调节器参考内容.pptx

第2章 调节器参考内容2.1调节器的调节规律调节器的调节规律双位式控制原理简介双位式控制原理简介双位式调节的实际控制形式双位式调节的实际控制形式简单比例调节示意图调节器原理概述调节器原理概述 比例调节 积分调节 比例积分调节 传递函数 传递函数 传递函数 调节器原理概述调节器原理概述 微分调节 传递函数 比例微分调节 传递函数 各种调节算法的输出特性曲线积分调节积分调节 比例积分调节比例积分调节 微分调节微分调节 比例微分调节比例微分调节 调节器原理概述调节器原理概述比例积分微分调节 传递函数 算法总结nP控制系统的响应快速性现在n （现在就起作用）nI控制系统的准确性，消除过去积累误差过去（清除先前错误）nD控制系统的稳定性，有超前作用将来（提前预计控制）2.2 PID运算电路 负反馈放大器输出表达式：当 高精度传函的实现高精度传函的实现结论：简化后传递函数完全有输入回路和反馈回路的内容决定-与运放本身无关PI运算电路运算电路 基本条件：电流平衡方程：高精度传函的实现 具体实施近似分析比例部分比例部分：积分部分：积分部分：其中：代入电流平衡方程解出输出表达式相当于 P、I 两部分作用响应分析结论：值大，积分曲线上升缓慢；值小，积分曲线上升快。理想输入输出曲线精确关系分析精确关系分析（利用克希霍夫及拉氏变换式）（利用克希霍夫及拉氏变换式）另有关系式：另有关系式：阶跃响应分析很大时，可化简为 输出表达式推导时域表达式时域表达式 泰勒级数后简化指数项分析泰勒级数后简化指数项分析时 总结：总结：积分增益积分增益 注：工程应用：比例度比例度与比例增益成反比关系结论：结论：Ki与放大系数与放大系数A成正比，成正比，Ki越大，调节静差越小越大，调节静差越小。，代入传递函数表达式代入传递函数表达式 使用积分增益 分析调节作用：参考P58 2-20式化简作为衡量积分消除静差的参考比例微分运算电路PD运算电路运算电路 阶跃输入时的拉氏反变换阶跃输入时的拉氏反变换 反映了比例项反映了比例项 反映了微分项反映了微分项 工程实用比例微分调节器（无源有限制微分装置）工程实用比例微分调节器（无源有限制微分装置）工程要求及定义工程要求及定义：（1）微分阶跃输出幅值必须受限。）微分阶跃输出幅值必须受限。（2）微分作用时间必须有一定长度。）微分作用时间必须有一定长度。（3）微分最大跳变与）微分最大跳变与 比例之比比例之比取取 5 51010加入运放电路后的输出表达式推导加入运放电路后的输出表达式推导，令令PID运算电路运算电路 两环节串联相当于两环节相乘 引入引入 F F 干扰系数得表达式干扰系数得表达式忽略限制项得表达式忽略限制项得表达式1比例带（比例调节器P131132）一般表达式：单元组合仪表中有 积分增益：稳态增益：PI输出变化终值与输出变化初值之比 PI比例增益与积分增益的乘积 控制点偏差：PI稳定时测量值与给定值之间存在的偏差。满量程时控制点偏差最大，表示为：调节精度：输入、输出量程相等时的最大控制点偏差 微分增益（比例微分调节器P135）PD输出初值与终值之比 微分增益的意义：对于输入偏差变化的反应能力。各种调节规律的特性比较。特性曲线分析：（1）无控制-相当于两位式控制，根据设定的上下限，输出有较大偏差。（2）比例控制-偏差稳定后，输出有固定静差。（3）比例+积分控制-偏差稳定后，输出无限制地消除静差。（4）比例+积分+微分-能够快速跟踪（微分作用）偏差的变化，消除稳定误差。实际PID调节规律 令 其中P称为调节器的比例度 幅频特性 低频段，条件：（1）当频率很低 有：为常数-对数幅频特性为水平直线（2）当频率变化至 有：为斜线-以十倍频程20分贝下降（3）当 仍可忽略微分项作用，有：为一条幅值较低水平直线 当 为高频可忽略积分项作用（4）以十倍频程20分贝上升直线（5）当频率很高 有：为幅值较高水平直线 DDZDDZ型调节器型调节器 PIDPID调节器的线路的组成n核心：核心：比例积分微分运算电路n其它配套电路包括：其它配套电路包括：n（1）给定信号电路；n（2）输入电路（偏差信号、电平移动）；n（3）输出电路；n（4）指示电路；n（5）自动切换电路-用于应付事故状态或开车停车。DDZDDZ型调节器型调节器 原理框图原理框图主要功能概述 n1 1、输入电路、输入电路n测量信号：接收来自变送器的输出（420mA或15V）；n电平移动：适应单电源供电要求，主要作用如下:n(1)将输入信号转换为相对电平移动中点的变化；n(2)后级输出电路则可实现相对抬高后电位起点的负极性变化。n2 2、给定信号及内外给定切换、给定信号及内外给定切换n给定信号：用于设定控制要求，有2种设定形式。n（1）内给定：给定信号取至内部精密电源，信号15V；n（2）外给定：利用其它设备给定控制信号，420mA（例：控制计算机给定信号）。n3 3、手动、手动/自动切换自动切换n（1）手动：用于启动、停车、故障的需要而切断PID运算电路；n手动状态细分：n1）硬手动：输出电流完全由操作电位器调节；n2）软手动：用于自动-手动过渡，调节输出从自动状态平滑增减。n（2）自动：调节器正常运行状态（根据算法，有调节器自行控制）；n4、表头指示电路n全刻度指示，调节器指示内容包括：1）输出电流、2）给定信号、3）测量信号（双针指示）DDZ型调节器输入电路分析基本作用：测量信号与给定信号相减获取偏差信号；基本作用：测量信号与给定信号相减获取偏差信号；其它作用：电平移动，差动输入（电路无共地信号）。其它作用：电平移动，差动输入（电路无共地信号）。DDZ型调节器 输入电路 1输入电路 由VF点知 R1=R2=R3=R4=R5=R；R7=R8 R7、R8 R5 由 VT点知 两式联立求解得：VT VF 结论：结论：1）给定信号）给定信号Vs与测量信号与测量信号Vi可实现相差，且放大可实现相差，且放大2倍；倍；2）输出）输出Vo1与与VCM1、VCM2无关（抗共模干扰）；无关（抗共模干扰）；3）测量、给定信号为差动输入形式，而输出变为相对）测量、给定信号为差动输入形式，而输出变为相对VB(10V)的信号（平移作用）。的信号（平移作用）。平移分析：输入、输出的影响平移分析：输入、输出的影响设VB=0V 输入信号Vi、Vs范围为15V VCM1、VCM2在01V间变化 VB=10V后，VF、VT电压提高到3.67 5.67 V 输入分析：输出分析：设输入信号Vi、Vs范围为15V（Vi、Vs差值最大为4 V时）2比例微分电路3比例积分电路 4比例积分微分 组成原理：PD、PI两个运算电路组成实现PID调节 n分析内容：分析内容：n（1）输入条件：统一采用电平移动，参考点VB的起点变化对Vo1、Vo2、Vo3无影响。n（2）比例微分特点：1）电路切除（S8）、2）传递函数（2-26式）、3）元件选择n（3）比例积分特点：1）积分时间倍乘、2）一般分压倍乘原理、3）元件选择、4）输出电路n1）S3切换倍乘，改变分压，调节积分时间；n原理：分压为1/m，积分慢m倍（自注：输入信号幅值低，输出上升缓慢，但放大器电源电压不变，到达某一幅值是时间加长），即Ti增大m倍，相当于n2）积分增一下将m倍，即（自注：如达不到要求幅值，应改动元件参数）n3）DDZ-III的元件选择：RFP-72（对应m值为-）n4）射极跟随输出电路，功率扩展，相对VB单向输出（注：与运放不同，互补输出）5手动操作电路及无扰切换 实际切换方式有3种K1-A（自动），MS（软手动），MH（硬手动）1）A方式连接：K1接阻容网络，K2悬空。功能：PI调节正常接入。2）MS方式连接：K1接MS 至-VR、+VR参考电源，K2接VB，PID信号被切断。A与MS的转换对应4种情况：RF-P-144-FIG-6-39 3）MH方式连接：K1接MH 至VO3、WH分压电路，K2接VB，PID信号被切断。MH与与MS的转换对应的转换对应2种情况种情况MH等效电路自动手动切换电路MH等效电路分析：等效反馈电阻 等效传递函数 实际选用 近似输出表达式 等效为1：1放大器。6输出电路电路形式：电压-电流转换器 分析计算-条件：，VTVF 取 实际考虑 DDZ型调节器输出电路7指示电路电路形式：具有电平移动的比例运放。VTVF 即 DDZ型调节器指示电路2.5 数字控制算法数字控制算法n主要优点：主要优点：n（1 1）功能丰富）功能丰富-调节灵活方便，在相同硬件配置下利调节灵活方便，在相同硬件配置下利用程序可实现多种功能。（软件实现）用程序可实现多种功能。（软件实现）n（2 2）自诊断功能）自诊断功能可在运行中及时发现自身故障，避可在运行中及时发现自身故障，避免误侧误控。免误侧误控。n（3 3）数据通信功能）数据通信功能可组网增加信息量，扩大传输距可组网增加信息量，扩大传输距离，易于集中监测。（上数据总线）离，易于集中监测。（上数据总线）n（4 4）高性价比）高性价比在尺寸、功耗、价格方面相对模拟仪在尺寸、功耗、价格方面相对模拟仪表具有明显优势。表具有明显优势。2.5.1 基本基本PID的离散表达式的离散表达式连续连续PIDPID调节器的调节规律为：调节器的调节规律为：PID调节器的离散化表示法：调节器的离散化表示法：位置式PID算式 增量式PID算式 离散化（数字式）表示的特点离散化（数字式）表示的特点（1 1）输出为相对第次采样的结果。）输出为相对第次采样的结果。（2 2）输出表达式均为四则运算形式，便于计）输出表达式均为四则运算形式，便于计 算机编程控制。算机编程控制。（3 3）分为位置式和增量式）分为位置式和增量式2 2种：位置式种：位置式-含本次、上次历史偏含本次、上次历史偏差，适用于绝对计算形式（程序较长）；增量式差，适用于绝对计算形式（程序较长）；增量式-含本次、上含本次、上次、上上次偏差，适用于相对计算形式（程序较短）。次、上上次偏差，适用于相对计算形式（程序较短）。偏差信号x(t)的采样序列 数字式调节器的优、缺点及改进措施数字式调节器的优、缺点及改进措施 优点易实现无扰切换。优点：易实现无扰切换。缺点：相对于模拟调节器更易受高频感扰。（相当于理想微分作用于某时刻的采样值）缺点：相对于模拟调节器更易受高频感扰。（相当于理想微分作用于某时刻的采样值）措施：将理想微分改为不完全微分。措施：将理想微分改为不完全微分。实际有限制微分表达式实际有限制微分表达式与理想表达式的关系与理想表达式的关系 用微分替代算子用微分替代算子 设采样周期为设采样周期为TT，以增量替代微分项，对于第，以增量替代微分项，对于第n n次采样有：次采样有：整理后得整理后得以有限制微分替代理想微分得位置式以有限制微分替代理想微分得位置式PIDPID离散算式离散算式2.5.2 采样周期的选择采样周期的选择选择方法：选择方法：理论上：采样定理；工程上：理论上：采样定理；工程上：主要扰动周期或主要扰动周期或 对象时间常数；对象时间常数；狭义对象：狭义对象：高速脉动对象一般不易满足（例单独考虑水流）。高速脉动对象一般不易满足（例单独考虑水流）。广义对象：广义对象：对于整体动作过程容易满足（同时考虑水流、阀门、仪表等）。对于整体动作过程容易满足（同时考虑水流、阀门、仪表等）。采样周期：目前常用数字仪表定为采样周期：目前常用数字仪表定为0.10.1 0.2S0.2S。采样周期的一般选择原则：采样周期的一般选择原则：（1 1）采样周期一般应小于主要扰动周期的）采样周期一般应小于主要扰动周期的1/51/5。（2 2）工程取值）工程取值主要扰动周期的主要扰动周期的1/101/10。（3 3）为使测量信号不出现阶梯跳动，工程取值为）为使测量信号不出现阶梯跳动，工程取值为对象时间常数的对象时间常数的1/101/10。采样采样PIPI调节器的动作调节器的动作微分先行的微分先行的PID调节器表达式调节器表达式：2.5.3 变形的变形的PID控制算法控制算法（一阶滤波器）（一阶滤波器）等效功能：相当于在设定值通道加传递函数等效功能：相当于在设定值通道加传递函数微分先行的PID调节器的框图分解过程（相对基本PID调节器的比较）PI-D等效证明：证明内容证明内容：等式右边展开：等式右边展开：组合组合 即即 或或PI-DPI-D调节器的框图可以表示为：调节器的框图可以表示为：比例先行的比例先行的PID调节器（调节器（I-PD）等效功能：相当于在设定值通道加传函等效功能：相当于在设定值通道加传函 （二阶滤波器）I-PD等效证明：等效证明：两个环节串联，则有近似框图：两个环节串联，则有近似框图：比例先行PID的化简框图带可变形设定值滤波器带可变形设定值滤波器SVFSVF的的PIDPID算法算法 基本型基本型PIDPID调节器前增加一个二阶滤波器，其传递函数为：调节器前增加一个二阶滤波器，其传递函数为：设定值跳变时的响应设定值跳变时的响应 混合过程算法混合过程算法 混合混合PIDPID控制框图（相当于对偏差先积分后再进行控制框图（相当于对偏差先积分后再进行PIDPID调节）调节）混合混合PIDPID的连续函数表达式的连续函数表达式混合算法的离散表达式混合算法的离散表达式 管道混合示意图管道混合示意图普通普通PID与混合与混合PID的比较的比较2.6 单回路可编程序控制器单回路可编程序控制器n概述n单回路控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表。n具有多路模拟输入、多路开关量输入/输出、通信及诊断功能，可实现复杂运算、控制。n原则上只有一路模拟量输出信号-单回路控制器。n与模拟调节器在功能上的区别：是自控、计算机、通信技术组合，不仅是调节控制。SLPC型可编程序控制器的电路 RFP86 FIG 2-30 SLPC RF-P86 FIG 2-30 SLPC 控制器的电路方框图控制器的电路方框图代表机种：YS-80系列的SLPC(Single Loop Programmable Controller)组成示意图组成示意图主要组成部分参考电路原理方块图参考电路原理方块图-RF-FIG-2-30n（1）CPU 采用8位微处理器8085A，10MHZ、0.2s控制周期（最多可运行240步）。n（2）系统软件和用户程序存入内部32K EPROM。n（3）现场设定数据及中间结果存入内部2K RAM。n（4）5个模拟输入端，可以同时接受5路15V直流电平信号。n（5）3个模拟输出端1路420mA电流输出驱动执行器，2路15V联络信号。n（6）6个开关量输入/输出端，利用三态门电路切换输入、输出方式。可编程开关量输入输出接口电路图可编程开关量输入输出接口电路图 输出切换工作原理：输出切换工作原理：条件：条件：S1 OFF，输出输出“1”时，时，S2以以50%占空比切换。占空比切换。VD2 ON，VT1 ON；VD3 ON，供电。，供电。输出输出“0”时，时，S2全全OFF。注：注：“1”对应对应VT1 ON。输入切换工作原理输入切换工作原理条件：条件：S1 ON，S2以较小占空比切换。以较小占空比切换。DI输入输入“1”（外部短路）（外部短路）,N3通过通过R2短短路，路，N1、0压降近似为压降近似为“0”，D端为端为H（5V）。）。DI输入输入“0”（外部开路）（外部开路）,N3开路，开路，N1高阻，高阻，D端为端为L（0V）。）。用D/A通过程序实现A/D转换