基型控制器

基本概述

基型控制器：DDZ-Ⅲ型控制器对来自变送器 1～5V 直流电压信号与给定值相比较，产生偏差进行 PID 运算，输出 1-5V 或 4～20mA 的直流控制信号。

内、外给定切换功能：
内给定信号：定值控制，1-5V 直流电压
外给定信号：随动控制，4-20mA 直流电流
自动切换功能：“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种
正、反作用切换功能：可以改变调节器的增益极性，即切换调节器的正、反作用。

一、输入电路

偏差差动电平移动电路
偏差差动：消除集中供电引入的误差。将测量信号和给定信号相减，得到偏差信号，再将偏差信号放大两倍输出。差动放大器对共模信号有很强的抑制能力，可以消除导线电阻压降的影响。
电平移动：使集成运算放大器工作在允许的共模输入电压范围内。将 0V 为基准的输入信号转换为 10V 为基准的输出信号。
（基准为0V 变化范围为 1~5V 变为：基准为 10V 变化范围为 0~ $\pm$ 8V 的信号）

虚断：

\begin{aligned} \frac{V_{i} + V_{C M 1} - V_{F}}{R} + \frac{V_{C M 1} - V_{F}}{R} & = \frac{V_{F} - (\frac{1}{2} V_{o 1} + V_{B})}{R} \\ \frac{V_{S} + V_{C M 2} - V_{T}}{R} + \frac{V_{C M 1} - V_{T}}{R} & = \frac{V_{T} - V_{B}}{R} \end{aligned}

虚短：电压相等 $V_{T} = V_{F}$
得到： $V_{o 1} = - 2 (V_{i} - V_{S})$

二、PID 电路构成

模拟式PID控制器

2.1 PD 电路

PD 电路对输入电路的输出进行比例微分（PD）运算，其输出信号作为比例积分（PI）电路的输入信号。

输入信号先经过一个无源的比例微分网络，进行微分运算；
再送至运算放大器的同相端，对信号进行比例运算。

$R_{D}, R_{P}$ 为滑动变阻器，可以通过调节 $R_{D}$ 阻值来调节微分时间, 调节 $R_{P}$ 阻值来调节比例度
开关的通断可以选择是否有微分作用：通时，有微分作用；断时，去除微分作用
稳态时，当开关处于断的位置，电容 $C_{D}$ 通过 $R_{1}$ 接到 $\frac{1}{n} U_{o 1}$ 上，所以电容压降为 $\frac{n - 1}{n} U_{o 1}$
当开关处于通的位置时，电容 $C_{D}$ 与 $9.1 K Ω$ 的电阻压降恰好相等，接通微分作用的输出不会发生突变，不会产生扰动作用。

\begin{array}{r} Δ U_{T} (s) = \frac{Δ U_{o 1} (s)}{n} + \frac{n - 1}{n} \times \frac{R_{D}}{R_{D} + \frac{1}{C_{D} s}} Δ U_{o 1} (s) \end{array}

$K_{D} = n T_{D} = n R_{D} C_{D}$

\begin{array}{r} Δ U_{o 2} (s) = \frac{α}{K_{D}} \times \frac{1 + T_{D} s}{1 + \frac{T_{D}}{K_{D}} s} Δ U_{o 1} (s) Δ U_{o 2} (t) = \frac{α}{K_{D}} [1 + (K_{D} - 1) e^{- K_{D} t / T_{D}}] Δ U_{o 1} (t) \end{array}

2.2 PI 电路

PI电路对PD电路的输出进行比例积分（PI）运算，其输出信号 $Δ V_{o 3}$ 为 $1 \sim 5 V$ 的电压信号，作为输出电路的输入信号。

$\frac{Δ U_{o 3 P} (s)}{\frac{1}{C_{M} s}} = - \frac{Δ U_{o 2} (s)}{\frac{1}{C_{I} s}} \frac{Δ U_{o 3 I} (s)}{\frac{1}{C_{M} s}} = - \frac{\frac{Δ U_{o 2} (s)}{m}}{R_{I}}$

\begin{array}{r} Δ U_{o 3} (s) = - \frac{C_{I}}{C_{M}} (1 + \frac{1}{m R_{I} C_{I} s}) Δ U_{o 2} (s) = - \frac{C_{I}}{C_{M}} (1 + \frac{1}{T_{I} s}) Δ U_{o 2} (s) \frac{C_{I}}{C_{M}} = 1 \end{array}

比例输入信号 $Δ U_{o 2}$ ，积分换挡器选择积分系数，得到积分输入信号 $\frac{1}{m} Δ U_{o 2}$
接收手动操作电路的信号，选择模式

积分饱和问题：只要输入信号 $U_{o 2}$ 不消除，输出 $U_{o 3}$ 将不断增加，直到输出电压被限制住。
解决关键：一旦输出被限制，可以设法停止对电容按原方向充放电。

3. 基型控制器的 PID 传递函数

控制精度： $Δ = \frac{1}{K_{P} K_{I}} \times 100 %$
模拟式PID控制器#2.2 实际 PI 控制器

\begin{array}{r} Δ U_{o 3} (t) = K_{P} [1 + \frac{t}{T_{I}} + (K_{D} - 1) e^{- (K_{D} / T_{D}) t}] (U_{i} - U_{s}) \end{array}

理想的积分项，实际的微分项
注意：积分部分 $\frac{t}{T_{I}}$ ，微分部分为一个指数衰减项，指数上是 $- \frac{K_{D}}{T_{D}} t$ ，一是注意时间，二是不要漏掉负号

三、输出电路

将 PID 电路输出的以 $U_{B}$ 为基准的 1-5V 直流电压信号转换为 4-20mA 直流电流信号。

四、手动操作电路

无平衡无扰动切换：

无平衡指的是无须事先调整到平衡状态，可以随时切换
无扰动指的是切换瞬间，控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动

自动
硬手操：能使控制器的输出迅速地改变到需要的数值
软手操：可调节控制器处于保持状态、改变输出电流输出速度（加快或减慢）

自动到软手操：电路具有保持性
软手操到自动：输入电容 $C_{I}$ 再接通瞬间无充放电现象，输出电压不变

五、指示电路

电压-电流转换器
偏差差动电平移动电路