自动化装置课件

第一节分类、发展、信号制

一、分类二、发展三、信号制

本节重点内容提示：一、基本知识统一信号制：供电24VDC输入信号1~5V输出信号4~20mA(掌握信号制的优缺点)

一、分类气动仪表电动仪表液动仪表混和仪表自动化装置按采用的能源形式不同自动化装置按采用的信号形式不同模拟式仪表数字式仪表自动化装置按采用的结构形式不同基地式仪表组合式仪表组装式仪表集散式仪表总线式仪表二、发展发展史大约有60多年，大体可分成四个阶段。时间第一阶段20世纪30~40年代(1935)名称基地式仪表结构将测量、显示、纪录、调节都放在一个表壳里的仪表(以指示记录仪表为中心，附加某些调节机构)特点结构简单适于单参数就地控制主要产品KF系列气动基地式仪表(日本山武-霍尼威尔公司)带PID调节的电子电位差计(上海自动化仪表厂)名称单元组合式仪表结构将整套仪表划分成若干个单元，各单元之间采用统一的标准信号连接。使用时根据需要，经过不同的搭配，就可组成各种各样的检测及控制系统时间第二阶段20世纪40~50年代(1955)特点应用灵活，通用性强主要产品Ⅰ系列、EK系列仪表(日本横河公司)国产DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ系列仪表(北京、上海、西安、大连、天津、吉林、重庆等仪表厂)I系列名称组装式综合控制装置结构运算调节机柜显示操作机柜时间第三阶段20世纪60~70年代(1972)特点装配灵活，功能分离（调节与显示操作分离）主要产品Spec-200(美国福克斯波罗公司)TF系列(上海自动化仪表厂)MZ-Ⅲ系列(西安仪表厂)ⅠMZ—Ⅲ名称集散控制系统结构分散监测控制装置人-机接口装置通信网络上位机接口装置时间第四阶段20世纪70~90年代(1975)特点操作、显示、管理集中控制、负荷、危险分散主要产品TDC-2000、TDC-3000、TPS、S9000(美国霍尼威尔公司)CENTUM-CS、

XL、CS1000、CS3000(日本横河公司)PCS7、PCS7-BOX(德国西门子公司)PCS7-BOXCS3000μXL名称现场总线控制系统结构现场总线仪表通信网络时间第五阶段20世纪95~05年代(2002)特点操作、显示、管理一体化危险分散，只控制一个回路主要产品FF基金会现场总线(美国费歇尔-罗斯蒙特公司)PROFIBUS过程现场总线(德国西门子公司)三、信号制

所谓信号制是说在全套仪表系列中，各个仪表的输入和输出采用那种统一的联络信号。例如：气动仪表采用的信号制0.2~1.0×102kPa

电动仪表采用的信号制4~20mADC

注意：本学期介绍的自动化装置除气动执行器采用0.2~1.0×102kPa的气压信号之外，其它均采用4~20mA的电压信号。

1、直流电流电流传递——电流接收的串联方式0~10mA传送，0~10mA接收，220V交流供电，在DDZ-Ⅱ型仪表中（电动单元组合式仪表）使用↓220V~220V~220V~I0R0Rcm发送仪表接收仪表接收仪表RiRi输入电阻导线电阻输出阻炕2、直流电压电流传递——电压接收的并联方式4~20mA传送，1~5V接收，24V直流供电，在DDZ-Ⅲ型仪表、I系列、EK系列、YS-80系列、YS-100系列中使用。U0R0发送仪表接收仪表接收仪表RiRiRcm/2Rcm/2UiUi24V24V

直流电流直流电压

串联制

并联制增加或取消一台仪表，整个系统停止运行串联制易于远距离传输增加或取消一台仪表，整个系统正常运行并联制不易于远距离传输无公共接地点各仪表可有自己的接地点，系统不允许有公共接地点（会短路）有公共接地点各仪表可有自己的接地点，系统允许有公共接地点220VAC供电无本质安全特性24VDC供电有本质安全特性

高电压供电，装置一旦产生火花，容易引起装置周围的爆炸性混合物爆炸或起火。

低电压供电，装置一旦产生火花，不易引起装置周围的爆炸性混合物爆炸或起火。信号下限=0mA，上限=10mA。信号下限=4mA，上限=20mA下限=0mA，+、－、×、÷运算方便，易于刻度换算。电气零点=机械零点，零点相互不易区别。上限=10mA，产生的电磁力（安培力）较小，故带负载能力差。

下限=4mA，躲开晶体管死区，一开始就工作在线性区。电气零点≠机械零点，零点易于区别。上限=20mA，产生的电磁力（安培力）较大，故带负载能力强。输入阻抗↓，输出阻抗↑输入阻抗↑，输出阻抗↓

输入阻抗Ri↓，输出阻抗RO↑，为减小传输误差，仪表应有恒流特性（负载电阻在一定范围内变化时，IO的变化应小于允许值）输入阻抗Ri↑，输出阻抗RO↓，为减小传输误差，并联装置的台数应≤4台。现场仪表（现场）架装仪表（控制室盘后）盘装仪表（控制室盘前）作业：1.现场和控制室仪表之间采用4~20mA的电流传输信号，控制室内部仪表之间采用1~5V的电压联络信号，这种信号制有何优点？2.什么是仪表的恒流特性？第二节调节器的参数一、P调节器二、I调节器三、PI调节器四、D调节器五、PD调节器六、PID调节器本节重点内容提示：一、基本定义正反作用、PB、TI、TD、KI、KD二、基本知识1.P、I、D、PI、PD、PID等调节器阶跃响应特性曲线的绘制（会在坐标上画阶跃作用下的响应曲线）2.PB、TI、TD的测试方法（根据定义，实验方法）

调节器输入信号和输出信号的定义输入信号＝测量信号和给定信号比较的偏差信号，用

X表示：

输出信号＝在偏差信号的作用下，输出产生的变化量，用

Y表示。

给定信号测量信号

X＝Xi–Xs习惯上

X>0——正偏差

X<0——负偏差

正反作用的定义：

X

Y

正作用调节器

X

Y

反作用调节器

调节器的输入信号和输出信号可能是不同的物理量。为了用通式表示它们的特性，采用无量纲方程，故都用相对量来表示调节器的输入和输出信号。相对输入量x=X/(Ximax-Ximin)相对输出量y=Y/(Ymax-Ymin)

输入范围输出范围一、P调节器

P调节器的输出信号和输入信号成正比。

y=kpxkp＝比例增益kP比例作用

kP

比例作用

给P调节器输入一个阶跃信号，输出信号立即产生一个向上的跳变。

kp>1→呈现放大作用kp<1→呈现缩小作用

比例调节器就是一台放大倍数可调的放大器。ytxtKp>1Kp<1P调节器的整定参数是比例带。

PB的定义：输入信号的相对变化量和输出信号的相对变化量之比。

PB=x100%=X/(Ximax-Ximin)100%=1100%

yY/(Ymax-Ymin)KP

在数量上PB和KP之间是倒数关系。xy100%50%50%PB=50%PB=100%PB=200%PB=50%输入信号变化100%输出信号变化?PB=100%输入信号变化100%输出信号变化?PB=200%输入信号变化100%输出信号变化?50%200%100%对于输入范围和输出范围均相等的调节器，比例带等于

PB=(

X/

Y)100%=(1/KP）100%

P调节器的特点：

输出信号对输入信号的响应快速、调节作用非常及时，

P调节器有余差。若用P调节器构成控制系统时，调节动作结束时会产生余差。

余差的定义：调节过程结束时，测量信号的新稳态值和给定信号之差。为什么P调节器会产生余差呢？——是P调节器自身的特点考察用P调节器构成的定值控制系统。图中xs、xi、

x、y

分别是用相对量表示的给定值、测量值、输入信号、输出信号

调节器对象xxi+–xsyfxi

假设系统原处于平衡状态，则xi=xs。由于扰动f的加入，使对象的输出发生变化，破坏了平衡状态。若f

xi

xi>xs

x进入调节器，经P运算后，则有y去克服扰动f，力图使x，但是P调节器的输出y和输入x因成正比关系而有相互对应关系，若想输出一定的信号y去克服扰动f的影响，就必须有一定的输入信号x存在。

因此，比例调节过程结束时，总存在一个x，

x=xi–

xs

式中xi——新稳态值

xs——给定值

x

——余差所以，P调节器当负荷发生变化时（xi发生变化），或给定值发生变化时（xs发生变化）均会产生余差，其大小和比例增益有关。

KP

余差

练习1一台比例调节器，输入信号1~5V，输出信号4~20mA，若PB=40%时，输入信号变化量为1V，输出信号的变化量为多少？分析:使用PB定义

答：

xX/(Ximax-Ximin)

PB=100%=100%yY/(Ymax-Ymin)1V/(5-1)V40%=100%YmA/(20-4)mAY=10mA练习2两台比例调节器，输出信号的变化量相同，第一台的输入信号的变化量为8mA，第二台的输入信号的变化量为4mA，两台比例调节器，那一台的比例增益大？分析:使用KP答：y=KPx，y相等，x越小，KP越大，第二台的KP大。练习3液位控制系统采用纯比例调节器，在开车前要对变送器、调节器和执行器进行联校，当PB=20%，偏差=0时，手动操作使调节器的输出=50%，若给定信号突变5%，试问突变瞬间调节器的输出处在什么位置上？分析:使用PB定义、正反作用答：PB=20%，表明KP=5；给定信号突变5%，表明调节器的偏差信号同样突变5%;调节器的输出信号变化量为5%×5=25%，考虑到正作用，调节器的输出信号处于50%+25%=75%;考虑到反作用，调节器的输出信号处于50%-25%=25%。二、I调节器

输出信号和输入信号对时间的积分成正比。

y=1/TIxdt

TI＝积分时间

TI积分作用

TI积分作用

输入阶跃信号，输出信号随时间的延长不断增加，当输入信号结束时，输出信号就停留在某个位置上。

TI，曲线斜率，积分作用；

TI，曲线斜率，积分作用txty无定位特性TI小TI大输出信号和输入信号存在的大小方向时间

无定位特性有关无定位特性的定义：当输入信号消除时，I调节器的输出可以稳定在任何一个数值上。I调节器的特点：

只要偏差存在，输出就会随着时间不断地增长，直到偏差消除为止。在偏差刚出现时，积分输出的反应缓慢，不象比例那样及时迅速，导致动态偏差增大，调节过程拖长。

很少单独使用I调节器，通常是综合两者的优点，形成PI调节器。

三、PI调节器

y=KP(x+1/TIxdt)KP＝比例增益

TI＝

积分时间输入阶跃信号，开始一瞬间，输出信号向上跳跃一下，形成比例作用。然后，随着时间的增加而逐渐上升，形成积分作用。可见PI调节器的输出是比例和积分的合成

ty

xt

PI调节器整定的参数:PB和TI

TI的定义：调节器在阶跃输入信号的作用下，积分部分的输出变化到和比例部分的输出相等时所经历的时间为TI。

理想PI调节器输入信号长期存在实际PI调节器输入信号长期存在输出信号随着时间的增长不断地变化输出信号随着时间的增长趋于有限值KPKIx原因：理想放大器的增益＝∞原因：实际放大器的增益≠∞

上述分析表明积分部分的输出具有饱和特性，我们把t

时，PI调节器出现积分饱和时的增益K=KPKI称为静态增益，式中的KI称为积分增益。xKPKIxKPxyttx

积分增益的定义：在阶跃输入信号的作用下，实际的PI调节器的输出的最终变化量和初始变化量之比。

KI=y(

)/y(t0)=KPKIx/KPxKI的物理意义表明实际的PI调节器消除余差的能力，KI

余差。

PI调节器的特点：输出信号响应速度快，消除余差，

练习4某调节器的PB=100%，TI=2min，初始状态输入=输出=12mA，后来输入信号从12mA阶跃变化到14mA，试问经过多长时间后输出信号可以达到20mA？分析：使用y=KP(x+1/TI∫xdt)解：y=KP(x+1/TI∫xdt)(20-12)=1(2+1/2∫2dt)8=2+1/2(2t)t=6(分)练习5参见图示曲线，曲线1为PB=100%时的PI特性曲线，若其它条件不变，令PB=50%，则曲线1变成曲线2，对否？为什么？分析：使用TI的定义yt12解：不对，由曲线1的已知条件PB=100%可以推导出曲线1的TI为某个值，曲线2的已知条件除了PB=50%之外，没有其它变化，TI的值和曲线1是相同的。所以曲线2的斜率变陡峭。四、D调节器

D调节器的输出信号和输入信号的变化速度成正比。

y=TDdx/dtTD＝微分时间

TD

微分作用

TD

微分作用

输入阶跃信号，

t=t0瞬间，输出信号跳向无穷大，

tt0以后，返回零状态。

xytt

t0t0

D调节器的特点：输入变化速度越快，输出就越大，输入无变化速度，即使经过长时间的积累达到较大的数值，微分输出仍旧不响应。

很少单独使用D调节器，通常是综合两者的优点，形成PD调节器。五、PD调节器

y=KP(x+TDdx/dt)KP＝比例增益TD＝微分时间给PD调节器输入一个阶跃信号，t＝t0时，输出跳向无穷大，t＞t0时，又跳回比例部分xtt0xtt0

上述的D调节器和PD调节器都是理想的当输入信号中含有高频信号时，就会使输出产生干扰信号，造成执行器的误动作。实际PD调节器的都具有饱和特性。给实际的PD调节器输入阶跃信号时，在t=t0时，输出不是无穷大，而是趋近于一个有限值KPKDx，表明微分输出有饱和特性，KD称为微分增益。

t＞t0以后，微分输出的下降也不是瞬间完成，而是按指数规律下降，下降的快慢取决于微分时间TD，当KD一定时，TD微分作用，TD微分作用，TD=0时，

D作用消失，PD调节器就变成P调节器

tytxt0KPKDxKPx(KPKDx-KPx)63.2%td=

TD/KD

KD的定义：在阶跃输入信号的作用下实际PD调节器的输出的初始变化量和最终变化量之比。

KD=y(t0)/y(

)=KPKDx/KPxKD，微分作用；

KD，微分作用。

KD＝5～30，一般调节器KD均为常数。

PD调节器整定的参数是PB和TD，

TD的定义：在阶跃输入信号的作用下，实际的PD调节器的输出信号从开始的跳变值下降了最大值和新稳态值之差的63.2%所经历的时间td的KD倍，就是微分时间TD。TD=td

KD

td＝

微分时间常数。

PD调节器的特点：不论输入信号多大，只要有变化趋势，立即产生输出信号，具有较强的调节作用，这是一种先于比例作用的调节动作，所以称为“超前”调节。（超前是说D作用比P作用超前的时间为td）练习6图示曲线为调节器的阶跃响应曲线，试回答：该曲线代表调节器的什么工况？KD=?KP=?分析：KP和KD的定义2Ii102Iott解：1.代表调节器的PD工况。2.KD=53.KP=1练习七根据给定的输入信号和条件，画出PD调节器的输出信号波形。PB=100%，TD=2min，KD=5分析：阶跃响应波形xy114六、PID调节器

y=KP(x+1/TI

xdx+TDdx/dt)KP＝比例增益，TI＝积分时间，TD＝微分时间

输入阶跃信号，则输出信号的变化规律是：

为理想的PID调节器

为实际的PID调节器

ttxy实际的PID调节器是微分和积分都有饱和特性，关键在于KD和KI均为有限值。

PID调节器整定的参数是PB、TI、TD。三个参数在整定时相互之间有影响。用相互干扰系数F来描述它们之间相互影响的程度。

PB实=PB刻/F，TD实=TD刻/F，TI实=TI刻F，F=1+TD/TI。PID调节器的特点：反应迅速（P），消除余差（I），超前动作（D），

练习八根据给定的阶跃输入信号，画出调节器的输出信号波形图。P调节器，PB=50%;PI调节器，PB=100%，TI=3min；PD调节器，PB=100%，TD=3min，KD=3。分析：阶跃响应波形xt3129181-1作业：1.一台调节器的测量信号的指针由50%下降到25%时，其纯比例输出信号由12mADC下降到8mADC，该调节器的实际比例带为多少？，该调节器的作用方向是正还是负？2.某气动PI调节器，PB=100%、TI=2min，初始状态时偏差信号和输出信号均为0.5×102kpa，后来偏差信号从0.5×102kpa阶跃变化到0.7×102kpa，试问经过多少时间后输出信号可达到1.0×102kpa？3.某调节器，稳态时测量信号、给定信号和输出信号均为5mA，当测量信号阶跃变化1mA时，输出信号立刻变成6mA，然后随时间匀速上升，当输出信号到达7mA时所用的时间为25s，试问该调节器的PB的TI各是多少？4.微分作用是（）调节作用，其实质是阻止（）的变化，以提高（）的稳定性，使过程衰减得更厉害。TD越大，则微分作用（），KD越小，则微分作用（）。5.一台PD调节器，PB=100%，KD=5，TD=1min，若给它输入一个图示阶跃信号，试画出它的输出信号响应曲线。Iit

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

本节重点内容提示: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（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（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）一、方框图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4-20mARL测量指示/给定指示电路1～5V的测量信号→1～5mADC→表头用红针指示，（同时送入输入电路）

1～5V的给定信号→1～5mADC→表头用黑针指示，（同时送入输入电路）表头指示测量信号和给定信号0～100%的满刻度，故称为全刻度指示调节器。输入电路2(Ui－Us))→Uo1PD电路对Uo1进行PD运算→Uo2PI电路对Uo2进行PI运算→Uo3输出电路对Uo3进行电压电流转换→Io软手动电路开关打在M时，软手操电压对时间的积分和Io有对应关系。硬手动电路当开关打在H时，硬手操电压和Io有对应关系。

二、输入电路（一）作用及原理电路

1.作用

2(Ui－Us)0V→10V

2.原理电路Rcm1Ucm1UiR32R33Rcm2Ucm2R39UBR51R52R53Uo1A5－△＋UsR34R35

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

UO—输出电压（二）工作原理1.为何是偏差？——调节器应接受偏差信号Ui－Us输入电路的作用是要获得偏差信号。采用了Ui和Us并联比较的方式。UiUsR32R33R34R35－＋差模输入阻抗→∞A5εUiUsR=R32+R33R=R34+R35－＋→∞ε＝UiR/(R＋R)－UsR/(R＋R)ε＝Ui/2－Us/22ε＝Ui－Us偏差信号2.为何是差动？

——消除导线电阻压降Ucm1和Ucm2的影响

Rcm1Ucm1Ui250ΩIi4-20mADC＋－二线制变送器24VUsRcm14-20mADC＋－二线制变送器24V

A5调节器由于24VDC供电，二线制变送器和调节器的都并联在24VDC两端。由于变送器是二线制变送器。测量信号和电源负端公用一根导线。4~20mA流经负载电阻250Ω产生了UiUi＝4~20mA×250Ω＝1~5V信号线和电源线公用2根导线的变送器4~20mA流经导线电阻Rcm1产生了Ucm1Ucm1＝4~20mA×Rcm1Ω＝0~1VUS

＝1~5V或US

＝4~20mA×250Ω＝1~5V调节器的输入信号＝Ui＋Ucm1

－US

输入信号引入一个误差Ucm1

，是不允许的。

分析发现：导线电阻产生的Ucm1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，如果将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就可以排除Ucm1的影响。Ui－Us

采用差动输入的形式后:

Ucm1是个共模信号，不会被放大。

Ui－Us是个差模信号，可以被放大。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作用IC两个输入端对地之间的信号3.为何是电平移动?——满足共模输入电压范围的要求。电平移动的定义：

共模输入电压范围的定义：

将电源负端为零电平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。

输入电路的IC：

型号μpc157A电源24VDC共模输入电压范围2~19.5VDCUF

＝UT≤2~19.5VDC

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？

R32R35R33R51UiUcm1Ucm2UFUo1/2UBUcm1UsUcm2UT∵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

R34UBR39∵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。

若UB=10V，有电平移动,当Ui=1～5V变化时，IC的两个输入端电位均为3.7～5.7V，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。

三、PD电路（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.原理电路无源PD电路P电路R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－R55、R54—微分增益电阻

R56+R62—微分电阻

C18—微分电容

R74+R73—比例电阻

Uo1—输入信号

Uo2—输出信号（二）工作原理PD电路无源PD电路P电路R54、R55组成的分压电路C18(R56+R62)组成的微分电路A6R74+R73组成的比例电路

U01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=10

U02经R74和R73分压后，若R74的滑动触头在最上端，则

即反馈信号=输出信号。若R74的滑动触头在最下端，则

即反馈信号=部分输出信号。

∵R74=10K，R73=39Ω

定性分析

Uo1有阶跃变化，

t＝t0，电容C18上的电压不能突变，相当于短路。UT=Uo1t＞t0，R54上的电压经C18、(R12+R13)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/nUC＝ICt/CUo1、UT、Uo2的电路变化过程如图所示:Uo1Uo1t=toUTUo1Uo1/nUo2αUo1αUo1/n0t0t0t

四、PI电路（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A7R75R76C20R78R80S4－△＋C21Uo3UB×1×10

R75、R76—分压电阻

R78+R80—积分电阻

C21—积分电容

C20—比例电容

S4—积分时间换档开关

S4х10→m=10S4х1→m=1TI的大小与m有关，m不同TI也不同

（二）工作原理PI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

定性分析：

Uo2有阶跃变化,t＝t0，C20和C21组成分压式比例电路，∴Uo3（t0）＝－C20UO2/C21

∵C20

＝C21

∴

Uo3（t0）＝－UO2A7Uo3Uo21/C20S1/C21S＋－△

t＞t0，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/mI2Uo3Uo2tC20Uo2/C21tUo2toto其输出曲线为

五、输出电路（一）作用及原理电路

1.作用

Uo3→Io10V→0V2.原理电路

A8R9340KR9640KR9510K24VUFUTR9910KR100－△＋RL输出指示表V13I’oIfIoUfUo3UBR93、R96—输入电阻R95

、R99—反馈电阻

R100—限流电阻

RL—负载电阻

Uo3—输入信号

UB—基准电平10VIo—输出电流

24V—电源电压

（二）工作原理R96R95UB24VUFR93R99Uo3UBUfUT

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，合理；假设If＝0，不合理。∵Ib本来就很小，再采用复合放大管，可保证相同输出的情况下使Ib更小。

If是反馈电流，随着Io的变化而变化，有不同的输出就有不同的反馈。

I’o=4mA时，If最大。体现的误差就最大。

I’o=20mA时，If最小。体现的误差就最小。

可见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，上述电路结构超出了误差允许的范围。只有采用非对称差动输入电路。使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。

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需要手动操作

A7－△＋Uo2R75R76C20R78R80AMHC21RH2Uo3R91RH1RHVHS5AMH－Um＋UmRm1Rm1Rm2Rm2S5-1S5-2S5-3S5-4S6S6→A自动操作比例积分电路实现S6→M软手动操作积分电路实现S6→H硬手动操作比例电路实现S6→甩空保持浮空电路实现

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。

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Rc≠∞C21通过本身的漏电阻Rc放电rid≠∞C21通过IC的差模输入阻抗rid放电Ib≠0Ib对C21充电或放电Uos≠0Uos对C21充电或放电

选用带前置级的IC:Ib=10PA

U0S=10mVrid=1011ΩA7=105C21=10μfRC=1012Ω

若U03=5V时，使U03产生1%的误差，各个因素所需的时间为：

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)。

（三）软手动电路

S6→“M”，S5按下任一档，形成软手动电路－Um＋UmC21RMIRMIC21

A7－△＋U03软手动电路本质上就是一个积分电路

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

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。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。小结:+UM→IO↓，－UM→IO↑。(RM1+RM2)→IO变化速度慢，RM1→IO变化速度快。

“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。

(四)硬手动电路

S6→硬手动时，就变成了硬手动操作电路由于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－△＋

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

∵RH1=RH2=30K，∴UH和U03有一一的对应关系，被称为“硬手动”操作。(二)切换

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。A无平无扰M有平无扰HA无平无扰M无平无扰H无平衡无扰动切换→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H

七、指示电路（一）作用及原理电路

1.作用

1～5V→1～5mA0→10V2.原理电路

A2－△＋Ui测量校正S2R8R9R133VV4R4R21R29R28R23R18IoIfU0R15R14I’oUB=10V＋－

（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检查电流表的机械零点是否准确

UFR29R23U0UBUBUTR21R28UiUF＝(UO+UB)R29(R29+R23)UT＝UBR28＋UiR21(R21+R28)(R21+R28)∵UF＝UT∵R29

＝R28

＝R23

＝R21∴UO

＝UiIO’＝UO/(R14＋R15)＝Ui/(R14＋R15)∵IO

＝IO’＋If忽略If∴IO＝IO’＝Ui/(R14＋R15)Ui＝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。

八、传递函数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

电阻电容

U(S)=RI(S)

U(S)=1/CSI(S)RI（S）U（S）1CSI(S)U(S)R1CS变换阻抗的串联变换阻抗的并联1CSR

（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)]=－2

（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)=

（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)=

（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)=

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

I0转换成U0，故方程两边同乘250练习1：推导PD电路的传递函数WPD(S)R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－UT(S)＝UR55(S)＋UR56+R62(S)

＝UO1(S)/n＋(n－1)UO1(S)*(R56＋R62)/n*(R56＋R62＋I/C18S)

＝[1＋n(R56＋R62)C18S]UO1(S)/n[1＋n(R56＋R62)C18S]UF(S)＝UO2(S)/αUT(S)＝UF(S)UO2(S)＝α[1＋n(R56＋R62)C18S]UO1(S)/n[1＋n(R56＋R62)C18S]WPD(S)＝UO2(S)/UO1(S)

＝α(1＋TDS)/n(1＋TDS/KD)练习2：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？R5R3R4R6R7UiUcm＋－UBD3指示表作业：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.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？3.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？4.ICE调节器的调节精度和闭环跟踪误差有什么不同？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

UC18=UR54=(n-1)UO1/n=9UO1/10

当开关由“B”(断)切向“A”(通)时，由于C18上电压不能突变，仍旧为

UC18=9UO1/10则：

UT=UO1/10而表明ABC开关由B切向A的一瞬间，UT的电位不变，则U02也就不变，表明切换一瞬间输出无扰动(即无变化)

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？C20C20C21UO2UO3第六节SPRG编程器一、构成与功能二、键义介绍三、仿真程序

本节重点内容提示一.基本知识广义对象的定义会编仿真程序（方法同主程序）一.构成与功能(一)构成打印机

CPUSLPC键盘用户ROM插座插座RAM2插座显示器ROM2SPRGSPRG没有CPU，借用SLPC的CPU，是SLPC调节器的外设。ROM2—存系统程序RAM2—存用户程序（二）功能编制用户程序（MPR、SPR、SBP）对用户程序进行测试运行读出SLPC中原有的程序进行修改，打印程序、参数、寄存器状态、显示类型等等二.键义介绍(SPRG*E)有41个键，多为三义键，每个键都有自己的键义，在键的左上角和右上角还分别标有另外两个键义。WRXFRRDF键+本义本义G键+本义XFR→程序转移键把调节器中的程序转移到SPRG中RD→程序读入键把EPROM中的程序读入到SPRG的RAM2中WR→程序写入键把SPRG的RAM2中的程序写入EPROMINIP→参数清除键清除SLPC侧面盘上设定的数据INZ→用户程序清除键清除SPRG中的程序RS→复位键强行使SPRG的工作状态返回到起始状态若SPRG处于PROGRAM状态则返回到程序起点等待；若SPRG处于TESTRUN状态则执行用户程序。SBP→子程序键键入子程序时，先按此键SPR→仿真程序键键入仿真程序时，先按此键MPR→主程序键键入主程序时，先按此键G→黄色换档键按此键，再按其它键，则执行其它键上边黄色字表示的键义F→蓝色换档键按此键，再按其它键，则执行其它键上边蓝色字表示的键义PGM→程序设定运算键E→模拟量接受寄存器键CHG→S寄存器交换键D→模拟量发送寄存器键ROT→S寄存器旋转键B→控制参数寄存器键SUB→子程序键CI→状态量接受寄存器键END→结束键RTN→返回键CO→状态量发送寄存器键RUN→运行测试键KY→PF键输入寄存器键LP→PF输入指示灯寄存器键BSC→基本控制键BDI→分支状态量输入寄存器键LD→读取键CCD→状态变化检测运算键LAG→一阶滞后运算键X→模拟量输入寄存器键GIF→有条件转移运算键LED→微分运算键DI→状态量输入寄存器键DED→纯滞后运算键7→数字键ID→编号设定键用于识别用户ROM而设计的管理号码CPO→脉冲计数输出运算键8→数字键＋→加法运算键9→数字键CAN→和其它仪表（SLMC、SPLR）配合使用CSC→串级控制键BDO→分支状态量输出寄存器键

ST→存储键PIC→脉冲输入计数运算键VEL→变化率运算键Y→模拟量输出寄存器键AND→逻辑与键VLM→变化率限幅运算键DO→状态量输出寄存器键MAV→移动平均值运算键CMP→比较运算键4→数字键CNT→调节单元键ABS→绝对值运算键5→数字键LIST→程序列表键－