基本控制器

基型控制器（又稱基型調(diào)節(jié)器）對來自變送器的1?5V直流電壓信號與給定值相比較 所產(chǎn)生的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4?20mA(DC)的控制信號。該控制器還具有偏差（或 測量值、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%，測量和給 定信號指示精度±1%，比例度2%?500%，積分時間0. 01?25min (分兩擋）；微分時間 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。指示單元包括測量信號指示電路和給定信號 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。

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

外給定信號為4?20mA的直流電流，通過250n的精密電阻轉(zhuǎn)換成1?5V(DC)的電壓 信號。內(nèi)外給定由開關(guān)S6來選擇，在外給定時，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”、“軟手操”、“硬手操”和“保持”四種，由開關(guān)Si、S2 進(jìn)行切換。

當(dāng)控制器處于自動狀態(tài)時，測量信號和給定信號在輸人電路內(nèi)進(jìn)行比較后產(chǎn)生偏差，然 后對此偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，并通過輸出電路將運(yùn)算電路的電壓信號轉(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，可操作扳鍵S4 (見圖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，移動硬手動操作桿，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#軟手操”的切換是雙向無平衡無擾動的，“硬手操—軟手操”或“硬 手操—自動”的切換也是無平衡無擾動的，只有自動或軟手操切換到硬手操時，必須預(yù)先平 衡方可達(dá)到無擾動切換。

開關(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插孔和手動輸出插孔，當(dāng)控制器 出現(xiàn)故障需要維修時，可利用這些插孔，無擾動地?fù)Q接到便攜式手動操作器，進(jìn)行手 動操作。

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等組成的偏差差動電平移動電路，如圖1-11所示。它的作用有兩個: 一是將測量信號Ui和給定信號Us相減，得到偏差信號，再將偏差信號放大兩倍后輸出； 二是電平移動，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Uoi。

輸人電路采用圖1-11所示的偏差差動輸人方式，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，這時控制器的輸 人信號不只是Ui，而是l/i+UCM1，電壓t/ovn就會引起運(yùn)算誤差。同樣，外給定信號在傳 輸導(dǎo)線電阻i^M2上的壓降UCM2也會引入附加誤差。

實(shí)際輸人電路的連接方式，是將輸人信號R跨接在IG的同相和反相輸人端上，而將 給定信號卩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，由于差動放大器對共模信號有很強(qiáng)的抑制能力，因 此這兩個附加電壓不會影響運(yùn)算電路的精度。

電平移動的目的是使運(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，即％ = 則從圖1-11或圖1-12可知，在信號下*，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，因此在小信號時，運(yùn)算放大器將無法正常工作。 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)系對偏差差動電平移動 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輸出信號僅與測量信號和給定信號Us的差值成正比，比例系數(shù)為_2，而與導(dǎo) 線電阻上的壓降l/CM丨和L7CM2無關(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，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，將用增量形式表示。

zui后還要說明一點(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 差差動電平移動電路的對稱性，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)