(自动控制原理)第三章2课件

第3章建筑设备自动化中的监控设备4传感器1控制器3调节阀的选择与应用5变送器1执行器3.2变送器3.2传感器与变送器

变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。

对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，不必用变送器，如热电偶。变送器——信号处理在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流电桥或交流电桥的方式转换为电信号。

如热电阻采用四边形直流电桥：

当输出端接阻抗比较高的放大器时，电桥输出端电流为零，此时有：可以求出bc和dc之间的电位差：输出电压为：若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：变送器信号调整部分由：放大器、反馈电路和调零与零点迁移电路组成。被测参数X转换成放大器可以接受的信号Zi，放大，反馈电路把变送器输出的Y变成反馈信号Zf,在把调零与零点迁移电路产生的信号Z0一同放入放大器进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准信号Y输出。变送器组成变送器的输入输出关系：上式可改写为：当KKf>>1时：上式为此时，变送器的输入与输出与放大器特性无关，只与测量和反馈特性有关。零点迁移的目的是使变送器的输出信号的下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值相对应。称为零调整称为零点迁移零点迁移时，变送器的输出和输入特性曲线作平行移动，其斜率不变，即量程不变。

两线制是指电流信号输出的变送器，4-20mA等；三线制为电压信号输出的变送器，0-5V等；四线制为了防止干扰，信号线与电源线分隔开的电流信号输出变送器。变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多温度变送器压力变送器液位变送器流量变送器变送器分类按工作能源可分为：电动变送器气动变送器最常用的变送器是：温度变送器差压变送器有些变送器测量与变送单元做在一起，如差压变送器，有些变送器则只有变送功能，如温度变送器通用性强，可以连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量，将测量信号转换成统一标准信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，实现对以上变量的显示、记录或控制变送器3.3控制器左上图：散热器恒温阀下图：自力式流量控制阀2.按结构形式分类(1)基地式仪表这种仪表以指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成，即把变送、控制、显示等部分装在一个壳内形成整体。

(2)单元式组合仪表这种仪表根据自动检测与控制的要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，单元之间统一的标准信号联系。

(3)组装电子式调节仪表这种仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组件是具有不同功能的功能模件。(1)断续输出的电子式模拟控制器1)两位式电子模拟控制器。

2)三位式电子控制器。

3)位式输出的补偿式控制器。两位式电子模拟控制器原理框图两位式电子模拟控制器特性图

a)理想特性b)实际特性如：开关机械风机盘管接线图左图图3-10位式输出的补偿式控制器室外温度补偿特性根据室外温度变化，全年自动调节控制室内温度3.3.2软件控制器1.直接数字控制器(DDC)

2.计算机控制系统的基本控制算法

3.可编程控制器(PLC-ProgrammableLogicController)

4.现场控制单元的软件结构1.直接数字控制器(DDC)②采样器：在时序控制器作用下，以一定的速度按顺序把输入信号送入放大器，然后选择送到A/D转换器，变成数字信号送入计算机。

③输出通道D/A：把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号AO或数字信号DO。

④显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作人员监视。DDC系统框图数字式风机盘管房间温度等控制器2.计算机控制系统的基本控制算法(1)PID控制算法按照偏差信号的比例P(Proportional)、积分I(Integral)和微分D(Derivative)进行控制的PID算法，以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控制工程领域应用最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本控制算法。

(2)改进型PID控制算法在计算机控制系统中，如果单纯用数字PID调节器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。1、P控制——比例控制即：比例控制规律：在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例。令：则：KP：比例控制的放大倍数KP决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。改变杠杆支点的位置，便可改变KP的数值。KP值过大（值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。KP值过小（值过大）系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。KP值（值）适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的静差。静差——当系统稳定运行时，设定值和运行参数之间的差值。问：纯比例调节可以消除静差吗？KI代表积分速度。当输入偏差是常数A时：当偏差存在时，输出信号将随时间增长。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上。用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。2、I控制——积分控制Ti值过小系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。Ti值过大积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。控制作用随着时间积累而逐渐增强，控制作用缓慢，会出现控制不及时，当对象惯性较大时，被控变量将出现大的超调量，因此，要引入微分作用。试问：比例积分作用能使系统无差运行吗？加入微分控制的目的：防止出现超调现象。微分控制方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。——根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。TD为微分时间微分控制：3、D控制——微分控制TD值过大

系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。TD值过小微分作用不明显，超调量大。TD值适中

经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。微分控制可以减少超调量和调节时间，提高系统的平稳性和快速性，单纯的微分控制会发生高频扰动，因此，不单独使用。1)增量型PID控制算法的输出Δu(k)仅取决于最近3次的e(k)、e(k-1)和e(k-2)的采样值，计算较为简便，所需的内存容量不大。

2)由于微机输出增量，所以误动作影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

3)在手动/自动无扰动切换中，增量型PID控制算法要优于位置型PID控制算法。

4)不产生积分失控，所以能容易获得较好的调节效果，一旦计算机发生故障，则停止输出Δu(k)，阀位大小保持发生故障前的状态，对生产过程无影响。1)积分项的改进有如下方法：

①分离的PID控制算法。在PID控制中，积分的作用是为了消除残差，提高控制性能指标。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，此时系统有较大的偏差，会造成PID运算的积分积累，使得系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作所对应的极限控制量，最终导致系统较大的超调、长时间波动，甚至引起系统的振荡。②变速积分的PID控制算法。一般的PID控制中，积分系数KI是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量保持不变。而系统对积分项的要求则是，偏差大时，积分作用减弱；偏差小时，积分作用增强。否则，会因为积分系数KI的数值取大了，导致系统产生超调，甚至积分饱和；反之，积分系数KI的数值取小了，造成了系统消除残差过程的延长。

2)微分项的改进方法如下：

①微分先行的PID控制算法。为了避免给定值的改变，给系统带来的影响(如超调量过大、系统振荡等)。可采用微分先行的PID控制技术。它只对被控变量y(t)进行微分，而不对偏差微分，即对给定值无微分作用，消除了给定值频繁升降给系统造成的冲击。②不完全微分PID控制算法。普通的PID控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要微分作用有效，可以在PID控制输出串入一阶惯性环节，这就组成了不完全微分PID调节器。3.

PLC控制器PLC——可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等。单片机——是将电子计算机的基本环节,采用集成电路技术集成在一片硅基片上。由于单片计算机体积很小(仅手指般大小),功能强(具有一个简单计算机的功能),因而广泛用于电子设备中作控制器之用。目前,大到导弹火箭国防尖端武器,小至电视机微波炉等现代家用电器,内中都毫无例外地运用单片计算机作为控制器.

PLC与单片机的区别PLC目前大量地用单片机制成。可以说,PLC是单片机在继电控制系统中的一种应用，而PLC所采用的梯形图类似于继电器线路图,易于为广大电气工程技术人员所接受。3.4执行器3.4执行器3.4.1膨胀阀1.热力膨胀阀

2.电子膨胀阀阀门——是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门分类一、按用途和作用分类1、截断阀类：主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。2、调节阀类：主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。3、止回阀类：用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。4、分流阀类：用于分配、分离或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。5、安全阀类：用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀。二、按主要参数分类1、按压力分类(1)真空阀工作压力低于标准大气压的阀门。(2)低压阀公称压力PN<1.6MPa的阀门。(3)中压阀公称压力PN<2.5~6.4Mpa的阀门。(4)高压阀公称压力PN10.0~80.0Mpa的阀门。(5)超高压阀公称压力PN≥100Mpa的阀门。2、按介质工作温度分类(1)高温阀t>450℃的阀门。(2)中温阀120℃≤t<450℃的阀门。(3)常温阀-40℃≤t<120℃的阀门。(4)低温阀-100℃≤t<-40℃的阀门。(5)超低温阀t<-100℃的阀门。三、按阀体材料分类(1)非金属材料阀门如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。(2)金属材料阀门如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门铁阀门、碳钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。(3)金属阀体衬里阀门如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。图内平衡式热力膨胀阀工作原理

1—蒸发器2—感温包3—毛细管4—膨胀阀

5—波纹膜片6—推杆7—调节弹簧8—调节螺钉图内平衡式热力膨胀阀的结构

1—阀体2—传动杆3—螺母4—阀座5—阀针

6—调节弹簧7—调节杆座8—填料9—帽盖

10—调节杆11—填料压盖12—感温包13—过滤网

14—螺母15—毛细管16—感应薄膜17—气箱盖电动调节阀

电动调节阀结构图

1—执行机构2—调节机构

直通单座阀

作用在上下阀芯的作用力，大小接近相等，不平衡力小；适合用在阀前后压差较大的场合；流通能力强；需要加工精度高，上下不容易同时关紧，泄漏大，尤其在高温下，泄漏严重。三通阀

a)合流阀b)分流阀闸阀球阀、蝶阀、隔膜阀等都可以作为调节阀

电动执行机构的构造观察窗指示器电容器接线端子电机限位开关／力矩开关加热器机体底座涡轮、蜗杆手柄手轮动力转动轴套电动调节风阀3.4.2调节阀的流量特性1.理想流量特性

2.工作流量特性

理想流量特性——是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的形状，因此也称之为结构特性。在理想情况下，流量仅随阀门开度变化而变化，从控制的角度看，观察调节阀的控制指标，研究流量特性，是一种常用的方法。1、调节阀的理想流量特性调节阀的流量特性

2、调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。例：管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力ΔP等于管路系统的压降ΔPG与控制阀的压降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及设备△PG△PT调节阀△P△P0342.TIF串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系：F=KG2

从串联管道中调节阀两端压差△PT的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差△PT的变化范围，以阀权度（阀门能力）s表示调节阀全开时，阀前后最小压差△PTmin与总压力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及设备△PG△PT调节阀△P△P理想流量特性类型(1)直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。

(2)等百分比(对数)流量特性等百分比流量特性指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。

(3)抛物线流量特性

(4)快开曲线调节阀在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性，如图3-40曲线4所示。图3-40直通调节阀理想流量特性直线结构特性调节阀的特性曲线的斜率在全行程是一个定值以相对行程l等于10%、50%、80%三点为例；当行程变化10%时，所引起节流面积变化总是10%，我们再看它的节流面积相对变化值分别为：

1.隔膜阀的流量特性接近快开特性，2.蝶阀的流量特性接近等百分比特性，3.闸阀的流量特性为直线特性，4.球阀的流量特性在启闭阶段为直线，在中间开度的时候为等百分比特性。0341.TIF以Qmax表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身Qmax作参照的工作流量特性。流量特性畸变：对数阀变为直线阀

直线阀变为快开阀s↓图3-43串联管道时直通调节阀工作流量特性(以为参比值)

a)直线流量特性b)等百分比流量特性可调比：R=qmax/qmin调节阀的流量特性

例：管道并联时的工作流量特性有的调节阀装有旁路，便于手动操作和维护。当生产能力提高或其他原因引起调节阀的最大流量满足不了工艺生产的要求时，可以把旁路打开一些，这时调节阀的理想流量特性就成为工作流量特性。3.4.3调节阀的选择1.流量特性选择

2.调节阀结构形式的选择

3.调节阀开闭形式的选择

4.阀门工作范围的选择

5.调节阀口径的计算调节阀口径的选择步骤如下：

（1）根据工艺的生产能力设备负荷，确定计算调节阀流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、计算压差等参数。

（2）根据被控介质及其工作条件选用计算公式，确定流体介质密度、温度、粘度等已知条件并换算到工作状态下，然后代入公式计算出流