电液比例控制技术课件：比例放大器

1/95比例放大器ProportionalAmplifier比例放大器ProportionalAmplifier6.1Summary6.2Proportionalamplifiercircuit6.3Poweramplifiercircuit6.4Proportionalamplifierpowercircuit6.5Usageandadjustmentoftheproportionalamplifier6.1概述6.2比例运算放大器电路6.3功率放大电路6.4比例放大器的电源电路6.5比例放大器的使用及调整比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。

Aproportionalcontrolamplifierisanelectronicdevicewhichisusedtoprovidespecificperformancecurrentwithaproportionalsolenoidvalve,andmakeopenlooporcloseloopadjustmentforanelectro-hydraulicproportionalvalveoranelectro-hydraulicproportionalcontrolsystem.6.1概述

Summary比例放大器是电液比例控制系统的重要组成部分，其性能及可靠性对整个系统起着十分重要的作用。Aproportionalamplifierisanimportantpartofanelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemwhoseperformanceandreliabilityplaysaveryimportantroleinthewholesystem.最初的比例控制放大器设计为模拟恒压式，控制性能较差，且多为开环控制。而后发展为恒流式。由于恒流式能够抑制负载阻抗热特性的影响，并且恒流式带铁芯感性负载动态性能优于恒压式，恒压式逐渐被恒流式所取代。如今现代比例控制放大器己几乎无一例外地采用恒流式结构。Originalproportionalcontrolamplifiersaredesignedassimulateconstantpressuretype.Theircontrolperformanceisrelativelypoor,andmostofthemareopenloopcontrolsystems.Thentheconstantflowtypedeveloped.Duetotheconstantflowtypecaninhibiteffectsoftheheatloadimpedancecharacteristic,andtheconstantflowtypeproportionalcontrolamplifierwithironcoreperceptualloadhasbetterdynamicperformancethantheoneofconstantpressuretype.Theconstantpressuretypeisgraduallyreplacedbytheconstantflowtype.Nowmostmodernproportionalcontrolamplifiers,almostwithoutexception,usetheconstantflowstructure.6.1.1比例放大器的基本技术要求1）实现从电压信号到电流信号的转换，并提高与输入电压成比例且功率足够的控制电流。2）具有足够的功率驱动比例电磁铁中衔铁上的负载，其输入阻抗大，输出阻抗比例电磁铁线圈阻抗匹配。3）输入端由各种标准信号的借口，采用标准电源。易于实现与不同信号发生装置的联结，信号的波形、幅值、频率符合电液比例阀的静态和动态性能要求。6.1.1FundamentalrequirementsoftheproportionalamplifierRealizingthetransformationfromavoltagesignaltoacurrentsignal,andimprovingthecontrolelectriccurrentwhichisproportionaltotheinputvoltageandhaveenoughpower.Havingenoughpowertodriveloadsofaproportionalsolenoidarmature.Itmusthavebiginputimpedance.Itsoutputimpedancemustbematchedwithcoilimpedanceoftheproportionalsolenoid.Havinganinputterminalwithallkindsofstandardsignalsinterface,sothat,itcanbeeasytorealizeconnectionwithdifferentsignalgenerators.Itshouldusestandardpower.Thewaveform,amplitudeandfrequencyofsignalshouldaccordwithstaticanddynamicperformancerequirementsofanelectro-hydraulicproportionalvalve.6.1.1比例放大器的基本技术要求4）易于检测控制信号和反馈信号。具有基本的故障诊断和元件保护功能。5）能产生正确有效的控制信号。这意味着除了有信号发生装置外，还必须有逻辑控制与信号处理装置。如为了减小比例元件零位死区的影响，放大器应具有幅值可调的初始电流功能。为减小滞环的影响，放大器的输出电流应含有一定频率和幅值的颤振电流分量。为减小系统过渡过程的冲击，对阶跃输入信号能自动生成速率可调的斜坡信号。6.1.1Fundamentalrequirementsoftheproportionalamplifier4)Testingandcontrollingthesignalsandfeedbacksignalseasilyandhavingbasicfaultdiagnosisandcomponentsprotectionfunctions.5)Producingacorrectandeffectivecontrolsignal.Forexample,inordertoreduceeffectsfromtheproportionalelements’Zerodead-zone,theamplifiershouldhavefunctionofmakinginitialcurrentwithadjustableamplitude.Toreduceinfluenceofhysteresis,theamplifier’soutputcurrentmustcontainacomponentofthefluttercurrentthathascertainfrequencyandamplitude.Inordertoreducetheimpactofthesystemtransitionprocess,forastepinputsignal,itcanautomaticallyproduceadjustablerateofarampsignal.6.1.2比例控制放大器的分类1）按放大器输出控制电流的通路数可将比例放大器分为单通路和双通路比例控制放大器。2）按放大器内是否带反馈通路可将比例放大器分为开环控制和闭环控制两种类型。3）按放大器内运算信号的类型可将比例放大器分为数字式和模拟式。4）按所控制比例电磁铁的类型还有单向和双向比例放大器。5)此外，根据比例电磁铁控制线圈上需要恒定的信号不同分为恒压式和恒流式比例控制放大器。6.1.2Classificationoftheproportionalamplifier1)Accordingtothenumberofcontrolledelectriccurrentrouteswhichareusedbyamplifieramplifierscanbedividedintotwotypes:single-channelandbinary-channel.Accordingtowhethertheamplifierhasfeedbackchannelsornot,itcanbedividedintotwotypes:open-loopproportionalcontrolandclosed-loopcontrol.Accordingtothetypeofsignalsinoperationamplifiers,itcanbedividedintothedigitaltypeandtheanalogtype.Accordingtothetypeofproportionalsolenoidbecontrolled,therearealsounidirectionalandbidirectionalproportionalamplifiers.6.1.3比例放大器的基本控制电路1）按放大器输出控制电流的通路数可将比例放大器分为单通路和双通路比例控制放大器。2）按放大器内是否带反馈通路可将比例放大器分为开环控制和闭环控制两种类型。3）按放大器内运算信号的类型可将比例放大器分为数字式和模拟式。4）按所控制比例电磁铁的类型还有单向和双向比例放大器。5)此外，根据比例电磁铁控制线圈上需要恒定的信号不同分为恒压式和恒流式比例控制放大器。6.13Maincircuitsoftheproportionalamplifier1)Accordingtothenumberofcontrolledelectriccurrentrouteswhichareusedbyamplifieramplifierscanbedividedintotwotypes:single-channelandbinary-channel.Accordingtowhethertheamplifierhasfeedbackchannelsornot,itcanbedividedintotwotypes:open-loopproportionalcontrolandclosed-loopcontrol.Accordingtothetypeofsignalsinoperationamplifiers,itcanbedividedintothedigitaltypeandtheanalogtype.Accordingtothetypeofproportionalsolenoidbecontrolled,therearealsounidirectionalandbidirectionalproportionalamplifiers.一个完整的比例控制放大器的典型构成如图，它一般由电源电路、比例放大器、控制信号发生电路、功率放大级、检测放大电路等部分组成。图6-1比例元件电控系统基本电路框图ElectricalcontroldiagramoftheproportionalvalveAproportionalcontrolamplifierisgenerallycomposedofaproportionalamplifier,apowersupplycircuit,aprogrammingcircuitforinputtingthecontrolsignal,alogiccontrolcircuit,apoweramplifierstageandadetectionamplifiercircuit,andsoon.6.1.3比例放大器的基本控制电路1）比例放大器比例放大器又称为电控器，是图中的点划线内部分。它本身包含多种有特定功能的基本电路，是电气控制系统的核心部分。信号的处理及放大是在比例放大器内完成的。它与外围电路一起构成比例阀的电气控制系统。通常它有一个或两个输出通道，把经过放大的功率信号送到比例电磁铁。6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierProportionalamplifierAproportionalamplifierisalsocalledanelectroniccontroller.Itisthecoreofanelectricalcontrolsystemandcontainsavarietyofspecificfunctionalbasiccircuits.Signalprocessingandamplificationarecompletedwithinaproportionalamplifier.Theproportionalamplifiertogetherwithitsperipheralcircuitsmakesupanelectricalcontrolsystemforproportionalvalves.Usuallyaproportionalamplifierhasoneortwooutputchannelswhichareusedfordeliveringamagnifiedpowersignaltotheproportionalsolenoid.6.1.3比例放大器的基本控制电路双输出通道的用于控制比例方向阀，单输出通道的用于控制其它的比例元件。比例放大器通常用于力控制型比例电磁铁，或行程控制型电磁电。用于控制后者的都带有位置捡测反馈通道。6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierTheproportionalamplifierwithdoubleoutputchannelsisusedtocontrolproportionaldirectionalvalves.Thosewhichhavesinglechannelareusedtocontrolotherproportionalelements.Proportionalamplifiersaregenerallyusedforpowercontroltypeproportionalsolenoidorstrokecontroltypesolenoid.Theproportionalamplifierwhichisusedforstrokecontroltypesolenoidhasafeedbackchannelforpositiondetection.6.1.3比例放大器的基本控制电路（2）电源电路比例控制放大器电源电路的主要作用是：从标准电源中获得分离出工作所需的各种直流稳定电源。并且在电网电压，负载电流及环境温度允许范围内变化时，保证输出直流电压的稳定性。同时，还兼具电源电压极性反接、过流、短路自我保护自恢复的非熔断式保护功能，以保证比例控制放大器的工作可靠性。6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierPowercircuitThemainfunctionsofthepowercircuitofaproportionalcontrolamplifieraregettingandseparatingallkindsofDCstablepowersupply,whichisneededfortheproportionalamplifierworkingregularly,fromthestandardpower,andensuringtheoutputvoltagestabilitywhenelectrifiedwirenettingvoltage,loadcurrentandambienttemperaturechangedinpermittedscope.Atthesametime,thepowercircuithasself-protectionfunctionofresistingandrecoveringfrompolarityreverseconnectedofthepowersupplyvoltage,overflowingandshoutout,sothatitcanensurefunctionalreliabilityoftheproportionalcontrolamplifier.6.1.3比例放大器的基本控制电路（3）控制信号发生电路用于产生给定值，作为输入控制信号的参考值。控制信号输入电路通常采用电位器组或信号发生器来产生阶跃变化或连续变化的控制信号。如果要求比例间跟踪榴人信号连续变化，这时应切除比例放大器内的斜坡信号发生器。6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierAcontrolsignalinputprogrammingcircuitisusedtogenerateagivenvalueasareferencevalueoftheinputcontrolsignal.Acontrolsignalinputcircuitusuallygeneratesastepchangedorcontinuouschangedcontrolsignalbyapotentiometergrouporasignalgenerator.Ifaproportionalvalveisdemandedtotrackthecontinuouschangeoftheinputsignal,theslopesignalgeneratorintheproportionalamplifiershouldbecutoff.6.1.3比例放大器的基本控制电路（4）逻辑控制电路它的功用是协调生产过程对性能的要求与控制信号的生成之间的关系，实现整个工作过程的自动化，并对设备提供安全措施。有些比例放大器中已包括一些继电器组成的电路，可用于较简单的逻辑控制。复杂的逻辑控制可以外接继电器或可编程控制器等来实现。6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierThemainfunctionofalogiccontrolcircuitiscoordinatingtherelationshipbetweenproductionprocessrequirementsonperformanceandthegenerationofcontrolsignals,realizingtheautomationofwholeworkprocess,atthesametime,supplyingsecuritymeasuresforequipments.Someproportionalamplifiershaveincludedsomecircuitscomposedbyrelaysandcanbeusedforrelativelysimplelogiccontrol.Complexlogiccontrolcanbeachievedbyconnectingexternalrelaysorprogrammablecontrollers.6.1.3比例放大器的基本控制电路（5）检测放大电路闭环控制中传感器检测实际输出值，并构成反馈。构成闭环有两种形式，一种称为阀内闭环，常见的是阀芯位移的反馈；另一种称为外闭环，是对系统的实际控制量的反馈。后者是闭环控制系统，前者对控制量来说仍然是开环的6.13MaincircuitsoftheproportionalamplifierApoweramplifierstageisacoreunitofaproportionalcontrolamplifier.Itsfunctionsaresynthesizingandamplifyingallkindsofcontrolsignals,andsupplyinganenoughdrivecurrentforanelectricity-mechanicaltransmission.Itusuallyrequiresadrivecurrentabout0.8~1.2foraproportionalsolenoid.6.2比例放大电路比例放大器是一种专用的电子装置，用来对比例阀的控制电磁铁提供特定波形的控制电流，并对整个比例阀或系统进行开环或闭环控制。所以比例放大器应具有相应的功能相适应能力，以满足生产上的需要。

6.2ProportionalamplifiercircuitAproportionalamplifierisadedicatedelectronicdevicewhichisusedtoprovidecontrolcurrentwhitspecificwaveformtothecontrolsolenoidofproportionalvalvesandtocontrolproportionalvalvesorthewholesystembywayofopenlooporclosed-loopcontrol.Therefore,theproportionalamplifiershouldhavecorrespondingfunctiontomeettheneedsofproduction.6.2比例放大电路

各种类型的比例放大器的内部电路不尽相同，但它们都是由一些基本信号处理单元组成。由集成运算放大器组成的电路，其性能比晶体管电路优越，温漂小，体积小，可靠性高，设计使用力便。因此，现代的比例控制放大器都采用由运放组成的电路，来完成放大、振荡、稳压、信号处理、比较、A/D和D/A变换等各种功能，下面对常用的基本电路作简单介绍。

6.2ProportionalamplifiercircuitElectriccircuitsinvarioustypesofproportionalamplifiersaredifferent,buttheyareallcomposedofsomebasicsignalprocessingunits.Thecircuitwhichiscomposedofanintegratedoperationalamplifierissuperiortoatransistorcircuitintermsofperformance,suchaslowertemperature-drift,smallersize,higherreliabilityandmoreconvenienttodesignanduse.Therefore,modernproportionalcontrolamplifiersmostlyadoptcircuitswhicharecomposedofoperationalamplifierstoaccomplishamplification,oscillation,voltagestabilization,signalprocess,comparison,A/DandD/Aconversionandsoon.Abriefintroductionofsomebasiccircuitsusedincommonisasfollows.6.2.1运算放大器简介运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。采用集成电路工艺制做的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。综上所述，比例放大器是一个能够对弱电的控制信号进行整形、运算和功率放大的电子控制装置

6.21Proportionaloperationamplificationcircuit6.2.2比例运算放大电路

运算放大器用作比例放大时，能够实现输出量与输入量之间线性比例关系。根据输入信号的输入方式不同，有反相输入、同相输入和差动输入三种形式

6.22ProportionaloperationamplificationcircuitThelinearproportionalrelationbetweenanoutputsignalandaninputsignalcanbeestablishedbyusingoperationalamplifiers.Accordingtothedifferentinputmodesoftheinputsignal,operationalamplifiercanbeclassifiedintotreetypes,whichareinvertinginput,non-invertinginputanddifferentialinput.反相放大器各种类型的比例放大器的内部电路不尽相同，但它们都是由一些基本信号处理单元组成。由集成运算放大器组成的电路，其性能比晶体管电路优越，温漂小，体积小，可靠性高，设计使用力便。因此，现代的比例控制放大器都采用由运放组成的电路，来完成放大、振荡、稳压、信号处理、比较、A/D和D/A变换等各种功能，下面对常用的基本电路作简单介绍。

InvertingamplifierElectriccircuitsinvarioustypesofproportionalamplifiersaredifferent,buttheyareallcomposedofsomebasicsignalprocessingunits.Thecircuitwhichiscomposedofanintegratedoperationalamplifierissuperiortoatransistorcircuitintermsofperformance,suchaslowertemperature-drift,smallersize,higherreliabilityandmoreconvenienttodesignanduse.Therefore,modernproportionalcontrolamplifiersmostlyadoptcircuitswhicharecomposedofoperationalamplifierstoaccomplishamplification,oscillation,voltagestabilization,signalprocess,comparison,A/DandD/Aconversionandsoon.Abriefintroductionofsomebasiccircuitsusedincommonisasfollows.反相放大器电路输出电压：可见，反相放大时，输出电压与输入电压之间之关系决定于比值，与放大器的放大倍数无关

InvertingamplifierTheoutputvoltageofcircuitis:Itcanbeseenthattherelationshipbetweenoutputvoltageandinputvoltageisdecidedby,whenusinginvertingamplification.Andithasnothingtodowiththeamplification图6-2基本反向放大电路Basicreverseamplificationcircuit反相放大器如果则电路输出电压：在这种情况下，运算放大器作变号运算，称为反相器。

Invertingamplifierifthentheoutputvoltageofcircuitis:图6-3反向加法器Invertingsummator反相放大器

在反相放大器的输入端安排多条支路并接，在输出端就可实现多路信号线性迭加，即反相加法器，如图示。

InvertingamplifierIfbranchesareparallelconnectedattheinputendofaninvertingamplifier,amultiplesignallinearsuperpositioncanberealizedattheoutputend.Atthistime,theinvertingamplifierisusedasaninvertingsummator,反向加法器Inverting

summator

同向放大器

同相放大器的电路如下图所示。输入信号从同相输入端引入。电压输出：

Non-invertingamplifierAninputsignalisimportedfromthenon-invertinginputend,Theoutputvoltage图6-4同向放大器Non-invertingamplifier

同向放大器

故输出电压与输入电压成比例，比例系数为大于等于1的正数。同相放大器的优点是输入电阻很大，一般达10MΩ以上，所以常用作电压跟随器。

Non-invertingamplifierSotheoutputvoltageisproportionaltotheinputvoltage.Ascalecoefficientisapositivenumberequaltoorbiggerthan1.Theadvantageofanon-invertingamplifieristhatitsinputresistanceisquitelarge,whichisgenerallymorethan10MΩ,soitisoftenusedasavoltagefollower.图6-4同向放大器Non-invertingamplifier

同向放大器

故输出电压与输入电压成比例，比例系数为大于等于1的正数。同相放大器的优点是输入电阻很大，一般达10MΩ以上，所以常用作电压跟随器。

Non-invertingamplifierSotheoutputvoltageisproportionaltotheinputvoltage.Ascalecoefficientisapositivenumberequaltoorbiggerthan1.Theadvantageofanon-invertingamplifieristhatitsinputresistanceisquitelarge,whichisgenerallymorethan10MΩ,soitisoftenusedasavoltagefollower.图6-4同向放大器Non-invertingamplifier

同向放大器

如果或（断开），则。即输出电压完全跟随输入电压变化。图6-5均为电压跟随器。其特点是输入电阻高，输出电阻值低，常用于阻抗变换。

Non-invertingamplifierIfor(off),then..Thatistosaytheoutputvoltagechangesfollowingtheinputvoltagecompletely.Fig.6-5showsthevoltagefollower.Thevoltagefollowerischaracterizedbyahighinputresistanceandalowoutputresistance.Soitiscommonlyusedforimpedanceconversion..图6-5电压跟踪器Thevoltagefollower

差动放大器

根据叠加原理，当或称为差模，称为差模放大系数。当时，可构成减法器

DifferentialamplifierAccordingtotheprincipleofsuperpositionandtheabovetwoformulas,wecanobtainthat:Whenoriscalleddifferentialmode.iscalledthemagnificationcoefficientofdifferentialmode.When,adifferentialamplifiercanbeusedasasubtractor.,,6.2.3调节器电路常用的调节器电路可被称为一种广义反相型和同相型放大电路。反相放大器和同相放大器的输入回路和反馈回路均为纯电阻。6.2.3RegulatorcircuitCommonlyusedregulatorcircuitcanbedescribedasakindofgeneralizedinvertingandnon-invertingamplifiercircuit.Theinputcircuitandthefeedbackcircuitoftheinvertingamplifierorthenon-invertingamplifierareallpureresistancecircuit

广义反相型电路Generalizedinvertingcircuit

,,比例放大器中常采用各种调节器，用以优化各类阀的性能。主要任务是当给定值发生变化时，调节控制对象的实际值与新的设定值相对应；另一主要任务是消除或减小干扰量对调节量的影响。常用的调节器电路有比例调节器（P调节器），积分调节器（I调节器），微分调节器（D调节器），PI调节器，PD调节器,PID调节器。Avarietyofregulatorsareoftenusedinproportionalamplifierstooptimizeallkindsofvalveperformance.Themaintaskisadjustingtheobjecttocorrespondwithanewchangedgivenvalue,andanothertaskiseliminatingorreducingtheeffectsofdisturbancevariableworkingonregulatingvariable.Commonlyusedregulatorsareproportionalregulators(regulator),integralregulators(regulator),differentialregulators(regulator),regulators,regulatorsandregulators.6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit

1）比例调节器（P）比例调节器电路与反相放大器的电路完全相同，输入量与输出量的关系：令即得比例调节器的比例系数。

Aproportionalregulatorcircuitiscompletelythesamewithaninvertingamplifiercircuit.Therelationbetweeninputandoutputquantityis:Ordernamelytheproportionalitycoefficientofaproportionalregulator.6.2.3Regulatorcircuit6.2.3调节器电路,,2）积分调节器（I）在P调节器的反馈电路中，用电容代替反馈电阻就可获得积分调节器。电压输出为：

AnintegralregulatorcanbeacquiredbywayofusingacapacitanceinsteadofafeedbackresistanceinthefeedbackofaPregulator.Theoutputvoltageis:

图6-8积分调节器及阶跃响应特性

a)积分调节器b)节约响应特性

Integralregulatoranditsstepresponsecharacteristics

a.Integralcontrollerb.Stepresponsecharacteristic6.2.3调节器电路6.2.3RegulatorcircuitSetupasastepfunction,,iftheinitialvalueiszero,thentheoutputvoltageis:Fromtheformula,willlinearincreaseastheslopethetransitionprocessisasshowninFig.6-8b.设为阶跃函数,若初始值为零，则输出电压为由式可知，将以斜率线性递增，其过渡过程如图6-8b所示6.2.3Regulatorcircuit6.2.3调节器电路Anintegralregulatorhasfunctionsofdelay,accumulationandmemory.Theso-calleddelayfunctionisthatanoutputsignalcanonlygraduallychanginginspiteofthefastchangeoftheinputsignal.Thisfeaturecanbeusedasarampup-downregulatingcircuit.Theso-calledaccumulationfunctionisthattheaccumulationwillnotstopaslongastheinputexists.Thisfeaturecanbeusedtoeliminatesystematicerrors.Theso-calledmemoryfunctionmeansthattheinputsuddenlydisappears,buttheoutputkeepsoriginalvalueandremainsthesame.积分调节器具有延缓、积累和记忆功能。所谓延缓功能是输入变化很快，但输出信号只能渐变，这一特性可用作为斜坡上升、下降调节电路。所谓积累功能是只要输入存在，积累就不停止，这一特性可用来消除系统误差。所谓记忆功能是指输入突然消失后，其输出保持原值不变。6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit,,3）微分调节器（D）微分是积分的逆运算，将积分电路中和C对调就构成纯微分调节器。但纯微分调节器在固有频率附近会出现谐振，使系统不稳定。Itisknowntoallthatdifferentialisinverseofintegral.ApuredifferentialregulatorcanbeachievedthroughputtingandCreversedinanintegralcircuit.Thepuredifferentialregulatormayappearresonancenearthenaturalfrequency,sothatmakethesystemunstable.

图6-9微分调节器及其单位阶跃响应特性

a)微分调节器b)单位阶跃响应特性Differentialregulatorcircuitanditsunitstepresponsea).Differentialregulatorb).Unitstepresponse6.2.3Regulatorcircuit6.2.3调节器电路,,为此，在输入端串联一个电阻（形成小阻尼），以提高稳定性。采取补偿措施后的微分调节器电路如图所示。Forthisreason,aresistanceneedstobeconnectedinseriesintheinputendtopromotestability.Thedifferentialregulatorcircuitaftertakingindemnifyingmeasuresisshowninfigure

图6-9微分调节器及其单位阶跃响应特性

a)微分调节器b)单位阶跃响应特性Differentialregulatorcircuitanditsunitstepresponsea).Differentialregulatorb).Unitstepresponse6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit,,

设输入为单位阶跃信号，即初值为零，输出电压的时间响应函数为其过渡特性如图6-9b所示。显然，D调节器只会对变化着的信号产生响应，对固定不变的输入不会有微分作用。Supposingaunitstepsignalastheinputsignal,thatmeans,whoseinitialvalueiszero.Thetimeresponsefunctionoftheoutputvoltageis:ThetransitioncharacteristicsareshowninFig.6-26b.Apparently,theDregulatorwillonlyrespondtochangingsignals,buttoafixedinputwillnothavedifferentialeffects.6.2.3Regulatorcircuit6.2.3调节器电路,,所以微分作用是高通电路，对高频干扰和噪声反应很灵敏，容易产生自激振荡，使用时应增加以增大阻尼，限制高频增益。微分作用在信号变化快时给出较大的控制量，这有利于改善动态偏差和减小过渡时间；但微分作用不能克服静误差，且微分作用过强时，系统不易稳定。通常它与P、I调节器构成复合调节器使用。Therefore,thedifferentialeffectcircuitisahighpasscircuit.Itissensitivetohigh-frequencyinterferenceandnoiseresponse,anditcanproduceself-oscillationeasily.Soshouldbeincreasedtomagnifydampingtolimithigh-frequencygain.Thedifferentialactionwillproducealargercontrolvariablewhichishelpfultoimprovedynamicdeviationandreducethetimeoftransitionwhenthesignalisrapidlychanging.However,differentialeffectscannotovercomestaticerror,andwhenthedifferentialeffectistoostrong,thesystemcannotstabilizeeasily.Usually,acomplexregulatorisusedwhichiscomposedofPandIregulator.6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit,,4）PI调节器P调节器的初始特性好，对输入量反应很快，但有残留误差；I调节器的完成特性好，调节偏差为零。两个调节器联合所得到的特性能够保留二者的优点。PI调节器如图所示。InitialcharacteristicsofaPregulatoraregood.ThePregulatorhasaquickresponsetoaninputquantity,butithastheresidualerror.AnIregulatorhasagoodcharacteristicofcompletionanditsadjustingdeviationiszero.APIregulatorwhichisacombinationofthetworegulatorshascharacteristicsoftheboth.TheregulatorisshowninFig.6-10

图6-10PI调节器及其阶跃响应特性a)PI调节器b)阶跃响应特性PIregulatoranditsstepresponsecharacteristicsa).PIregulatorb).Unitstepresponsecharacteristics6.2.3Regulatorcircuit6.2.3调节器电路,,5）PD调节器

PD调节器对快速变化的输入信号作出超前响应，因而可以加速调节过程。但由于没有积分I作用，仍存在一个静态偏差。ThePDregulatorcanmakeadvancedresponsetoaquicklychangedinputsignal,soitcanspeeduptheregulatingprocess.BecausethePDregulatorlacksofthefunctionofintegralI,itstillhasastaticdeviation.图6-11PD调节器

ThePDregulator6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit,,6）PID调节器PID调节器性能良好，使用广泛。将其放大系数设计成可调，就可以适用于各种调节对象。构成PID调节器的方案很多，图6-12是比例放大器中广泛采用的一种方案。该方案的特点是可根据需要方便地取舍P、I、D中的任一个环节，每一个环节的时间常数独立可调，互不影响。该方案通过加法电路将独立的P、I、D电路叠加在一起。APIDregulatorhasgoodperformance,soitiswidelyused.APIDregulatorcanbeusedinallkindsofcontrolledplant,ifitsmagnificationcoefficientisdesignedadjustable.TherearemanyschemesofaPIDregulatorconstitution.OneofthemwhichiswidelyusedinaproportionalamplifierisshowninFig.6-12ThecharacteristicofthisschemeisthatwecanacceptorrejectanyelementofP,IandDconvenientlyaccordingtoneed.Thetimeconstantofeachelementisadjustableindependentlyandwithoutinterference.TheP,IandDcircuitareaddedtogetherbyusingaddedcircuitshowninthisscheme..6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit图6-12常用的PID调节器电路

a)电路b)特性ThePIDregulatorcircuitanditscharacteristicsa.The

circuit

b.Characteristics6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit

设其传递函数为式中—比例环节的比例放大系数，

—积分环节的比例放大系数，

—积分环节中惯性环节的时间常数SetthePIDregulator’stransformfunctionis——theproportionamplificationcoefficientoftheproportionallink——theproportionamplificationcoefficientoftheintegrallink——thetimeconstantoftheinertiaelementinintegrallink6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit

—积分环节的时间常数，

注意到，故相当于积分环节

—微分环节的比例放大系数，

—微分环节的时间常数，式中的各项系数是根据系统校正的需要配置的。

——Thetimeconstantoftheintegrallink

considering,soisequivalenttotheintegrallink——Theproportionamplificationcoefficientofthedifferentiallink——thetimeconstantoftheproportionallink6.2.3调节器电路6.2.3Regulatorcircuit

6.2.4控制信号发生电路本质上是向比例放大器提供参考电压，作为输入控制信号。对于开环系统，它就是实际的控制输入，对于闭环系统，它还要与反馈信号比较，得出的偏差值才是真正的控制信号。

ControlsignalgenerationcircuitEssentially,areferencevoltageisprovidedtoaproportionalamplifierasaninputcontrolsignal.Foranopen-loopsystem,itisanactualcontrolinput.Butforaclosed-loopsystem,itneedstocomparewithafeedbacksignal,andtheobtaineddeviationistheactualcontrolsignal.

比例放大器的信号发生电路可用于形成比例放大器的指令信号，即给定信号，以满足设备工况要求，也可用于改善控制元件的性能，例如为了改善系统的启动和停止性能，设有斜坡信号发生器活专门的函数信号发生器。

Proportionalamplifiercanuseasignalgeneratingcircuittoproduceacommandsignaltomeettherequirementsoftheworkingconditionofequipment,anditcanalsobeusedtoimprovetheperformanceofcontrolcomponents.Forexample,inordertoimprovethestart-stopperformanceofasystem,generallyarampsignalgeneratororaspecialfunctionsignalgeneratorisinstalledinthesystem.6.2.4控制信号发生电路

Controlsignalgenerationcircuit

1）斜坡信号发生器斜坡信号发生器用于控制信号的上升变化和下降变化速度，使当输入阶跃信号时，能够以可调的速率无冲击地到达给定值要求，从而获得平稳而迅速的起动、转换或停止，进而提高生产率。图6-13所示是将阶跃信号转换为斜坡信号的典型电路。

Aslopesignalgeneratorisusedtocontrolthespeedofrisechangeanddeclinechange.Whenastepsignalisinput,itcanreachgivenvaluerequirementsatadjustablespeedwithoutimpact,soastoobtainasmoothandrapidstart,transmissionorstop,andimproveproductivity.6.2.4控制信号发生电路

Controlsignalgenerationcircuit图6-13斜坡信号发生器电路a)斜坡信号发生电路b)斜坡信号发生电路的输入输出特性a)b)Slopesignalgenerationcircuita)Slopesignalsgenerationcircuitb)Input