自动化装置-第3节(3-6)课件

第三讲第三节

ICE调节器

属于模拟类型仪表，ICE使用模拟电路实现各种调节规律，包括PI、PD、PID等。此外，实现其他的辅助功能，如显示、操作等。

一、ICE的整体原理－方框图

二、输入电路三、PD电路四、PI电路五、输出电路六、手动操作电路七、指示电路八、整机特性指标分析本节重点内容一.基本定义二线制、软手动、硬手动、保持特性、无平衡无扰动切换、闭环跟踪误差(定义、来源、反映的问题）。二.基本构成原理输入电路、PD电路、PI电路的原理电路（读图、各元件的作用）。三.电路原理分析计算1.输入电路（掌握为什么采用偏差、差动输入、电平移动电路，利用叠加原理推导电路的输入输出关系式）2.PD电路和PI电路（t=0、t>0、t>>0时电路的变化过程和工作特性）3.双向无平衡无扰动切换（掌握自动→手动、手动→自动无平衡无扰动切换的原因）本节重点内容ICE调节器的基本工作原理ICE调节器将1－5VDC的测量信号和1－5VDC的给定信号，送入“输入电路”，进行偏差运算－减；然后，将偏差信号先后送入“PD电路”和“PI电路”，根据实际需要可以实现各种运算，如PD、PI、PID

；最后，送入“输出电路”，获得4－20mADC的输出信号。与其他各类仪表的接口情况凡是输出信号是1－5VDC的变送器和转换器作为ICE的输入源；凡是可以接收4－20mADC的执行器和仪表作为ICE的负载；最终，实现对温度、液位、压力和流量等工艺参数的自动控制。一.方框图一.方框图软手动电路硬手动电路PI电路输入电路Ui1-5VDCUs1-5VDCUo1Uo2Uo3测量指示电路测量指示红针指示1-5mADC给定指示电路给定指示黑针指示1-5mADC软M硬HA自输出电路输出指示4-20mARLPD电路1～5V的测量信号U

i一方面送入测量指示电路转换成1～5mA的直流电流送到表头上用红针指示，一方面送入输入电路中。

1～5V的给定信号Us一方面送入给定指示电路转换成1～5mA的直流电流送到表头上用黑针指示，一方面送入输入电路中。表头上指示测量信号和给定信号用满刻度0～100%，称为全刻度指示调节器。

测量信号Ui和给定信号Us送到输入电路中进行比较相减，将其偏差信号放大2倍，后转换成输出电压Uo1Uo1送到PD电路中进行PD运算后转换成输出电压Uo2Uo2送到PI电路中进行PI运算后转换成输出电压Uo3Uo3送到输出电路中进行电压电流转换，获得4～20mA的直流电流输出。

为了适应控制系统的投运、停车及故障处理各种要求，调节器除了具有自动操作功能之外还具有手动操作功能。

手动操作分成软手动（MAN）和硬手动（H）两种，当开关打在软手动或硬手动操作时，将分别由软手动操作电路和硬手动操作电路控制着输出信号Io的大小。二.输入电路二.输入电路（一）作用及原理电路

1.作用对测量信号和给定信号相减并放大2倍，2(Ui-Us)基准电平移动，0V→10VUo1A5UiRcm1Ucm1UsR32R33R34R35Rcm2Ucm2R39UBR51R52R53－△＋

2.原理电路A5—理想IC，应满足：差模输入阻抗＝∞，偏置电流Ib1、Ib2≈0，共模增益＝0

差模增益＝∞R32、R33——Ui的输入电阻

R34、R35——Us的输入电阻

R39、R51——反馈电阻

R52、R53——输出电阻Rcm1、Rcm2——导线的电阻Ucm1、Ucm2——导线电阻上产生的压降

UB——基准电压

UO1——输出电压（二）采用差动输入，电平移动电路？1.差动输入电路获得偏差——调节器输入信号应该是偏差信号Ui－Us差动输入电路——获得测量信号和给定信号比较后产生的偏差信号。形式上将测量信号和给定信号两个信号连成并联比较的方式。UiUsR32R33R34R35－＋差模输入阻抗→∞A5εUiUsR=R32+R33R=R34+R35－＋等效电路输入电势ε如果只看Ui和Us输入放大器的情况根据叠加原理2.采用差动输入电路消除误差

—消除导线电阻压降Ucm1和Ucm2的影响

二线制变送器

A5Uo1ICEUiUs24V＋－Rcm2Ii4-20mADC250ΩRcm1采用＋24V集中供电，所有仪表并联在

＋24V电源两端。采用二线制变送器：信号线和电源线公用二根导线的变送器。

i=03Ui来自于二线制变送器的输出电流。Ui=4~20mA×250Ω=1~5VUS来自调节器本身或者是调节器的外部。US=1~5VDC;

Ui、US两个信号反极性串联比较，得到的偏差信号Ui－Us作为调节器的输入信号。虽然获得了偏差信号，但是二线制变送器输出电流在流经250Ω电阻产生的测量电压信号的同时。还要流经导线，导线有内阻Rcm，就产生导线电阻压降Ucm和测量信号叠加在一齐作为调节器的输入信号。

实际的偏差信号变成Ui+Ucm－Us，引入了误差，是不希望。造成这个误差信号的原因?

是由于24V集中供电是测量信号和电源负端公用一根导线。

分析：发现导线电阻产生的压降Ucm是作用在放大器的两个输入端之间，是个差模信号。而理想IC对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。倘若我们设法将Ucm由差模信号转换成共模信号，利用理想放大器对共模信号的抑制作用就可以消除Ucm的影响。二线制变送器

A5Uo1ICEUiUs24V＋－Rcm2Ii4-20mADC250ΩRcm1

通过采用差动输入的形式，Ucm1转变为以大小相等、方向相同的形式，作用在放大器反相输入端对地和同相输入端对地之间的信号，成为了共模信号，因此被抑止。Ucm2同样。

Ui－Us是作用在放大器的同相输入端和反相输入端之间，是个差模信号。因此可以被放大。(3)为何采用电平移动?——满足运算放大器共模输入电压范围的要求.

电平移动：将以零电平为基准的信号转换成以参考电位为基准的信号。共模输入电压范围的定义：在保证放大器正常工作的情况下，放大器的UT或UF的电压范围。

ICE输入电路：放大器选μpc157A，电源电压=＋24V，共模输入电压范围=2~19.5V，要求2≤UF=

UT<19.5V提出问题？把以基准＝？的测量信号1~5V送入放大器，才能保证它的共模输入电压范围UF＝UT＝2~19.5V，放大器才能正常工作呢？

将以0V为基准的测量信号1~5V送入IC，其输入电压范围不满足2~19.5V，因此IC不能正常工作。R32>>Rcm1∴Rcm1忽略不计R33>>Rcm1∴Rcm1忽略不计

R35>>Rcm2∴Rcm2忽略不计

R34>>Rcm2∴Rcm2忽略不计R52=R53

R32R35R33UBR51UiUcm1Ucm2UFUo1/2UBUcm1UsUcm2UTR34R39计算UF和UT的对地电位利用叠加原理来求IC的同相端电位和反相端电位。∵Ucm1=Ucm2=0～1(V)∵Us=Ui=1～5(V)

若UB=0(V)

则UF=UT≈0.33～2.33(V)

若UB=10(V)

则UF=UT≈3.7～5.7(V)结论：

没有电平移动，UB=0V当Ui=1～5V变化时，IC的反相端和同相端电位均为0.33～2.33V，显然不在共模输入电压范围2～19V之内，∴IC不能正常工作。

若有电平移动,UB=10V当Ui=1～5V变化时，IC的反相端和同相端电位均为3.7～5.7V，显然在共模输入电压范围2-19V之内， ∴放大器可以正常工作。上述分析表明：

必须进行电平移动，把基准电平由0V抬高至10V。否则IC不能正常工作。

3.传递函数推导电路网络的传递函数时，采用变换阻抗是一种比较简单的办法。电阻电容

U(S)I(S)U(S)I(S)RI（S）U（S）1CSI(S)U(S)=R=1/CS1CSR为变换阻抗的串联1CS

为变换阻抗的并联R

推导输入电路的传递函数时，利用阻容的变换阻抗，根据叠加原理先求

UF(S)=?UT(S)=?由于 UF(S)=UT(S)推导出 Uo1(S)原理图p18——等效电路图——计算过程p19反作用：Uo1(S)＝2[Ui(s)-Us(s)]由传递函数可见，输入电路对偏差信号放大2倍。当Ui=1V，Us=5V时，最大偏差为－4V；当Ui=5V，Us=1V时，最大偏差为+4V，参考电平10V，最大偏差±4V，放大倍数等于2。Uo1=-2(Ui－Us)Uo1＝±8V。相对于参考电平10V

，正向跳至18V，负向跳至2V。能最大限度地反映偏差信号。24V18V10V基准电平2V0V+4V×2－4V×2第四讲A6R74R73＋△－Uo1C1810KR549.1KR551KR56R6239Ω无源PD电路比例电路－a倍放大器三.PD电路Uo2R55、R54——微分增益电阻

R56+R62——微分电阻

C18——微分电容

R74+R73——比例电阻

（一）PD电路原理

1.工作原理⑴把输入信号Uo1进行比例微分运算，然后进行比例放大，转换成输出电压Uo2⑵无参考电平移动PD电路无源PD电路P电路R54、R55组成的分压电路C18(R56+R62)组成的RC微分电路A6R74+R73组成的同相输入比例电路2.原理电路分析输入信号U01经R54和R55分压后，在R54上的压降为分压比n=10在R55上的压降为(1)无源PD电路分析PD电路定性分析当输入信号Uo1为阶跃变化信号时，

t=t0时，由于电容两端的电压不能突变，C18相当于短路。输入信号Uo1全部送到IC的同相端，故UT=Uo1t>t0时，R54上的电压经C18、(R12+R13)形成一个回路对C18充电，使C18两端的电压Uc18按指数规律逐渐增大，逐渐接近R54两端的电压，而同相端的电压UT按指数规律不断减小。t=∞时，R54上的电压全部充到C18上，C18相当于开路，此时A6的同相端电压n＝10同相端电压经同相输入比例放大电路进行放大，之后输出Uo2，比例放大电路的放大系数是αUo1、UT、Uo2的电路变化过程如图所示:Uo1Uo1t=toUTUo1Uo1/nUo2αUo1αUo1/n0t0t0t若R74的滑动触头在最上端，则α=1UF＝Uo2(2)P电路分析若R74的滑动触头在最下端，则

∵R74=10K，R73=39Ω

（三）传递函数

R、C用变换阻抗表示UT(S)=UR55+U(R56+R62)A7R75R76C20R78R80S4－△＋C21Uo3UB

四.PI电路四.PI电路R75、R76——分压电阻

R78+R80——积分电阻

C21——积分电容

C20——比例电容

S4——积分时间切换开关

S4打在х10档表示分压比m=10;S4打在х1档表示分压比m=1。积分时间的大小与m有关，S在不同的位置就有不同的m，从而也就有不同的积分时间（一）原理

1.工作原理

(1)把输入信号Uo2进行PI运算后转换成输出电压Uo3(2)无参考电平移动

2.电路分析PI电路P电路I电路C20=C21U03=－U02R78+R80和C21组成积分运算电路

定性分析：当输入信号U02为阶跃变化信号时,

在t=t0的瞬间，U03=－U02A7－△＋Uo21/C20S1/C21SUo3UB ∵C20=C21

＝10uF∴U03=－U02输出和输入的关系取决于反馈阻抗和输入阻抗之比。 ∵UF＝UT＝UB ∴U03＝－Uc21U02＝Uc20

t>t0以后，R76上的压降Uo2/m→R78+R80→C21→Uo3形成一个回路对C21充电。∵Uo2是个常量 充电电流I1＝I2∵恒定电流对C21充电，故C21上的电压线性增长。

A7－△＋R78+R80C21Uo3Uo2/mI2I1UF=UT=UB图2-43比例电路和积分电路的叠加Uo2tUo2tUo2toto其输出曲线为43.传递函数R、C—用变换阻抗表示流入F这一点两股电流等于流出F的一股电流A7△Uo2(S)1/C20S1/C21SUo3(S)R75R76R78R90Fm第五讲

五.输出电路（一）作用及原理电路1.作用⑴把输入Uo3转换成输出Io⑵有参考电平移动，以10V为基准1～5V电压信号→以0V为基准的4～20mA电流五.输出电路

A8R9340KR9640KR9510K24VUFUTR9910KR100－△＋RL输出指示表V13I’oIfIoUfUo3UB输出电路原理图V14R1012.原理电路分析R93、R96—输入电阻 R100—限流电阻R95

、R99—反馈电阻 RL—负载电阻

（二）工作原理输出电路完成电压/电流的转换功能，转换关系可用叠加原理求出。R96R95UB24VUFR93R99Uo3UBUfUT由于

（三）传递函数输出电路的传递函数

六.手动操作电路（一）作用调节器有故障控制系统有故障系统开车投运时均需要手动操作六.手动操作电路（二）手动操作手动操作软手动操作硬手动操作用积分电路实现用比例电路实现保持电路1.保持电路

A7－△＋Uo2R75R76C20R78R80AMHC21RH2Uo3R91RH1RHVHS5AMH－Um＋UmRm1Rm1Rm2Rm2S5-1S5-2S5-3S5-4手动操作电路图S6S6→A自动（比例积分电路）S6→S5→M闭合软手动电路S6→H硬手动电路S6→S5→M甩空保持电路开关S6打在“M”时，S5-1——S5-4悬空，处于保持电路；→A7F端处于悬空状态，UF＝0V（相对于10V基准）→UC21＝Uo3当运放开环增益较大，输入阻抗较大，偏置电流较小，C21漏电流较小，S6绝缘电阻较大时，→C21无充电和放电回路。→UC21保持不变→Uo3保持不变→Io保持不变当切换开关由“A”切换到“M”时，不按动软手操扳键S51-S54.C21保持切换前一瞬间的电压恒定不变，输出电压Uo3也就保持不变。保持特性定义：理想状态下，调节器的输出信号长期保持不变的特性称为保持特性。

那么C21上的电压究竟会不会象我们分析的那样，保持稳定不变，以使输出形成保持特性呢？原因会使C21上的电压发生变化Rc≠∞C21要通过自己本身的漏电阻(Rc)放电rid≠∞C21要通过IC的差模输入阻抗(rid)放电Ib≠0IC的静态偏流(Ib)要对C21充电或放电Vos≠0IC的失调电压(Vos)要对C21充电或放电2.软手动软手动电路——实现软手动操作软手动含义：输出信号和软手动操作电压对时间的积分成正比。

软手动操作过程：开关S6置于“M”，软手动操作键S5按下任一档，形成软手动电路。软手动电路实质上是一个积分运算电路。

A7－△＋－Um＋UmU03C21RMIRMIC21

软手动电路的输出总是在保持电路的输出的基础上增加(或减少)一个变化量，由C21上充放电引起。

U03软=U03保±△U03

式中△t为S5接通的时间。常量软手动操作有四种状态:慢升、快升、慢降、快降慢升：S5-2接通，－UM→RM1→RM2→S5-2→C21→U03，给C21反向充电，使I0从4mA→20mA用100S。快升：S5-1接通,

－UM→RM1→S5-1→C21→U03，给C21反向充电，使I0从4mA→20mA用6S慢降：S5-4接通,+UM→RM1→RM2→S5-4→C21→U03

，给C21正向充电，使I0从20mA→4mA用100S。快降：S5-3接通，

+UM→RM1→S5-4→C21→U03

，给C21正向充电，使输出电流从20mA下降到4mA用6S。S5悬空时，即S5－1到S5－4全不接通，此时电路处于保持状态。

小结:

输出信号有升有降，是因为UM的极性决定的，+UM则降，－UM则升。输出信号有快有慢，是因为充电电阻决定的，两个充电电阻串联(RM1+RM2)则为慢，一个充电电阻(RM1)则为快。3.硬手动电路硬手动电路——实现硬手动操作硬手动含义：输出信号和硬手动操作电压成正比。硬手动操作：当开关S6打在“H”时，变成硬手动操作电路。

A7－△＋U03C21RH1RH2UHC21和RH2并联，C21=10μF，RH2=30KΩ，其时间常数τ=30KΩ×10μF=30×103×10×10-6=0.3S，非常小，故C21的影响可忽略不计。因此硬手动电路可以看成一个纯阻性的比例运算电路。因为RH1=RH2=30K，所以UH＝－1V，U03＝1V，Io＝4mAUH＝－5V，U03＝5V，Io＝20mA(二)切换

ICE调节器的切换特性如下:

无平衡无扰动有平衡无扰动

AMH

无平衡无扰动无平衡无扰动

有两个信号相等的过程，就叫平衡。切换瞬间输出信号有变化，就叫扰动A→M

当S6由A切换到M时，只要不按动开关S5中的任何一个键，此时电路就处于保持状态，电容C21上即没有充电现象也没有放电现象。

UC21将保持切换前一瞬间的电压值不变，U03和UC21大小相等，保持不变，输出电路把U03转换成输出电流I0也将维持不变。∴A→M是无平衡无扰动切换。M→H

当S6由M切换到H时，硬手操电压Uh立即送到IC的反相输入端，由于硬手操电压Uh和软手操电压Um不相等。必然导致C21产生充电或放电现象，这要取决Um的正或负。C21的充电或放电→UC21发生变化→U03发生变化→IO也要发生变化。∴M→H是有扰动切换。要想达到无扰动就必须要有平衡，也就是说调节硬手操电阻RH的大小，使硬手动输出和软手动输出相等时，再由M→H，上述两个信号相等的过程就叫平衡。 ∴M→H是有平衡无扰动切换。H→M

当S6由H切换到M时，只要不按动开关S5中的任何一个键，则电路处于保持状态。电容C21上既无充电也无放电。UC21将保持不变→U03不变→I0变。

∴H→M是无平衡无扰动切换。M→AS6原来在M时，由于电容C20一端接U02，另一端经R20接在电平UB上。∴U02=UC20，由于电容C20充满了电，相当于开路。流经C20的电流为零，因此在由M→A这一瞬间，反相端电位UF没有变化。∴C21上既无充电也无放电→U03不变→I0不变。∴M→A是无平衡无扰动切换。自动手动切换方式切换原因方式切换原因方式AMHAMH无平衡无扰动无平衡无扰动无平衡无扰动无平衡有扰动保持电路C21无充放电C21有充放电S5没按下C21无充放电C20预先充满电，相当于开路，C21无充放电PIIP

七.指示电路

指示电路包括测量信号指示电路和给定信号指示电路，两者完全相同。（一）作用及原理电路

1.作用

1～5V测量信号→1～5mA电流信号电平移动0V→10V2.原理电路

A2－△＋Ui测量校正S2R8R9R133VV4R4R21R29R28R23R18IoIfU0R15R14I’oUB=10V＋－当测量校验开关S2处于“校验”位置时，输入信号是3V的标准信号。经A2转换成3mADC，在电流表上指示出标准信号的大小。倘若在校验位置时，电流表不指示3mA，第一要检查校验信号是否准确，第二要检查电流表的机械零点是否准确。

当测量校验开关处于“测量”位置时，输入信号是1～5V的测量信号，经IC转换成1～5mADC，在电流表上指示出测量信号的大小。

（二）工作原理 UFR29R23UTR21R28UBUiU0UB测量等效电路第六讲

八.整机特性

对ICE调节器的各个组成部分进行分析之后，把它们组合在一起就构成一台整机仪表。下面首先推导整机的传递函数，然后进行误差分析。八.整机特性

（一）传递函数整机传递函数的框图是－2Ui(S)-US(S)U01(S)U02(S)U03(S)I0(S)整机传递函数为：把输出电流I0转换成输出电压U0，负载电阻为250，故方程两边同乘250。（二）误差分析这里只讨论闭环跟踪误差

闭环跟踪误差的定义当调节器接成一个自闭环系统时，测量信号Ui跟踪给定信号US的静态跟踪误差。九.误差分析自闭环系统是指调节器的输出信号（I0×250Ω）又作为输入信号连接到调节器的输入端，构成一个负反馈系统。为了跟踪及时，必须将正/反作用开关置于“反”作用，微分时间TD=0，积分时间TI=TImin，调节器UiUs250Ω

调节器的方框图因此可表示为：＋2－Ki250 UsUi△1△2△3△4

每一部分电路会引入误差，其原因是IC有失调电压和失调电流，我们假设输入电路引入的误差为△1，PD电路引入的误差为△2，PI电路引入的误差为△3，输出电路引入的误差为△4。可以把这些误差都折算到最前面，用△S表示：于是上边方框图可化简为：US＋Ui－△＋＋△S

从方框图可见测量信号UI跟踪给定信号US的误差△和闭环跟踪误差△S近似的关系为：ICE调节器重点内容ICE调节器重点内容一.基本定义〈P42、P43、P44、P47〉两线制、软手动、硬手动、保持特性、无平衡无扰动切换、闭环跟踪误差二.基本构成〈P34、P36~P39〉输入电路、PD电路、PI电路、输出电路的原理（读图、各元件的作用）三.基本原理1.输入电路（掌握为什么采用偏差、差动、电平移动电路，利用叠加原理推导电路的输入输出关系式）2.PI、PD电路和输出电路〈P44〉掌握电路的定性分析，即：t=0,t>0,t>>0时电路的变化过程；其中各种指标参数的定义。3.双向无平衡无扰动切换（掌握自动→手动、手动→自动无平无扰切换的原因）作业2P44.2-11，2－12测验：1.ICE调节器的输入电路为何采用差动输入和电平移动电路？2.ICE调节器实现自动到软手动，硬手动到自动无平衡无扰动切换的原因各是什么？3.一台ICE调节器，PB=50％，TI=0.2min，TD=2min，KD=10，假设输出信号的初始值为4mA，在t=0时加入0.4V的阶跃信号，依次画出P，PI,PD作用时的响应曲线，试求:PI作用时，Io(t=0)?,Io(t=12s)=?；

PD作用时，Io(t=0)?,Io(t=2min)=?5.ICE调节器的PI电路原理图如图所示。试回答：（1）当UO2=2V的阶跃信号时，UO3(t=0)=?V。（2）在正常的工作范围内，C21上的电压UC21和输出电压UO3大小相等，方向相反，对吗？（3）本电路的比例增益与那些元件有关？C20C21UO2UO3ICE调节器实验介绍内容1．比例带校验

将调节器的各开关置于测量、正作用、外给定、软手动位置。积分时间TI=TImax，微分时间TD=0，测量信号关闭，用软手操使输出=4mA，自/软/硬切换开关切换到“自动”，测量信号阶跃变化0.4V，调节比例带旋钮，使输出信号变化到5.6mA，检查比例带刻度误差△PB，△PB=(PB标准－)／PB标准×100%，要求△PB＜±25%。