控制儀表及裝置第一章

控制儀表及裝置第一章第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章模擬式控制器第一節(jié)控制器的運算規(guī)律和構成方式第二節(jié)基型控制器第三節(jié)特種控制器和附加單元模擬式控制器第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月控制器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例

(P)、積分(I)

、微分(D)運算，并輸出統(tǒng)一標準信號,去控制執(zhí)行機構的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。圖1-1單回路控制系統(tǒng)方框圖控制器對象變送器給定值偏差測量值被控變量擾動xs?εxi?y第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月控制器的運算規(guī)律和組成方式控制器的運算規(guī)律是指控制器的輸出信號和輸入偏差之間隨時間變化的規(guī)律。?y?ε一、概述?ε＝ε?ε對輸入偏差而言，由于其初值為零，因此基本運算規(guī)律有比例（P）、積分（I）和微分（D）三種，各種控制器的運算規(guī)律均由這些基本運算規(guī)律組合而成。?y?y習慣上稱ε>0為正偏差；ε<0為負偏差

ε>0時>0稱控制器為正作用；

ε<0時<0為反作用第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PID控制器的運算規(guī)律

PID運算規(guī)律的表示形式1.理想PID控制器微分方程表示法傳遞函數表示法比例增益積分時間微分時間第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.實際PID控制器F－控制器變量之間的相互干擾系數，可表示為－考慮相互干擾系數后的實際比例增益KPFTIFKIDFTKD－考慮相互干擾系數后的實際積分時間－考慮相互干擾系數后的實際微分時間－微分增益－積分增益第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月具有比例控制規(guī)律的控制器稱為P控制器，其輸出信號

與輸入偏差（當給定值不變時，偏差就是被控變量測量值的變化量）之間成比例關系。

P運算規(guī)律?yε或在實際調節(jié)器中常用比例度（或稱比例帶）δ來表示比例作用的強弱。δ與Kp成反比。δ越小，Kp越大，比例作用就越強。比例度第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-2P控制器的階躍響應特性P控制特性tε0t0y?KPεP控制的特點：反應快，控制及時，但系統(tǒng)有余差。比例度與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關系:δ越小，系統(tǒng)控制越強，但并不是δ越小越好。δ減小將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易產生振蕩。P控制器一般用于干擾較小，允許有余差的系統(tǒng)中。第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

PI運算規(guī)律具有比例積分控制規(guī)律的控制器稱為PI控制器。對PID控制器而言，當微分時間TD＝0時，控制器呈PI控制特性。理想PI控制器的特性或積分作用能消除余差。只要有偏差存在，積分作用的輸出就會隨時間不斷變化，直到偏差消除，控制器的輸出才穩(wěn)定下來。積分作用一般不單獨使用，而是和比例作用組合起來構成PI控制器。由于積分輸出是隨時間積累而逐漸增大的，故控制作用緩慢，造成控制不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-3理想PI控制器的階躍響應特性階躍響應特性tε0t0?yKPε?y=?yIP?yPTI可表示為比例作用輸出與積分作用輸出之和。其中在階躍偏差信號作用下，理想PI控制器的輸出隨時間變化的表達式為：比例作用輸出積分作用輸出第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月當積分作用輸出與比例作用輸出相等時，即可得也就是說，積分作用的輸出值變化到等于比例作用的輸出值所經歷的時間就是積分時間。積分時間TI的意義TI愈短，積分速度愈快，積分作用就愈強。積分時間TI的測定第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月實際PI控制器的特性實際PI控制器的傳遞函數為：在階躍偏差信號作用下，實際PI控制器的輸出為：階躍響應特性tε0t0?yKPεKPεKI圖1-4實際PI控制器的階躍響應特性第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月積分增益KI在階躍偏差信號作用下，實際PI輸出變化的最終值（假定偏差很小，輸出值未達到控制器的輸出限幅值）與初始值（即比例輸出值）之比：當積分增益KI為無窮大時，可以證明實際PI控制器的輸出就相當于理想輸出。實際上，PI控制器的KI一般都比較大，可以認為實際PI控制器的特性是接近于理想PI控制器特性的。第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月控制點偏差和控制精度當控制器的輸出穩(wěn)定在某一值時，測量值與給定值之間存在的偏差通常稱為控制點偏差。當控制器的輸出變化為滿刻度時，控制點的偏差達最大，其值可以表示為：控制點最大偏差的相對變化值即為控制器的控制精度（?）?？紤]到控制器輸入信號（偏差）和輸出信號的變化范圍是相等的，因此，控制精度可以表示為：控制精度是控制器的重要指標，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強。第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

PD運算規(guī)律理想PD控制器的特性或具有比例微分控制規(guī)律的控制器稱為PD控制器。對PID控制器而言，當積分時間TI→∞時，控制器呈PD控制特性。微分作用是根據偏差變化速度進行控制的，有超前控制之稱。在溫度、成分等控制系統(tǒng)中，往往引入微分作用，以改善控制過程的動態(tài)特性。不過，在偏差恒定不變時，微分作用輸出為零，故微分作用也不能單獨使用。第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-5理想PD控制器的斜坡響應特性斜坡響應特性tε0t0?yTD可表示為比例作用輸出與微分作用輸出之和。其中當偏差為等速上升的斜坡信號時，理想PD控制器為：比例作用輸出微分作用輸出ε=at?y=KpTDaD?y=KptPa達到相同的輸出值時，微分作用比單純比例作用提前的時間就是微分時間TD。第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月實際PD控制器的特性實際PD控制器的傳遞函數為：在階躍偏差信號作用下，實際PD控制器的輸出為：階躍響應特性tε0t0?y圖1-4實際PD控制器的階躍響應特性第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月微分增益KDKD愈大，微分作用愈趨于理想。微分時間TD的測定在階躍偏差信號作用下，實際PD輸出變化的初始值與最終值（即比例輸出值）之比：實際PD控制器的輸出同樣可看作是?yP?yD與之和。在階躍偏差信號作用下，實際PD控制器的輸出從最大值下降了微分輸出幅度的63.2%所經歷的時間，就是微分時間常數TD/KD。此時間常數再乘上微分增益KD就是微分時間TD。第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

PID運算規(guī)律理想和實際PID控制器的傳遞函數分別為：當偏差為階躍信號時，實際PID控制器的輸出為：第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月階躍響應特性第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PID控制器的構成控制器對輸入信號與給定信號的偏差進行PID運算，因此應包括偏差檢測和PID運算兩部分電路。偏差檢測電路PID運算電路測量值偏差I0，U0給定值圖1-8控制器構成示意圖偏差檢測電路通常稱為輸入電路。偏差信號一般采用電壓形式，所以輸入信號和給定信號在輸入電路內都是以電壓形式進行比較。輸入電路同時還必須具備內外給定電路的切換開關，正、反作用切換開關和偏差指示（或輸入、給定分別指示）等部分。PID運算電路是實現(xiàn)控制器運算規(guī)律的關鍵部分。第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月PID運算電路的構成方式放大器K0PID反饋電路輸出I0,U0偏差εUf，ε偏差εPDPI輸出I0,U0測量值PDPI輸出I0,U0給定值(a)

(b)

第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月偏差εPDI輸出I0,U0偏差εPID輸出I0,U0P(d)(c)第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月基型控制器對來自變送器的1～5V直流電壓信號與給定值相比較后所產生的偏差進行

PID

運算，并輸出4～20mA的控制信號。基型控制器有兩個品種：全刻度指示控制器和偏差指示控制器。組成：由控制單元和指示單元組成。在基型控制器基礎上增設附加電路可構成各種特種控制器，如抗積分飽和控制器、前饋控制器、輸出跟蹤控制器等，也可附加某些單元具有報警、限幅等功能。基型控制器一、概述第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月測量信號指示線路測量信號指示線路輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手操電路軟手操電路250Ω測量指示給定指示指示單元控制單元1～5V4～20mA1～5V內外UiUo1Uo2Uo3Is輸出指示Us4～20mAIo圖1-10基型控制器方框圖第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-11輸入電路原理圖

輸入電路是由IC1等組成的偏差差動電平移動電路。二、輸入電路

作用：偏差檢測、電平移動UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1輸入電路采用偏差差動輸入方式，為了消除集中供電引入的誤差。電平移動的目的是使運放工作在允許的共模輸入電壓范圍內。第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-12集中供電在普通差動運算電路中引入誤差的原理圖第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-13引入導線電阻壓降后的輸入電路原理圖UiIC1R1R2R3R4R5UsR7R8R6Uo1UCM1UCM2UB取則有：電路分析：第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出信號Uo1僅與測量信號Ui和給定信號Us的差值成正比，比例系數為-2，而與導線上的壓Ucm1和Ucm2無關。IC1的輸入端的電壓UT，UF是在運算放大器共模輸入電壓的允許范圍（2～22V）之內，所以電路能正常工作。把以零伏為基準的，變化范圍為１～５V的輸入信號，轉換成以10V為基準的，變化范圍為０～＋8V的偏差輸出信號Uo1結論：第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PD電路

組成：無源比例微分網絡＋比例運算放大器

作用：將輸入電路輸出的電壓信號ΔUo1

進行PD運算圖1-14PD電路第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月在微分作用的情況下第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月對于比例放大器有：第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月在微分不加入的情況下IC2R1RDUT1/n(n-1)/nUo1＝／n通過向充電，穩(wěn)態(tài)時UCD

＝(n-1)

Uo1

/n當微分接入時UT仍為Uo1

/n在切換瞬間UT保持不變，對輸出沒影響UTUo1Uo1R1CD第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月ＰＩ電路的等效電路圖四、PI電路第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月+第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月積分飽和1）概念：具有積分作用的控制器在單方向偏差信號的長時間作用下，其輸出達到輸出范圍上限值或下限值之后，積分作用將繼續(xù)進行，從而使控制器脫離正常狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2）積分飽和的影響

3）解決辦法：在輸出達到限值時，去掉積分作用，或者在輸出端另加一與偏差相反的信號，使積分作用輸出不再繼續(xù)增加。

tt等待時間U02U03第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月五、PID電路傳遞函數-2圖1-19

控制器PID電路傳遞函數方框圖第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1100=0.05%KpminKIminD

控制器的調節(jié)精度（在不考慮放大器的漂移、積分電容的漏電等因素時）為第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-20輸出電路

六、輸出電路作用：把PID電路輸出的、以UB為基準的1~5v直流電壓信號轉換成4~20mA的電流信號第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月線路分析第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月七、手動操作電路作用：實現(xiàn)手動操作，有軟手操和