化学工业出版社
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化工仪表及自动化第十章 自动控制仪表化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
自动控制仪表的作用与分类
控制仪表的能源形式
控制仪表的结构形式
控制仪表的信号形式
模拟式控制仪表
概述
DDZ-Ⅲ 型电动控制器
1
化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
数字式控制仪表
概述
可编程调节器的主要特点
可编程调节器的基本构成及原理
KMM可编程序调节器
2
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类控制仪表 或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制 。
一,控制仪表的能源形式按照仪表所用的能源控制仪表直接作用式控制器间接作用式控制器
3
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类
二、控制仪表的结构形式按控制仪表与自动控制系统中的检测,变送,显示等各部分的 组合方式 不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等 。
基地式控制仪表基地式控制仪表是将测量,变送,显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表 。
结构比较简单,常用于 单机控制系统 。
4
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类单元组合式仪表单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求,分成若干独立作用的单元,各单元之间用统一的标准信号联系 。
使用时,针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合,可以组成各种各样的自动检测和控制系统 。
优点 ① 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性 。
② 可以通过转换单元,把气动表,电动表,
甚至液动表联系起来,混合使用 。
5
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类
③ 由于各单元独立作用,所以在布局,安装,维护上也更合理,更方便 。
④ 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小,
无机械摩擦,精度高,使用寿命长,性能较好 。
⑤ 由于零部件的标准化,系列化,有利于大规模生产,
降低了成本,提高了产量和质量 。
⑥ 有利于发展新品种,采用新工艺,新技术 。
6
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类分类根据 使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表 。
单元组合仪表一般可以分为七大类单元 。
变送单元 (B)
显示单元 (X)
给定单元 (G)
辅助单元 (F)
控制单元 (T)
计算单元 (J)
转换单元 (Z)
在电动单元组合仪表中还包括执行单元 (K)。
7
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类气动单元组合仪表 是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.02～ 0.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为 1级 。
电动单元组合式仪表的发展阶段,
DDZ-Ⅰ 型 ——电子管器件为主要器件
DDZ-Ⅱ 型 ——晶体管等分立元件为主要器件
DDZ-Ⅲ 型 ——线性集成电路作为核心器件
8
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类
三、控制仪表的信号形式控制仪表模拟式控制仪表 数字是控制仪表
9
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
一、概述模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号 。
基本结构比较环节反馈环节放大器
10
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表基本功能? PID运算功能
测量值,给定值与偏差显示
输出显示
手动与自动的双向切换
内,外给定信号的选择
正,反作用的选择
11
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
一,DDZ-Ⅲ 型电动控制器
12
1,DDZ-Ⅲ 型仪表的特点
（ 1）采用国际电工委员会（ IEC）推荐的统一标准信号。
优点
电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,这不但利用了晶体管的线性段,而且容易识别断电,断线等故障 。
本信号制的电流 -电压转换电阻为 250Ω。
由于联络信号为 1～ 5V DC,可采用并联信号制,因此干扰少,连接方便 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
13
（ 2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。
优点
由于集成运算放大器均为差分放大器,且输入对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高 。
由于集成运算放大器有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高 。
由于采用了集成电路,焊点少,强度高,大大提高了仪表的可靠性 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
（ 3） Ⅲ 型仪表统一由电源箱供给 24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源。
优点
各单元省掉了电源变压器,没有工频电源进入单元仪表,既解决了仪表发热问题,又为仪表的防爆提供了有利条件 。
在工频电源停电时备用电源投入,整套仪表在一定时间内仍可照常工作,继续进行监视控制作用,有利于安全停车 。
14
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
15
（ 4） 内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用 。
（ 5） 自动,手动的切换是双向无扰动的方式进行的 。
（ 6） 整套仪表可构成安全火花防爆系统 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
16
图 10-1 DDZ-Ⅲ 型控制器结构方框图主要由输入电路,给定电路,PID运算电路,自动与手动 （ 包括硬手动和软手动两种 ） 切换电路,输出电路及指示电路等组成 。
Ⅲ 型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种 。
化学工业出版社
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17
图 10-2 DTL-3110型调节器正面图
1— 自动 -软手动 -硬手动切换开关； 2— 双针垂直指示器； 3— 内给定设定轮；
4— 输出指示器； 5— 硬手动操作杆； 6— 软手动操作板键； 7— 外给定指示灯； 8— 阀位指示器； 9— 输出记录指示； 10— 位号牌； 11— 输入检测插孔；
12— 手动输出插孔第二节 模拟式控制仪表化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
18
数字式控制器与模拟式控制器的异同点：
数字式控制器 模拟式控制器构成原理 数字技术 模拟技术所用器件 以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点相同点仪表总的功能和输入输出关系基本一致 。
一,概述化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
二,可编程调节器的 主要特点
19
1.功能丰富 。
2,通用性强 。
3.可靠性好 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
三、可编程调节器的基本构成及原理
20
图 10-3可编程调节器的原理方框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
四,KMM可编程序调节器
21
是一种单回路的数字控制器 。
可以接收 5个模拟输入信号,4个数字输入信号,
输出 3个模拟信号,输出 3个数字信号 。
可编程调节器的原理方框图
1.KMM调节器的面板及其功能键化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
2.KMM调节器的侧面图 10-5 KMM调节器的右侧面
1— 数据设定器 (任选 )； 2— 备用手操器；
3— 辅助开关； 4— 电源单元； 5— BUF板
(前 )； 6— IOC板 (中 )； 7— CPU板 (后 )
22
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www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
3.KMM的控制类型
KMM调节器内有两个 PID运算式,即 PID1和 PID2，
根据使用 PID运算式的个数及给定方式的不同,又可以分为四种控制类型 。
(1)控制类型 只用一个 PID运算式,采用本机内给定
(LSP),无串级 (CAS)状态 。
(2)控制类型 1 只用一个 PID运算式,在,自动,时以
LSP1为设定值 (内给 ),在串级 (CAS)状态时以 RSP1为设定值 (外给 ),来自其他调节器或运算器,也可来自本调节器内的其他运算单元的输出 。
23
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www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
(3)控制类型 2 用两个 PID运算式,在,自动,时,PID1的输出为 PID2的给定,PID1为内给定 (LSP1)。
(4)控制类型 3 用两个 PID运算式,有手动,自动,串级三种状态 (即 M,A,C),当处于自动状态时,PID2为本机给定 (LSP2)；处于串级状态时,PID2为外给定 (RSR2)。
RSP2可以是 PID1的输出,也可以是外来的模拟输入或某些运算单元的输出 。
24
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www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
0类型控制器 (1PID本机内给定 )
1类型控制器
(1PID串级型 )
2类型控制器 (2PID本机内给定 )
3类型控制器
(2PID串级型 )
方式指针手动
MAN
自动
AUTO
手动
MAN
自动
AUTO
串级
CAS
手动
MAN
自动
AUTO
手动
MAN
自动
AUTO
串级
CAS
PV指针
PV1 PV1 PV1 PV1 PV1 PV1
(PV2)
PV1
(PV2)
PV2
(PV1)
PV2
(PV1)
PV1
(PV2)
SP指针
LSP1 LSP1 LSP1
(RSP
1)
LSP1
(RSP
1)
RSP1 LSP1
(RSP
2)
LSP1
(RSP
2)
LSP2
(LSP
1)
LSP2
(LSP
1)
LSP1
(RSP
2)
表 10-1 各种控制类型下 PV,SP的内容注,LSP—Localset Point(本机内给定 )；
RSP—Remote Set Point(遥控外给定 )。
25
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www.cip.com.cn第三节 数字式控制仪表
4.KMM调节器的操作
(1)准备
(2)正常运行方式
① 手动 (MAN)方式
② 自动 (AUTO)方式
③ 串级 (CAS)方式
④ 跟踪 (FOLLOW)方式
(3)非正常运行方式
① 联锁手动方式 (IM)
② 后备方式 (S)
26
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www.cip.com.cn例题分析试述理想运算放大器的特点及各种运算电路。
解,理想运算放大器的主要特点有,输入阻抗 Ri =∞ ;输出阻抗 Ro=0;开环电压增益 A=∞ ;频带宽度 Δf OL =∞。
图 10-6是表示反相输入的电路,输入电压经阻抗 Zi后由放大器的反相端 (“-”端 )输入 。 输出电压经反馈阻抗 Z0反馈到输入端,
因而构成了一闭环电路 。 选择不同的反馈环节,可以使该闭环电路具有不同的运算作用 。 因而,
又称这种闭环电路为运算电路 。 图 10-6 反相输入电路图
27
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www.cip.com.cn例题分析由集成运算放大器的电压增益 A的定义可知
(VT-VF)·A=Vo
由于 A=∞,而 Vo受到电源电压的限制,为一有限值,故有 VT =VF如果 VT是接地的,由于 VF近似等于 VT,故称该点为
,虚地,。
因为 Ri=∞,故 Ib=0,于是有
Ii =-I0
考虑到 VF≈0,故有
0
0ZVZV
i
i
i
i
VZZV 00
或
(10-1)
28
化学工业出版社
www.cip.com.cn例题分析
sCZ 00
1?
sCZ ii
1?
当选择阻抗 Z0 和 Zi 为不同形式时,Vo就与 Vi有不同的关系,亦即构成不同的运算电路 。
Z0 和 Zi 都以复数阻抗形式出现 。 当 Z0和 Zi 分别为两个电容 C0和 Ci时,则
i
i V
C
CV
0
0
将此二式代入式 (10-1),则得
29
化学工业出版社
www.cip.com.cn例题分析这就是说,输出电压与输入电压成比例关系,为比例运算电路 。
ii RZsCZ,
1
0
0
当 Zi为一电阻 Ri,Z0为一电容 C0时,则
i
i
VsRCV
0
0
1
将此二式代入式 (10-1),则得
dtVRCV i
i
0
0
1
将上式反变换,便得这就是说,输出电压与输入电压的积分成比例,为积分运算电路。
30
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www.cip.com.cn例题分析
sCR
R
sCRZ iiiiii 1
1//
sZ 00
1?
当 Zi为一电阻 Ri与电容 Ci并联,而 Z0为一电容 C0时,则
i
ii
ii
i
ii V
sRCC
CV
sRC
sCRV
111
00
0
将此二式代入式 (10-1),则得
dtV
RCVC
CV
i
i
i
i
00
0
1
将上式反变换,便得这就是说,输出电压与输入电压成比例积分关系,为比例积分电路 。
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化工仪表及自动化第十章 自动控制仪表化学工业出版社
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自动控制仪表的作用与分类
控制仪表的能源形式
控制仪表的结构形式
控制仪表的信号形式
模拟式控制仪表
概述
DDZ-Ⅲ 型电动控制器
1
化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
数字式控制仪表
概述
可编程调节器的主要特点
可编程调节器的基本构成及原理
KMM可编程序调节器
2
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类控制仪表 或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制 。
一,控制仪表的能源形式按照仪表所用的能源控制仪表直接作用式控制器间接作用式控制器
3
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类
二、控制仪表的结构形式按控制仪表与自动控制系统中的检测,变送,显示等各部分的 组合方式 不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等 。
基地式控制仪表基地式控制仪表是将测量,变送,显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表 。
结构比较简单,常用于 单机控制系统 。
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类单元组合式仪表单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求,分成若干独立作用的单元,各单元之间用统一的标准信号联系 。
使用时,针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合,可以组成各种各样的自动检测和控制系统 。
优点 ① 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性 。
② 可以通过转换单元,把气动表,电动表,
甚至液动表联系起来,混合使用 。
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类
③ 由于各单元独立作用,所以在布局,安装,维护上也更合理,更方便 。
④ 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小,
无机械摩擦,精度高,使用寿命长,性能较好 。
⑤ 由于零部件的标准化,系列化,有利于大规模生产,
降低了成本,提高了产量和质量 。
⑥ 有利于发展新品种,采用新工艺,新技术 。
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类分类根据 使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表 。
单元组合仪表一般可以分为七大类单元 。
变送单元 (B)
显示单元 (X)
给定单元 (G)
辅助单元 (F)
控制单元 (T)
计算单元 (J)
转换单元 (Z)
在电动单元组合仪表中还包括执行单元 (K)。
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www.cip.com.cn第一节 控制仪表的作用与分类气动单元组合仪表 是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.02～ 0.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为 1级 。
电动单元组合式仪表的发展阶段,
DDZ-Ⅰ 型 ——电子管器件为主要器件
DDZ-Ⅱ 型 ——晶体管等分立元件为主要器件
DDZ-Ⅲ 型 ——线性集成电路作为核心器件
8
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三、控制仪表的信号形式控制仪表模拟式控制仪表 数字是控制仪表
9
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一、概述模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号 。
基本结构比较环节反馈环节放大器
10
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www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表基本功能? PID运算功能
测量值,给定值与偏差显示
输出显示
手动与自动的双向切换
内,外给定信号的选择
正,反作用的选择
11
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一,DDZ-Ⅲ 型电动控制器
12
1,DDZ-Ⅲ 型仪表的特点
（ 1）采用国际电工委员会（ IEC）推荐的统一标准信号。
优点
电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,这不但利用了晶体管的线性段,而且容易识别断电,断线等故障 。
本信号制的电流 -电压转换电阻为 250Ω。
由于联络信号为 1～ 5V DC,可采用并联信号制,因此干扰少,连接方便 。
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13
（ 2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。
优点
由于集成运算放大器均为差分放大器,且输入对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高 。
由于集成运算放大器有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高 。
由于采用了集成电路,焊点少,强度高,大大提高了仪表的可靠性 。
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www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
（ 3） Ⅲ 型仪表统一由电源箱供给 24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源。
优点
各单元省掉了电源变压器,没有工频电源进入单元仪表,既解决了仪表发热问题,又为仪表的防爆提供了有利条件 。
在工频电源停电时备用电源投入,整套仪表在一定时间内仍可照常工作,继续进行监视控制作用,有利于安全停车 。
14
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www.cip.com.cn第二节 模拟式控制仪表
15
（ 4） 内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用 。
（ 5） 自动,手动的切换是双向无扰动的方式进行的 。
（ 6） 整套仪表可构成安全火花防爆系统 。
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16
图 10-1 DDZ-Ⅲ 型控制器结构方框图主要由输入电路,给定电路,PID运算电路,自动与手动 （ 包括硬手动和软手动两种 ） 切换电路,输出电路及指示电路等组成 。
Ⅲ 型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种 。
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图 10-2 DTL-3110型调节器正面图
1— 自动 -软手动 -硬手动切换开关； 2— 双针垂直指示器； 3— 内给定设定轮；
4— 输出指示器； 5— 硬手动操作杆； 6— 软手动操作板键； 7— 外给定指示灯； 8— 阀位指示器； 9— 输出记录指示； 10— 位号牌； 11— 输入检测插孔；
12— 手动输出插孔第二节 模拟式控制仪表化学工业出版社
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18
数字式控制器与模拟式控制器的异同点：
数字式控制器 模拟式控制器构成原理 数字技术 模拟技术所用器件 以微处理机为核心部件以运算放大器等模拟电子器件为基本部件不同点相同点仪表总的功能和输入输出关系基本一致 。
一,概述化学工业出版社
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二,可编程调节器的 主要特点
19
1.功能丰富 。
2,通用性强 。
3.可靠性好 。
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三、可编程调节器的基本构成及原理
20
图 10-3可编程调节器的原理方框图化学工业出版社
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四,KMM可编程序调节器
21
是一种单回路的数字控制器 。
可以接收 5个模拟输入信号,4个数字输入信号,
输出 3个模拟信号,输出 3个数字信号 。
可编程调节器的原理方框图
1.KMM调节器的面板及其功能键化学工业出版社
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2.KMM调节器的侧面图 10-5 KMM调节器的右侧面
1— 数据设定器 (任选 )； 2— 备用手操器；
3— 辅助开关； 4— 电源单元； 5— BUF板
(前 )； 6— IOC板 (中 )； 7— CPU板 (后 )
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3.KMM的控制类型
KMM调节器内有两个 PID运算式,即 PID1和 PID2，
根据使用 PID运算式的个数及给定方式的不同,又可以分为四种控制类型 。
(1)控制类型 只用一个 PID运算式,采用本机内给定
(LSP),无串级 (CAS)状态 。
(2)控制类型 1 只用一个 PID运算式,在,自动,时以
LSP1为设定值 (内给 ),在串级 (CAS)状态时以 RSP1为设定值 (外给 ),来自其他调节器或运算器,也可来自本调节器内的其他运算单元的输出 。
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(3)控制类型 2 用两个 PID运算式,在,自动,时,PID1的输出为 PID2的给定,PID1为内给定 (LSP1)。
(4)控制类型 3 用两个 PID运算式,有手动,自动,串级三种状态 (即 M,A,C),当处于自动状态时,PID2为本机给定 (LSP2)；处于串级状态时,PID2为外给定 (RSR2)。
RSP2可以是 PID1的输出,也可以是外来的模拟输入或某些运算单元的输出 。
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0类型控制器 (1PID本机内给定 )
1类型控制器
(1PID串级型 )
2类型控制器 (2PID本机内给定 )
3类型控制器
(2PID串级型 )
方式指针手动
MAN
自动
AUTO
手动
MAN
自动
AUTO
串级
CAS
手动
MAN
自动
AUTO
手动
MAN
自动
AUTO
串级
CAS
PV指针
PV1 PV1 PV1 PV1 PV1 PV1
(PV2)
PV1
(PV2)
PV2
(PV1)
PV2
(PV1)
PV1
(PV2)
SP指针
LSP1 LSP1 LSP1
(RSP
1)
LSP1
(RSP
1)
RSP1 LSP1
(RSP
2)
LSP1
(RSP
2)
LSP2
(LSP
1)
LSP2
(LSP
1)
LSP1
(RSP
2)
表 10-1 各种控制类型下 PV,SP的内容注,LSP—Localset Point(本机内给定 )；
RSP—Remote Set Point(遥控外给定 )。
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4.KMM调节器的操作
(1)准备
(2)正常运行方式
① 手动 (MAN)方式
② 自动 (AUTO)方式
③ 串级 (CAS)方式
④ 跟踪 (FOLLOW)方式
(3)非正常运行方式
① 联锁手动方式 (IM)
② 后备方式 (S)
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解,理想运算放大器的主要特点有,输入阻抗 Ri =∞ ;输出阻抗 Ro=0;开环电压增益 A=∞ ;频带宽度 Δf OL =∞。
图 10-6是表示反相输入的电路,输入电压经阻抗 Zi后由放大器的反相端 (“-”端 )输入 。 输出电压经反馈阻抗 Z0反馈到输入端,
因而构成了一闭环电路 。 选择不同的反馈环节,可以使该闭环电路具有不同的运算作用 。 因而,
又称这种闭环电路为运算电路 。 图 10-6 反相输入电路图
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(VT-VF)·A=Vo
由于 A=∞,而 Vo受到电源电压的限制,为一有限值,故有 VT =VF如果 VT是接地的,由于 VF近似等于 VT,故称该点为
,虚地,。
因为 Ri=∞,故 Ib=0,于是有
Ii =-I0
考虑到 VF≈0,故有
0
0ZVZV
i
i
i
i
VZZV 00
或
(10-1)
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sCZ 00
1?
sCZ ii
1?
当选择阻抗 Z0 和 Zi 为不同形式时,Vo就与 Vi有不同的关系,亦即构成不同的运算电路 。
Z0 和 Zi 都以复数阻抗形式出现 。 当 Z0和 Zi 分别为两个电容 C0和 Ci时,则
i
i V
C
CV
0
0
将此二式代入式 (10-1),则得
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ii RZsCZ,
1
0
0
当 Zi为一电阻 Ri,Z0为一电容 C0时,则
i
i
VsRCV
0
0
1
将此二式代入式 (10-1),则得
dtVRCV i
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0
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将上式反变换,便得这就是说,输出电压与输入电压的积分成比例,为积分运算电路。
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sCR
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1//
sZ 00
1?
当 Zi为一电阻 Ri与电容 Ci并联,而 Z0为一电容 C0时,则
i
ii
ii
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ii V
sRCC
CV
sRC
sCRV
111
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将此二式代入式 (10-1),则得
dtV
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将上式反变换,便得这就是说,输出电压与输入电压成比例积分关系,为比例积分电路 。
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化学工业出版社
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