2009-7-30
第四章 控制器本章学习要求完成本章内容的学习后应能做到：
1.掌握 PID调节规律及实现方法
2.掌握模拟 PID控制器的构成和原理
3.掌握模拟 PID控制器的构成和原理上页 下页
PID调节规律及实现方法
模拟调节器
数字控制器
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控制器的作用 是将被控变量测量值与结定值进行比较,然后对比较后得到的偏差进行比例,
积分,微分等运算,并将运算结果以一定的信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制 。
模拟调节器 （ 控制算法由电路实现 ）
数字控制器 （ 含 CPU,控制算法由程序实现 ）
一般调节器还需要具备如下功能,以适应自动控制的需要：
偏差指示 指示偏差信号模拟调节器 ——指针式表头全刻度指示,输入信号和设定值分别由不同的指针在 0～ 100％ 范围指示偏差值指示,仅利用一个指针来指示偏差信号
± 30％
数字控制器 ——通过 LED或者液晶屏显示
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输出显示 显示调节器输出信号的大小,习惯上输出显示表也称作阀位表 。
内,外给定的选择 给定信号可以由调节器内部产生,也可以由其它仪表外部提供内给定的调整 若设定值为内给定,用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正,反作用的选择何谓正作用？ 何谓反作用？
为了构成一个负反馈控制系统,必须正确的确定调节器的正,反作用,否则整个控制系统就无法正常运行 。 调节器的正,反作用,是通过正,反作用开关来选择的 。
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手 /自动双向切换 何谓手动？ 何谓自动？ 为什么要进行手自动切换？
手动操作 可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出无扰动切换 手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动,
即调节器的输出信号不发生突变 （ 即必须要求无扰动切换 ）
Kp/Ti/Td的设置 改变控制器的特性
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调节器的初步认识 1
2
3
4
5
6
6
7
图 4-2 DDZ－ III型调节器正面图
1－位号牌 2－内外给定指示 3－内给定设定拨盘
4-A/M/H切换 5－阀位表 6－软手动操作扳键
7－双针全刻度指示表
4.2 模拟控制器
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DDZ－ II型仪表
（包括 调节器 ）
DDZ一 III型仪表
（包括 调节器 ）
III型仪表优点电 源 220VAC 24VDC集中供电
·可用 24VDC蓄电池作备用电源
·仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。
防 爆 隔离防爆本安型防爆
（安全火花型）
故障状态：电流小于 35mA,电压小于 35VDC,可带电维修 。
输出信号 0~10mA 4~20mA
① 电气零点从 4 mA开始,不与机械零点重合,容易识别断电,断线等故障 。
② 只要改变转换电阻阻值,便可接收其他电流信号,例如将 10～ 50mA等直流电流信号转换为 l～ 5V信号 。
③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。
输入信号 0~10mA
4~20mA
1~5V
元器件分离元件
（电阻、电容、晶体管 …… ）
集成电路
（运放电路 …… ）
① 由于集成运放均为差分放大器,且输人对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高 。
② 由于集成运放有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高 。
③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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指示表头单针偏差指示
（ 0~± 30%）
有双针全刻度大表头指示（ 0
~100%）
分别指示测量值 （ 红针 ）,给定值 （ 黑针 ）
当仪表置于,内给定,,设定值由黑针指示 。
手动方式硬手动 硬手动、
软手动硬手动 ——输出与拨盘数值直接对应软手动 ——同时按下软手动操作板键 6,调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作,这样控制比较平稳精细,只有当需要给出恒定不变的操作信号 （ 例如,
阀的开度要求长时间不变 ） 或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下,才使用硬手动操作 。
手自动切换预平衡 无平衡、
无扰动
,自 动,?,软手动,切换是双向无平衡无扰动
,硬手动,?,软手动,切换是无平衡无扰动
,硬手动,?,自 动,切换是无平衡无扰动
,软手动,?,硬手动,切换是预平衡无扰动
,自 动,?,硬手动,切换是预平衡无扰动其 它 ·正反作用切换（操作点：
调节器内部）
·PID参数设置（操作点：
调节器内部）
·…………
二者基本相同
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DDZ―Ⅲ 型电动调节器简介
DDZ― Ⅲ 型调节器的基本性能
DDZ― Ⅲ 型调节器的基本组成
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DDZ―Ⅲ 型电动调节器
DDZ― Ⅲ 型调节器有两种,全刻度指示调节器 和 偏差指示调节器它们的结构和线路相同,仅指示电路有些差异 。
这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的,
对偏差进行 PID运算偏差指示正反作用切换内外给定切换 (产生内给定信号 )
手动 /自动双向切换阀位显示等功能 。
在基型调节器的基础上,可附加某些单元,如输入报警,偏差报警,输出限幅单元等 。 也可构成各种特种调节器,如抗积分饱和调节器,前馈调节器,输出跟踪调节器,非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器 。
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P.36
基型调节器的构成方框图
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基型调节器的整机电路仅作参考
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基型调节器的电路分析输入电路原理图
① 是为了消除集中供电引入的误差 。
② 是为了保证运算放大器的正常工作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的,
(1)输入电路,
输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用,一是偏差检测与放大；二是电平移动 。
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(1)输入电路同相端电压
12
1 ()
3T S C M C M BU U U U U
R2
R3
R6
——UCM1
——US+UCM2
——UB
反相端电压
R1
R4
R5
——UCM1+Ui
——UCM2
——UB+U’01
1 2 0 1
1 ()
3F i C M C M BU U U U U U
01 ()isU U U
－
＋
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
UB
U01
U’01
Ui
UCM1 UCM2
US
输入电路的输入输出特性
01 2 ( )isU U U
与 UCM1,UCM2,UB无关问题一 调节器的正反作用如何体现？ 事实上图中所示的调节器是正作用的
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同相端电压
12
1 ()
3T i C M C M BU U U U U
R1
R4
R6
——UCM1+Ui
——UCM2
——UB
反相端电压
R2
R3
R5
——UCM1
——UCM2+US
——UB+U’01
1 2 0 1
1 ()
3F s C M C M BU U U U U U
01 ()isU U U
输入电路的输入输出特性
01 2 ( )isU U U
与 UCM1,UCM2,UB无关问题二 为什么要电平移动？
－
＋
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
UB
U01
U’01
Ui
UCM1 UCM2
US
仅作参考
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同相端电压
12
1 ()
3C T i C M C M BU U U U U U
共模输入电压通常,Ui为 1～ 5V,UCM1,UCM2为 0.2～
1V如果,U
B＝ 0V,则 UC＝ UT为 0.47～ 2.33V
不满足运放的共模输入要求。 FC52高增益运放共模电压允许范围为 2－ 19V,美国 uA741共模电压允许范围为 1－ 23V，
a) 输出信号 Uo1 仅与测量信号 Ui和给定信号 Us差值成正比
b) 而与导线电阻上的压降 UCM1,UCM2和 UB无关。
c) 比例系数为 2（符号与正反作用的位置有关）
d) 把以零伏为基准的、变化范围为 1～ 5V的输入信号，转换成以 UB (10V)为基准的、变化范围为 0～± 8V的偏差输出信号
U01。
结论：
仅作参考如果,UB＝ 10V,则 UC＝ UT为 3,7～ 5.7V满足运放的共模输入要求
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(2)比例微分电路
－
＋
CD
RD
RP
RP2
UB
U02
U’02
RP0
U01
R11
R12
反相端电压
2
0 2 0 2
1
1P
F
PP
RU U U
RR
11 0,3 9 [ 1,2 5 0 ]PPR K R
同相端电压
CD
RD
U01
R11
R12
12T R R DU U U
121 2 0 1 0 1
1 1 1 2
1
R
RU U U
R R n
1111 01 01
11 12
1
R
R nU U U
R R n
01 01
11**
1 1D
D D D
R
DDD
D
R R C SnnU U U
n R C S nR
CS
D D D DT n R C K n
11
12
9.1
1
10
RK
RK
n
01 01 01
11 1 1
1 1
D D D
T
DDD
D
R C S T SnU U U U
TSR C S n n n
K
R11=9.1K R12=1K
RD=62K~15M
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反相端电压 2 0 2 0 21 1PF PPRU U URR
同相端电压
01 01 01
11 1 1
1 1
D D D
T
DDD
D
R C S T SnU U U U
TSR C S n n n
K
输入输出特性
02
01
1()
1
D
D
D
D
U TSGs
TSUn
K
DKn?
1
2
[ 1 2 5 0 ]PP
P
RR
R?
,
11 12
12
10RRn R
阶跃响应曲线？
输入端加入 U01时，求 02 (0)U?
02 ()U
0 1 0 1DPK K U U
0 1 0 1PK U Un
[ 0,0 4,1 0 ] m inD D DT n R C
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“通
” U01加入的瞬间 CD上的电压不能突变 UT上的电压＝ U01
UT上的电压逐渐下降 UT上的电压＝ 1/n*U01
“断
” UT上的电压＝ 1/n*U01
CD右端的电压 1/n*U01
重新把开关从,断,的状态打回到,通,的状态时,CD右端的电压与 UT端相同，运放的输出不会产生突变（无扰动切换）
－
＋
CD
RD
RP
RP2
UB
U02
U’02
RP0
U01
R11
R12
R10
断通仅作参考
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(3)比例 -积分电路
1( ) ( 1 )I
PI
MI
CGS
C T S
PI电路的 主要作用 是对来自 PD电路的输出 U02
进行比例积分运算
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
仅作参考
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理想的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U02
电容 C的阻抗,1CSStep 1
03 02( ) ( )
I
M
CU s U s
C
Step 2
03 02
1( ) ( )
*MIU s U sC S R
根据叠加性质
0 3 0 3 0 3 0 2 0 2
1( ) ( ) ( ) ( ) ( )
*
I
M M I
CU s U s U s U s U s
C C S R
03
02
() 1( ) ( 1 )
()
I
PI
M I I
Us CGS
U s C R C S
仅作参考
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实际的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U02
Step 1
0 2 0 3( ) ( ) ( )IMF
M I M I
CCU s U s U s
C C C C
Step 2
( ) 0TUs?
0 3 3( ) ( )TFU s K U U
0 2 0 3
1( ) ( ) ( )
11 IMF I M I M
R C SU s U s U s
R C S R C S
( ) 0TUs?
0 3 3( ) ( )TFU s K U U
330 3 0 2
33
( ) [ ] ( )1I
M M I I M I M
K C KU s U s
K C C C K R C S R C S
仅作参考
2009-7-30
实际的比例积分特性
：
03 02
3 3 3 3
11( ) [ ] ( )
11
I
I I I IM
II
MM
CU s U s
C R C S CC R C S
K K C K K C
330 3 0 2
33
( ) [ ] ( )1I
M M I I M I M
K C KU s U s
K C C C K R C S R C S
03 02
3 3 3 3
1( ) [ ] ( )
1
I
M I I M
M I M
CU s U s
C C R C SC R C S
K K K K
03 02
3 3 3 3
1( ) [ ] ( )
11( 1 ) ( )
I
II
M M I
MM
CU s U s
C R SC C R S
K K C K K C
03 02
3 3 3 3
( ) [ ] ( )1
( 1 ) ( )
II
I I I I
M M I I
MM
CCU s U s
C R C S CC C R C S
K K C K K C
仅作参考
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实际的比例积分特性
：
03 02
3 3 3 3
11( ) [ ] ( )
11
I
I I I IM
II
MM
CU s U s
C R C S CC R C S
K K C K K C
0 3 0 2
3 3 3 3
1
1( ) [ ] ( )
1 1 11 1 *
II
IIM
M M I
C T SU s U s
CCC
K K C K K C T S
3
3
111*
11*
I
I M II
IM
MI
C
T S K C T SC
CC
K C T S
03
02
3
1
() [ 1 ]
1() 1*
II
IM
MI
Us C T S
CU s C
K C T S
3
3
11 ( 1 )
11*
I
MII
IM
MI
C
K C T SC
CC
K C T S
03
3
02
1
1
()
1()
1
I I M
I
MI
II
Us C T S C
KK
U s C C
K T S
仅作参考
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理想的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U’02
(
11( ) ( 1 ) ( 1 )II
PI
M I I M I
CCGS
C m R C S C T S理想)
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
× 10 × 1
R14
R15
在“× 10”时在“× 1”时
15
0 2 0 2 0 2
1 4 1 5
1 ( 1 0 )RU U U m
R R m
0 2 0 2 0 2
1 ( 1 )U U U m
m
3
11
( ) = 11
11
I I I I I
PI
IMM
IIM I I
C m R C S C T SGs
mCCC
K T SK C m R C S
3
I I I
M
I
I
T mR C
KC
K
mC
仅作参考
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在阶跃输入信号作用下,PI电路输出的时间函数表达式为
02
1
03 ])1([)( UeKKC
CtU tTK
II
M
I II
比例积分的阶跃响应特性特性：
比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差 。
仅作参考
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(4) 整机传递函数
-2U
i
US
－
U01 1
1
D
D
D
TS
TSn
K
U02
11
11
II
M
II
C T S
C
K T S
U03
1
1
1
( ) 2 * * [ ]
1
11
D I I
D M
IID
T S C T S
Ws
TSnC
K T SK
1
1
2 [ * ]
11
I D I
DM
IID
C T S T S
TSnC
K SK
1
1
1
1
D
D
II
P
DD
D I I D I I
T
TS
T T S
K
T T S
K K T K K T S
1
1
1
D
I
P
D
D I I
F T S
TS
K
TS
K K T S
仅作参考
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'
'
'
'
'
PP
II
D
D
I
I
D
D
K FK
T FT
T
T
F
K
K
F
K
K
F
1
()
1
1
D
I
P
D
D I I
F T S
TS
W s K
TS
K K T S
11D
I
TF
T
1
1
()
1
1
1
1
1
1
D
I
P
D
DI
I
D
I
P
D
D I I
T
S
T FS F
W s K F
T
S
F
KK
T FS
FF
TS
TS
K
TS
K K T S
仅作参考
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调节器的 PID运算电路是由 PD电路和
PI电路串联构成。
a) KP,TI,TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大
（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。
b) 相互干扰系数 F是一个大于 1的数,
其大小与积分时间和微分时间的大小有关 。
相互干扰系数 F的表达式取决于调节器的结构。
干扰系数 F反映调节器参数 (主要是 KP,TI,TD) 互相影响的一个参数。
11D
I
TF
T
'
'
'
'
'
PP
II
D
D
I
I
D
D
K FK
T FT
T
T
F
K
K
F
K
K
F
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(5)输出电路
输出电路
输出电路的作用是将比例积分电路输出的以 UB为基准的 1~5VDC电压信号 U03转换为流过负载 RL（ 一端接地）的
4~20mADC输出电流 I0
仅作参考
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输出电路
I0= I0' -If 仅作参考
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输出电路
03
24
23
04 URR
RU
23
04
04
0
'
R
U
I
R
U
I
f
H
I0= I0' -If
)( 23
24
03
0
H
H
R
RR
RR
UI?
仅作参考
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(6)手操电路手动操作电路原理图硬手操的操作旋钮手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式仅作参考
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软手操电路
－
＋
CM
UB
U03－ VR
RM1 RM2
RM1 RM2
＋ VR
S41
S42
S43
S44
－
＋
CM
UB
U03UR (-VR)
RM1
03 ()
()R
US
US?
1
1
MMC R S
( )RUS? RV
S
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S? 03
1
R
MM
VUt
CR?
当 S41按下时：
仅作参考
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当 S41按下时：
－
＋
CM
UB
U03
－ VR
RM1 RM2
RM1 RM2
＋ VR
S41
S42
S43
S44
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S? 03 1
R
MM
VUt
CR?
当 S42按下时：
03 2
12
1()
()RM M M
VUS
C R R S 03 12()RM M M
VUt
C R R
当 S43按下时：
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S
03
1
R
MM
VUt
CR
当 S44按下时：
03 2
12
1()
()RM M M
VUS
C R R S
03 12()RM M M
VUt
C R R
快速上升慢速上升快速下降慢速下降仅作参考
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扳键 S4扳向软手操输入电压 +UR一侧时,+VR通过由 RM,CM和 A3 组成的积分电路使 U03线性下降；
当扳键 S4扳向 -UR一侧时,U03线性上升 。
按下扳键 S4的时间越长,U03的改变越大如果 S41～ S44都不按下的时候,如右图：
在实际电路中,CM＝ 10μF,RM1＝ 30kΩ,RM2＝ 470kΩ
如果使 U03的输出在 1～ 5V全量程范围内变化,则：
在快速手操状态下,需要 6秒在慢速手操状态下,需要 100秒电容 CM上没有电流,CM上的电压保持不变,即 U03不变说明该手操电路有很好的保持性 。
（ 输出保持：－ 0.1％ /小时 ）
－
＋
CM
UB
U03
S2的作用,使积分电容 CI的右端电压恒等于 UB,以实现无扰动切换 。
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硬手操电路
－
＋
CM
UB
U03
RH
RF
WH
UH
仅作参考
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因为 RF==RH=30kΩ
所以 U03=–UH
03 ()
()H
US
US?
1()
1
F
H F M
R
R R C S
－
＋
CM
UB
U03
RH
RF
WH
UH1
// F
M
H
R
CS
R
F
H
R
R
仅作参考
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手自动操作之间的切换自动 (A),软手动 (M),硬手动 (H)
A→M UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
M→A UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
M→H UF会变,U03会跳变,必须进行预平衡操作,然后进行切换
H→M UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
A→H UF会变,U03会跳变,必须进行预平衡操作,然后进行切换
H→A UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换仅作参考
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(7)指示电路
oiUU?
－
＋
R
R
R 500kΩ
R
RL
820Ω
UB
U0U
i
330Ω
I0
I’0
IF
作用：把 1～ 5V输入转化成 1～ 5mA
的电流信号，该电流通过动圈表头指示出来。
如图所示的电流分布情况：
252
iB
F
UUI
R
0
1
i
L
IUR Bi
L
URURRI
2525
0 2
1)
2
11(
可以通过调整指示表的机械零点去除调整 RL,把 1～ 5V的 Ui转化成 1～ 5mA的 Io。
仅作参考
2009-7-30
(8)限幅电路
－
＋
UB
U02
U03
＋ 24V
U’03
VT1
+
7V
－ U
H
U
L
b
e
c
b
e
c
VT
2
UH为上限电压
UL为下限电压
(UH> UL)
当 U’03>UH+Ueb1时（ Ueb1为
VT1发射级的正向压降），
VT1的发射极正偏而导通，
由于 Uh和 Ueb1是恒定的，因此 U’03也被限制在恒定的值上。
由于,UH>UL,U’03 >UL,VT2
的发射极反偏而截止。
当 U’03<UL-Ueb2时,VT2导通,U’03也被限制在恒定的值上。此时 VT1截止。
当 UL < U’03<UH 时,VT1和 VT2均 截止，对调节器的输出没有影响。
第四章 控制器本章学习要求完成本章内容的学习后应能做到：
1.掌握 PID调节规律及实现方法
2.掌握模拟 PID控制器的构成和原理
3.掌握模拟 PID控制器的构成和原理上页 下页
PID调节规律及实现方法
模拟调节器
数字控制器
2009-7-30
控制器的作用 是将被控变量测量值与结定值进行比较,然后对比较后得到的偏差进行比例,
积分,微分等运算,并将运算结果以一定的信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制 。
模拟调节器 （ 控制算法由电路实现 ）
数字控制器 （ 含 CPU,控制算法由程序实现 ）
一般调节器还需要具备如下功能,以适应自动控制的需要：
偏差指示 指示偏差信号模拟调节器 ——指针式表头全刻度指示,输入信号和设定值分别由不同的指针在 0～ 100％ 范围指示偏差值指示,仅利用一个指针来指示偏差信号
± 30％
数字控制器 ——通过 LED或者液晶屏显示
2009-7-30
输出显示 显示调节器输出信号的大小,习惯上输出显示表也称作阀位表 。
内,外给定的选择 给定信号可以由调节器内部产生,也可以由其它仪表外部提供内给定的调整 若设定值为内给定,用户可以调整调节器上的内给定拨盘来改变设定值正,反作用的选择何谓正作用？ 何谓反作用？
为了构成一个负反馈控制系统,必须正确的确定调节器的正,反作用,否则整个控制系统就无法正常运行 。 调节器的正,反作用,是通过正,反作用开关来选择的 。
2009-7-30
手 /自动双向切换 何谓手动？ 何谓自动？ 为什么要进行手自动切换？
手动操作 可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出无扰动切换 手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动,
即调节器的输出信号不发生突变 （ 即必须要求无扰动切换 ）
Kp/Ti/Td的设置 改变控制器的特性
2009-7-30
调节器的初步认识 1
2
3
4
5
6
6
7
图 4-2 DDZ－ III型调节器正面图
1－位号牌 2－内外给定指示 3－内给定设定拨盘
4-A/M/H切换 5－阀位表 6－软手动操作扳键
7－双针全刻度指示表
4.2 模拟控制器
2009-7-30
DDZ－ II型仪表
（包括 调节器 ）
DDZ一 III型仪表
（包括 调节器 ）
III型仪表优点电 源 220VAC 24VDC集中供电
·可用 24VDC蓄电池作备用电源
·仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。
防 爆 隔离防爆本安型防爆
（安全火花型）
故障状态：电流小于 35mA,电压小于 35VDC,可带电维修 。
输出信号 0~10mA 4~20mA
① 电气零点从 4 mA开始,不与机械零点重合,容易识别断电,断线等故障 。
② 只要改变转换电阻阻值,便可接收其他电流信号,例如将 10～ 50mA等直流电流信号转换为 l～ 5V信号 。
③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。
输入信号 0~10mA
4~20mA
1~5V
元器件分离元件
（电阻、电容、晶体管 …… ）
集成电路
（运放电路 …… ）
① 由于集成运放均为差分放大器,且输人对称性好,漂移小,仪表的稳定性得到提高 。
② 由于集成运放有高增益,因而开环放大倍数很高,这使仪表的精度得到提高 。
③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。
2009-7-30
指示表头单针偏差指示
（ 0~± 30%）
有双针全刻度大表头指示（ 0
~100%）
分别指示测量值 （ 红针 ）,给定值 （ 黑针 ）
当仪表置于,内给定,,设定值由黑针指示 。
手动方式硬手动 硬手动、
软手动硬手动 ——输出与拨盘数值直接对应软手动 ——同时按下软手动操作板键 6,调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作,这样控制比较平稳精细,只有当需要给出恒定不变的操作信号 （ 例如,
阀的开度要求长时间不变 ） 或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下,才使用硬手动操作 。
手自动切换预平衡 无平衡、
无扰动
,自 动,?,软手动,切换是双向无平衡无扰动
,硬手动,?,软手动,切换是无平衡无扰动
,硬手动,?,自 动,切换是无平衡无扰动
,软手动,?,硬手动,切换是预平衡无扰动
,自 动,?,硬手动,切换是预平衡无扰动其 它 ·正反作用切换（操作点：
调节器内部）
·PID参数设置（操作点：
调节器内部）
·…………
二者基本相同
2009-7-30
DDZ―Ⅲ 型电动调节器简介
DDZ― Ⅲ 型调节器的基本性能
DDZ― Ⅲ 型调节器的基本组成
2009-7-30
DDZ―Ⅲ 型电动调节器
DDZ― Ⅲ 型调节器有两种,全刻度指示调节器 和 偏差指示调节器它们的结构和线路相同,仅指示电路有些差异 。
这两种基型调节器均具有一般调节器应具有的,
对偏差进行 PID运算偏差指示正反作用切换内外给定切换 (产生内给定信号 )
手动 /自动双向切换阀位显示等功能 。
在基型调节器的基础上,可附加某些单元,如输入报警,偏差报警,输出限幅单元等 。 也可构成各种特种调节器,如抗积分饱和调节器,前馈调节器,输出跟踪调节器,非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器 。
2009-7-30
P.36
基型调节器的构成方框图
2009-7-30
基型调节器的整机电路仅作参考
2009-7-30
2009-7-30
2009-7-30
基型调节器的电路分析输入电路原理图
① 是为了消除集中供电引入的误差 。
② 是为了保证运算放大器的正常工作输入电路原理图采用这种电路形式有如下两个目的,
(1)输入电路,
输入电路是偏差差动电平移动电路，它的作用,一是偏差检测与放大；二是电平移动 。
2009-7-30
(1)输入电路同相端电压
12
1 ()
3T S C M C M BU U U U U
R2
R3
R6
——UCM1
——US+UCM2
——UB
反相端电压
R1
R4
R5
——UCM1+Ui
——UCM2
——UB+U’01
1 2 0 1
1 ()
3F i C M C M BU U U U U U
01 ()isU U U
－
＋
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
UB
U01
U’01
Ui
UCM1 UCM2
US
输入电路的输入输出特性
01 2 ( )isU U U
与 UCM1,UCM2,UB无关问题一 调节器的正反作用如何体现？ 事实上图中所示的调节器是正作用的
2009-7-30
同相端电压
12
1 ()
3T i C M C M BU U U U U
R1
R4
R6
——UCM1+Ui
——UCM2
——UB
反相端电压
R2
R3
R5
——UCM1
——UCM2+US
——UB+U’01
1 2 0 1
1 ()
3F s C M C M BU U U U U U
01 ()isU U U
输入电路的输入输出特性
01 2 ( )isU U U
与 UCM1,UCM2,UB无关问题二 为什么要电平移动？
－
＋
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
UB
U01
U’01
Ui
UCM1 UCM2
US
仅作参考
2009-7-30
同相端电压
12
1 ()
3C T i C M C M BU U U U U U
共模输入电压通常,Ui为 1～ 5V,UCM1,UCM2为 0.2～
1V如果,U
B＝ 0V,则 UC＝ UT为 0.47～ 2.33V
不满足运放的共模输入要求。 FC52高增益运放共模电压允许范围为 2－ 19V,美国 uA741共模电压允许范围为 1－ 23V，
a) 输出信号 Uo1 仅与测量信号 Ui和给定信号 Us差值成正比
b) 而与导线电阻上的压降 UCM1,UCM2和 UB无关。
c) 比例系数为 2（符号与正反作用的位置有关）
d) 把以零伏为基准的、变化范围为 1～ 5V的输入信号，转换成以 UB (10V)为基准的、变化范围为 0～± 8V的偏差输出信号
U01。
结论：
仅作参考如果,UB＝ 10V,则 UC＝ UT为 3,7～ 5.7V满足运放的共模输入要求
2009-7-30
(2)比例微分电路
－
＋
CD
RD
RP
RP2
UB
U02
U’02
RP0
U01
R11
R12
反相端电压
2
0 2 0 2
1
1P
F
PP
RU U U
RR
11 0,3 9 [ 1,2 5 0 ]PPR K R
同相端电压
CD
RD
U01
R11
R12
12T R R DU U U
121 2 0 1 0 1
1 1 1 2
1
R
RU U U
R R n
1111 01 01
11 12
1
R
R nU U U
R R n
01 01
11**
1 1D
D D D
R
DDD
D
R R C SnnU U U
n R C S nR
CS
D D D DT n R C K n
11
12
9.1
1
10
RK
RK
n
01 01 01
11 1 1
1 1
D D D
T
DDD
D
R C S T SnU U U U
TSR C S n n n
K
R11=9.1K R12=1K
RD=62K~15M
2009-7-30
反相端电压 2 0 2 0 21 1PF PPRU U URR
同相端电压
01 01 01
11 1 1
1 1
D D D
T
DDD
D
R C S T SnU U U U
TSR C S n n n
K
输入输出特性
02
01
1()
1
D
D
D
D
U TSGs
TSUn
K
DKn?
1
2
[ 1 2 5 0 ]PP
P
RR
R?
,
11 12
12
10RRn R
阶跃响应曲线？
输入端加入 U01时，求 02 (0)U?
02 ()U
0 1 0 1DPK K U U
0 1 0 1PK U Un
[ 0,0 4,1 0 ] m inD D DT n R C
2009-7-30
“通
” U01加入的瞬间 CD上的电压不能突变 UT上的电压＝ U01
UT上的电压逐渐下降 UT上的电压＝ 1/n*U01
“断
” UT上的电压＝ 1/n*U01
CD右端的电压 1/n*U01
重新把开关从,断,的状态打回到,通,的状态时,CD右端的电压与 UT端相同，运放的输出不会产生突变（无扰动切换）
－
＋
CD
RD
RP
RP2
UB
U02
U’02
RP0
U01
R11
R12
R10
断通仅作参考
2009-7-30
(3)比例 -积分电路
1( ) ( 1 )I
PI
MI
CGS
C T S
PI电路的 主要作用 是对来自 PD电路的输出 U02
进行比例积分运算
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
仅作参考
2009-7-30
理想的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U02
电容 C的阻抗,1CSStep 1
03 02( ) ( )
I
M
CU s U s
C
Step 2
03 02
1( ) ( )
*MIU s U sC S R
根据叠加性质
0 3 0 3 0 3 0 2 0 2
1( ) ( ) ( ) ( ) ( )
*
I
M M I
CU s U s U s U s U s
C C S R
03
02
() 1( ) ( 1 )
()
I
PI
M I I
Us CGS
U s C R C S
仅作参考
2009-7-30
实际的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U02
Step 1
0 2 0 3( ) ( ) ( )IMF
M I M I
CCU s U s U s
C C C C
Step 2
( ) 0TUs?
0 3 3( ) ( )TFU s K U U
0 2 0 3
1( ) ( ) ( )
11 IMF I M I M
R C SU s U s U s
R C S R C S
( ) 0TUs?
0 3 3( ) ( )TFU s K U U
330 3 0 2
33
( ) [ ] ( )1I
M M I I M I M
K C KU s U s
K C C C K R C S R C S
仅作参考
2009-7-30
实际的比例积分特性
：
03 02
3 3 3 3
11( ) [ ] ( )
11
I
I I I IM
II
MM
CU s U s
C R C S CC R C S
K K C K K C
330 3 0 2
33
( ) [ ] ( )1I
M M I I M I M
K C KU s U s
K C C C K R C S R C S
03 02
3 3 3 3
1( ) [ ] ( )
1
I
M I I M
M I M
CU s U s
C C R C SC R C S
K K K K
03 02
3 3 3 3
1( ) [ ] ( )
11( 1 ) ( )
I
II
M M I
MM
CU s U s
C R SC C R S
K K C K K C
03 02
3 3 3 3
( ) [ ] ( )1
( 1 ) ( )
II
I I I I
M M I I
MM
CCU s U s
C R C S CC C R C S
K K C K K C
仅作参考
2009-7-30
实际的比例积分特性
：
03 02
3 3 3 3
11( ) [ ] ( )
11
I
I I I IM
II
MM
CU s U s
C R C S CC R C S
K K C K K C
0 3 0 2
3 3 3 3
1
1( ) [ ] ( )
1 1 11 1 *
II
IIM
M M I
C T SU s U s
CCC
K K C K K C T S
3
3
111*
11*
I
I M II
IM
MI
C
T S K C T SC
CC
K C T S
03
02
3
1
() [ 1 ]
1() 1*
II
IM
MI
Us C T S
CU s C
K C T S
3
3
11 ( 1 )
11*
I
MII
IM
MI
C
K C T SC
CC
K C T S
03
3
02
1
1
()
1()
1
I I M
I
MI
II
Us C T S C
KK
U s C C
K T S
仅作参考
2009-7-30
理想的比例积分特性
：
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
U’02
(
11( ) ( 1 ) ( 1 )II
PI
M I I M I
CCGS
C m R C S C T S理想)
－
＋
CM
UB
U03U02
RI
CI
× 10 × 1
R14
R15
在“× 10”时在“× 1”时
15
0 2 0 2 0 2
1 4 1 5
1 ( 1 0 )RU U U m
R R m
0 2 0 2 0 2
1 ( 1 )U U U m
m
3
11
( ) = 11
11
I I I I I
PI
IMM
IIM I I
C m R C S C T SGs
mCCC
K T SK C m R C S
3
I I I
M
I
I
T mR C
KC
K
mC
仅作参考
2009-7-30
在阶跃输入信号作用下,PI电路输出的时间函数表达式为
02
1
03 ])1([)( UeKKC
CtU tTK
II
M
I II
比例积分的阶跃响应特性特性：
比例积分电路的调节器的调节系统仍然存在静差 。
仅作参考
2009-7-30
(4) 整机传递函数
-2U
i
US
－
U01 1
1
D
D
D
TS
TSn
K
U02
11
11
II
M
II
C T S
C
K T S
U03
1
1
1
( ) 2 * * [ ]
1
11
D I I
D M
IID
T S C T S
Ws
TSnC
K T SK
1
1
2 [ * ]
11
I D I
DM
IID
C T S T S
TSnC
K SK
1
1
1
1
D
D
II
P
DD
D I I D I I
T
TS
T T S
K
T T S
K K T K K T S
1
1
1
D
I
P
D
D I I
F T S
TS
K
TS
K K T S
仅作参考
2009-7-30
'
'
'
'
'
PP
II
D
D
I
I
D
D
K FK
T FT
T
T
F
K
K
F
K
K
F
1
()
1
1
D
I
P
D
D I I
F T S
TS
W s K
TS
K K T S
11D
I
TF
T
1
1
()
1
1
1
1
1
1
D
I
P
D
DI
I
D
I
P
D
D I I
T
S
T FS F
W s K F
T
S
F
KK
T FS
FF
TS
TS
K
TS
K K T S
仅作参考
2009-7-30
调节器的 PID运算电路是由 PD电路和
PI电路串联构成。
a) KP,TI,TD三个参数相互干扰的结果，使实际比例增益增大
（即实际比例度减小），实际积分时间增长、实际微分时间缩短。
b) 相互干扰系数 F是一个大于 1的数,
其大小与积分时间和微分时间的大小有关 。
相互干扰系数 F的表达式取决于调节器的结构。
干扰系数 F反映调节器参数 (主要是 KP,TI,TD) 互相影响的一个参数。
11D
I
TF
T
'
'
'
'
'
PP
II
D
D
I
I
D
D
K FK
T FT
T
T
F
K
K
F
K
K
F
2009-7-30
(5)输出电路
输出电路
输出电路的作用是将比例积分电路输出的以 UB为基准的 1~5VDC电压信号 U03转换为流过负载 RL（ 一端接地）的
4~20mADC输出电流 I0
仅作参考
2009-7-30
输出电路
I0= I0' -If 仅作参考
2009-7-30
输出电路
03
24
23
04 URR
RU
23
04
04
0
'
R
U
I
R
U
I
f
H
I0= I0' -If
)( 23
24
03
0
H
H
R
RR
RR
UI?
仅作参考
2009-7-30
(6)手操电路手动操作电路原理图硬手操的操作旋钮手操电路的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种操作方式仅作参考
2009-7-30
软手操电路
－
＋
CM
UB
U03－ VR
RM1 RM2
RM1 RM2
＋ VR
S41
S42
S43
S44
－
＋
CM
UB
U03UR (-VR)
RM1
03 ()
()R
US
US?
1
1
MMC R S
( )RUS? RV
S
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S? 03
1
R
MM
VUt
CR?
当 S41按下时：
仅作参考
2009-7-30
当 S41按下时：
－
＋
CM
UB
U03
－ VR
RM1 RM2
RM1 RM2
＋ VR
S41
S42
S43
S44
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S? 03 1
R
MM
VUt
CR?
当 S42按下时：
03 2
12
1()
()RM M M
VUS
C R R S 03 12()RM M M
VUt
C R R
当 S43按下时：
03 2
1
1() R
MM
VUS
CR S
03
1
R
MM
VUt
CR
当 S44按下时：
03 2
12
1()
()RM M M
VUS
C R R S
03 12()RM M M
VUt
C R R
快速上升慢速上升快速下降慢速下降仅作参考
2009-7-30
扳键 S4扳向软手操输入电压 +UR一侧时,+VR通过由 RM,CM和 A3 组成的积分电路使 U03线性下降；
当扳键 S4扳向 -UR一侧时,U03线性上升 。
按下扳键 S4的时间越长,U03的改变越大如果 S41～ S44都不按下的时候,如右图：
在实际电路中,CM＝ 10μF,RM1＝ 30kΩ,RM2＝ 470kΩ
如果使 U03的输出在 1～ 5V全量程范围内变化,则：
在快速手操状态下,需要 6秒在慢速手操状态下,需要 100秒电容 CM上没有电流,CM上的电压保持不变,即 U03不变说明该手操电路有很好的保持性 。
（ 输出保持：－ 0.1％ /小时 ）
－
＋
CM
UB
U03
S2的作用,使积分电容 CI的右端电压恒等于 UB,以实现无扰动切换 。
2009-7-30
硬手操电路
－
＋
CM
UB
U03
RH
RF
WH
UH
仅作参考
2009-7-30
因为 RF==RH=30kΩ
所以 U03=–UH
03 ()
()H
US
US?
1()
1
F
H F M
R
R R C S
－
＋
CM
UB
U03
RH
RF
WH
UH1
// F
M
H
R
CS
R
F
H
R
R
仅作参考
2009-7-30
手自动操作之间的切换自动 (A),软手动 (M),硬手动 (H)
A→M UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
M→A UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
M→H UF会变,U03会跳变,必须进行预平衡操作,然后进行切换
H→M UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换
A→H UF会变,U03会跳变,必须进行预平衡操作,然后进行切换
H→A UF不变,U03不会跳变,无平衡无扰动切换仅作参考
2009-7-30
(7)指示电路
oiUU?
－
＋
R
R
R 500kΩ
R
RL
820Ω
UB
U0U
i
330Ω
I0
I’0
IF
作用：把 1～ 5V输入转化成 1～ 5mA
的电流信号，该电流通过动圈表头指示出来。
如图所示的电流分布情况：
252
iB
F
UUI
R
0
1
i
L
IUR Bi
L
URURRI
2525
0 2
1)
2
11(
可以通过调整指示表的机械零点去除调整 RL,把 1～ 5V的 Ui转化成 1～ 5mA的 Io。
仅作参考
2009-7-30
(8)限幅电路
－
＋
UB
U02
U03
＋ 24V
U’03
VT1
+
7V
－ U
H
U
L
b
e
c
b
e
c
VT
2
UH为上限电压
UL为下限电压
(UH> UL)
当 U’03>UH+Ueb1时（ Ueb1为
VT1发射级的正向压降），
VT1的发射极正偏而导通，
由于 Uh和 Ueb1是恒定的，因此 U’03也被限制在恒定的值上。
由于,UH>UL,U’03 >UL,VT2
的发射极反偏而截止。
当 U’03<UL-Ueb2时,VT2导通,U’03也被限制在恒定的值上。此时 VT1截止。
当 UL < U’03<UH 时,VT1和 VT2均 截止，对调节器的输出没有影响。
