自动化仪表课件

1、 自动化仪表自动化仪表目目 录录 1.1.概述概述 1.1 1.1 控制仪表与装置总体概述控制仪表与装置总体概述 1.2.1.2.仪表的分析方法仪表的分析方法2.2.控制器控制器2.22.2模拟控制器模拟控制器2.3. 2.3. 数字式控制器数字式控制器2.1.2.1.控制规律控制规律 3.1.3.1.概述概述3.2 3.2 差压变送器差压变送器3.3.变送器变送器4.4.其他常用的单元仪表其他常用的单元仪表4.1.4.1.开方器开方器4.2.4.2.积算器积算器4.3 4.3 辅助单元仪表辅助单元仪表5.5.执行器执行器 5.1. 5.1. 概述概述 5.2.5.2.执行机构执行机构 5.3

2、. 5.3.调节机构调节机构 5.4. 5.4. 执行器的选择计算执行器的选择计算 5.5. 5.5.阀门定位器阀门定位器6.6.课间休息课间休息 控制仪表与装置是实现生产过程自动化必控制仪表与装置是实现生产过程自动化必不可少的工具，其重要性可通过下图不可少的工具，其重要性可通过下图1-11-1所示所示例子来说明。例子来说明。1.1. 1.1. 控制仪表与装置总体概述控制仪表与装置总体概述1.1.1. 1.1.1. 自动控制系统和控制仪表自动控制系统和控制仪表返回目录返回目录 图图1-11-1为一加热温度控制系统。原料通过加热为一加热温度控制系统。原料通过加热炉内炉管加热，要求其出口温度保持一

3、定，以满足炉内炉管加热，要求其出口温度保持一定，以满足生产需要；加热炉以燃料油作为燃料。图中温度变生产需要；加热炉以燃料油作为燃料。图中温度变送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。送器、控制器和执行器构成了一个单回路控制系统。炉出口温度经测温元件和温度变送器转换成相应的炉出口温度经测温元件和温度变送器转换成相应的标准统一信号送到控制器，与给定值标准统一信号送到控制器，与给定值SPSP相比较，控相比较，控制器按照比较后得到的偏差，以一定的控制规律发制器按照比较后得到的偏差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，改变燃料油的流出控制信号，控制执行器的动作，改变燃料油的流量，从而使

4、出口温度量，从而使出口温度T T保持在于给定值基本相等的数保持在于给定值基本相等的数值上。值上。 为了提高控制系统的功能，还可以增加一些仪表，如显示器、手操为了提高控制系统的功能，还可以增加一些仪表，如显示器、手操器等。而为了改善控制质量，还可以采用串级控制等其他更复杂的控制器等。而为了改善控制质量，还可以采用串级控制等其他更复杂的控制方案，显然，这将需要用到更多的仪表。方案，显然，这将需要用到更多的仪表。 实际所采用的仪表，可以是电动仪表，气动仪表等各种系列的仪表，实际所采用的仪表，可以是电动仪表，气动仪表等各种系列的仪表，也可以是各种控制装置，所有这些仪表或装置都属于控制仪表装置范畴。也可

5、以是各种控制装置，所有这些仪表或装置都属于控制仪表装置范畴。显而易见，如果没有这些仪表或装置，就不可能实现自动控制。显而易见，如果没有这些仪表或装置，就不可能实现自动控制。返回目录返回目录1.1.2. 1.1.2. 控制仪表与装置的分类及特点控制仪表与装置的分类及特点 通常，控制仪表与装置可按能源形式、信号类型、通常，控制仪表与装置可按能源形式、信号类型、和结构形式来分类。和结构形式来分类。1.1.2.1.1.1.2.1.按能源形式分类按能源形式分类 可分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普可分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表，两者之间的比较如遍

6、使用电动控制仪表和气动控制仪表，两者之间的比较如表表1-11-1所示。所示。返回目录返回目录 电动控制仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实电动控制仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。目前在工业上电动控制仪表得到了最为广现集中显示和操作等特点。目前在工业上电动控制仪表得到了最为广泛的应用。鉴于此，本课程将重点介绍这一类仪表。泛的应用。鉴于此，本课程将重点介绍这一类仪表。 气动控制仪表具有结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、气动控制仪表具有结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等具有爆炸危险的场合。安全防爆等

7、特点。特别适用于石油、化工等具有爆炸危险的场合。 表表1 11 1 电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表电动控制仪表 气动控制仪表气动控制仪表 能源能源 传输信号传输信号 构成构成 接线接线 电源（电源（220V AC220V AC） （24V DC24V DC） 电信号（电流、电压或数字）电信号（电流、电压或数字） 电子元器件电子元器件 （电阻、电容、电（电阻、电容、电子放大器、集成电路、微处理子放大器、集成电路、微处理器等）器等） 导线，印刷电路板导线，印刷电路板 气源（气源（140kPa140kPa） 气压信号气压信号 气动元件（气阻、气动元件（气

8、阻、气容、气动放大器气容、气动放大器等）等） 导管，管路板导管，管路板 返回目录返回目录1.1.2.2. 1.1.2.2. 按信号类型分类按信号类型分类 可分为模拟式和数字式两大类。可分为模拟式和数字式两大类。 模拟式控制仪表由模拟元器件组成，其传输信号通常为连续变化的模拟式控制仪表由模拟元器件组成，其传输信号通常为连续变化的模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等。模拟量，如电流信号，电压信号，气压信号等。 数字式控制仪表以微处理器，单片机等大规模集成电路芯片为核心数字式控制仪表以微处理器，单片机等大规模集成电路芯片为核心。其传输信号通常为段续变化的数字量，如脉冲信号。其传输信号通常为段续变

9、化的数字量，如脉冲信号。1.1.2.3. 1.1.2.3. 按结构形式分类按结构形式分类 可分为单元组合式控制仪表、基地式控制仪表、集散型计算机控制可分为单元组合式控制仪表、基地式控制仪表、集散型计算机控制系统以及现场总线控制系统。系统以及现场总线控制系统。（1 1）单元组合式控制仪表）单元组合式控制仪表 是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的表标准实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的表标准信号进行联系。这类仪表有电动单元组合仪表（信号进行联

10、系。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZDDZ）和气动单元组合仪）和气动单元组合仪表（表（QDZQDZ）两大类。）两大类。 单元组合仪表可分为变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、单元组合仪表可分为变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元等八类。运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元等八类。返回目录返回目录 变送单元变送单元 它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应的标准统一信号（物理量变换成相应的标准统一信号（420mA420mA，010mA010mA或或20100kPa20100kPa

11、）传）传送到接受仪表或装置，以供指示、记录或控制。送到接受仪表或装置，以供指示、记录或控制。 变送单元的品种有：温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变变送单元的品种有：温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。送器、液位变送器等。 转换单元转换单元 转换单元将电压、频率等电信号转换成标准统一信号转换单元将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统中使用。中使用。 转换单元的品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电转换单元的品种有：直流毫伏转换器、频率转

12、换器、电- -气转换器、气转换器、气气- -电转换器等。电转换器等。 控制单元控制单元 它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。 控制单元的品种有：比例积分微分控制器、比例积分控制器、微分控控制单元的品种有：比例积分微分控制器、比例积分控制器、微分控制器以及具有特种功能的控制器等。制器以及具有特种功能的控制器等。 运算单元运算单元 它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、 开方开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、比

13、值控制、流量信号的温度压、平方等运算，适用于多种参数综合控制、比值控制、流量信号的温度压力补偿计算等。力补偿计算等。 运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。返回目录返回目录。返回目录返回目录的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等。 给定单元给定单元 它将输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送它将输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。到控制单元，实现定值控制。 给定单元的品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定单元的品种

14、有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。给定器等。 执行单元执行单元 它将按照控制器它将按照控制器 显示单元显示单元 它对各种被测参数进它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统和生产过程工况行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统和生产过程工况之用。之用。 显示单元输出的控制信号或手动操作信号，去改变控制变量的大小显示单元输出的控制信号或手动操作信号，去改变控制变量的大小。 执行单元的品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动执行单元的品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。薄膜调节阀等。 辅助单元辅助单元 辅助单元是

15、为了满足自动控制系统某些要求而增设辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表，如操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等等。的仪表，如操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等等。返回目录返回目录（2 2） 基地式控制仪表基地式控制仪表 基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。成一个仪表。（3 3） 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS系统）系统） DCS DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。点是分散控制、集中管

16、理。（4 4） 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS系统）系统） FCS FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通。是现场控制和双向数字通。 1.1.3. 1.1.3. 信号制信号制信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。1.1.3.1. 1.1.3.1. 信号标准信号标准 （1 1）气动仪表的信号的信号标准）气动仪表的信号的信号标准返回目录返回目录 中国国家标准中国国家标准GB777GB777化工自动化仪表用模

17、拟气动信号化工自动化仪表用模拟气动信号规定了气动仪表的信规定了气动仪表的信号的下限值和上限值，如表号的下限值和上限值，如表1-21-2所示所示 表表1 12 2 模拟信号的下限值和上限值模拟信号的下限值和上限值下限下限上限上限20kPa(0.2kgf/c )100kPa(1kgf/c )（2 2）电动仪表的信号标准）电动仪表的信号标准 中国国家标准中国国家标准GB339GB339化工自动化仪表用模拟直流电流信号化工自动化仪表用模拟直流电流信号规定了规定了电动仪表的信号，如表电动仪表的信号，如表1-31-3所示。所示。表表1 13 3 模拟直流电流信号及其负载电阻模拟直流电流信号及其负载电阻 序

18、号序号电流信号电流信号负载电阻负载电阻12420mADC250-750 0-10mADC0-10000-3000 返回目录返回目录1.1.3.2. 1.1.3.2. 电动仪表信号标准的使用电动仪表信号标准的使用（1 1） 现场与控制室之间采用直流电流信号现场与控制室之间采用直流电流信号 采用直流电流信号具有以下优点。采用直流电流信号具有以下优点。 直流信号比交流信号干扰少直流信号比交流信号干扰少; ; 直流信号对负载的要求简单直流信号对负载的要求简单; ; 电流比电压更利于远传信息。电流比电压更利于远传信息。（2 2） 控制室内部仪表之间采用直流电压信号控制室内部仪表之间采用直流电压信号 它可

19、以采用并联连接方式，使同一个电压它可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。而且任何一个仪表拆信号为多个仪表所接收。而且任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运行。离信号回路都不会影响其他仪表的运行。（3 3）控制系统仪表之间典型连接方式）控制系统仪表之间典型连接方式 综上所述，电流传送适合于远距离对单个综上所述，电流传送适合于远距离对单个仪表传送信息，电压传送适合于把同一信息传送到并联的多个仪表，两者仪表传送信息，电压传送适合于把同一信息传送到并联的多个仪表，两者结合，取长补短。控制系统仪表之间典型连接方式如图结合，取长补短。控制系统仪表之间典型连接方式如图1-21-2所

20、示。所示。 返回目录返回目录1.2.1.2.仪表的分析方法仪表的分析方法 仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式。仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式。 仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属于这一类的仪表有放大器串联而成。属于这一类的仪表有DDZ-DDZ-型仪表、大部分的变送器以及型仪表、大部分的变送器以及气动仪表等。气动仪表等。 整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式组装而成。如整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式组装而成。如DDZ-DDZ-、I I系列和系列和EKEK系

21、列仪表等。系列仪表等。 这一类仪表一般具有如图这一类仪表一般具有如图1-31-3所所示的典型结构，即整个仪表可以划分示的典型结构，即整个仪表可以划分为三部分：输入部分、放大器和反馈为三部分：输入部分、放大器和反馈部分部分 。1.2.1. 1.2.1. 采用单个放大器的仪表分析方法采用单个放大器的仪表分析方法1.2.1.1.1.2.1.1.采用单个放大器的仪表特点采用单个放大器的仪表特点返回目录返回目录 由图由图1-3可以求得整个仪表的输出与输入关系为可以求得整个仪表的输出与输入关系为 (1-1)式中式中 输入部分的转换系数；输入部分的转换系数； 放大器的放大系数；放大器的放大系数； 反馈部分的

22、反馈系数反馈部分的反馈系数。当满足当满足KKf1的条件时的条件时 (1-2)由于由于 因此因此 ，即即 (1-3) 上述分析表明，采用单个放大器的仪表具有如下特点。上述分析表明，采用单个放大器的仪表具有如下特点。 在满足在满足 的条件时，仪表的输出榆树如关系仅取决于输入的条件时，仪表的输出榆树如关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性。部分的特性和反馈部分的特性。 在满足在满足 的条件时，仪表的输入部分的输出信号的条件时，仪表的输入部分的输出信号 于整机于整机输出信号输出信号y经反馈部分反馈到放大器输入端的反馈信号经反馈部分反馈到放大器输入端的反馈信号 基本相等，即基本相等，即放大器的净输入

23、放大器的净输入趋向于零。趋向于零。KfiKKKKxy1iKfKfiKKxyyKZxKZffii,0fiZZfiZZ 1fKK1fKKiZiZ返回目录返回目录1.2.1.2.1.2.1.2.分析方法分析方法 式（式（1-11-1）- -（1-31-3）是对采用单个放）是对采用单个放大器的仪表进行分析的主要依据。对于大器的仪表进行分析的主要依据。对于这一类仪表的分析，首先是将仪表划分这一类仪表的分析，首先是将仪表划分为三部分：输入部分、放大器和反馈部为三部分：输入部分、放大器和反馈部分。然后对各个部分进行分析，重点式分。然后对各个部分进行分析，重点式输入部分和反馈部分。进而根据式（输入部分和反馈部

24、分。进而根据式（1-21-2）或式（或式（1-31-3）求出整机输出与输入之间的）求出整机输出与输入之间的关系，即可得到整机性。关系，即可得到整机性。 要将整个仪表划分为三个部分，关要将整个仪表划分为三个部分，关键是如何确定图键是如何确定图1-31-3的比较环节和引出反的比较环节和引出反馈的取样环节；比较环节的确定可以从馈的取样环节；比较环节的确定可以从放大器的输入端即放大器的输入端即所加位置着手；取所加位置着手；取样环节的确定可以从仪表的输出信号回样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手。路着手。 电动仪表的比较方式有两种：串联电动仪表的比较方式有两种：串联比较和并联比较。如图比较和并联比较

25、。如图1-41-4和和1-51-5所示。所示。返回目录返回目录 电动仪表的取样方式有两种：电流取样和电压取样。如图电动仪表的取样方式有两种：电流取样和电压取样。如图1-61-6所示。所示。1.2.2. 采用运算放大器的仪表分析方法采用运算放大器的仪表分析方法 这一类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运这一类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相连。算放大器电路以串联形式相连。返回目录返回目录1.2.2.1.1.2.2.1.运算放大器的基本知识运算放大器的基本知识（1） 运算放大器的基本性能运算放大器的基本性能 在仪表电路图中，运算放大器一般

26、用图在仪表电路图中，运算放大器一般用图1-71-7所所示的长方形符号表示。示的长方形符号表示。 引出端引出端 有五个基本的引出端有五个基本的引出端 a. a.输入端输入端（+ +、- -） + +端位同相输入端，端位同相输入端，- -端位端位反相输入端。反相输入端。 b.b.输出端输出端 U U。为输出端对地的电压。为输出端对地的电压。 c.c.电源端电源端（U+U+、U-U-） 他们通常分别连接到运算放大器所需的正、负电他们通常分别连接到运算放大器所需的正、负电源上。源上。 运算放大器基本特征运算放大器基本特征 在分析仪表线路时在分析仪表线路时, ,往往把运算放大器理想化。理想运算放大器具有

27、如下往往把运算放大器理想化。理想运算放大器具有如下特点：特点： a.a.输入电阻输入电阻 ； b.b.输出电阻输出电阻 ； c. c.开环电压增益开环电压增益 ； d. d.失调及其漂移为零。失调及其漂移为零。 iR0RK返回目录返回目录由上述特点，可以得出如下两条重要的结论：由上述特点，可以得出如下两条重要的结论：a.a. 差模输入电压为零，即差模输入电压为零，即 或或 ； b.b. 输入端输入电流为零输入端输入电流为零 即即 。 FTUU 0dU0, 0bFbTII （2 2）运算放大电路）运算放大电路 反相端输入反相端输入 反相端输入运算放大器电路如图反相端输入运算放大器电路如图1-81

28、-8所示。所示。因为因为所以所以又因为又因为 所以所以整理可得整理可得 0, 0bFbTII0211212TiFUURRRURRRU，TFUU，0211212URRRURRRUiF120RRUUi(1-4)(1-4)返回目录返回目录同相端输入同相端输入 同相端输入运算放大器电路如图同相端输入运算放大器电路如图1-91-9所示所示 。iTFUUURRRU，0211因为因为0, 0bFbTII所以所以又因为又因为TFUU所以所以，0211URRRUi即即1201RRUUi（1 15 5）返回目录返回目录差动输入差动输入 差动输入运算放大器电路如图差动输入运算放大器电路如图1-101-10所示。所示

29、。因为因为0, 0bFbTII所以所以iTTiFFURRRUURRRURRRU434211212，又因为又因为TFUU4321RRRR如果如果所以所以iFiTURRURRRRRRU124341210)(1-6)(1-6)(1-7)(1-7)则则idiFiTURRUURRU12120)(（1 18 8）返回目录返回目录思考题与习题思考题与习题1 11 1 单元组合式控制仪表有哪些单元？各有哪些功能？单元组合式控制仪表有哪些单元？各有哪些功能？1 12 2 什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？1 13 3 试用本章

30、所介绍的方法，直接试用本章所介绍的方法，直接”看看“出图出图1 11111所示电路的输入输出关所示电路的输入输出关 系。系。返回目录返回目录2.1.2.1.控制控制规律规律 2.1.1.2.1.1.控制规律的表示方法控制规律的表示方法返回目录返回目录 控制器在自动化控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量控制器在自动化控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量 信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规 律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。 习惯上，单元组合仪

31、表和单个仪表形式的控制器常称调节器，如习惯上，单元组合仪表和单个仪表形式的控制器常称调节器，如 DDZ-IIDDZ-II型电动调节器，型电动调节器，DDZ-IIIDDZ-III型电动型电动调节器和可编程调节器等。调节器和可编程调节器等。 本章首先介绍控制规律的基本概念，这是控制器的共性问题；然本章首先介绍控制规律的基本概念，这是控制器的共性问题；然 后介绍模拟式控制器和数字式控制器。有关可编程程序控制器等内容后介绍模拟式控制器和数字式控制器。有关可编程程序控制器等内容 将在以后的章节中介绍。将在以后的章节中介绍。 2.1.1.1.2.1.1.1.何为控制器的控制规律何为控制器的控制规律 图图2

32、 21 1是单回路控制系统是单回路控制系统方框图。在该控制系统中，被控量由于方框图。在该控制系统中，被控量由于 受扰动受扰动d d（如生产（如生产负荷的改变，上下工段间的生产不平衡现象等）的负荷的改变，上下工段间的生产不平衡现象等）的 影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差 smxxx （2-12-1） 式中式中，xx为偏差；为测量值；为给定值。为偏差；为测量值；为给定值。 控制器接受了偏差信号控制器接受了偏差信号x x后，按一定的控制规律使其输出信号后，按一定的控制规律使其输出信号 yy发生变化，通过执行器改变操纵量发生变化，通过执行器改变操纵量

33、q q，以抵消干扰对被控量以抵消干扰对被控量的影的影响，从而是被控量回到被控量上来。响，从而是被控量回到被控量上来。 控制器控制器执行器执行器被控被控对象对象变送器变送器图图2 21 1 单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图mxsxxyq返回目录返回目录 被控量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回被控量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回 到给定值上来，这不仅仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性到给定值上来，这不仅仅与被控对象特性有关，而且还与控制器的特性 有关。只有熟悉了控制器的特性，才能达到自动控制的目的。有关。只有熟悉了控制器的特性，才能达到自动

34、控制的目的。 控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号（偏差）变 化规律。这个规律常常称为控制器的特性。化规律。这个规律常常称为控制器的特性。 必须强调指出，在研究控制器特性时，控制器的输入是被控量（测必须强调指出，在研究控制器特性时，控制器的输入是被控量（测 量值）与给定值之差即偏差量值）与给定值之差即偏差xx，而控制器的输出是控制接受偏差后，而控制器的输出是控制接受偏差后， 相应的输出信号的变化量相应的输出信号的变化量yy。 对控制器而言，习惯上，对控制器而言，习惯上，xx00称正偏差；称正偏差；xx000， 相应的相应的yy0

35、0则该控制器称正作用控制器；则该控制器称正作用控制器；xx00，相应的，相应的yy0UL时，比较器输出高电平信号，故场效应管VT7饱和导通，三极管VT8截止。由于VT7的饱和压降很小，可以忽略不计，所以此时的输出为1223UUNU34UU而当而当U3ULU300时，伺服放大器的输出驱动伺服电机正转，再时，伺服放大器的输出驱动伺服电机正转，再经机械减速器减速后，使输出轴向下运动（正作用执行机构），输出轴的经机械减速器减速后，使输出轴向下运动（正作用执行机构），输出轴的位移经位置发送器转换成相应的反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端使位移经位置发送器转换成相应的反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端使减

36、小，直至减小，直至=0=0时，伺服放大器无输出，伺服电机才停止运转，输出轴时，伺服放大器无输出，伺服电机才停止运转，输出轴也就稳定在输入信号相对应的位置上。反之，当也就稳定在输入信号相对应的位置上。反之，当00时，伺服放大器的输时，伺服放大器的输出驱动伺服电机反转，输出轴向上运动，反馈信号也相应减小，直至使出驱动伺服电机反转，输出轴向上运动，反馈信号也相应减小，直至使=0=0时，伺服电机才停止运转，输出轴稳定在另一新的位置上时，伺服电机才停止运转，输出轴稳定在另一新的位置上。在结构上电动执行机构有两种形式，其一为分体式结构，即伺服放大在结构上电动执行机构有两种形式，其一为分体式结构，即伺服放大

37、器独立构成一台仪表，其余部分构成另一个仪表，两者之间用电缆相器独立构成一台仪表，其余部分构成另一个仪表，两者之间用电缆相连；另一种为一体化结构，即伺服放大器与其余部分构成一个整体。连；另一种为一体化结构，即伺服放大器与其余部分构成一个整体。新型电动执行机构一般采用一体化结构，它具有体积小、重量轻、可新型电动执行机构一般采用一体化结构，它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等优点。靠性高、使用方便等优点。 （1 1）伺服电机）伺服电机伺服电机是电动调节阀的动力部件，其作用是将伺服放大器输出的电功率转伺服电机是电动调节阀的动力部件，其作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩。换成机械转矩。伺

38、服电机实际上是一个二相电容导步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子伺服电机实际上是一个二相电容导步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔9090电角度电角度的定子绕组的定子绕组W1W1和和W2W2。 （2 2）伺服放大器）伺服放大器伺服放大器主要包括放大器和两组可控硅交流开关伺服放大器主要包括放大器和两组可控硅交流开关，其工作原理如图，其工作原理如图5-65-6所示。所示。放大器的作用是将输入信号放大器的作用是将输入信号IiIi和反馈信号和反馈信号IfIf进行比较，得到差值信号进行比较，得

39、到差值信号，并，并根据根据的极性和大小，控制可控硅交流开关的极性和大小，控制可控硅交流开关，的导通或截止。可控硅交的导通或截止。可控硅交流开关流开关，用来接通或切断伺服电机的交流电源，控制伺服电机的正转、用来接通或切断伺服电机的交流电源，控制伺服电机的正转、反转或停止运转。反转或停止运转。在执行机构工作时，可控硅交流开关在执行机构工作时，可控硅交流开关，只能其中一组导通。设可控硅交只能其中一组导通。设可控硅交流开关流开关导通时，分相电容导通时，分相电容CdCd与与W1W1串接，由于分相电容串接，由于分相电容CdCd的作用，的作用，W1W1和和W2W2的的电流相位总是相差电流相位总是相差9090

40、，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场又在，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场又在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子顺时针方转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子顺时针方向旋转（正转）；而可控硅交流开关向旋转（正转）；而可控硅交流开关导通时，则分相电容导通时，则分相电容CdCd与与W2W2串接，使串接，使转子反时针方向旋转（反转）；可控硅交流开关转子反时针方向旋转（反转）；可控硅交流开关，均截止时，伺服电机均截止时，伺服电机停止运转。停止运转。返回目录返回目录返回目录返回目录为了满足控制系统的需要，某些执行机构的伺服放大器有多个输入信号通为

41、了满足控制系统的需要，某些执行机构的伺服放大器有多个输入信号通道。道。（3 3）位置发送器）位置发送器位置发送器通常由位移检测元件和转换电路两部分组成。前者用于将电动位置发送器通常由位移检测元件和转换电路两部分组成。前者用于将电动执行输出轴的位移换成毫状或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变执行输出轴的位移换成毫状或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；后者用于将位移检测元件输出信压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；后者用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如010mA010mA或或420mA42

42、0mA直流电流信号。直流电流信号。（4 4）减速器）减速器减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成机构输出轴减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。直线运动作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。5.2.2.2. 5.2.2.2. 电动执行机构的

43、特性电动执行机构的特性返回目录返回目录电动执行机构的方块图，如图电动执行机构的方块图，如图5-7所示所示伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，为不灵敏区，其输入信号为为不灵敏区，其输入信号为执行机构的输入信号执行机构的输入信号Ii与反馈信号与反馈信号If之差值，当之差值，当|Ii-If| 时，伺服放大器无输出时，伺服放大器无输出信号；当信号；当|Ii-If| 时，立即有输出，且输出为一恒定交流电压（约为时，立即有输出，且输出为一恒定交流电压（约为215V）。）。伺服电机在接通电源时，工作在恒速状态，故为一个积分环节，减速器和伺服电机在接通电源时，工

44、作在恒速状态，故为一个积分环节，减速器和位置发送器都可以看作为比例环节。因此，电动执行机构的动态特性主要位置发送器都可以看作为比例环节。因此，电动执行机构的动态特性主要取决于伺服电机的特性，即具有积分特性。取决于伺服电机的特性，即具有积分特性。直行程电动执行机构的输出为直线位移直行程电动执行机构的输出为直线位移l l，角行程电动执行机构的输出为角，角行程电动执行机构的输出为角位移位移0 0，设，设kfkf为位置发送器的转换系数，则由图为位置发送器的转换系数，则由图5-75-7可得可得返回目录返回目录ffffkIlkI或由于伺服放大器的不灵敏区很小，在伺服电机停止转动时，可认为II-If=0，因

45、此可得ififIkIkl11或 上式表明，电动执行机构在动态过程行结束后，输出轴的直线位移上式表明，电动执行机构在动态过程行结束后，输出轴的直线位移l l或角位移或角位移o o与输入信号与输入信号IiIi之间具有良好的线性关系，即电动执行机构的之间具有良好的线性关系，即电动执行机构的静态特性为一比例特性。静态特性为一比例特性。(5 - 5)5.2.3.5.2.3.智能式电动执行机构智能式电动执行机构 智能式电动执行机构的构成原理与模拟式电动执行机构相同，即也智能式电动执行机构的构成原理与模拟式电动执行机构相同，即也可用如图可用如图5=55=5的框图表示，但是智能式电动执行机构采取了新颖的结构部

46、的框图表示，但是智能式电动执行机构采取了新颖的结构部件。件。 伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，而且还具有数字通讯接口，从而具有而且还具有数字通讯接口，从而具有HARTHART协议或现场总线通信功能，成协议或现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用了变频技为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用了变频技术，可以更有效地控制伺服电机的动作。减速器采用新颖的传动结构，术，可以更有效地控制伺服电机的动作。减速器采用新颖的传动结构，运行平稳、传动效率高、无爬行、磨擦

47、小。位置发送器采用了新技术和运行平稳、传动效率高、无爬行、磨擦小。位置发送器采用了新技术和新方法，有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，新方法，有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；有的采用特殊的电位器，电位器中装有球轴实现了非接触式定位检测；有的采用特殊的电位器，电位器中装有球轴承和特种导电塑料材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式承和特种导电塑料材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器。旋转角度传感器。智能式电动执行机构通常都有液晶显示器和手动操作按钮，用于显示执智能式电动执行机构通常都有液晶显示器和手动操

48、作按钮，用于显示执行机构的各种状态信息和输入组态数据以及手动操作。因此与模拟式电行机构的各种状态信息和输入组态数据以及手动操作。因此与模拟式电动执行机构相比，智能式电动执行机构具有如下的一些优点。动执行机构相比，智能式电动执行机构具有如下的一些优点。返回目录返回目录 定位精度高，并具有瞬时起停特性以及自动定位精度高，并具有瞬时起停特性以及自动调整死区、自动修正、长期运行仍能保证可靠的关调整死区、自动修正、长期运行仍能保证可靠的关闭和良好运行状态等；闭和良好运行状态等； 推杆行程的非接触式检测；推杆行程的非接触式检测； 更快的响应速度，无爬行、超调和振荡现象更快的响应速度，无爬行、超调和振荡现象

49、具有通讯功能，可通过上位机或执行机构上的具有通讯功能，可通过上位机或执行机构上的按钮进行调试和参数设定；按钮进行调试和参数设定； 具有故障诊断和处理功能，能自动判别断输入具有故障诊断和处理功能，能自动判别断输入信号、电动机过热或堵转、阀门卡死、通信故障、信号、电动机过热或堵转、阀门卡死、通信故障、程序出错等，并能自动地切换到阀门安全位置，当程序出错等，并能自动地切换到阀门安全位置，当供电电源断电后，能自动地切换到备用电池上，使供电电源断电后，能自动地切换到备用电池上，使位置信号保存下来。位置信号保存下来。返回目录返回目录 5.3. 5.3. 调节机构调节机构返回目录返回目录调节机构是执行器的调

50、节部分，在执行机构的输出力调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力F F（输出（输出力矩力矩M M）和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀）和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。被控介质流体的流量发生相应变化。根据阀芯的动作形式，调节机构可分为直行程式和角行程式两根据阀芯的动作形式，调节机构可分为直行程式和角行程式两大类；直行程式的调节机构有直通双座阀、直通单座阀、角形大类；直行程式的调节机构有直通双座阀、直通单座阀、角形阀、三通阀、

51、高压阀、隔膜阀、波纹管密封阀、超高压阀、小阀、三通阀、高压阀、隔膜阀、波纹管密封阀、超高压阀、小流量阀、笼式（套筒）阀、低噪音阀等；角行程式的调节机构流量阀、笼式（套筒）阀、低噪音阀等；角行程式的调节机构有蝶阀、凸轮挠曲阀、有蝶阀、凸轮挠曲阀、V V形球阀、形球阀、O O形球阀等。形球阀等。调节机构正、反作用的含义是，当阀芯向下位移时，阀芯与阀调节机构正、反作用的含义是，当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积增大，称为正作用，习惯上按阀芯安装形座之间的流通截面积增大，称为正作用，习惯上按阀芯安装形式称之为反装；反之，则称之为反作用，并称之为正装。一般式称之为反装；反之，则称之为反作用，并

52、称之为正装。一般来说，只有阀采用双导向结构（即上下均有导向）的调节机构，来说，只有阀采用双导向结构（即上下均有导向）的调节机构，才有正、反作用两种作用方式；而单导向结构的调节机构，则才有正、反作用两种作用方式；而单导向结构的调节机构，则只有正作用。只有正作用。 5.3.1. 调节机构的结构和特点返回目录返回目录调节机构主要由阀体、阀杆或转轴、阀芯或阀板和阀座等部件组成。图调节机构主要由阀体、阀杆或转轴、阀芯或阀板和阀座等部件组成。图5-85-8为两种常用的调节阀。为两种常用的调节阀。图图5-85-8为直行程式单座调节阀，执行机构输出的推力通过阀杆为直行程式单座调节阀，执行机构输出的推力通过阀杆

53、2 2使阀芯使阀芯3 3产生产生上、下方向的位移，从而改变了阀芯上、下方向的位移，从而改变了阀芯3 3与阀座与阀座4 4之间的流通截面积，即改变之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。图图5-95-9为角行程式蝶阀，执行机构输出的推力通过转轴为角行程式蝶阀，执行机构输出的推力通过转轴2 2使使4 4产生旋转位移，产生旋转位移，从而改变了阀体中的流通截面积，使被控介质的流体的流量发生相应变化。从而改变了阀体中的流通截面积，使被控介质的流体的流量发生相应变化。下面对常用调节机构的特点及应用做一简单介绍，图下

54、面对常用调节机构的特点及应用做一简单介绍，图5-105-10为常用调节机构为常用调节机构的结构示意图。的结构示意图。直通单座调节阀直通单座调节阀 图图5-105-10（a a）、（）、（b b） 的阀体内只有一个阀芯和一个阀座。的阀体内只有一个阀芯和一个阀座。其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。因此，其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。因此，它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。别注意其允许压差，防止阀门关不死。直通双座调节

55、阀直通双座调节阀 图图5-105-10（c c） 的阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、的阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。蝶阀蝶阀 图图5-105-10（g g） 是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。其结是通

56、过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。其结构紧凑、体积小、成本低、流通能力大，特别适用于低压差、大口径、大流构紧凑、体积小、成本低、流通能力大，特别适用于低压差、大口径、大流量的气体或带有悬浮物流体的场合，但泄漏较大。蝶阀通常工作转角应小于量的气体或带有悬浮物流体的场合，但泄漏较大。蝶阀通常工作转角应小于7070，此时流量特性与等百分比特性相似。，此时流量特性与等百分比特性相似。套筒阀套筒阀 图图5-105-10（h h） 是一种结构比较特殊的调节阀，它的阀体与一般的直是一种结构比较特殊的调节阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯通单座阀相似

57、，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），阀芯移动时，可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），阀芯移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量控制。根据流通能力大小的要求，套就改变了节流孔的面积，从而实现流量控制。根据流通能力大小的要求，套筒的窗口可分为四个、两个或一个。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，筒的窗口可分为四个、两个或一个。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场

58、合。套筒阀还具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得用于双座阀的场合。套筒阀还具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。到广泛应用，但其价格比较贵。返回目录返回目录偏心旋转阀偏心旋转阀 图图5-105-10（i i） 的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动阀芯偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。和管道直径相等的通孔，转轴带动阀芯偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。偏心旋转阀具有体积小、重量轻、使用可靠、维修方便、通用性强、流体阻偏心旋转阀具有体积小、重量轻、使用可靠、维修方便、通用性强、流体阻

59、力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。使用性能。0 0形球阀形球阀 图图5-105-10（j j） 的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径和的结构特点是，阀芯为一球体，其上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大，流量特性为快开特性，一般用于位单，维修方便，密封可靠，流通能力大，流量特性为快开特性，一般用于位式控制。式控制。V V形球阀形球阀 图图

60、5-105-10（k k） 的阀芯也为一球体，但球体上开孔为的阀芯也为一球体，但球体上开孔为V V形口，随着球形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。该阀结构简单，维修方便、关闭性能好、流通能力大、可调比大、流量特性该阀结构简单，维修方便、关闭性能好、流通能力大、可调比大、流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。返回目录返回目录5.3.2. 5.3.2. 调节机构的工作原理调节机构的工作原理从流体力学观点来看，调节机