第六讲模拟调节器

CI 1 ( ) C M mRI C M s CI 1 (1 ) CM mRI C I s
V03 ( s ) CI 1 W03 ( s) (1 ) V02 ( s ) CM mRI C I s 设: C 1 I 传函为 W03 (s) (1 ) CM TI s
时间常数 T = RFCM =30×103×10×10-6 = 0.3s
可见，VH 改变时，VO3很快达到新的稳态值。 A→H 前，须先调 RPH与当时的 VO 3 一致，才能 做到无扰动切换。 M→H也同样。
V03
t
3、输出电路 其任务是将 PID 电路输出电压 V O3 =1 ～ 5V 变换 为4～20mA的电流输出，并将基准电平移至0V。
在 A 4 后面用 VT 1 、 VT 2 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
特性。

转换关系
R3 = R4=10KΩ，R1 = R2 = 4R3
S3打向×10档时： m=10
Ti = mRICI
— 积分时间常数
S3打向×1档时：
m=1

阶跃响应
当V02为阶跃信号时，V03的阶跃响应为
CI t V03 (t) (1 )V02 CM TI
V03 t
-V03
实际运放时
理想运放时
（C I /CM）V02
t
3、PID运算电路的传递函数 输入电路： V01 = －2（Vi－ VS）
DDZ-III型调节器
1、功能和性能指标 功能：
• • • • • • 对偏差进行PID运算； 指示输入Vi，设定Vs； 输出Io； 正反作用切换； 能手动； 手动自动无扰切换。
基本性能指标： ●输入1～5VDC
●输出4～20mADC ●输入阻抗影响≤0.1Fscal％ ●负载电阻250～750 ●内设定1～5VDC ●闭环跟踪精度±0.5％ ●外设定4～20mADC ●电源24V±10％ ●比例带δ ：2％～500％ ●再调时间TI：0.01～2.5分或0.1～25分 ●预调时间TD：0.04～10分，或断开 ●微分增益KD：10
一、DDZ-Ⅲ型仪表的特点
1）采用统一信号标准：4~20mA DC和1～5V DC。 这种信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，可以使现场变送器实现两线制。
2）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。 3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。
PD电路：
PI电路：
VO2 (s) 1 Td s W02 ( s) VO1 (s) n 1 Td s n V03 (s) CI 1 W03 (s) (1 ) V02 (s) CM TI s
PID运算是上述三个环节的串联而成。
TD 1 1 TD s V03 (s) TI TI s 2 CI TD Vi (s) Vs (s) n CM 1 s n 令： 干扰系数 F 1 TD n CM TI 比例度 P
由于10μ F电容积 分需要较大电流，在 A3输出端加一功放三 极管。

PI传递函数 IC负输入端节点电流方程（S3置于×10档）： 1 VO 2 ( s ) C I s VO 2 ( s ) m C M s VO 3 ( s ) RI V (s) 则 W03 ( s ) 03 V02 ( s )
V+
而且
VB = 0时，VO1 = -2（Vi-VS）= -8～+8V
也不符合后面PID电路IC的范围要求。
VB = 10时：VO1= -2（Vi-VS ） = 2～18V 使后面PID电路的IC工作于允许电压范围之内。
＋ －
2、PID运算电路
由PI和PD两个运算电路串联而成，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VB=10V为基准起算的。
S1从A切换到M时：
断开A3的输入
CM无放电回路 VO3保持不变
A→M无冲击
S42闭合→-VM接入——按TI =100s的时间积分 S41闭合→-VM接入——按TI =6s的时间积分 同理，S43（或S44）闭合→+VM接入——反向积分 用这种手 动操作来改变 调节器输出， 信号变化比较 缓和，称为 “软手动”。
（4） 消除传输线上压降的影响 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱDZ-Ⅲ采用共用电源，在Vi的传输线上可能包 括其它仪表的电流，导线电阻虽不大而其压降有时 不可忽略。 差动输入可以消除导线电阻的影响。
（5） 进行电平移动
Vi 、 V S 都是以地为基准的电压信号，而运放 IC 器件+24VDC供电时，其正常输入、输出信号电压范 围应在 2 ～ 19V 。为使运算信号符合要求，必须将基 准电压从0V抬高到VB =10V ，即进行电平移动。
实际微分因子
式中：
ID
Td nRDC D
—微分时间常数

阶跃响应
当V01为阶跃信号时，V02的阶跃响应为
V02
V02 (t )
63%

n
[1 (n 1)e

n t TD
]V01 (t )
αV01/n t TD/n
可见，此电 路的微分是实际 的微分。
当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比 例运算。有
微分增益 K D n

PID传递函数
2 CI
则：
TDs 1 1 V03 (s) FTIs F F TD Vi (s) Vs (s) P 1 s KD
TDs 1 1 V03 (s) FTIs F F TD Vi (s) Vs (s) P 1 s KD
（1）若TD<<KD，则上式分母实际微分项近似为1
因为
Vs = 1～5V， VCM1 = VCM2 = 0～1V
如果
1 则 V V (VS VCM 1 VCM 2 VB ) 0.33 ~ 2.33V 3 显然，IC不能正常放大。
VB = 0
VB = 10V时，
V-
V+ = V- = 3.7～5.7V 保证了IC共摸 电压在允许范围之 内，能正常放大。
2．A、H间的切换
当切换开关S1由自动位置A， 切向硬手动 H 时，放大器A3 接成具有惯性的比例电路。
由于CM充 电迅速，A3 的输出近似 为比例电路。

传递函数
VH ( s ) 1 ( C M s )VO 3 ( s ) RH RF
VO 3 ( s ) RF 1 VH ( s ) RH 1 RF CM s
V VCM 1 V (VS VCM 2 ) VB V R R R
V (Vi VCM 1 ) V VCM 2 R R 1 (VB VO 1 ) V 2 R
得
1 1 V (Vi VCM 1 VCM 2 VB V01 ) 3 2 1 V (VS VCM 1 VCM 2 VB ) 3
TD 1 若TD<< TI，则 F 1 TI
这时
1 1 W( s) (1 TD s ) P TI s
成为理想的PID
（ 2 ） 调节器的实际比例度为 P / F ，实际微分 时间为TD /F，实际积分时间为FTI。 说明三个参数 调整时互相干扰，造成调节器整定参数的刻度无法 准确。 TDs 1 1 V03 (s) FTIs F F TD Vi (s) Vs (s) P 1 s KD
1 1 VO1 VO 2 n
VO 2

n
VO1
这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端， 使 C D 右端始终跟随电压 V 0 1 /n 。当开关 S 8 切换到 “通”时，保证无扰动切换。
2、PI电路分析 PI电路以A3为核心组成，开关S3为积分时间倍乘开关。 当S3打向×1档时，1K电阻被悬空，不起分压作用； 当S3打向×10档时，1K电阻接到基准线，静态V02被 分压输入。
内给定电路
内给 外给 测量
给定值指示
输出指示
S6
输入 电路 PD电路
A S1 M H
PI电路
输出 电路
测量值指示
软手动 电路
硬手动 电路
DDZ-Ⅲ型调节器结构方框图
2、全刻度指示调节器的线路实例
1、输入电路
输入电路的首要任务是求偏差 e ：
V01 = k ( V给定－ V测量 )
因测量信 号Vi和给定信 号Vs分别通过 双臂电阻差模 输入到运放A1 的同相和反相 输入端。 可列出两输入节点的电流方程：
TD 例：当TI / TD = 4时， F 1 =1.25 TI
各参数的实际值与F = 1时相差25%。

阶跃响应
整个曲线由比例项、积分项和有限制的微分项 三部分组成。
调节范围：P =2～500%， TD=0.04～10分 TI =0.01～2.5分 (×1档)， TI =0.1～25分 (×10档)
则 若取
VO 3 I 4Rf
' O
' 而 IO IO I f IB
R1 = 4（R3+ Rf）= 40.25KΩ 时，
V 1 ~ 5 03 可以精确获得关系：I 0 4 ~ 20mA 4 R f 4 62.5
4、 手动操作电路及无扰切换
通过切换开关 S 1可以选择自动调节“ A”、软手 动操作“M”、硬手动操作“H”三种控制方式。 1. A、M间的切换
第三章
调节器
教学目的要求：掌握基本控制规律及其对控制过程 的影响；掌握DDZ-III型控制器的结构、电路及工 作原理分析；理解数字调节器和可编程序调节器的 功能和原理，了解它们的使用方法；理解PID参数 自整定调节器的功能与结构，了解其使用方法。
教学重点：PID控制规律，数字调节器和可编程序 调节器的原理DDZ-III型控制器的结构、电路及工 作原理分析 教学难点：基本控制规律及其对控制过程的影响。
PD
PI
1、 PD电路分析
PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与 不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8 打向“通”时，构成 PD电路。

PD传递函数 1 V ( s ) Vo1 ( s ) I d ( s ) RD n 1 Vo1 ( s) Vo1 ( s) CD s n 1 n I d ( s) Vo1 (s) 1 n 1 RD CD s RD CD s
V+≈V则 V01 = －2（Vi－ VS）
而
电路的特点
（1）输入阻抗高 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1～5V的测量信号不受衰减，
（2） 求偏差
Vi – VS，进行偏差运算。 （3）将偏差放大 为了提高调节器对偏差的灵敏度，对其后的运 算有利，这里先将偏差放大两倍。
DDZ- Ⅲ型控制器的组成
与操作 1-双针垂直指示器 2-外给定指示灯
3-内给定设定轮
4-自动—软手动—硬手动
切换开关
5-硬手动操作杆 6-输出指示器
7-软手动操作板键
DDZ-Ⅲ基型调节器的主要功能电路有：输入 电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬 手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路。
取：
R3 R2 1 4 V VB 24 VB 24 R2 R3 R2 R3 5 5
R4 R1 1 4 V (VB VO 3 ) V f (VB VO 3 ) V f R4 R1 R4 R1 5 5
由V+≈V-得
1 V f 24 VO 3 4 ' 24 I O Rf
得 V ( s)
1 1 nR D CDs Vo1 (s) n 1 RD CD s
ID
又因
V ( s )
1

V02 ( s )
VO2 (s) 1 nRD CD s 1 Td s 得 W02 ( s) VO1 (s) n 1 RD CD s n 1 Td s n
第六讲 DDZ-III模拟调节器
教学目的与要求：了解DDZ-III模拟调节器的组成， 理解各部分电路，掌握其工作原理，会分析手动与 自动之间的切换
教学重点： DDZ-III模拟调节器各部分电路。 教学难点：切换过程与实现
模拟控制器(调节器)
•模拟控制器(调节器)用模拟电路实现控制 功能。
其发展经历了Ⅰ型（用电子管） Ⅱ型（用晶体管） Ⅲ型（用集成电路）