第三章模拟式控制器

EXIT第1页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/自动切换第3章模拟式控制器知识目标技能目标EXIT第2页第3章模拟式控制器3.1控制器的控制规律3.4基型控制器的操作3.2DDZ-Ⅲ型控制器3.3基型控制器的运行方式EXIT第3页概述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=Δε3、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：PI、PD、PID规律3.1控制器的控制规律EXIT第4页一、单回路控制系统的组成单回路控制系统原理方框图为了便于系统分析，将测量变送器、执行器、阀门、被控对象作为一个整体看待，该整体称为“广义对象”。这样上图所示的单回路控制系统就由调节器和广义对象两部分组成，其等效原理方框图如下图所示：WT(s)WZ(s)W0(s)Wm(s)re+-VmVTμyf(内扰)λ(外扰)被控对象调节器执行器测量变送器Wμ(s)EXIT第5页单回路控制系统等效方框图WT(s)W0*(s)re+-VmVTλ(扰动)调节器广义对象若试验得到的被控对象动态特性包括了测量变送器的动态特性，则广义对象的传递函数为：00mWsWsWs此时等效调节器的传递函数为：TTZWsWsWsWsEXIT第6页WT*(s)W0*(s)re+-Vmλ(扰动)等效调节器广义对象则，单回路等效图为确定广义对象与等效调节器的原则：阶跃输入与响应输出之间的所有环节的串联视为广义对象。剩下所有环节的串联称为等效调节器。EXIT第7页调节器的正反作用调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正反作用方式选择的目的是使闭环系统在信号关系上形成负反馈。正作用调节器:当系统的测量值减小给定值增加时，其输出增加;反作用调节器:当系统的测量值减小给定值增加时，其输出减小。确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元的正反特性，然后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。确定调节器正、反作用的原则：组成系统的各环节静态放大系数极性相乘必须为负值（构成负反馈的条件）。EXIT第8页单回路系统注意事项：1、被调量的选择2、控制量（调节量）的选择3、控制通道和扰动通道4、影响控制系统控制质量的主要因素：控制器和对象特性。EXIT第9页执行单元被控对象调节单元显示单元变送单元给定单元被调量调节量控制系统组成：EXIT第10页1、变送器变送器将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物理量转换为0～10mA或4～20mA的直流标准信号，并传送到各指示、调节装置，以实现对生产过程的自动检测和控制。变送器原理方框图输入转换放大器反馈输出信号输入信号+－0～10mAT、p、hUiUcUfEXIT第11页2、执行器执行器接受调节器的输出信号或手动操作信号，并将其转换成调节机构(阀门、风门或挡板)动作的位移信号，从而改变被调量的大小。执行器（气动、电动、液动均可视为比例型。）电动执行器通常由伺服放大器和执行机构两部分构成，如下图所示：伺服放大器伺服电动机机械减速器位置变送器手动自动电流表伺服放大器执行机构操作转换器IiIfEXIT第12页伺服放大器作用：综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。伺服电机：是执行机构的动力部分减速器：将高转速、低转矩变成低转速、高转矩位置变送器：根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。EXIT第13页比较项目气动执行器电动执行器液动执行器结构体积推力配管配线动作滞后频率响应维护检修使用场合温度影响成本简单中中较复杂大狭简单防火防爆较小低复杂小小简单小宽复杂隔爆型才防火防爆较大高简单大大复杂小狭简单要注意火花较大高三种执行器的特点比较EXIT第14页典型的调节组件SAMA图如下图所示：ΔK∫T测量值给定值主要功能：求测量值PV与给定值SP的偏差对偏差进行比例积分运算手、自动切换功能输出信号限幅功能3、调节器EXIT第15页二、调节器的控制规律调节器根据被调量y与给定值r之间的偏差e（输入量）,输出调节机构控制信号（输出量）,从而引起调节机构位置μ的变化，使被调量最终等于给定值。调节器的输出量与输入量之间的动态关系,称作调节器的控制规律。调节器和被控对象组成的一个闭合控制回路如下图所示：被控对象调节器yer+-μλEXIT第16页3.1.1基本调节作用调节器的控制规律中最基本的调节作用是比例、积分和微分作用,它们各有其独特的作用，下面分别讨论。PPKeKry比例作用的动态方程为：式中：e——被调量偏差，调节器的输入信号；μ——调节机构的位置，调节器的输出信号；KP——比例作用的比例系数。传递函数为：（1）比例作用（简称P作用）PPsWsKesEXIT第17页特点：（1）比例作用无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作方向正确。因此,比例作用在控制系统中是促使控制过程稳定的因素。（2）输出量μ与输入量e之间有一一对应的关系，调节结果被调量最终有稳定(静态)偏差,称为有差调节。teoΔe0tμo01eEXIT第18页比例控制规律及控制器示意图：ε比例控制器KPε△y△y+ε-ε0KP1KP1xiε=xi-xs-△y设定值控制器输出偏差I04~20mA控制器△yxs测量值KP=1EXIT第19页（2）积分作用（简称I作用）积分作用的动态方程为：0001=1=tttIIiIIiKedtKrydtedtTduKeeKrydtTKI—积分增益Ti—积分时间传递函数为：1=IIisKWsessTsEXIT第20页特点:（1）无差调节；（2）控制不及时,动作慢，容易引起调节过程振荡，降低系统稳定性；（3）控制作用体现在控制过程后期。teoΔe0tμoTiEXIT第21页（3）微分作用（简称D作用）微分作用的动态方程为：dddrydeKKdtdtKd—微分增益。传递函数为：ddsWsKsesEXIT第22页特点：（1）超前调节，补偿延时和惯性；（2）微分作用体现在控制过程的前期，限制偏差的进一步增大。可以有效地减少被调量的动态偏差，增强稳定性；（3）偏差存在但不改变时，微分不起作用。teoΔe0tμoteotμodTadeadt(a)(b)EXIT第23页3.1.2工程常用控制规律（1）比例（P）调节器1PPKeKryry比例调节器的动态方程与比例作用的动态方程相同，即：式中：KP—调节器的比例系数，即偏差改变一个单位时,调节机构的位移变化量；δ—比例系数KP的倒数，称为比例带，即当调节机关的位置改变100%时,偏差产生的改变量。比例调节器的传递函数为：1PpsWsKesEXIT第24页EXIT第25页1）比例带增大，比例增益减小，稳定性增强，控制作用减弱，动差增大，静差增大。比例带减小，比例增益增大，稳定性下降，控制作用增强，动差减小，静差减小。2）比例调节为有差调节EXIT第26页或写成00ttIPIPPKKeKedtKeedtK比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加，其动态方程为：（2）比例积分（PI）调节器011tPiiIKeedtTTK其中：比例积分（PI）调节器的传递函数为：111IPIPiKWsKsTsEXIT第27页特点:(1）两个可调参数,即KP和KI或δ和Ti。当Ti→∞时，PI→P；当Ti→0时，即KP→0.（Ti=KP/KI，而KI→∞是不可能的)时，PI→I。（2）积分时间Ti影响积分作用的强弱,比例带δ不但影响比例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。（3）无差调节。teoΔe0tμo0e0eTiPI调节器阶跃响应曲线EXIT第28页把t=Ti代人式(3－11)可得：0011ieetT000112iieeeTT式(7－12)说明，当总的输出等于比例作用输出的2倍时,其时间就是积分时间Ti。应用这个关系我们就可以通过PI调节器的阶跃响应曲线确定积分时间Ti。阶跃扰动为Δe0时EXIT第29页对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器分别采用P、PI控制时，若保证稳定性相同（ψp=ψPI=0.75）WT(s)W0(s)re+-VmVT调节器试分析比例带δp、δPI，静态偏差eP(∞)、ePI(∞)，动态偏差eP(m)、ePI(m)的大小。若保持相同比例带，试分析在调节器分别为P、PI时系统稳定性、静差的大小。EXIT第30页（3）比例微分（PD）调节器比例微分调节器由比例作用和微分作用组合而成，理想的比例微分调节器动态方程为：dPdPPKdedeKeKKedtKdt或写成1dddpKdeeTTdtK其中：式中：Kd——微分作用的比例系数；Td——微分时间。EXIT第31页理想的比例微分（PD）调节器的传递函数为：11PddsWsTses比例微分（PD）调节器有两个可供调整的参数,即KP和Kd或δ和Td。微分时间Td影响调节器微分作用的强弱；比例带δ不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。EXIT第32页teoΔe0tμodaT0eTdteotμodaT12deadtteoΔe0tμo0e01DKe00.6321DKeTD(a)(c)(b)比例微分（PD）调节器响应曲线EXIT第33页上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线，其动态方程为：1DdddeTeTdtdt式中：TD——微分惯性时间常数。实际比例微分（PD）调节器的传递函数为：1111PDdDsWsTsesTs上式说明实际比例微分调节器比理想的比例微分调节器增加了一个惯性环节。EXIT第34页实际比例微分（PD）调节器的单位阶跃响应曲线方程为：11()[1(1)][1(1)]DdDKttTTDDtKeKedDDTKT式中：KD——微分放大系数或微分增益。TD——微分惯性时间常数。dDDTTKEXIT第35页微分惯性时间常数TD可以表征微分作用强弱:当TD大时,微分输出部分衰减得慢，说明微分作用强；反之TD小，表示微分作用弱。而比例带δ不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。在比例微分调节器中,微分作用可以在扰动出现时立刻产生一加强的阶跃输出，从而有效降低偏差的变化速度。之后微分作用逐渐减弱，在t→∞时,只有比例作用依然存在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差,是一种有差调节器。EXIT第36页对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器分别采用P、PD控制时，若保证稳定性相同（ψp=ψPD=0.75）WT(s)W0*(s)re+-VmVT调节器试分析比例带δp、δPD，静态偏差eP(∞)、ePD(∞)，动态偏差eP(m)、ePD(m)的大小。若保持相同比例带，试分析在调节器分别为P、PD时系统稳定性、静差、动差的大小。EXIT第37页理想的比例积分微分（PID）调节器由比例、积分和微分三种调节作用叠加而成，其动态方程为：011()tdideeedtTTdt理想