控制仪表及装置第一章(李忠虎).ppt

1 第一章模拟式控制器 控制仪表及装置 2 内容安排 模拟式控制器 第一节控制器的运算规律和构成方式第二节基型控制器第三节特种控制器和附加单元 3 控制器的作用 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 4 第一节 控制器的运算规律和组成方式 一 概述 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 5 二 PID控制器的运算规律 PID运算规律的表示形式 1 理想PID控制器 微分方程表示法 6 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 F K D 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 7 P运算规律 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 比例度 8 P控制特性 9 PI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TD 0时 控制器呈PI控制特性 理想PI控制器的特性 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 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PI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 10 阶跃响应特性 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 11 当积分作用输出与比例作用输出相等时 也就是说 积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间 积分时间TI的意义 TI愈短 积分速度愈快 积分作用就愈强 积分时间TI的测定 12 实际PI控制器的特性 实际PI控制器的传递函数为 13 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 14 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K 愈大 控制精度愈高 控制器消除余差的能力也愈强 15 PD运算规律 理想PD控制器的特性 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 16 斜坡响应特性 当偏差为等速上升的斜坡信号时 理想PD控制器为 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 17 实际PD控制器的特性 实际PD控制器的传递函数 18 微分增益KD KD愈大 微分作用愈趋于强 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 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TD KD 此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD 19 PID运算规律 1 理想和实际PID控制器的传递函数分别为 2 理想PID控制器表达式 20 3 阶跃响应特性 P18 21 三 PID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 偏差检测电路通常称为输入电路 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 22 PID运算电路的构成方式 23 24 第二节基型控制器 一 概述 外形图 600 80 160 25 26 27 28 基型控制器对来自变送器的1 5V直流电压信号与给定值相比较后所产生的偏差进行PID运算 并输出4 20mA的控制信号 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 组成 由控制单元和指示单元组成 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 限幅等功能 29 输入电路是由IC1等组成的偏差差动电平移动电路 作用 偏差检测 电平移动 二 输入电路 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 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 30 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 31 取 则有 电路分析 32 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Ucm1和Ucm2无关 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 2 22V 之内 所以电路能正常工作 把以零伏为基准的 变化范围为 V的输入信号 转换成以UB 10V为基准的 变化范围为 8V的偏差输出信号Uo1 结论 33 三 PD电路 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 34 在微分作用的情况下 U01 对于无源比例微分网络有 35 对于比例放大器有 传递函数见P23 36 在微分不加入的情况下 UT U01 nU01通过R1向CD充电 稳态时UCD n 1 U01 n当微分接入时UT仍为Uo1 n在切换瞬间UT保持不变 对输出没影响 37 PI电路的等效电路图 四 PI电路 38 比例运算 积分运算 39 积分饱和问题 1 概念 具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下 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 40 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 41 五 PID电路传递函数 图1 19控制器PID电路传递函数方框图 42 参见P26 43 调节器各项参数的取值范围为 参见P27 44 45 图1 20输出电路 六 输出电路 作用 把PID电路输出的 以UB为基准的1 5V直流电压信号转换成4 20mA的电流信号 46 线路分析 47 48 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 49 软手操电路 两个作用 使电容CI两端电压恒等于U02使IC3处于保持工作状态 50 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变化所需的时间 改变RM的大小 可进行快 慢两种速度的软手操 51 硬手操电路 两个作用 使电容CI两端电压恒等于U02组成比例电路 52 自动与手动操作的相互切换 53 八 指示电路 54 开关S处于测量位置时IC5接收Ui信号 55 结论 开关S