第六講模擬調(diào)節(jié)器課件

第三章調(diào)節(jié)器教學(xué)目的要求：掌握基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響；掌握DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析；理解數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的功能和原理，了解它們的使用方法；理解PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器的功能與結(jié)構(gòu)，了解其使用方法。教學(xué)重點(diǎn)：PID控制規(guī)律，數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程序調(diào)節(jié)器的原理DDZ-III型控制器的結(jié)構(gòu)、電路及工作原理分析教學(xué)難點(diǎn)：基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)程的影響。第三章調(diào)節(jié)器教學(xué)目的要求：掌握基本控制規(guī)律及其對(duì)控制過(guò)1第六講DDZ-III模擬調(diào)節(jié)器教學(xué)目的與要求：了解DDZ-III模擬調(diào)節(jié)器的組成，理解各部分電路，掌握其工作原理，會(huì)分析手動(dòng)與自動(dòng)之間的切換

教學(xué)重點(diǎn)：DDZ-III模擬調(diào)節(jié)器各部分電路。教學(xué)難點(diǎn)：切換過(guò)程與實(shí)現(xiàn)第六講DDZ-III模擬調(diào)節(jié)器教學(xué)目的與要求：了解DDZ2模擬控制器(調(diào)節(jié)器)模擬控制器(調(diào)節(jié)器)用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了Ⅰ型（用電子管）Ⅱ型（用晶體管）Ⅲ型（用集成電路）模擬控制器(調(diào)節(jié)器)其發(fā)展經(jīng)歷了Ⅰ型（用電子管）Ⅱ型（用晶體3一、DDZ-Ⅲ型儀表的特點(diǎn)1）采用統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4~20mADC和1～5VDC。這種信號(hào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是電氣零點(diǎn)不是從零開(kāi)始，容易識(shí)別斷電、斷線等故障。同樣，因?yàn)樽钚⌒盘?hào)電流不為零，可以使現(xiàn)場(chǎng)變送器實(shí)現(xiàn)兩線制。2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。3）可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，用于危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。一、DDZ-Ⅲ型儀表的特點(diǎn)41、功能和性能指標(biāo)功能：對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算；指示輸入Vi，設(shè)定Vs；輸出Io；正反作用切換；能手動(dòng)；手動(dòng)自動(dòng)無(wú)擾切換。DDZ-III型調(diào)節(jié)器DDZ-III型調(diào)節(jié)器5●輸入1～5VDC ●輸出4～20mADC●輸入阻抗影響≤0.1Fscal％●負(fù)載電阻250～750●內(nèi)設(shè)定1～5VDC ●閉環(huán)跟蹤精度±0.5％●外設(shè)定4～20mADC●電源24V±10％●比例帶δ：2％～500％●再調(diào)時(shí)間TI：0.01～2.5分或0.1～25分●預(yù)調(diào)時(shí)間TD：0.04～10分，或斷開(kāi)●微分增益KD：10基本性能指標(biāo)：基本性能指標(biāo)：61-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)—軟手動(dòng)—硬手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵DDZ-Ⅲ型控制器的組成與操作1-雙針垂直指示器DDZ-Ⅲ型控制器的組成與操作7DDZ-Ⅲ基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、自動(dòng)與手動(dòng)（硬手動(dòng)和軟手動(dòng)）切換電路、輸出電路及指示電路。輸入電路PD電路PI電路輸出電路測(cè)量外給內(nèi)給定電路給定值指示輸出指示軟手動(dòng)電路硬手動(dòng)電路測(cè)量值指示內(nèi)給S6S1MHADDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方框圖DDZ-Ⅲ基型調(diào)節(jié)器的主要功能電路有：輸入電路、給定電路、P82、全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例2、全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實(shí)例9輸入電路的首要任務(wù)是求偏差e：

V01=k(V給定－V測(cè)量)

1、輸入電路輸入電路的首要任務(wù)是求偏差e：1、輸入電路10因測(cè)量信號(hào)Vi和給定信號(hào)Vs分別通過(guò)雙臂電阻差模輸入到運(yùn)放A1的同相和反相輸入端?？闪谐鰞奢斎牍?jié)點(diǎn)的電流方程：因測(cè)量信號(hào)Vi和給定信號(hào)Vs分別通過(guò)雙臂電阻11而V+≈V-則

V01=－2（Vi－VS）

得而V+≈V-則12采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)Vi、VS取用電流，使1～5V的測(cè)量信號(hào)不受衰減，（2）求偏差

Vi–VS，進(jìn)行偏差運(yùn)算。（3）將偏差放大

為了提高調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的靈敏度，對(duì)其后的運(yùn)算有利，這里先將偏差放大兩倍。電路的特點(diǎn)（1）輸入阻抗高采用差動(dòng)輸入電路，輸入阻抗很高，不從信號(hào)Vi、VS取用電流，13（4）消除傳輸線上壓降的影響

DDZ-Ⅲ采用共用電源，在Vi的傳輸線上可能包括其它儀表的電流，導(dǎo)線電阻雖不大而其壓降有時(shí)不可忽略。差動(dòng)輸入可以消除導(dǎo)線電阻的影響。（4）消除傳輸線上壓降的影響14（5）進(jìn)行電平移動(dòng)

Vi、VS都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，而運(yùn)放IC器件+24VDC供電時(shí)，其正常輸入、輸出信號(hào)電壓范圍應(yīng)在2～19V。為使運(yùn)算信號(hào)符合要求，必須將基準(zhǔn)電壓從0V抬高到VB=10V

，即進(jìn)行電平移動(dòng)。

（5）進(jìn)行電平移動(dòng)15因?yàn)閂s=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

則顯然，IC不能正常放大。如果VB=0VB=10V時(shí)，

V+=V-=3.7～5.7V保證了IC共摸電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。V+V-因?yàn)閂s=1～5V，VCM1=VCM216而且VB=0時(shí)，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID電路IC的范圍要求。VB=10時(shí)：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V

使后面PID電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。＋－而且VB=0時(shí)，VO1=-2（Vi-VS）=17

2、PID運(yùn)算電路由PI和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以VB=10V為基準(zhǔn)起算的。PIPD2、PID運(yùn)算電路由PI和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸181、PD電路分析

PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)S8打向“斷”時(shí)，構(gòu)成P電路；開(kāi)關(guān)S8打向“通”時(shí)，構(gòu)成PD電路。1、PD電路分析19PD傳遞函數(shù)ID得PD傳遞函數(shù)ID得20式中：

—微分時(shí)間常數(shù)ID又因

得

實(shí)際微分因子式中：—微分時(shí)間常數(shù)ID又因得實(shí)際微分因子21階躍響應(yīng)

當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，V02的階躍響應(yīng)為V02TD/nαV01/n63%t可見(jiàn)，此電路的微分是實(shí)際的微分。階躍響應(yīng)當(dāng)V01為階躍信號(hào)時(shí)，V02的階躍響應(yīng)22當(dāng)S8置于“斷”時(shí)，微分被切除，A2只作比例運(yùn)算。有這時(shí)微分電容被開(kāi)關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當(dāng)開(kāi)關(guān)S8切換到“通”時(shí)，保證無(wú)擾動(dòng)切換。當(dāng)S8置于“斷”時(shí)，微分被切除，A2只23

2、PI電路分析PI電路以A3為核心組成，開(kāi)關(guān)S3為積分時(shí)間倍乘開(kāi)關(guān)。當(dāng)S3打向×1檔時(shí)，1K電阻被懸空，不起分壓作用；當(dāng)S3打向×10檔時(shí)，1K電阻接到基準(zhǔn)線，靜態(tài)V02被分壓輸入。由于10μF電容積分需要較大電流，在A3輸出端加一功放三極管。2、PI電路分析由于10μF電容積分需要較大電流，在A3輸24則PI傳遞函數(shù)IC負(fù)輸入端節(jié)點(diǎn)電流方程（S3置于×10檔）：則PI傳遞函數(shù)25傳函為設(shè):Ti=mRICI—積分時(shí)間常數(shù)S3打向×10檔時(shí)：m=10S3打向×1檔時(shí)：m=1

傳函為設(shè):S3打向×10檔時(shí)：26階躍響應(yīng)

當(dāng)V02為階躍信號(hào)時(shí)，V03的階躍響應(yīng)為tV03（CI/CM）V02-V03t理想運(yùn)放時(shí)實(shí)際運(yùn)放時(shí)階躍響應(yīng)當(dāng)V02為階躍信號(hào)時(shí)，V03的階躍響應(yīng)273、PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：V01=－2（Vi－VS）PD電路：PI電路：PID運(yùn)算是上述三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)而成。3、PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)輸入電路：V01=28干擾系數(shù)PID傳遞函數(shù)

令：比例度微分增益則：干擾系數(shù)PID傳遞函數(shù)令：比例度微分增益則：29（1）若TD<<KD，則上式分母實(shí)際微分項(xiàng)近似為1若TD<<TI，則

這時(shí)

成為理想的PID（1）若TD<<KD，則上式分母實(shí)際微分項(xiàng)近似為1若TD<<30（2）調(diào)節(jié)器的實(shí)際比例度為P/F，實(shí)際微分時(shí)間為TD/F，實(shí)際積分時(shí)間為FTI。說(shuō)明三個(gè)參數(shù)調(diào)整時(shí)互相干擾，造成調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的刻度無(wú)法準(zhǔn)確。各參數(shù)的實(shí)際值與F=1時(shí)相差25%。例：當(dāng)TI

/TD

=4時(shí)，（2）調(diào)節(jié)器的實(shí)際比例度為P/F，實(shí)際微分時(shí)間為TD/F31階躍響應(yīng)

整個(gè)曲線由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和有限制的微分項(xiàng)三部分組成。調(diào)節(jié)范圍：P=2～500%，TD=0.04～10分TI=0.01～2.5分(×1檔)，TI=0.1～25分(×10檔)V03t階躍響應(yīng)整個(gè)曲線由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和有限制的微分項(xiàng)三部分組323、輸出電路其任務(wù)是將PID電路輸出電壓VO3=1～5V變換為4～20mA的電流輸出，并將基準(zhǔn)電平移至0V。在A4后面用VT1、VT2組成復(fù)合管，進(jìn)行電流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來(lái)保證良好的恒流特性。3、輸出電路其任務(wù)是將PID電路輸出電壓VO3=1～5V變33?。篟3=R4=10KΩ，R1=R2=4R3由V+≈V-得轉(zhuǎn)換關(guān)系

?。篟3=R4=10KΩ，R1=R2=34則而若取R1=4（R3+Rf）=40.25KΩ時(shí)，可以精確獲得關(guān)系：則而若取R1=4（R3+Rf）=40.25K354、手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換通過(guò)切換開(kāi)關(guān)S1可以選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)“A”、軟手動(dòng)操作“M”、硬手動(dòng)操作“H”三種控制方式。A→M無(wú)沖擊1.A、M間的切換S1從A切換到M時(shí)：斷開(kāi)A3的輸入CM無(wú)放電回路VO3保持不變4、手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換A→M無(wú)沖擊1.A、M間的36S42閉合→-VM接入——按TI

=100s的時(shí)間積分S41閉合→-VM接入——按TI

=6s的時(shí)間積分同理，S43（或S44）閉合→+VM接入——反向積分用這種手動(dòng)操作來(lái)改變調(diào)節(jié)器輸出，信號(hào)變化比較緩和，稱為“軟手動(dòng)”。S42閉合→-VM接入——按TI=100s的時(shí)間積分372．A、H間的切換當(dāng)切換開(kāi)關(guān)S1由自動(dòng)位置A，切向硬手動(dòng)H時(shí)，放大器A3接成具有慣性的比例電路。由于CM充電迅速，A3的輸出近似為比例電路。2．A、H間的切換由于CM充電迅速，A3的輸出近似為比例電路38傳遞函數(shù)時(shí)間常數(shù)T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s可見(jiàn)，VH改變時(shí)，VO3很快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。A→H前，須先調(diào)RPH與當(dāng)時(shí)的VO3一致，才能做到無(wú)擾動(dòng)切換。M→H也同樣。傳遞函數(shù)時(shí)間常數(shù)T=RFCM=30×103×10393．M、H→A間的切換S1由A切向M或H時(shí)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)將積分電容CI接VB，使VCI始終等于V02。當(dāng)S1再由H、M切回A時(shí)，由于電壓沒(méi)有突變，切換也是無(wú)擾動(dòng)的。自動(dòng)（A）軟手動(dòng)（M）

無(wú)擾無(wú)擾硬手動(dòng)（H）無(wú)擾有擾總結(jié)：3．M、H→A間的切換自動(dòng)（A）軟手動(dòng)（M）無(wú)擾無(wú)擾硬手405、測(cè)量及給定指示電路用動(dòng)圈表頭來(lái)指示測(cè)量值和給定值。S5切換到“標(biāo)定”時(shí)，可進(jìn)行示值標(biāo)定。流過(guò)動(dòng)圈表頭的電流為5、測(cè)量及給定指示電路41DDZ-Ⅲ型是模擬儀表的典型代表。實(shí)際電路中還有電源、補(bǔ)償、濾波、保護(hù)、調(diào)整