第一節(jié)分類、發(fā)展、信號制

一、分類二、發(fā)展三、信號制

本節(jié)重點內(nèi)容提示：一、基本知識統(tǒng)一信號制：供電24VDC輸入信號1~5V輸出信號4~20mA(掌握信號制的優(yōu)缺點)

一、分類氣動儀表電動儀表液動儀表混和儀表自動化裝置按采用的能源形式不同自動化裝置按采用的信號形式不同模擬式儀表數(shù)字式儀表自動化裝置按采用的結(jié)構(gòu)形式不同基地式儀表組合式儀表組裝式儀表集散式儀表總線式儀表二、發(fā)展發(fā)展史大約有60多年，大體可分成四個階段。時間第一階段20世紀(jì)30~40年代(1935)名稱基地式儀表結(jié)構(gòu)將測量、顯示、紀(jì)錄、調(diào)節(jié)都放在一個表殼里的儀表(以指示記錄儀表為中心，附加某些調(diào)節(jié)機構(gòu))特點結(jié)構(gòu)簡單適于單參數(shù)就地控制主要產(chǎn)品KF系列氣動基地式儀表(日本山武-霍尼威爾公司)帶PID調(diào)節(jié)的電子電位差計(上海自動化儀表廠)名稱單元組合式儀表結(jié)構(gòu)將整套儀表劃分成若干個單元，各單元之間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號連接。使用時根據(jù)需要，經(jīng)過不同的搭配，就可組成各種各樣的檢測及控制系統(tǒng)時間第二階段20世紀(jì)40~50年代(1955)特點應(yīng)用靈活，通用性強主要產(chǎn)品Ⅰ系列、EK系列儀表(日本橫河公司)國產(chǎn)DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ系列儀表(北京、上海、西安、大連、天津、吉林、重慶等儀表廠)I系列名稱組裝式綜合控制裝置結(jié)構(gòu)運算調(diào)節(jié)機柜顯示操作機柜時間第三階段20世紀(jì)60~70年代(1972)特點裝配靈活，功能分離（調(diào)節(jié)與顯示操作分離）主要產(chǎn)品Spec-200(美國?？怂共_公司)TF系列(上海自動化儀表廠)MZ-Ⅲ系列(西安儀表廠)ⅠMZ—Ⅲ名稱集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散監(jiān)測控制裝置人-機接口裝置通信網(wǎng)絡(luò)上位機接口裝置時間第四階段20世紀(jì)70~90年代(1975)特點操作、顯示、管理集中控制、負(fù)荷、危險分散主要產(chǎn)品TDC-2000、TDC-3000、TPS、S9000(美國霍尼威爾公司)CENTUM-CS、

XL、CS1000、CS3000(日本橫河公司)PCS7、PCS7-BOX(德國西門子公司)PCS7-BOXCS3000μXL名稱現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線儀表通信網(wǎng)絡(luò)時間第五階段20世紀(jì)95~05年代(2002)特點操作、顯示、管理一體化危險分散，只控制一個回路主要產(chǎn)品FF基金會現(xiàn)場總線(美國費歇爾-羅斯蒙特公司)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線(德國西門子公司)三、信號制

所謂信號制是說在全套儀表系列中，各個儀表的輸入和輸出采用那種統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號。例如：氣動儀表采用的信號制0.2~1.0×102kPa

電動儀表采用的信號制4~20mADC

注意：本學(xué)期介紹的自動化裝置除氣動執(zhí)行器采用0.2~1.0×102kPa的氣壓信號之外，其它均采用4~20mA的電壓信號。

1、直流電流電流傳遞——電流接收的串聯(lián)方式0~10mA傳送，0~10mA接收，220V交流供電，在DDZ-Ⅱ型儀表中（電動單元組合式儀表）使用↓220V~220V~220V~I0R0Rcm發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRi輸入電阻導(dǎo)線電阻輸出阻炕2、直流電壓電流傳遞——電壓接收的并聯(lián)方式4~20mA傳送，1~5V接收，24V直流供電，在DDZ-Ⅲ型儀表、I系列、EK系列、YS-80系列、YS-100系列中使用。U0R0發(fā)送儀表接收儀表接收儀表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V

直流電流直流電壓

串聯(lián)制

并聯(lián)制增加或取消一臺儀表，整個系統(tǒng)停止運行串聯(lián)制易于遠(yuǎn)距離傳輸增加或取消一臺儀表，整個系統(tǒng)正常運行并聯(lián)制不易于遠(yuǎn)距離傳輸無公共接地點各儀表可有自己的接地點，系統(tǒng)不允許有公共接地點（會短路）有公共接地點各儀表可有自己的接地點，系統(tǒng)允許有公共接地點220VAC供電無本質(zhì)安全特性24VDC供電有本質(zhì)安全特性

高電壓供電，裝置一旦產(chǎn)生火花，容易引起裝置周圍的爆炸性混合物爆炸或起火。

低電壓供電，裝置一旦產(chǎn)生火花，不易引起裝置周圍的爆炸性混合物爆炸或起火。信號下限=0mA，上限=10mA。信號下限=4mA，上限=20mA下限=0mA，+、－、×、÷運算方便，易于刻度換算。電氣零點=機械零點，零點相互不易區(qū)別。上限=10mA，產(chǎn)生的電磁力（安培力）較小，故帶負(fù)載能力差。

下限=4mA，躲開晶體管死區(qū)，一開始就工作在線性區(qū)。電氣零點≠機械零點，零點易于區(qū)別。上限=20mA，產(chǎn)生的電磁力（安培力）較大，故帶負(fù)載能力強。輸入阻抗↓，輸出阻抗↑輸入阻抗↑，輸出阻抗↓

輸入阻抗Ri↓，輸出阻抗RO↑，為減小傳輸誤差，儀表應(yīng)有恒流特性（負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化時，IO的變化應(yīng)小于允許值）輸入阻抗Ri↑，輸出阻抗RO↓，為減小傳輸誤差，并聯(lián)裝置的臺數(shù)應(yīng)≤4臺。現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場）架裝儀表（控制室盤后）盤裝儀表（控制室盤前）作業(yè)：1.現(xiàn)場和控制室儀表之間采用4~20mA的電流傳輸信號，控制室內(nèi)部儀表之間采用1~5V的電壓聯(lián)絡(luò)信號，這種信號制有何優(yōu)點？2.什么是儀表的恒流特性？第二節(jié)調(diào)節(jié)器的參數(shù)一、P調(diào)節(jié)器二、I調(diào)節(jié)器三、PI調(diào)節(jié)器四、D調(diào)節(jié)器五、PD調(diào)節(jié)器六、PID調(diào)節(jié)器本節(jié)重點內(nèi)容提示：一、基本定義正反作用、PB、TI、TD、KI、KD二、基本知識1.P、I、D、PI、PD、PID等調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)特性曲線的繪制（會在坐標(biāo)上畫階躍作用下的響應(yīng)曲線）2.PB、TI、TD的測試方法（根據(jù)定義，實驗方法）

調(diào)節(jié)器輸入信號和輸出信號的定義輸入信號＝測量信號和給定信號比較的偏差信號，用

X表示：

輸出信號＝在偏差信號的作用下，輸出產(chǎn)生的變化量，用

Y表示。

給定信號測量信號

X＝Xi–Xs習(xí)慣上

X>0——正偏差

X<0——負(fù)偏差

正反作用的定義：

X

Y

正作用調(diào)節(jié)器

X

Y

反作用調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器的輸入信號和輸出信號可能是不同的物理量。為了用通式表示它們的特性，采用無量綱方程，故都用相對量來表示調(diào)節(jié)器的輸入和輸出信號。相對輸入量x=X/(Ximax-Ximin)相對輸出量y=Y/(Ymax-Ymin)

輸入范圍輸出范圍一、P調(diào)節(jié)器

P調(diào)節(jié)器的輸出信號和輸入信號成正比。

y=kpxkp＝比例增益kP比例作用

kP

比例作用

給P調(diào)節(jié)器輸入一個階躍信號，輸出信號立即產(chǎn)生一個向上的跳變。

kp>1→呈現(xiàn)放大作用kp<1→呈現(xiàn)縮小作用

比例調(diào)節(jié)器就是一臺放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。ytxtKp>1Kp<1P調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)是比例帶。

PB的定義：輸入信號的相對變化量和輸出信號的相對變化量之比。

PB=x100%=X/(Ximax-Ximin)100%=1100%

yY/(Ymax-Ymin)KP

在數(shù)量上PB和KP之間是倒數(shù)關(guān)系。xy100%50%50%PB=50%PB=100%PB=200%PB=50%輸入信號變化100%輸出信號變化?PB=100%輸入信號變化100%輸出信號變化?PB=200%輸入信號變化100%輸出信號變化?50%200%100%對于輸入范圍和輸出范圍均相等的調(diào)節(jié)器，比例帶等于

PB=(

X/

Y)100%=(1/KP）100%

P調(diào)節(jié)器的特點：

輸出信號對輸入信號的響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)作用非常及時，

P調(diào)節(jié)器有余差。若用P調(diào)節(jié)器構(gòu)成控制系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)動作結(jié)束時會產(chǎn)生余差。

余差的定義：調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，測量信號的新穩(wěn)態(tài)值和給定信號之差。為什么P調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生余差呢？——是P調(diào)節(jié)器自身的特點考察用P調(diào)節(jié)器構(gòu)成的定值控制系統(tǒng)。圖中xs、xi、

x、y

分別是用相對量表示的給定值、測量值、輸入信號、輸出信號

調(diào)節(jié)器對象xxi+–xsyfxi

假設(shè)系統(tǒng)原處于平衡狀態(tài)，則xi=xs。由于擾動f的加入，使對象的輸出發(fā)生變化，破壞了平衡狀態(tài)。若f

xi

xi>xs

x進入調(diào)節(jié)器，經(jīng)P運算后，則有y去克服擾動f，力圖使x，但是P調(diào)節(jié)器的輸出y和輸入x因成正比關(guān)系而有相互對應(yīng)關(guān)系，若想輸出一定的信號y去克服擾動f的影響，就必須有一定的輸入信號x存在。

因此，比例調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，總存在一個x，

x=xi–

xs

式中xi——新穩(wěn)態(tài)值

xs——給定值

x

——余差所以，P調(diào)節(jié)器當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時（xi發(fā)生變化），或給定值發(fā)生變化時（xs發(fā)生變化）均會產(chǎn)生余差，其大小和比例增益有關(guān)。

KP

余差

練習(xí)1一臺比例調(diào)節(jié)器，輸入信號1~5V，輸出信號4~20mA，若PB=40%時，輸入信號變化量為1V，輸出信號的變化量為多少？分析:使用PB定義

答：

xX/(Ximax-Ximin)

PB=100%=100%yY/(Ymax-Ymin)1V/(5-1)V40%=100%YmA/(20-4)mAY=10mA練習(xí)2兩臺比例調(diào)節(jié)器，輸出信號的變化量相同，第一臺的輸入信號的變化量為8mA，第二臺的輸入信號的變化量為4mA，兩臺比例調(diào)節(jié)器，那一臺的比例增益大？分析:使用KP答：y=KPx，y相等，x越小，KP越大，第二臺的KP大。練習(xí)3液位控制系統(tǒng)采用純比例調(diào)節(jié)器，在開車前要對變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器進行聯(lián)校，當(dāng)PB=20%，偏差=0時，手動操作使調(diào)節(jié)器的輸出=50%，若給定信號突變5%，試問突變瞬間調(diào)節(jié)器的輸出處在什么位置上？分析:使用PB定義、正反作用答：PB=20%，表明KP=5；給定信號突變5%，表明調(diào)節(jié)器的偏差信號同樣突變5%;調(diào)節(jié)器的輸出信號變化量為5%×5=25%，考慮到正作用，調(diào)節(jié)器的輸出信號處于50%+25%=75%;考慮到反作用，調(diào)節(jié)器的輸出信號處于50%-25%=25%。二、I調(diào)節(jié)器

輸出信號和輸入信號對時間的積分成正比。

y=1/TIxdt

TI＝積分時間

TI積分作用

TI積分作用

輸入階躍信號，輸出信號隨時間的延長不斷增加，當(dāng)輸入信號結(jié)束時，輸出信號就停留在某個位置上。

TI，曲線斜率，積分作用；

TI，曲線斜率，積分作用txty無定位特性TI小TI大輸出信號和輸入信號存在的大小方向時間

無定位特性有關(guān)無定位特性的定義：當(dāng)輸入信號消除時，I調(diào)節(jié)器的輸出可以穩(wěn)定在任何一個數(shù)值上。I調(diào)節(jié)器的特點：

只要偏差存在，輸出就會隨著時間不斷地增長，直到偏差消除為止。在偏差剛出現(xiàn)時，積分輸出的反應(yīng)緩慢，不象比例那樣及時迅速，導(dǎo)致動態(tài)偏差增大，調(diào)節(jié)過程拖長。

很少單獨使用I調(diào)節(jié)器，通常是綜合兩者的優(yōu)點，形成PI調(diào)節(jié)器。

三、PI調(diào)節(jié)器

y=KP(x+1/TIxdt)KP＝比例增益

TI＝

積分時間輸入階躍信號，開始一瞬間，輸出信號向上跳躍一下，形成比例作用。然后，隨著時間的增加而逐漸上升，形成積分作用。可見PI調(diào)節(jié)器的輸出是比例和積分的合成

ty

xt

PI調(diào)節(jié)器整定的參數(shù):PB和TI

TI的定義：調(diào)節(jié)器在階躍輸入信號的作用下，積分部分的輸出變化到和比例部分的輸出相等時所經(jīng)歷的時間為TI。

理想PI調(diào)節(jié)器輸入信號長期存在實際PI調(diào)節(jié)器輸入信號長期存在輸出信號隨著時間的增長不斷地變化輸出信號隨著時間的增長趨于有限值KPKIx原因：理想放大器的增益＝∞原因：實際放大器的增益≠∞

上述分析表明積分部分的輸出具有飽和特性，我們把t

時，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)積分飽和時的增益K=KPKI稱為靜態(tài)增益，式中的KI稱為積分增益。xKPKIxKPxyttx

積分增益的定義：在階躍輸入信號的作用下，實際的PI調(diào)節(jié)器的輸出的最終變化量和初始變化量之比。

KI=y(

)/y(t0)=KPKIx/KPxKI的物理意義表明實際的PI調(diào)節(jié)器消除余差的能力，KI

余差。

PI調(diào)節(jié)器的特點：輸出信號響應(yīng)速度快，消除余差，

練習(xí)4某調(diào)節(jié)器的PB=100%，TI=2min，初始狀態(tài)輸入=輸出=12mA，后來輸入信號從12mA階躍變化到14mA，試問經(jīng)過多長時間后輸出信號可以達(dá)到20mA？分析：使用y=KP(x+1/TI∫xdt)解：y=KP(x+1/TI∫xdt)(20-12)=1(2+1/2∫2dt)8=2+1/2(2t)t=6(分)練習(xí)5參見圖示曲線，曲線1為PB=100%時的PI特性曲線，若其它條件不變，令PB=50%，則曲線1變成曲線2，對否？為什么？分析：使用TI的定義yt12解：不對，由曲線1的已知條件PB=100%可以推導(dǎo)出曲線1的TI為某個值，曲線2的已知條件除了PB=50%之外，沒有其它變化，TI的值和曲線1是相同的。所以曲線2的斜率變陡峭。四、D調(diào)節(jié)器

D調(diào)節(jié)器的輸出信號和輸入信號的變化速度成正比。

y=TDdx/dtTD＝微分時間

TD

微分作用

TD

微分作用

輸入階躍信號，

t=t0瞬間，輸出信號跳向無窮大，

tt0以后，返回零狀態(tài)。

xytt

t0t0

D調(diào)節(jié)器的特點：輸入變化速度越快，輸出就越大，輸入無變化速度，即使經(jīng)過長時間的積累達(dá)到較大的數(shù)值，微分輸出仍舊不響應(yīng)。

很少單獨使用D調(diào)節(jié)器，通常是綜合兩者的優(yōu)點，形成PD調(diào)節(jié)器。五、PD調(diào)節(jié)器

y=KP(x+TDdx/dt)KP＝比例增益TD＝微分時間給PD調(diào)節(jié)器輸入一個階躍信號，t＝t0時，輸出跳向無窮大，t＞t0時，又跳回比例部分xtt0xtt0

上述的D調(diào)節(jié)器和PD調(diào)節(jié)器都是理想的當(dāng)輸入信號中含有高頻信號時，就會使輸出產(chǎn)生干擾信號，造成執(zhí)行器的誤動作。實際PD調(diào)節(jié)器的都具有飽和特性。給實際的PD調(diào)節(jié)器輸入階躍信號時，在t=t0時，輸出不是無窮大，而是趨近于一個有限值KPKDx，表明微分輸出有飽和特性，KD稱為微分增益。

t＞t0以后，微分輸出的下降也不是瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律下降，下降的快慢取決于微分時間TD，當(dāng)KD一定時，TD微分作用，TD微分作用，TD=0時，

D作用消失，PD調(diào)節(jié)器就變成P調(diào)節(jié)器

tytxt0KPKDxKPx(KPKDx-KPx)63.2%td=

TD/KD

KD的定義：在階躍輸入信號的作用下實際PD調(diào)節(jié)器的輸出的初始變化量和最終變化量之比。

KD=y(t0)/y(

)=KPKDx/KPxKD，微分作用；

KD，微分作用。

KD＝5～30，一般調(diào)節(jié)器KD均為常數(shù)。

PD調(diào)節(jié)器整定的參數(shù)是PB和TD，

TD的定義：在階躍輸入信號的作用下，實際的PD調(diào)節(jié)器的輸出信號從開始的跳變值下降了最大值和新穩(wěn)態(tài)值之差的63.2%所經(jīng)歷的時間td的KD倍，就是微分時間TD。TD=td

KD

td＝

微分時間常數(shù)。

PD調(diào)節(jié)器的特點：不論輸入信號多大，只要有變化趨勢，立即產(chǎn)生輸出信號，具有較強的調(diào)節(jié)作用，這是一種先于比例作用的調(diào)節(jié)動作，所以稱為“超前”調(diào)節(jié)。（超前是說D作用比P作用超前的時間為td）練習(xí)6圖示曲線為調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線，試回答：該曲線代表調(diào)節(jié)器的什么工況？KD=?KP=?分析：KP和KD的定義2Ii102Iott解：1.代表調(diào)節(jié)器的PD工況。2.KD=53.KP=1練習(xí)七根據(jù)給定的輸入信號和條件，畫出PD調(diào)節(jié)器的輸出信號波形。PB=100%，TD=2min，KD=5分析：階躍響應(yīng)波形xy114六、PID調(diào)節(jié)器

y=KP(x+1/TI

xdx+TDdx/dt)KP＝比例增益，TI＝積分時間，TD＝微分時間

輸入階躍信號，則輸出信號的變化規(guī)律是：

為理想的PID調(diào)節(jié)器

為實際的PID調(diào)節(jié)器

ttxy實際的PID調(diào)節(jié)器是微分和積分都有飽和特性，關(guān)鍵在于KD和KI均為有限值。

PID調(diào)節(jié)器整定的參數(shù)是PB、TI、TD。三個參數(shù)在整定時相互之間有影響。用相互干擾系數(shù)F來描述它們之間相互影響的程度。

PB實=PB刻/F，TD實=TD刻/F，TI實=TI刻F，F(xiàn)=1+TD/TI。PID調(diào)節(jié)器的特點：反應(yīng)迅速（P），消除余差（I），超前動作（D），

練習(xí)八根據(jù)給定的階躍輸入信號，畫出調(diào)節(jié)器的輸出信號波形圖。P調(diào)節(jié)器，PB=50%;PI調(diào)節(jié)器，PB=100%，TI=3min；PD調(diào)節(jié)器，PB=100%，TD=3min，KD=3。分析：階躍響應(yīng)波形xt3129181-1作業(yè)：1.一臺調(diào)節(jié)器的測量信號的指針由50%下降到25%時，其純比例輸出信號由12mADC下降到8mADC，該調(diào)節(jié)器的實際比例帶為多少？，該調(diào)節(jié)器的作用方向是正還是負(fù)？2.某氣動PI調(diào)節(jié)器，PB=100%、TI=2min，初始狀態(tài)時偏差信號和輸出信號均為0.5×102kpa，后來偏差信號從0.5×102kpa階躍變化到0.7×102kpa，試問經(jīng)過多少時間后輸出信號可達(dá)到1.0×102kpa？3.某調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時測量信號、給定信號和輸出信號均為5mA，當(dāng)測量信號階躍變化1mA時，輸出信號立刻變成6mA，然后隨時間勻速上升，當(dāng)輸出信號到達(dá)7mA時所用的時間為25s，試問該調(diào)節(jié)器的PB的TI各是多少？4.微分作用是（）調(diào)節(jié)作用，其實質(zhì)是阻止（）的變化，以提高（）的穩(wěn)定性，使過程衰減得更厲害。TD越大，則微分作用（），KD越小，則微分作用（）。5.一臺PD調(diào)節(jié)器，PB=100%，KD=5，TD=1min，若給它輸入一個圖示階躍信號，試畫出它的輸出信號響應(yīng)曲線。Iit

第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器一、方框圖二、輸入電路三、PD電路四、PI電路五、輸出電路六、手動操作電路七、指示電路八、傳遞函數(shù)

本節(jié)重點內(nèi)容提示:一、基本定義二線制、軟手動、硬手動、保持特性、無平衡無擾動切換二、基本構(gòu)成輸入電路、PD電路、PI電路的原理電路（讀圖、各元件的作用）三、基本原理

1.輸入電路（掌握為什么采用偏差、差動輸入、電平移動電路，利用疊加原理推導(dǎo)電路的輸入輸出關(guān)系式）2.PD電路和PI電路（掌握電路的定性分析,

即t=0、t>0、t>>0時電路的變化過程）3.雙向無平衡無擾動切換（掌握自動→手動、手動→自動無平無擾切換的原因）一、方框圖測量指示電路輸入電路給定指示電路PD電路軟手動電路PI電路輸出電路硬手動電路Ui1-5VDCUs1-5VDCUo1Uo2Uo3測量指示紅針指示1-5mADC給定指示黑針指示1-5mADC軟M硬HA自輸出指示4-20mARL測量指示/給定指示電路1～5V的測量信號→1～5mADC→表頭用紅針指示，（同時送入輸入電路）

1～5V的給定信號→1～5mADC→表頭用黑針指示，（同時送入輸入電路）表頭指示測量信號和給定信號0～100%的滿刻度，故稱為全刻度指示調(diào)節(jié)器。輸入電路2(Ui－Us))→Uo1PD電路對Uo1進行PD運算→Uo2PI電路對Uo2進行PI運算→Uo3輸出電路對Uo3進行電壓電流轉(zhuǎn)換→Io軟手動電路開關(guān)打在M時，軟手操電壓對時間的積分和Io有對應(yīng)關(guān)系。硬手動電路當(dāng)開關(guān)打在H時，硬手操電壓和Io有對應(yīng)關(guān)系。

二、輸入電路（一）作用及原理電路

1.作用

2(Ui－Us)0V→10V

2.原理電路Rcm1Ucm1UiR32R33Rcm2Ucm2R39UBR51R52R53Uo1A5－△＋UsR34R35

A5—理想IC

應(yīng)滿足：差模輸入阻抗＝∞，偏置電流Ib1、Ib2≈0，共模增益＝0

差模增益＝∞

R32、R33—Ui的輸入電阻

R34、R35—Us的輸入電阻

R39、R51—反饋電阻

R52、R53—輸出電阻Rcm1、Rcm2—導(dǎo)線的電阻Ucm1、Ucm2—導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的壓降

UB—基準(zhǔn)電壓

UO—輸出電壓（二）工作原理1.為何是偏差？——調(diào)節(jié)器應(yīng)接受偏差信號Ui－Us輸入電路的作用是要獲得偏差信號。采用了Ui和Us并聯(lián)比較的方式。UiUsR32R33R34R35－＋差模輸入阻抗→∞A5εUiUsR=R32+R33R=R34+R35－＋→∞ε＝UiR/(R＋R)－UsR/(R＋R)ε＝Ui/2－Us/22ε＝Ui－Us偏差信號2.為何是差動？

——消除導(dǎo)線電阻壓降Ucm1和Ucm2的影響

Rcm1Ucm1Ui250ΩIi4-20mADC＋－二線制變送器24VUsRcm14-20mADC＋－二線制變送器24V

A5調(diào)節(jié)器由于24VDC供電，二線制變送器和調(diào)節(jié)器的都并聯(lián)在24VDC兩端。由于變送器是二線制變送器。測量信號和電源負(fù)端公用一根導(dǎo)線。4~20mA流經(jīng)負(fù)載電阻250Ω產(chǎn)生了UiUi＝4~20mA×250Ω＝1~5V信號線和電源線公用2根導(dǎo)線的變送器4~20mA流經(jīng)導(dǎo)線電阻Rcm1產(chǎn)生了Ucm1Ucm1＝4~20mA×Rcm1Ω＝0~1VUS

＝1~5V或US

＝4~20mA×250Ω＝1~5V調(diào)節(jié)器的輸入信號＝Ui＋Ucm1

－US

輸入信號引入一個誤差Ucm1

，是不允許的。

分析發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的Ucm1作用在IC的兩個輸入端之間，是個差模信號，理想IC對差模信號有放大作用，對共模信號有抑制作用，如果將Ucm1由差模信號轉(zhuǎn)換成共模信號，利用理想IC對共模信號的抑制作用就可以排除Ucm1的影響。Ui－Us

采用差動輸入的形式后:

Ucm1是個共模信號，不會被放大。

Ui－Us是個差模信號，可以被放大。大小相等、方向相同的形式作用IC兩個輸入端對地之間的信號作用IC兩個輸入端對地之間的信號3.為何是電平移動?——滿足共模輸入電壓范圍的要求。電平移動的定義：

共模輸入電壓范圍的定義：

將電源負(fù)端為零電平的信號轉(zhuǎn)換成以參考電位為基準(zhǔn)的信號在保證IC正常工作的情況下，IC的UT或UF的大小。

輸入電路的IC：

型號μpc157A電源24VDC共模輸入電壓范圍2~19.5VDCUF

＝UT≤2~19.5VDC

把以0V為基準(zhǔn)的Ui送入IC，它的共模輸入電壓范圍≠2~19.5V，IC不工作。把以？V為基準(zhǔn)的Ui送入IC，它的共模輸入電壓范圍＝2~19.5V，保證IC正常工作？

R32R35R33R51UiUcm1Ucm2UFUo1/2UBUcm1UsUcm2UT∵R32>>Rcm1∴Rcm1忽略不計∵R33>>Rcm1∴Rcm1忽略不計

R35>>Rcm2∴Rcm2忽略不計

R34>>Rcm2∴Rcm2忽略不計R52=R53

R34UBR39∵Ucm1=Ucm2=0～1V∵Us=Ui=1～5V

若UB=0V

則UF=UT≈0.33～2.33V

若UB=10V

則UF=UT≈3.7～5.7V

結(jié)論：UB=0V，無電平移動，當(dāng)Ui=1～5V變化時，IC兩個輸入端的電位均為0.33～2.33V，不在共模輸入電壓范圍2～19.5V之內(nèi)，∴IC不能正常工作。

若UB=10V，有電平移動,當(dāng)Ui=1～5V變化時，IC的兩個輸入端電位均為3.7～5.7V，在共模輸入電壓范圍2～19.5V之內(nèi)，∴IC可以正常工作。

∴必須進行電平移動，把基準(zhǔn)電平由0V抬至10V，否則IC不能正常工作。

三、PD電路（一）作用及原理電路

1.作用

Uo1進行PD運算后放大α倍→Uo2

無電平移動

2.原理電路無源PD電路P電路R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－R55、R54—微分增益電阻

R56+R62—微分電阻

C18—微分電容

R74+R73—比例電阻

Uo1—輸入信號

Uo2—輸出信號（二）工作原理PD電路無源PD電路P電路R54、R55組成的分壓電路C18(R56+R62)組成的微分電路A6R74+R73組成的比例電路

U01經(jīng)R54和R55分壓后，在R54上的壓降為

在R55上的壓降為分壓比n=10

U02經(jīng)R74和R73分壓后，若R74的滑動觸頭在最上端，則

即反饋信號=輸出信號。若R74的滑動觸頭在最下端，則

即反饋信號=部分輸出信號。

∵R74=10K，R73=39Ω

定性分析

Uo1有階躍變化，

t＝t0，電容C18上的電壓不能突變，相當(dāng)于短路。UT=Uo1t＞t0，R54上的電壓經(jīng)C18、(R12+R13)形成一個回路對C18充電，隨時間的增長，Uc18越來越大，UT越來越少。

t＝∞，電容C18上充滿了電，相當(dāng)于開路，UT＝UO1/n，UO2＝αUT＝αUO1/nUC＝ICt/CUo1、UT、Uo2的電路變化過程如圖所示:Uo1Uo1t=toUTUo1Uo1/nUo2αUo1αUo1/n0t0t0t

四、PI電路（一）作用及原理電路

1.作用

UO2進行PI運算→UO3

無電平移動

2.原理電路A7R75R76C20R78R80S4－△＋C21Uo3UB×1×10

R75、R76—分壓電阻

R78+R80—積分電阻

C21—積分電容

C20—比例電容

S4—積分時間換檔開關(guān)

S4х10→m=10S4х1→m=1TI的大小與m有關(guān)，m不同TI也不同

（二）工作原理PI電路P電路I電路C20、C21、A7組成的電容分壓比例電路A7、R78+R80、C21組成的積分電路

定性分析：

Uo2有階躍變化,t＝t0，C20和C21組成分壓式比例電路，∴Uo3（t0）＝－C20UO2/C21

∵C20

＝C21

∴

Uo3（t0）＝－UO2A7Uo3Uo21/C20S1/C21S＋－△

t＞t0，Uo2/m→R78+R80→C21→Uo3形成一個回路對C21充電。Uo2/m

＝常量，I1＝I2＝常量恒定電流對C21充電，UC21隨時間線性增長。

A7－△＋R78+R80C21I1Uo2/mI2Uo3Uo2tC20Uo2/C21tUo2toto其輸出曲線為

五、輸出電路（一）作用及原理電路

1.作用

Uo3→Io10V→0V2.原理電路

A8R9340KR9640KR9510K24VUFUTR9910KR100－△＋RL輸出指示表V13I’oIfIoUfUo3UBR93、R96—輸入電阻R95

、R99—反饋電阻

R100—限流電阻

RL—負(fù)載電阻

Uo3—輸入信號

UB—基準(zhǔn)電平10VIo—輸出電流

24V—電源電壓

（二）工作原理R96R95UB24VUFR93R99Uo3UBUfUT

分析輸出電路的運算關(guān)系時，假設(shè)Ib

＝If＝0

則Io＝I’o＝Uo3/4R

假設(shè)Ib＝0，合理；假設(shè)If＝0，不合理?！逫b本來就很小，再采用復(fù)合放大管，可保證相同輸出的情況下使Ib更小。

If是反饋電流，隨著Io的變化而變化，有不同的輸出就有不同的反饋。

I’o=4mA時，If最大。體現(xiàn)的誤差就最大。

I’o=20mA時，If最小。體現(xiàn)的誤差就最小。

可見I’o=4mA時，If=0.255mA，它占I’o的6%以上，調(diào)節(jié)器的精度為±0.5%，最大誤差為1%，折合成電流為0.16mA。而0.255mA>0.16mA，上述電路結(jié)構(gòu)超出了誤差允許的范圍。只有采用非對稱差動輸入電路。使Uo3的兩個輸入電阻R93≠R96，當(dāng)R93=40.25KΩ=4(R95+R101)，就可以獲得精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

六、手動操作電路（一）作用調(diào)節(jié)器有故障控制系統(tǒng)有故障系統(tǒng)開車投運時需要手動操作

A7－△＋Uo2R75R76C20R78R80AMHC21RH2Uo3R91RH1RHVHS5AMH－Um＋UmRm1Rm1Rm2Rm2S5-1S5-2S5-3S5-4S6S6→A自動操作比例積分電路實現(xiàn)S6→M軟手動操作積分電路實現(xiàn)S6→H硬手動操作比例電路實現(xiàn)S6→甩空保持浮空電路實現(xiàn)

A7－△＋U03C21(二)保持電路

S6→“M”時，不按動S51～S54，A7的輸入端懸空。C21上的電壓既無充電也無放電。Uc21不變，∵UC21=Uo3

，Uo3不變，導(dǎo)致IO不變。

保持特性定義：

理想狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器的輸出信號長期保持不變的特性稱為保持特性Rc≠∞C21通過本身的漏電阻Rc放電rid≠∞C21通過IC的差模輸入阻抗rid放電Ib≠0Ib對C21充電或放電Uos≠0Uos對C21充電或放電

選用帶前置級的IC:Ib=10PA

U0S=10mVrid=1011ΩA7=105C21=10μfRC=1012Ω

若U03=5V時，使U03產(chǎn)生1%的誤差，各個因素所需的時間為：

使UO3產(chǎn)生1%的誤差，漏阻RC和靜態(tài)偏流Ib用的時間比較少，對保持特性的影響最嚴(yán)重，為獲得比較好的保持特性，選用Ib極小的IC和RC極大的C21。為了滿足保持特性的指標(biāo)，還要求切斷IC輸出和輸入之間的漏電(地絕緣)。

（三）軟手動電路

S6→“M”，S5按下任一檔，形成軟手動電路－Um＋UmC21RMIRMIC21

A7－△＋U03軟手動電路本質(zhì)上就是一個積分電路

軟手動定義：

軟手動電路的輸出總是在保持電路的輸出的基礎(chǔ)上再增加(或減少)一個變化量

U03軟=U03保±△U03輸出信號和軟手動操作電壓對時間的積分成正比

軟手動操作有五種狀態(tài):

慢升、快升、慢降、快降、斷慢升→向右輕按軟手操扳鍵S5、

S5-2接通，－UM→RM1→RM2→S5-2→C21→U03，給C21反向充電(放電)，使I0從4mA→20mA用100S，稱之為慢升。

快升→向右重按軟手操扳鍵S5

、S5-1接通－UM→RM1→S5-1→C21→U03，給C21反向充電(放電)，使I0從4mA→20mA用6S，稱之為快升。慢降→向左輕按軟手操扳鍵S5

、S5-4接通,+UM→RM1→RM2→S5-4→C21→U03

，給C21正向充電，使I0從20mA→4mA用100S，稱之為慢降。

快降→向左重按軟手操扳鍵S5，S5-3接通

+UM→RM1→S5-4→C21→U03

，給C21正向充電，使IO從20mA下降到4mA用6S，稱之為快降。小結(jié):+UM→IO↓，－UM→IO↑。(RM1+RM2)→IO變化速度慢，RM1→IO變化速度快。

“斷”就是一松手，軟手操扳鍵S5在彈簧作用下，自動彈回到“斷開”位置，即S5的1～4全斷開，電路處于保持狀態(tài)，IO不變。

(四)硬手動電路

S6→硬手動時，就變成了硬手動操作電路由于C21和RH2并聯(lián)，C21=10μF，RH2=30KΩ，τ=30KΩ×10μF=0.3S，時間常數(shù)非常小，故C21可以忽略不計C21

A7U03RH1RH2UH－△＋

硬手動電路本質(zhì)上就是一個阻性的比例運算電路。硬手動的定義輸出信號和硬手動操作電壓成正比

∵RH1=RH2=30K，∴UH和U03有一一的對應(yīng)關(guān)系，被稱為“硬手動”操作。(二)切換

盡管M→H是有平衡無擾動切換，但是通常稱為雙向無平衡無擾動切換。A無平無擾M有平無擾HA無平無擾M無平無擾H無平衡無擾動切換→兩個信號不需要一個相等的過程，在切換一瞬間輸出信號沒有變化方式切換

原因方式切換

原因方式A無平無擾∵S5沒按下,則C21沒有充放電,形成了保持特性M有平無擾∵Uh接通,則C21有充放電,無保持特性HPI電路I電路P電路A無平無擾∵U02事前儲存在C20中,切換時,C21無充放電,形成保持特性M無平無擾∵S5沒按下,C21無充放電,形成保持特性H

七、指示電路（一）作用及原理電路

1.作用

1～5V→1～5mA0→10V2.原理電路

A2－△＋Ui測量校正S2R8R9R133VV4R4R21R29R28R23R18IoIfU0R15R14I’oUB=10V＋－

（二）工作原理

S2處于“校驗”位置時，3V→3mA，在電流表上指示出標(biāo)準(zhǔn)信號的大小。否則：檢查校驗信號是否準(zhǔn)確檢查電流表的機械零點是否準(zhǔn)確

UFR29R23U0UBUBUTR21R28UiUF＝(UO+UB)R29(R29+R23)UT＝UBR28＋UiR21(R21+R28)(R21+R28)∵UF＝UT∵R29

＝R28

＝R23

＝R21∴UO

＝UiIO’＝UO/(R14＋R15)＝Ui/(R14＋R15)∵IO

＝IO’＋If忽略If∴IO＝IO’＝Ui/(R14＋R15)Ui＝1~5VDC，調(diào)節(jié)R15

，IO＝1~5mA

電流表應(yīng)指示I’0，實際卻指示I0。因為表頭內(nèi)阻會隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度出現(xiàn)誤差。

八、傳遞函數(shù)推導(dǎo)電路的傳遞函數(shù)時，利用變換阻抗是一種比較簡單的辦法（一）變換阻抗

電阻電容

U(S)=RI(S)

U(S)=1/CSI(S)RI（S）U（S）1CSI(S)U(S)R1CS變換阻抗的串聯(lián)變換阻抗的并聯(lián)1CSR

（二）輸入電路的Wi(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

UF(S)=?UT(S)=?

令UF(S)=UT(S)

推出U01(S)

Wi(S)=UO1(S)/[Ui(S)－Us(S)]=－2

（三）PD電路的WPD(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

UF(S)=?UT(S)=?

令UF(S)=UT(S)

推出UO2(S)

WPD(S)=UO2(S)/UO1(S)=

（四）PI電路的WPI(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)節(jié)點電流定律先求流入的兩股電流=流出的一股電流

UO3(S)=A7*UF(S)

推出UO3(S)

WPI(S)=UO3(S)/UO2(S)=

（五）輸出電路的WO(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

UF(S)=?UT(S)=?

令UF(S)=UT(S)

推出IO(S)

WO(S)=IO(S)/UO3(S)=

（六）整機的WPID(s)1.方框圖－2Ui(S)-US(S)U02(S)U03(S)U01(S)I0(S)2.傳遞函數(shù)

I0轉(zhuǎn)換成U0，故方程兩邊同乘250練習(xí)1：推導(dǎo)PD電路的傳遞函數(shù)WPD(S)R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－UT(S)＝UR55(S)＋UR56+R62(S)

＝UO1(S)/n＋(n－1)UO1(S)*(R56＋R62)/n*(R56＋R62＋I/C18S)

＝[1＋n(R56＋R62)C18S]UO1(S)/n[1＋n(R56＋R62)C18S]UF(S)＝UO2(S)/αUT(S)＝UF(S)UO2(S)＝α[1＋n(R56＋R62)C18S]UO1(S)/n[1＋n(R56＋R62)C18S]WPD(S)＝UO2(S)/UO1(S)

＝α(1＋TDS)/n(1＋TDS/KD)練習(xí)2：I系列手操器中的輸入指示電路如圖所示，試回答1.推導(dǎo)Uo和Ui的關(guān)系式。2.如果UB發(fā)生變化，會影響指示表的讀數(shù)嗎？3.如果Ui極性接反，Uo=?4.電路對Ucm有放大作用嗎？R5R3R4R6R7UiUcm＋－UBD3指示表作業(yè)：1.ICE調(diào)節(jié)器的輸入電路為何采用差動輸入和電平移動電路？2.在ICE調(diào)節(jié)器的PD電路中，微分通斷開關(guān)從“斷”切換到“通”時，為什么輸出信號保持不變？3.ICE調(diào)節(jié)器實現(xiàn)自動到軟手動，硬手動到自動無平衡無擾動切換的原因各是什么？4.ICE調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度和閉環(huán)跟蹤誤差有什么不同？ABC開關(guān)——微分通斷開關(guān)，當(dāng)開關(guān)置于A，表示微分作用接通，整個電路具有PD作用；當(dāng)開關(guān)置于B，表示微分開關(guān)作用切斷，整個電路具有P作用。R61——保證ABC切斷開關(guān)從B(斷)到A(通)是無擾動切換。當(dāng)開關(guān)處于”B”時，微分作用切除，IC同相端電位

UT=UO1/n=UO1/10而電阻R54上的電壓經(jīng)過C18、開關(guān)CB、R61形成一條回路對C18進行充電，電阻R54上的電壓全部充滿C18時，則

UC18=UR54=(n-1)UO1/n=9UO1/10

當(dāng)開關(guān)由“B”(斷)切向“A”(通)時，由于C18上電壓不能突變，仍舊為

UC18=9UO1/10則：

UT=UO1/10而表明ABC開關(guān)由B切向A的一瞬間，UT的電位不變，則U02也就不變，表明切換一瞬間輸出無擾動(即無變化)

5.ICE調(diào)節(jié)器的PI電路原理圖如圖所示。試回答：（1）當(dāng)UO2=2V的階躍信號時，UO3(t=0)=?V。（2）在正常的工作范圍內(nèi)，C21上的電壓UC21和輸出電壓UO3大小相等，方向相反，對嗎？（3）本電路的比例增益與那些元件有關(guān)？C20C20C21UO2UO3第六節(jié)SPRG編程器一、構(gòu)成與功能二、鍵義介紹三、仿真程序

本節(jié)重點內(nèi)容提示一.基本知識廣義對象的定義會編仿真程序（方法同主程序）一.構(gòu)成與功能(一)構(gòu)成打印機

CPUSLPC鍵盤用戶ROM插座插座RAM2插座顯示器ROM2SPRGSPRG沒有CPU，借用SLPC的CPU，是SLPC調(diào)節(jié)器的外設(shè)。ROM2—存系統(tǒng)程序RAM2—存用戶程序（二）功能編制用戶程序（MPR、SPR、SBP）對用戶程序進行測試運行讀出SLPC中原有的程序進行修改，打印程序、參數(shù)、寄存器狀態(tài)、顯示類型等等二.鍵義介紹(SPRG*E)有41個鍵，多為三義鍵，每個鍵都有自己的鍵義，在鍵的左上角和右上角還分別標(biāo)有另外兩個鍵義。WRXFRRDF鍵+本義本義G鍵+本義XFR→程序轉(zhuǎn)移鍵把調(diào)節(jié)器中的程序轉(zhuǎn)移到SPRG中RD→程序讀入鍵把EPROM中的程序讀入到SPRG的RAM2中WR→程序?qū)懭腈I把SPRG的RAM2中的程序?qū)懭隕PROMINIP→參數(shù)清除鍵清除SLPC側(cè)面盤上設(shè)定的數(shù)據(jù)INZ→用戶程序清除鍵清除SPRG中的程序RS→復(fù)位鍵強行使SPRG的工作狀態(tài)返回到起始狀態(tài)若SPRG處于PROGRAM狀態(tài)則返回到程序起點等待；若SPRG處于TESTRUN狀態(tài)則執(zhí)行用戶程序。SBP→子程序鍵鍵入子程序時，先按此鍵SPR→仿真程序鍵鍵入仿真程序時，先按此鍵MPR→主程序鍵鍵入主程序時，先按此鍵G→黃色換檔鍵按此鍵，再按其它鍵，則執(zhí)行其它鍵上邊黃色字表示的鍵義F→藍(lán)色換檔鍵按此鍵，再按其它鍵，則執(zhí)行其它鍵上邊藍(lán)色字表示的鍵義PGM→程序設(shè)定運算鍵E→模擬量接受寄存器鍵CHG→S寄存器交換鍵D→模擬量發(fā)送寄存器鍵ROT→S寄存器旋轉(zhuǎn)鍵B→控制參數(shù)寄存器鍵SUB→子程序鍵CI→狀態(tài)量接受寄存器鍵END→結(jié)束鍵RTN→返回鍵CO→狀態(tài)量發(fā)送寄存器鍵RUN→運行測試鍵KY→PF鍵輸入寄存器鍵LP→PF輸入指示燈寄存器鍵BSC→基本控制鍵BDI→分支狀態(tài)量輸入寄存器鍵LD→讀取鍵CCD→狀態(tài)變化檢測運算鍵LAG→一階滯后運算鍵X→模擬量輸入寄存器鍵GIF→有條件轉(zhuǎn)移運算鍵LED→微分運算鍵DI→狀態(tài)量輸入寄存器鍵DED→純滯后運算鍵7→數(shù)字鍵ID→編號設(shè)定鍵用于識別用戶ROM而設(shè)計的管理號碼CPO→脈沖計數(shù)輸出運算鍵8→數(shù)字鍵＋→加法運算鍵9→數(shù)字鍵CAN→和其它儀表（SLMC、SPLR）配合使用CSC→串級控制鍵BDO→分支狀態(tài)量輸出寄存器鍵

ST→存儲鍵PIC→脈沖輸入計數(shù)運算鍵VEL→變化率運算鍵Y→模擬量輸出寄存器鍵AND→邏輯與鍵VLM→變化率限幅運算鍵DO→狀態(tài)量輸出寄存器鍵MAV→移動平均值運算鍵CMP→比較運算鍵4→數(shù)字鍵CNT→調(diào)節(jié)單元鍵ABS→絕對值運算鍵5→數(shù)字鍵LIST→程序列表鍵－