控制仪表与计算机控制装置-模拟控制器工作原理

2.2.模拟控制器

控制器的功能基本构成环节的特性DDZ―Ⅲ型电动调节器微分先行PID运算电路分析12.2.1.控制器的功能控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器

(1)偏差显示(2)输出显示(3)提供内给定信号及内、外给定的选择(4)正、反作用的选择

(5)手动操作与手动/自动双向切换(6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等.22.2.2.基本构成环节的特性

电阻R气阻R(a)

固定电阻(a)固定气阻

(b)

可调电阻(b)可调气阻

关系式R=U/I关系式R=△P/M传递函数U(s)/I(s)=R传递函数R=△P(s)/M(s)式中U——电阻两端电压；式中△P——气阻两端压降I——流过电阻的电流。

M——气体的质量流量

模拟控制器都是由各种放大器和由电(气)阻、电(气)容构成的基本环节组合而成.3基本元件电容C气容C

(a)固定电容(b)可变电容a)固定气容(b)可变气容

关系式：关系式：

传递函数：传递函数：

式中：q——电容中的电荷量；式中：m——气容中的气体质量

iC——流过电容的电流；M——气体的质量流量；

UC——电容两端的电压。PC——气容中的压力。4比例环节

分压电路

(a)结构原理图(b)阶跃响应关系式：

传递函数：

式中KP——比例系数，0<KP<1节流通室（分压气路）

(a)结构原理图(b)阶跃响应关系式（稳态时）：

若P3=0（通大气）

传递函数：

式中

KP——比例系数，0<KP<1

5积分环节积分电路

(a)结构原理图(b)阶跃响应

微分方程：

传递函数

式中T——时间常数，T=RC节流盲室（积分气路）

(a)结构原理图(b)阶跃响应

微分方程：

传递函数：

式中T——时间常数,T=RC6微分环节微分电路

(a)结构原理图(b)阶跃响应

微分方程：

传递函数：

式中T——时间常数，T=RC

微分气路

(a)结构原理图(b)阶跃响应微分方程：

传递函数：

式中T——时间常数，T=RC72.2.3.DDZ―Ⅲ型电动调节器

DDZ―Ⅲ型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动/自动双向切换和阀位显示等功能。在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器，如SPC系统用调节器和DDC备用调节器。8

基型调节器的构成

基型调节器线路原理图9基型调节器的构成方框图

输入电路PD电路PI电路输出电路硬手操电路软手操电路10

基型调节器的电路分析－输入电路

输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用：一是偏差检测与放大；二是电平移动。

输入电路原理图①是为了消除集中供电引入的误差。②是为了保证运算放大器的正常工作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的：11共模输入电压UC

利用迭加定理和差动输入运算放大器电路输出与输入的关系式，对于测量信号Ui，则有

对于给定信号Us，则有

上述关系式表明：a)输出信号Uo1仅与测量信号Ui和给定信号Us差值成正比，比例系数为-2，而与导线电阻上的压降Ucm1和Ucm2无关。b)把以零伏为基准的、变化范围为1～5V的输入信号，转换成以UB(10V)为基准的、变化范围为0～±8V的偏差输出信号V01。12(2)比例微分电路

比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号V01进行比例微分运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。

无源比例微分电路的传递函数为：

13同相端输入运放电路的传递函数为：

比例微分电路的传递函数为：

14在阶跃输入信号下，比例微分电路输出的时间函数表达式为：

比例微分电路15PD电路的定性分析在t=0+，由于电容CD上的电压不能突变，所以UT(0+)=U01

t＞0，CD两端的电压按指数规律不断上升故UT按指数规律不断下降当充电过程结束时，UCD=UR11UT(∞)=U01/n由于U02=αUT，因此U02的变化规律与UT相同，

而且有

16比例积分电路比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号U02进行比例积分运算其传递函数为：

TI=RICI

17

比例积分电路实际的输出输入关系联立求解以上三式，化简后可求得KI=K3CM/CI

18比例积分电路

比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差。

在阶跃输入信号作用下，PI电路输出的时间函数表达式为

19积分时间TI的倍率开关K3置于“×10”档时，R15上的电压经电阻RI向电容CM充电。因为UR15=1/mU0

m=(R14+R15)/R15≈10积分时间是刻度值的10倍。

积分时间TI的倍率开关20(4)整机传递函数TD

F=1+——

Ti21干扰系数F反映调节器参数(主要是KP、TI、TD)互相影响的一个参数。调节器的PID运算电路是由PD电路和PI电路串联构成。

a)KP、TI、TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。b)相互干扰系数F是一个大于1的数，其大小与积分时间和微分时间的大小有关。相互干扰系数F的表达式取决于调节器的结构。

TD

F=1+——

Ti22PID电路阶跃输入信号的表达式

23输出电路输出电路输出电路的作用是将比例积分电路输出的以UB为基准的1~5VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的4~20mADC输出电流I0

24输出电路

I0=I0'-If25输出电路I0=I0'-If26

手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式

手操电路手动操作电路原理图

27软手操电路作用：a)使电容CI两端的电压恒等于U02；b)使A3处于保持工作状态

扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+UR

通过由RM、CM和A3组成的积分电路使U03线性下降；当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。

28软手操电路29硬手操电路

作用：二是由RE、RF和IC3组成了一个比例电路一是使CI两端的电压恒等于V02；因为

RF==RE=30kΩ所以

U03=–UH30自动与手动操作之间的切换

自动(A)→软手动(M)

硬手动(H)→软手动(M)

为无平衡无扰动切换A3处于保持工作状态，U03保持不变

软手动→自动硬手动→自动

为无平衡无扰动切换

UCI=U02

，UF3=0，电容没有充放电现象

自动→硬手动

软手动→硬手动须进行预平衡操作

31指示电路

R25=R26=R27=R28

U0=Ui

I0=I0'+If

32

（1）偏差报警电路基型调节器的附加电路

33基型调节器的附加电路（2）输出限幅电路34基型调节器的附加电路（3）PI/P切换调节器35DDZ―Ⅱ型电动调节器PID运算电路分析

36求取反馈电路的传递函数W'f(S)应用分流公式可求得：

根据等效电源定理可求得

37应用分压公式求得UAD(S)

传递函数（S）为：

求取反馈电路的传递函数W'f(S)38相互干扰系数

≈

(2)求取

应用分压公式

可求得传递函数为:

应用分流公式

求取反馈电路的传递函数W'f(S)39求取反馈电路的传递函数W'f