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1、1,2.2.模拟控制器,控制器的功能,基本构成环节的特性,DDZ型电动调节器,微分先行PID运算电路分析,2,2.2.1.控制器的功能,控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器,(1)偏差显示,(2)输出显示,(3)提供内给定信号及内、外给定的选择,(4)正、反作用的选择,(5)手动操作与手动/自动双向切换,(6)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.,3,2.2.2.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
2、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,模拟控制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.,4,基本元件,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。,5,比例环节,6,积分环节,7,微分环节,8,2.2.3.DDZ型电动调节器,DDZ型调节器有两种：全刻度指示调节器和偏差指示
3、调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的对偏差进行PID运算、偏差指示、正反作用切换、内外给定切换、产生内给定信号、手动/自动双向切换和阀位显示等功能。在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器，如SPC系统用调节器和DDC备用调节器。,9,基型调节器的构成,基型调节器线路原理图,10,基型调节器的构成方框图,输入电路,PD电路,PI电路,输出电路,硬手操电路,软手操电路,11,基型调节器的电路
4、分析输入电路,输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用：一是偏差检测与放大；二是电平移动。,输入电路原理图,是为了消除集中供电引入的误差。,是为了保证运算放大器的正常工作,输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的：,12,共模输入电压UC 利用迭加定理和差动输入运算放大器电路输出与输入的关系式，对于测量信号Ui，则有 对于给定信号Us，则有 上述关系式表明：a)输出信号Uo1 仅与测量信号Ui和给定信号Us差值成正比，比例系数为-2，而与导线电阻上的压降Ucm1和Ucm2无关。b)把以零伏为基准的、变化范围为15V的输入信号，转换成以UB(10V)为基准的、变化范围为08V的偏差输出信号V
5、01。,13,(2)比例微分电路,比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号V01进行比例微分运算，整机的比例度和微分时间通过本电路进行调整。无源比例微分电路的传递函数为：,14,同相端输入运放电路的传递函数为：比例微分电路的传递函数为：,15,在阶跃输入信号下，比例微分电路输出的时间函数表达式为：,比例微分电路,16,PD电路的定性分析,在t=0+，由于电容CD上的电压不能突变，所以UT(0+)=U01 t0，CD两端的电压按指数规律不断上升故UT按指数规律不断下降 当充电过程结束时，UCD=UR11 UT()=U01/n 由于U02=UT，因此U02的变化规律与UT相同，而且有,17,比例积
6、分电路,比例积分电路的主要作用是对来自比例微分电路的电压信号U02进行比例积分运算其传递函数为：,TI=RI CI,18,比例积分电路实际的输出输入关系,联立求解以上三式，化简后可求得,KI=K3CM/CI,19,比例积分电路,比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差。,在阶跃输入信号作用下，PI电路输出的时间函数表达式为,20,积分时间TI的倍率开关K3置于“10”档时，R15上的电压经电阻RI向电容CM充电。因为 UR15=1/m U0 m=(R14+R15)/R1510 积分时间是刻度值的10倍。,积分时间TI的倍率开关,21,(4)整机传递函数,TD F=1+Ti,22,干扰系数F反
7、映调节器参数(主要是KP、TI、TD)互相影响的一个参数。调节器的PID运算电路是由PD电路和PI电路串联构成。a)KP、TI、TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。b)相互干扰系数F是一个大于1的数，其大小与积分时间和微分时间的大小有关。相互干扰系数F的表达式取决于调节器的结构。,TD F=1+Ti,23,PID电路阶跃输入信号的表达式,24,输出电路,输出电路 输出电路的作用是将比例积分电路输出的以UB为基准的15VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的420mADC输出电流I0,25,输出电路,I0=I0-If
8、,26,输出电路,I0=I0-If,27,手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式,手操电路,手动操作电路原理图,28,软手操电路,作用：a)使电容CI两端的电压恒等于U02；b)使A3处于保持工作状态,扳键S4扳向软手操输入电压+UR一侧时，+UR 通过由RM、CM和A3 组成的积分电路使U03线性下降；当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。,29,软手操电路,30,硬手操电路,作用：,二是由RE、RF和IC3组成了一个比例电路,一是使CI两端的电压恒等于V02；,因为 RF=RE=30k所以 U03=UH,31,自动与手动操作之间的切换,自动(A)软手动(M)硬手
9、动(H)软手动(M)为无平衡无扰动切换,A3处于保持工作状态，U03保持不变,软手动自动硬手动自动 为无平衡无扰动切换,UCI=U02，UF3=0，电容没有充放电现象,自动硬手动 软手动硬手动,须进行预平衡操作,32,指示电路,R25=R26=R27=R28,U0=Ui,I0=I0+If,33,（1）偏差报警电路,基型调节器的附加电路,34,基型调节器的附加电路,（2）输出限幅电路,35,基型调节器的附加电路,（3）PI/P切换调节器,36,DDZ型电动调节器PID运算电路分析,37,求取反馈电路的传递函数Wf(S),应用分流公式可求得：,根据等效电源定理可求得,38,应用分压公式求得UAD(
10、S),传递函数（S）为：,求取反馈电路的传递函数Wf(S),39,相互干扰系数,(2)求取,应用分压公式,可求得传递函数为:,应用分流公式,求取反馈电路的传递函数Wf(S),40,求取反馈电路的传递函数Wf(S),41,微分先行PID运算电路分析,42,PD运算电路,应用分压公式可求得:,微分时间微分放大倍数,式中,43,差动输入运算放大电路传递函数为,比例运算电路,44,PI运算电路,整机传递函数为,当测量值不变时，整机传递函数为,45,PI运算电路,当给定值不变时，整机的传递函数为,46,力矩平衡式PI调节器原理图,气动仪表PID运算分析,47,力矩平衡式PI调节器方框图,48,力矩平衡式PI调节器,49,力矩平衡式PI调节器,将上式右边分子分母同除以,整理后可得,
