第 3 章模拟式控制器

了解控制器的种类及发展 理解比例、微分、积分三种基本控制规律的特点掌握工程常用控制规律的特点及应用场合了解DDZ-Ⅲ型控制器的主要功能掌握DDZ-Ⅲ型基型控制器的构成原理理解DDZ-Ⅲ型基型控制器的实现电路第3章模拟式控制器知识目标技能目标能够应用所学知识正确使用控制器能够对控制器进行正确的调校能够在三种运行方式下操作控制器并进行手动/自动切换

第3章模拟式控制器 3.1 控制器的控制规律 3.2 DDZ-Ⅲ型控制器 3.3 基型控制器的运行方式 3.4 基型控制器的操作

3.1 控制器的控制规律 一、概述 1、控制器的运算规律概念: y=f(ε) 2、偏差的概念：ε=xi-xs 定值系统：Δxi=Δε 3、控制器的正、反作用： xi↑→ε↑→y↑;ε＞0, Δy＞0→正作用反之亦然。 4、控制器的基本运算规律：双位、P、I、D规律控制器的组合运算规律： P I 、P D、 PID规律

ε 0 t0 t y 0 t0 t 二、控制器的控制规律 (一)P控制规律 1、 P控制规律定义： P控制器的输出变化量ΔY与输入偏差、 ε之间成比例的关系。 ΔY=Kp·ε 2、阶跃响应曲线： 3、比例度δ的概念：单元组合式仪表: δ用来表示P作用的强弱，δ↑→P作用↓

示意图： 比例控制规律及控制器偏差控制器输出 △y I0 xi ε=xi- xs △y 控制器 KP =1 KP >1 测量值 4~20 mA - xs 设定值 △y ε KP <1 ε △y - ε 0 + ε 比例控制器 KP

（二）I、PI规律 • I 控制规律定义：控制器的输出变化量Δy与输入偏差ε之间成积分的关系。 2.PI控制器的y与ε的关系： 3.阶跃响应曲线：ε=A常数则： 4.积分时间Ti的定义及测试Ti的依据 5.控制点、控制点偏差与控制精度的概念

2.比例积分作用 PI ε ε A A t t 0 t0 0 t0 I △y △y PI 0 t0 0 t0 t t Ti 积分作用的依据是偏差对时间的累积，作用是消除余差。

ε:为阶跃信号时 积分是偏差对时间的累积: ε=0时输出不变或称积分保持积分控制规律 ε t 0 △y PI t 0 Ti

ε :为阶跃信号时 比例-积分规律 ε t △y P △y PI △y I + = t t t

ε :为阶跃信号时 t （三）D、PD规律 ε △PP △PPD △PD + = t TD t

ε :为阶跃信号时 (四）PID三作用控制规律 △PP ε + t t t △PPID △PD △PI + = t TD t t

比例、积分、微分三作用规律： ε D （1-1/ε）=63% t 0 t0 0 t0 t Td p PID 0 t0 t I 0 t0 t Ti 0 t0 t

3.2 DDZ-Ⅲ型控制器 一、Ⅲ型控制器的功能二、Ⅲ型控制器的构成三、Ⅲ型控制器的功能实现

一、Ⅲ型控制器的功能 指示单元：测量信号Vi指示电路及显示表 : 显示 Vi的大小给定信号Vs指示电路及显示表: 显示Vs的大小控制单元：输入电路：偏差运算、电平移动 V01= －2(Vi -Vs) PD电路：对V01进行PD运算 PI电路：对V02信号进行PI运算输出电路:电压V03—电流I0的转换、电平移动附加：内给定电路:提供Vs内软手操电路:提供VR 硬手操电路:提供VH 控制器有四种工作状态：A、M、H、保持特性：

Vi Vs % % I0 % 二、Ⅲ型控制器的构成指示单元控制单元测量指示给定指示给定指示电路测量指示电路主电路: PID运算 K6 3 V DC 测量标定 A：自动控制输出指示 PD运算 PI运算输出电流 K1 Vi ε V01 V02 A V03 比例积分电路输入电路比例微分电路输出电路 I0 测量输入 - 1 ~ 5 V 4 ~ 20 mA M 给定信号 H Vs 软手操硬手操 1 ~ 5 V K5 IS VS内外给定输入 VS外给定电路软手操电路电路附加电路: 手动遥控硬手操电路电路内给定 VR 外给定 VH 4 ~ 20 mA M H

三、Ⅲ型控制器的功能实现 控制电路（一）输入电路 V01=-2（Vi-Vs）= -2ε （二）比例微分PD电路对△V01进行PD运算（三）比例积分PI电路对ΔV02进行PI运算（四）输出电路（五）整机特性分析

（一）输入电路 简单减法电路及存在的问题设K=2,则有供电电源回路在导线电阻RCM上产生电压降VCM，使得输入控制器的测量信号不只是V，而是V+VCM。引线电阻RCM上的压降VCM就要引起较大的测量误差。这个误差的大小与引线长度、粗细及环境温度有关。

（一）输入电路 由于+24V单电源供电，使一般减法电路中的运算放大器输入端电压有可能超出允许的共模电压范围而不能正常工作。式中VS的取值范围为1~5V，系数K取2，则可算出IC1的输入端电压范围显然，当VS较小时，这样低的正反相输入端的共模电压，已经超出了运算放大器的共模电压范围而不能正常工作。一般运算放大器，为确保其正常的工作状态都有共模电压范围的要求，在24V供电条件下，其共模电压允许范围为2～19V。

（一）输入电路 偏差差动电平移动输入电路设R1= R2= R3= R4= R5= R=500K R7= R8=5K IC1为理想运算放大器，则流入IC1反相输入端的电流近似的为零。即同理：

（一）输入电路 1.作用：(1)将Vi与Vs进行减运算，并放大2倍， V01=-2（Vi-Vs） (2)进行电平移动 (3)消除引线电阻上压降的影响 2.为什么要进行电平移动为了使运放器IC1工作在允许的共模输入电压范围之内。 3.为什么要采用差动输入电路为了消除集中供电引线电阻压降引入的误差 4.输入电路的特性：V01= －2(Vi -Vs) = －KP(Vi -Vs) = － KPε G1(S )= － KP= -2

（二）比例微分PD电路 比例微分运算电路原理如图所示，它的作用是接受由输入电路送来的以10V电平为基准的输出信号V01，对V01进行比例微分运算，再经比例放大的后输出V02信号，送给比例积分电路。 RP为比例电位器，RD为微分电位器，CD为微分电容。控制RD可以改变微分时间TD，控制RP可以改变比例度。开关K2用来切除或引入微分作用，当开关K2置于“通”的位置，具有比例微分作用，当不需要微分作用时，开关K2置于“断”的位置。

分析PD作用的物理过程： 当开关K2置于“通”的位置时，若在电路输入端加一正阶跃输入信号V01，在开始加入信号的瞬间（t=0），由于电容CD上的电压VCD不能突变，输入信号全部加到了IC2的同相输入端T点，使T点电压VT一开始就有一跃变，其数值VT=V01，随着电容器CD充电过程的进行，电容CD两端电压VCD从零伏起按指数规律不断上升，所以VT按指数规律不断下降。当充电时间足够长时，被充电的电容CD上的电压VCD等于输入电压V01在R9电阻上的分压，充电停止，此时，并保持该值不变。在这个过程中VT下降速度取决于RD、CD的大小，即取决于微分作用的强弱，

，。输入信号V01为阶跃信号时，V02的变化曲线形状与VT变化曲线完全一样。

（二）比例微分PD电路 1.作用：(1)对V01进行PD运算，V02送至PI电路， (2)实现δ、Td的调整 2. 定性分析工作原理：无源微分电路：比例运算放大：定量分析：

（三）比例积分PI电路 比例积分电路接收比例微分电路输出的以10V为基准的电压信号V02，进行比例积分运算以后，输出以10V电平为基准的1-5VDC电压V03送至输出电路。该电路由运算放大器IC3，电阻RI，电容CM、CI等组成。 K3为积分换挡开关。积分时间有“乘1”与“乘10”两挡，由开关K3选择。当K3置于“乘10”挡时，积分时间是刻度值的10倍。IC3输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。由于射极跟随器的输出信号与IC3输出信号同相位，为便于分析，可把射极跟随器包括在IC3中，于是PI电路可简化成图示电路。

设运算放大器IC3的放大倍数为A3，输入电阻Ri→∞晶体管射极跟随器的电压增益为1，则有：设运算放大器IC3的放大倍数为A3，输入电阻Ri→∞晶体管射极跟随器的电压增益为1，则有：式中 Kp-比例积分电路的比例增益， TI-积分时间， KI-积分增益，运算放大器IC3的放大倍数A3 很大，可近似为理想比例积分电路的传递函数：

当输入信号作阶跃度变化时，通过对上式进行反拉氏变换可得到当输入信号作阶跃度变化时，通过对上式进行反拉氏变换可得到 t=0时， t= ∞时， t=TI时，输出V03的阶跃响应曲线由于运算放大器IC3的放大倍数A3为有限值，因此积分增益KI也是有限值。比例积分电路的最大输出电压是有限的。

（三）比例积分PI电路 1.作用： (1)对ΔV02进行PI运算 (2)实现Ti的调整 2.电路分析：理想特性：实际特性：

（四）输出电路 1．作用：①V03→I0 ②电平移动

（五）整机特性分析 控制器的整机线路分析

3.3 基型控制器的运行方式 一、自动运行方式 DDZ—Ⅲ型控制器有自动(A)、软手动(M)和硬手动(H)三种工作状态，并通过联动开关进行切换。在自动运行方式下，是以控制器的输出指挥执行器，因而执行器输出轴的转角同控制器的输出电流是相对应的。一般执行器输出轴的转角从0º到90º变化时，所对应的控制器输出电流为4～20mA·DC。只要被控量的偏差为零时就可以从手动切换为自动。在自动运行时，控制器的手动输出信号，一般都不能自动地跟踪自动输出信号，因此，由自动切换到手动前，必须将手操拨盘的刻度拨到与自动输出信号相对应的值上，然后由自动切换到手动，方能达到无扰动切换。

3.3 基型控制器的运行方式 二、手动运行方式控制器的手动操作功能是必不可少的。在自动控制系统投入运行时，往往先进行手动操作，来改变控制器的输出信号，待系统基本稳定后再切换至自动运行。系统出现某种故障、设备启停或控制器的自动部分失灵，也必须切换到手动操作。

(1)软手动操作电路 当切换开关K1，置于“M”位置时，为软手动操作状态，又称速度式手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成积分关系而变化。 (2)硬手动操作电路当切换开关K1，置于“Ｈ”位置时，为硬手动操作状态，又称比例式手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成比例关系而变化。

(1)无平衡无扰动切换 所谓无平衡切换，是指在自动、手动切换时，不需要事先调平衡，可以随时切换至所需要位置。所谓无扰动切换是指在切换时控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。 Ⅲ型控制器由自动或硬手动向软手动的切换以及由软手动或硬手动向自动的切换均为无平衡无扰动的切换方式。 (2)有平衡无扰动的切换凡是向硬手动方向的切换，从自动到硬手动或从软手动到硬手动，均为有平衡的无扰动切换。即要做到无扰动切换，必须事先平衡。三、手动自动无扰动切换

三、手动自动无扰动切换 DDZ—Ⅲ型控制器的切换过程可描述如下： • 自动(A)→软手动(M) • 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 • 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

3.4 基型控制器的操作 （一）Ⅲ型控制器内外特性 1.正面板 2.侧面板 3.背后接线端子 4. 整机线路初读

Ⅲ型控制器的外特性

小结 PID运算规律 1.理想PID运算规律 : 传递函数: 2.实际PID规律: 传递函数： 3.特性曲线

小结整机特性分析控制器的整机线路分析实际特性：当KI=∞ TI=∞ TD= 0 F=1 KD=∞时理想特性：

小结控制器的线路分析控制电路（一）输入电路 ε（Vi-Vs） → △V01 （二）比例微分PD电路 △V01 → △V02 （三）比例积分PI电路 △V02→ △V03 （四）输出电路△V03→ △ I0 （五）整机特性分析 ε（Vi-Vs） → △ I0 （六）手动操作电路 1.软手动操作电路： 2.硬手操电路：

Vi Vs % % I0 % • 小结基型节器的基本组成方框图及工作原理指示单元控制单元测量指示给定指示给定指示电路测量指示电路主电路: PID运算 K6 3 V DC 测量标定 A：自动控制输出指示 PD运算 PI运算输出电流 K1 Vi ε V01 V02 A V03 比例积分电路输入电路比例微分电路输出电路 I0 测量输入 - 1 ~ 5 V 4 ~ 20 mA M 给定信号 H Vs 软手操硬手操 1 ~ 5 V K5 IS VS内外给定输入 VS外给定电路软手操电路电路附加电路: 手动遥控硬手操电路电路内给定 VR 外给定 VH 4 ~ 20 mA M H

思考与练习题 1. 工业上常用控制器的控制规律有哪几种？ 2. 在模拟控制器中，一般采用什么方式实现各种控制规律？ 3. 试述DDZ-Ⅲ型控制器的功能。 4. 基型控制器由哪几组成？各部分的主要作用是什么？ 5. DDZ-Ⅲ型控制器的输入电路为什么要采用差动输入方式？为什么要进行电平移动？ 6. DDZ-Ⅲ型控制器有哪几种工作状态？什么是软手动状态和硬手动状态？ 7. 什么是控制器的无扰动切换？DDZ-Ⅲ型控制器如何实现“手动/自动”无扰动切换？为什么从软手动方式向硬手动方式切换需要事先平衡？

谢谢大家！ 再见！

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