT
第21页
分析PD作用的物理过程：
当开关K2置于“通”的位置时，若在电路输入端
加一正阶跃输入信号V01，在开始加入信号的瞬间
（t=0），由于电容CD上的电压VCD不能突变，输入信
号全部加到了IC2的同相输入端T点，使T点电压VT一
开始就有一跃变，其数值VT=V01，
随着电容器CD充电过程的进行，电容CD两端电压
VCD从零伏起按指数规律不断上升，所以VT按指数规律
不断下降。
当充电时间足够长时，被充电的电容CD上的电压
VCD等于输入电压V01在R9电阻上的分压，充电停止，
此时，并保持该值不变。
在这个过程中VT下降速度取决于RD、CD的大小，即取决
于微分作用的强弱，
EXIT
第22页
，
。
输入信号V01为阶跃信号时，V02的变化曲线形状与VT变化曲线完全一样。
V02 (0)  aVT (0)  aV01
V01
V02 ()  aVT ()  a
n
EXIT
第23页
（二）比例微分PD电路
1.作用：(1)对V01进行PD运算，V02送至PI电路，
(2)实现δ、Td的调整
2. 定性分析工作原理：
无源微分电路：
比例运算放大：
定量分析：
1 1  TD S
VT ( s )  
V01 ( S )
n 1  TS
V02 ( S )  VT ( S )
V02 ( s) 
EXIT
 1  TD S

n 1
TS
KD
 V01 ( s)
第24页
（三）比例积分PI电路
比例积分电路接收比例微分电路输出的以10V为基准的电压信号
V02，进行比例积分运算以后，输出以10V电平为基准的1-5VDC电压V03送至输出电路。该电路由运算放大器IC3，电阻RI，电容CM、CI等组成。
K3为积分换挡开关。积分时间有“乘1”与“乘10”两挡，由开关
K3选择。当K3置于“乘10”挡时，积分时间是刻度值的10倍。IC3输
出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。
由于射极跟随器的输出
信号与IC3输出信号同相位，
为便于分析，可把射极跟随
器包括在IC3中，于是PI电路
可简化成图示电路。
EXIT
第25页
设运算放大器IC3的放大倍数为A3，输入电阻Ri→∞晶体管射极跟
随器的电压增益为1，则有：
G PI ( s ) 
式中
V03 ( s )
 K p
V02 ( s )
Kp-比例积分电路的比例增益，
TI  mRI CI
KI 
1
T1 S
1
1
K 1T1 S
1
A3 C M
m CI
KP 
CI
CM
TI-积分时间，
KI-积分增益，
运算放大器IC3的放大倍数A3 很大，可近似为理想比例积分电路的传递
函数：
V03 ( s)
GPI ( s) 
  K p (1 
V02 ( s)
EXIT
1
T1S
)
第26页
当输入信号作阶跃度变化时，通过对上式进行反拉氏变换可得到
V03
t=0时，
t= ∞时，
t=TI时，
t
C1 
K1T1 



K

K

1
e
V02
I
I


CM 

V03 0   
V03    
V03  2
CI
V02
CM
CI
K IV02
CM
C1
V02
CM
输出V03的阶跃响应曲线
由于运算放大器IC3的放大倍数A3为有限值，因此积分增益KI也是有限值。
比例积分电路的最大输出电压是有限的。
EXIT
第27页
（三）比例积分PI电路
1.作用：
(1)对ΔV02进行PI运算
(2)实现Ti的调整
2.电路分析：理想特性：
V03 ( S )  
CT
t
(1 
) V02 ( S )
CM
m RI C I
V03 ( s)  
实际特性：
CT
t
(1 
)  V02 ( s)
CM
TI S
t
C T 1  TI S
V03 ( s )  

 V02
1
C M 1  AI TI S
EXIT
第28页
（四）输出电路
1．作用：①V03→I0
1
I 0 
V03
250
②电平移动
EXIT
第29页
（五）整机特性分析
TD 
1

1


S 

V (S )
TI FS F

W ( S )  03
 KPF
 (S )
1  1  T D S 

K I TI S K D 

KP 
2C I
nCM
TD
F 1
TI
TI  mRI C I TD  nRD C D
KD  n
AI  K I
控制器的整机线路分析
W ( s)  K p F
1
1
1
FTI S
1
K D K I TI

 TFD S
1
K I TI S

TD
KD
S
EXIT


1
W ( S )  K P 1 
 TD S 
 TI S

第30页
3.3 基型控制器的运行方式
一、自动运行方式
DDZ—Ⅲ型控制器有自动(A)、软手动(M)和硬手动(H)三种
工作状态，并通过联动开关进行切换。
在自动运行方式下，是以控制器的输出指挥执行器，因而
执行器输出轴的转角同控制器的输出电流是相对应的。一般执
行器输出轴的转角从0º到90º变化时，所对应的控制器输出电
流为4～20mA·DC。
只要被控量的偏差为零时就可以从手动切换为自动。
在自动运行时，控制器的手动输出信号，一般都不能自动
地跟踪自动输出信号，因此，由自动切换到手动前，必须将手
操拨盘的刻度拨到与自动输出信号相对应的值上，然后由自动
切换到手动，方能达到无扰动切换。
EXIT
第31页
3.3 基型控制器的运行方式
二、手动运行方式
控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投入
运行时，往往先进行手动操作，来改变控制器的输出信号，待
系统基本稳定后再切换至自动运行。系统出现某种故障、设备
启停或控制器的自动部分失灵，也必须切换到手动操作。
EXIT
第32页
(1)软手动操作电路
当切换开关K1，置于“M”位置时，
为软手动操作状态，又称速度式手
操，是指控制器的输出电流随手动
输入电压成积分关系而变化。
(2)硬手动操作电路
当切换开关K1，置于“Ｈ”位置
时，为硬手动操作状态，又称比例式
手操，是指控制器的输出电流随手动
输入电压成比例关系而变化。
EXIT
第33页
三、手动自动无扰动切换
(1)无平衡无扰动切换

所谓无平衡切换，是指在自动、手动切换时，不需要事
先调平衡，可以随时切换至所需要位置。所谓无扰动切换
是指在切换时控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰
动。

Ⅲ型控制器由自动或硬手动向软手动的切换以及由软
手动或硬手动向自动的切换均为无平衡无扰动的切换方式。
(2)有平衡无扰动的切换

凡是向硬手动方向的切换，从自动到硬手动或从软手
动到硬手动，均为有平衡的无扰动切换。即要做到无扰动
切换，必须事先平衡。
EXIT
第34页
三、手动自动无扰动切换
DDZ—Ⅲ型控制器的切换过程可描述如下 ：
自动(A)→软手动(M)
硬手动(H) → 软手动(M)

为无平衡无扰动切换
A3处于保持工作状态，U03保持不变

软手动→自动

硬手动→ 自动
为无平衡无扰动切换
UCI=U02 ，UF3=0，电容没有充放电现象


自动→硬手动
软手动→硬手动
须进行预平衡操作
EXIT
第35页
3.4 基型控制器的操作
（一）Ⅲ型控制器内外特性
1.正面板
2.侧面板
3.背后接线端子
4. 整机线路初读
EXIT
第36页
Ⅲ型控制器的外特性
EXIT
第37页
Ⅲ型控制器的外特性
EXIT
第38页
小结
PID运算规律
1.理想PID运算规律 :
传递函数:
t

1
d 

y  K P   
 dt  TD


T
dt
I 0




1

W ( S )  K P 1 
 TD S 
 TI S

2.实际PID规律:
t



y  K P    K D  F 1  e K I TI



1
TD 

1


S 

TI FS F
传递函数： W ( S )  K P F 

1
T
1 
 D S

K I TI S K D 
3.特性曲线
EXIT
t

 
   K  F e T 
D



TD
F  1
TI
第39页
小结
整机特性分析
控制器的整机线路分析
实际特性：
当KI=∞ TI=∞
W (s)  K p F
TD= 0
F=1


1
 TD S 
理想特性：W ( S )  K P 1 
 TI S

EXIT
1  FT1I S  KTDD S
1  K D K1 I TI  K I1TI S  KTDD S
KD=∞时

1

y  K P   
TI

d 
0  dt  TD dt 
t
第40页
小结
控制器的线路分析
控制电路
（一）输入电路
ε（Vi-Vs） → △V01
（二）比例微分PD电路
△V01
→ △V02
（三）比例积分PI电路
△V02
→ △V03
（四）输出电路
△V03
→ △ I0
（五）整机特性分析
ε（Vi-Vs） → △ I0
（六）手动操作电路
1
1
1.软手动操作电路： V03  
 VR  t    VR  t
RM CM
2.硬手操电路：
T
V03  VH
EXIT
第41页
小结 基型节器的基本组成方框图及工作原理
指示单元
%
Vs
%
控制单元
给定
指示
给定
指示电路
测量
指示电路
K6
测量
标定
主电路: PID运算
3 V DC
PD运算
ε
Vi
测量
输入
1~5V
Vs
%
I0
输入
电路
V01 比例微
分电路
A：自动控制
V02 A
M
给定
信号
软手操
PI运算
K1
比例积
分电路
V03 输出
电路
输出
指示
输出
电流
I0
4 ~ 20 mA
H
Vi
测量
指示
硬手操
1~5V
外给定
输入
IS
4 ~ 20 mA
K5
VS外
VS内
外给定
内给定
给定
电路
软手操
电路电路 VR
VH
M
硬手操
电路电路
H
EXIT
附加电路:
手动遥控
第42页
1. 工业上常用控制器的控制规律有哪几种？
2. 在模拟控制器中，一般采用什么方式实现各种控
制规律？
3. 试述DDZ-Ⅲ型控制器的功能。
4. 基型控制器由哪几组成？各部分的主要作用是什
么？
5. DDZ-Ⅲ型控制器的输入电路为什么要采用差动输
入方式？为什么要进行电平移动？
6. DDZ-Ⅲ型控制器有哪几种工作状态？什么是软手
动状态和硬手动状态？
7. 什么是控制器的无扰动切换？DDZ-Ⅲ型控制器如
何实现“手动/自动”无扰动切换？为什么从软手动
方式向硬手动方式切换需要事先平衡？
EXIT
第43页
谢谢大家！
再见！
EXIT
第44页