第5章 自动控制仪表(化工仪表及自动化林德杰)

1、第5章自动控制仪表5.1控制器的发展与分类5.2控制器基本控制规律5.3模拟式控制器5.4数字式控制器5.5执行器5.6调节机构5.7执行机构5.8电气转换器和电气阀门定位器5.9执行器的选择5.1控制器的发展与分类5.1.1控制器的发展过程5.1.2控制器的分类5.1.1控制器的发展过程1.基地式控制器2.单元组合式控制器3.组装式控制器4.数字智能式控制器5.1.2控制器的分类1)按使用的能源来分，有气动控制器和电动控制器。2)按结构形式来分，有基地式控制器、单元组合式控制器和组装式控制器等。3)按信号类型来分，有模拟式控制器和数字式控制器。4)按控制规律来分，有双位控制器和PID控制器，

2、其中PID控制器包括比例控制器、积分控制器、微分控制器、比例积分控制器、比例微分控制器、比例积分微分控制器。5.2控制器基本控制规律5.2.1双位控制5.2.2比例控制(P)5.2.3比例积分控制(PI)5.2.4比例微分控制(PD)5.2.5比例积分微分控制(PID)5.2.6PID控制规律总结用数学表达式描述控制规律如下：u=f(e)=f(zx) (5-1)5.2.1双位控制图5-1理想的双位控制特性理想的双位控制器其输出u和输入偏差e之间的关系为u=umax，e0(或e0)时umin，e0)时 (5-2)理想的双位控制特性如图5-1所示。图5-2双位控制的液位控制系统图5-3带中间区的双

3、位控制规律图5-4带中间区的双位控制过程图5-5比例控制系统根据相似三角形原理，有 ab=ue 即u=abe (5-3) 式中，e表示杠杆左端的位移，即液位的变化量；u表示杠杆右端的位移，即阀杆的位移量；a、b分别表示杠杆支点与两端的距离。偏差就是被控变量测量值的变化量)e之间成比例关系，即 u=KPe (5-4) 式中，KP为可调的放大倍数(比例增益)。比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用公式表示为 =exmaxxminuumaxumin100% (5-5)将式(5-4)的关系代入式(5-5)，经整理后可得 =1KP umaxuminxmaxxmin100

4、% (5-6)5.2.2比例控制(P)图5-6比例度与输入输出关系图5-7比例控制系统过渡过程图5-8比例度对过渡过程的影响1小于临界值2等于临界值3偏小4适当5偏大6太大5.2.3比例积分控制(PI)1.积分控制2.比例积分控制1.积分控制图5-9积分控制器特性积分控制作用的输出变化量u与输入偏差e的积分成正比：式(5-7)2.比例积分控制比例积分控制规律可用下式表达：u=KPe+KIedt (5-8)经常采用积分时间TI来代替KI，TI=1KI，式(5-8)为u=KPe+1TIedt (5-9)图5-10比例积分控制器特性图5-11积分时间对过渡过程的影响1太小2适当3太大45.2.4比例

5、微分控制(PD)1.微分控制2.比例微分控制1.微分控制在自动控制时，这就要求控制器具有微分控制规律，控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比，即u=TDdedt (5-10)式中，TD表示微分时间；dedt表示偏差信号变化速度。2.比例微分控制比例微分控制规律(见图5-13)为u=KPe+TDdedt (5-11)图5-12微分控制器特性图5-13比例微分控制器特性5.2.5比例积分微分控制(PID)图5-14比例积分微分控制特性比例积分微分控制规律为u=KPe+1TIedt+TDdedt (5-12)5.2.6PID控制规律总结表5-1几种PID控制规律的特点及适用场合5.3模拟式控制器

6、图5-15全刻度指示控制器组成框图图5-16DTL3100型控制器面板图1自动、软手动、硬手动切换开关2双针垂直指示器3内给定设定轮4输出指示器5硬手动操作杆6软手动操作板键7外给定指示灯8阀位指示器9输出记录指示10位号牌11输入检测插孔12手动输出插孔5.4数字式控制器5.4.1数字式控制器的组成5.4.2可编程序控制器5.4.3专家自整定控制器5.4.1数字式控制器的组成1.微机单元2.输入电路3.输出电路4.人机对话接口电路图5-17数字式调节器的组成框图5.4.2可编程序控制器1. PLC的组成2. PLC的内部等效继电器电路3. PLC的工作原理4. PLC的应用及发展趋势1. P

7、LC的组成图5-18PLC的组成2. PLC的内部等效继电器电路图5-19继电器控制系统图5-20PLC的等效继电器控制电路3. PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始，不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。4. PLC的应用及发展趋势(1

8、)开关量的逻辑控制(2)模拟量控制(3)运动控制(4)过程控制(5)数据处理(6)通信及联网5.4.3专家自整定控制器图5-21专家自整定控制器原理框图5.5执行器5.5.1执行器的分类及特点5.5.2执行器的组合方式5.5.3执行器的基本结构5.5.1执行器的分类及特点1.气动执行器2.电动执行器3.液动执行器5.5.2执行器的组合方式1.气动控制器阀门定位器气动执行器2.气动控制器气/电转换器电动执行器3.电动控制器电/气阀门定位器气动执行器5.5.2执行器的组合方式图5-22执行器的各种组合方式5.5.3执行器的基本结构图5-23气动执行器的外形5.6调节机构5.6.1调节阀的分类5.6

9、.2调节阀的流量特性5.6.1调节阀的分类1.直行程式调节阀2.角行程式调节阀1.直行程式调节阀(1)直通单座阀(2)直通双座阀(3)角形阀(4)三通阀(5)套筒阀图5-24常用调节阀结构示意图a)直通单座阀b)直通单座阀c)直通双座阀d)角形阀e)三通阀f)三通阀g)蝶阀h)套筒阀i)凸轮挠曲阀1阀杆2阀芯3阀座4下阀盖5阀体6上阀盖7阀轴8阀板9柔臂10转轴11套筒2.角行程式调节阀(1)蝶阀(2)凸轮挠曲阀5.6.2调节阀的流量特性1.调节阀的理想流量特性2.调节阀的工作流量特性调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移(即阀的相对开度)之间的关系，数学表达式为QQmax=f

10、 lL (5-14)1.调节阀的理想流量特性(1)直线流量特性dQQmaxdlLmax=K (5-15)QQmax=KlL+C (5-16)C=QminQmax=1R，K=1C=11R (5-17)QQmax=1R1+(R1)lL (5-18)(2)等百分比流量特性dQQmaxdlLmax=KQQmax (5-19)Quad=RlL1 (5-20)(3)抛物线流量特性dQQmaxdlLmax=KQQmax12 (5-21)QQmax=1R1+(R1)lL2 (5-22)(4)快开型流量特性1.调节阀的理想流量特性图5-25调节阀的理想流量特性1快开2直线3抛物线4等百分比1.调节阀的理想流量特

11、性图5-26不同流量特性的阀芯形状1快开2直线3抛物线4等百分比2.调节阀的工作流量特性(1)串联管道的工作流量特性(2)并联管道的工作流量特性(1)串联管道的工作流量特性图5-27串联管道的情况图5-28管道串联时调节阀压差变化情况图5-29管道串联时调节阀的工作流量特性a)理想特性为直线型b)理想特性为等百分比型(2)并联管道的工作流量特性1)串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。2)串、并联管道都会使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。3)串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。4)串、并联管道都会使调节阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的

12、流量变化值减小；串联管道时调节阀若处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时调节阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。图5-30并联管道的情况图5-31并联管道时调节阀的工作流量特性a)直线理想特性b)等百分比理想特性5.7执行机构5.7.1电动执行机构5.7.2气动执行机构5.7.1电动执行机构图5-32电动执行机构组成框图5.7.2气动执行机构1.气动薄膜执行机构2.气动活塞式执行机构图5-33气动薄膜式执行机构结构原理1上膜盖2膜片3下膜盖4推杆5支架6压缩弹簧7弹簧座8调节杆9连接阀杆螺母10行程标尺图5-34气动活塞式执行机构5.8电气转换器和电气阀门定位器

13、1.电气转换器2.电气阀门定位器1.电气转换器图5-35电气转换器结构原理1杠杆2动圈3挡板4喷嘴5弹簧6波纹管7支承8重锤9气动功率放大器图5-36电气阀门定位器的原理1电磁线圈2弹簧3主杠杆4、14支点5反馈凸轮6副杠杆7薄膜气室8反馈杆9滚轮10反馈弹簧11调零弹簧12喷嘴13气动功率放大器5.9执行器的选择5.9.1执行器结构形式的选择5.9.2调节阀流量特性的选择5.9.3调节阀口径的选择执行器的选择，主要从以下三个方面考虑：1)执行器的结构形式。2)调节阀的流量特性。3)调节阀的口径。图5-37正反作用组合方式表5-2组 合 方 式5.9.1执行器结构形式的选择例5-1图5-38中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中不允许带有液体。解：因工艺要求故障情况下送出的气体不允许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气关式。当液位上升时，要求调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要求控制器输出减少，控制器是反作用。图5-38液面调节回路5.9.2调节阀流量特性的选择1.从控制系统的调节品质分析2.从工艺配管情况分析3.从负荷变化情况分析表5-3气动调节阀的工作流量特性5.9.3调节阀口径的选择调节阀口径选择的主要依据是其流