自動化裝置3節(jié)ICE調(diào)節(jié)器

北京化工大學(xué)信息學(xué)院自動化系

主講教師：張永德

zhangyd@第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器2第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器一、方框圖二、輸入電路三、PD電路四、PI電路五、輸出電路六、手動操作電路七、指示電路八、傳遞函數(shù)3

一、基本定義二線制、軟手動、硬手動、保持特性、無平衡無擾動切換二、基本構(gòu)成輸入電路、PD電路、PI電路的原理電路（掌握讀圖及元件的作用）三、基本原理

41、輸入電路（掌握采用偏差、差動輸入、電平移動電路的原因，會用疊加原理推導(dǎo)電路的輸入輸出關(guān)系式）2、PD電路和PI電路（掌握電路的定性分析,

即t=0、t>0、t>>0時電路的變化過程）3、雙向無平衡無擾動切換（掌握自動→手動、手動→自動無平無擾切換的原因）5第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器一、方框圖ICE調(diào)節(jié)器是由輸入電路、PD電路、PI電路、輸出電路、手動操作電路和指示電路組成的。6測量指示電路輸入電路給定指示電路PD電路軟手動電路PI電路輸出電路硬手動電路Ui1-5VDCUs1-5VDCUo1Uo2Uo3測量指示紅針指示1-5mADC給定指示黑針指示1-5mADC軟M硬HA自輸出指示4-20mARL1~5V轉(zhuǎn)換成1~5mA，黑針顯示給定對U01進(jìn)行PD運算對U02進(jìn)行PI運算U03→IoIo和硬手操電壓成比例關(guān)系Io和軟手操電壓對時間的積分成比例關(guān)系一、方框圖1~5V轉(zhuǎn)換成1~5mA，紅針顯示測量2（Ui-Us）→U017

（一）作用及原理電路

1、作用

2(Ui－Us)0V→10V

2、原理電路二、輸入電路第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器8Rcm1Ucm1UiR32R33Rcm2Ucm2R39UBR51R52R53Uo1A5－△＋UsR34R35Ui輸入電阻Us輸入電阻輸出電阻反饋電阻反饋電阻導(dǎo)線電阻導(dǎo)線電阻基準(zhǔn)電壓輸出電壓導(dǎo)線電阻電壓9

A5—理想IC

差模輸入阻抗=∞偏置電流Ib1、Ib2≈0共模增益＝0差模增益＝∞IC同相輸入端和反相輸入端之間的阻抗IC的靜態(tài)偏置電流IC輸出電壓和差模輸入電壓之間的直流增量比IC輸出電壓和共模輸入電壓之間的增量比10（二）工作原理1、為何是偏差？——調(diào)節(jié)器應(yīng)接受偏差信號Ui－Us

采用了Ui和Us并聯(lián)比較的方式獲得偏差信號實現(xiàn)的方法11R=R32+R33R=R34+R35UiUs－＋→∞偏差信號R35＋差模輸入阻抗→∞A5ε－R33UiUsR34R32122、為何是差動？

——消除導(dǎo)線電阻壓降Ucm1和Ucm2的影響

采用差模信號和共模信號轉(zhuǎn)換的方式消除影響實現(xiàn)的方法13Rcm1Ucm1Ui250ΩIi4-20mADC＋－二線制變送器24VUs

A5調(diào)節(jié)器24V供電，調(diào)節(jié)器和兩線制變送器都接24V上4-20mA信號和24V供電用同樣的2根導(dǎo)線原始要求兩線制變送器定義：信號線和電源線公用2根導(dǎo)線的變送器144~20mA流經(jīng)負(fù)載電阻250Ω產(chǎn)生了UiUi＝4~20mA×250Ω＝1~5V4~20mA流經(jīng)導(dǎo)線電阻Rcm1產(chǎn)生了Ucm1Ucm1＝4~20mA×Rcm1Ω＝0~1V設(shè)定US

＝1~5V調(diào)節(jié)器的輸入信號＝Ui＋Ucm1

－US

引入一個誤差信號Ucm1，是不允許的。產(chǎn)生問題15Ucm1作用在IC的兩個輸入端之間，是個差模信號，理想IC對差模信號有放大作用，對共模信號有抑制作用。

把Ucm1由差模信號轉(zhuǎn)換成共模信號，利用理想IC對共模信號的抑制作用消除Ucm1的影響。16Ucm2Rcm2Ucm1Rcm1大小相等、方向相同的形式作用IC兩個輸入端對地之間的信號＋差模輸入阻抗→∞A5ε－R33UiUsR34R32R35Ucm1是個共模信號，不會被放大。作用IC兩個輸入端之間的信號Ui-

Us是個差模信號，就被放大。把原始要求改成了差動輸入的形式改進(jìn)辦法173、為何是電平移動?——滿足共模輸入電壓范圍的要求。采用基準(zhǔn)電壓不相等的方式滿足共模的要求實現(xiàn)的方法18

電平移動的定義：

共模輸入電壓范圍的定義：

將以零電平為基準(zhǔn)的信號轉(zhuǎn)換成以參考電位為基準(zhǔn)的信號在保證IC正常工作的情況下，IC的UT或UF的大小。19

共模輸入電壓范圍的大小取決于IC的型號和供電電源IC的型號μpc157A

供電電源24VDC

共模輸入電壓范圍是2~19.5VDC即：UF

＝UT≤2~19.5VDC20把以0V為基準(zhǔn)的Ui送入IC，它的共模輸入電壓范圍≠2~19.5V，IC不工作。

把以？V為基準(zhǔn)的Ui送入IC，它的共模輸入電壓范圍＝2~19.5V，保證IC正常工作？21R32R35R33R51UiUcm1Ucm2UFUo1/2UBUcm1UsUcm2UT∵R32>>Rcm1∴Rcm1忽略不計∵R33>>Rcm1∴Rcm1忽略不計

R35>>Rcm2∴Rcm2忽略不計

R34>>Rcm2∴Rcm2忽略不計R52=R53

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

若UB=0V

則UF=UT≈0.33～2.33V

若UB=10V

則UF=UT≈3.7～5.7V

結(jié)論：UB=0V，無電平移動，當(dāng)Ui=1～5V變化時，IC兩個輸入端的電位均為0.33～2.33V，不在共模輸入電壓范圍2～19.5V之內(nèi)，∴IC不能正常工作。25結(jié)論：UB=10V，有電平移動，當(dāng)Ui=1～5V變化時，IC兩個輸入端的電位均為3.3～5.7V，在共模輸入電壓范圍2～19.5V之內(nèi)，∴IC可以正常工作。必須進(jìn)行電平移動，把基準(zhǔn)電平由0V抬至10V，否則IC不能正常工作26練習(xí)1推導(dǎo)下列電路的輸入輸出關(guān)系式。RRRRRUiUcmUp+RUoUB27RRRRRRUcmUPUBUTUFUiUoUBUcmRRR28練習(xí)2EK調(diào)節(jié)器的測量信號緩沖電路如圖所示。已知：R1=R2=R3=R4，測量信號Ui=1~5V（以0V為基準(zhǔn)），基準(zhǔn)電平UB=11V，導(dǎo)線電阻造成的壓降Ucm=－3~6V。

1．若Ui的極性如圖所示，試求Uo=？V2．當(dāng)R1＇＜＜R1＂時，若Ui的極性接反，試求Uo=？V3．IC的共模電壓輸入范圍=？V4．Ucm能否被放大？為什么？

5．電路有無電平移動？2930練習(xí)2、答：1、經(jīng)過計算，UO=-（1~5）V2、當(dāng)Ui的極性接反，二極管V1導(dǎo)通，使得兩端電壓鉗位在0.7V，相當(dāng)于輸入電壓為-0.7V，所以UO=0.7V。3、經(jīng)過計算，IC的共模電壓輸入范圍=4~8.5V4、因為Ucm是共模信號，放大器A對共模信號有抑制作用，所以Ucm沒有被放大。5、輸入信號以0V為基準(zhǔn)，輸出信號Uo以參考電平UB=11V為基準(zhǔn)，故電路有電平移動。31

（一）作用及原理電路

1、作用

Uo1進(jìn)行PD運算后放大α倍→Uo2

無電平移動

2、原理電路三、PD電路第三節(jié)ICE調(diào)節(jié)器32無源PD電路P電路R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－微分增益電阻微分電阻微分電容比例電阻33PD電路無源PD電路P電路R54、R55組成的分壓電路C18(R56+R62)組成的微分電路A6、R74+R73組成的比例電路（二）工作原理34U01經(jīng)R54和R55分壓后在R54上的壓降為在R55上的壓降為分壓比n=1035U02經(jīng)R74和R73分壓后若R74的滑動觸頭在最上端，反饋=輸出若R74的滑動觸頭在最下端，反饋=部分輸出36

∵R74=10K，R73=39Ω

37R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－定性分析t＝0，電容C18上的電壓不能突變，相當(dāng)于短路。UT=Uo1t＞0，R54上的電壓經(jīng)C18、(R56+R62)形成一個回路對C18充電，隨時間的增長，Uc18越來越大，UT越來越少。t＝∞，電容C18上充滿了電，相當(dāng)于開路，UT＝UO1/n，UO2＝αUT＝αUO1/n38Uo1、UT、Uo2的電路變化過程如圖所示:Uo1Uo1t=0UTUo1Uo1/nUo2αUo1αUo1/n0t0t0t39

（一）作用及原理電路

1、作用

UO2進(jìn)行PI運算→UO3

無電平移動

2、原理電路四、PI電路40A7R75R76C20R78R80S4－△＋C21Uo3UB×1×10分壓電阻比例電容積分電阻積分電容基準(zhǔn)電壓積分換檔開關(guān)41PI電路P電路I電路C20、C21、A7組成的電容分壓比例電路A7、R78+R80、C21組成的積分電路（二）工作原理42

定性分析：

Uo2有階躍變化,t＝0，C20和C21組成分壓式比例電路，∴Uo3（0）＝－C20UO2/C21

∵C20

＝C21

∴

Uo3（0）＝－UO2A7Uo3Uo21/C20S1/C21S＋－△43

t＞0，Uo2/m→R78+R80→C21→Uo3形成一個回路對C21充電。Uo2/m

＝常量，I1＝I2＝常量恒定電流對C21充電，UC21隨時間線性增長。

A7－△＋R78+R80C21I1Uo2/mI2Uo34445Uo2tC20Uo2/C21tUo2t=0t>0其輸出曲線為46

（一）作用及原理電路

1、作用

Uo3→Io10V→0V2、原理電路五、輸出電路47

A8UFUT－△＋R9510K24VI’oR100RL輸出指示表V13IoIfR9910KUfR9640KR9340KUo3UBR101輸入電阻反饋電阻反饋電阻限流電阻負(fù)載電阻輸出電流48

（二）工作原理R96R95UB24VUFR93R99Uo3UBUfUT4950假設(shè)If和Ib均比較小，忽略不計。則：62.5Ω1~5V4~20mA51

分析輸出電路的運算關(guān)系時，假設(shè)Ib

＝If＝0

則Io＝I’o＝Uo3/4R

假設(shè)Ib＝0是合理的。原來Ib就很小，再采用復(fù)合放大管，可以保證相同輸出的情況下使Ib更小假設(shè)If=0是不合理的。原來If是反饋電流，隨著Io的變化而變化。不同的輸出就有不同的反饋：I’o=4mA時，If最大。表現(xiàn)的誤差就最大。I’o=20mA時，If最小。表現(xiàn)的誤差就最小。5253

當(dāng)I’o=4mA時，If=0.255mA，它占I’o的6%以上，調(diào)節(jié)器的精度為±0.5%，最大誤差為1%，折合成電流為0.16mA。而0.255mA>0.16mA，所以電路結(jié)構(gòu)超出了誤差允許的范圍。

采用非對稱差動輸入電路。也就是讓Uo3的兩個輸入電阻R93≠R96

，當(dāng)R93=40.25KΩ=4(R95+R101)，就可以獲得精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系。54

（一）作用調(diào)節(jié)器有故障控制系統(tǒng)有故障系統(tǒng)開車投運時需要手動操作六、手動操作電路55

A7－△＋Uo2R75R76C20R78R80AMHC21RH2Uo3R91RH1RHVHS5AMH－Um＋UmRm1Rm1Rm2Rm2S5-1S5-2S5-3S5-4S6A/M/H切換開關(guān)56

A7－△＋U03C21(二)保持電路S6→“M”時，不按動S51～S54，A7的輸入端懸空。C21上的電壓既無充電也無放電。Uc21不變，∵UC21=Uo3

，Uo3不變，導(dǎo)致IO不變。57

保持特性定義：保持電路具有保持特性嗎？

理想狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器的輸出信號長期保持不變的特性稱為保持特性58

A7－△＋U03C21∵Rc≠∞∴C21通過本身的漏電阻Rc放電RcUos∵rid≠∞∴C21通過IC的差模輸入阻抗rid放電rid∵Uos≠0

∴Uos對C21充電或放電Ib1Ib2∵Ib≠0

∴Ib對C21充電或放電59選用帶前置級的IC參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Ib10PAU0S10mVrid1011ΩA7105C21

10μfRC1012Ω60若U03=5V時，使U03產(chǎn)生1%的誤差，各個因素所需的時間為：61

使UO3產(chǎn)生1%的誤差，漏阻RC和靜態(tài)偏流Ib用的時間比較少，對保持特性的影響最嚴(yán)重，為獲得比較好的保持特性，選用Ib極小的IC和RC極大的C21。

為了滿足保持特性的指標(biāo)，還要求切斷IC輸出和輸入之間的漏電(地絕緣)。62（三）軟手動電路

C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△＋U03S6→“M”，S5按下任一檔，形成軟手動電路軟手動電路本質(zhì)上就是一個積分電路C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△＋U0363

軟手動定義：

軟手動電路的輸出總是在保持電路的輸出的基礎(chǔ)上再增加(或減少)一個變化量

U03軟=U03?！馈鱑03輸出信號和軟手動操作電壓對時間的積分成正比64C21RM－Um＋UmIRMIC21

A7－△U0365軟手動操作有五種狀態(tài):

慢升、快升、慢降、快降、斷慢升→向右輕按軟手操扳鍵S5

、S5-2接通，－UM→RM1→RM2→S5-2→C21→U03，給C21反向充電(放電)，使I0從4mA→20mA用100S，稱之為慢升。

快升→向右重按軟手操扳鍵S5

、S5-1接通－UM→RM1→S5-1→C21→U03，給C21反向充電(放電)，使I0從4mA→20mA用6S，稱之為快升。66慢降→向左輕按軟手操扳鍵S5

、S5-4接通,+UM→RM1→RM2→S5-4→C21→U03

，給C21正向充電，使I0從20mA→4mA用100S，稱之為慢降?？旖怠蜃笾匕窜浭植侔怄IS5，S5-3接通

+UM→RM1→S5-4→C21→U03

，給C21正向充電，使IO從20mA下降到4mA用6S，稱之為快降。67“斷”就是一松手，軟手操扳鍵S5在彈簧作用下，自動彈回到“斷開”位置，即S5的1～4全斷開，電路處于保持狀態(tài)，IO不變。小結(jié):+UM→IO↓，－UM→IO↑。(RM1+RM2)→IO變化速度慢，RM1→IO變化速度快。68由于C21和RH2并聯(lián)，C21=10μF，RH2=30KΩ，τ=30KΩ×10μF=0.3S，時間常數(shù)非常小，故C21可以忽略不計C21

A7U03RH1RH2UH－△＋(四)硬手動電路

S6→硬手動時，就變成了硬手動操作電路69

硬手動電路本質(zhì)上就是一個阻性的比例運算電路。硬手動的定義：輸出信號和硬手動操作電壓成正比70

∵RH1=RH2=30K，∴UH和U03有一一的對應(yīng)關(guān)系，被稱為“硬手動”操作。71(五)切換

無平衡無擾動切換的定義：A無平無擾M有平無擾HA無平無擾M無平無擾H兩個信號不需要一個相等的過程，在切換一瞬間輸出信號沒有變化盡管M→H是有平衡無擾動切換，但是通常稱為雙向無平衡無擾動切換72方式切換

原因方式切換

原因方式A無平無擾∵S5沒按下,則C21沒有充放電,形成了保持特性M有平無擾∵Uh接通,則C21有充放電,無保持特性HPI電路I電路P電路A無平無擾∵U02事前儲存在C20中,切換時,C21無充放電,形成保持特性M無平無擾∵S5沒按下,C21無充放電,形成保持特性H73

（一）作用及原理電路

1、作用

1～5V→1～5mA0→10V2、原理電路七、指示電路74

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

S2處于“校驗”位置時：3V→3mA，在電流表上指示出標(biāo)準(zhǔn)信號的大小。否則：檢查校驗信號是否準(zhǔn)確，電流表的機械零點是否準(zhǔn)確S2處于“測量”位置時：76 UFR29R23U0UBUBUTR21R28UiUF＝(UO+UB)R29(R29+R23)UT＝UBR28＋UiR21(R21+R28)(R21+R28)77忽略IfUi

＝1~5VDC，調(diào)節(jié)R15

，IO＝1~5mA電流表應(yīng)指示I’0，實際卻指示I0。因為表頭內(nèi)阻會隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度出現(xiàn)誤差78

推導(dǎo)電路的傳遞函數(shù)時，利用變換阻抗是一種比較簡單的辦法（一）變換阻抗

八、傳遞函數(shù)79電阻電容

RI（S）U（S）1CSI(S)U(S)80R1CS變換阻抗的串聯(lián)變換阻抗的并聯(lián)1CSR81

（二）輸入電路的Wi(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

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

（三）PD電路的WPD(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

推出UO2(S)

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

（四）PI電路的WPI(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)節(jié)點電流定律先求流入的兩股電流=流出的一股電流

UO3(S)=A7*UF(S)

推出UO3(S)

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

（五）輸出電路的WO(s)

利用阻容的變換阻抗，根據(jù)疊加原理先求

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

令UF(S)=UT(S)

推出IO(S)

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

85

（六）整機的WPID(s)1、方框圖－2Ui(S)-US(S)U02(S)U03(S)U01(S)I0(S)862、傳遞函數(shù)87

I0轉(zhuǎn)換成U0，故方程兩邊同乘2508889練習(xí)3：推導(dǎo)PD電路的傳遞函數(shù)WPD(S)R56C18R549.1KR551KR62Uo1Uo2R7410KR7339ΩA6＋△－9091練習(xí)4：I系列手操器中的輸入指示電路如圖所示，試回答1、推導(dǎo)Uo和Ui的關(guān)系式。2、如果UB發(fā)生變化，會影響指示表的讀數(shù)嗎？3、如果Ui極性接反，Uo=?4、電路對Ucm有放大作用嗎？92R5R3R4R6R3=R4=R5=R6=RUi=1~5VUB=10VUiUcm＋－UBD3指示表Uo93謝謝大家94作業(yè)：2-1、ICE調(diào)解器在進(jìn)行軟手動操作時，PB、TI、TD隨便至于任何一擋，是否會對軟手動操作的輸出信號有影響，為什么？2-2、ICE調(diào)節(jié)器在沒有輸入信號的情況下，只要調(diào)節(jié)硬手動操作桿，產(chǎn)生輸出信號，就表明其比例積分電路和輸出電路處于正常工作狀態(tài)，為什么？2-3下圖所示的電路具有什么調(diào)節(jié)規(guī)律？圖中的電阻R2、R3和電容C1、C2各有什么作用？

952-4、ICE調(diào)節(jié)器的輸入電路為何采用差動輸入和電平移動電路？2-5、在ICE調(diào)節(jié)器的PD電路中，微分通斷開關(guān)從“斷”切換到“通”時，為什么輸出信號保持不變？962-6、ICE調(diào)節(jié)器的比例積分電路原理圖如圖所示，試回答：

1、當(dāng)Uo2=2V的階躍信號時，Uo3（t=0）=?V2、在正常的工作范圍內(nèi)，C21上的電壓UC21和輸出電壓Uo3大小相等，方向相反，對嗎？

3、本電路的比例增益與哪些元件有關(guān)？972-7、ICE調(diào)節(jié)器實現(xiàn)自動到軟手動，硬手動到自動無平衡無擾動切換的原因各是什么？982-11、某調(diào)節(jié)器的測量信號緩沖電路如圖所示，已知：R1=R2=R3=R4，測量信號Ui=1~5V(以0V為基準(zhǔn))，基準(zhǔn)電平UB=11V，導(dǎo)線電阻造成的壓降Ucm=-3~6V。1、若Ui的極性如圖所示，試求UO=?V2、當(dāng)R1’＜＜R2’’時，若Ui的極性相反，試求UO=?V3、IC的共模電壓輸入范圍=？V4、Ucm能否被放大，為什么？5、電路有無電平移動？99UiUcmR3R1’R1’’R4R2V1-+AR1UOUB1002-12某調(diào)節(jié)器的比例微分電路如圖所示，試回答：1、開關(guān)打在A和B時，電路各有什么調(diào)節(jié)作用？2、電容C1、C2，電阻R1的作用各是什么？3、Ui=1V的階躍輸入信號，t=0，UO=?V；t=∞，UO=?V+1012-1、答：不會，在軟手動操作時，當(dāng)開關(guān)S6打在M上時，此時與前級電路斷開，軟手操信號經(jīng)過電阻RM向電容C21充電，然后經(jīng)過輸出電路直接輸出。故PB、TI、TD隨便至于任何一擋，不會對軟手動操作的輸出信號有影響。102

2-2、答：當(dāng)ICE調(diào)節(jié)器處于硬手動操作狀態(tài)時，信號由硬手操電路給出，該信號不經(jīng)過比例微分電路，直接通過比例積分電路和輸出電路輸出，如果這兩部分電路工作正常，輸出信號就正常的積分。反之，說明電路工作不正常。103KoUoR0R1R2R3C1C2-UiG(s)H(s)X(s)Y(s)-當(dāng)開環(huán)放大倍數(shù)K0于∞時，整機特性取決于反饋回路的倒特性，在反饋電路中引入分壓電路，整機呈現(xiàn)比例特性，在反饋電路中引入積分電路，整機呈現(xiàn)微分特性，在反饋電路中引入微分電路，整機呈現(xiàn)積分特性。故電阻R2為積分電阻，電阻R3為微分電阻、電容C1為積分電容，電容C2為微分電容。2-3、答：1042-4、答：原因有三：1、獲取偏差信號；2、消除導(dǎo)線電阻壓降Ucm1、Ucm2的影響；3、滿足運算放大器的共模輸入電壓范圍的要求(輸入電路采用的運放為μPC157a，在24V單電源供電的情況下，運算放大器的共模輸入電壓范圍確定為2~19.5V。所以，運放的正、反相輸入端的電壓UT=UF不能超出2~19.5V，而測量信號是以0V為基準(zhǔn)的1~5V）1052-5、答：ABC開關(guān)—微分通斷開關(guān)，當(dāng)開關(guān)置于A，表示微分作用接通，整個電路具有PD作用；當(dāng)開關(guān)置于B，表示微分開關(guān)作用切斷，整個電路具有P作用。R61—保證ABC切斷開關(guān)從B(斷)到A(通)是無擾動切換。當(dāng)開關(guān)處于”B”時，微分作用切除，IC同相端電位

UT=UO1/n=UO1/10而電阻R54上的電壓經(jīng)過C18、開關(guān)CB、R61形成一條回路對C18進(jìn)行充電，電阻R54上的電壓全部充滿C18時，則