2.2.模擬控制器

控制器的功能基本構成環節的特性DDZ―Ⅲ型電動調節器微分先行PID運算電路分析12.2.1.控制器的功能控制器的作用是對測量信號與給定值相比較所產生的偏差進行PID運算，并輸出控制信號至執行器

(1)偏差顯示(2)輸出顯示(3)提供內給定信號及內、外給定的選擇(4)正、反作用的選擇

(5)手動操作與手動/自動雙向切換(6)附加功能：抗積分飽和、輸出限幅、輸入報警、偏差報警、軟手動抗漂移、停電對策和零啟動等.22.2.2.基本構成環節的特性

電阻R氣阻R(a)

固定電阻(a)固定氣阻

(b)

可調電阻(b)可調氣阻

關系式R=U/I關系式R=△P/M傳遞函數U(s)/I(s)=R傳遞函數R=△P(s)/M(s)式中U——電阻兩端電壓；式中△P——氣阻兩端壓降I——流過電阻的電流。

M——氣體的質量流量

模擬控制器都是由各種放大器和由電(氣)阻、電(氣)容構成的基本環節組合而成.3基本元件電容C氣容C

(a)固定電容(b)可變電容a)固定氣容(b)可變氣容

關系式：關系式：

傳遞函數：傳遞函數：

式中：q——電容中的電荷量；式中：m——氣容中的氣體質量

iC——流過電容的電流；M——氣體的質量流量；

UC——電容兩端的電壓。PC——氣容中的壓力。4比例環節

分壓電路

(a)結構原理圖(b)階躍響應關系式：

傳遞函數：

式中KP——比例系數，0<KP<1節流通室（分壓氣路）

(a)結構原理圖(b)階躍響應關系式（穩態時）：

若P3=0（通大氣）

傳遞函數：

式中

KP——比例系數，0<KP<1

5積分環節積分電路

(a)結構原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數

式中T——時間常數，T=RC節流盲室（積分氣路）

(a)結構原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數：

式中T——時間常數,T=RC6微分環節微分電路

(a)結構原理圖(b)階躍響應

微分方程：

傳遞函數：

式中T——時間常數，T=RC

微分氣路

(a)結構原理圖(b)階躍響應微分方程：

傳遞函數：

式中T——時間常數，T=RC72.2.3.DDZ―Ⅲ型電動調節器

DDZ―Ⅲ型調節器有兩種：全刻度指示調節器和偏差指示調節器，它們的結構和線路相同，僅指示電路有些差異。這兩種基型調節器均具有一般調節器應具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內外給定切換、產生內給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。在基型調節器的基礎上，可附加某些單元，如輸入報警、偏差報警、輸出限幅單元等。也可構成各種特種調節器，如抗積分飽和調節器、前饋調節器、輸出跟蹤調節器、非線性調節器等以及構成與工業計算機聯用的調節器，如SPC系統用調節器和DDC備用調節器。8

基型調節器的構成

基型調節器線路原理圖9基型調節器的構成方框圖

輸入電路PD電路PI電路輸出電路硬手操電路軟手操電路10

基型調節器的電路分析－輸入電路

輸入電路是偏差差動電平移動電路，它的作用：一是偏差檢測與放大；二是電平移動。

輸入電路原理圖①是為了消除集中供電引入的誤差。②是為了保證運算放大器的正常工作輸入電路原理圖采用這種電路形式有如下兩個目的：11共模輸入電壓UC

利用迭加定理和差動輸入運算放大器電路輸出與輸入的關系式，對于測量信號Ui，則有

對于給定信號Us，則有

上述關系式表明：a)輸出信號Uo1僅與測量信號Ui和給定信號Us差值成正比，比例系數為-2，而與導線電阻上的壓降Ucm1和Ucm2無關。b)把以零伏為基準的、變化范圍為1～5V的輸入信號，轉換成以UB(10V)為基準的、變化范圍為0～±8V的偏差輸出信號V01。12(2)比例微分電路

比例微分電路的作用是對輸入電路的輸出信號V01進行比例微分運算，整機的比例度和微分時間通過本電路進行調整。

無源比例微分電路的傳遞函數為：

13同相端輸入運放電路的傳遞函數為：

比例微分電路的傳遞函數為：

14在階躍輸入信號下，比例微分電路輸出的時間函數表達式為：

比例微分電路15PD電路的定性分析在t=0+，由于電容CD上的電壓不能突變，所以UT(0+)=U01

t＞0，CD兩端的電壓按指數規律不斷上升故UT按指數規律不斷下降當充電過程結束時，UCD=UR11UT(∞)=U01/n由于U02=αUT，因此U02的變化規律與UT相同，

而且有

16比例積分電路比例積分電路的主要作用是對來自比例微分電路的電壓信號U02進行比例積分運算其傳遞函數為：

TI=RICI

17

比例積分電路實際的輸出輸入關系聯立求解以上三式，化簡后可求得KI=K3CM/CI

18比例積分電路

比例積分電路的調節器的調節系統仍然存在靜差。

在階躍輸入信號作用下，PI電路輸出的時間函數表達式為

19積分時間TI的倍率開關K3置于“×10”檔時，R15上的電壓經電阻RI向電容CM充電。因為UR15=1/mU0

m=(R14+R15)/R15≈10積分時間是刻度值的10倍。

積分時間TI的倍率開關20(4)整機傳遞函數TD

F=1+——

Ti21干擾系數F反映調節器參數(主要是KP、TI、TD)互相影響的一個參數。調節器的PID運算電路是由PD電路和PI電路串聯構成。

a)KP、TI、TD三個參數相互干擾的結果，使實際比例增益增大（即實際比例度減小），實際積分時間增長、實際微分時間縮短。b)相互干擾系數F是一個大于1的數，其大小與積分時間和微分時間的大小有關。相互干擾系數F的表達式取決于調節器的結構。

TD

F=1+——

Ti22PID電路階躍輸入信號的表達式

23輸出電路輸出電路輸出電路的作用是將比例積分電路輸出的以UB為基準的1~5VDC電壓信號U03轉換為流過負載RL（一端接地）的4~20mADC輸出電流I0

24輸出電路

I0=I0'-If25輸出電路I0=I0'-If26

手操電路的作用是實現手動操作，它有軟手操與硬手操兩種操作方式

手操電路手動操作電路原理圖

27軟手操電路作用：a)使電容CI兩端的電壓恒等于U02；b)使A3處于保持工作狀態

扳鍵S4扳向軟手操輸入電壓+UR一側時，+UR

通過由RM、CM和A3組成的積分電路使U03線性下降；當扳鍵S4扳向-UR一側時，U03線性上升。

28軟手操電路29硬手操電路

作用：二是由RE、RF和IC3組成了一個比例電路一是使CI兩端的電壓恒等于V02；因為

RF==RE=30kΩ所以

U03=–UH30自動與手動操作之間的切換

自動(A)→軟手動(M)

硬手動(H)→軟手動(M)

為無平衡無擾動切換A3處于保持工作狀態，U03保持不變

軟手動→自動硬手動→自動

為無平衡無擾動切換

UCI=U02

，UF3=0，電容沒有充放電現象

自動→硬手動

軟手動→硬手動須進行預平衡操作

31指示電路

R25=R26=R27=R28

U0=Ui

I0=I0'+If

32

（1）偏差報警電路基型調節器的附加電路

33基型調節器的附加電路（2）輸出限幅電路34基型調節器的附加電路（3）PI/P切換調節器35DDZ―Ⅱ型電動調節器PID運算電路分析

36求取反饋電路的傳遞函數W'f(S)應用分流公式可求得：

根據等效電源定理可求得

37應用分壓公式求得UAD(S)

傳遞函數（S）為：

求取反饋電路的傳遞函數W'f(S)38相互干擾系數

≈

(2)求取

應用分壓公式

可求得傳遞函數為:

應用分流公式

求取反饋電路的傳遞函數W'f(S)39求取反饋電路的傳遞函數W'f