开关电源控制器的结构与分析

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Y=△y/( ymax-ymin) 2、五种表示方法 1) 微分方程表示法 用微积分的形式表示控制器特性,它常用于测定控制器参数。
P:
PI:
PD:
PID:
2) 传递函数表示法 用拉普拉斯变换式表示控制器特性。它常用于控制器的特性分析以及 控制系统的分析计算
p:
PI: PD:
PID:
3 ) 频率特性表示法 用幅频特性和相频特性形式表示控制器的特性,它用于控制系统的 分析。
3、比例控制规律的特点 快—硬碰硬
有余差
(二)比例积分控制规律 1、积分作用 定义:积分作用的输 出与偏差对时间的积分成比例关系
积分作用的特点 *能消除余差 *慢慢来
积分作用一般不单独使用 2、比例积分控制规律
——比例与积分两种作用的输出之和
3、积分作用的参数 积分时间 TI——反映积分作用的强弱
a. 不完全微分算式 微分作用采用实际微分作用
位置型理想 PID 算式 : 一阶惯性环节的离散化后的形式:
b. 微分先行 PID 算式 微分运算环节:
偏差计算
比例积分运算环节:
c:带不灵敏区的 PID 算式 — 在一定偏差范围内输出为 0

∑ y(n)
=
K
p
[e(n)
+
TS TI
n
e(i)]
i=0
第一章 控制器
学习目的和要求:学习掌握控制器的基本控制规律和模拟数字控制器的结构组成,学会 在实际工作中对各类控制器进行设计、选型和应用。
重点、难点:掌握控制器的控制规律;理解模拟数字控制器的基本结构、电路分析;了 解其他相关调节器。
外语词汇: Proportional, Integral and Derivative (Action) 比例、积分、微分(动作); Proportional-Integral-Differential (Controller) 比 例 、 积 分 、 微 分 ( 控 制 器 ); analog,digital, controller, supervision,inerface
在阶跃信号输入下,比例微分调节器的输出,从一开始的跳变值,下降了微分作用输出 部分的 63.2%所经过的时间
4、比例微分控制规律的特点-超前
(四)比例积分微分控制规律 理想的 PID 作用的微分方程为 传递函数为
1、模拟控制器的 PID 运算式 PID 控制器的偏差构成形式
偏差型 PID 运算形式
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。
PID 电路阶跃输入信号的表达式
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 1~5VDC 电压信号 U03 转换 为流过负载 RL(一端接地)的 4~20mADC 输出电流 I0
具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的作用下,其输出达到输出范围上限值或下限 值以后,积分作用将继续进行,从而使控制器脱离正常工作状态,这种现象称为积分饱和
积分饱和的影响:控制不及时 防止积分饱和的方法 在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时 ,暂时去掉积分作用 在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时,使积分作用输出不继续增加 (三)比例微分控制规律 1、微分控制规律: 控制器微分作用的输出与偏差变化的速度成正比
2.2.2.基本构成环节的特性
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
1)比例环节 2) 积分环节
3) 微分环节
2.2.3.DDZ―Ⅲ型电动调节器
DDZ―Ⅲ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、产生内给定信号、手动/自动双向切换和 阀位显示等功能。
优点: 1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单; 2.每次只是输出增量; 3.易于系统手动和自动间的无扰动切换
c. 速度型算式 输出是增量型算式的输出值与采样间隔时间 T 之比
本质上与增量型算式是相同的 d. 偏差系数型算式
是将增量型算式展开后合并同类项而得到的 设 则有: ② 改进型数字式 PID 运算式
P:
PI:
PD: PID:
4) 图示法 用控制器的输出随时间变化曲线表示控制器特性,通常输入采用阶跃信号,
这时称为阶跃响应特性。图示法比较直观,用它可进行控制器参数的测定和控制器控制规律
的定性分析。
P:
PI:
PD:
PID:
5) 离散化表示法 用离散化的形式表示控制器特性,它用于数字控制器以及各种计算机控 制装置。
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
比例积分电路实际的输出输入关系
比例积分电路 在阶跃输入信号作用下,PI 电路输出的时间函数表达式为
积分时间 TI 的倍率开关
(4) 整机传递函数
干扰系数 F 反映调节器参数(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
硬手操电路
作用:一是使 CI 两端的电压恒等于 V02;
二是由 RE、RF 和 IC3 组成了一个比例电路
因为
RF==RE=30kΩ 所以 U03=–UH
自动与手动操作之间的切换
自动(A)→软手动(M)
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
t>0, 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= αUT,因此 U02 的变化规律与 UT 相同, 而且有
在给定值不变、测量值阶跃变化时,响应特性
2、数字式 PID 运算式 离散化处理 对于积分项 对于微分项
结果:
① 基本数字式 PID 运算式 a. 位置型算式
输出与实际控制阀的阀位相对应
优点:便于计算机运算的实现 缺点:1.计算繁琐、占用的计算机内存很大
2.输出的是实际使用阀位值 b. 增量型算式
输出为两个采样周期 PID 输出值之差
若取积分作用的输出等于比例作用 积分时间的定义:在阶跃信号输入下,积分作用的输出变化到等于比例作用的输出所经
历的时间就是积分时间 TI 4、控制点、控制点偏差与控制精度
控制点:对于具有积分作用的控制器,当测量值等于给定值时,其输出可以稳定在任一 值上
控制点偏差:具有积分作用的控制器的输出稳定不变时,测量值与给定值之间的微小偏差 控制精度:最大控制点偏差占输入信号范围的百分数
手Leabharlann Baidu电路 手操电路的作用是实现手动操作:软手操与硬手操
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 RM 向 CM 和 A3 充 电,使 U03 线性下降; 当扳键 S4 扳向-UR 一侧时,U03 线性上升。
输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的 : ① 是为了消除集中供电引入的误差。 ② 是为了保证运算放大器的正常工作 共模输入电压 UC:
输入与输出的关系:
结论: 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 称为不灵敏区宽度 d. 积分分离 PID 算式
—在一定偏差范围内切除积分作用
方法:PID 控制算式的积分项前面乘上一个变量 N
例:
作业: “控制仪表与装置”
P38 1-1 题、1-2 题、 1-3 题、 1-4 题 1-5 题、1-6 题、 1-8 题。
控制器的功能 基本构成环节的特性 电动调节器 气动调节器
表征控制器减小余差的能力 5、积分增益与开环放大倍数
实际 PI 控制器的传递函数:
在阶跃输入 X 的作用下
控制器输出表达式为
利用始值定理
Y(0)=KPA 利用终值定理 有: 积分增益
开环放大倍数 KOP
当最终变化量 Y(∞)和比例增益 KP 一定时,积分增益 KI 越大时,余差越小,控制精度 越高 6、积分饱和
微分作用的特点: 输入偏差变化的速度越大,则微分作用的输出越大,然而对于一个固定不变的偏差, 不管这个偏差有多大,微分作用的输出总是零
理想的微分作用不能单独作为控制规律使用 2、实际比例微分控制规律
比例微分控制器传递函数
3、微分作用的参数及其测定 在阶跃信号输入时,经拉氏反变换
τD 微分时间常数
当 t→0 时 当 t→∞ 时 微分增益:
参考资料:张永德 过程控制装置,北京 化学工业出版社,2000 主要内容: 控制规律; 模拟控制器; 数字控制器
1.1.控制规律
• 控制规律的表示方法 • 基本控制规律 一、何为控制器的控制规律
△x = Xm – Xs △x——偏差 Xs——给定值 Xm——测量值 控制器的控制规律 就是控制器的输出信号随输入信号(偏差)变化的规律。 这个规律常常称为控制器的特性。 须注意: 在研究控制器特性时 1、输入是被控变量与给定值之差即偏差⊿x,
微分先行 PID 运算形式
偏差型 PID 运算式 测量值 Xm 与给定值 Xs 相减后,得到偏差 x,然后对偏差 x 进行比例、积分和微分 的运算。
特点:对给定值的变化也进行 PID 运算
阶跃响应特性
微分先行 PID 运算式 先对测量值 Xm 进行微分运算,再与给定值 Xs 相减,然后再进行比例积分运算。
2.2. 模拟控制器
( Analog Controllers )
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.
输出是输出信号的变化量△y。 2、△x>0 称正偏差 △x<0 称负偏差 3、△x>0 相应的△y>0, 称为正作用控制器
△x>0 相应的△y<0, 称为反作用控制器
二、控制规律的表示方法 1、无因次化 为了用一个统一的式子表示控制器的特性,可用相对变化量来表示控制器的输入和
输出 X=△x/( xmax-xmin)
Y(0)=KP KD A Y(∞)=KP A
KD在阶跃输入下,实际比例微分控制器的输出一开始(t=0)的变化量与最终(t→ ∞)的变化量的比值 微分时间:TD=KDτD
微分时间 TD 反映了微分作用的强弱
假定 t=τD YD(τD)=KP(KD-1)A·e –1
=KP(KD-1)A·36.8% 微分时间常数τD :
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。
基型调节器的构成: 基型调节器的构成方框图
基型调节器的电路分析-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 。
b) 把以零伏为基准的、变化范围为 1~5V 的输入信号,转换成以 UB (10V)为基准的、 变化范围为 0~±8V 的偏差输出信号 V01。
(2) 比例微分电路 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:
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: 比例微分电路的传递函数为: 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:
P: PI:
PD:
PID:
二、控制器的基本控制规律 1. 比例控制规律 2. 比例积分控制规律 3. 比例微分控制规律 4. 比例积分微分控制规律 (一)比例控制规律 1、定义:只具有比例控制规律的控制器为比例控制器,其输出与输入成比例关系
2、比例控制规律的参数 比例增益 Kp 比例度δ δ与 Kp 的关系 :
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