過程控制儀表

1、過程控制過程控制過程控制第 三 章過 程 控 制 儀 表過程控制過程控制過程控制3.1 總體概述一、過程控制儀表的分類及特點1、按能源形式分類可分為電動、氣動、液動和機械式等幾種。工業(yè)上普遍使用電動控制儀表和氣動控制儀表。 導(dǎo)管、管路板導(dǎo)線、印刷電路板 接線氣動元件 電子元器件 構(gòu)成氣壓信號 電信號(電流、電壓或數(shù)字) 傳輸信號氣源（140kPa） 電源(220VAC，24VDC)能源氣動儀表電動儀表過程控制過程控制過程控制2、按信號類型分類 模擬式數(shù)字式由模擬元件構(gòu)成傳輸信號通常為連續(xù)變化的模擬量，如電流信號，電壓信號，氣壓信號等線路較簡單，操作方便，使用靈活，價格較低 以微處理器、單片機等

2、大規(guī)模集成電路芯片為核心傳輸信號通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量，如脈沖信號可以進行各種數(shù)字運算和邏輯判斷，其功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問題過程控制過程控制過程控制3、按結(jié)構(gòu)形式分類 單元組合式儀表 基地式儀表 集散型計算機控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 過程控制過程控制過程控制單元組合式儀表：將各種單元進行不同組合，可以構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場合需要的自動檢測或控制系統(tǒng)。有電動單元組合儀表（DDZ）和氣動單元組合儀表（QDZ）兩大類。都經(jīng)歷了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的三個發(fā)展階段。根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成能實現(xiàn)一

3、定功能的獨立儀表（稱為單元），各個儀表之間用統(tǒng)一的標準信號進行聯(lián)系。過程控制過程控制過程控制單元組合儀表 變送單元 溫度變送器壓力變送器差壓變送器流量變送器液位變送器 將各種被測參數(shù)變換成相應(yīng)的標準統(tǒng)一信號傳送到接收儀表或裝置，以供顯示、記錄或控制 轉(zhuǎn)換單元 直流毫伏轉(zhuǎn)換器頻率轉(zhuǎn)換器電氣轉(zhuǎn)換器氣電轉(zhuǎn)換器 將電壓、頻率等電信號轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號，或者進行標準統(tǒng)一信號之間的轉(zhuǎn)換，以使不同信號在同一控制系統(tǒng)中使用 過程控制過程控制過程控制單元組合儀表 控制單元 運算單元 比例積分微分控制器比例積分控制器比例微分控制器具有特種功能的控制器 將變送單元的測量信號與給定信號比較，按偏差給出控制信號，去控制

4、執(zhí)行器加減器乘除器開方器 顯示單元指示儀指示記錄儀報警器 過程控制過程控制過程控制單元組合儀表 給定單元 執(zhí)行單元 輔助單元輸出統(tǒng)一標準信號，作為被控變量的給定值送到控制單元，實現(xiàn)定值控制。給定單元的輸出也可以供給其他儀表作為參考基準值。 角行程電動執(zhí)行器直線行程電動執(zhí)行器氣動薄膜調(diào)節(jié)閥 按控制器輸出的控制信號和手動操作信號，改變控制變量操作器：手動操作及手動/自動的切換作用 阻尼器：壓力或流量等信號的平滑、阻尼 限幅器：限制信號的上、下限值 安全柵：將危險場所與非危險場所隔開，起安全防爆作用 過程控制過程控制過程控制被控對象執(zhí)行單元檢測元件調(diào)節(jié)單元給定單元操作單元變送單元顯示單元工藝介質(zhì)閥門

5、被調(diào)變量自動手動測量值給定值用電動單元組合儀表組成的控制系統(tǒng) 過程控制過程控制過程控制基地式控制儀表相當于把單元組合儀表的幾個單元組合在一起，構(gòu)成一個儀表。通常以指示、記錄儀表為主體，附加控制、測量、給定等部件而構(gòu)成；其控制信號輸出一般為開關(guān)量，也可以是標準統(tǒng)一信號；一個基地式儀表具有多種功能，與執(zhí)行器聯(lián)用或與變速器聯(lián)用，便可構(gòu)成一個簡單的控制系統(tǒng)；性能價格比高，適用于單參數(shù)的控制系統(tǒng)。 過程控制過程控制過程控制集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）：分散控制、集中管理控制站（下位機）操作站（上位機）過程通信網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)采集、處理及控制 由DCS系統(tǒng)的基本控制器（包括控制卡、信號輸入輸出卡、電源等）構(gòu)成 或

6、由可編程序控制器PLC（包括CPU、I/O、電源等模塊）或帶有微處理器的數(shù)字式控制儀表構(gòu)成 實現(xiàn)操作站與控制站的連接 提供與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的連接 過程信息的集中顯示、操作和管理 由工業(yè)控制計算機、監(jiān)視器、打印機、鼠標、鍵盤、通信網(wǎng)卡等組成過程控制過程控制過程控制現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）現(xiàn)場控制和雙向數(shù)字通信將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)現(xiàn)場控制現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通信。 過程控制過程控制過程控制二、信號制 信號制即信號標準，是指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。氣動儀表的信號標準：20kPa 100kPa電動儀表的信號標準 ：420maADC

7、 DDZII型電動儀表的信號標準 ： 010maADC 過程控制過程控制過程控制1、檢測元件和變送器的作用檢測元件變送器過程變量位移、壓力差壓、電量等標準信號檢測變送環(huán)節(jié)工作原理模擬儀表：標準信號通常采用420mA、010mA、15v電流或電壓信號，20100kPa 氣壓信號；將工業(yè)生產(chǎn)過程的參數(shù)(流量、壓力、溫度、物位、成分等)經(jīng)檢測、變送單元轉(zhuǎn)換為標準的電或氣信號。變送器輸出的是被控變量的測量值，它被送到顯示和控制裝置，用于顯示和控制?，F(xiàn)場總線儀表：標準信號是數(shù)字信號3.2 檢測變送環(huán)節(jié)一、檢測變送環(huán)節(jié)的性能過程控制過程控制過程控制2、對檢測變送單元的基本要求準確：檢測元件和變送器能正確反

8、映被控或被測變量，誤差小；迅速：及時反映被控或被測變量的變化；可靠：能在環(huán)境工況下長期穩(wěn)定運行。3、選用時的基本考慮首先考慮元件能否適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程中的高低溫、高壓、腐蝕性、粉塵和爆炸性環(huán)境，能否長期穩(wěn)定運行；儀表精度和量程的選擇 選用儀表的精度要合適：應(yīng)符合工業(yè)檢測要求 儀表測量誤差：儀表本身誤差、環(huán)境工況引入的誤差、動態(tài)誤差 量程選擇：量程的改變會引起最大讀數(shù)誤差變化和增益變化。 考慮儀表和變送器的線性特性過程控制過程控制過程控制smmmmesTKsG1)(4、動態(tài)特性 Km小，增大控制器的增益，有利于克服擾動對影響； Km的線性度與整個閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入輸出的線性度有關(guān)； 選擇合適的測量范

9、圍可改變檢測變送環(huán)節(jié)Km對Km的考慮： 作為廣義對象的組成，應(yīng)考慮與Tp和Tv的匹配，及增大最大時間常數(shù)與次大時間常數(shù)之間的比值；對Tm的考慮：過程控制過程控制過程控制 相對于Tp ，Tm是較小的。但有例外： 成分檢測變送環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和時滯會很大； 氣動儀表的時間常數(shù)較電動儀表要大； 采用保護套溫度計檢測溫度要比直接與被測介質(zhì)接觸檢測溫度有更大的時間常數(shù)。 應(yīng)考慮時間常數(shù)隨過程運行而變化的影響： 保護套結(jié)垢，造成時間常數(shù)增大； 保護套磨損，造成時間常數(shù)減小。減小Tm的措施：檢測點位置的合理選擇； 選用小慣性檢測元件；縮短氣動管線長度，減小管徑；正確使用微分單元； 選用繼動器或放大器等。過程控

10、制過程控制過程控制對m的考慮 ( m = l / v ) ： 與Tm一起考慮，應(yīng)使m / Tm小 通常在溫度、過程成分的檢測變送中要考慮 減小m的途徑： 選擇合適的檢測點位置； 減小傳輸距離l； 選用增壓泵、抽氣泵等裝置，提高傳輸速度v；過程控制過程控制過程控制 熱電偶檢測溫度時，由于產(chǎn)生的熱電偶不僅與熱端溫度有關(guān)，也與冷端溫度有關(guān)，因此需要進行冷端溫度補償；二、對檢測變送信號的處理1、信號補償 熱電阻到檢測變送儀表之間的距離不同，連接導(dǎo)線的類型和規(guī)格不同，導(dǎo)致線路電阻不同，因此需要進行線路電阻補償； 氣體流量檢測時，由于檢測點溫度、壓力與設(shè)計值不一致，因此需要進行溫度和壓力的補償； 精餾塔內(nèi)

11、介質(zhì)成分與溫度、塔壓有關(guān)，正常操作時，塔壓保持恒定，可直接用溫度進行控制；當塔壓變化時，需要用塔壓對溫度進行補償。過程控制過程控制過程控制2、線性化 硬件組成非線性環(huán)節(jié)進行線性化處理，例如采用開方器對差壓進行開方運算； 也可用軟件實現(xiàn)線性化處理。3、信號濾波目的： 由于存在隨機噪聲，引起檢測信號波動； 計算機控制時，由于信號是采樣輸入，因此，引入噪聲 方法： 硬件濾波：RC電路、氣阻氣容等組成濾波線路 數(shù)字濾波：數(shù)字低通、高通、帶通等濾波程序。算法有：一階低通濾波、一階高通濾波、遞推平均濾波、程序判別濾波過程控制過程控制過程控制4、數(shù)學(xué)運算5、信號報警當檢測信號與被控變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系時

12、，需要進行數(shù)學(xué)運算獲得實際的被控變量數(shù)值。如果檢測變送信號超出工藝過程的運行范圍，就要進行信號報警和連鎖處理。6、數(shù)字變換例如快速傅里葉變換、小波變換；在計算機控制系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換時經(jīng)常使用的。過程控制過程控制過程控制形象地稱執(zhí)行器為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的“手腳”3.3 執(zhí)行器一、概述執(zhí)行器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，直接與介質(zhì)接觸，常常在高壓、高溫等惡劣的狀況下工作，因此，它是控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié) 作用：控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。直接影響過程控制系統(tǒng)的質(zhì)量。過程控制過程控制過程控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)控制器輸出p0,I0推力、位移操縱變量流量接受調(diào)節(jié)器輸出的控制

13、信號，轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積。過程控制過程控制過程控制根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)使用的能源種類，執(zhí)行器可分為氣動、電動、液動三種。氣動執(zhí)行器：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便、防火防爆等優(yōu)點電動執(zhí)行器：能源取用方便，信號傳輸速度快和傳輸距離遠，動作較快；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、價格貴，適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場所液動執(zhí)行器： 推力最大，但目前使用不多調(diào)節(jié)機構(gòu)有單座、雙座、偏心旋轉(zhuǎn)、套筒、蝶閥等。過程控制過程控制過程控制1、氣動執(zhí)行器典型的氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖 p執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)閥桿閥芯閥座膜片平衡彈簧氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種。二、執(zhí)行器結(jié)構(gòu)過程控制過程控制過程

14、控制調(diào)節(jié)機構(gòu)（控制閥體）作用：是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。流量方程2122PpPAQ 122()AQPP調(diào)節(jié)原理當口徑A和差壓(P1-P2)一定時，流量Q僅隨阻尼的變化而變 化。改變閥門的開啟程度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。過程控制過程控制過程控制2、電動執(zhí)行器 電動執(zhí)行器也由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。 最簡單的電動執(zhí)行器稱為電磁閥 其它連續(xù)動作的電動執(zhí)行器都使用電動機作動力元件，將調(diào)節(jié)閥的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的開度 電動執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成框圖伺服放大器伺服電動機減速器位置發(fā)生器+其中調(diào)節(jié)機構(gòu)和氣動執(zhí)行器是通用的，不同的只是電動執(zhí)行器使用電動執(zhí)行機構(gòu)，即使用電動機等電的動力啟閉調(diào)節(jié)閥。 過程

15、控制過程控制過程控制氣開閥：在有信號壓力輸入時閥打開、無信號壓力時閥全關(guān)1、執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)的組合三、調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)氣關(guān)閥：在有信號壓力時閥關(guān)閉，無信號壓力時閥全開 從控制系統(tǒng)角度出發(fā)，氣開閥為正作用，氣關(guān)閥為反作用過程控制過程控制過程控制正作用執(zhí)行機構(gòu)：當輸入氣壓信號增大時，閥桿向下移動正作用執(zhí)行機構(gòu)反作用執(zhí)行機構(gòu)反作用執(zhí)行機構(gòu)：當輸入氣壓信號增大時，閥桿向上移動過程控制過程控制過程控制正體閥反體閥正體閥：閥桿下移時流量減小反體閥：閥桿下移時流量增大過程控制過程控制過程控制氣關(guān)型氣開型氣開型氣關(guān)型過程控制過程控制過程控制2、選擇原則基本原則：根據(jù)安全生產(chǎn)的要求選擇調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)考慮

16、事故狀態(tài)時人身、工藝設(shè)備的安全。當過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障（如氣源中斷，控制器損壞或調(diào)節(jié)閥壞了）時，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。考慮事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量?？紤]介質(zhì)的性質(zhì)。對裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥需選用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，使其處于全開狀態(tài)，以防止物料結(jié)晶、凝固和堵塞給重新開工帶來麻煩，甚至損壞設(shè)備。過程控制過程控制過程控制1、理想流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關(guān)系，即： )(maxLlfqq：相對流量，即調(diào)節(jié)閥某一開度時流量與全開流量之比maxqqLl：相對開度，即調(diào)節(jié)閥某一開度行程與全開行程之比

17、。 四、調(diào)節(jié)閥的流量特性理想流量特性：在閥前后壓差為一定的情況下（p=常數(shù)）得到的流量特性。過程控制過程控制過程控制取決于閥芯的形狀。不同的閥芯曲面得到不同的理想流量特性。010203040500 20406080100理想流量特性曲線1、快開 2、直線 3、拋物線 4、對數(shù)1432過程控制過程控制過程控制直線流量特性曲線：KLldqqd)/()/(maxK：常數(shù)，即執(zhí)行器的放大系數(shù)調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是一個常數(shù)。 maxminmaxminmaxqqLl)qq(qq1邊界條件：當l=0時，q=qmin當l=L時，q=qmax調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比 ，R=

18、30 minmaxqqR Ll)R(R111過程控制過程控制過程控制調(diào)節(jié)閥的相對開度與相對流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3拋物線10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快開10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3對數(shù)10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直線10080706050403020100b a a：l/L(%)b：q/qmax(%)過程控制過程控制過程控制只要閥芯位移量相同，則流量變化也總是相同的，即單位行程變

19、換所引起的流量變化是相等的。 在10%開度時： %75%10013137 .22在50%開度時： %19%1007 .517 .513 .61在80%開度時： %11%1006 .806 .803 .90相對流量的相對于當前值的相對變化量為：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制作用強，易產(chǎn)生振蕩；大開度時，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時。 對過程控制系統(tǒng)來說，要求在小負荷時控制作用小一些，大負荷時控制作用加強一些，這需要由調(diào)節(jié)閥的流量特性來補償。直線流量特性調(diào)節(jié)閥時不能滿足這一要求的。 過程控制過程控制過程控制對數(shù)（等百分比）流量特性：maxmax)/()/(qqKLldqqd代入邊界條件： )1/(max

20、LlRqq單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。在10%開度時： %40%10067. 467. 458. 6在50%開度時： %40%1003 .183 .186 .25在80%開度時： %40%1008 .508 .502 .71從過程控制工程來看，利用對數(shù)（等百分比）流量特性是有利的。調(diào)節(jié)閥在小開度時，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和；調(diào)節(jié)閥在大開度時，其放大系數(shù)大，控制作用靈敏有效。 過程控制過程控制過程控制拋物線流量特性：maxmax)/()/(qqKLldqqd將邊界條件代入可得： 2max) 1(11LlRRqq它介于直線流量特性和對數(shù)流量特性之間，通

21、常可用對數(shù)流量特性來代替。 單位相對行程（開度）的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量的平方根成正比關(guān)系?？扉_流量特性：在小開度時流量就已很大，隨著行程的增大，其流量就很快達到最大，故稱為快開特性。當閥的行程大時，閥的流通面積不再增大，不能起控制作用。這種調(diào)節(jié)閥通常用于二位式控制或程序控制。 過程控制過程控制過程控制2、工作流量特性 調(diào)節(jié)閥前后壓差變化時的流量特性稱為工作流量特性。 調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備串聯(lián)時的工作流量特性pkpvp調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備串聯(lián)qvppkpvp壓力分布過程控制過程控制過程控制令S為調(diào)節(jié)閥全開時的閥前后壓差與管道系統(tǒng)的壓差之比，即： ppSVmin12max1(1)1ql

22、flqLsfL過程控制過程控制過程控制串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作特性過程控制過程控制過程控制 在S1時，管道阻力損失為零，系統(tǒng)的總壓差全部降在調(diào)節(jié)閥上，實際工作流量特性與理想特性是一樣的； 隨著S值的減小，管道阻力損失增加，結(jié)果不僅調(diào)節(jié)閥全開時的流量減小，而且流量特性也發(fā)生了很大的畸變： 直線特性趨向于快開特性； 等百分比特性趨向于直線特性 并且S值越小，影響越大。因此在實際使用中，S值不能太小，通常希望S值不低于0.3。 過程控制過程控制過程控制調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備并聯(lián)時的工作流量特性p調(diào)節(jié)閥與管道設(shè)備并聯(lián)QiQoQ1Q2并聯(lián)的目的：冗余措施；增大產(chǎn)量(流量)令S為調(diào)節(jié)閥全開流量與總管最大流量之比，即：

23、1maxiQSQ 過程控制過程控制過程控制S=1.0S=0.8S=0.5S=0.2l/L100%直線S=1.0S=0.8S=0.5S=0.2l/L100%對數(shù)當s=1時，即關(guān)閉旁路，調(diào)節(jié)閥工作流量特性西即為理想流量特性。隨著旁路閥打開，即s值逐漸減小時，系統(tǒng)可調(diào)范圍大大下降，這將使調(diào)節(jié)閥所能控制的流量變化很小。過程控制過程控制過程控制3、調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇考慮系統(tǒng)的控制品質(zhì)：一個理想的控制系統(tǒng)，希望其總的放大系數(shù)在系統(tǒng)的整個操作范圍內(nèi)保持不變。 過程控制過程控制過程控制過程控制過程控制過程控制考慮工藝管道情況：等百分比等百分比等百分比直線理想特性等百分比直線等百分比直線工作特性S=0.3 0

24、.5S=0.6 1配管情況工藝配管情況與流量特性關(guān)系調(diào)節(jié)閥在串聯(lián)管道時的工作流量特性與S值的大小有關(guān)，即與工藝配管情況有關(guān)。過程控制過程控制過程控制考慮負荷變化情況：調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇一般分兩步進行： 首先根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性； 然后根據(jù)流量特性曲線的基本情況，確定理想流量特性，以作為向生產(chǎn)廠家定貨的內(nèi)容。 直線特性調(diào)節(jié)閥在小開度時流量相對變化值大，控制過于靈敏，易引起振蕩，且閥芯、閥座也易受到損壞，因此在S值小、負荷變化大的場合，不宜采用。等百分比特性調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥行程增加而增大，流量相對變化值是恒定不變的，因此它對負荷變化有較強的適應(yīng)性。由對象特性選工作特性

25、推理想特性查廠家手冊。2022-4-2650將將420mA的電的電流信號流信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成20100KPa的標準氣壓的標準氣壓信號。信號。1 1 電電/ /氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器 為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須把標準電流信號轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號。信號，必須把標準電流信號轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號。 電電/氣轉(zhuǎn)換器作用：氣轉(zhuǎn)換器作用：3.4.3 電電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器 2022-4-2651 I 吸力吸力Fi 杠桿偏轉(zhuǎn)杠桿偏轉(zhuǎn) 擋板與噴嘴間隙擋板與噴嘴間隙 背壓背壓 放大器輸入放大器輸入 輸出壓力輸出壓力P 杠桿杠桿的反饋力的反

26、饋力Ff 杠桿平衡杠桿平衡 PI力平衡式電力平衡式電/氣轉(zhuǎn)換器的原理圖氣轉(zhuǎn)換器的原理圖負反饋負反饋磁鐵磁鐵調(diào)零調(diào)零FiFf背壓背壓2022-4-26522 2 閥門定位器閥門定位器氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸且個體差異較大，這會影響輸入信號入信號P P的執(zhí)行精度。的執(zhí)行精度。2022-4-2653 解決措施解決措施 在調(diào)節(jié)閥上加裝閥在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥

27、桿位門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自輸入信號精確地確定自己的開度。己的開度。2022-4-2654電電/ /氣閥門定位器氣閥門定位器 實際應(yīng)用中，常把電實際應(yīng)用中，常把電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體，組成電合成一體，組成電/氣閥門定位器。氣閥門定位器。 I杠桿上端右移杠桿上端右移擋板擋板靠近噴嘴靠近噴嘴 P壓力壓力閥桿下移閥桿下移反饋凸輪反饋凸輪右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn) 反饋彈簧右拉反饋彈簧右拉杠桿平衡杠桿平衡2022-4-2655 DDZ儀表的發(fā)展簡史儀表的發(fā)展簡史3.2.1 比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律理想理想PID的增

28、量式數(shù)學(xué)表達式的增量式數(shù)學(xué)表達式 ：dttdeTdtteTteKtuDIc)()(1)()()(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 sTsTKsEsUsGDIcc11)()()(寫成傳遞函數(shù)形式寫成傳遞函數(shù)形式：第一項為比例（P）部分，第二項為積分（I）部分，第三項為微分（D）部分；cK為調(diào)節(jié)器的比例增益，IT為積分時間（以s或min為單位），DT為微分時間（也以s或min為單位）。 2022-4-26561 比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)規(guī)律比例控制數(shù)學(xué)表達式比例控制數(shù)學(xué)表達式 ：( )( )cu tK e t)(tu為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，)(te為被控參數(shù)與給定值之差。 純比

29、例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 2022-4-2657浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為浮球為水位傳感器，杠桿為控制器，活塞閥為執(zhí)行器。如果某時刻執(zhí)行器。如果某時刻Q2加大，造成水位下降，則浮加大，造成水位下降，則浮球帶動活塞提高，使球帶動活塞提高，使Q1加大才能阻止水位下降。加大才能阻止水位下降。epba=ebap CyK e 如果如果e = 0，則活塞，則活塞無法提高，無法提高，Q1 無法加無法加大，調(diào)節(jié)無法進行。大，調(diào)節(jié)無法進行。例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：2022-4-2658比例控制過程比例控制過程Q2htepQ1tttt 原來系統(tǒng)處于平衡，原來系統(tǒng)處于平衡

30、，進水量與出水量相等，此進水量與出水量相等，此時進水閥有一開度。時進水閥有一開度。 t=0時，出水量階躍增時，出水量階躍增加，引起液位下降，浮球加，引起液位下降，浮球下移帶動進水閥開大。下移帶動進水閥開大。 當進水量增加到與出當進水量增加到與出水量相等時，系統(tǒng)重新平水量相等時，系統(tǒng)重新平衡，液位也不再變化。衡，液位也不再變化。 2022-4-2659v 比例控制的特點比例控制的特點q控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比控制及時、適當。只要有偏差，輸出立刻成比例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。例地變化，偏差越大，輸出的控制作用越強。q控制結(jié)果存在靜差。因為，如果被調(diào)量偏差為控制結(jié)果存在

31、靜差。因為，如果被調(diào)量偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零零，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零 u = KC e即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能即調(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無靜差調(diào)節(jié)。做到無靜差調(diào)節(jié)。2022-4-2660在實際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度在實際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度來表來表示比例控制作用的強弱。示比例控制作用的強弱。 所謂所謂比例度比例度就是指控制器輸入偏差的相對變化就是指控制器輸入偏差的相對變化值與相應(yīng)的輸出相對變化值之比，用百分數(shù)表示。值與相應(yīng)的輸出相對變化值之比，用百分數(shù)表示。maxminmaxmineu(/) 100%eeuu 式中式中e為輸入偏差

32、；為輸入偏差；u為控制器輸出的變化量；為控制器輸出的變化量；（emax - emin）為）為輸入輸入的最大變化量的最大變化量,及輸入量程；及輸入量程；（umax umin）為輸出的最大變化量，即控制器的輸）為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。出量程。2022-4-2661如果控制器輸入、輸出量程相等，則如果控制器輸入、輸出量程相等，則: 比例度比例度:Ce1100%100%uKmaxminmaxmineu(/) 100%eeuuueeremaxeminuminumax比例度除了表比例度除了表示控制器輸入和輸示控制器輸入和輸出之間的增益外，出之間的增益外，還表明比例作用的還表明比例作用的有效

33、區(qū)間。有效區(qū)間。2022-4-2662比例帶比例帶的物理意義：的物理意義：使控制器輸出變化使控制器輸出變化100%時，所對應(yīng)的偏差變時，所對應(yīng)的偏差變化相對量?；鄬α?。如如 =50%表明：表明： 控制器輸入偏差控制器輸入偏差變化變化50% ，就可使控，就可使控制器輸出變化制器輸出變化100%，若輸入偏差變化超過若輸入偏差變化超過此量，則控制器輸出此量，則控制器輸出飽和，不再符合比例飽和，不再符合比例關(guān)系。關(guān)系。uuur0100%50%umaxumin =50% =100%2022-4-2663例例 某比例控制器，溫度控制范圍為某比例控制器，溫度控制范圍為400800，輸出信號范圍是輸出信號范

34、圍是420mA。當指示指針從。當指示指針從600變變到到700時，控制器相應(yīng)的輸出從時，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)樽優(yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。求設(shè)定的比例度。700 60016 8800 40020 4/100%解解maxmaxeueu/100%50%答答 溫度的偏差在輸入量程的溫度的偏差在輸入量程的50區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi)（即（即200）時）時，e和和u是是2倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。u/mAe/ e420800400 =50%2022-4-26642 2 比例積分控制（比例積分控制（PIPI） 當要求控制結(jié)果無余差時，就需要在比例控制當要求控制結(jié)果無余差時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。

35、的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1） 積分控制積分控制（I） 輸出變化量輸出變化量u(t)與輸入偏差與輸入偏差e的積分成正比的積分成正比01u(t)tIedtT當當e是幅值為是幅值為E的階躍時的階躍時01Eu(t)etIIdttTTTI 積分時間積分時間eEttu2022-4-2665q積分作用具有保持功能，積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。故積分控制可以消除余差。q積分輸出信號隨著時間逐積分輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用。分作用不單獨使用。v 積分控制的特點積分控制的特點當有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或當有偏差存在時，積

36、分輸出將隨時間增長（或減?。?；當偏差消失時，輸出能保持在某一值上。減?。划斊钕r，輸出能保持在某一值上。eEttu2022-4-2666 若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差能消除余差 。 （2） 比例積分控制（比例積分控制（PI）sTKsTKsGIIICC1111)(比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 稱為稱為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號輸入下，其輸出的最為：在階躍信號輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時產(chǎn)生的輸出變化大值與純比例作用時產(chǎn)生的輸出變化之比。之比。 IK2022-4-2667 3 比例微

37、分控制比例微分控制（PD） 對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速對于慣性較大的對象，常常希望能加快控制速度，此時可增加微分作用。度，此時可增加微分作用。u(t)DdeTdt式中：式中：TD 微分時間微分時間 dtde 偏差變化速度偏差變化速度 理想微分理想微分（1） 微分控制（微分控制（D）eEttu2022-4-2668q 微分作用能超前控制。微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作微分立即產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。芽狀態(tài)之中。q微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當偏差存在，微分對靜態(tài)偏差毫無

38、控制能力。當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。但不變化時，微分輸出為零，因此不能單獨使用。必須和必須和P或或PI結(jié)合，組成結(jié)合，組成PD控制或控制或PID控制?？刂?。v 微分控制的特點微分控制的特點eEttu2022-4-2669（2）比例微分控制（）比例微分控制（PD） 理想的比例微分控制理想的比例微分控制 理想微分作用持續(xù)時間太短，理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實際的比例微分作用。際的比例微分作用。sKTsTKsGDDDCC11)(DK稱為PD調(diào)節(jié)器的微分增益，它定義為：在階躍信號輸入下，其輸出的最大跳變值與純比例作用時

39、產(chǎn)生的輸出變化之比。 2022-4-2670q將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又只要三項作用的強度配合適當，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。能消除余差，可得到滿意的控制效果。4 比例積分微分控制（比例積分微分控制（PID）sKTsTKsTsTKsGDDIIDICC1111)(2022-4-2671q PID控制作用中，控制作用中，比例作用是基礎(chǔ)控制；比例作用是基礎(chǔ)控制；微分作用是用于加快系微分作用是用于加快系統(tǒng)控制速度；積分作用統(tǒng)控制速度；積分作用是用于消除靜差。是用于消除靜差。3.

40、2.2 DDZ-型基型調(diào)節(jié)器型基型調(diào)節(jié)器 模擬式控制器用模擬電路實現(xiàn)控制功能。其發(fā)展模擬式控制器用模擬電路實現(xiàn)控制功能。其發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)歷了型（用電子管）、型（用電子管）、型（用晶體管）和型（用晶體管）和型（用集成電路）。型（用集成電路）。PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 722022-4-261 DDZ-型儀表的特點及外形型儀表的特點及外形特點：特點：測量信號：測量信號：15V.DC； 外給定信號：外給定信號：420mA.DC；內(nèi)給定信號：內(nèi)給定信號：15V.DC； 測量與給定信號的指示精度：測量與給定信號的指示精度：1；輸入阻抗影響：輸入阻抗影響：滿刻度的滿刻度的0.1； 輸出保持特性：輸出保持特

41、性：0.1（每小時）；（每小時）；輸出信號：輸出信號：420mA.DC； 調(diào)節(jié)精度：調(diào)節(jié)精度：0.5；負載電阻：負載電阻：250750。732022-4-261-雙針垂直指示器雙針垂直指示器2-外給定指示燈外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動自動軟手動軟手動硬手動硬手動 切換開關(guān)切換開關(guān)5-硬手動操作桿硬手動操作桿6-輸出指示器輸出指示器7-軟手動操作板鍵軟手動操作板鍵742022-4-26DDZ-DDZ-基型基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斦{(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、入電路、PDPD與與PIPI電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指

42、示單元電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成框圖 2 全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理全刻度指示調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理 752022-4-26 全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實例全刻度指示調(diào)節(jié)器的線路實例過程控制過程控制過程控制3、整機傳遞函數(shù) 調(diào)節(jié)器PID電路傳遞函數(shù)方框圖 2dddKsTsTn11sTKsTCCiiiMI1111UiUsUo3其傳遞函數(shù)為這三個電路的傳遞函數(shù)的乘積?；喓罂傻茫簊KTsTKsTsTTTKsGddiidiidcc1111)(過程控制過程控制過程控制FTTFTTFKKT

43、TFddiiccid*1sKTsTKsTsTKsGddiidicc1111)(*帶*的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶*的為參數(shù)的刻度值。F稱為相互干擾系數(shù)。 782022-4-261. 智能電動執(zhí)行器的特點智能電動執(zhí)行器的特點 與常規(guī)電動執(zhí)行器相比,智能電動執(zhí)行器有如下特點： 1）具有智能化和高精度的控制功能?？芍苯咏邮兆兯推餍盘?，按設(shè)定值自動進行PID調(diào)節(jié)，控制流量、壓力和溫度等過程變量。通過組態(tài)可按折線形成多種形狀的非線性流量特性，實現(xiàn)對過程非線性特性的補償，以提高系統(tǒng)的控制精度，同時也擺脫了長期以來依靠改變閥芯形狀來改變流量特性的落后狀況；2) 一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想。將位置控制器、PID控

44、制器、伺服放大器、電-氣轉(zhuǎn)換器、閥位變送器等裝在一臺現(xiàn)場儀表中，減少了信號傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統(tǒng)控制精度的影響；還采用電制動和斷續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)代替機械摩擦制動技術(shù)，以提高整機的可靠性； 3) 具有智能化的通信功能。與上位機或控制系統(tǒng)之間可通過現(xiàn)場總線按規(guī)定的通信協(xié)議進行雙向數(shù)字通信，并構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，這是智能執(zhí)行器與常規(guī)電動執(zhí)行器的重要區(qū)別之一。 3.4.4智能式電動執(zhí)行器智能式電動執(zhí)行器 792022-4-264) 具有智能化的自診斷與保護功能。當電源、氣動部件、具有智能化的自診斷與保護功能。當電源、氣動部件、機械部件、控制信號、通信或其它方面出現(xiàn)故障時，均能機械部件、控制信號、通

45、信或其它方面出現(xiàn)故障時，均能迅速識別并能有效采取保護措施，確保控制系統(tǒng)及生產(chǎn)過迅速識別并能有效采取保護措施，確?？刂葡到y(tǒng)及生產(chǎn)過程的安全。程的安全。 5）具有靈活的組態(tài)功能，）具有靈活的組態(tài)功能，“一機多用一機多用”，提高了經(jīng)濟效，提高了經(jīng)濟效益。例如，對于輸入信號，可通過軟件組態(tài)來選擇合適的益。例如，對于輸入信號，可通過軟件組態(tài)來選擇合適的信號源；對于執(zhí)行器的運行速度和行程，也可通過組態(tài)軟信號源；對于執(zhí)行器的運行速度和行程，也可通過組態(tài)軟件進行任意設(shè)置，所有這些都無需更換硬件。這樣一來，件進行任意設(shè)置，所有這些都無需更換硬件。這樣一來，只要用少量類型的智能執(zhí)行器就能夠滿足各種工業(yè)過程的只要用

46、少量類型的智能執(zhí)行器就能夠滿足各種工業(yè)過程的不同需求，從而大大提高了制造商和用戶的經(jīng)濟效益。不同需求，從而大大提高了制造商和用戶的經(jīng)濟效益。802022-4-262. 智能電動執(zhí)行器的實例簡介智能電動執(zhí)行器的實例簡介 美國美國Valtek公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的STARPAC智能執(zhí)行器智能執(zhí)行器 812022-4-263.5 3.5 安全柵安全柵安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維在大氣條件下，氣體蒸汽

47、、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為圍內(nèi)傳播的混和物，稱為爆炸性混合物爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境爆炸性環(huán)境。 按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū)。程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū)。 822022-4-26對于對于類電氣設(shè)備，電路電壓限制在類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30VDC時，各時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。種爆炸性混合物按最小引爆電流分為

48、三級。爆炸性混合物的最小引爆電流爆炸性混合物的最小引爆電流級級 別別最小引爆電流（最小引爆電流（mA）爆炸性混合物種類爆炸性混合物種類 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬煤礦井下用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性氣體的類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬工

49、廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。類設(shè)備。 832022-4-26 2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng) 電動儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計電動儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下，則此儀表稱為能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表安全火花防爆儀表。 安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生

50、危險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花安全柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花防爆。防爆。842022-4-26構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素：構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： 在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。爆儀表（本安儀表）。 現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。經(jīng)過安全柵（防爆柵）。852022-4-26基本原理：基本原理：簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓、用固定電阻進行限流行限壓、用固定電阻進行限流 。3.5.1 齊納式安全柵齊納式安全柵 安全柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊安全柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。 當輸入