過程控制系統(tǒng)及其應用(第三章不講)

1、第三章第三章 過程通道信號處理及調(diào)節(jié)儀表過程通道信號處理及調(diào)節(jié)儀表 在電動單元組合（DDZ-III型）儀表中，放置在儀表控制室內(nèi)的過程通道信號處理及調(diào)節(jié)儀表包含有變送單元類、轉(zhuǎn)換單元類、運算單元類、操作給定單元類、顯示單元類、輔助單元類及控制調(diào)節(jié)單元類等很多種類的儀表。本章將著重討論最常用的III型變送單元和控制調(diào)節(jié)單元儀表,而這兩類儀表又以溫度變送器及調(diào)節(jié)器為代表介紹它們的工作原理。第一節(jié) 溫度變送器一、概述一、概述 溫度變送器是用來將溫度檢測儀表送來的信號變換為標準的直流信號，送給顯示儀表進行顯示或送給調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)溫度自動控制。 溫度變送器有三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電

2、阻溫度變送器。前一種是將直流毫伏信號轉(zhuǎn)換成420mA直流電流和15V直流電壓的統(tǒng)一輸出信號。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合，將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換成同樣的統(tǒng)一輸出信號。以DDZ-溫度變送器為例加以介紹。 DDZ-型溫度變送器具有如下主要特點：(1) 采用低漂移、高增益的運算放大器的作為主放大器，不僅使放大器線路簡單，而且使儀表具有良好的可靠性、穩(wěn)定性等技術性能。(2) 在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈線性關系，便于指示和記錄。 三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個部分，它們分別設置在兩塊印刷線路板上。用接插件互相連接。其中放大單元是

3、通用的，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而不同。溫度變送器的總體結(jié)構(gòu)方框圖見圖3-1所示。放大單元量程單元橋路部分整流濾波直流-交流直流變換器V/I轉(zhuǎn)換功率放大器集成運算放大器隔離輸出非線性回路+VzVfVtVoIo24VDC隔離反饋fV圖3-1 溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖 溫度變送器的放大單元由集成運算放大器、功率放大器、直流-交流-直流變換器、隔離輸出和隔離反饋等部分組成，放大單元的作用是將量程單元輸出的毫伏信號進行電壓和功率放大，輸出統(tǒng)一的直流電流信號。同時，輸出電流又經(jīng)隔離反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號，送至量程單元。 方框圖中，“”表示供電回路，“”表示信號回路。由測溫元件送來的反映溫度大小

4、的毫伏輸入信號Vi與橋路部分的輸出信號及反饋信號相疊加，送入集成運算放大器，放大了的電壓信號再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的420mA直流電流和15V直流電壓輸出。 三種變送器的主要區(qū)別在于反饋回路。直流毫伏變送器反饋回路是一個線性電阻網(wǎng)絡；而熱電阻和熱電偶變送器則分別采用不同的線性化環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)變送輸出信號與被測溫度之間的線性關系。二、放大單元工作原理二、放大單元工作原理1、直流-交流-直流變換器(簡稱DC/AC/DC變換器) DC/AC/DC變換器用來對儀表進行隔離式供電。該變換器在DDZ-型儀表中是一種通用部件，除了溫度變送器外，配電器與安全柵也要用它。它先把直流穩(wěn)壓電源供給的2

5、4V電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流方波電壓，再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓，這樣經(jīng)過直流-交流-直流變換后可提供隔離式供電方式。在溫度變送器中，它既為功率放大器提供方波電源，又為集成運算放大器和量程單元提供直流電源。2、V/I轉(zhuǎn)換功率放大器 功率放大器的作用是把運算放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有帶一定負載能力的電流信號。同時，通過1:1的隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。 功率放大器線路示于圖3-2，由復合管VT1、VT2及其射極電阻Ra2、隔離變壓器To等元件組成。它是一個乙類放大器，由直流-交流-直流變換器輸出的交流方波電壓供電，因而不僅具有放大作用，而且具有調(diào)制作用，以便通過隔離變壓器傳遞信號。功

6、率放大的供電電壓及隔離變壓器原、二次繞組電流波形，見圖3-3所示。其工作原理簡述如下：+ViV T1V T2Ra 2DaDbab0ibiaiLToRL4圖3 -2 功 率 放 大 器 原 理 圖 Va 00TtVb 00tia0tib0tiL0t圖 3-3 功 率 放 大 器 參 數(shù) 波 形 圖 功率放大采用復合管是為了提高輸入阻抗、減少線性集成電路的功耗。引入射極電阻Ra2的目的是穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)。 在方波電壓的前半個周期，二極管Da導通，Db截止，由輸入信號產(chǎn)生電流ia；在后半個周期內(nèi)，二極管Db導通，Da截止，從而產(chǎn)生了ib。由于Ia和ib輪流通過隔離變壓器To的兩個繞組，于是在

7、鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，這個交變磁通使To的二次繞組產(chǎn)生交變電流IL，從而實現(xiàn)了隔離輸出。3、隔離輸出與隔離反饋 為了避免輸出與輸入之間有電的直接聯(lián)系，在功率放大器與反饋回路之間，采用隔離變壓器Tf來傳遞信號。 圖3-4 隔離輸出與隔離反饋部分原理線路圖 隔離輸出與隔離反饋部分線路示于圖3-4。To二次繞組電流iL經(jīng)過橋式整流和由R01，Co組成的阻容濾波器濾波，得到420mA的直流輸出電流Io，Io在阻值為250的電阻R02上的壓降Vo(15V)作為變送器輸出電壓信號。穩(wěn)壓管DWo的作用在于當電流輸出回路斷線時，輸出電流Io可以通過DWo而流向R02，從而保證電壓輸出信號不受影響。 反饋隔離變壓

8、器Tf的一次繞組與To的二次繞組串在一起，電流iL流經(jīng)Tf轉(zhuǎn)換成二次繞組的交變電流，再經(jīng)過橋式整流、電容Cf濾波而成為反饋電流信號If，If在電阻Rf上的壓降就成為反饋回路的輸入信號。由于Tf一次繞組、二次繞組匝數(shù)相等，所以If與Io相等，亦為420mA。因為R02為250，而Rf=50，所以 fVV 50 此反饋電壓送至量程單元，經(jīng)過線性電阻網(wǎng)絡或經(jīng)過線性化環(huán)節(jié)饋送到運算放大器的輸入端，以實現(xiàn)整機負反饋。 另外，反饋回路的輸入信號之所以取自To的二次繞組，主要是為了將To包括在反饋的閉環(huán)回路中，以克服它的非線性影響。+EtR1RcuR2R4I1I2E1Vz+圖 3-5 輸入橋路三、熱電偶溫度

9、變送器量程單元三、熱電偶溫度變送器量程單元 熱電偶溫度變送器的量程單元由熱電偶信號輸入回路、零點調(diào)整、冷端補償回路以及非線性反饋回路等部分組成。1、熱電偶輸入回路及零點調(diào)整、冷端補償回路 熱電偶輸入回路及零點調(diào)整、冷端補償回路可簡化為圖3-5所示。 冷端溫度補償電勢橋路的銅補償電阻Rcu安裝在熱電偶的冷端接點處，其冷端溫度補償原理在上一章中討論過，這里不再重復。 嚴格地說，熱電勢的溫度特性是非線性的，而銅電阻的特性卻接近線性，兩者不可能取得完全的補償。但實際使用中，由于冷端溫度變化范圍不大，這樣的補償已經(jīng)可以滿足。 橋路的零點調(diào)整電路由橋路另一邊可變電阻R4確定，在R4上建立的電壓與熱電勢Et

10、及冷端溫度補償電勢串聯(lián)。調(diào)整R4的大小可自由地改變橋路輸出的零點。因為在DDZ-型儀表中，標準信號是420mA，即以滿幅輸出的20%代表輸出信號的零值。因此在溫度變送器中，當熱電勢為零時，應由輸入橋路提供滿幅輸入電壓的20%，建立輸出的起點。 較大幅度地調(diào)整零點，即所謂進行零點遷移。對有些溫度參數(shù)變化范圍很窄的測溫情況，變送器的零點遷移都是需要的。例如，某點的溫度一般總在5001000間變化，因此希望對500以下的溫度區(qū)域干脆不予顯示，而對測溫比較高的區(qū)域提高其檢測靈敏度。此時可通過零點遷移裝置，配合靈敏度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)量程壓縮。見圖3-6所示。圖3-6a為零點不遷移的情況。圖3-6b為通過零點正

11、向遷移裝置，給熱電勢反向加上一個相當于500的附加電勢，這樣，只有當溫度超過500時，變送器才有輸出；由于量程未變?nèi)詾?000，輸入-輸出特性只是向右平移，其輸出電流420mA所對應的溫度范圍為5001500。圖3-6c的情況是在零點遷移500以后，還可把靈敏度提高一倍，這樣變送器不僅反映的起始溫度變了，而且量程范圍也變成為5001000，在這個溫度范圍內(nèi)變送器可得到較高的靈敏度，即可降低測溫的絕對誤差。05001500T41220Io100005001000T41220Io75005001000T41220Io(mA)(mA)(mA)a) 未遷移 b) 零點正向遷移 c) 零點正向遷移并加量

12、程壓縮 圖3-6 溫度變送器的零點遷移特性2、線性化原理及電路分析 （1）線性化原理05001000t()E分度Et (mV)S分度 圖3-7 熱電偶特性曲線 熱電偶的熱電勢Et與被測溫度t之間存在著非線性關系，而且熱電偶型號不同，或同型號熱電偶而測溫范圍不同時，其特性曲線形狀也不同。如S型熱電偶Et-t特性曲線為下凹形的(二階導數(shù)為正)，而E型熱電偶的特性曲線，開始時是下凹形的，溫度升高到一定值后又變成上凸形的了(二階導數(shù)由正到負)，見圖3-7。在測量范圍為01000時的最大非線性誤差，前者約為6%，后者約為1%。因此，為使熱電偶溫度變送器的輸出信號Vo與被測溫度t之間呈線性關系，必須采取線

13、性化措施。 05001000t()E分度Et (mV)S分度 圖3-7 熱電偶特性曲線 為說明線性化原理，現(xiàn)將熱電偶溫度變送器畫成見圖3-8所示的方框圖形式，并將各部分特性畫在相應位置上。由圖可知，輸入放大器的信號應為熱電偶產(chǎn)生的熱電勢Et、零點調(diào)整信號Vz與負反饋信號Vf三者之代數(shù)和，即=Et+Vz-Vf，其中Vz為常數(shù)，而Et與t的關系是非線性的。如果Vf與t的關系也是非線性的，并且同熱電偶的Ett的非線性關系相對應，那么，Et和Vf的差值和t的關系也就呈線性關系了，經(jīng)線性放大器放大后的輸出信號Vo也就與t呈線性關系。顯然，為保證變送器輸入信號與輸出信號呈線性關系，反饋回路的特性曲線必須和

14、熱電偶的特性曲線相一致。 熱電偶Ett放大部分非線性補償回路ttVotVoEt +VftVfVz圖 3-8 熱電偶溫度變送器線性化原理方框圖+隔離反饋Vf(2) 非線性運算電路分析 要求非線性反饋回路的特性曲線和熱電偶的特性曲線完全一致是很困難的，但可以采用折線近似法來近似地做到這一點。所謂折線近似法就是用若干段直線連接起來成為一條近似于所需曲線的折線。從理論上說，折線段數(shù)越多，近似程度越好。但實際上，折線段數(shù)越多，線路也越復雜，容易帶來誤差。0Vf1Vf2Vf3Vf4Vf5fV Va1Va2Va3Va4Va5Vf2134圖 3-9 非線性運算電路特性曲線示例 在圖3-9中畫出了一條由四段直線

15、組成折線的非線性曲線，圖中 V為反饋回路的輸入信號，由于變送器輸出信號Vo=15V，而 Vf=1/5 V0，因而相應于被測溫度下限時， Vf1=200 mV，而相應于被測溫度上限時的Vf5= 1000mV。圖中 Vf為非線性運算電路的輸出信號，1、2、3、4分別代表四段直線的斜率。 要實現(xiàn)見圖所示的特性曲線，可采用見圖3-10所示的典型的運算電路結(jié)構(gòu)，圖中DWf1、DWf2、DWf3均為理想穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)壓數(shù)值為VD，其特性是在電壓擊穿前，電阻極大，相當于開路，而當擊穿后，動態(tài)電阻極小，相當于短路。Vs1、Vs2、Vs3為由基準電壓回路提供的基準電壓，對公共點而言，它們均為負值。Ra為反饋回

16、路的等效負載。 IC1、Rf17、Rf7、Rf8、Rf18和Ra組成了運算電路的基本線路，該線路決定了第一段直線的斜率1。當要求后一段直線的斜率大于前一段時，見圖中的21，則可在Rf7和Rf8電阻上并聯(lián)一個電阻，見圖中的Rf9，此時，負反饋減小，輸出Va增加。如果要求后一段直線的斜率小于前一段時，見圖中的32，則可在負載電阻Ra上并聯(lián)一個電阻，見圖中的Rf19，此時輸出Va減小。并聯(lián)上去電阻的大小，決定于對新線段斜率的要求，而基準電壓的數(shù)值和穩(wěn)壓管的擊穿電壓，則決定了什么時候由一段直線過渡到另一段直線，即決定折線的拐點。 非線性運算電路逐段工作過程：V/f+IC1Rf4VbRf18VfRaVS

17、1VS2VS3Rf8Rf7Rf9Rf12Rf19Rf17DWf1DWf2DWf3圖 3-10 非線性運算電路原理圖Vc1）第一段直線，即VtVf2，這段直線要求斜率是1。 在此段直線范圍內(nèi)，要求VcVD+Vs1，VcVD+Vs2，VfVD+Vs3，此時，DWf1、DWf2、DWf3均未導通。2）第二段直線，即Vf21。 在此段直線范圍內(nèi)，要求VD+Vs1VcVD+Vs2，VfVD+Vs3，此時DWf1處于導通狀態(tài)，而DWf2、DWf3均未導通，在這種情況下，由于DWf1導通時的動態(tài)電阻和基冷電壓Vs1的內(nèi)阻極小，因而此相當于一個電阻Rf9并聯(lián)在電阻Rf7和Rf8上。3）第三段直線，即Vf3Vf

18、Vf4，這段直線的斜率要求為3，且3(VD+Vs1)，Vf(VD+Vs3)、Vc(VD+Vs2)，即此時DWf1和DWf3處于導通狀態(tài)，而DWf2則未導通，在這種情況下，由于DWf3導通時的動態(tài)電阻和基準電壓Vs3的內(nèi)阻極小，因而此時相當于一個電阻Rf19產(chǎn)聯(lián)在等效負載電阻Ra上。 4）第四段直線，即VfVf4，此段直線的斜率要求為4，43。 在此段直線范圍內(nèi)，Df1、Df2和Df3都導通，結(jié)果是在Rf9上再并聯(lián)一個新電阻Rf12。 從上面幾種情況的分析可以看出：a、改變和穩(wěn)壓管相串聯(lián)的電阻阻值就可以改變折線相應直線段的斜率。如果折線中后一段直線的斜率大于前一段，穩(wěn)壓管和相應的電阻應并聯(lián)在圖3

19、-10的電阻Rf7和Rf8上。如果后一段直線的斜率小于前一段，則應并聯(lián)在負載電阻Ra上。b、改變儀表量程，就可能改變折線的拐點。 通過前面的分析，已經(jīng)知道非線性運算電路的結(jié)構(gòu)和有關元件的參數(shù)，是由熱電偶的非線性所決定，而測溫范圍不同時的熱電偶特性都不相同。因此在調(diào)整儀表的零點或量程時，必須同時改變非線性運算電路的結(jié)構(gòu)和改變非線性運算電路中有關元件的參數(shù)，這樣才能保證儀表的精度。四、變送器的信號調(diào)試方法四、變送器的信號調(diào)試方法調(diào)零電位器+24VDC電阻箱0.0110K1標準電阻1.5V 直流電源UT9電位差計量程調(diào)節(jié)電位器數(shù) 字電壓表短接片020mA0.1 級電流表圖3-11 熱電偶溫度毫伏變送

20、器調(diào)試接線圖 按照圖3-11接線，將B、點短接片去掉串入直流電流表，接通電源，首先根據(jù)儀表的型號規(guī)格按表格列出該臺儀表的檢查點的測量溫度，見表3-1。查閱該型號熱電偶的溫度熱電勢分度表，列出各檢查點溫度所對應的輸入電勢。然后改變輸入端電阻箱的值，用電位差計測量各檢查點電勢。分別加入零點及滿量程信號后，反復調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使儀表輸出為1.000V20mV(或4mA0.08mA)或5.000V20mV(或20mA0.08mA)。當儀表零點及量程調(diào)整好后開始測量各檢查點的值，實測值與理論值相比差值對于0.5%級表應20mV(或0.08mA)，對于1%級儀表，應40mV(或0.16mA)。滿足此項要求儀

21、表即為合格。儀表檢查調(diào)試時，將B短接，表示接入無補償電阻。儀表檢查調(diào)試完畢后，應將B上的短接片拆除。短接B，此時銅補償電阻接入，溫度變送器可以投入運行。若變送器只需電壓信號輸出,則應將B、點短接片接上,在B號端子即可輸出電壓信號。表表3-1 檢查點測量溫度表檢查點測量溫度表 t(被測溫度) t1(測量零點) t1+(t2t1)10% t1+(t2t1)30% T1+(t2t1)50% t1+(t2t1)70% T1+(t2t1)90% t2(最高測量溫度) 對 應輸入電勢 Et1= mVEt1= mVEt2= mVEt3= mVEt5= mVEt6= mVEt7= mV電流輸出理論值 4mA5

22、.6mA8.8mA12mA15.2mA18.4mA20mA電壓輸出理論值 1.000V1.400V2.200V 3.000V 3.800V 4.600V 5.000V 五、五、DBWDBW型溫度變送器型號表示型溫度變送器型號表示 DBW DBW：表示電動單元溫度變送器(架裝型) 第1位數(shù)：1、線性分度、2、毫伏分度 第2位數(shù)：1、熱電偶溫度變送器、2、熱電阻溫度變送器 第3位數(shù)：對熱電偶溫度變送器分度號 1：E，2：K，3：S，4：B，5：R，6：J，7：T 對熱電阻溫度變送器 1：Cu50，2：Cu100，3：Pt100 第4位數(shù)：設計序號 第5符號：ib：表示本質(zhì)安全防爆 第1位數(shù) 第2位

23、數(shù) 第3位數(shù) 第4位數(shù) 第5符號六、六、DCWDCW型溫度變送器型溫度變送器1、概述 DCW型溫度變送器屬于DCM系列模擬式儀表中的一種，它是一種全新系列的溫度變送器,具有小型化、插裝式、重量輕、外形精巧美觀、安裝方式靈活、方便等特點。在電路上采用高性能的模塊化設計，大量使用表面貼裝(SMT)工藝，使整機結(jié)構(gòu)緊湊，精度高、溫漂小。它運用電磁隔離技術，將儀表的輸入、輸出和供電電源三者之間相互隔離，以提高其可靠性；同時，儀表在安裝配電狀態(tài)下，可帶電進行表體插拔與更換，極大地提高了系統(tǒng)的可維護性。 本儀表將來自工業(yè)控制現(xiàn)場的熱電偶的熱電勢信號、熱電阻的阻值變化或者其它傳感器測量的毫伏信號轉(zhuǎn)換為與其測

24、量參數(shù)或被測物理量成線性關系的420mA（DC）和15V（DC）III型標準信號輸出，以供記錄儀、數(shù)據(jù)采集器、模擬調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器或分散型控制系統(tǒng)使用，從而組成各種各樣的工業(yè)自動化控制或監(jiān)測系統(tǒng)。 2、儀表工作原理簡述 儀表的工作原理框圖見圖3-12所示。從中可以看出，本儀表主要由兩大部分電路構(gòu)成，它們分別歸屬于由上下兩塊印制線路板。其中下板包括DC/DC電源變換電路和信號隔離變送電路，對所有規(guī)格的儀表均通用；而上板則是輸入小信號的前置放大電路。(下板)15V電源輸出信號420mA(15V)二極管安全柵前置放大電路線性化電 路信號隔離變送電 路DC/DC電源變換電路供電電源24Vd.c(供內(nèi)

25、部5V基準源)冷端溫度補償電阻(Cu50電阻)前置放大板(上板)輸入信號：TCRTDmVd.c或熱電偶溫差熱電阻溫差或者其它傳感器的毫伏測量信號圖3-12 DCW型溫度變送器原理框圖V0102V前級輸出0.21V 對熱電偶變送器和直流毫伏變送器而言，它們通用相同的前置放大電路；而熱電阻變送器則使用另一種前置放大電路。（1）、框圖說明：1) 在熱電偶輸入時，前置放大電路中才引入冷端溫度補償電阻(Cu50)；2) 對需要進行線性化處理的儀表，才加有線性化電路，否則輸入的小信號經(jīng)前置放大后將直接作為前級輸出而送到信號隔離變送電路；3) 僅對防爆型變送器，才在輸入小信號進入前置放大電路之前加有熔斷器保

26、護式二極管安全柵，對一般型(非防爆型)變送器而言，無此安全柵。 （2）、工作原理說明：1) 對熱電偶變送器和直流毫伏變送器：通過前置放大電路，將來自熱電偶或熱電偶溫差或者其它特殊傳感器的微小mV信號統(tǒng)一變送為02V的大信號，再將此信號經(jīng)線性化電路處理后轉(zhuǎn)換成0.21V的前級(上板)輸出信號送至信號隔離變送電路(下板)，最后由信號隔離變送電路將其轉(zhuǎn)換成與之隔離的420mA和/或15V的標準信號輸出。2) 對熱電阻變送器：通過前置放大電路的測試電流，將來自熱電阻或熱電阻溫差信號的電阻阻值變化檢測出來，變換成一定幅度的mV信號，再將此信號經(jīng)放大和線性化電路處理后轉(zhuǎn)換成0.21V的前級(上板)輸出信號

27、送至信號隔離變送電路(下板)，最后由信號隔離變送電路將其轉(zhuǎn)換與之隔離的420mA和/或15V的標準信號輸出。3) DC/DC電源變換電路的作用是同時向前置放大電路和信號隔離變送電路提供所需的與儀表供電電源相隔離的工作電源。第二節(jié) DDZ-型全刻度指示調(diào)節(jié)器一、概述一、概述 全刻度指示調(diào)節(jié)器是DDZ-系列電動單元組合儀表中調(diào)節(jié)單元類的一個基型品種，它接收變送器或轉(zhuǎn)換器的測量信號作為輸入信號并以全刻度值進行指示，將輸入信號與給定信號進行比較，對其偏差進行比例、微分、積分運算之后輸出420mA（DC）信號，通過執(zhí)行機構(gòu)控制壓力、溫度、流量、液位等工業(yè)參數(shù)，使其達到預期的效果。全刻度指標調(diào)節(jié)器見圖3-

28、13。圖3-13 全刻度指標調(diào)節(jié)器 全刻度指示調(diào)節(jié)器在線路與結(jié)構(gòu)設計時，可以附加各種特殊功能單元，例如輸入報警、偏差報警、輸出限幅以及同時具有兩種附加功能的調(diào)節(jié)器。為了滿足復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求，在基型調(diào)節(jié)器的基礎上，可以方便地構(gòu)成特種調(diào)節(jié)器。例如前饋調(diào)節(jié)器、多通道閥位跟蹤調(diào)節(jié)器、DDC調(diào)節(jié)器等。 圖3-13 全刻度指標調(diào)節(jié)器 由于采用了高輸入阻抗、高增益的運算放大器，所以型調(diào)節(jié)器具有較高的閉環(huán)調(diào)節(jié)精度。同時調(diào)節(jié)器設有軟手動和硬手動兩種操作方式。自動與手動之間的切換為非平衡無擾動切換。二、二、 基型調(diào)節(jié)器的工作原理基型調(diào)節(jié)器的工作原理 基型調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖見圖3-14所示。 從圖中可以看出，基型調(diào)

29、節(jié)器由控制單元和指示單元兩大部分組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐贰D電路、PI電路、輸出電路以及軟手操和硬手操電路等。指示單元包括測量信號指示電路和給定信號指示電路。 測量信號和內(nèi)給定信號都是15V的直流電壓信號，通過各自的指示電路，由雙針指示表來顯示。外給定信號為420mA的直流電流信號，通過250的精密電阻轉(zhuǎn)換成15V的直流電壓信號。內(nèi)外給定由開關K6來選擇，外給定時儀表面板上的外給定指示燈亮。 調(diào)節(jié)器有“自動”、“軟手操”、“硬手操”、“保持”四種工作狀態(tài)。當調(diào)節(jié)器處于自動狀態(tài)時，輸入信號和給定信號在輸入電路內(nèi)進行比較后產(chǎn)生偏差信號，然后對該偏差信號進行PID運算得到相應的電壓信號，最后通過

30、輸出電路轉(zhuǎn)換成420mA的直流輸出電流信號。測量指示電路給定指示電路測量指示給定指示Vi15V輸入電路PD電路PI電路輸出電路輸出指示420mAV01V02V03I0硬手操電路軟手操電路K6Vs15V內(nèi)外250IS420mA指示單元控制單元 圖 3-14 基型調(diào)節(jié)器方框圖1、輸入電路 輸入電路的主要作用一是獲得輸入信號Vi和給定信號Vs之差的偏差信號；二是對偏差信號實現(xiàn)電平移動。為了消除輸入信號與給定信號導線電阻的壓降而造成的運算誤差，型調(diào)節(jié)器的輸入電路采用偏差差動電平移動電路，其電路圖見圖3-15所示。由圖可見，以地電位為基準的測量信號Vi和給定信號Vs，通過輸入電阻R分別加到運算放大器的兩

31、個輸入端，其輸出是以VB=10V為基準的電壓信號V01，它一方面作為下一級比例微分電路的輸入，另一方面則取出V01/2通過反饋電阻R反饋至IC1的反相輸入端。它的輸入輸出關系推導如下。 設IC1為理想運算放大器，其輸入阻抗無窮大，T點與F點同電位，即VT=VF，由運算放大器的基本特性可得得： ViR+IC1RRRVSRR0R0V01VBTFR圖 3-15 輸入電路RVVVRVRVVBFFFi01210)21(3101BiFVVVVRVVRVVRVBTTsT0得： )(31BsTVVV，由于 TFVV ， 經(jīng)整理有： )( 201siVVV由以上各式可見： 01V)(siVV (1) 輸入電路的

32、輸出電壓是偏差電壓的兩倍。 01V 電平移動。 (2) 輸入電路將兩個以零伏為基準的輸入電壓，轉(zhuǎn)換成)10(VVB為基準的偏差電壓輸出，從而實現(xiàn)了以電平+IC2R1VBRD1K1/n9.1KCDK通斷FV01V021/aRpRp0圖 3-16 比例微分電路2、比例微分電路圖3-16為比例微分運算電路原理圖。 比例微分電路簡稱PD電路，它接受以10V電平為基準的由輸入電路送來的V01電壓信號，通過比例微分運算后輸出V02電壓信號，送給比例積分電路。圖中，CD為微分電容，RD為微分電阻，RP為比例電阻，調(diào)整RD和RP可以改變調(diào)節(jié)器的微分時間和比例度。 比例微分運算電路的形式很多，為了獲得較寬的比例

33、度，用較小的RD和CD獲得較長的微分時間，并且保證比例度與微分時間的調(diào)整互不影響，故在基型調(diào)節(jié)器中采用了無源比例微分網(wǎng)絡與比例運算放大器兩部分串聯(lián)組成的電路形式，電路左邊的RC環(huán)節(jié)對輸入信號進行比例微分運算，電路右邊的比例運算放大器起比例放大的作用，見圖3-17所示。由于該電路采用同相端輸入，并假定IC2為理想運算放大器，這樣在分析同相端電壓VT與輸入信號V01的運算關系時，可以不考慮比例運算放大器的影響，單獨分析無源比例微分電路，其中1/n為9.1K與1K電阻的分壓比。RDCDVTV01VB1K9.1K1/nVTV02VB1/aIC2+VFa) 無源比例微分電路 b) 比例運算電路圖 3-1

34、7 比例微分電路的組成 當輸入信號V01為一階躍作用時，在t=0+，即加入階躍信號瞬間，由于電容CD上的電壓VCD不能突變，輸入信號V01全部加到IC2同相端T點，因此T點電壓VT一開始就有一躍變，其數(shù)值為VT(0+)=V01，接著隨電容CD充電過程的進行，CD兩端電壓VCD從零伏起按指數(shù)規(guī)律不斷上升，VT按指數(shù)規(guī)律不斷下降。當充電時間足夠長時，輸入電壓V01在9.1K上的電壓全部都充電到CD內(nèi)時，充電過程結(jié)束，此時 011)(VnVT，并保持該值不變。 比例微分電路的輸出信號V02與同相端T點的電壓VT為簡單的比例放大關系，其比例系數(shù)為a，當輸入信號V01以階躍作用加入后，V02的變化曲線形

35、狀與VT相同，其數(shù)值應為TaVV02電路各點電壓都以電平VB為基準?？紤]到分壓器上下兩段電阻都比電阻RD小得多，故計算時分壓器可以只考慮其分壓比，而不計其輸出阻抗。這樣 DdTRsInsVsV)()()(01式中，是電容的充電電流：sCRsVnsVsIDDd1)(1)()(010)(111)(10101sVsCRsCnnsCRsVnnDDDDD將Id（S）表達式代入上式化簡得)(111)(01sVsCRsCnRnsVDDDDT放大器的運算關系為)(1)(02sVasVF)()(sVsVTF)(11)(0102sVsCRsCnRnasVDDDD考慮到 ，則設：KD=n (微分增益) TD=nRD

36、CD =KDRDCD(微分時間)，則)(11)(0102SVSKTSTKaSVDDDD 所以比例微分電路的傳遞函數(shù)為SKTSTKaSVSVSWDDDDPD11)()()(0102根據(jù)求得比例微分電路的傳遞函數(shù)，當輸入V01為階躍作用時，利用拉氏反變換，可求得0102) 1(1)(VeKKatVtTKDDDD上式是當輸入V01為階躍作用時，V02隨時間變化的數(shù)學表達式。當t=0+時0102)0(aVV0102)(VKaVDt當 時 當 DDKTt 時 01102) 1(1 VeKKaKTVDDDD可得%2 .63)()0()0(02020202VVKTVVDD V01ttV02DDKT/naV0

37、1nn1aV010.632圖 3-18 PD 階躍響應輸出特性 根據(jù)這個關系式可用實驗法求取微分時間TD。PD階躍響應輸出見圖3-18所示。 調(diào)節(jié)器的比例微分運算電路有兩種工作狀態(tài)： 當開關K置“通”位置時，為上述討論的比例微分環(huán)節(jié)。 當開關K置“斷”位置時，微分作用切除， 011VKVDT，即 ，所以只具有比例作 0102VKaVD用。這時電容DC通過電阻 1R接至 DKV01電平上，電容 DC被充電到 0101CD1VVKVD，因而起到了電壓跟蹤的作用，其目的是為了保證從“斷”切換到“通”的瞬時，即接通微分作用時，輸出保持不變，對工藝過程不產(chǎn)生擾動。 本環(huán)節(jié)的比例系數(shù)a是通過調(diào)整電位器RP

38、來實現(xiàn)的，設置Rpo的目的是為了限制a的最大值。因電路參數(shù)Rp=10K Rpo=39，所以a的變化范圍是1250。 比例微分電路主要參數(shù) 微分增益 KD=10 微分時間 TD=(0.0410)分 比例增益 3、比例積分電路 調(diào)節(jié)器的比例積分運算電路見圖3-19所示。DWIC3+3.9KCM24V2.4KDVBV02CI自軟硬K31011KK2RI9.1Km1軟硬硬手操信號軟手操信號圖 3-19 比例積分電路K1V03 比例積分電路接受以10V為基準的、由比例微分電路送來的電壓信號V02，經(jīng)過比例積分運算后輸出以10V為基準的15V電壓信號送至輸出電路。電路是由運算放大器IC3、電阻RI、電容C

39、M、CI等組成的有源比例積分運算電路，K3為積分檔切換開關，K1和K2為聯(lián)動開關，K1和K2完成自動、軟手動、硬手動切換。電路除了實現(xiàn)比例積分運算外，手操信號也從本級輸入。IC3輸出端接電阻和二極管，然后通過射極跟隨器輸出V03。 因射極跟隨器的輸出信號和IC3的輸出信號相位相同，幅值幾乎相等。為了便于分析，可把射極跟隨包括在IC3中，這樣簡化成圖3-20所示的電路。mV02V03VBIC3+FTV02RICICMb) “10”時的簡化等效電路V03VBIC3+V02RICICMa) “1”時的簡化等效電路圖3-20 比例積分電路簡化圖 本電路由比例運算和積分運算兩部分電路組成。 假設K1處于

40、“自動”位置，當K3切換在“1”檔時，此時m=1，可把圖3-19簡化成見圖3-20(a)，由圖可知CI與CM組成比例運算電路，即02020311VCCVSCSCVMIIMp RI與CM組成積分運算電路，即dtVRCdtRVCVIMIMI02020311當 02V為常數(shù)時 020203VRCtVCCVIMMI021VCRtCCIIMI 當K3切換在“10”檔時，圖3-19簡化成見圖3-20(b)所示。同理可得：02031VCmRtCCVIIMI設IIICmRT ，則有02031VTtCCVIMI式中TI是積分時間，在TI“1”檔時， m=1，TI=RICI。 在TI“10”檔時，m=10，TI=

41、10RICI。 下面推導比例積分電路的傳遞函數(shù)。假設IC3的開環(huán)增益 為有限值A3，從圖3-20(b)所示的電路可得SCSVSVRSVmSVSCSVSVMFIFIF1)()()(/ )(1)()(030202因IC3的開環(huán)增益為有限值A3，則有)(303SVAVF，代入上式經(jīng)整理后得 SCRACCASCmRCCSVSVSWMIMIIIMIPI330203111111)()()( 一般運算放大器開環(huán)放大倍數(shù)，所以 ，可略去 不計，則有1113MICCASCRASTCCSWMIIMIPI31111)(再設 ，把上式化成一般形式mAKI3IMCCSTKSTCCSWIIIMIPI1111)( 根據(jù)求得

42、的比例積分電路的傳遞函數(shù)，當輸入信號為階躍作用時，利用拉氏反變換可得到的時間函數(shù)表達式0203) 1(VeKKCCVIITKtIIMI 由式此可知 。0203020302032)()()0(0VCCTVTtVKCCVtVCCVtMIIIIMIMI時當時當時當為比例積分電路階躍響應曲線三點值。 因此，可以作出實際的比例積分電路在V02為階躍作用時輸出 的階躍響應特性，見圖3-21所示。同時也可以根據(jù)響應曲線 三點值用實驗法來測定積分時間TI因此，可以作出實際的比例積分電路在V02為階躍作用時輸出03V 的階躍響應特性，見圖3-21所示。同時也可以根據(jù)響應曲線三 點值用實驗法來測定積分時間TI。

43、tV03T10CI/IMV02CI/CMV02 KIMICCV02圖 3-21 PI 輸出階躍響應特性4、輸出電路 圖3-22所示為調(diào)節(jié)器的輸出電路。其輸入信號是經(jīng)過PID運算后，以電平為基準的15V.DC的電壓信號V03。輸出是流經(jīng)一端接地的負載電阻RL上420mA(.DC)電流。因此，它實際上是一個具有電平移動的電壓電流轉(zhuǎn)換器。 為使調(diào)節(jié)器的輸出電流不隨負載電阻大小變化，輸出電路應具有良好的恒流特性，為此，電路使用集成運算放大器，并以強烈的電流負反饋保證這一點。為了提高調(diào)節(jié)器的負載能力，在放大器IC4的后面，用晶體管VT1、VT2組成復合管帶動負載，這不僅可以減輕放大器的發(fā)熱、提高放大倍數(shù)

44、，增進恒流性能，可以提高電流轉(zhuǎn)換的精度。IC4+R324VV03R1VBR2VTVFR4IBRIfIoRLVT2VT1RfVfIo圖 3-22 輸出電路5、手動操作電路及無平衡、無擾動切換 調(diào)節(jié)器的手動操作分軟手動和硬手動兩種操作。所謂軟手動操作指的是調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動輸入電壓成積分關系(又稱速度式)；所謂硬手動操作指的是調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動輸入電壓成比例關系。在型調(diào)節(jié)器中，自動與軟手動之間的相互切換、硬手動到軟手動或自動的切換具有無平衡無擾動特性。 型調(diào)節(jié)器的手動操作電路是在比例積分電路中附加手動操作電路來實現(xiàn)的，見圖3-23所示。圖中K1，K2為聯(lián)動的自動、軟手動、硬手動切換開關，K

45、41、K42、K43、K44為軟手動操作板鍵，WH為硬手動操作電位器。IC3+24VCMV02CI自K1F軟硬TVBV039.1KRI1K2.4K30KRFRH30KVHWH自K2軟硬1K310K41K42K43K44RM2RM2RM1RM1+VRVR圖 3-23 手動操作電路（1）、軟手動操作 將開關K1、K2置“軟手動”位置，這時IC3的反相輸入端與自動輸入信號斷開，而通過RM接至+VR或VR，組成一個積分電路；同時K2將CI與RI的公共端接到電平VB，使V02存貯在CI中。板動軟手動板鍵K4即可實現(xiàn)軟手動操作。 圖3-24為軟手動操作原理圖。圖3-23中的射極跟隨器包括在圖3-24的IC

46、3中。 軟手動輸入信號為+VR和VR，由K4來切換。當K4扳向VR時， 輸出電壓V03按積分式上升；當K4扳向+VR時，輸出電壓V03按積分 式下降。輸出電壓V03的上升或下降速度取決于RM與CM的數(shù)值，其 變化規(guī)律為V03IC3+FTV02RICICMRM軟+VRVRK4圖 3-24 軟手動電路tCRVVMMR03式中t為K4接通VR的時間。由此可求得軟手動輸出電壓從15V滿量程變化所需的時間為MMRCRVT4在圖3-23中，設RM1=30K，RM2=470K，VR=0.2V，CM=10F，K4扳向四個不同位置時，可進行快慢兩種速度上升或下降的軟手動操作?？焖佘浭謩硬僮鳎簩41或K43板向

47、VR時，RM=RM1=30K，輸出 信號V03作滿量程變化時，即從1V升至5V或從5降至1V所需的時間 sT6101010302 . 04631 慢速軟手動操作：將K42或K44扳向VR時，RM=RM1+RM2=500K，輸出電壓V03作滿量程變化時所需時間sT1001010105002 . 04632 軟手動操作板鍵K4有五個位置，即在升、降四個位置之間還有一個“斷”位置，只要松開板鍵K4即處于“斷”位置，這時上述電路變成保持電路，輸出V03保持在松開K4前一瞬間的數(shù)值上。 當調(diào)節(jié)器的輸出需要保持某一數(shù)值不變時，或遇緊急情況需要迅速改變調(diào)節(jié)器的輸出時，可切換至硬手動操作。（2）、硬手動操作

48、將K1，K2置“硬手動”位置，這時IC3的反相輸入端通過電阻RH接至電位器WH的滑動觸頭，把RF并聯(lián)在CM上。同時K2將CI與RI的公共端接到電平VB上，使V02存貯在CI中。 圖3-25為硬手動操作時的原理圖。因為硬手動輸入信號為VH，RF(30K)與CM(10F)并聯(lián)后，可忽略CM的影響。由于RH=RF，所以硬手動操作電路實際上是一個比例增益為1的比例電路，即HVV03V03IC3+FTV02RICICMRHRFVBWHVH硬自K1圖 3-25 硬手動電路（3）、無平衡、無擾動(沖擊)切換及保持特性 所謂無平衡切換，是指在自動、手動切換時，無需事先調(diào)平衡，可以隨時切換至所需位置 (自動或軟

49、手動切向硬手動例外)。所謂無擾動切換是指在切換時調(diào)節(jié)器的輸出不發(fā)生變化，對生產(chǎn)過程無擾動。所謂保持特性是指當IC3反相輸入端懸空時，V03能長時間地保持不變，則調(diào)節(jié)器的輸出能長時間保持不變。 為了便于分析，設IC3為理想運算放大器。 自動軟手動雙向切換 自動軟手動切換時，當K4尚未扳至VR時，IC3的反相輸入端懸空，這時(對VB而言)。由于CM上的電荷無放電回路，所以電容CM上的電壓即為輸出電壓，輸出V03能保持不變。所以在自動切向軟手動時，對調(diào)節(jié)器的輸出無影響。當需要軟手動時，將K4扳至所需的位置，可使V03線性上升或下降。 軟手動自動切換，當調(diào)節(jié)器處于軟手動時，從圖3-24可見，電容CI兩

50、端電壓恒等于信號電壓V02，當由軟手動切至自動時，因VF是零伏，電容CI與F點相連的一端也是零伏，故在接通瞬間，電容沒有充放電現(xiàn)象，所以輸出V03亦不變。但當切至自動后，調(diào)節(jié)器的輸出按輸入信號的變化而變化是正常的調(diào)節(jié)作用。 上述兩種切換稱為雙向無平衡無擾動切換。 同理，硬手動軟手動、硬手動自動的切換，也是無平衡無擾動切換。 但是，從自動硬手動、軟手動硬手動切換時，要做到無擾動切換，必須事先平衡。需要預先將硬手動操作桿對準自動或軟手動輸出值，這樣才能得到無擾動切換。6、整機的PID傳遞函數(shù) 前面分析了基型調(diào)節(jié)器的輸入電路、PD運算電路和PI運算電路，這三個環(huán)節(jié)決定了調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。調(diào)節(jié)器的輸入

51、電壓信號為15V，通過PID運算后，輸出電壓信號亦為15V。 上述三個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別表示如下： 輸入電路的傳遞函數(shù)2)()()(01SVSVSVsi 比例微分(PD)電路的傳遞函數(shù)SKTSTnaSVSVDDD11)()(0102 比例積分(PI)電路的傳遞函數(shù) STKSTCCSVSVIIIMI1111)()(0203 因輸入電路、比例微分運算電路和比例積分運算電路是串聯(lián)形式，所以調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)方框圖見圖3-27所示。 2 SKTSTnaDDD11 VS Vi V01 STKSTCCIIMI11111 V02 V03 圖3-26 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)方框圖于是調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)SKTSTKTKK

52、TSTSTTTCCnaSTKSTSKTSTCCnaSVSVSVSWDDIIIIDDDIIDMIIIIDDDMIsi111121111112)()()()(03設 ,并考慮到上式中的分母中 可略去IDTTF1MIpCCnaK21IIDDTKKT則得：SKTSTKSFTSFTFKSWDDIIDIP1111)(式中 IDTTF1，為干擾系數(shù) MIPCCnaK2，為比例增益 DDDCnRT ，為微分時間IIICmRT nKDIMICCmAK3，為積分時間 ，為微分增益 ，為積分增益 若 和 都比較大，可暫不考慮分母中的這兩項。這樣調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可近似為DKIK)11 ()(sFTsFTFKsWDIp

53、這就是典型的PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。1FPIPD這里干擾系數(shù)為大于1的常數(shù)，它反映了用、串聯(lián)運算獲得PID調(diào)節(jié)規(guī)律時在整定參數(shù)上相互干擾的情況。 三、可編程序數(shù)字調(diào)節(jié)器三、可編程序數(shù)字調(diào)節(jié)器 可編程序調(diào)節(jié)器是一種新型的數(shù)字式控制儀表。它的主要產(chǎn)品有：YS-80系列的SLPC調(diào)節(jié)器、DK系列的KMM調(diào)節(jié)器、FC系列的PMK調(diào)節(jié)器和系列的87MA-E調(diào)節(jié)器等。由于上述產(chǎn)品均控制一個回路，所以習慣上稱之為單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器。一）單回路調(diào)節(jié)器的特點一）單回路調(diào)節(jié)器的特點單回路調(diào)節(jié)器只有一個輸出信號,只能對一個被控量.進行調(diào)節(jié),但并不是它僅有一個PID模塊,為了滿足串級控制的需要,每個調(diào)節(jié)器都有兩個PID

54、模塊在進行串級控制時，只需要一個單回路調(diào)節(jié)器就可以了此外，這種調(diào)節(jié)器有豐富的運算功能由于單回路調(diào)節(jié)器功能多，除了被控量以外，還可以接多種信號，除了模擬信號外，還可接受各種開關量信號，以完成邏輯控制或程序控制。被控量的輸出信號只有1個，但它還有模擬量遠程傳送，開關量輸出、報警，狀態(tài)信號遠程傳送等多個電壓輸出通道。能和模擬儀表兼容，其電源、信號規(guī)格、正面板布置，操作方法以及表盤開孔尺寸等都和常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器一致。單回路調(diào)節(jié)器內(nèi)部雖然有CPU, ROM, RAM等集成元件，但其編程比一般計算機容易掌握，編程方法簡單，如一般采用POL(表格)語言，有利于推廣使用。單回路調(diào)節(jié)器不僅能獨立工作，還能與上位機

55、組成系統(tǒng)，帶有數(shù)字通信功能，必要時上位機也可對某個單回路調(diào)節(jié)器施加干預，通信是串行雙向的，內(nèi)容既有控制符，也有數(shù)據(jù)。在調(diào)節(jié)器內(nèi)的軟件有多種故障自診斷功能，工作中遇到不正常現(xiàn)象會發(fā)出故障信號。二）單回路可編程調(diào)節(jié)器的基本電路二）單回路可編程調(diào)節(jié)器的基本電路 以下以西安儀表廠引進日本橫河公司的SPLC型調(diào)節(jié)器為例，介紹其基本電路，電路框圖見圖3-27。1. SPLC的主要集成器件 圖3-29中CPU采用8085AHC型集成電路，內(nèi)部時鐘頻率為10MHz。ROM為兩片27256型EPROM，容量32KB，用于存放管理程序和各種運算子程序模塊。圖圖3-27 電路框圖電路框圖 用戶程序由一片2716型EPROM存放，RAM則由兩片PD4464C，共8KB。D/A轉(zhuǎn)換器用PC648D高速12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它和CPU配合，實現(xiàn)反饋編碼，以實現(xiàn)12位逐位逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換。2、輸入、輸出通道 SPLC調(diào)節(jié)器共有5個模擬量輸入通