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1、第三章 调节器(控制器),自动化系 唐德东023-逸夫科技楼I410,第三章 调节器,教学目的要求:掌握基本控制规律及其对控制过程的影响;掌握DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析;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PID参数自整定调节器的功能与结构,了解其使用方法。教学重点:PID控制规律,数字调节器和可编程序调节器的原理DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析教学难点:基本控制规律及其对控制过程的影响。,第六讲 DDZ-III模拟调节器,教学目的与要求:了解DDZ-III模拟调节器的组成,理解各部分电路,掌握其工作原理,会分析手动与自动之
2、间的切换,教学重点: DDZ-III模拟调节器各部分电路。教学难点:切换过程与实现,模拟控制器(调节器),模拟控制器(调节器)用模拟电路实现控制功能。,其发展经历了型(用电子管),型(用晶体管),型(用集成电路),一、DDZ-型仪表的特点1)采用统一信号标准:420mA DC和15V DC。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、可靠性提高、维修工作量减少。 3)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:对偏差进行PID运算;指示输入
3、Vi,设定Vs;输出Io;正反作用切换;能手动;手动自动无扰切换。,DDZ-III型调节器,输入15VDC输出420mADC输入阻抗影响0.1Fscal负载电阻250750内设定15VDC闭环跟踪精度0.5外设定420mADC 电源24V10比例带:2500再调时间TI:0.012.5分或0.125分预调时间TD:0.0410分,或断开微分增益KD:10,基本性能指标:,DDZ-基型调节器的主要功能电路有:输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动(硬手动和软手动)切换电路、输出电路及指示电路。,2、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 e : V01 = k ( V给定
4、 V测量 ),1、输入电路,因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。,可列出两输入节点的电流方程:,而 V+V- 则 V01 = 2(Vi VS),得,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15V的测量信号不受衰减,,(2) 求偏差 Vi VS,进行偏差运算。(3)将偏差放大 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。,电路的特点(1)输入阻抗高,(4) 消除传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源,在Vi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时不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻
5、的影响。,(5) 进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号,而运放IC器件+24VDC供电时,其正常输入、输出信号电压范围应在219V。为使运算信号符合要求,必须将基准电压从0V抬高到VB =10V ,即进行电平移动。,因为 Vs = 15V, VCM1 = VCM2 = 01V,则,显然,IC不能正常放大。,如果 VB = 0,VB = 10V时, V+ = V- = 3.75.7V 保证了IC共摸电压在允许范围之内,能正常放大。,而且 VB = 0时,VO1 = -2(Vi-VS)= -8+8V也不符合后面PID电路IC的范围要求。,VB = 10时:VO1= -2(Vi-VS )
6、 = 218V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。,2、PID运算电路,由PI和PD两个运算电路串联而成,由于输入电路中已采取电平移动措施,故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,1、 PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时,构成 P电路;开关S8打向“通”时,构成 PD电路。,PD传递函数,得,式中:,微分时间常数,又因,得,实际微分因子,阶跃响应,当V01为阶跃信号时,V02的阶跃响应为,可见,此电路的微分是实际的微分。,当 S8 置于“断”时,微分被切除,A2只作比例运算。有,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两
7、端,使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时,保证无扰动切换。,2、PI电路分析PI电路以A3为核心组成,开关S3为积分时间倍乘开关。当S3打向1档时,1K电阻被悬空,不起分压作用;当S3打向10档时,1K电阻接到基准线,静态V02被分压输入。,由于10F电容积分需要较大电流,在A3输出端加一功放三极管。,则,PI传递函数IC负输入端节点电流方程(S3置于10档):,传函为,设:Ti = mRICI 积分时间常数,S3打向10档时: m=10S3打向1档时: m=1,阶跃响应,当V02为阶跃信号时,V03的阶跃响应为,理想运放时,实际运放时,3、PID运算电路的传递函数,输入
8、电路: V01 = 2(Vi VS),PD电路:,PI电路:,PID运算是上述三个环节的串联而成。,干扰系数,PID传递函数,令:,比例度,微分增益,则:,(1)若TDKD,则上式分母实际微分项近似为1,若TD TI,则,这时,成为理想的PID,(2) 调节器的实际比例度为P/F,实际微分时间为TD /F,实际积分时间为FTI。 说明三个参数调整时互相干扰,造成调节器整定参数的刻度无法准确。,各参数的实际值与F = 1时相差25%。,例:当TI / TD = 4时,,阶跃响应,整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成。调节范围:P =2500%, TD=0.0410分TI =0.01
9、2.5分 (1档), TI =0.125分 (10档),3、输出电路,其任务是将PID电路输出电压VO3 =15V变换为420mA的电流输出,并将基准电平移至0V。,在A4后面用VT1、VT2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特性。,取: R3 = R4=10K,R1 = R2 = 4R3,由V+V-得,转换关系,则,而,若取 R1 = 4(R3+ Rf)= 40.25K时,,可以精确获得关系:,4、 手动操作电路及无扰切换通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。,AM无冲击,1. A、M间的切换,S1从A切换到M时
10、:,断开A3的输入,CM无放电回路,VO3保持不变,S42闭合-VM接入按TI =100s的时间积分,S41闭合-VM接入按TI =6s的时间积分,同理,S43(或S44)闭合+VM接入反向积分,用这种手动操作来改变调节器输出,信号变化比较缓和,称为 “软手动”。,2A、H间的切换当切换开关S1由自动位置A,切向硬手动 H 时,放大器A3接成具有惯性的比例电路。,由于CM充电迅速,A3的输出近似为比例电路。,传递函数,时间常数 T = RFCM =301031010-6 = 0.3s可见,VH 改变时,VO3很快达到新的稳态值。AH前,须先调RPH与当时的VO3一致,才能做到无扰动切换。 MH
11、也同样。,3M、HA间的切换 S1由A切向M或H时,联动开关同时将积分电容CI接VB,使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A时,由于电压没有突变,切换也是无扰动的。,自动(A),软手动(M),无扰,无扰,硬手动(H),无扰,有扰,总结:,5、 测量及给定指示电路 用动圈表头来指示测量值和给定值。S5切换到“标定”时,可进行示值标定。 流过动圈表头的电流为,DDZ-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。,三、积分饱和问题,由于积分导致VF和V0不相等,称为积分饱和。 Vi反向时,由于积分饱和,Vo不能马上变化,导致控制滞后。,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,产生积分饱和。采取某种手段,监视积分环节的输出,达到限幅值时限制电容上的电压VC;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。,作业:2-6,2-7,