1、1 2.2.1.控制器的功能控制器的功能 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.2 2.2.2.2.2.2.基本构成环节的特性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
2、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.3 基本元基本元件件 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。dtdUCidtiUUqCCCCCC1dtdPCMMdtPPmCCCC1CssMsP1)()(CssIsU1)()(4 比例环节比例环节分压电路 (a)结构原理图 (b)阶跃响应关系式
3、：传递函数：式中 KP比例系数，0 KP 1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，0 KP 1 PKRRUU1212PKRRsUsU1212)()(321212122PRRRPRRRPPKRRRPP21212PKsPsP)()(125 积分环节环节积分电路(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=RC122UUdtdUT11)()(12TssUsU122PPdtdPT11)()
4、(12TssPsP6 微分环节环节微分电路 (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=RCdtdUTUdtdUT1221)()(12TsTssUsUdtdPTPdtdPT1221)()(12TsTssPsP7 2.2.3.DDZ 2.2.3.DDZ型电动调节器型电动调节器 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
5、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。8 基型调节器的构成 基型调节器线路原理图9 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10 基型调节器的电路分析输入电路 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
6、作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的：11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：上述关系式表明：a)输出信号输出信号Uo1 仅与测量信号仅与测量信号Ui和给定信号和给定信号Us差值成正比，比例系数为差值成正比，比例系数为-2，而与导线电阻上的压降，而与导线电阻上的压降Ucm1和和Ucm2无关。无关。b)把以零伏为基准的、变化范围为把以零伏为基准的、变化范围为15V的输入信号，转换成以的输入信号，转换成以UB(10V)为基准的、变化范围为为基准的、变化范围为08V的偏差输出信号的偏差输出
7、信号V01。)(3121BCMCMSTCUUUUUUiUU201sUU201)(2010101siUUUUU12 (2)比例微分电路 比例微分电路的作用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：)(1)(0112111101121112SURRRSCRRSURRRDDD11)()()(12121112111201SCRSCRRRRRRRSUSUSGDDDDTD111SKTSTnDDDRDRsTUUU12)(13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：202)()()(PPOPTPRRRSUSUSG
8、11)()()()()()()(01020102SKTSTnSUSUSUSUSUSUSGDDDTTP121211RRRnKDDDDCnRT 111)(SKTSTnSGDDDD14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：0102)1(1)(UeKKtUtTKDDDDn比例微分电路11)(SKTSTnSGDDDP15PD电路的定性分析电路的定性分析在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，
9、而且有 0102)0()0(UUUT0102)()(UnUUT16 比例积分电路 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：)11()(STCCSWIMIPITI=RI CI 17 比例积分电路实际的输出输入关系3030314140214)()()(0)()(1)/(1)/(1)(1)/(11)(KSUSUSUSUSUSCRRSCRRSCSUSCRRSCSCSUFTTMIIIIMIIMFSTKSTCCSWIIIMIPI1111)(联立求解以上三式，化简后可求得KI=K3CM/CI 18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
10、输入信号作用下，PI电路输出的时间函数表达式为 02103)1()(UeKKCCtUtTKIIMIII19 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。n积分时间TI的倍率开关20 (4)整机传递函数SKTSTKSTSTTTKSWDDIIDIIDP1111)(FKKFKKFTTFTTFKKDDIIIDDIIPPSKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)(TD F=1+Ti21 干扰系数干扰系数F F反映调节器参数反映调节器参数(主要是主要是K KP P、T
11、 TI I、T TD D)互相影互相影响的一个参数。响的一个参数。调节器的调节器的PIDPID运算电路是由运算电路是由PDPD电路和电路和PIPI电路串联构成。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+TiFKKFKKFTTFTTFKKDDIIIDDIIPP22PID电路阶跃输入信号的表达式)()1()1)(1(1)(103SitTKDtTKIPUUeKeKKtUDDII23
12、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 24 输出电路n I0=I0-If25 输出电路03242304URRRU2304040RUIRUIfH250)(042324040VRRRRRVIHHnI0=I0-If26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 27 软手操电路作用作用：a)使电容使电容CI两端的电压恒等于两端的电压恒等于U02；b)使使A3处于保持工作状态处于保持
13、工作状态 n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；n当扳键S4扳向-UR一侧时，U03线性上升。28软手操电路SRCSUSUMMR1)()(03SUSURR)(2031)(SRCUSUMMRtRCUUMMR0329 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；因为因为 RF=RE=30k所以所以 U03=UH 30 自动与手动操作之间的切换 n自动(A)软手动(M)n硬手动(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 n软手动自动n硬手动自动 为无平衡
14、无扰动切换 UCI=U02，UF3=0，电容没有充放电现象 n自动硬手动 n软手动硬手动须进行预平衡操作 31 指示电路 R25=R26=R27=R28 U0=Ui I0=I0+If LiLRURUI0025252RUURUIBiFfBiLURURRI2525021)211(32 （1）偏差报警电路基型调节器的附加电路33基型调节器的附加电路（2）输出限幅电路34基型调节器的附加电路（3）PI/P切换调节器35DDZDDZ型电动调节器型电动调节器PIDPID运算电路分析运算电路分析 36 求取反馈电路的传递函数Wf(S)应用分流公式可求得：应用分流公式可求得：282727)(11)()(RSI
15、SCRRSCRSISEfDDDfnSCRRSCRRRRRRSIDDDDDf)(1)()(2727282827根据等效电源定理可求得)(1)(2728RRSCRSZDDnSCRRSCRRRRRRDDDDD)(1)(272728282737 应用分压公式求得UAD(S)SRCRSZSERSCRSZSESUInnInnAD1)(1)(1)()(）（传递函数（S）为：SRCRSZSISESISUSWInfnfADf1)(1)(1)()()()(STSTFSCRRKRRSWDIDDDf1)(11)()(272827 求取反馈电路的传递函数Wf(S)38相互干扰系数 IDDDRCCRRRRRRF）（272
16、8271IDDITTCC）（11 fKiK(2)求取 应用分压公式应用分压公式 可求得传递函数为:21512151)()(RRWRRRWSUSUKPPPADff应用分流公式应用分流公式 21512)()(RRWRRRSISUKPPPiii求取反馈电路的传递函数Wf(S)39SKTSKTSTSTFKSISISGDDIIDIPi11)1()()()(0 求取反馈电路的传递函数Wf(S)SKTSTKSTSTKSWDDIIDIP1111)(IDDITTCCF）（1140微分先行PID运算电路分析 41 PD运算电路)()()()()(211SUSUSUSUSURCFTmD应用分压公式可求得:)(11)
17、(01211SURRRSCRSCSUDDDCD)()(012122SURRRSURSKTSTSUSUSGDDDmPD11)()()(10微分时间微分放大倍数 式中 DDDCRT221RRRKD42差动输入运算放大电路传递函数为差动输入运算放大电路传递函数为 PPPPPSPKRRRRRRSUSUSUsG220102515)()()()(比例运算电路比例运算电路43 PI运算电路 STSUSUSGIPI11）（）（）（020整机传递函数为)(11)（1111）（0SUSTKsUSTSKISTKSUSIPmIDDDP当测量值不变时，整机传递函数为 STKSUSUSGIPS11044 PI运算电路当给
18、定值不变时，整机的传递函数为当给定值不变时，整机的传递函数为 IDDDDIPmmTTFSKTSTSTFKSUSUSG111045力矩平衡式力矩平衡式PI调节调节器原理图器原理图 气动仪表气动仪表PID运算分析运算分析 46 力矩平衡式PI调节器方框图 47 力矩平衡式PI调节器)S(P)S(P(Al)s(MSmHiklCSTRRRRRRAlCklsMSPIPfPPffHi0001)11(11)()(48 力矩平衡式PI调节器111STSTRRRklCAlClokAl)S(P)S(P)S(PIIPfPOHFSmO将上式右边分子分母同除以 1STSTII整理后可得 STKSTK)S(P)S(P)S(PIIIPSmO1111
