第三章 调节器（控制器）,自动化系 唐德东023-65023732tddsohusohu.com逸夫科技楼I410,第三章 调节器,教学目的要求：掌握基本控制规律及其对控制过程的影响；掌握DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析；理解数字调节器和可编程序调节器的功能和原理，了解它们的使用方法；理解PID参数自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。教学重点：PID控制规律，数字调节器和可编程序调节器的原理DDZ-III型控制器的结构、电路及工作原理分析教学难点：基本控制规律及其对控制过程的影响。,第六讲 DDZ-III模拟调节器,教学目的与要求：了解DDZ-III模拟调节器的组成，理解各部分电路，掌握其工作原理，会分析手动与自动之间的切换,教学重点： DDZ-III模拟调节器各部分电路。教学难点：切换过程与实现,模拟控制器(调节器),模拟控制器(调节器)用模拟电路实现控制功能。,其发展经历了型（用电子管）,型（用晶体管）,型（用集成电路）,一、DDZ-型仪表的特点1）采用统一信号标准：420mA DC和15V DC。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。 2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。 3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。,1、功能和性能指标功能：对偏差进行PID运算；指示输入Vi，设定Vs；输出Io；正反作用切换；能手动；手动自动无扰切换。,DDZ-III型调节器,输入15VDC输出420mADC输入阻抗影响0.1Fscal负载电阻250750内设定15VDC闭环跟踪精度0.5外设定420mADC 电源24V10比例带：2500再调时间TI：0.012.5分或0.125分预调时间TD：0.0410分，或断开微分增益KD：10,基本性能指标：,DDZ-基型调节器的主要功能电路有：输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路。,2、全刻度指示调节器的线路实例,输入电路的首要任务是求偏差 e ： V01 = k ( V给定 V测量 ),1、输入电路,因测量信号Vi和给定信号Vs分别通过双臂电阻差模输入到运放A1的同相和反相输入端。,可列出两输入节点的电流方程：,而 V+V- 则 V01 = 2（Vi VS）,得,采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使15V的测量信号不受衰减，,（2） 求偏差 Vi VS，进行偏差运算。（3）将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大两倍。,电路的特点（1）输入阻抗高,（4） 消除传输线上压降的影响 DDZ-采用共用电源，在Vi的传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻的影响。,（5） 进行电平移动 Vi、VS都是以地为基准的电压信号，而运放IC器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范围应在219V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB =10V ，即进行电平移动。,因为 Vs = 15V， VCM1 = VCM2 = 01V,则,显然，IC不能正常放大。,如果 VB = 0,VB = 10V时， V+ = V- = 3.75.7V 保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。,而且 VB = 0时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8+8V也不符合后面PID电路IC的范围要求。,VB = 10时：VO1= -2（Vi-VS ） = 218V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。,2、PID运算电路,由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,1、 PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8打向“通”时，构成 PD电路。,PD传递函数,得,式中：,微分时间常数,又因,得,实际微分因子,阶跃响应,当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为,可见，此电路的微分是实际的微分。,当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。,2、PI电路分析PI电路以A3为核心组成，开关S3为积分时间倍乘开关。当S3打向1档时，1K电阻被悬空，不起分压作用；当S3打向10档时，1K电阻接到基准线，静态V02被分压输入。,由于10F电容积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。,则,PI传递函数IC负输入端节点电流方程（S3置于10档）：,传函为,设:Ti = mRICI 积分时间常数,S3打向10档时： m=10S3打向1档时： m=1,阶跃响应,当V02为阶跃信号时，V03的阶跃响应为,理想运放时,实际运放时,3、PID运算电路的传递函数,输入电路： V01 = 2（Vi VS）,PD电路：,PI电路：,PID运算是上述三个环节的串联而成。,干扰系数,PID传递函数,令：,比例度,微分增益,则：,（1）若TDKD，则上式分母实际微分项近似为1,若TD TI，则,这时,成为理想的PID,（2） 调节器的实际比例度为P/F，实际微分时间为TD /F，实际积分时间为FTI。 说明三个参数调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法准确。,各参数的实际值与F = 1时相差25%。,例：当TI / TD = 4时，,阶跃响应,整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项三部分组成。调节范围：P =2500%， TD=0.0410分TI =0.012.5分 (1档)， TI =0.125分 (10档),3、输出电路,其任务是将PID电路输出电压VO3 =15V变换为420mA的电流输出，并将基准电平移至0V。,在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。,取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3,由V+V-得,转换关系,则,而,若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K时，,可以精确获得关系：,4、 手动操作电路及无扰切换通过切换开关S1可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。,AM无冲击,1. A、M间的切换,S1从A切换到M时：,断开A3的输入,CM无放电回路,VO3保持不变,S42闭合-VM接入按TI =100s的时间积分,S41闭合-VM接入按TI =6s的时间积分,同理，S43（或S44）闭合+VM接入反向积分,用这种手动操作来改变调节器输出，信号变化比较缓和，称为 “软手动”。,2A、H间的切换当切换开关S1由自动位置A，切向硬手动 H 时，放大器A3接成具有惯性的比例电路。,由于CM充电迅速，A3的输出近似为比例电路。,传递函数,时间常数 T = RFCM =301031010-6 = 0.3s可见，VH 改变时，VO3很快达到新的稳态值。AH前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。 MH也同样。,3M、HA间的切换 S1由A切向M或H时，联动开关同时将积分电容CI接VB，使VCI始终等于V02。当S1再由H、M切回A时，由于电压没有突变，切换也是无扰动的。,自动（A）,软手动（M）,无扰,无扰,硬手动（H）,无扰,有扰,总结：,5、 测量及给定指示电路 用动圈表头来指示测量值和给定值。S5切换到“标定”时，可进行示值标定。 流过动圈表头的电流为,DDZ-型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。,三、积分饱和问题,由于积分导致VF和V0不相等，称为积分饱和。 Vi反向时，由于积分饱和，Vo不能马上变化，导致控制滞后。,抗积分饱和的措施：由于输出到达限幅值，积分作用没有停止，产生积分饱和。采取某种手段，监视积分环节的输出，达到限幅值时限制电容上的电压VC；取消积分作用，转换为比例作用使得输入信号为零或者反向。,作业：2-6，2-7,