冶金过程控制基础及应用第四章新

1、生产过程检测仪表执行器调节仪表显示仪表集中控制装置 过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的基本要过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的基本要素。过程控制系统设计时，必须根据过程特性和工艺要求，素。过程控制系统设计时，必须根据过程特性和工艺要求，合理选用控制装置组成自动控制系统，并通过调节器合理选用控制装置组成自动控制系统，并通过调节器PID参数参数的整定，使系统运行在最佳状态，实现对生产过程的最优控的整定，使系统运行在最佳状态，实现对生产过程的最优控制。制。 本章主要介绍三部分内容：本章主要介绍三部分内容： 1、变送器、变送器 2、调节器、调节器 3、执行器、执行器 过程控制装置必须由

2、测量过程控制装置必须由测量变送单元、调节器和执行器变送单元、调节器和执行器（如调节阀）三个环节构成。（如调节阀）三个环节构成。4.1 过程控制装置的分类过程控制装置的分类一、分类一、分类1、按能源形式分类、按能源形式分类 可分为电动、气动、液动和混合式控制仪表四大可分为电动、气动、液动和混合式控制仪表四大类。类。（1）气动控制仪表）气动控制仪表 气动控制仪表采用气动控制仪表采用1.4102kPa的气压信号作为的气压信号作为能源。气动控制仪表的特点是结构简单、性能稳定、能源。气动控制仪表的特点是结构简单、性能稳定、工作可靠、防爆、易于维修等特点，特别适用于石工作可靠、防爆、易于维修等特点，特别适

3、用于石油、化工等有爆炸危险的场合。近年来，气动控制油、化工等有爆炸危险的场合。近年来，气动控制仪表在发展速度和生产应用方面仅次于电动控制仪仪表在发展速度和生产应用方面仅次于电动控制仪表表（2）液动控制仪表）液动控制仪表 液动控制仪表也发展较早。它结构简单，液动控制仪表也发展较早。它结构简单，工作可靠，但动作速度较低、设备笨重，多工作可靠，但动作速度较低、设备笨重，多用于功率较大的场合，例如目前火电厂的汽用于功率较大的场合，例如目前火电厂的汽轮机调速和水电站中的水轮机调速几乎都采轮机调速和水电站中的水轮机调速几乎都采用液动调节。用液动调节。（3）电动控制仪表）电动控制仪表 电动控制仪表采用交流电

4、源或直流电源电动控制仪表采用交流电源或直流电源作为能源。具有许多优点：电信号无滞后、作为能源。具有许多优点：电信号无滞后、易于实现快速和远距离传输、易于实现复杂易于实现快速和远距离传输、易于实现复杂的控制规律、易于集中显示和操作、便于和的控制规律、易于集中显示和操作、便于和计算机连用等。计算机连用等。（4）混合式控制仪表）混合式控制仪表 如某些汽轮机、水轮机采用的电液复合调速器，既具有如某些汽轮机、水轮机采用的电液复合调速器，既具有电动仪表能远传信号的特点又具有液动调节仪表输出功率大电动仪表能远传信号的特点又具有液动调节仪表输出功率大的特点。的特点。2、 按结构形式分类按结构形式分类 从控制仪

5、表的发展来看，大体上经历下述几个阶段：基从控制仪表的发展来看，大体上经历下述几个阶段：基地式控制仪表、单元组合式仪表、组装式综合控制装置、集地式控制仪表、单元组合式仪表、组装式综合控制装置、集散型控制装置、现场总线控制装置等几类。散型控制装置、现场总线控制装置等几类。 （1）基地式控制仪表）基地式控制仪表 其结构特点是将检测、转换放大、显示、调节等部件设其结构特点是将检测、转换放大、显示、调节等部件设计成一个整体装置。它基本上是以指示或记录仪表为中心，计成一个整体装置。它基本上是以指示或记录仪表为中心，有时附加一些部件来完成调节任务的。利用一台基地式仪表有时附加一些部件来完成调节任务的。利用一

6、台基地式仪表就能解决一个简单自动控制系统的测量、指示、记录、调节就能解决一个简单自动控制系统的测量、指示、记录、调节等全部任务，使用方便、价格低廉，因此它适用于单参数、等全部任务，使用方便、价格低廉，因此它适用于单参数、单回路的简单控制系统。单回路的简单控制系统。（2）单元组合式控制仪表）单元组合式控制仪表 按照控制系统中各环节的不同功能和使用要求，将控制按照控制系统中各环节的不同功能和使用要求，将控制仪表分为若干个能独立实现一定功能的单元，各单元之间以仪表分为若干个能独立实现一定功能的单元，各单元之间以统一标准信号互相联系，应用时把几种单元进行不同的组合统一标准信号互相联系，应用时把几种单元

7、进行不同的组合便可构成形式多样、复杂程度不等的自动控制系统。便可构成形式多样、复杂程度不等的自动控制系统。 特点：应用方便灵活，通用性强，便于生产、维护，适特点：应用方便灵活，通用性强，便于生产、维护，适合于大、中规模生产自动化的要求，已经成为现代工业生产合于大、中规模生产自动化的要求，已经成为现代工业生产中相当重要的自动控制仪表。中相当重要的自动控制仪表。 在我国，单元组合式控制仪表有气动单元组合仪表在我国，单元组合式控制仪表有气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表和电动单元组合仪表(DDZ型型)两大系列。两大系列。 在在DDZ系列中，相继研制开发了系列中，相继研制开发了型（电子管和磁

8、放大型（电子管和磁放大器型，器型，50年代）、年代）、型（晶体管型，型（晶体管型，60年代）、年代）、型（集成型（集成运算放大器型，运算放大器型，70年代）、年代）、S型（基于微机技术）电动单元型（基于微机技术）电动单元组合仪表。仪表在结构和性能等方面都有明显的改进。组合仪表。仪表在结构和性能等方面都有明显的改进。（3）组装式综合控制仪表）组装式综合控制仪表 在单元组合式仪表的基础上发展起来的成套控在单元组合式仪表的基础上发展起来的成套控制仪表装置。制仪表装置。 结构特点：将整套仪表的调节、运算和控制功结构特点：将整套仪表的调节、运算和控制功能部分与显示操作功能部分分开，为此，组装式仪能部分与

9、显示操作功能部分分开，为此，组装式仪表分为表分为控制柜控制柜和和操作盘操作盘两大部分。两大部分。 控制柜中以插接方式密集安装了一块块具有独控制柜中以插接方式密集安装了一块块具有独立功能的立功能的“功能组件功能组件”，它们是组装式仪表的基本，它们是组装式仪表的基本组成件，设置功能组件是这种装置的特征所在。显组成件，设置功能组件是这种装置的特征所在。显示操作盘是人机联系部分，集中布置了与监视、示操作盘是人机联系部分，集中布置了与监视、操作有关的盘装仪表。这样的结构有利于现代大型操作有关的盘装仪表。这样的结构有利于现代大型企业中组成各种复杂的控制系统及实现集中显示和企业中组成各种复杂的控制系统及实现

10、集中显示和操作的要求，也利于在仪表制造厂预先根据用户需操作的要求，也利于在仪表制造厂预先根据用户需要组装好整套自控系统，减少现场的安装调试工作要组装好整套自控系统，减少现场的安装调试工作量，并且使维护和系统改组工作大大简化。量，并且使维护和系统改组工作大大简化。 （4）集散型控制装置（以微处理器为基元的控制）集散型控制装置（以微处理器为基元的控制装置）装置） 以微处理器和微型计算机为核心，对生产过程以微处理器和微型计算机为核心，对生产过程进行分散控制和集中监视、操作的直接数字控制装进行分散控制和集中监视、操作的直接数字控制装置置(也称基本控制器也称基本控制器)。结构分为四部分：过程监测。结构分

11、为四部分：过程监测控制装置、人机接口装置、通信网络和上位机接口控制装置、人机接口装置、通信网络和上位机接口装置。装置。 集散型综合控制装置的特点是：以微处理器和集散型综合控制装置的特点是：以微处理器和微型计算机作为过程控制工具，完成目前模拟仪表微型计算机作为过程控制工具，完成目前模拟仪表和小型程控装置的功能；以小型计算机作为上位机，和小型程控装置的功能；以小型计算机作为上位机，实现数据处理、监督控制；以图象显示为中心的人实现数据处理、监督控制；以图象显示为中心的人机接口装置，实现集中显示、操作；用通用电缆机接口装置，实现集中显示、操作；用通用电缆将各设备有机地联系起来。将各设备有机地联系起来。

12、 集中分散型综合控制装置优点：集中分散型综合控制装置优点：功能分散、负功能分散、负荷分散、危险分散；操作集中、显示集中、管理集荷分散、危险分散；操作集中、显示集中、管理集中；运行安全（三分散三集中一安全）。中；运行安全（三分散三集中一安全）。（5）现场总线控制装置（）现场总线控制装置（FCS） 组成：现场总线和现场总线装置。组成：现场总线和现场总线装置。3、按信号形式分类、按信号形式分类 可分为数字式和模拟式仪表两大类。可分为数字式和模拟式仪表两大类。二、自动控制仪表的信号制二、自动控制仪表的信号制 组成工业自动控制系统的仪表一般包括以下几类；组成工业自动控制系统的仪表一般包括以下几类；检测仪

13、表和变送器；显示及记录仪表；检测仪表和变送器；显示及记录仪表；信号处信号处理仪表理仪表(包括运算、调节、监控等功能包括运算、调节、监控等功能)；执行器。执行器。 变送器和执行器一般直接安装在生产现场，其它变送器和执行器一般直接安装在生产现场，其它仪表安装在控制室内。为了把这些过程控制装置连接仪表安装在控制室内。为了把这些过程控制装置连接起来，构成功能各异的控制系统，在过程控制装置之起来，构成功能各异的控制系统，在过程控制装置之间应该有一个间应该有一个统一的标准联络信号统一的标准联络信号和和适当的传输方式适当的传输方式。 信号制信号制：是指在成套仪表系列中，各个仪表的输入、输出采用：是指在成套仪

14、表系列中，各个仪表的输入、输出采用何种统一联络信号的问题。何种统一联络信号的问题。 采用统一信号不仅使各仪表间的任意联用成为可能，而且还有采用统一信号不仅使各仪表间的任意联用成为可能，而且还有以下好处：以下好处： (1)通用性强。由于各种被测参数转换为统一信号，显示、记通用性强。由于各种被测参数转换为统一信号，显示、记录仪表单一化，同时便于与巡回检测装置、顺序控制装置、控制计录仪表单一化，同时便于与巡回检测装置、顺序控制装置、控制计算机等现代技术工具配合使用；算机等现代技术工具配合使用； (2)扩大使用范围。采用统一信号，可以通过各种转换器如电扩大使用范围。采用统一信号，可以通过各种转换器如电

15、气转换器、气电转换器等将电动仪表和气动仪表联系起来，混气转换器、气电转换器等将电动仪表和气动仪表联系起来，混合使用，从而扩大仪表的使用范围。合使用，从而扩大仪表的使用范围。 目前过程控制装置使用的联络信号有：模拟信号（气目前过程控制装置使用的联络信号有：模拟信号（气动、电动）、数字信号、频率信号、脉宽信号。动、电动）、数字信号、频率信号、脉宽信号。 气动模拟信号：气动模拟信号：仪表的输入、输出信号统一采用仪表的输入、输出信号统一采用0.020.1MPa压力信号。压力信号。 电信号电信号有电模拟信号、数字信号、频率信号、脉冲信有电模拟信号、数字信号、频率信号、脉冲信号等四类。目前工业自控仪表中绝

16、大部分是模拟仪表，因号等四类。目前工业自控仪表中绝大部分是模拟仪表，因此用得最多的是电模拟信号。此用得最多的是电模拟信号。 电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流和交流电电模拟信号的种类有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。目前大都采用直流信号作为统一的联络信号。压四种。目前大都采用直流信号作为统一的联络信号。 不同的过程控制装置，所取的信号上、下限是不同的。不同的过程控制装置，所取的信号上、下限是不同的。 国际电国际电工委员会工委员会(IEC)规定了国际统一信号，即规定了国际统一信号，即过程控制系统的模拟直流电过程控制系统的模拟直流电流信号为流信号为4-20mA,DC；模拟直

17、流电压信号为；模拟直流电压信号为15V,DC。 我国的我国的DDZ-型仪表采用了国际统一信号，而型仪表采用了国际统一信号，而DDZ-型仪表型仪表采用采用010mA,DC信号。信号。三、三、 DDZ型仪表的分类和命名规则型仪表的分类和命名规则 1、 按单元分类按单元分类 按照按照DDZ型仪表各单元在自动检测与控制系统中的作用与特点，可将整套仪型仪表各单元在自动检测与控制系统中的作用与特点，可将整套仪表分为八大类。表分为八大类。 变送单元。将各种被测参数转换成变送单元。将各种被测参数转换成0 010mA10mA，DCDC统一标准信号，传送到显示统一标准信号，传送到显示单元和调节单元，以实现对各种参

18、数的指示、记录和调节。单元和调节单元，以实现对各种参数的指示、记录和调节。 调节单元。将变送单元送来的测量信号与给定位值信号进行比较，根据所得调节单元。将变送单元送来的测量信号与给定位值信号进行比较，根据所得偏差信号按一定调节规律输出连续的调节信号，来控制执行单元工作。偏差信号按一定调节规律输出连续的调节信号，来控制执行单元工作。 执行单元。根据调节单元送来的调节信号或手动操作信号，操作调节机构执行单元。根据调节单元送来的调节信号或手动操作信号，操作调节机构(如阀门、挡板如阀门、挡板)开大或关小，以达到调节的目的。开大或关小，以达到调节的目的。 显示单元。接受变送单元或其它单元送来的信号对被测

19、参数进行指示、记录、显示单元。接受变送单元或其它单元送来的信号对被测参数进行指示、记录、积算和报警，供运行人员监视、分析系统工况。积算和报警，供运行人员监视、分析系统工况。计算单元。能对几个仪表输出的计算单元。能对几个仪表输出的010mA,DC信号进行数学计算信号进行数学计算(如加、减、如加、减、乘、除、平方、开方乘、除、平方、开方)，适用于信号的校正计算、多参数综合调节等。，适用于信号的校正计算、多参数综合调节等。给定单元。输出给定单元。输出010mA, DC作为被控参数的给定值送到调节单元实现定值作为被控参数的给定值送到调节单元实现定值控制或时间程序控制。给定单元的输出也可供给其它仪表作为

20、参考基准值。控制或时间程序控制。给定单元的输出也可供给其它仪表作为参考基准值。转换单元。它是转换单元。它是DDZ-型仪表与其它系列仪表之间联系的桥梁。它能将毫伏型仪表与其它系列仪表之间联系的桥梁。它能将毫伏电势、频率和气动单元组合仪表的气动信号转换成电势、频率和气动单元组合仪表的气动信号转换成010mA,DC。 辅助单元。配合各单元在自动检测和控制系统中起附加和补充作用，以增加辅助单元。配合各单元在自动检测和控制系统中起附加和补充作用，以增加系统组合的灵活性及系统远行的安全性，如手动操作、信号限幅、报警和平滑阻系统组合的灵活性及系统远行的安全性，如手动操作、信号限幅、报警和平滑阻尼。尼。2、命

21、名规则、命名规则 根据各单元的特点和习惯用语，将指示、记录根据各单元的特点和习惯用语，将指示、记录单元称为指示仪、记录仪，其余各单元均称为器，单元称为指示仪、记录仪，其余各单元均称为器，如变送器、转换器、调节器、执行器、给定器等。如变送器、转换器、调节器、执行器、给定器等。 整套仪表以电整套仪表以电(DIAN)、单、单(DAN)、组、组(ZU)三字三字的汉语拼音第一个大写字母组合为命名，即的汉语拼音第一个大写字母组合为命名，即DDZ，代表电动单元组合仪表，罗马数字代表电动单元组合仪表，罗马数字代表整套仪表代表整套仪表为晶体管型。为晶体管型。 DDZ-型仪表型仪表（集成运算放大器型）（集成运算放

22、大器型）命名类似命名类似型仪表，其型仪表，其采用统一信号采用统一信号4-20mA,DC。4.2 变送器变送器 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。工业生产过程中，测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要程中，测量元件将压力、温度、流量、液位等参数检测出来后，需要由变送器将测量元件的信号转换为一定的标准信号由变送器将测量元件的信号转换为一定的标准信号(010mA，DC或或420mA，DC)，送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。，送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节。 注意：变送器（变送）和传感器（测量和

23、变送）的差别。注意：变送器（变送）和传感器（测量和变送）的差别。变送器分类变送器分类1、按功能分类、按功能分类 压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。送器等。2、按照变送器的驱动能源来分：气动变送器和电动变送器。、按照变送器的驱动能源来分：气动变送器和电动变送器。 以压缩空气为驱动能源的是气动变送器；以压缩空气为驱动能源的是气动变送器； 以电力为驱动能源的便是电动变送器。以电力为驱动能源的便是电动变送器。4.2.1 差压变送器差压变送器作用作用：差压变送器用来把差压、流量、液位等被测：差压变送器用来把差压、流量、液位

24、等被测参数转换成为统一标准信号，并将此统一信号输送参数转换成为统一标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录或调节。的显示、记录或调节。发展历程发展历程：单杠杆式、双杠杆式、矢量机构式、微：单杠杆式、双杠杆式、矢量机构式、微位移式（电容、电感等）、智能式等阶段。位移式（电容、电感等）、智能式等阶段。 下面以力平衡式（下面以力平衡式（QDZ型气动差压变送器和型气动差压变送器和DDZ-III型电动差压变送器）和电容式差压变送器的型电动差压变送器）和电容式差压变送器的结构和工作原理进行介绍。结构和工作原理进行介绍。

25、1、气动元件及组件、气动元件及组件 常见的气动元件有气阻、气容。常见的组件有组容藕合组件、喷常见的气动元件有气阻、气容。常见的组件有组容藕合组件、喷嘴嘴挡板机构、功率放大器等。挡板机构、功率放大器等。（1）气阻）气阻 气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫做气阻。气阻的作用和电阻相似，起阻碍气体的流动、叫做气阻。气阻的作用和电阻相似，起阻碍气体的流动、降压降压和和限流限流的作用。的作用。 气阻按其结构特点和工作特性可分为气阻按其结构特点和工作特性可分为恒气阻恒气阻与与变气阻变气阻两类。气阻两类。气阻对空气的阻碍程度，一般用气阻值对

26、空气的阻碍程度，一般用气阻值R表示，其大小为每增加表示，其大小为每增加单位体积单位体积流量流量的气体所需要增加的压力差。即：的气体所需要增加的压力差。即：Rp/qv 化工仪表也有用化工仪表也有用质量流量质量流量表示：表示： Rp/M一、气动差压变送器一、气动差压变送器 气动差压变送器主要利用了力平衡原理。其敏感元件为膜片或膜盒。气动差压变送器主要利用了力平衡原理。其敏感元件为膜片或膜盒。主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等物理量。 气动差压变送器可以将压力信号成比例地转换成气动差压变送器可以将压力信号成比例地转换成

27、20-100 kPa的统一的统一标准气压信号，送往气动单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、标准气压信号，送往气动单元组合仪表的调节器或显示仪表进行调节、指示和记录。指示和记录。 其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆和矢量机构。其杠杆系统形式有三种：单杠杆、双杠杆和矢量机构。 恒气阻是指流通截面积不能调整的节流元件，其气阻值不可改变。恒气阻是指流通截面积不能调整的节流元件，其气阻值不可改变。恒气阻的结构一般有三种形式。恒气阻的结构一般有三种形式。 变气阻是指流通截面积可以调整的节流元件，其气阻值可以随意改变气阻是指流通截面积可以调整的节流元件，其气阻值可以随意改变。变气阻的结构形式很多。变。

28、变气阻的结构形式很多。（2）气容）气容 凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。气容在凡是在气路中能贮存或释放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容作用相类似。通常用气容气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用，与电容作用相类似。通常用气容C来定量表示气室贮存空气量的能力。来定量表示气室贮存空气量的能力。 所谓气容就是指改变单位压力所需要的气体的所谓气容就是指改变单位压力所需要的气体的体积流量体积流量。可表示为。可表示为气容分为固定气容（容积不变）和弹性气容（压力容积均变）两种。气容分为固定气容（容积不变）和弹性气容（压力容积均变）两种。（3）组容耦合组件）组容耦合

29、组件 常见的组容耦合组件有节流通室和节流盲室。常见的组容耦合组件有节流通室和节流盲室。节流通室节流通室是由变气阻、流通气室与恒气阻串联而成的组件。是由变气阻、流通气室与恒气阻串联而成的组件。节流盲室节流盲室由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件。由一个变气阻和一个气室串联在一起所构成的组件。节流通室节流通室 112122KppRRRp212RRRK在稳态情况下，节流通室的入口压力与出口压力成比例。即类似比例环节。在稳态情况下，节流通室的入口压力与出口压力成比例。即类似比例环节。节流盲室节流盲室)1 (12Ttepp节流盲室特性方程（充气过程气室压力节流盲室特性方程（充气过程气室压力P2与

30、时间的关系）见上式，类似惯性环节。与时间的关系）见上式，类似惯性环节。即：即：（a）若输入压力）若输入压力P1为阶跃信号，则气容压力为阶跃信号，则气容压力P2随时间的变化规律呈指数曲线变随时间的变化规律呈指数曲线变化。即先快后慢。化。即先快后慢。（b）当）当t=T时，时，P20.632P1；TRC称为时间常数，其等于称为时间常数，其等于P1阶跃变化时，气阶跃变化时，气容压力容压力P2上升到上升到P1的的63.2时所需的时间。时所需的时间。（c）T反映气容中压力反映气容中压力P2的变化速度，的变化速度，T越大，表示越大，表示P2变化速度越慢。变化速度越慢。（4）喷嘴挡板机构）喷嘴挡板机构 (符号

31、符号 ) 是由恒气阻、气容（喷嘴背压室）和喷嘴挡板型变气阻串是由恒气阻、气容（喷嘴背压室）和喷嘴挡板型变气阻串联而成的节流通室，其结构如下图。联而成的节流通室，其结构如下图。 喷嘴挡板机构的作用是把输入的微小位移（挡板相对喷嘴的距离）转换成相应的气压信号喷嘴挡板机构的作用是把输入的微小位移（挡板相对喷嘴的距离）转换成相应的气压信号作为其输出。喷嘴背压室的压力就是喷嘴挡板机构的输出压力，称作为其输出。喷嘴背压室的压力就是喷嘴挡板机构的输出压力，称P背背。 工作原理：来自气源的压缩空气（约工作原理：来自气源的压缩空气（约0.14 MPa），经恒气阻），经恒气阻1进入被压室进入被压室2后，再由喷嘴后

32、，再由喷嘴3和和挡板挡板4之间的间隙排入大气。恒节流孔径很小，它对压缩空气的流动造成很大阻力。挡板和喷嘴之间的间隙排入大气。恒节流孔径很小，它对压缩空气的流动造成很大阻力。挡板和喷嘴组成的变气阻与两者之间的间隙组成的变气阻与两者之间的间隙h有关，当挡板靠近喷嘴，气阻增大，背压室内的气体不易排出，有关，当挡板靠近喷嘴，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则则P背背上升；反之，挡板离开喷嘴，气阻减小，背压室内的气体容易排出，则上升；反之，挡板离开喷嘴，气阻减小，背压室内的气体容易排出，则P背背下降。从而实现下降。从而实现挡板的微小位移转换成气压信号的任务。挡板的微小位移转换成气压信号的任务。 喷嘴挡

33、板机构的输出信号喷嘴挡板机构的输出信号P背背与输入信号（挡板位移）之间的关系，即为喷嘴挡板机构的静与输入信号（挡板位移）之间的关系，即为喷嘴挡板机构的静态特性。如上图所示。态特性。如上图所示。h与与P背背之间的关系在较小范围内才是线性的。因此其一般工作在中间区之间的关系在较小范围内才是线性的。因此其一般工作在中间区段（段（0.025-0.13MPa）。）。（5）功率放大器）功率放大器 (符号符号 ) 功率放大器的作用就是将气动信号进行压力和流量的放功率放大器的作用就是将气动信号进行压力和流量的放大，使其能驱动显示和执行机构。功率放大器按原理分为两大，使其能驱动显示和执行机构。功率放大器按原理分

34、为两类：力平衡式和节流式（见下图）。类：力平衡式和节流式（见下图）。 节流式功放的输入是节流式功放的输入是喷嘴挡板机构的输出。它喷嘴挡板机构的输出。它在进行气体的流量放大的在进行气体的流量放大的同时，也满足气体的压力同时，也满足气体的压力放大，实现气体压力和流放大，实现气体压力和流量同时放大。量同时放大。2、单杠杆式气动差压变、单杠杆式气动差压变送器送器 基本工作原理：气动差基本工作原理：气动差压变送器是根据力矩平衡原压变送器是根据力矩平衡原理工作的，它可将压力信号理工作的，它可将压力信号 P 成比例地转换成成比例地转换成 0.02 - 0.1 MPa的统一标准气压信的统一标准气压信号，送往调

35、节器或显示仪表号，送往调节器或显示仪表进行调节、指示或记录。其进行调节、指示或记录。其由测量部分和气动转换部分由测量部分和气动转换部分组成，包括测量部分（膜组成，包括测量部分（膜盒）、杠杆系统、放大器和盒）、杠杆系统、放大器和反馈机构等部分组成，如图反馈机构等部分组成，如图所示。所示。（1）测量部分）测量部分 测量部分由轴封膜片、敏感元件、机座、主杠杆及连接部件组测量部分由轴封膜片、敏感元件、机座、主杠杆及连接部件组成，结构如图所示。其作用是把被测差压成，结构如图所示。其作用是把被测差压pi（p1-p2）转换成作用于主杠杆下转换成作用于主杠杆下端的输入力端的输入力Fi，当，当p2接大气，则接大

36、气，则pi相当于相当于p1的表压。输入力的表压。输入力Fi与与pi之间的关系之间的关系用下式表示，即：用下式表示，即： Fip1A1-p2A2= piAd式中，式中，A1、A2为膜盒正、负压室膜片的有效面积（制造时经严格选配使为膜盒正、负压室膜片的有效面积（制造时经严格选配使A1A2Ad） 因膜片工作位移只有几十微米，可以认为膜片的有效面积在测量范围内保因膜片工作位移只有几十微米，可以认为膜片的有效面积在测量范围内保持不变，即保证了持不变，即保证了Fi只与只与P之间的线性关系。轴封膜片为主杠杆的支点，同时之间的线性关系。轴封膜片为主杠杆的支点，同时它又起密封作用。它又起密封作用。（2）杠杆系统

37、）杠杆系统 气动转换部分包括杠杆系统、放大器和反馈机构等部分，关气动转换部分包括杠杆系统、放大器和反馈机构等部分，关键部分是杠杆系统。键部分是杠杆系统。 杠杆系统的作用杠杆系统的作用是进行力的传递和力矩比较。杠杆系统受力是进行力的传递和力矩比较。杠杆系统受力分析：分析：输入力输入力Fi（被测差压（被测差压pi经膜盒转换作用于主杠杆下端力），产经膜盒转换作用于主杠杆下端力），产生一个输入力矩生一个输入力矩Mi，使主杠杆以轴封膜片为支点而顺时针偏转；，使主杠杆以轴封膜片为支点而顺时针偏转；反馈力反馈力Ff（ Abp0）：由变送器的输出信号产生，在主杠杆上形成）：由变送器的输出信号产生，在主杠杆上形

38、成逆时针方向的力矩逆时针方向的力矩Mf，当，当Mf和和Mi适当时，主杠杆重新达到平衡。适当时，主杠杆重新达到平衡。此时其关系为：此时其关系为： FiL1=FfL2（3）整机特性（）整机特性（变送器静特性）变送器静特性）工作原理：工作原理：根据力矩平衡原理可得单杠杆气动差根据力矩平衡原理可得单杠杆气动差压变送器压变送器平衡时输出平衡时输出P0与输入与输入pi之间之间的关系：的关系：20211lAplFMlAplFMbffdiiiiibdpKplAlAp210可见可见P0与与pi之间具有固定的比例关系。之间具有固定的比例关系。式中式中K为为变送器的放大系数变送器的放大系数，改变，改变K就可就可以改

39、变变送器的量程范围。当变送器结以改变变送器的量程范围。当变送器结构确定后，唯一可变的是通过移动量程构确定后，唯一可变的是通过移动量程支点支点6来改变来改变l2。当。当l2变大（负反馈力矩变变大（负反馈力矩变大），大），K变小，在输出范围（变小，在输出范围（0.02-0.1MPa）相同时，量程就可以变大。反）相同时，量程就可以变大。反之，量程变小。之，量程变小。二、电动差压变送器二、电动差压变送器 DDZ型电动差压变送器能型电动差压变送器能将压力信号成比例地转换成将压力信号成比例地转换成420mA的的DC 直流电流统一标准信号，直流电流统一标准信号，送往调节器或显示仪表进行指示、送往调节器或显示

40、仪表进行指示、记录和调节。它具有反应速度快、记录和调节。它具有反应速度快、便于远距离输送等特点。便于远距离输送等特点。 电动差压变送器有多种型式，电动差压变送器有多种型式， DDZ型差压变送器是两线制安型差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸气的差压、流量、液体、气体或蒸气的差压、流量、液位、相对密度等物理量。它的反馈位、相对密度等物理量。它的反馈部分采用电磁反馈装置，放大器采部分采用电磁反馈装置，放大器采用低频位移检测放大器，杠杆系统用低频位移检测放大器，杠杆系统采用矢量机构的形式。其结构图如采用矢量机构的形式。其结构图如下：下：（1）测

41、量部分）测量部分 测量部分类似单杠杆差压变送器，其作用是把被测差压测量部分类似单杠杆差压变送器，其作用是把被测差压pi（p1-p2）转换成作用于主杠杆下端的输入力）转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，即：，即： Fip1A1-p2A2= piAd式中，式中，A1、A2为膜盒正、负压室膜片的有效面积制造时经严格选配使为膜盒正、负压室膜片的有效面积制造时经严格选配使A1A2Ad。（2）主杠杆系统）主杠杆系统 主杠杆系统的作用主杠杆系统的作用是进行力的传递和力矩比较。主杠杆把被测差压是进行力的传递和力矩比较。主杠杆把被测差压pi经膜盒将其转换成作用于主杠杆下端的输入力经膜盒将其转换成作用于主杠杆下端

42、的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜，使主杠杆以轴封膜片为支点进行顺时针偏转，并以片为支点进行顺时针偏转，并以F1的方向推动矢量机构。的方向推动矢量机构。Fi与与F1的关系为：的关系为： FiL1=F1L2（3）矢量机构）矢量机构 矢量机构由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用矢量机构由厚金属板及可挠曲的弹性片组成，其传动比用tg表示。其表示。其作用是对作用是对F1进行进行矢量分解，将输入力矢量分解，将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力转换为作用于副杠杆上的力F2，其结构如图，其结构如图4-4(a)所示。所示。F3被被U型型板板A、C固定点平衡。固定点平衡。（b）为矢量机构的力分析矢量图，由此可

43、得出如下关系：）为矢量机构的力分析矢量图，由此可得出如下关系： F2F1tg （4）电磁反馈装置）电磁反馈装置其作用是把变送器的输出电流其作用是把变送器的输出电流I0转换成电转换成电磁反馈力磁反馈力Ff。该装置由反馈动圈和永久磁。该装置由反馈动圈和永久磁钢等组成。反馈动圈固定在副杠杆钢等组成。反馈动圈固定在副杠杆8上，上，并且处于永久磁钢的磁场中，可在其中左并且处于永久磁钢的磁场中，可在其中左右移动。当输出电流右移动。当输出电流I0经过反馈动圈时，经过反馈动圈时，就产生一个电磁反馈力就产生一个电磁反馈力Ff，它们之间的关，它们之间的关系为：系为：06010IKWIBDFfcfKf为电磁反馈装置

44、的转换系数。为电磁反馈装置的转换系数。（5）低频位移检测放大器）低频位移检测放大器实质上是一个位移实质上是一个位移/电流转换器。其作用是将幅杠杆上位移检电流转换器。其作用是将幅杠杆上位移检测片的微小位移测片的微小位移S转换成转换成4-20mA直流电流输出。其由差动变直流电流输出。其由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器组成。压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器组成。（6）副杠杆）副杠杆 由主杠杆传来的推力被矢量机构分解为两个由主杠杆传来的推力被矢量机构分解为两个分力分力F2和和F3。F3沿着矢量板方向，不起任何作用；沿着矢量板方向，不起任何作用；F2垂直向上作用于幅杠杆上，使

45、其以支点垂直向上作用于幅杠杆上，使其以支点M为中为中心逆时针偏转，带动幅杠杆上的位移检测片靠近心逆时针偏转，带动幅杠杆上的位移检测片靠近差动变压器，两者之间距离的变化量通过位移检差动变压器，两者之间距离的变化量通过位移检测放大器转换为测放大器转换为420mA的直流电流的直流电流I0作为变送作为变送器的输出信号；同时，该电流又流过电磁反馈装器的输出信号；同时，该电流又流过电磁反馈装置，产生电磁反馈力置，产生电磁反馈力Ff使副杠杆顺时针偏转。使副杠杆顺时针偏转。当当Fi与与Ff对杠杆系统所产生的力矩对杠杆系统所产生的力矩Mi、Mf达到平达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。反馈力衡时，变送器便

46、达到一个新的稳定状态。反馈力Ff与变送器输出电流与变送器输出电流I0之间的关系可以记为：之间的关系可以记为：FfKfI0 注意调零弹簧的张力注意调零弹簧的张力Fz也作用在幅杠杆，并与也作用在幅杠杆，并与Fi和和Ff一起构成一个力矩平衡系统，其输入力矩一起构成一个力矩平衡系统，其输入力矩Mi、反馈力矩、反馈力矩Mf和调零力矩和调零力矩Mz分别为：分别为：MiF2L3; Mf=FfLf; Mz=FzLz（7）整机系统）整机系统把双杠杆差压变送器的各基本环节按信号传递关系用方框把双杠杆差压变送器的各基本环节按信号传递关系用方框图表示，可得到整机框图为图表示，可得到整机框图为三、量程调整、零点调整和迁

47、移三、量程调整、零点调整和迁移 上述分析可知，变送器包括上述分析可知，变送器包括测量、放大和反馈测量、放大和反馈三三个部分，其工作原理：个部分，其工作原理：负反馈原理。如果考虑量程、负反馈原理。如果考虑量程、零点迁移的情况，则变送器框图可简化为下图零点迁移的情况，则变送器框图可简化为下图4-2： Z0 Zf Zi - y x 测量部分测量部分 C 放大器放大器 K 调零调零、零点迁移、零点迁移 反馈部分反馈部分 F + 变送器的原理框图变送器的原理框图根据前图可得，变送器输入与输出的关系为：根据前图可得，变送器输入与输出的关系为：0()1KyCxzKF当当KF1时时，01()yCxzF y y

48、max ymin xmax xmin t 变送器的输入输出特性变送器的输入输出特性输入输出特性：输入输出特性：式中：式中： K放大器的放大系数放大器的放大系数 F反馈部分的反馈系数反馈部分的反馈系数 C测量部分的转换系数测量部分的转换系数变送器的量程、零点迁移变送器的量程、零点迁移量程迁移：量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。由量程调整螺钉进行。量范围的上限值相对应。由量程调整螺钉进行。 xmax o y ymax ymin xmax xmin x 变送器量程调整前后的变送器量程调整前后的输入输出特性输入输出特性改变反馈系数F的大

49、小可以实现量程调整。 F大则量程大； F小则量程小。01()yCxzF零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。零点调整和迁移分别由调零弹簧和零点迁移弹簧进行。零点调整： xmin =0零点迁移： xmin 0 xmin 0 正迁移 xmin 1时时1）开环增益加大，稳态误差减小。即）开环增益加大，稳态误差减小。即改善了系统的稳态性能改善了系统的稳态性能2）幅值穿越频率）幅值穿越频率c增大，过渡过程时间增大，过渡过程时间ts缩短。即缩短。即改善了系统的快速性改善了系统的快速性3）稳定裕量减小甚至可能为负值。即）稳定裕量减小甚至可能为负值。即系统稳定性变差系统稳定性变差p

50、cKssUsG)()()(1.3 比例积分调节规律比例积分调节规律积分控制的作用：积分控制的作用：力图消除余差。力图消除余差。积分时间的理解：积分时间的理解：积分时间表征积分作用的强弱，积分时间表征积分作用的强弱，TI越小，越小，积分速率越大，积分作用越强。其大小为在阶跃偏差输入积分速率越大，积分作用越强。其大小为在阶跃偏差输入作用下，调节器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。作用下，调节器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。积分时间对过渡过程的影响积分时间对过渡过程的影响 在在PIPI控制系统中，积分时间对过渡过程有双重影响，控制系统中，积分时间对过渡过程有双重影响，一方面积分作用的引入

51、消除了系统的余差，而另一方面却一方面积分作用的引入消除了系统的余差，而另一方面却降低了系统的其他品质指标。降低了系统的其他品质指标。 01tpppIIKu tKe te t dtK AAtTT1.4 1.4 比例微分调节规律比例微分调节规律(PD) 理想数学表达式为理想数学表达式为 pDde tu tKe tTdt实际采用的实际采用的PD调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，调节规律是比例作用与近似微分作用的组合，其数学表达式如下其数学表达式如下 1DDKtTppDu tK AK A Ke式中，式中，KD为微分增益为微分增益。微分控制的作用：微分控制的作用：力图阻止被控变量的变化，适当微分，

52、有抑制振荡的效果。力图阻止被控变量的变化，适当微分，有抑制振荡的效果。但是微分过强，反而不利系统稳定。但是微分过强，反而不利系统稳定。适用场合：适用场合：适用时间常数较大或容量滞后较大的被控对象。适用时间常数较大或容量滞后较大的被控对象。微分时间对过渡过程的影响微分时间对过渡过程的影响 在比例微分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，在比例微分控制系统中，若保持调节器的比例度不变，微分时间对过渡过程的影响如图所示。微分时间微分时间对过渡过程的影响如图所示。微分时间TD太小，对太小，对系统的品质指标影响甚微，如图中的曲线系统的品质指标影响甚微，如图中的曲线1，随着微分时间，随着微分时间的增加，微

53、分作用增强；当的增加，微分作用增强；当TD适当时，控制系统的品质指标适当时，控制系统的品质指标将得到全面的改善，如图中的曲线将得到全面的改善，如图中的曲线2；但若微分作用太强，；但若微分作用太强，反而会引起系统振荡，如图中的曲线反而会引起系统振荡，如图中的曲线3。可见，微分作用的。可见，微分作用的强弱用微分时间来衡量，对于控制系统强弱用微分时间来衡量，对于控制系统TD要适当。要适当。1.5 1.5 比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律(PID) 理想理想PID数学表达式为数学表达式为 01tpDIde tu tKe te t dtTTdt工业上实际工业上实际PID调节器（调节器（DDZ）传

54、递函数表达式为：）传递函数表达式为：sKTsTKsTsTKsGDDIIDIpc1111)(*式中带式中带*的量为调节器参数实际值，不带的量为调节器参数实际值，不带*的值为参数的刻度值。的值为参数的刻度值。工业工业PID调节器的阶跃响应曲线如图调节器的阶跃响应曲线如图PID控制作用对过渡过程的影响控制作用对过渡过程的影响 P作用是基本控制作用；作用是基本控制作用； I作用能消除系统余差；作用能消除系统余差； D作用能改善系统的稳定性；作用能改善系统的稳定性； 从输出特性曲线看，在过渡过程的前期，从输出特性曲线看，在过渡过程的前期，PD起主要作用，起主要作用，能抑制系统振荡；过程后期，能抑制系统振

55、荡；过程后期，PI起主要作用，用于消除系统起主要作用，用于消除系统的余差。的余差。1.6 调节规律的选取调节规律的选取 控制规律的选取可参考如下几点。控制规律的选取可参考如下几点。简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都很负荷变化较大，无论选择那种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应选用复杂控制系统。难得到满意的控制质量，此时，应选用复杂控制系统。在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当广义对在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当广义对象控制通道时间常数较

56、小，负荷变化较小，而工艺要求不高象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例（时，可选择单纯的比例（P）调节规律。）调节规律。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分（艺要求无余差时，可选用比例积分（PI）调节规律。）调节规律。当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。若工艺允许有余差，可选取比例微分（引入微分作用。若工艺允许有余差，可选取比例微分（PD）调节规律；如工艺要求无余差时，则选用比例积分微分（调

57、节规律；如工艺要求无余差时，则选用比例积分微分（PID）调节规律，如温度、成分、调节规律，如温度、成分、pH等参数的控制。等参数的控制。2、调节器调节规律的实现方法、调节器调节规律的实现方法 从调节规律讲，从调节规律讲，PID是模拟调节器中最完是模拟调节器中最完善的调节器。善的调节器。PID实际上是一个运算装置，实实际上是一个运算装置，实现对输入信号的比例、积分、微分等各种运现对输入信号的比例、积分、微分等各种运算功能。能实现这些计算的方法很多，在电算功能。能实现这些计算的方法很多，在电动调节器中，大多采用运算放大器与阻容动调节器中，大多采用运算放大器与阻容（RC）电路相结合的方法实现。用不同

58、的）电路相结合的方法实现。用不同的RC电路和运算放大器进行组合，可以得到各电路和运算放大器进行组合，可以得到各种运算规律的电路。种运算规律的电路。 1fKW sKWs 1fW sWs调节规律实现基本原理：调节规律实现基本原理：下图是构成各种调节规律的方框图。用下图是构成各种调节规律的方框图。用传递函数表示传递函数表示当放大器增益当放大器增益K趋于无穷时，则：趋于无穷时，则： 只要只要K足够大，调节器的传递函数即为反馈回路传递函数足够大，调节器的传递函数即为反馈回路传递函数Wf(s)的倒数，这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算功能的倒数，这就使反馈电路和整个闭环放大器在运算功能上是相反的。既反馈

59、电路衰减多少倍，闭环放大器就放大多少上是相反的。既反馈电路衰减多少倍，闭环放大器就放大多少倍；反馈是微分，则闭环必是积分作用。这就是利用负反馈回倍；反馈是微分，则闭环必是积分作用。这就是利用负反馈回路实现各种调节规律的基本原理。路实现各种调节规律的基本原理。 3、气动调节器、气动调节器 模拟调节器一般有气动调节器和电动调节器。模拟调节器一般有气动调节器和电动调节器。其作用是将被控变量测量值与给定值进行比较，然其作用是将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算后对偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控结果以一定的

60、信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。变量的自动控制。 气动单元组合仪表气动单元组合仪表QDZ中的控制单元为气动调中的控制单元为气动调节器，它的输入、输出信号均采用节器，它的输入、输出信号均采用20100kPa的的标准气压信号。目前使用的气动调节器，其工作原标准气压信号。目前使用的气动调节器，其工作原理主要有理主要有力平衡和力矩平衡力平衡和力矩平衡两种。两种。 气动调节器线路比较简单、直观，操作容易、气动调节器线路比较简单、直观，操作容易、价格便宜，而且由于它使用压缩空气作为气源，是价格便宜，而且由于它使用压缩空气作为气源，是天然防爆仪表，因此广泛应用于石油、化工等生产天然防爆仪表，