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1、自动化仪表第一章第1页，本讲稿共61页第一章第一章 模拟式控制器模拟式控制器第一节第一节 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第二节第二节 基型控制器基型控制器 第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元第2页，本讲稿共61页 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。图1-1 单回路控制系统方框图控制器对象变送器给定值偏差测量值被控变量扰动xsxiy-第3页，本讲稿共61页第一节第一节 控制器的运算规律和构成方式控
2、制器的运算规律和构成方式p控制器的运算规律是指控制器的输出信号 和输入偏差之间 随时间变化的规律。注意：注意：=测量值测量值-给定值给定值y一、概述一、概述p 对输入偏差 而言，由于其初值为零，因此p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由这些基本运算规律组合而成。yyp 习惯上称 0 为正偏差；0 时，0称控制器为正作用控制器；0 时，0 为反作用控制器第4页，本讲稿共61页二、二、PID控制器的运算规律控制器的运算规律p PIDPID运算规律的表示形式运算规律的表示形式1.理想PID控制器微分方程表示法传递函数表示法比例增益积分时间微分时间假设为正作用
3、的控制器假设为正作用的控制器第5页，本讲稿共61页2.实际PID控制器F 控制器变量之间的相互干扰系数，可表示为考虑相互干扰系数后的实际比例增益KPFTIFKIDFTKD考虑相互干扰系数后的实际积分时间考虑相互干扰系数后的实际微分时间微分增益积分增益-比例系数第6页，本讲稿共61页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（当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）之间成比例关系。p P P运算规律运算规律y或在实际调节器中常用比例度（或称比例带）来表示比例作用的强弱。与与Kp成反比。成反比。越小，越小，Kp越大，比例作用就越强。越大，比例作用就越强。1.1.比例度比例
4、度第7页，本讲稿共61页图1-2 P控制器的阶跃响应特性2.2.P P控制特性控制特性t0t0yKP1.P控制的特点：反应快，控制及时，但系统有余差。2.比例度与系统稳定性的关系:越小，系统控制越强，但并不是越小越好。减小将使系统稳定性变差，容易产生振荡。3.P控制器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。第8页，本讲稿共61页p PIPI运算规律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。1.1.理想理想PIPI控制器的特性控制器的特性或积分作用能消除余差积分作用能消除余差。只要有偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，
5、直到偏差消除，控制器的输出才稳定下来。积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构成积分作用一般不单独使用，而是和比例作用组合起来构成PIPI控制器。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。第9页，本讲稿共61页图1-3 理想PI控制器的阶跃响应特性p阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0yKPy=yIPyPTI可表示为比例作用输出与积分作用输出之和。其中：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：比例作用输出积分作用输出第10页，本讲稿共61页当积分作用输出与比例作用输出相等时，即可得也就是说，积分作用的输出值变化
6、到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。p积分时间TI的意义TI愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。p积分时间TI的测定第11页，本讲稿共61页2.实际实际PI控制器的特性控制器的特性实际PI控制器的传递函数为：在阶跃偏差信号作用下，实际PI控制器的输出为：p阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0yKPKPKI图1-4 实际PI控制器的阶跃响应特性第12页，本讲稿共61页p积分增益积分增益KI在阶跃偏差信号作用下，实际PI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幅值）与初始值（即比例输出值）之比：当积分增益KI为无穷大时，可以证明实际PI
7、控制器的输出就相当于理想输出。实际上，PI控制器的KI一般都比较大，可以认为实际PI控制器的特性是接近于理想PI控制器特性的。思考题思考题：1、实际、实际PID控制器能不能达不到理想控制器能不能达不到理想PID的控制效果，为什么？的控制效果，为什么？2、实际、实际PI控制器能不能完全消除余差？为什么？控制器能不能完全消除余差？为什么？第13页，本讲稿共61页p控制点偏差和控制精度控制点偏差和控制精度当控制器的输出稳定在某一值时，测量值与给定值之间存在的偏差通常称为控制点偏差。当控制器的输出变化为满刻度时，控制点的偏差达最大，其值可以表示为：控制点最大偏差的相对变化值即为控制器的控制精度（）。考
8、虑到控制器输入信号（偏差）和输出信号的变化范围是相等的，因此，控制精度可以表示为：控制精度是控制器的重要指标，表征控制器消除余差的能力。KI（或KP）愈大，控制精度愈高，控制器消除余差的能力也愈强。第14页，本讲稿共61页p PDPD运算规律运算规律1.1.理想理想PDPD控制器的特性控制器的特性或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。微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，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。第1
9、5页，本讲稿共61页斜坡响应特性斜坡响应特性可表示为比例作用输出与微分作用输出之和。其中当偏差为等速上升的斜坡信号时，理想PD控制器为：比例作用输出微分作用输出图1-5 理想PD控制器的斜坡响应特性t0t0yTD=at y=Kp TDaD y=Kp tPa达到相同的输出值时，微分作用比单纯比例作用提前的时间就是微分时间微分时间TD。第16页，本讲稿共61页2.2.实际实际PDPD控制器的特性控制器的特性实际PD控制器的传递函数为：在阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器的输出为：p阶跃响应特性阶跃响应特性t0t0y图1-4 实际PD控制器的阶跃响应特性第17页，本讲稿共61页p微分增益KDKD愈大
10、，微分作用愈趋于理想。p微分时间TD的测定在阶跃偏差信号作用下，实际PD输出变化的初始值与最终值（即比例输出值）之比：实际PD控制器的输出同样可看作是yPyD与之和。在阶跃偏差信号作用下，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，就是微分时间常数微分时间常数TD/KD。此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD。第18页，本讲稿共61页p PIDPID运算规律运算规律理想和实际PID控制器的传递函数分别为：当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为：第19页，本讲稿共61页p阶跃响应特性阶跃响应特性控制器的比例增益、积分时间、微分时间等变量要由图解法求得。第2
11、0页，本讲稿共61页三、三、PID控制器的构成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，因此应包括偏差检测和PID运算两部分电路。偏差检测电路PID运算电路测量值偏差I0，U0给定值图1-8 控制器构成示意图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。第21页，本讲稿共61页pPIDPID运算电路的构成方式运算电路的构成方式放大器K0
12、PID反馈电路输出I0,U0偏差Uf，偏差PDPI输出I0,U0测量值PDPI输出I0,U0给定值(a)(b)特点：构成简单，但相互干扰系数较大。应用：DDZ-型控制器及一些基地式模拟控制仪表。特点：相互干扰系数F较第一种要小；由于电路串联，各级的误差将累积放大，为保证整机精度，对各部分电路的精度要求较高。下图是测量值微分先行的控制器。应用：DDZ-型控制器。第22页，本讲稿共61页偏差PDI输出I0,U0偏差PID输出I0,U0P(d)(c)特点：具有并联方式的优点；不存在控制器变量间的相互影响。特点：三个运算电路并联的方式，避免了级间误差累积放大，对保证整机精度有利；并联结构可消除TI、T
13、D变化对控制器实际整定变量的影响，但Kp改变对实际积分时间和实际微分时间有影响。应用：用于组装式仪表中的电压整定型PID控制组件。第23页，本讲稿共61页p基型控制器对来自变送器的基型控制器对来自变送器的15V直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏差进行差进行 PID 运算，并输出运算，并输出420mA的控制信号。的控制信号。p基型控制器有两个品种：基型控制器有两个品种：全刻度指示控制器和偏差指示控制器。全刻度指示控制器和偏差指示控制器。p组成：由控制单元和指示单元组成。组成：由控制单元和指示单元组成。p在基型控制器基础上增设附加电路可构成各种特种控制器，
14、如抗积分饱和在基型控制器基础上增设附加电路可构成各种特种控制器，如抗积分饱和控制器、前馈控制器、输出跟踪控制器等，也可附加某些单元具有报警、控制器、前馈控制器、输出跟踪控制器等，也可附加某些单元具有报警、限幅等功能限幅等功能。第二节第二节 基型控制器基型控制器一、概述一、概述第24页，本讲稿共61页测量信号指示线路给定信号指示线路输入电路PD电路PI电路输出电路硬手操电路软手操电路250测量指示给定指示指示单元指示单元控制单元控制单元15V420mA15V内外UiUo1Uo2Uo3Is输出指示Us420mAIo图图1-10 基型控制器方框图基型控制器方框图第25页，本讲稿共61页图1-11 输
15、入电路原理图 输入电路是由IC1等组成的偏差差动电平移动电路偏差差动电平移动电路。二、输入电路二、输入电路 作用：偏差检测、电平移动UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UB1、电平移动电平移动的目的是使运放工作在允许的共模输入电压范围内。图中的UB为10V。2、输入电路采用偏差差动输入方式偏差差动输入方式，为了消除集中供电集中供电引入的误差。第26页，本讲稿共61页图1-12 集中供电在普通差动运算电路中引入误差的原理图第27页，本讲稿共61页图1-13 引入导线电阻压降后的输入电路原理图UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UCM1UCM2UB取则有：电路分析：
16、第28页，本讲稿共61页1.输出信号Uo1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，而与导线上的压降Ucm1和Ucm2无关。2.IC1的输入端的电压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。3.把以零伏为基准的、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Uo1。结论：结论：第29页，本讲稿共61页三、三、PD电路电路 组成：组成：无源比例微分网络比例运算放大器 作用：将输入电路输出的电压信号Uo1 进行PD运算图1-14 PD电路IC2第30页，本讲稿共61页1.在微分作用的情况下第31页，本讲
17、稿共61页对于比例放大器有：第32页，本讲稿共61页2.在微分不加入的情况下IC2R1RDUT1/n(n-1)/nUo1 n（为比例电路）通过 向 充电，稳态时UCD (n-1)Uo1/n当微分接入时UT仍为Uo1/n在开关S切换瞬间UT保持不变，对输出没影响UTUo1Uo1R1CDCD第33页，本讲稿共61页PI电路的等效电路图四、四、PI电路电路作用：将PD电路输出的电压信号Uo2 进行PI运算，将信号送至输出电路。K1、K2为联动的自动、软手操、硬手操切换开关；K3为积分换档开关。3.9k 、二极管、射极跟随器可包括在IC3中。RICIUo3Uo2/mUo2第34页，本讲稿共61页+CI
18、TT第35页，本讲稿共61页积分饱和积分饱和1）概念：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号单方向偏差信号的长时间作长时间作用用下，其输出达到输出范围上限值或下限值之后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常状态，这种现象称为积分饱和。第36页，本讲稿共61页2）积分饱和的影响 3）解决办法：在输出达到限值时，去掉积分作用，或者在输出端另加一与偏差相反的信号，使积分作用输出不再继续增加。tt等待时间U02U03第37页，本讲稿共61页五、五、PID电路传递函数电路传递函数-2图1-19 控制器PID电路传递函数方框图第38页，本讲稿共61页第39页，本讲稿共61页nA3第40页，本讲稿共61页
19、控制器的调节精度（在不考虑放大器的漂移、积分电容的漏电等因素时）为1100%=0.05%Kpmin KIminD 第41页，本讲稿共61页六、输出电路六、输出电路作用：把PID电路输出的、以UB为基准的15V直流电压信号转换成420mA的电流信号。图1-20 输出电路 Uf第42页，本讲稿共61页线路分析线路分析第43页，本讲稿共61页第44页，本讲稿共61页七、手动操作电路七、手动操作电路作用：实现手动操作，有软手操和硬手操两种操作方式RI101Rs第45页，本讲稿共61页软手操电路软手操电路两个作用：两个作用：1.使电容使电容CI两端电压恒等两端电压恒等于于U02。2.使使IC3处于快、慢
20、速处于快、慢速软手动操作及保持工软手动操作及保持工作状态。作状态。RsUBRI第46页，本讲稿共61页软手操电路输出电压的变化量为：软手操电路输出电压满量程(15V)变化所需的时间：改变改变R RM M的大小，可进行快慢的大小，可进行快慢两种速度的软手操两种速度的软手操RETURNUB思考题：保持状态是怎么实现的？第47页，本讲稿共61页硬手操电路硬手操电路两个作用：两个作用：1.使电容使电容CI两端电压两端电压恒等于恒等于U02。2.组成比例电路。组成比例电路。RsRsUo3=-UH第48页，本讲稿共61页自动与手动操作的相互切换自动与手动操作的相互切换硬手操Rs无平衡切换：是指在自动和手动
21、相互切换时，无需事先调平衡，可以随时切换至所要求的位置。无扰动切换：是指在切换瞬间控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。例：自动例：自动软手操软手操第49页，本讲稿共61页八、指示电路八、指示电路第50页，本讲稿共61页1.开关开关S处于处于测量测量位置时，位置时，IC5接收接收Ui信号信号图1-24 全刻度指示电路第51页，本讲稿共61页结论：结论：2、开关、开关S切换至切换至标定标定位置时，位置时，IC5接受接受3V的标准电压信号，这时电的标准电压信号，这时电流表应指示在流表应指示在50的刻度上。的刻度上。1、IO与电流表内阻无关，因此，当电流表内阻随温度变化与电流表内阻无关，因此，当
22、电流表内阻随温度变化时，不会影响测量精度。时，不会影响测量精度。为恒值，可通过调整电流表的机械零点来消除该项的为恒值，可通过调整电流表的机械零点来消除该项的影响。影响。第52页，本讲稿共61页v积分反馈型积分限幅控制器vPI-P切换控制器v偏差报警单元v输出限幅单元第三节第三节 特种控制器和附加单元特种控制器和附加单元第53页，本讲稿共61页一、积分反馈型积分限幅控制器一、积分反馈型积分限幅控制器第54页，本讲稿共61页二、二、PI-P切换控制器切换控制器第55页，本讲稿共61页三、三、偏差报警单元偏差报警单元=2（Ui-US）第56页，本讲稿共61页 假设R1R3+R4，各电源内阻为零，电路
23、在报警前有：UT9=UB+1/2UP，UF9=UB+1/2UPS和UT10=UB，UF10=UB+1/2（UP+UPS）。代入UT9UF9或UT10UF10(偏差报警条件)，得UPUPS或-UPUPS，即在UPUPS 时，电路为报警状态。报警后，VT1和VT2均处于导通状态，解除报警的条件分以下两种情况来讨论：在UPUPS报警后，由于此时UT9=UB+1/2（UP+UC），UF9=UB+1/2UPS，要解除报警必须满足UT9UF9，于是解除报警的条件为UPUPS-UC。在-UPUPS报警后，由于此时 UT10=UB+Ub，UF10=UB+1/2（UP+UPS）,要解除报警必须满足UT10UF1
24、0，于是解除报警的条件为-UPUPS-2Ub。在上述两种情况下，解除报警的滞后值分别为UC和2Ub。滞后值是根据实际需要特意设置的，否则在报警给定值附近将出现报警动作的振荡现象。解除报警时的滞后一般为1%2%（满量程）。电路分析电路分析第57页，本讲稿共61页四、四、输出限幅单元输出限幅单元第58页，本讲稿共61页思考题思考题p书上1-1、1-41-7、1-9 1-18。第59页，本讲稿共61页习习 题题u书上的1-2、1-8。u补充题 1、DDZ-III型调节器中的比例积分运算电路，当接到软手操（积分式手操）状态时，等效电路如下图所示。手操电压VR的极性可以通过“软手操板键”K来自行选择。回答下列问题：第60页，本讲稿共61页习题（续）习题（续）CM=10uF2.4KRm30K24VV0|VR1|=|VR2|=VR=0.2V VB=10VVR1 VR2 K AB假设CM上没有初始电压，当K处于中间位置时，V0=?为了软手操到V0=3V，K应接向A还是B?当达到V0=3V时立即断开K，这时V0=?如果希望手操输出由3V继续升到5V，K接向A还是B？手操时间多久？如果手操输出由3V降到1V，K接向A还是B？手操时间多久?第61页，本讲稿共61页