自动化装置3节ICE调节器

北京化工大学信息学院自动化系

主讲教师：张永德

zhangyd@第三节ICE调节器2第三节ICE调节器一、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、传递函数3

一、基本定义二线制、软手动、硬手动、保持特性、无平衡无扰动切换二、基本构成输入电路、PD电路、PI电路的原理电路（掌握读图及元件的作用）三、基本原理

41、输入电路（掌握采用偏差、差动输入、电平移动电路的原因，会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（掌握电路的定性分析,

即t=0、t>0、t>>0时电路的变化过程）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）5第三节ICE调节器一、方框图ICE调节器是由输入电路、PD电路、PI电路、输出电路、手动操作电路和指示电路组成的。6测量指示电路输入电路给定指示电路PD电路软手动电路PI电路输出电路硬手动电路Ui1-5VDCUs1-5VDCUo1Uo2Uo3测量指示红针指示1-5mADC给定指示黑针指示1-5mADC软M硬HA自输出指示4-20mARL1~5V转换成1~5mA，黑针显示给定对U01进行PD运算对U02进行PI运算U03→IoIo和硬手操电压成比例关系Io和软手操电压对时间的积分成比例关系一、方框图1~5V转换成1~5mA，红针显示测量2（Ui-Us）→U017

（一）作用及原理电路

1、作用

2(Ui－Us)0V→10V

2、原理电路二、输入电路第三节ICE调节器8Rcm1Ucm1UiR32R33Rcm2Ucm2R39UBR51R52R53Uo1A5－△＋UsR34R35Ui输入电阻Us输入电阻输出电阻反馈电阻反馈电阻导线电阻导线电阻基准电压输出电压导线电阻电压9

A5—理想IC

差模输入阻抗=∞偏置电流Ib1、Ib2≈0共模增益＝0差模增益＝∞IC同相输入端和反相输入端之间的阻抗IC的静态偏置电流IC输出电压和差模输入电压之间的直流增量比IC输出电压和共模输入电压之间的增量比10（二）工作原理1、为何是偏差？——调节器应接受偏差信号Ui－Us

采用了Ui和Us并联比较的方式获得偏差信号实现的方法11R=R32+R33R=R34+R35UiUs－＋→∞偏差信号R35＋差模输入阻抗→∞A5ε－R33UiUsR34R32122、为何是差动？

——消除导线电阻压降Ucm1和Ucm2的影响

采用差模信号和共模信号转换的方式消除影响实现的方法13Rcm1Ucm1Ui250ΩIi4-20mADC＋－二线制变送器24VUs

A5调节器24V供电，调节器和两线制变送器都接24V上4-20mA信号和24V供电用同样的2根导线原始要求两线制变送器定义：信号线和电源线公用2根导线的变送器144~20mA流经负载电阻250Ω产生了UiUi＝4~20mA×250Ω＝1~5V4~20mA流经导线电阻Rcm1产生了Ucm1Ucm1＝4~20mA×Rcm1Ω＝0~1V设定US

＝1~5V调节器的输入信号＝Ui＋Ucm1

－US

引入一个误差信号Ucm1，是不允许的。产生问题15Ucm1作用在IC的两个输入端之间，是个差模信号，理想IC对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。

把Ucm1由差模信号转换成共模信号，利用理想IC对共模信号的抑制作用消除Ucm1的影响。16Ucm2Rcm2Ucm1Rcm1大小相等、方向相同的形式作用IC两个输入端对地之间的信号＋差模输入阻抗→∞A5ε－R33UiUsR34R32R35Ucm1是个共模信号，不会被放大。作用IC两个输入端之间的信号Ui-

Us是个差模信号，就被放大。把原始要求改成了差动输入的形式改进办法173、为何是电平移动?——满足共模输入电压范围的要求。采用基准电压不相等的方式满足共模的要求实现的方法18

电平移动的定义：

共模输入电压范围的定义：

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在保证IC正常工作的情况下，IC的UT或UF的大小。19

共模输入电压范围的大小取决于IC的型号和供电电源IC的型号μpc157A

供电电源24VDC

共模输入电压范围是2~19.5VDC即：UF

＝UT≤2~19.5VDC20把以0V为基准的Ui送入IC，它的共模输入电压范围≠2~19.5V，IC不工作。

把以？V为基准的Ui送入IC，它的共模输入电压范围＝2~19.5V，保证IC正常工作？21R32R35R33R51UiUcm1Ucm2UFUo1/2UBUcm1UsUcm2UT∵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

R34UBR39222324∵Ucm1=Ucm2=0～1V∵Us=Ui=1～5V

若UB=0V

则UF=UT≈0.33～2.33V

若UB=10V

则UF=UT≈3.7～5.7V

结论：UB=0V，无电平移动，当Ui=1～5V变化时，IC两个输入端的电位均为0.33～2.33V，不在共模输入电压范围2～19.5V之内，∴IC不能正常工作。25结论：UB=10V，有电平移动，当Ui=1～5V变化时，IC两个输入端的电位均为3.3～5.7V，在共模输入电压范围2～19.5V之内，∴IC可以正常工作。必须进行电平移动，把基准电平由0V抬至10V，否则IC不能正常工作26练习1推导下列电路的输入输出关系式。RRRRRUiUcmUp+RUoUB27RRRRRRUcmUPUBUTUFUiUoUBUcmRRR28练习2EK调节器的测量信号缓冲电路如图所示。已知：R1=R2=R3=R4，测量信号Ui=1~5V（以0V为基准），基准电平UB=11V，导线电阻造成的压降Ucm=－3~6V。

1．若Ui的极性如图所示，试求Uo=？V2．当R1＇＜＜R1＂时，若Ui的极性接反，试求Uo=？V3．IC的共模电压输入范围=？V4．Ucm能否被放大？为什么？

5．电路有无电平移动？2930练习2、答：1、经过计算，UO=-（1~5）V2、当Ui的极性接反，二极管V1导通，使得两端电压钳位在0.7V，相当于输入电压为-0.7V，所以UO=0.7V。3、经过计算，IC的共模电压输入范围=4~8.5V4、因为Ucm是共模信号，放大器A对共模信号有抑制作用，所以Ucm没有被放大。5、输入信号以0V为基准，输出信号Uo以参考电平UB=11V为基准，故电路有电平移动。31

（一）作用及原理电路

1、作用

Uo1进行PD运算后放大α倍→Uo2

无电平移动

2、原理电路三、PD电路第三节ICE调节器32无源PD电路P电路R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－微分增益电阻微分电阻微分电容比例电阻33PD电路无源PD电路P电路R54、R55组成的分压电路C18(R56+R62)组成的微分电路A6、R74+R73组成的比例电路（二）工作原理34U01经R54和R55分压后在R54上的压降为在R55上的压降为分压比n=1035U02经R74和R73分压后若R74的滑动触头在最上端，反馈=输出若R74的滑动触头在最下端，反馈=部分输出36

∵R74=10K，R73=39Ω

37R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－定性分析t＝0，电容C18上的电压不能突变，相当于短路。UT=Uo1t＞0，R54上的电压经C18、(R56+R62)形成一个回路对C18充电，随时间的增长，Uc18越来越大，UT越来越少。t＝∞，电容C18上充满了电，相当于开路，UT＝UO1/n，UO2＝αUT＝αUO1/n38Uo1、UT、Uo2的电路变化过程如图所示:Uo1Uo1t=0UTUo1Uo1/nUo2αUo1αUo1/n0t0t0t39

（一）作用及原理电路

1、作用

UO2进行PI运算→UO3

无电平移动

2、原理电路四、PI电路40A7R75R76C20R78R80S4－△＋C21Uo3UB×1×10分压电阻比例电容积分电阻积分电容基准电压积分换档开关41PI电路P电路I电路C20、C21、A7组成的电容分压比例电路A7、R78+R80、C21组成的积分电路（二）工作原理42

定性分析：

Uo2有阶跃变化,t＝0，C20和C21组成分压式比例电路，∴Uo3（0）＝－C20UO2/C21

∵C20

＝C21

∴

Uo3（0）＝－UO2A7Uo3Uo21/C20S1/C21S＋－△43

t＞0，Uo2/m→R78+R80→C21→Uo3形成一个回路对C21充电。Uo2/m

＝常量，I1＝I2＝常量恒定电流对C21充电，UC21随时间线性增长。

A7－△＋R78+R80C21I1Uo2/mI2Uo34445Uo2tC20Uo2/C21tUo2t=0t>0其输出曲线为46

（一）作用及原理电路

1、作用

Uo3→Io10V→0V2、原理电路五、输出电路47

A8UFUT－△＋R9510K24VI’oR100RL输出指示表V13IoIfR9910KUfR9640KR9340KUo3UBR101输入电阻反馈电阻反馈电阻限流电阻负载电阻输出电流48

（二）工作原理R96R95UB24VUFR93R99Uo3UBUfUT4950假设If和Ib均比较小，忽略不计。则：62.5Ω1~5V4~20mA51

分析输出电路的运算关系时，假设Ib

＝If＝0

则Io＝I’o＝Uo3/4R

假设Ib＝0是合理的。原来Ib就很小，再采用复合放大管，可以保证相同输出的情况下使Ib更小假设If=0是不合理的。原来If是反馈电流，随着Io的变化而变化。不同的输出就有不同的反馈：I’o=4mA时，If最大。表现的误差就最大。I’o=20mA时，If最小。表现的误差就最小。5253

当I’o=4mA时，If=0.255mA，它占I’o的6%以上，调节器的精度为±0.5%，最大误差为1%，折合成电流为0.16mA。而0.255mA>0.16mA，所以电路结构超出了误差允许的范围。

采用非对称差动输入电路。也就是让Uo3的两个输入电阻R93≠R96

，当R93=40.25KΩ=4(R95+R101)，就可以获得精确的转换关系。54

（一）作用调节器有故障控制系统有故障系统开车投运时需要手动操作六、手动操作电路55

A7－△＋Uo2R75R76C20R78R80AMHC21RH2Uo3R91RH1RHVHS5AMH－Um＋UmRm1Rm1Rm2Rm2S5-1S5-2S5-3S5-4S6A/M/H切换开关56

A7－△＋U03C21(二)保持电路S6→“M”时，不按动S51～S54，A7的输入端悬空。C21上的电压既无充电也无放电。Uc21不变，∵UC21=Uo3

，Uo3不变，导致IO不变。57

保持特性定义：保持电路具有保持特性吗？

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58

A7－△＋U03C21∵Rc≠∞∴C21通过本身的漏电阻Rc放电RcUos∵rid≠∞∴C21通过IC的差模输入阻抗rid放电rid∵Uos≠0

∴Uos对C21充电或放电Ib1Ib2∵Ib≠0

∴Ib对C21充电或放电59选用带前置级的IC参数数值参数数值Ib10PAU0S10mVrid1011ΩA7105C21

10μfRC1012Ω60若U03=5V时，使U03产生1%的误差，各个因素所需的时间为：61

使UO3产生1%的误差，漏阻RC和静态偏流Ib用的时间比较少，对保持特性的影响最严重，为获得比较好的保持特性，选用Ib极小的IC和RC极大的C21。

为了满足保持特性的指标，还要求切断IC输出和输入之间的漏电(地绝缘)。62（三）软手动电路

C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△＋U03S6→“M”，S5按下任一档，形成软手动电路软手动电路本质上就是一个积分电路C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△＋U0363

软手动定义：

软手动电路的输出总是在保持电路的输出的基础上再增加(或减少)一个变化量

U03软=U03保±△U03输出信号和软手动操作电压对时间的积分成正比64C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△U0365软手动操作有五种状态:

慢升、快升、慢降、快降、断慢升→向右轻按软手操扳键S5

、S5-2接通，－UM→RM1→RM2→S5-2→C21→U03，给C21反向充电(放电)，使I0从4mA→20mA用100S，称之为慢升。

快升→向右重按软手操扳键S5

、S5-1接通－UM→RM1→S5-1→C21→U03，给C21反向充电(放电)，使I0从4mA→20mA用6S，称之为快升。66慢降→向左轻按软手操扳键S5

、S5-4接通,+UM→RM1→RM2→S5-4→C21→U03

，给C21正向充电，使I0从20mA→4mA用100S，称之为慢降。快降→向左重按软手操扳键S5，S5-3接通

+UM→RM1→S5-4→C21→U03

，给C21正向充电，使IO从20mA下降到4mA用6S，称之为快降。67“断”就是一松手，软手操扳键S5在弹簧作用下，自动弹回到“断开”位置，即S5的1～4全断开，电路处于保持状态，IO不变。小结:+UM→IO↓，－UM→IO↑。(RM1+RM2)→IO变化速度慢，RM1→IO变化速度快。68由于C21和RH2并联，C21=10μF，RH2=30KΩ，τ=30KΩ×10μF=0.3S，时间常数非常小，故C21可以忽略不计C21

A7U03RH1RH2UH－△＋(四)硬手动电路

S6→硬手动时，就变成了硬手动操作电路69

硬手动电路本质上就是一个阻性的比例运算电路。硬手动的定义：输出信号和硬手动操作电压成正比70

∵RH1=RH2=30K，∴UH和U03有一一的对应关系，被称为“硬手动”操作。71(五)切换

无平衡无扰动切换的定义：A无平无扰M有平无扰HA无平无扰M无平无扰H两个信号不需要一个相等的过程，在切换一瞬间输出信号没有变化尽管M→H是有平衡无扰动切换，但是通常称为双向无平衡无扰动切换72方式切换

原因方式切换

原因方式A无平无扰∵S5没按下,则C21没有充放电,形成了保持特性M有平无扰∵Uh接通,则C21有充放电,无保持特性HPI电路I电路P电路A无平无扰∵U02事前储存在C20中,切换时,C21无充放电,形成保持特性M无平无扰∵S5没按下,C21无充放电,形成保持特性H73

（一）作用及原理电路

1、作用

1～5V→1～5mA0→10V2、原理电路七、指示电路74

A2－△＋Ui测量校正S2R8R9R133VV4R4R21R29R28R23R18IoIfU0R15R14I’oUB=10V＋－75（二）工作原理

S2处于“校验”位置时：3V→3mA，在电流表上指示出标准信号的大小。否则：检查校验信号是否准确，电流表的机械零点是否准确S2处于“测量”位置时：76 UFR29R23U0UBUBUTR21R28UiUF＝(UO+UB)R29(R29+R23)UT＝UBR28＋UiR21(R21+R28)(R21+R28)77忽略IfUi

＝1~5VDC，调节R15

，IO＝1~5mA电流表应指示I’0，实际却指示I0。因为表头内阻会随温度的变化而变化，导致转换精度出现误差78

推导电路的传递函数时，利用变换阻抗是一种比较简单的办法（一）变换阻抗

八、传递函数79电阻电容

RI（S）U（S）1CSI(S)U(S)80R1CS变换阻抗的串联变换阻抗的并联1CSR81

（二）输入电路的Wi(s)

利用阻容的变换阻抗，根据叠加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

推出U01(S)Wi(S)=UO1(S)/[Ui(S)－Us(S)]=－282

（三）PD电路的WPD(s)

利用阻容的变换阻抗，根据叠加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

推出UO2(S)

WPD(S)=UO2(S)/UO1(S)=83

（四）PI电路的WPI(s)

利用阻容的变换阻抗，根据节点电流定律先求流入的两股电流=流出的一股电流

UO3(S)=A7*UF(S)

推出UO3(S)

WPI(S)=UO3(S)/UO2(S)=84

（五）输出电路的WO(s)

利用阻容的变换阻抗，根据叠加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

推出IO(S)

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

85

（六）整机的WPID(s)1、方框图－2Ui(S)-US(S)U02(S)U03(S)U01(S)I0(S)862、传递函数87

I0转换成U0，故方程两边同乘2508889练习3：推导PD电路的传递函数WPD(S)R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－9091练习4：I系列手操器中的输入指示电路如图所示，试回答1、推导Uo和Ui的关系式。2、如果UB发生变化，会影响指示表的读数吗？3、如果Ui极性接反，Uo=?4、电路对Ucm有放大作用吗？92R5R3R4R6R3=R4=R5=R6=RUi=1~5VUB=10VUiUcm＋－UBD3指示表Uo93谢谢大家94作业：2-1、ICE调解器在进行软手动操作时，PB、TI、TD随便至于任何一挡，是否会对软手动操作的输出信号有影响，为什么？2-2、ICE调节器在没有输入信号的情况下，只要调节硬手动操作杆，产生输出信号，就表明其比例积分电路和输出电路处于正常工作状态，为什么？2-3下图所示的电路具有什么调节规律？图中的电阻R2、R3和电容C1、C2各有什么作用？

952-4、ICE调节器的输入电路为何采用差动输入和电平移动电路？2-5、在ICE调节器的PD电路中，微分通断开关从“断”切换到“通”时，为什么输出信号保持不变？962-6、ICE调节器的比例积分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）=?V2、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哪些元件有关？972-7、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？982-11、某调节器的测量信号缓冲电路如图所示，已知：R1=R2=R3=R4，测量信号Ui=1~5V(以0V为基准)，基准电平UB=11V，导线电阻造成的压降Ucm=-3~6V。1、若Ui的极性如图所示，试求UO=?V2、当R1’＜＜R2’’时，若Ui的极性相反，试求UO=?V3、IC的共模电压输入范围=？V4、Ucm能否被放大，为什么？5、电路有无电平移动？99UiUcmR3R1’R1’’R4R2V1-+AR1UOUB1002-12某调节器的比例微分电路如图所示，试回答：1、开关打在A和B时，电路各有什么调节作用？2、电容C1、C2，电阻R1的作用各是什么？3、Ui=1V的阶跃输入信号，t=0，UO=?V；t=∞，UO=?V+1012-1、答：不会，在软手动操作时，当开关S6打在M上时，此时与前级电路断开，软手操信号经过电阻RM向电容C21充电，然后经过输出电路直接输出。故PB、TI、TD随便至于任何一挡，不会对软手动操作的输出信号有影响。102

2-2、答：当ICE调节器处于硬手动操作状态时，信号由硬手操电路给出，该信号不经过比例微分电路，直接通过比例积分电路和输出电路输出，如果这两部分电路工作正常，输出信号就正常的积分。反之，说明电路工作不正常。103KoUoR0R1R2R3C1C2-UiG(s)H(s)X(s)Y(s)-当开环放大倍数K0于∞时，整机特性取决于反馈回路的倒特性，在反馈电路中引入分压电路，整机呈现比例特性，在反馈电路中引入积分电路，整机呈现微分特性，在反馈电路中引入微分电路，整机呈现积分特性。故电阻R2为积分电阻，电阻R3为微分电阻、电容C1为积分电容，电容C2为微分电容。2-3、答：1042-4、答：原因有三：1、获取偏差信号；2、消除导线电阻压降Ucm1、Ucm2的影响；3、满足运算放大器的共模输入电压范围的要求(输入电路采用的运放为μPC157a，在24V单电源供电的情况下，运算放大器的共模输入电压范围确定为2~19.5V。所以，运放的正、反相输入端的电压UT=UF不能超出2~19.5V，而测量信号是以0V为基准的1~5V）1052-5、答：ABC开关—微分通断开关，当开关置于A，表示微分作用接通，整个电路具有PD作用；当开关置于B，表示微分开关作用切断，整个电路具有P作用。R61—保证ABC切断开关从B(断)到A(通)是无扰动切换。当开关处于”B”时，微分作用切除，IC同相端电位

UT=UO1/n=UO1/10而电阻R54上的电压经过C18、开关CB、R61形成一条回路对C18进行充电，电阻R54上的电压全部充满C18时，则