第六讲模拟调节器

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Ⅰ型（用电子管）Ⅱ型（用晶体管）Ⅲ型（用集成电路）一、DDZ-Ⅲ型仪表的特点1）采用统一信号标准：4~20mADC和1～5VDC。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1～5VDC●输出4～20mADC●输入阻抗影响≤0.1Fscal％●负载电阻250～750●内设定1～5VDC●闭环跟踪精度±0.5％●外设定4～20mADC●电源24V±10％●比例带δ：2％～500％●再调时间TI：0.01～2.5分或0.1～25分●预调时间TD：0.04～10分，或断开●微分增益KD：10基本性能指标：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型控制器的组成与操作DDZ-Ⅲ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。输入电路PD电路PI电路输出电路测量外给内给定电路给定值指示输出指示软手动电路硬手动电路测量值指示内给S6S1MHADDZ-Ⅲ型调节器结构方框图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RVVVRVVRVVVOBCMCMi)21()(121RVVRVVVRVVBCMSCM)(21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：120111()32iCMCMBVVVVVV)(3121BCMCMSVVVVV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1～5V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-Ⅲ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2～19V。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=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V121()0.33~2.33V3SCMCMBVVVVVV则显然，IC不能正常放大。如果VB=0VB=10V时，V+=V-=3.7～5.7V保证了IC共摸电压在允许范围之内，能正常放大。V+V-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）=2～18V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。PIPD1、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。o11V()V()I()dDsssRno1o1o11()()1()V(s)11DdDDDDVsVsCsnnIsnRCsRCsPD传递函数IDV()sDDo11nRCs1V(s)n1sDDRC得021()()VsVsO202O1V(s)11W()V(s)11ndDDdDDTsnRCssTnRCsns式中：DDdCnRT—微分时间常数ID又因得实际微分因子阶跃响应n0201V()[1(1)]V()DtTtnetn当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为V02TD/nαV01/n63%t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1211OOVVn21OOVVn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10μF电容积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管。)()(1)(322sVsCRsVmsVsCOMIOOI030302()W()()VssVs)1(sCmRCCMIMI)11(sCmRCCIIMI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=1030302()W()()VssVs)11(sCmRCCIIMI031W(s)(1)TIMICCs阶跃响应当V02为阶跃信号时，V03的阶跃响应为0302tV(t)(1)VTIMICCtV03（CI/CM）V02-V03t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）030302V(s)1W(s)(1)V(s)TIMICCsO202O1V(s)1W()V(s)1nddTssTnsPD电路：PI电路：PID运算是上述三个环节的串联而成。DD03IIIDisM11V(s)C2V(s)V(s)C1nTTsTTsTnsDI1TFT干扰系数MIC2CnPPID传递函数令：比例度D03IDisDTs11V(s)FTsFFTV(s)V(s)P1sK微分增益DKn则：（1）若TDKD，则上式分母实际微分项近似为1若TDTI，则DI11W()(1)sTsPTs这时成为理想的PIDD03IDisDTs11V(s)FTsFFTV(s)V(s)P1sKDI11TFT（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。D03IDisDTs11V(s)FTsFFTV(s)V(s)P1sKDI1=1.25TFT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=2～500%，TD=0.04～10分TI=0.01～2.5分(×1档)，TI=0.1～25分(×10档)V03t3、输出电路其任务是将PID电路输出电压VO3=1～5V变换为4～20mA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=10KΩ，R1=R2=4R324545124322323BBVRRRVRRRVfOBfOBVVVVRRRVVRRRV54)(51)(3141314434124OfVV由V+≈V-得fORI'24转换关系fOORVI43'则BfOOIIII'而0301~54~204462.5fVImAR若取R1=4（R3+Rf）=40.25KΩ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。A→M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”。2．A、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。)()1()(3sVsCRRsVOMFHH3()1()1OFHHFMVsRVsRRCs传递函数时间常数T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s可见，VH改变时，VO3很快达到新的稳态值。A→H前，须先调RPH与当时的VO3一致，才能做到无扰动切换。M→H也同样。3．M、H→A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OiOOORVRVIDDZ-Ⅲ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