第1章模拟式控制器

控制器功能：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一定规律的运算，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模拟式控制器1控制器对象变送器给定值偏差测量值被控变量扰动xsεxi∆y执行器1.1控制器的运算规律和构成方式1、运算规律：输出信号∆y随输入信号ε的变化规律。2、运算规律种类P、PI、PD、PID四种。∆y∆yε0为正偏差；ε0为负偏差ε0时0称控制器为正作用；ε0时0为反作用3、控制器的作用方式一、概述1.1控制器的运算规律和构成方式图1-2液位控制系统框图电开阀，控制器的作用方式；电关阀，控制器的作用方式。例：给定控制器电动调节阀上水箱液位变送器XRXi扰动YqLε给定单元流量调节器调节阀锅炉温度变送器XRXi扰动图1-3温度控制系统框图Yqt电开阀，调节冷水水量来控制水箱温度，调节器的作用方式；调节管道蒸汽流量来控制锅炉温度，调节器的作用方式。1.1控制器的运算规律和构成方式例：1.1控制器的运算规律和构成方式二、PID控制器的运算规律1、P运算规律pyK()pWsK或（1）比例度δ：表示比例作用的强弱。maxminmaxmin100%yyyP1100%K比例度与比例增益的关系？1.1控制器的运算规律和构成方式图1-4P控制器的阶跃响应特性（2）P控制特性tε0t0y∆KPεP控制的特点：控制快速及时，但系统有余差。P控制器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。余差是否可以为0？比例度是否越小越好？例：4~20mA比例调节器，输入从4~8mADC变化，输出从4~14mADC变化，δ=？给定P控制器电动调节阀上水箱液位变送器XRXi扰动YqLε1.1控制器的运算规律和构成方式tL设定实际ε≠01.1控制器的运算规律和构成方式2、PI运算规律1）理想PI控制器的特性P0I1(d)tyKtTPI()1()(1)()YsWsKEsTs或纯积分作用特点：（1）PI作用特点：既能消除余差，但调节速度又较快。思考:积分的快慢与什么因素有关？能消除余差。但调节作用较为缓慢。图1-5理想PI控制器的阶跃响应特性（2）PI阶跃响应特性tε0t0∆yKPε∆y=∆yIP∆yPTIPI(1)tyKT比例作用输出积分作用输出ppyKPIIKytT先比例后积分1.1控制器的运算规律和构成方式（3）PI调节的积分时间TI确定IPyy即PPIKtKT可得ITt结论？1.1控制器的运算规律和构成方式tε0t0∆yKPε∆y=∆yIP∆yPTI2)实际PI控制器的特性IPII11()11TsWsKKTs（1）阶跃响应特性tε0t0∆yKPεKPεKI图1-6实际PI控制器的阶跃响应特性1.1控制器的运算规律和构成方式拉普拉斯反变换)]1)(1(1[IITKtIPeKKy（2）积分增益KI和静态增益K（）I()(0)yKy积分增益KI静态增益K（）1.1控制器的运算规律和构成方式tε0t0∆yKPεKPεKIIPKKyK)()(（3）控制点偏差和控制精度maxminmaxPIyyKK控制点偏差控制精度（∆）maxmaxminPI1100%100%xxKK1.1控制器的运算规律和构成方式输出全量程变化时，输入偏差最大值。输出全量程变化时，输入偏差最大值的相对变化量。PI调节适用于负荷变化不大，对象滞后较小场合。如压力、流量、液位。maxmax100%0.2%32204IIA例：控制精度为0.2的DDZ-III调节器，最大电流偏差。maxI1.1控制器的运算规律和构成方式KP=4KI=104控制器控制精度1.1控制器的运算规律和构成方式3）PD运算规律（1）理想PD控制器的特性或PDd()dyKTtPD()(1)WsKTs1.1控制器的运算规律和构成方式TTTC热水温度凝液蒸汽冷水PD控制特点：超前控制。热交换器为什么要进行PD调节？1.1控制器的运算规律和构成方式图1-7理想PD控制器的斜坡响应特性为什么D调节具有超前调节特点？PDd()dyKTttε0ε=at斜波输入DppPDTKtKyDPDppPPDTttttKTKtKyy1221t0∆yTD∆y=KptPat2t1DppPDTKtKy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TD。tt000tt0tt000tt0图1-8(a)理想PD响应曲线图1-8（b）实际PD响应曲线εε∆y∆y1.1控制器的运算规律和构成方式PDd()dyKTt2)实际PD控制器的特性实际PD控制器的传递函数为：DPDD1()1TsWsKTsK实际PD控制器的输出为：DDPD1(1)KtTyKKe阶跃响应特性图1-9实际PD作用的阶跃响应特性tε0t0∆y)1(63.0DPKKPKDDPKK1.1控制器的运算规律和构成方式D(0)()yKy（1）微分增益KD确定KD在5~10之间取值。KD反映什么？1.1控制器的运算规律和构成方式t0∆y)1(63.0DPKKPKDDPKK（2）微分时间常数τD的测定DDPD1(1)KtTyKKeDDKTτD的确定：在阶跃信号的作用下，PD调节器输出从开始按指数规律下降到（了）微分部分输出的37%（63%）所经历的时间。1.1控制器的运算规律和构成方式t0∆y)1(63.0DPKKPKDDPKKDDPDPDDDyKKeKKyt%37)1(386.0)1()(143.0)1()(37.09.0)1()(10)0()()0(11eKKKyeKKyKyyyKDPPDPDDPDDPDDDDKT1.1控制器的运算规律和构成方式DDDPTKKy求1.011)0(例：t0∆y)1(63.0DPKKPKDDPKK基准4）PID运算规律PDI()1()(1)()YsWsKTsEsTsDIPDIID11()()1()1TsFTsFYsWsKFTEssKTsK当偏差为阶跃信号时，实际PID控制器的输出为：DIIDPIDPDPI()(1)()00KttKTTyKFKFeKFetyKKtyKK当时，（）当时，（）实际PID控制器的传递函数理想PID控制器的传递函数1.1控制器的运算规律和构成方式阶跃响应特性ΔytT1FKPKIεKPKDεKPFε图1-10实际PID控制器的阶跃响应特性1.1控制器的运算规律和构成方式tθ使被调参量既快又稳且无余差到设定值。总结：P、PI、PD、PID控制规律特点，参数确定，时域和复域表达式，响应曲线，应用场合。控制规律特点对象特性应用场合P快速有差负荷变化不大，工艺要求不高气罐压力，贮槽液位PI消除余差负荷变化不大，对象滞后较小压力、流量、液位PID超前调节负荷变化较大，对象滞后较大蒸汽温度复杂控制负荷变化很大，对象滞后很大反应温度1.1控制器的运算规律和构成方式三、PID控制器的构成偏差检测电路PID运算电路测量值偏差I0，U0给定值图1-11控制器构成示意图偏差εPDPI输出I0,U0测量值PDPI输出I0,U0给定值图1-12PID串联构成方框图1、PD、PI串联结构1.1控制器的运算规律和构成方式DIPDIID11()()1()1TsFTsFYsWsKFTEssKTsKIDTTF1FTTFTTFKKIIDDPP'''/P、I、D相互影响。在给定值较频繁变化的场合，采用微分先行结构。2、P、I、D并联结构积分、微分之间有无影响，比例对积分、微分有无影响？)111(11)(SKTSKTSTKKSKTSTSTKSWDDPDIPPDDDIP1.1控制器的运算规律和构成方式图1-13PID并联构成方框图偏差εPDI输出I0,U03、P、I、D混联结构偏差εPID输出I0,U0P图1-14PID混联构成方框图)111()(SKTSTSTKSWDDDIP1.1控制器的运算规律和构成方式1.2基型控制器测量信号指示线路测量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250Ω测量指示给定指示指示单元控制单元1～5V4～20mA1～5V内外UiUo1Uo2Uo3Is输出指示Us4～20mAIo图1-15基型控制器方框图一、组成电压电路指示：输入电压，输出电流，内外给定电压均有显示仪表指示。控制方式：自动、软手动和硬手动。自动对偏差进行PID运算输出控制电流给执行器。软手动输出电流与给定参考电压成积分关系。硬手动输出电流取决于手动拨盘电压。图1-16输入电路原理图偏差差动电平移动电路。二、输入电路1、作用：偏差检测、电平移动UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1（1）输入电路采用偏差差动输入方式，为了消除集中供电引入的误差。（2）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。1.2基型控制器图1-17集中供电引入的误差二线制变送器IC11cmR1cmURUiU250iI24V调节器为何采用偏差差动输入方式？1.2基型控制器图1-18引入导线电阻压降后的输入电路原理图UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UCM1UCM2UB取1~67~85005RRkRk则有：FiCM1CM2o1BTSCM1CM2BFTo1iS11()321()32()UUUUUUUUUUUUUUUU由于2、电路分析1.2基型控制器FT3、为何要进行电平移动目的使输入电压在运放共模容许输入电压范围内。1215,01103.75.72.3313SCMCMBBTFBTFBVVVVVVVVVVVVVVVV加在不加在0.33为垫起电压。运放能正常工作运放不能正常工作运放共模容许输入电压范围在2V以上。1.2基型控制器三、PD电路组成：无源比例微分网络＋比例运算放大器1、作用：将输入电路输出的电压信号ΔUo1进行PD运算图1-19PD电路RDTΔUO2RPRP0-+ΔUO11/nS通断9.1KR11/αc1KCD1.2基型控制器010101011()()1()()1/11()()111111()()19.1110TBDDDDDTBDDDDDDDVSVSnVSVSRnRSCnRCSVSVSnRCSnRCSWSnRCSn输入、输出关系S置“通”1.2基型控制器02111TBFDPDDDVSVSVSSPDTSWSSSTSKPPDP运算（）（）（）W（）运算（）W（）W（）=n020102010201)[1(1)](0)()DDKtTDDDDVtKeVnVVVVRC电路的阶跃响应（nDDDDKnTnRC1.2基型控制器01020101020102020202010101010001()[0[][1(1)]DDDTBTBTBTBDDDDtttDVVVVVVVVVVnnRCKnVtVVVeVVVennKeVn（）（）（）（）（）（）（）（）（）]方法二：三要素法1.2基型控制器（2）“通”、“断”无扰动切换稳态时，“通”、“断”切换，VTB电位均等于为等电位切换。输出无跳变。011Vn0201()VtVn“断”位思考：阶跃输入下，PD电路输出相应特性曲线。实验法如何确定微