3-2模拟调节器

广西大学电气工程学院第二节模拟式控制器一、控制器的功能对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出统一标准的控制信号。还具有偏差（或测量值、给定值）指示、输出指示、内外给定、正反作用切换、手动操作与手动/自动双向切换等功能。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.广西大学电气工程学院12345667DDZ－III型调节器正面图1－位号牌2－内外给定指示3－内给定设定拨盘4-A/M/H切换5－阀位表6－软手动操作扳键7－双针全刻度指示表广西大学电气工程学院控制器的功能偏差显示由偏差显示表显示偏差的大小和正负。输出显示由输出显示表（阀位表）显示输出信号的大小。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受扰动影响后控制器的控制过程。正、反作用的选择控制器的正、反作用，通过正、反作用开关来选择。广西大学电气工程学院控制器的功能提供内给定信号及内、外给定的选择当控制器用于单回路定值控制系统时，给定信号常由控制器内部提供，故称作内给定信号。当控制器作为串级控制系统或者比值控制系统中的副控制器使用时，其给定信号来自控制器的外部，称作外给定信号，它往往不是一个恒定值。控制器接受外给定信号或者提供内给定信号，是通过内、外给定开关来选择的。广西大学电气工程学院控制器的功能手动操作与手动／自动双向切换通过控制器的手动／自动双向切换开关，可以方便地进行手动／自动切换，而在切换过程中，都希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即必须要求无扰动切换。在手动操作时，通常，控制器都具有自动输出信号自动地跟踪手动输出信号的功能，稳态时两者相等。这样，当控制器的偏差稳定在零时，由手动切换到自动，调节器的输出信号就不会突变，即可实现无扰动切换。广西大学电气工程学院控制器的功能在自动运行时，则视控制器是否具有手动输出信号自动地跟踪自动输出信号的功能，若无此功能，则由自动切换到手动之前，必须进行预平衡操作，即调整手动输出信号使其等于自动输出信号，然后由自动切换到手动，方能达到无扰动切换；若有自动跟踪功能，则由自动切换到手动不必进行预平衡操作，便可实现无扰动切换。广西大学电气工程学院二、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调节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。广西大学电气工程学院基本元件dtdUCidtiUUqCCCCCC1dtdPCMMdtPPmCCCC1CssMsP1)()(CssIsU1)()(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。广西大学电气工程学院分压电路(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，0KP1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，0KP1比例环节PKRRUU1212PKRRsUsU1212)()(321212122PRRRPRRRPPKRRRPP21212PKsPsP)()(12广西大学电气工程学院积分环节积分电路(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=RC122UUdtdUT11)()(12TssUsU122PPdtdPT11)()(12TssPsP广西大学电气工程学院微分电路(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=RC微分环节dtdUTUdtdUT1221)()(12TsTssUsUdtdPTPdtdPT1221)()(12TsTssPsP广西大学电气工程学院DDZ－Ⅱ型调节器输入电路直流放大器PID运算电路手动操作隔离电路偏差指示指示电路输入I设定输出广西大学电气工程学院输入电路输入通道一般单独使用主输入通道，由于副输入通道的信号不通过偏差指示表而不单独使用设定电路为了便于实现定值控制或串级等复杂控制，调节器有内设定和外设定两种方式，可通过“内─外”切换开关加以选择。广西大学电气工程学院PID运算电路iIiIiRpWIR27R28RLR0IfIpR隔离电路ic广西大学电气工程学院DDZ－II型仪表（包括调节器）DDZ一III型仪表（包括调节器）III型仪表优点电源220VAC24VDC集中供电·可用24VDC蓄电池作备用电源·仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。防爆隔离防爆本安型防爆（安全火花型）故障状态：电流小于35mA，电压小于35VDC，可带电维修。输出信号0~10mA4~20mA①电气零点从4mA开始，不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。②只要改变转换电阻阻值，便可接收其他电流信号，例如将10～50mA等直流电流信号转换为l～5V信号。③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。输入信号0~10mA4~20mA1~5V元器件分离元件（电阻、电容、晶体管……）集成电路（运放电路……）①由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。②由于集成运放有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。③由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。指示表头单针偏差指示（0~±30%）有双针全刻度大表头指示（0~100%）分别指示测量值（红针）、给定值（黑针）当仪表置于“内给定”：设定值由黑针指示。手动方式硬手动硬手动、软手动硬手动——输出与拨盘数值直接对应软手动——同时按下软手动操作板键6，调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作，这样控制比较平稳精细，只有当需要给出恒定不变的操作信号（例如，阀的开度要求长时间不变）或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下，才使用硬手动操作。手自动切换预平衡无平衡、无扰动“自动”“软手动”切换是双向无平衡无扰动“硬手动”“软手动”切换是无平衡无扰动“硬手动”“自动”切换是无平衡无扰动“软手动”“硬手动”切换是预平衡无扰动“自动”“硬手动”切换是预平衡无扰动其它·正反作用切换（操作点：调节器内部）·PID参数设置（操作点：调节器内部）·…………二者基本相同广西大学电气工程学院三、DDZ―Ⅲ型控制器（一）概述：采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元──安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表的安全性、可靠性显著提高。变送器安全栅控制器安全栅执行器电源危险场所（现场）危险场所（现场）非危险场所（控制室）广西大学电气工程学院DDZ―Ⅲ型控制器采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA直流电流，控制室联络信号为1-5V直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250Ω。接受1～5VDC输入，与1～5VDC给定信号比较，输出4～20mADC。采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，简化了线路，减少了元器件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。有软、硬两种手动操作方式，自动－软手动的切换是双向无平衡无扰动切换，提高了控制器的操作性能。现场变送器24VDCRL4～20mA现场控制室两线制示意图广西大学电气工程学院基型控制器的品种全刻度指示调节器，偏差指示调节器两个品种。注：结构和线路同，仅指示电路略有差异。在基型控制器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种控制器，如抗积分饱和控制器、前馈控制器、输出跟踪控制器、非线性控制器等以及构成与工业计算机联用的控制器，如SPC系统用控制器和DDC备用控制器。12345667DDZ－III型调节器正面图1－位号牌2－内外给定指示3－内给定设定拨盘4-A/M/H切换5－阀位表6－软手动操作扳键7－双针全刻度指示表广西大学电气工程学院1-双针垂直指示器2-外给定指示灯3-内给定设定轮4-自动—软手动—硬手动切换开关5-硬手动操作杆6-输出指示器7-软手动操作板键DDZ-Ⅲ型控制器广西大学电气工程学院全刻度指示调节器的主要性能指标：（1）测量信号1-5VDC（2）内给定信号1-5V（3）外给定信号4-20mADC（4）测量和给定信号指示精度1%（5）输入阻抗的影响满刻度0.1%（6）比例度2%-500%（7）积分时间0.01-25min(分两档）（8）微分时间0.04-10min（9）输出信号4-20mADC（10）负载电阻250-750欧姆（11）输出保持特性-0.1%/h（12）调节精度0.5%广西大学电气工程学院DDZ－Ⅲ电动调节器广西大学电气工程学院DTZ-2100D-2100G全刻度指示调节器广西大学电气工程学院基型调节器盘面布置图1-流程牌2-双针指示表3-标尺4-外给定指示灯5-内给定拨盘6-“手动-自动”切换开关7-“硬手动”拨杆8-输出指示表9-“软手动”按钮广西大学电气工程学院调节器表体侧面示意图10-积分时间选择开关11“测量-校正”开关12-“内给定-外给定”切换开关13-“微分时间”参数整定旋钮14-“比例带”参数整定旋钮15-“积分时间”参数整定旋钮16-正-反”作用切换开关17-48芯插件18-插孔盒19-熔断丝广西大学电气工程学院DDZ-Ⅲ型控制器广西大学电气工程学院Ⅲ型控制器内外特性1.正面板2.侧面板3.背后接线端子广西大学电气工程学院（二）基型控制器的组成广西大学电气工程学院测量指示电路%Vi%Vs输入电路比例微分电路比例积分电路输出电路给定电路软手操电路电路硬手操电路电路MHHViVHε1~5VV01V02V03MAI04~20mA4~20mA1~5V给定指示电路输出指示-测量指示给定指示%I0VsK1ISVRVS内VS外内给定外给定A：自动控制K5软手操硬手操指示单元控制单元附加电路:手动遥控测量输入外给定输入输出电流给定信号3VDC测量标定K6主电路:PID运算PD运算PI运算Ⅲ型控制器的构成广西大学电气工程学院基型控制器的工作状态:四种工作状态:自动,软手动,硬手动,保持。自动：对来自变送器的1-5V直流电压信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出4-20mADC的控制信号去控制执行器。软手动操作：控制器的输出电流和手动操作电压成积分关系（可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制）。硬手动操作：控制器的输出电流和手动操作电压成比例关系（即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应）。保持：控制器的输出保持切换前瞬间的数值广西大学电气工程学院无扰动切换：电路切换前一瞬间的输出值与电路切换后一瞬间的输出值相同，电路状态切换是无扰的。（控制器输出不突变）无平衡切换：自动和手动相互切换时，无需事先平衡，可以随时切换至所要求的位置。控制器的工作状态切换广西大学电气工程学院四种工作状态:自动,软手动,硬手动,保持。“自动←→软手动”的切换是双向无平衡无扰动切换；“硬手动→软手动”或“硬手动→自动”的切换是无平衡无扰动切换；“自动→硬手