第六讲模拟调节器课件.ppt

1、教学目的要求教学目的要求：掌握基本控制规律及其对控制过程掌握基本控制规律及其对控制过程的影响；掌握的影响；掌握DDZ-IIIDDZ-III型控制器的结构、电路及工型控制器的结构、电路及工作原理分析；作原理分析；理解数字调节器和可编程序调节器的理解数字调节器和可编程序调节器的功能和原理，了解它们的使用方法；理解功能和原理，了解它们的使用方法；理解PID参数参数自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。教学重点教学重点：PID控制规律，数字调节器和可编程序控制规律，数字调节器和可编程序调节器的原理调节器的原理DDZ-IIIDDZ-III型控制器的结构、电路

2、及工型控制器的结构、电路及工作原理分析作原理分析教学难点教学难点：基本控制规律及其对控制过程的影响。基本控制规律及其对控制过程的影响。教学目的与要求教学目的与要求：了解：了解DDZ-III模拟调节器的组成，模拟调节器的组成，理解各部分电路，掌握其工作原理，会分析手动与理解各部分电路，掌握其工作原理，会分析手动与自动之间的切换自动之间的切换教学重点教学重点： DDZ-III模拟调节器各部分电路。模拟调节器各部分电路。教学难点教学难点：切换过程与实现：切换过程与实现模拟控制器模拟控制器(调节器调节器)用模拟电路实现控制用模拟电路实现控制功能。功能。其发展经历了其发展经历了型（用电子管）型（用电子管

3、）型（用晶体管）型（用晶体管）型（用集成电路）型（用集成电路）一、一、DDZ-型仪表的特点型仪表的特点1）采用统一信号标准：）采用统一信号标准：420mA DC和和15V DC。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。 2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。可靠性提高、维修工作量减少。 3）可构成安

4、全火花型防爆系统，用于危险现场。）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。1、功能和性能指标、功能和性能指标功能：功能： 对偏差进行对偏差进行PID运算；运算； 指示输入指示输入Vi，设定，设定Vs； 输出输出Io； 正反作用切换；正反作用切换； 能手动；能手动； 手动自动无扰切换。手动自动无扰切换。DDZ-III型调节器型调节器输入输入15VDC输出输出420mADC输入阻抗影响输入阻抗影响0.1Fscal负载电阻负载电阻250750内设定内设定15VDC闭环跟踪精度闭环跟踪精度0.5外设定外设定420mADC 电源电源24V10比例带比例带：2 2500500再调时间再调时间T TI I：

5、0.010.012.52.5分或分或0.10.12525分分预调时间预调时间T TD D：0.040.041010分，或断开分，或断开微分增益微分增益K KD D：1010基本性能指标基本性能指标：1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键DDZ- 型控制器的组成型控制器的组成与操作与操作DDZ-基型调节器的主要功能电路有：输入基型调节器的主要功能电路有：输入电路、给定电路、电路、给定电路、PID运算电路、自动与

6、手动（硬运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路。电路、输出电路及指示电路。 输入电路PD电路PI电路输出电路测量外给内给定电路给定值指示输出指示软手动电路硬手动电路测量值指示内给S6S1MHA DDZ-型调节器结构方框图型调节器结构方框图2、全刻度指示调节器的线路实例、全刻度指示调节器的线路实例输入电路的首要任务是求偏差输入电路的首要任务是求偏差 e ： V01 = k ( V给定给定 V测量测量 ) 1、输入电路、输入电路RVVVRVVRVVVOBCMCMi )21()(121RVVRVVVRVVBCMSCM )(21 因测量信因测量信号号Vi和

7、给定信和给定信号号Vs分别通过分别通过双臂电阻差模双臂电阻差模输入到运放输入到运放A1的同相和反相的同相和反相输入端。输入端。可列出两输入节点的电流方程：可列出两输入节点的电流方程：120111()32iCMCMBVVVVVV)(3121BCMCMSVVVVV 而而 V+V- 则则 V01 = 2（Vi VS） 得得采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使取用电流，使15V的测量信号不受衰减，的测量信号不受衰减，（2） 求偏差求偏差 Vi VS，进行偏差运算。进行偏差运算。（3）将偏差放大将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对

8、其后的运为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。算有利，这里先将偏差放大两倍。 电路的特点电路的特点（1）输入阻抗高输入阻抗高（4） 消除传输线上压降的影响消除传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源，在采用共用电源，在Vi的传输线上可能的传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。时不可忽略。 差动输入可以消除差动输入可以消除导线电阻的影响。导线电阻的影响。（5） 进行电平移动进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件器件+24VDC供电时，

9、其供电时，其正常正常输入、输出输入、输出信号电压范信号电压范围应在围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从准电压从0V抬高到抬高到VB =10V ，即进行电平移动。，即进行电平移动。 因为因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V 121()0.33 2.33V3SCMCMBVVVVVV则则显然，显然，IC不能正常放大。不能正常放大。如果如果 VB = 0VB = 10V时，时， V+ = V- = 3.75.7V 保证了保证了IC共摸共摸电压在允许范围之电压在允许范围之内，能正常放大。内，能正常放大。V+V-而且而且 VB =

10、0时，时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V也不符合后面也不符合后面PID电路电路IC的范围要求。的范围要求。VB = 10时：时：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后面使后面PID电路的电路的IC工作于允许电压范围之内。工作于允许电压范围之内。 2、PIDPID运算电路运算电路由由PI和和PD两个运算电路串联而成，两个运算电路串联而成，由于输入由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。 PIPD 1、 PD电路分析电路分析 PD电路电路以以A2为核心组成。微分作用可选

11、择用与为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关不用。开关S8打向打向“断断”时，构成时，构成 P电路；开关电路；开关S8打向打向“通通”时，构成时，构成 PD电路。电路。o11V ( )V( )I ( )dDsss Rno1o1o11( )( )1( )V (s)11DdDDDDVsVsC snnIsnR C sRC sqPD传递函数传递函数IDV ( ) sDDo11nR C s1V (s)n1sDDR C得得021( )( )VsVsO202O1V (s)11W ( )V (s)11ndDDdDDT snR C ssTnR C sns式中：式中： DDdCnRT 微分时间常数微分时间常数I

12、D又因又因 得得 实际微分因子实际微分因子q 阶跃响应阶跃响应 n0201V ( )1(1)V ( )DtTtnetn当当V01为阶跃信号时，为阶跃信号时，V02的的阶跃响应为阶跃响应为V02TD/nV01/n63%t 可见，此电可见，此电路的微分是实际路的微分是实际的微分。的微分。 当当 S8 置于置于“断断”时，微分被切除，时，微分被切除，A2只作比只作比例运算。有例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻两端，分压电阻两端，使使CD右端始终跟随右端始终跟随电压电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时时，保证无

13、扰动切换。，保证无扰动切换。 2、PI电路分析电路分析PI电路以电路以A3为核心组成，为核心组成，开关开关S3为积分时间倍乘开关。为积分时间倍乘开关。当当S3打向打向1档时，档时，1K电阻被悬空，不起分压作用；电阻被悬空，不起分压作用；当当S3打向打向10档时，档时，1K电阻接到基准线，静态电阻接到基准线，静态V02被被分压输入。分压输入。由于由于10F电容电容积分需要较大电流，积分需要较大电流，在在A3输出端加一功放输出端加一功放三极管。三极管。)()(1)(322sVsCRsVmsVsCOMIOOI 030302( )W ( )( )VssVs)1(sCmRCCMIMI )11(sCmRC

14、CIIMI 则则qPI传递函数传递函数IC负输入端节点电流方程（负输入端节点电流方程（S3置于置于10档）：档）：传函为传函为设设:Ti = mRICI 积分时间常数积分时间常数S3打向打向10档时：档时： m=10S3打向打向1档时：档时： m=1 030302( )W ( )( )VssVs)11(sCmRCCIIMI 031W (s)(1)TIMICCs q 阶跃响应阶跃响应 当当V02为阶跃信号时，为阶跃信号时，V03的的阶跃响应为阶跃响应为0302tV (t)(1)VTIMICC tV03（C I /CM）V02-V03t理想运放时理想运放时实际运放时实际运放时3、PID运算电路的传

15、递函数运算电路的传递函数输入电路：输入电路： V01 = 2（Vi VS） 030302V (s)1W (s)(1)V (s)TIMICCs O202O1V (s)1W ( )V (s)1nddT ssTnsPD电路：电路：PI电路：电路：PID运算是上述三个环节的串联而成。运算是上述三个环节的串联而成。DD03IIIDisM11V (s)C2V (s)V (s)C1nTT sTT sTnsDI1TFT 干扰系数干扰系数MIC2CnPq PID传递函数传递函数 令：令：比例度比例度D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV (s)V (s)P1sK微分增益微分增益DKn则：则：（1）若

16、若TDKD，则上式分母实际微分项近似为，则上式分母实际微分项近似为1若若TD TI，则，则 DI11W( )(1)sT sPT s这时这时 成为理想的成为理想的PID D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV (s)V (s)P1sKDI11TFT （2 2） 调节器的实际比例度为调节器的实际比例度为P/F，实际微分，实际微分时间为时间为TD /F，实际积分时间为，实际积分时间为FTI。 说明三个参数说明三个参数调整时互相干扰，调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法造成调节器整定参数的刻度无法准确。准确。D03IDisDT s11V(s)FT sFFTV (s)V (s)P1s

17、KDI1=1.25TFT 各参数的实际值与各参数的实际值与F = 1时相差时相差25%。例：当例：当TI / TD = 4时，时，q阶跃响应阶跃响应 整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成。三部分组成。调节范围：调节范围：P =2500%， TD=0.0410分分TI =0.012.5分分 (1档档)， TI =0.125分分 (10档档)V03t3、输出电路输出电路其任务是将其任务是将PID电路输出电压电路输出电压VO3 =15V变换变换为为420mA的电流输出，并将基准电平移至的电流输出，并将基准电平移至0V。在在A4后面用后面用VT1、

18、VT2组成复合管，进行电流组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。特性。取：取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3 24545124322323 BBVRRRVRRRVfOBfOBVVVVRRRVVRRRV54)(51)(31413144 34124OfVV 由由V+V-得得 fORI24 q转换关系转换关系 fOORVI43 则则BfOOIIII 而而0301 54 204462.5fVImAR若取若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K时，时，可以精确获得关系：可以精确获得关系：4、 手动

19、操作电路及无扰切换手动操作电路及无扰切换通过切换开关通过切换开关S1可以选择自动调节可以选择自动调节“A”、软手动、软手动操作操作“M”、硬手动操作、硬手动操作“H”三种控制方式。三种控制方式。 AM无冲击无冲击1. A、M间的切换间的切换S1从从A切换到切换到M时时：断开断开A3的输入的输入CM无放电回路无放电回路VO3保持不变保持不变S42闭合闭合-VM接入接入按按TI =100s的时间积分的时间积分 S41闭合闭合-VM接入接入按按TI =6s的时间积分的时间积分同理，同理，S43（或（或S44）闭合）闭合+VM接入接入反向积分反向积分 用这种手用这种手动操作来改变动操作来改变调节器输出

20、，调节器输出，信号变化比较信号变化比较缓和，称为缓和，称为 “软手动软手动”。2A、H间的切换间的切换当切换开关当切换开关S1由自动位置由自动位置A，切向硬手动切向硬手动 H 时，放大器时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。接成具有惯性的比例电路。 由于由于CM充充电迅速，电迅速，A3的输出近似的输出近似为比例电路。为比例电路。 )()1()(3sVsCRRsVOMFHH 3( )1( )1OFHHFMVsRVsRR C s v 传递函数传递函数时间常数时间常数 T = RFCM =301031010-6 = 0.3s可见，可见，VH 改变时，改变时，VO3很快达到新的稳态值。很快达到新的稳态

21、值。vAH前，须先调前，须先调RPH与当时的与当时的VO3一致，才能一致，才能做到无扰动切换。做到无扰动切换。 MH也同样。也同样。3M、HA间的切换间的切换 S1由由A切向切向M或或H时，联动开关同时将积分电容时，联动开关同时将积分电容CI接接VB，使，使VCI始终等于始终等于V02。当。当S1再由再由H、M切回切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。自动（自动（A）软手动（软手动（M） 无扰无扰 无扰无扰硬手动（硬手动（H）无扰无扰有扰有扰总结：总结：5、 测量及给定指示电路测量及给定指示电路 用动圈表头来指示测量值和给定值。用动圈表头来指示测

22、量值和给定值。S5切换到切换到“标定标定”时，可进行示值标定。时，可进行示值标定。 流过动圈表头的电流为流过动圈表头的电流为OiOOORVRVI DDZ-型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。三、积分饱和问题三、积分饱和问题 由于积分导致由于积分导致VF和和V0不相不相等，称为等，称为积分饱和积分饱和。 Vi反向时，由于积分饱和，反向时，由于积分饱和，Vo不能马上变化，导致控制不能马上变化，导致控制滞后。滞后。抗积分饱和的措施：抗积分饱和的措施：由于输出到达限幅值，积分作用没有停止，由于输出到达限幅值，积分作用没有停止，产生积分饱和。产生积分饱和。采取某种手段，监视积分环节的输出，达到采取某种手段，监视积分环节的输出，达到限幅值时限幅值时限制电容上的电压限制电容上的电压VC；取消积分作用，转换为比例作用取消积分作用，转换为比例作用使得输入信号为零或者反向。使得输入信号为零或者反向。作业：2-6，2-7