基本控制器

基型控制器（又称基型调节器）对来自变送器的1〜5V直流电压信号与给定值相比较 所产生的偏差进行PID运算，输出4〜20mA(DC)的控制信号。该控制器还具有偏差（或 测量值、给定值）指示、输出指示、内外给定及软、硬手操和正、反作用切换等功能。

本节分析全刻度指示的基型控制器，其主要性能指标为：控制精度<0.5%，测量和给 定信号指示精度±1%，比例度2%〜500%，积分时间0. 01〜25min (分两挡）；微分时间 0.04〜10min，负载电阻250〜7500，输出保持特性一0. 1 %/h。

该控制器由控制单元和指示单元两部分组成。控制单元包括输入电路、PD电路、PI电 路、输出电路以及软手操电路和硬手操电路等。指示单元包括测量信号指示电路和给定信号 指示电路。控制器的构成方框图如图1-10所示，整机线路如图1-25所示。

测量信号和内给定信号均为1〜5V(DC)，它们都通过各自的指示电路，由双针指示表来显示。两指示值之差即为控制器的输人偏差。

外给定信号为4〜20mA的直流电流，通过250n的精密电阻转换成1〜5V(DC)的电压 信号。内外给定由开关S6来选择，在外给定时，仪表面板上的外给定指示灯亮。

控制器的工作状态有“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种，由开关Si、S2 进行切换。

当控制器处于自动状态时，测量信号和给定信号在输人电路内进行比较后产生偏差，然 后对此偏差进行PID运算，并通过输出电路将运算电路的电压信号转换成4〜20mA的直流 输出电流。

当控制器处于软手操状态时，可操作扳键S4 (见图1-25)。Si处于不同的位置，可分别 使控制器处于保持状态、输出电流的快速增加（或减小）以及输出电流的慢速增加 (或减小）。

当控制器处于硬手操状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出迅速地改变到需要 的数值。

本控制器“自动#软手操”的切换是双向无平衡无扰动的，“硬手操—软手操”或“硬 手操—自动”的切换也是无平衡无扰动的，只有自动或软手操切换到硬手操时，必须预先平 衡方可达到无扰动切换。

开关s7可改变偏差讲极性，借此选择控制器的正、反作用。

此外，在控制器的输人端与输出端还分别附有输入检测插孔和手动输出插孔，当控制器 出现故障需要维修时，可利用这些插孔，无扰动地换接到便携式手动操作器，进行手 动操作。

本控制器由于采用高增益、高输入阻抗的集成运算放大器，具有较高的积分增益（高达 104)和良好的保持特性。

在基型控制器的基础上，可构成各种特种控制器，如抗积分饱和控制器、前馈控制器、 输出跟踪控制器、非线性控制器等；也可附加某些单元，如输人报警、偏差报警、输出限幅 单元等；还可构成与工业控制计算机联用的控制器，如SPC系统用控制器和DDC备用 控制器。

输人电路是由IQ等组成的偏差差动电平移动电路，如图1-11所示。它的作用有两个: 一是将测量信号Ui和给定信号Us相减，得到偏差信号，再将偏差信号放大两倍后输出； 二是电平移动，将以0V为基准的L/i和Us转换成以电平Ub(IOV)为基准的输出信号Uoi。

输人电路采用图1-11所示的偏差差动输人方式，是为了消除集中供电引入的误差。如 果采用普通差动输人方式，供电电源回路在传输导线上的压降将影响控制器的精度。如图 1-12所示，两线制变送器的输出电流Ji在导线电阻尺上产生压降Ucnh，这时控制器的输 人信号不只是Ui，而是l/i+UCM1，电压t/ovn就会引起运算误差。同样，外给定信号在传 输导线电阻i^M2上的压降UCM2也会引入附加误差。

实际输人电路的连接方式，是将输人信号R跨接在IG的同相和反相输人端上，而将 给定信号卩8反极性地跨接在这两端，如图1-13所示，这样，两导线电阻的压降Ucm和 UCM2均成为输入电路的共模电压信号，由于差动放大器对共模信号有很强的抑制能力，因 此这两个附加电压不会影响运算电路的精度。

电平移动的目的是使运算放大器工作在允许的共模输人电压范围之内。若不进行电平 移动，即％ = 则从图1-11或图1-12可知，在信号下*，IG同相端和反相端的电压Ut、 UF将小于IV，而在24V单电源供电时的运算放大器共模输人电压的下限值一般在2V左右，因此在小信号时，运算放大器将无法正常工作。 现把IQ同相端的电阻沁接到电压为10V的UB 上，这样就提高了 1C,输人端的电平（见图 1-13)，而且输出电压。!也是以UB为基准，故 输出端的电平也随之提高。

下面从电路的运算关系对偏差差动电平移动 电路作进一步的分析。若将看作理想运算放大器，并取私= R2=R3 = Ri =R5^RG =R^500kCi, R7 = R8 = 5kn,则有

上述关系式表明：

①输出信号仅与测量信号和给定信号Us的差值成正比，比例系数为_2，而与导 线电阻上的压降l/CM丨和L7CM2无关。

②由关系式(1-27)可知，IQ输人端的电压Ur、UF是在运算放大器共模输人电压的允 许范围（2〜22V)之内，所以电路能正常工作。

③把以0V为基准的、变化范围为1〜5V的输人信号，转换成以10V为基准的、变化范 围为0〜±8V的偏差输出信号1。输出偏差。!既是值，又是变化量，在以下讨论PID 电路的运算关系时，将用增量形式表示。

zui后还要说明一点，前面的分析和计算都假定私与风〜及相等。事实上，为了保证偏 差差动电平移动电路的对称性，私不应与1相等，其阻值应略大于R。

R6=R+(尺7//R8) = 502.5 (Ω)