第六章 控制仪表与装置

1、一、控制仪表与装置的分类与发展一、控制仪表与装置的分类与发展二、调节器二、调节器三、执行器三、执行器四、变送器四、变送器 单参数，单回路；单参数，单回路； 检测、放大、显示与控制是一个整体；检测、放大、显示与控制是一个整体； 系统功能固定；系统功能固定； 仪表之间不能相互兼容；仪表之间不能相互兼容； 整套仪表分为若干个独立功能单元；整套仪表分为若干个独立功能单元； 各功能单元之间以统一标准信号联系；各功能单元之间以统一标准信号联系； 可以灵活组合各种控制系统；可以灵活组合各种控制系统；调节对象调节对象检测元件检测元件变送单元变送单元显示单元显示单元给定单元给定单元操作单元操作单元调节单元调节单

2、元执行单元执行单元阀门阀门被调量被调量自动自动手动手动单元组合仪表单元组合仪表DDZ I 型（型（50年代）：电子管与磁放大器型；年代）：电子管与磁放大器型；DDZ II 型（型（60年代）：晶体管型；年代）：晶体管型；DDZIII 型（型（70年代）：集成运算放大器型；年代）：集成运算放大器型；DDZ S 型（型（80年代）：智能微处理器型；年代）：智能微处理器型；目标：大型企业综合自动化的需要；目标：大型企业综合自动化的需要；基本构成元件：集成运算放大器；基本构成元件：集成运算放大器；结构特点：将以下两大功能分开结构特点：将以下两大功能分开显示、操作功能显示、操作功能 操作盘操作盘；调节、

3、运算与控制功能调节、运算与控制功能 控制柜控制柜；调节对象调节对象检测元件检测元件变送单元变送单元显示单元显示单元给定单元给定单元操作单元操作单元调节单元调节单元执行单元执行单元被调量被调量自动自动手动手动组件组装式组件组装式仪表分布图仪表分布图集控室集控室现场现场 单回路数字调节器（可编程调节器）单回路数字调节器（可编程调节器）用于模拟量连续调节；用于模拟量连续调节； 可编程控制器可编程控制器PLC用于开关量顺序控制；用于开关量顺序控制； 分散控制系统分散控制系统 DCS 由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监由网络分为上下两层：上层实现数据处理与监督控制，下层实现控制功能；督控制，下层实

4、现控制功能；解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点，解决了模拟仪表体积庞大、功能单一，控制系统实现困难等缺点，实现了将控制策略的硬接线变为软接线实现了将控制策略的硬接线变为软接线 ！ STDSTD总线工业总线工业PCPC； PCPC总线（总线（ISAISA与与PCIPCI）工业）工业PCPC； PC104PC104标准工业标准工业PCPC；优点：优点： 缺点缺点：1、软件资源丰富、软件资源丰富； 1、可靠性依赖于设计；、可靠性依赖于设计；2、硬件功能软件化；、硬件功能软件化；2、使用人员专业性强；、使用人员专业性强；3、系统构成灵活；、系统构成灵活； （给水泵控制）（给水泵控

5、制）4、成本较低；、成本较低；网络分布结构图DCS系统结构分布图优点：优点：1. 4C技术综合应用；技术综合应用；2. 计算机网络的使用；计算机网络的使用；3. 使用方便；使用方便；4. 功能丰富功能丰富；缺点：缺点：1. 数字化不彻底；数字化不彻底；2. 没有通信标准，兼容性差；没有通信标准，兼容性差；3. 自动化孤岛自动化孤岛；1.现场仪表智能化现场仪表智能化 具有本地控制和总线通信具有本地控制和总线通信的能力；的能力；2.控制系统结构彻底分散。控制系统结构彻底分散。进入进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制

6、系统渗透，导长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了致了现场总线逐步取代了420mA的模拟信号传输线，的模拟信号传输线，并由此引发了控制系统领域的并由此引发了控制系统领域的技术革命技术革命。主要表现为：。主要表现为： 现场总线是自动化领域的通信、网络技术现场总线是自动化领域的通信、网络技术, , 也被称之为工厂也被称之为工厂的底层网络的底层网络. . 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络 特点：特点：

7、适应工业应用环境，适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。通信的传输速率相对较低。1 1全数字化全数字化2 2全分布全分布3 3双向传输双向传输4 4自诊断自诊断5 5节省布线及控制室空间节省布线及控制室空间6 6多功能仪表多功能仪表7 7开放性开放性8 8互操作性互操作性9 9智能化与自治性智能化与自治性PIDPID（比例（比例积分积分微分）调节器在工业控制中得到广泛地应微分）调节器在工业控制中得到广泛地应用。它有如下特点：用。它有如下特点：1.1.对系统的模型要求低对系统的模型要求低实际系统要

8、建立精确的模型往往很困难。而PID调节器对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能进行调节。2.2.调节方便调节方便调节作用相互独立，最后以求和的形式出现的，人们可改变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。3.3.适应范围较广适应范围较广一般校正装置，系统参数改变，调节效果差，而PID调节器的适应范围广，在一定的变化区间中，仍有很好的调节效果。PID调节器的运动方程为：调节器的运动方程为：dtde(t)Ke(t)dtKe(t)Km(t)DIp写成传递函数形式写成传递函数形式不难看出，引入不难看出，引入PID调节器后，系统的型号数增加了调节器后，系统的型号数增加了，还提供了两个实，还

9、提供了两个实数零点。因此，对提高系统的动态特性方面有更大的优越性。数零点。因此，对提高系统的动态特性方面有更大的优越性。sKsKKE(s)M(s)(s)GDIpes)2KK1KKK)(s2KK4KKK(sK(s)GDDI2ppDDI2ppDe1 1、比例比例微分微分(PD)(PD)调节器及其控制规律调节器及其控制规律调节器的运动方程：式中：KD=KpTD微分调节器比例系数； TD微分时间常数。传递函数：）（sTsTDD1KKKsKK(s)GpppDpcdtde(t)TKe(t)Km(t)Dpp为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例为了说明调节器的物理意义，以二阶系统为例：系统的开环传递函数：

10、系统的开环传递函数： 以上以上分析可知：分析可知：PDPD调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个调节器的引入，相当于给原系统的开环传递函数增加了一个 s= s= K Kp p / K / KD D 的零的零点点. . )2s(s(s)Gn2n0)2s(ss)K(K(s)(s)GGG(s)nDp2n0c系统输出超调分析系统输出超调分析（电动机振动系统）（电动机振动系统） a.0a.0t tt t1 1： e(t) 0，电动机提供了过大的转矩，同时又没有阻尼所造成的。（解决：t= ta时提前制动）b.tb.t1 1t tt t3 3： e(t) 0 ，电动机转矩也为负，使输出相反加速

11、下降，由于惯性的存在，加之缺少阻尼，在t3 t t5的时间内，出现了向下的超调量。 PD调节器对系统动态响调节器对系统动态响应的影响分析。应的影响分析。由微分调节器作用由由微分调节器作用由TD决定。决定。TD大，微分作用强，大，微分作用强，TD小，小，微分作用弱，选择好微分作用弱，选择好TD很重很重要。要。 由由以上分析可知：以上分析可知： 微分控制是一种 “预见” 型的控制。它测出 e(t) 的瞬时变化率，作为一个有效早期修正信号，在超调量出现前会产生一种校正作用。 如果系统的偏差信号变化缓慢或是常数，偏差的导数就很小或者为零，这时微分控制也就失去了意义。 注意注意：模拟PD调节器的微分环节

12、是一个高通滤波器，会使系统的噪声放大，抗干扰能力下降，在实际使用中须加以注意解决。2 2、比例比例积分积分(PD)(PD)调节器及其控制规律调节器及其控制规律sKK(s)GIpc)2s(s(s)Gn2n0)2(ss)Ks(K(s)(s)GGG(s)n21p2n0cPI调节器的传递函数令则可见可见：引入：引入PIPI调节器后，闭环系统由原来的调节器后，闭环系统由原来的型系统变型系统变成了成了型系统，对改善系统的稳态特性是有好处的。型系统，对改善系统的稳态特性是有好处的。另一方面另一方面由于系统的阶次提高，系统的稳定性下降了。由于系统的阶次提高，系统的稳定性下降了。如果如果K Kp p、K KI

13、I选择不当，很可能会造成不稳定。选择不当，很可能会造成不稳定。给定值测量值偏差控制器控制器输出控制阀操纵变量对象被控变量干扰作用测量元件变送器闭环系统比较机构qfXezpy在过程控制系统中，执行器接受控制器的指令在过程控制系统中，执行器接受控制器的指令信号，经执行机构将其转换成相应的角位移或直线信号，经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能位移，去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料，以实现过程的自动控制。量或物料，以实现过程的自动控制。 气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀电动直通单座阀电动隔膜阀电动三通阀气动薄膜角

14、形阀电磁阀手动截止阀执行器在自控系统中的作用执行器在自控系统中的作用执行器是指：阀门调节阀执行器是指：阀门调节阀( (连续的连续的) )、开关阀、开关阀( (过程控制范畴过程控制范畴) ) 电机连续的、开关的电机连续的、开关的( (属于流体机械的范畴，起执行器的作用属于流体机械的范畴，起执行器的作用) )执行器是控制系统必不可少的环节执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触原因：执行器与介质（操作变量）直接接触 ( (强强) )腐蚀性、腐蚀性、( (高高) )粘

15、度、粘度、( (易易) )结晶、结晶、 高温、深冷、高压、高差压高温、深冷、高压、高差压 执行器在自控系统中的作用：接收调节器输出的控制信号，使调节阀的执行器在自控系统中的作用：接收调节器输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节开度产生相应变化，从而达到调节操作变操作变量流量量流量的目的。的目的。 执行器通常专执行器通常专指阀门指阀门执行器由执行器由执行机构执行机构和和控制（调节）机构控制（调节）机构两个部分构成两个部分构成 辅助装置：阀门辅助装置：阀门定位器和手动操作机构。定位器和手动操作机构。 执行机构执行机构调节机构调节机构POIOF lM流通截面积流通截面积操纵变量的流

16、量操纵变量的流量执行机构执行机构根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达)。它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 控制机构控制机构根据推力产生位移或转角，改变开度。 它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 手操机构手操机构手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。 在过程控制领域应用很少在过程控制领域应用很少气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。气动执行器：以气压为动力，推动机

17、构动作。电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。液动执行器：以液压站提供的流体（液压油）高压为动液动执行器：以液压站提供的流体（液压油）高压为动力源，推动机构动作力源，推动机构动作。直通双座调节阀直通双座调节阀直通单座调节阀直通单座调节阀 笼式（套筒）调节阀笼式（套筒）调节阀 角型调节阀角型调节阀 三通调节阀三通调节阀 高压调节阀高压调节阀隔膜调节阀隔膜调节阀波纹管密封调节阀波纹管密封调节阀超高压调节阀超高压调节阀小流量调节阀小流量调节阀低噪音调节阀低噪音调节阀直直行行程程式式调调节节机机构构角角 行行程程式式调调节节机机构构 同一类型的气动

18、同一类型的气动/电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构蝶阀蝶阀凸轮挠曲调节阀凸轮挠曲调节阀V型球阀型球阀O型球阀型球阀 仪表的功能：仪表的功能：仪表仪表输出信号输出信号输入信号输入信号变送器变送器调节器调节器执行器执行器T、P、F、L420 mA010mA20100KpaDV（DV=PV-SV）控制信号控制信号控制信号控制信号调节阀门开度调节阀门开度或泵的转速或泵的转速1、变送器的作用：、变送器的作用：变即转换、送即传送、器即仪器装置之意。变即转换、送即传送、器即仪器装置之意。所以变送器是所以变送器是完成工艺参数转换、传送完成工艺参数转换、

19、传送的过程控制仪表。的过程控制仪表。 （T T、P P、F F、L L） （4 420mA20mA、2020100KPa100KPa、0 010mA10mA等）。等）。2、变送器的构成：、变送器的构成：输入转换输入转换D D、放大、放大K K、反馈、反馈K Kf f 流量、液位、流量、液位、压力、温度压力、温度4 420 mA20 mA1 15V5V2020100KPa100KPaDKfKXXX0XfY Y0()1fDXXKYKK01ffDXXKK注意注意：输入输出：输入输出关系主要由反馈系数关系主要由反馈系数K Kf f与输入转换系数与输入转换系数D D来决定。来决定。 变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是变送器