第3章过程控制仪表(上)

1、 第第3 3章章 过程控制仪表过程控制仪表(上上) 1 1）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及）熟悉调节器的功能要求，掌握基本调节规律的数学表示及其响应特性；其响应特性；2 2）熟悉）熟悉 DDZ-DDZ-型调节器的基本构成、电路原理及其应用特型调节器的基本构成、电路原理及其应用特点；点；3 3）了解智能调节器的硬件和软件构成；）了解智能调节器的硬件和软件构成；4 4）掌握）掌握SLPCSLPC可编程控制器的硬件构成及工作原理；可编程控制器的硬件构成及工作原理；5 5）熟悉）熟悉SLPCSLPC可编程控制器的模块指令及编程方法；可编程控制器的模块指令及编程方法；6 6）了解各类

2、执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器）了解各类执行器的组成原理和使用特点，熟悉气动执行器的应用特点；的应用特点；7 7）了解电）了解电/ /气转换器与阀门定位器的工作原理气转换器与阀门定位器的工作原理8 8）熟悉智能式电动执行器的功能特点；）熟悉智能式电动执行器的功能特点；9 9）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。）熟悉安全栅的基本类型及构成原理。 过程仪表的定义及作用过程仪表的定义及作用过程控制仪表：过程控制仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量

3、转换工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。量达到预期的要求。过程控制仪表包括过程控制仪表包括 调节器（含可编程调节器，也叫控制器）、电调节器（含可编程调节器，也叫控制器）、电/气转气转换器、执行器、安全栅，以及等各种新型控制仪表及装置。换器、执行器、安全栅，以及等各种新型控制仪表及装置。液位变送器液位变送器控制器控制器

4、操作器操作器显示器显示器出料出料给定值给定值执行器执行器自动化装置自动化装置储罐液位自动控制系统储罐液位自动控制系统进料 1 1 调节器的功能调节器的功能n调节器的作用：调节器的作用：n 把测量值和给定值进行比较，得出偏差后，根据一定的把测量值和给定值进行比较，得出偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。动调节。n注意：所谓控制器是包括比较单元的注意：所谓控制器是包括比较单元的 1 1 调节器的功能调节器的功能（1）偏差显示）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信调节器的输入电路

5、接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信号由偏差显示仪表显示其大小和正负。号由偏差显示仪表显示其大小和正负。（2）输出显示）输出显示 调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制系统受干扰影响后的调节过程。系统受干扰影响后的调节过程。（3）内、外给定的选择）内、外给定的选择 当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为当调节器用于定值控制时，给定信号常由调节器内部提供，称为内内给定给定；

6、而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，；而在随动控制系统中，调节器的给定信号往往来自调节器的外部，则称为则称为外给定外给定。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实。内、外给定信号由内、外给定开关进行选择或由软件实现。现。（4）正、反作用的选择）正、反作用的选择 工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器反作用调节器。（5）手动切换操作）手动切换操作 在控制系统投入运

7、行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，在控制系统投入运行时，往往先进行手动操作改变调节器的输出，待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正待系统基本稳定后再切换到自动运行状态；当自动控制时的工况不正常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节常或调节器失灵时，必须切换到手动状态以防止系统失控。通过调节器的手动器的手动/自动双向切换开关，可以对调节器进行手动自动双向切换开关，可以对调节器进行手动/自动切换，而在自动切换，而在切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰切换过程中，又希望切换操作不会给控制系统带来扰动，即要求无扰动切换。动切换。

8、（6）其它功能）其它功能 如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的控制性能控制性能 2 2 执行器的作用执行器的作用 执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号，改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。与控制介质接触，是过程控制系统的最

9、薄弱环节。 若执行器是采用电动式的，则无需电若执行器是采用电动式的，则无需电/ /气转换器；若执行器气转换器；若执行器是采用气动式的，则电是采用气动式的，则电/ /气转换器是必不可少的。气转换器是必不可少的。 3 3 安全栅安全栅 安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方安全栅是构成安全火花防爆系统的关键仪表，其作用一方面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量面保证信号的正常传输；另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。制系统的安全火花性能。 n反馈

10、控制控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量测量/变送器变送器-+目标目标误差误差输出输出广义对象广义对象PID 3.2.1 比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律理想理想PID的增量式数学表达式的增量式数学表达式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(写成传递函数形式写成传递函数形式：第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分；cK为调节器的比例增益，IT为积分时间（以s或min为单位），DT为微分时间（也以s或min为单位）。

11、1 比例调节规律比例调节规律比例控制数学表达式比例控制数学表达式 ：( )( )cu tK e t)(tu为调节器输出的增量值，为调节器输出的增量值，)(te为被控参数与给定值之差。为被控参数与给定值之差。 纯比例调节器的阶跃响应特性 浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使球带动活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。apbeebap CyK e 如果如果e = 0，则活塞，则活塞无法提高，无法提高，Q1 无法加无法加大，调节无

12、法进行。大，调节无法进行。例：自力式液位比例控制系统：例：自力式液位比例控制系统：比例控制过程比例控制过程Q2htepQ1tttt 原来系统处于平衡，原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此进水量与出水量相等，此时进水阀有一开度。时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增时，出水量阶跃增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移带动进水阀开大。下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出当进水量增加到与出水量相等时，系统重新平水量相等时，系统重新平衡，液位也不再变化。衡，液位也不再变化。 v 比例控制的特点比例控制的特点q控制及时、适当。只要有偏差，输出立刻成比控制及时、适当。只要有偏差，输

13、出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。q控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为控制结果存在静差。因为，如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零零，调节器的输出也就为零 u = KC e即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能即调节作用是以偏差存在为前提条件，不可能做到无静差调节。做到无静差调节。在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度来表来表示比例控制作用的强弱。示比例控制作用的强弱。 所谓所谓比例度比例度就是指控制器输入偏差的相对变化就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表

14、示。值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu 式中式中e为输入偏差；为输入偏差；u为控制器输出的变化量；为控制器输出的变化量；（emax - emin）为）为输入输入的最大变化量的最大变化量,及输入量程；及输入量程；（umax umin）为输出的最大变化量，即控制器的输）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。出量程。如果控制器输入、输出量程相等，则如果控制器输入、输出量程相等，则: 比例度比例度:Ce1100%100%uKmaxminmaxmineu(/) 100%eeuuueeremaxeminuminumax比例度除了表比例度除了表

15、示控制器输入和输示控制器输入和输出之间的增益外，出之间的增益外，还表明比例作用的还表明比例作用的有效区间。有效区间。比例带比例带的物理意义：的物理意义：使控制器输出变化使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变时，所对应的偏差变化相对量。如化相对量。如 =50%表明：表明： 控制器输入偏差控制器输入偏差变化变化50% ，就可使控，就可使控制器输出变化制器输出变化100%，若输入偏差变化超过若输入偏差变化超过此量，则控制器输出此量，则控制器输出饱和，不再符合比例饱和，不再符合比例关系。关系。uuur0100%50%umaxumin =50% =100%nu代表调节阀开度的变化量，代表调节阀开度的

16、变化量，就代表使调节阀开度改变就代表使调节阀开度改变100% 100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。例如，若测量仪表的量程为例如，若测量仪表的量程为100则则50% 就表示被就表示被调量需要改变调量需要改变50才能使调节阀从全关到全开。才能使调节阀从全关到全开。n当被调量处在当被调量处在“比例带比例带”以内调节阀的开度以内调节阀的开度( (变化变化) )才与偏差成比例。才与偏差成比例。n超出这个超出这个“比例带比例带”以外以外调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保调节阀已处于全关或全开的状态，调节器的输入与输出已不再保持

17、比例关系。持比例关系。例例 某比例控制器，温度控制范围为某比例控制器，温度控制范围为400800，输出信号范围是输出信号范围是420mA。当指示指针从。当指示指针从600变变到到700时，控制器相应的输出从时，控制器相应的输出从8mA变为变为16mA。求设定的比例度。求设定的比例度。700 60016 8800400204/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 温度的偏差在输入量程的温度的偏差在输入量程的50区间内区间内（即（即200）时，）时，e和和u是是2倍的关系。倍的关系。u/mAe/ e420800400 =50%2 2 比例积分控制（比例积分控制（PIPI） 当要求控

18、制结果无余差时，就需要在比例控制当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。的基础上，加积分控制作用。（1） 积分控制积分控制（I） 输出变化量输出变化量u(t)与输入偏差与输入偏差e的积分成正比的积分成正比01u(t)tIedtT当当e是幅值为是幅值为E的阶跃时的阶跃时01Eu(t)etIIdttTTTI 积分时间积分时间eEttuq积分作用具有保持功能，积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。故积分控制可以消除余差。q积分输出信号随着时间逐积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用。分作用不单独使用。v 积分控制的

19、特点积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。eEttu 比例积分控制规律（比例积分控制规律（PIPI）是比例）是比例与积分两种控制规律的结合，其数学与积分两种控制规律的结合，其数学表达式为：表达式为：tIcedtTeKu01sTKsEsUsGICC11)()()( 若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差 。 （2） 比例积分控制（比例积分控制（PI）对于：对于：1()0 ,2cicIcyKAA

20、 tTtyKAtTyKA)(1)(dtteTteKyic( )e tA在阶跃输入作用下，即调节器的输出为：因此，可以从阶跃响应曲线上确定KC，Ti比例带P和积分时间Ti , Ti越大积分作用越弱， Ti越小积分作用越强， 取消积分作用.iT实际比例积分控制（实际比例积分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例积分调节器的阶跃响应特性 称为称为PI调节器的积分增益，它定义调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。之比。 IK 对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速对

21、于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。度，此时可增加微分作用。u(t)DdeTdt式中：式中：TD 微分时间微分时间 dtde 偏差变化速度偏差变化速度 理想微分理想微分（1） 微分控制（微分控制（D）eEttu3 比例微分控制（比例微分控制（PD）dsU(s)G(s)TE(s)q 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间，在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。芽状态之中。q微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但

22、不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和必须和P或或PI结合，组成结合，组成PD控制或控制或PID控制。控制。v 微分控制的特点微分控制的特点eEttu （2）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制1( )(1)PDWsT seAttyty1y()PDdeeTdtPD调节器的整定参数： 比例带P和微分时间Td , Td越大微分作用越强， Td越小微分作用越弱， Td 0取消微分作用.dTdtdeTd比例作用比例作用t)(tut比例微分作用比例微分作用)(te斜坡输入斜坡输入 在斜坡输入条件下，要达到同样的u

23、(t)，PD作用要比单纯P作用快，提前的时间就是Td。控制器的阶跃响应特性 理想微分作用持续时间太短，理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(DK称为称为PD调节器的微分增益，它定义为：调节器的微分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变在阶跃信号输入下，其输出的最大跳变值与纯比例作用时产生的输出变化之比。值与纯比例作用时产生的输出变化之比。 实际比例微分控制实际比例微分控制dtdeTedtTeKuuuuDIcDIP14 比例积分微分控制（比例积分微分控制（PID）sKsK

24、KpsGdIc)(q微分作用：加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡。q积分作用：消除静差q三着结合，可达到快速敏捷，平稳准确1()(1)cdiG SKT sT s)()()()(dttdeKdtteKteKtudipq将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。能消除余差，可得到满意的控制效果。sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(实际比例积分微分控制（实际比例积分微分控制（PID）q PID控制作用中，控制作用中，

25、比例作用是基础控制；比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用统控制速度；积分作用是用于消除静差。是用于消除静差。PID调节器的阶跃响应特性 PID 调节规律的MATLAB演示对象：20101)()()(2sssUsYsGo控制目标：nFast rise time （快速上升时间）nMinimum overshoot （小的超调 ）nNo steady-state error （小稳态误差）开环开环 Open-loop step responsenum=1;den=1 10 20; step(num,den) 稳态误差： 0.95, 上升时间约：1s, 调

26、节时间约： 1.5s比例控制比例控制 Proportional controln闭环传递函数 + +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEP( )( ) u tK e tG0(s)20(10)(2ppKssKsGP 闭环响应nKp=100; nnum=Kp; nden=1 10 20+Kp;n t=0:0.01:2; nstep(num,den,t) 减小静差，减少上升时间，增加超调，decreased the settling time by small amount. PD 控制：控制：Proportional-Derivative control+ +- -)(sR)(sGc)

27、(sY)(sU)(sEG0(s)sKKpsGdc)()20()10()(2PddPKsKssKKsGPD 闭环响应Kp=300; Kd=10; num=Kd Kp;den=1 10+Kd 20+Kp; t=0:0.01:2; step(num,den,t) 减小超调，减小调节时间,small effect on the rise time and the steady-state error. PI控制：控制：Proportional-Integral controln + +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEG0(s)sKKsGipc)(iPiPKsKssKsKsG)20(10

28、)(23PI 闭环响应Kp=30; Ki=70; num=Kp Ki; den=1 10 20+Kp Ki; t=0:0.01:2;step(num,den,t) 减小上升时间， 增加超调(同比例). 消除静差。PID控制：控制：Proportional-Integral-Derivative control+ +- -)(sR)(sGc)(sY)(sU)(sEG0(s)sKsKKsGdipc)(iPdiPdKsKsKsKsKsKsG)20()10()(232PIDKp=350; Ki=300; Kd=50; num=Kd Kp Ki; den=1 10+Kd 20+Kp Ki; t=0:0.

29、01:2; step(num,den,t) no overshoot, fast rise time, and no steady-state error步骤小结：步骤小结： n研究开环响应，确定需要改善的因素 n增加比例控制改善上升时间 n增加微分控制改善超调n增加积分控制消除静差 n分别整定 Kp, Ki, 和 Kd 直至获得满意的响应曲线)0()0(minePPePPmaXeKpCedtTeKPIC1dtdeTeKPDCdtdeTedtTeKPDIC1控制规律输入e与输出p（或p）的关系式阶跃作用下的响应（阶跃幅值为A）优 缺 点适 用 场 合位 式结构简单，价格便宜；控制质量不高，被控

30、变量会振荡对象容量大，负荷变化小，控制质量要求不高，允许等幅振荡比 例（P）结构简单，控制及时，参数整定方便；控制结果有余差对象容量大，负荷变化不大、纯滞后小，允许有余差存在，常用于塔釜液位、贮槽液位、冷凝液位和次要的蒸汽压力等控制系统比例积分（PI）能消除余差；积分作用控制慢，会使系统稳定性变差对象滞后较大，负荷变化较大，但变化缓慢，要求控制结果无余差。广泛用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象比例微分（PD）响应快、偏差小、能增加系统稳定性，有超前控制作用，可以克服对象的惯性；但控制作用余差对象滞后大，负荷变化不大，被控变量变化不频繁，控制结果允许有余差存在比例积分微分（PI

31、D）控制质量最高，无余差；但参数整定较麻烦对象滞后大，负荷变化较大，但不甚频繁；对控制质量要求高。常用于精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统各种控制规律的特点及使用场合例例2 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点，试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点，积分和微分为什么不单独使用？积分和微分为什么不单独使用？n解答：解答：n1）比例控制及时、反应灵敏，偏差越大，控制）比例控制及时、反应灵敏，偏差越大，控制力越强；但结果存在余差。力越强；但结果存在余差。n2）积分控制可以达到无余差；但动作缓慢，控）积分控制可以达到无余差；但动作缓慢，控制不及时，不单独使用。制不及时，不单

32、独使用。n3）微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差）微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差不变时，控制作用消失，不单独使用。不变时，控制作用消失，不单独使用。3.2.2 DDZ-型型PID基型调节器基型调节器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其发展经历了型（用电子管）、型（用电子管）、型（用晶体管）和型（用晶体管）和型（用集成电路）。型（用集成电路）。DDZ-型仪表的特点型仪表的特点1 1）采用统一信号标准：）采用统一信号标准：4 4 20mA DC20mA DC和和1 15V DC5V DC。这种信。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零

33、开始，容易识别断电、号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。变送器实现两线制。 2 2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。靠性提高、维修工作量减少。 3 3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。1 全刻度指示调节器的参数及外形特点：全刻度指示调节器的参数及外形特点：测量信号：测量信号：15V.DC； 外给定信号：外给定信号：420m

34、A.DC；内给定信号：内给定信号：15V.DC； 测量与给定信号的指示精度：测量与给定信号的指示精度：1；输入阻抗影响：输入阻抗影响：满刻度的满刻度的0.1； 输出保持特性：输出保持特性：0.1（每小时）；（每小时）；输出信号：输出信号：420mA.DC； 调节精度：调节精度：0.5；负载电阻：负载电阻：250750。1-双针垂直指示器双针垂直指示器2-外给定指示灯外给定指示灯3-内给定设定轮内给定设定轮4-自动自动软手动软手动硬手动硬手动 切换开关切换开关5-硬手动操作杆硬手动操作杆6-输出指示器输出指示器7-软手动操作板键软手动操作板键DDZ-DDZ-基型调节器由控制单元和指示单元组成。控

35、制单元包括输基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元包括输入电路、入电路、PDPD与与PIPI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。 全刻度指示调节器的构成框图 2 全刻度指示调节器的构成原理全刻度指示调节器的构成原理 全刻度指示调节器的线路实例全刻度指示调节器的线路实例输入电路的主要作用一是输入电路的主要作用一是用来获得与输入信号用来获得与输入信号Vi和给定信号和给定信号Vs之差之差成比例的偏差信号成比例的偏差信号；二是；二是将偏差信号进行电平移动将偏

36、差信号进行电平移动。求偏差求偏差 e ：V01 = k ( Vs Vi ) 1 输入电路输入电路 因测量信因测量信号号Vi和给定信和给定信号号Vs分别通过分别通过双臂电阻差模双臂电阻差模输入到运放输入到运放A1的同相和反相的同相和反相输入端。输入端。可列出两输入节点的电流方程：可列出两输入节点的电流方程：RVVVRVORVVBFFFi)21(01RVVRVVRVOBTTST而而 VTVF 则则 V01 = 2（Vi VS） 采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号采用差动输入电路，输入阻抗很高，不从信号Vi、VS取用电流，使测量信号不受衰减，取用电流，使测量信号不受衰减，（2） 求偏差求偏差

37、Vi VS，进行偏差运算。进行偏差运算。（3）将偏差放大将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运算有利，这里先将偏差放大算有利，这里先将偏差放大两倍两倍。 电路的特点电路的特点（1）输入阻抗高输入阻抗高(4) 将两个零伏为基准电压转换为将两个零伏为基准电压转换为10V为基准的偏差为基准的偏差电压，实现电平移动。电压，实现电平移动。 2、 PD电路分析电路分析 PD电路电路以以A2为核心组成。微分作用可选择用与为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关不用。开关S8打向打向“断断”时，构成时，构成 P电路；开关电路；开关S8打向打向“通通”时，构

38、成时，构成 PD电路。电路。qPD传递函数传递函数ID得得DDTRsInsVsV)()()(01)(111)(1)(0101sVsCRsCnnsCRsVnnsIDDDDDD)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDT式中：式中：n=Kn=KD D DDdCnRT 微分时间常数微分时间常数ID又因又因 得得 )(1)(02sVasVF)(11)(0102sVsCRsCnRnasVDDDDq 阶跃响应阶跃响应 n0201V ( )1(1)V ( )DtTtnetn当当V01为阶跃信号时，为阶跃信号时，V02的的阶跃响应为阶跃响应为V02TD/nV01/n63%t 可见，此电可见，此电路的微

39、分是实际路的微分是实际的微分。的微分。 当当 S8 置于置于“断断”时，微分被切除，时，微分被切除，A2只作比只作比例运算。有例运算。有1211OOVVn21OOVVn这时微分电容被开关这时微分电容被开关S8接在接在9.1K分压电阻两端，分压电阻两端，使使CD右端始终跟随右端始终跟随电压电压V01/n。当开关。当开关S8切换到切换到“通通”时时，保证无扰动切换。，保证无扰动切换。 3、PI电路分析电路分析 它接收以它接收以10V为基准的为基准的PD电路的输出信号电路的输出信号V02，进行，进行PI运运算后，输出以算后，输出以10V为基准的为基准的15V电压电压V03，送至输出电路。该，送至输出

40、电路。该电路由电路由A3、R1、C1、CM等组成。等组成。S3为积分档切换开关，为积分档切换开关，S1、S2为自动、软手动、硬手动联动切换开关，该电路除了实现为自动、软手动、硬手动联动切换开关，该电路除了实现PI运算外，手动操作信号也从该级输入。运算外，手动操作信号也从该级输入。A3的输出接电阻和的输出接电阻和二极管，然后通过射极跟随器输出。二极管，然后通过射极跟随器输出。 由于由于电容电容CM积分积分需要较大电流，在需要较大电流，在A3输输出端加一功放三极管。出端加一功放三极管。qPI传递函数传递函数S1S1置于置于“自动自动”位置、位置、S3S3分别置于分别置于“1”1”、“10”10”档

41、时的简化电路：档时的简化电路：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：根据基尔霍夫第一定律，输出量与输入量之间的拉氏变换式为：0/1)()()(/ )(/1)()(030202sCsVsVRsVmsVsCsVsVMFIFIFS3打向打向10档时：档时： m=10S3打向打向1档时：档时： m=1 )()(03sKVsVFsCKRCCKsCmRCCsVsVMIMIIIMI11 1111 )()(0203sTKsTCCsCKRsCmRCCsVsVIIIMIMIIIMI11111111)()(0203PID运算电路运算电路由由PI和和PD两个运算电路串联而成，两个运算电路串联而成，由

42、于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以都是以VB=10V为基准起算的。为基准起算的。 PIPD4 输出电路输出电路其任务是将其任务是将PID电路输出电压电路输出电压VO3 =15V变换变换为为420mA的电流输出，并将基准电平移至的电流输出，并将基准电平移至0V。在在A4后面用后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。特性。取：取： R3 = R4=10K，R1 = R2 = 4R3 34124OfVV 由由V+V-得得 fORI24 q转换关系转换关系 4031034223424545124RVVVRVVVRVVVVRRRVVBFBFFfBBBTfOORVI43 则则BfOOIIII 而而0301 54 204462.5fVImAR若取若取 R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25K时，时，可以精确获得关系：可以精确获得关系：5 调节器的整机传递函数调节器的整机传递函数 输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获输入电路、及运算电路、输出电路的传递函数皆已获得，整个调节器的结