基本控制器

基型控制器（又稱基型調(diào)節(jié)器）對(duì)來(lái)自變送器的1?5V直流電壓信號(hào)與給定值相比較 所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4?20mA(DC)的控制信號(hào)。該控制器還具有偏差（或 測(cè)量值、給定值）指示、輸出指示、內(nèi)外給定及軟、硬手操和正、反作用切換等功能。

本節(jié)分析全刻度指示的基型控制器，其主要性能指標(biāo)為：控制精度<0.5%，測(cè)量和給 定信號(hào)指示精度±1%，比例度2%?500%，積分時(shí)間0. 01?25min (分兩擋）；微分時(shí)間 0.04?10min，負(fù)載電阻250?7500，輸出保持特性一0. 1 %/h。

該控制器由控制單元和指示單元兩部分組成。控制單元包括輸入電路、PD電路、PI電 路、輸出電路以及軟手操電路和硬手操電路等。指示單元包括測(cè)量信號(hào)指示電路和給定信號(hào) 指示電路。控制器的構(gòu)成方框圖如圖1-10所示，整機(jī)線路如圖1-25所示。

測(cè)量信號(hào)和內(nèi)給定信號(hào)均為1?5V(DC)，它們都通過(guò)各自的指示電路，由雙針指示表來(lái)顯示。兩指示值之差即為控制器的輸人偏差。

外給定信號(hào)為4?20mA的直流電流，通過(guò)250n的精密電阻轉(zhuǎn)換成1?5V(DC)的電壓 信號(hào)。內(nèi)外給定由開(kāi)關(guān)S6來(lái)選擇，在外給定時(shí)，儀表面板上的外給定指示燈亮。

控制器的工作狀態(tài)有“自動(dòng)”、“軟手操”、“硬手操”和“保持”四種，由開(kāi)關(guān)Si、S2 進(jìn)行切換。

當(dāng)控制器處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)在輸人電路內(nèi)進(jìn)行比較后產(chǎn)生偏差，然 后對(duì)此偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，并通過(guò)輸出電路將運(yùn)算電路的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4?20mA的直流 輸出電流。

當(dāng)控制器處于軟手操狀態(tài)時(shí)，可操作扳鍵S4 (見(jiàn)圖1-25)。Si處于不同的位置，可分別 使控制器處于保持狀態(tài)、輸出電流的快速增加（或減小）以及輸出電流的慢速增加 (或減小）。

當(dāng)控制器處于硬手操狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)硬手動(dòng)操作桿，能使控制器的輸出迅速地改變到需要 的數(shù)值。

本控制器“自動(dòng)#軟手操”的切換是雙向無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)的，“硬手操—軟手操”或“硬 手操—自動(dòng)”的切換也是無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)的，只有自動(dòng)或軟手操切換到硬手操時(shí)，必須預(yù)先平 衡方可達(dá)到無(wú)擾動(dòng)切換。

開(kāi)關(guān)s7可改變偏差講極性，借此選擇控制器的正、反作用。

此外，在控制器的輸人端與輸出端還分別附有輸入檢測(cè)插孔和手動(dòng)輸出插孔，當(dāng)控制器 出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，可利用這些插孔，無(wú)擾動(dòng)地?fù)Q接到便攜式手動(dòng)操作器，進(jìn)行手 動(dòng)操作。

本控制器由于采用高增益、高輸入阻抗的集成運(yùn)算放大器，具有較高的積分增益（高達(dá) 104)和良好的保持特性。

在基型控制器的基礎(chǔ)上，可構(gòu)成各種特種控制器，如抗積分飽和控制器、前饋控制器、 輸出跟蹤控制器、非線性控制器等；也可附加某些單元，如輸人報(bào)警、偏差報(bào)警、輸出限幅 單元等；還可構(gòu)成與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)聯(lián)用的控制器，如SPC系統(tǒng)用控制器和DDC備用 控制器。

輸人電路是由IQ等組成的偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路，如圖1-11所示。它的作用有兩個(gè): 一是將測(cè)量信號(hào)Ui和給定信號(hào)Us相減，得到偏差信號(hào)，再將偏差信號(hào)放大兩倍后輸出； 二是電平移動(dòng)，將以0V為基準(zhǔn)的L/i和Us轉(zhuǎn)換成以電平Ub(IOV)為基準(zhǔn)的輸出信號(hào)Uoi。

輸人電路采用圖1-11所示的偏差差動(dòng)輸人方式，是為了消除集中供電引入的誤差。如 果采用普通差動(dòng)輸人方式，供電電源回路在傳輸導(dǎo)線上的壓降將影響控制器的精度。如圖 1-12所示，兩線制變送器的輸出電流Ji在導(dǎo)線電阻尺上產(chǎn)生壓降Ucnh，這時(shí)控制器的輸 人信號(hào)不只是Ui，而是l/i+UCM1，電壓t/ovn就會(huì)引起運(yùn)算誤差。同樣，外給定信號(hào)在傳 輸導(dǎo)線電阻i^M2上的壓降UCM2也會(huì)引入附加誤差。

實(shí)際輸人電路的連接方式，是將輸人信號(hào)R跨接在IG的同相和反相輸人端上，而將 給定信號(hào)卩8反極性地跨接在這兩端，如圖1-13所示，這樣，兩導(dǎo)線電阻的壓降Ucm和 UCM2均成為輸入電路的共模電壓信號(hào)，由于差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，因 此這兩個(gè)附加電壓不會(huì)影響運(yùn)算電路的精度。

電平移動(dòng)的目的是使運(yùn)算放大器工作在允許的共模輸人電壓范圍之內(nèi)。若不進(jìn)行電平 移動(dòng)，即％ = 則從圖1-11或圖1-12可知，在信號(hào)下*，IG同相端和反相端的電壓Ut、 UF將小于IV，而在24V單電源供電時(shí)的運(yùn)算放大器共模輸人電壓的下限值一般在2V左右，因此在小信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器將無(wú)法正常工作。 現(xiàn)把IQ同相端的電阻沁接到電壓為10V的UB 上，這樣就提高了 1C,輸人端的電平（見(jiàn)圖 1-13)，而且輸出電壓。!也是以UB為基準(zhǔn)，故 輸出端的電平也隨之提高。

下面從電路的運(yùn)算關(guān)系對(duì)偏差差動(dòng)電平移動(dòng) 電路作進(jìn)一步的分析。若將看作理想運(yùn)算放大器，并取私= R2=R3 = Ri =R5^RG =R^500kCi, R7 = R8 = 5kn,則有

上述關(guān)系式表明：

①輸出信號(hào)僅與測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)Us的差值成正比，比例系數(shù)為_(kāi)2，而與導(dǎo) 線電阻上的壓降l/CM丨和L7CM2無(wú)關(guān)。

②由關(guān)系式(1-27)可知，IQ輸人端的電壓Ur、UF是在運(yùn)算放大器共模輸人電壓的允 許范圍（2?22V)之內(nèi)，所以電路能正常工作。

③把以0V為基準(zhǔn)的、變化范圍為1?5V的輸人信號(hào)，轉(zhuǎn)換成以10V為基準(zhǔn)的、變化范 圍為0?±8V的偏差輸出信號(hào)1。輸出偏差。!既是值，又是變化量，在以下討論P(yáng)ID 電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)，將用增量形式表示。

zui后還要說(shuō)明一點(diǎn)，前面的分析和計(jì)算都假定私與風(fēng)?及相等。事實(shí)上，為了保證偏 差差動(dòng)電平移動(dòng)電路的對(duì)稱性，私不應(yīng)與1相等，其阻值應(yīng)略大于R。

R6=R+(尺7//R8) = 502.5 (Ω)