过程控制仪表与装置

2.1概述2.2控制器2.3变送器2.4执行器第2章过程控制仪表与装置

控制仪表包括调节器(控制器)、变送器、执行器等装置，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制装置等阶段。

22.1概述按结构形式分类按能源形式分类按信号类型分类过程控制仪表与装置的分类：自动控制系统中,除被控对象外的所有设备都称为控制仪表（装置）。按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。

表1电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表气动控制仪表能源电源（220VAC）（24VDC）气源（140kPa）传输信号电信号（电流、电压或脉冲）气压信号构成电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路等）气动元件（气阻、气容、气动放大器等）接线导线，印刷电路板导管，管路板3按信号类型分类

模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为连续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。

数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。

分为模拟式和数字式两大类：4

电信号：电流信号：4-20mA

电压信号：1-5V

气信号：气压信号：20-100kPa标准模拟信号：2.2控制器51、控制器（也称为调节器、调节单元）有什么用？将来自变送器的测量值与给定值相比较产生偏差，再对偏差进行PID或以其它控制规律进行运算形成控制信号，将控制信号转换成标准信号输出去控制执行机构的动作，实现对工艺变量或过程的自动控制。作用:计算机控制系统中有没有“控制器”？2、控制器的类型有哪些？按内部信号类型，分为模拟式和数字式控制器。按结构，分为基地式、单元组合式和组装式(综合集成式)控制器；仪表式、系统式模拟调节器数字控制器数字显示控制器还有吗？DCSPLC……6信号输入检测仪表控制算法正反作用选择正作用反作用给定值手自动切换自动手动手动输出控制信号输出执行器无扰动切换PID控制参数设置输入信号显示输出阀位显示模拟调节器数字控制器计算机系统电路输入接口输入接口或模块电路输出接口输出接口或模块电路CPU+软件CPU+软件3、控制“器”由什么部件组成？7信号输入检测仪表控制算法正反作用选择正作用反作用给定值手自动切换自动手动手动输出控制信号输出执行器++----无扰动切换PID控制参数设置输入信号显示输出阀位显示模拟调节器数字控制器计算机系统电路输入接口输入接口或模块电路输出接口输出接口或模块电路CPU+软件3、控制“器”由什么部件组成？CPU+软件8调节器执行器对象传感器、变送器+－ryeuqzf受扰动影响，被控变量常常偏离给定值，即产生了偏差：控制器作用：接受偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出u发生变化，通过执行器改变操纵变量q，以抵消干扰对被控变量y的影响，从而使被控变量回到结定值上来。问题：被控变量能否重新回到给定值上？或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来？这不仅与对象特性有关，更主要的是与控制器的特性有关。4、什么是控制规律？测量值给定值偏差9控制规律f（·）+-y(t)x(t)e(t)u(t)控制规律：控制器输出信号随输入信号(偏差)变化的规律，也称为调节规律强调：如果

，则称正作用控制器；反之，则称反作用控制器行为？思想？立足现在根据状态回想过去放眼未来比例控制P位式控制积分控制I微分控制D纯比例控制P位式控制比例积分控制PI比例微分控制PD比例积分微分控制PID基本控制规律现场常用控制规律人是怎么自我控制的？输入：e(t)输出：u(t)工程上规定：偏差=测量值-给定值10可以稳定在一个值上会存在偏差简单易行不能稳定在一个值上会上下波动可以稳定在一个值上可以无偏比较慢可以稳定在一个值上提前控制比较快会存在偏差综合P、I、D三者优点特点分析行为？思想？立足现在根据状态回想过去放眼未来比例控制P位式控制积分控制I微分控制D纯比例控制P位式控制比例积分控制PI比例微分控制PD比例积分微分控制PID基本控制规律现场常用控制规律人是怎么自我控制的？11是最简单也很实用的一种控制规律，控制器只输出2个固定的数值对应执行器2个极限位置。－r(t)y(t)e(t)u(t)+umaxumin控制器PT罐排放CO2电磁阀220VAC/24VDC－r(t)y(t)e(t)u(t)+umaxumin2δδ↑，振荡频率↓，但偏差↑双位控制2.2.1控制器的基本控制规律存在问题：执行机构动作频率大。1213双位控制小结位式控制的执行器是从一个固定位置到另一个固定位置整个系统不可能保持在一个平衡状态，其过渡过程是持续的等幅振荡滞回区间的大小影响振荡频率。振荡频率低，控制质量差；振荡频率高，影响执行器的使用寿命。

位式控制特点：简单、过渡过程是振荡的位式控制适用范围：

u时间常数大、纯滞后小、负荷变化不大也不激烈，控制要求不高14Oabeu

控制器输出与输入(偏差)变化量之间成比例：和位式控制相比的优点：不振荡了！纯比例控制的表达：KPu(t)e(t)y(t)+_x(t)e(t)u(t)AKp*A或比例增益KP：调节器输出变化量u与偏差e之比比例度(工业现场惯用)：输入信号的相对变化量占输出信号的相对变化量的百分数。

↓比例作用越强纯比例控制有什么特点？特点一：控制及时，一旦偏差不为0，控制器输出即刻发生改变特点二：有余差；Kp增大，余差减小。比例控制规律15KP越大或越小控制作用越强

余差越小、最大偏差越小KP太大或太小控制作用太强

稳定性降低、甚至使系统失稳特点：控制及时，控制结果有余差适用场合：干扰幅度较小、纯滞后较小、负荷变化不大、控制要求不太高一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，Kp可以选得大些，以提高系统的灵敏度。反之，Kp就要选小些以保证稳定。Kp对过渡过程的影响

位式控制优点缺点简单振荡比例控制快速、稳定有余差1617例题：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从6mA增大到10mA，控制器的输出相应地从8mA增大到16mA，试求控制器的比例度。18解:控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA当工艺对控制质量有更高要求，不允许存在余差怎么办？积分作用可以消除余差。定义：控制器的输出与输入(偏差)对时间的积分成比例1、积分作用积分u(t)e(t)y(t)+_r(t)ui(t)Ti：积分时间，Ti越大积分作用越小（Ti在分母上）。e(t)Au(t)

比例积分控制规律PI19比例作用项积分作用项如果加入幅值为A的阶跃信号：e(t)u(t)AuI=KPAt/TiuP=KPATi积分时间的定义：在阶跃输入下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。2、比例积分控制规律积分时间TI——反映积分作用的强弱203、积分饱和控制器在单方向偏差信号的作用下，其输出（或执行机构的输出）达到上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态。

等待时间积分饱和加热器出口水温控制系统温度比例积分控制系统积分饱和积分饱和的影响：控制不及时、危险21①限制PI调节器的输出uPI>设定限值时，uPI=umax结果：这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差②积分分离法e>设定限值时，改用纯P调节结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差③遇限削弱积分法uPI>设定限值时，只累加负偏差，反之亦然结果：可避免控制量长时间停留在饱和区抗积分饱和的措施：22PI调节器输入一个方波信号（幅值为＋10％），调节器的初始输出为0，画出调节器输出的波形。（KP＝1，Ti＝1min）10％0%30％20％20％15％10％15％u(t)min注意：PI调节器可以稳定在任何一个值上刚开始的0%并不一定是真正的0

调节器的输入输出单位若为mA时，应明白和％对应e(t)10％2431min－5％23积分作用对过渡过程的影响之两重性：在同样的比例度下，Ti↓，积分作用↑，容易消除余差，有利的一面；Ti↓，积分作用↑，系统振荡加剧，有不易稳定的倾向Ti越短，振荡越强烈，甚至发散，不利的一面。积分作用的特点：消除余差，会降低系统稳定性；注意事项：★引入积分作用能消除余差，但系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（降低比例增益）

★对象时间常数较大时，由于积分动作缓慢，控制时间较长、最大偏差也较大，使控制作用不及时，此时可增加微分作用积分时间过大或过小均不合适。

Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线3Ti过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线124膜片下部空间与大气相通：25比例微分控制PD积分控制优点是消除余差，缺点是动作缓慢、产生相位滞后、稳定性降低比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的偏差而进行动作。人工控制：偏差还小，变化趋势明显，提前改变阀门开度，减小影响。微分作用就是模拟这一实践活动而采用的控制规律（超前控制）。定义：是指调节器的输出与输入变化率成比例关系1、微分作用微分u(t)e(t)z(t)+_x(t)e(t)Ttud(t)T+e(t)0Atu(t)0+TdATd：微分时间，Td越大微分作用越强。微分作用不能单独使用！26比例作用项微分作用项e(t)Au(t)KpA从(a)图上可得出，当加入阶跃输入时，微分作用产生了一个函数，当t>0时，u(t)＝e(t)，脉冲信号不可能被其它环节（执行器）所接收到。所以，理想的微分作用不能直接使用。实际的比例微分控制作用Kd：微分增益，反映实际PD与理想PD的接近程度Kd越大微分作用越接近理想程度，Kd一般为5～10。理想PD和一阶惯性环节的串联

2、比例微分控制规律273、实际比例微分控制规律

28

294、比例微分控制规律的特点－超前

超前时间

主要知识点：超前控制，适当引入微分会提高系统稳定性，过大会使系统振荡发散（思考：什么时候不适用？）比例微分的微分方程、离散化、传递函数表达式微分增益(一般不能为0，否则变理想微分了，实际模拟调节器的增益为5-10）30微分作用对过渡过程的影响微分时间太大及太小均不合适。其特点有：微分作用对纯滞后的对象不起作用。对于有容量滞后的对象，采用PD控制能明显改善控制品质；如：温度对象(其他系统较少用)微分作用对高频噪声非常敏感，如流量系统中的流量测量信号通常有脉冲成分，一般不加微分作用。Td，微分作用加强，系统稳定性提高，表现为：衰减比增大；emax；过渡时间。Td太大，微分作用太强，导致反应速度过快，易引起系统振荡微分作用不能消除余差，但余差会有所减少现场控制系统中用PD的不多，较常见的是比例积分微分三作用控制规律（通常称为PID控制）31比例积分微分控制PID工业现场，常将P、I、D三种作用规律结合起来使用，可以得到较为满意的控制效果，习惯上称为PID控制规律，其理想的输出输入关系为：实际PID算法Ki——积分增益，一般较大，

III型模拟调节器约104～105Kd——微分增益，一般为5～10PID控制作用有三个参数：比例带（P）、积分时间（TI）和微分时间（TD）（1）若TI为∞，TD为0，为比例控制。（2）若TD为0，为比例积分控制。（3）若TI为∞，为比例微分控制32PID控制的阶跃响应示意uPuDuPIDe(t)e(t)uPuDuPIDuIuI

33常见对象的特点及其常用调节器类型：液位——滞后不大，控制要求一般不高，常用P或PI调节规律流量——滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用PI调节规律（一般不能加D）；压力——液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用P或PI调节规律，有时可用位式控制；温度——滞后较大，响应较慢，常用PID调节规律。341）比例控制参数对动态特性的影响：比例控制加大，使系统的动作灵敏提高，速度加快，偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当太大时，系统会趋于不稳定。若太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影响：在系统稳定的情况下，加大比例控制，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大只是减少稳态误差，却不能完全消除误差。不同Kp对动态性能的影响PID调节器参数对控制性能的影响352）积分控制参数对动态特性的影响：积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定；Ti偏小，振荡次数较多；Ti太大，对系统性能的影响减少。对稳态特性的影响：积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。积分控制Ti

对控制性能的影响36PID调节器参数对控制性能的影响3）微分控制参数

微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大或偏小时，都会使超调量较大，调节时间较长，只有Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程。微分控制Td对控制性能的影响37PID调节器参数对控制性能的影响基本控制规律的比较

2023/2/638数字式PID控制算式39离散化处理

对于积分项用右式近似对于微分项用右式近似

结果：

“矩形法”

“向后差分”采样周期Ts＜＜信号变化周期1、位置型PID运算式

输出与实际控制阀的阀位相对应优点：便于计算机运算的实现缺点：1.计算繁琐、占用的计算机内存很大

2.输出的是实际使用阀位值40

输出为两个采样周期PID输出值之差优点：1.计算机运算所需的内存较小、计算也相对简单；2.每次只是输出增量；3.易于系统手动和自动间的无扰动切换。412、增量型PID运算式2.2.2模拟控制器42信号输入检测仪表控制算法给定值手动输出控制信号输出执行器+--无扰动切换PID控制参数设置输入信号显示输出阀位显示控制“器”的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器控制“器”除了PID运算功能以外，还应具有哪些功能？显示（测量值、给定值、阀位）给定值设置正/反作用的选择手动/自动切换附加功能：抗积分饱和、输出限幅、报警等.手动操作PID参数设置信号输入检测仪表控制算法给定值手动输出控制信号输出执行器+--无扰动切换PID控制参数设置输入信号显示输出阀位显示DDZ―Ⅲ型电动调节器43测量指示给定指示输入电路偏差计算比例微分比例积分输出电路把1-5V转为4~20mA产生两组电压：±0.3V，VB产生电压：VHDDZ―Ⅲ型电动调节器44运算放大器的基本知识输出端对地电压记为UO(1)输入端(3)电源端（U+、U-）(2)输出端＋端为同相输入端，其对地电压记为UT－端为反相输入端，其对地电压记为UF线性区饱和区饱和区+UO(sat)-UO(sat)

思考题：作为运算放大器，通常工作在哪一个区段？45分析线路时往往把运放看成是双端输入、单端输出的三端器件

差模输入电压共模输入电压

+－KoRo受控电压源

+－

重要结论46运算放大器的使用条件运放不论采用单电源供电还是双电源供电，都必须满足以下条件（示意）：0V24V19V2V－12V12V7V－10V0V24V23V1V－12V12V11V－11V＋－＋UoUTUFU－U＋共模输入电压范围输出电压范围实际运算放大器，其允许承受的Ud和Uc都根据供电方式有一定的限制。最大输出电压一般比电源电压低1～2V最大输出电流一般为5mA或10mA(大电流往往采用三极管进行放大)47(1)反相端输入

结论：〈1〉输出电压与输入电压成正比，比例系数为R2/R1，极性相反；

〈2〉输入电阻约等于输入回路电阻R1；

〈3〉输入回路电流Ii，全部流经反馈回路，即If=Ii

。几种典型的运算放大器

48〈1〉输出与输入成正比，其比例系数为（1+R2/R1），极性相同；〈2〉同相端和反相端存在共模电压UC=Ui；〈3〉输入电阻等于运算放大起的共模输入电阻，其值很大，通常MW级反馈回路均由输出端反馈至反相端(２)同相端输入

49

(3)差动输入【1】在满足电阻匹配条件时，输出电压仅取决于两个输入电压之差，即这种电路只放大差动信号，且成正比，与差动信号极性相同【2】存在共模信号。

50特点：输入电阻高输出电阻低在仪表电路应用中，起隔离、功率放大作用(4)电压跟随

51丰富的运算控制功能通过软件实现所需功能带有自诊断功能带有数字通讯功能具有和模拟控制器相同的外特性保持常规模拟式控制器的操作方式2.2.3.数字式控制器数字控制器的特点：数字式控制器类型：定程序控制器

可编程控制器

混合控制器批量控制器软件──包括系统程序和用户程序硬件电路──以微处理器CPU为核心共同特点：通用专用通用专用52数字式控制器的硬件电路53数字式控制器的硬件电路54实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理将多个模拟量输入信号、开关输入信号转换为CPU所接受的数字量将多个运算处理后的数字信号进行数／模转换，输出模拟量信号；输出开关量（包括数字、脉冲量）信号将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至通信线路（数据通道）上；同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数据数字式控制器的硬件电路55

──用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理CPU完成数据传递、算术逻辑运算、转移控制等功能;CTC定时/计数器，定时功能用来确定控制器的采样周期，并产生串行通信接口所需的时钟脉冲；计数功能主要用来对外部事件进行计数。

主机部分ROM存放系统程序;EPROM存放用户程序;RAM

存放输入数据、显示数据、运算的中间值和结果值。Counter/TimerControllerI／O接口是CPU同过程输入、输出通道等进行数据交换的器件。56

过程输入通道模拟量输入通道——将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样／保持器。

采样／保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用

A／D转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。57开关量输入通道──将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开头量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与“0”这类两种状态的信号。开关量输入通道常采用光电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。58

过程输出通道模拟量输出通道──依次将多个运算处理后的数字信号进行数／模转换D／A转换器起数／模转换作用。U／I转换器将1~5V的模拟电压信号转换成4~20mA的电流信号。开关量输出通道──通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点的接通与释放，也可控制步进电机的运转。采用光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输59人／机联系部件

人机联系部件一般置于控制器的正面和侧面。正面板有测量值和给定值显示器、输出电流显示器、运行状态（自动／串级／手动）切换按钮、给定值增／减按钮和手动操作按钮等，还有一些状态显示灯。侧面板有设置和指示各种参数的键盘、显示器。有些控制器中附带后备手操器。60作业:P2701、2、31、一台DDZ一Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000℃。当指示值变化100℃，控制器比例度为80％，求相应的控制器输出将变化多少？2、何为比例控制器的比例度？一台DDZ－Ⅲ型液位比例控制器，其液位的测量范围为0～1.0m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从10.4mA增大到13.6mA，试求控制器的比例度及放大系数。3、某台DDZ一Ⅲ型比例积分控制器，比例度为100％，积分时间为2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？61只交计算题部分作业:P2701、2、31、一台DDZ一Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000℃。当指示值变化100℃，控制器比例度为80％，求相应的控制器输出将变化多少？2、何为比例控制器的比例度？一台DDZ－Ⅲ型液位比例控制器，其液位的测量范围为0～1.0m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从10.4mA增大到13.6mA，试求控制器的比例度及放大系数。3、某台DDZ一Ⅲ型比例积分控制器，比例度为100％，积分时间为2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？62只交计算题部分2.3.1概述2.3.2压力变送器2.3.3温度变送器探讨若干共性问题2.3变送器应用最广泛的差压（压力）变送器原理和特点数字式差压（压力）变送器简介差压（压力）变送器的选修安装差压变送器、压力变送器的区别表压、绝压、真空度的概念主要针对热电阻、热电偶热电偶温度变送器的基本要求是什么？热电阻温度变送器的基本要求是什么？冷端温度补偿和线性化克服引线电阻和线性化63变送器是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供监控（显示、记录）或控制之用

仪表所在区域现场区域

一次仪表、执行机构所在地二次仪表、安全栅所在地控制室区域2.3.1概述64位移力矩HzμAmVΩ……被测变量被测对象℃Pam3……传感器变送器显示、控制仪表(装置)4～20mA0～10mA1～5VDC数字通信……微弱信号非线性参数检测的基本过程传感器、变送器可以是一体的（多数），也可以使分离的传感器、变送器一体的检测仪表通常统称为**变送器参数检测时，传感器是必须的，变送器是不一定的什么时候不需要变送器变送器应该具备哪些特征？稳定单值对应线性65变送器的理想输入输出特性

标准信号非线性、微弱信号被测变量传感器输出位移、力矩、Hz、μA、mV、Ω……变送器4～20mA、0～10mA1～5VDC、……传感器被测变量

变换功能补偿功能调校功能66—由4部分组成

模拟变送器变送器的构成及原理67传感器+以微处理器CPU为核心的组件（包括硬件、软件）数字式变送器—由2大部分组成x传感器A/D转换CPU通信电路数字信号存储器一般形式x传感器A/D转换CPUD/A转换FSK信号存储器通信电路FrequencyShiftKeyingHART仪表10100110···在4～20mA上叠加幅度0.5mA的正弦调制波作为数字信号

相位连续，均值为0，对模拟信号没有影响数字式变送器软件部分包括:自检程序、A/D、量程转换、工程量变换、滤波、误差校正/非线性补偿、D/A、通讯控制、远程设定、报警……68量程调整零点调整和零点迁移

线性化变送器信号传输方式变送器的一些共性问题69量程调整：使变送器的输出上限值ymax与测量上限值xmax相对应

相当于改变变送器的输入输出特性的斜率xyxminxmaxyminymax模拟变送器上有一个量程调整电位器软件实现

数字式变送器

Kf↑Ki↑量程

量程

↑↓量程调整

70xyyminymax零点调整和零点迁移

使变送器的输出下限值ymin与测量下限值xmin相对应在xmin=0时，称为零点调整

在xmin≠0时，称为零点迁移xyxminxmaxyminymax

·模拟变送器：调Z0(有调零电位器) ·数字变送器：软件xmin<0，负迁移正迁移，xmin>0(相当于大范围零点调整)xmaxxmin71线性化

原因：传感器的输出与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器非线性补偿方法:方法1：使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性

方法2：使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性

7273气动变送器：两根气动管线数字式变送器：双向全数字量传输信号(现场总线通信方式

)电动模拟式变送器：二线制、四线制变送器信号传输方式

优点：与四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少自控系统投资。74二线制实现条件：电流条件工作电流I≤变送器输出最小电流Iomin；电压条件UT≤Emin-Iomax(RLmax+r)功率条件P<Iomin(Emin-IominRLmax)电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件主要包括测量部件和转换放大电路两部分：差压电容膜盒电容-电流转换电路调零电路电流放大器反馈电路ΔpΔCIiIf＋＋Iz－Io测量部分转换放大部分1）电容式差压变送器2.3.2压力变送器75ΔP=0Ci1=Ci2(15pF)ΔP＞0Ci1↓Ci2↑δ定极板动极板S0AεCi1S0定极板Ci2P+P-

76

测量部分转换放大部分ΔpIo4-20mA线性线性

77小结：电容式压力（差压）变送器在工业现场应用非常广泛输出信号：标准4～20mADC、HART信号、数字信号等。除了动极板之外，电容式压力变送器没有其它可动部件，机械机构紧凑，稳定性抗震性好，测量精度高，可达0.1级以上。直插式压力变送器单法兰变送器双法兰远传变送器78传感器基片材料主要为硅片和锗片1.负压室2.正压室3.硅杯4.引线

5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4扩散硅和应变片的区别？2）扩散硅式（压阻式）差压变送器79

构成框图：扩散硅压阻传感器前置放大器调零电路U/I转换△PUsU01UZIO检测部分电磁放大部分

电桥输出电压的差动放大U/I转换80结论：体积小，结构简单，精度一般比应变片式变送器高灵敏系数是金属应变片的几十倍，能测量微小的压力变化动态响应好，迟滞小，可用来测量几千Hz乃至更高的脉动压力也存在温度效应，易受环境温度的影响，但比应变片式仪表好811151/3151系列压力/差压变送器

数字式(智能式)变送器种类较多，结构各异，但总体结构基本相似。ST3000系列压力/差压变送器

美国Rosemount美国Honeywell各种数字式变送器多采用HART协议或如FF等现场总线标准进行通信的EJA系列压力/差压变送器

日本横河3）数字式差压（压力）变送器82传感器三组件：差压、温度和静压差压传感器：扩散硅压阻传感器，主传感器，测量差压温度、静压传感器——辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度RAM——存储变送器的各种参数EPROM——存储着与RAM同样的数据。当仪表掉电时，数据被保存，当仪表来电时，EPROM中的数据自动传递到RAM中，不须后备电池变送器设置——通过数字设定器设置，如：仪表的量程、编号、零点调整、量程调整、阻尼时间……——ST3000差压变送器

差压传感器温度传感器静压传感器多路转换A/DCPUD/A数字IOROM、RAM、EPROMHart信号83——1151智能式差压变送器

传感器AD7715CPUWDTAD421HT2012△PI0是在模拟电容式差送基础上，结合HART技术开发的传感器采用电容式差压传感器具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输4~20mADC电流信号，特别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造。84常用差压（压力）变送器的简单比较：变送器类型传感器使用场合产品类别精度、稳定性价格弹簧管压力表弹性式就地指示--低、稳定低廉应变片式压变电气式常规在线低端较低、一般便宜扩散硅式压变电气式常规在线中低端较前者好较前者高电容式压变弹性式常规在线中端优于0.2%，好较前者高压阻式智能压变电气式智能在线高端高0.1%，好较高电容式智能压变弹性式智能在线高端高0.1%，好较高上述仪表均为系列产品，随着智能仪表的发展，仪表性能不断提高（部分量程的精度优于0.1%），价格不断下降，已逐渐接近常规模拟变送器。852.3.3温度变送器哪些温度变送器适用于控制系统？86冷端补偿电路线性化补偿电路UzR100RCU2R105abcd基准电压RCU1R103

+

+

1）模拟式热电偶温度变送器87补偿原因：热电偶产生的热电势Et,与热电偶的冷端温度有关，运算放大器A1同相输入端的输入信号UT

热电偶冷端补偿电路

RCu1、RCu2为铜线绕电阻，其阻值在0℃时为50ΩR103和R100的阻值决定于所选用的热电偶型号。补偿原理分析：88另一种更常用的热电偶冷端温度补偿电路：电桥补偿设计一个电桥，两个桥臂电流相等（I）

可实现冷端温度良好补偿

89线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同线性化电路是一个折线电路，它是用折线来近似热电偶的非线性特性。线性化电路铂铑一铂Et~t特性是下凹形的，最大非线性误差为6％镍铬一镍铝的特性，开始下凹形，温度升高后变成上凸形，最大非线性误差约为1％。(0～1000℃)90用热电阻测温，通常要解决两个问题：（1）非线性（2）引线电阻2）模拟式热电阻温度变送器91一体化温度变送器是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。测量元件变送器模块tEtRtI0优点：体积小、重量轻、现场安装方便，对于热电偶变送器，不必采用补偿导线，节省安装费用。因而在工业生产中得到广泛应用。由于一体化温度变送器直接安装在现场，因此变送器一般采用环氧树脂全固化封装。但由于内部的集成电路一般情况下工作温度在–20～+80℃范围内，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。3）一体化温度变送器9293特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便TT302温度变送器一种符合FF通信协议的现场总线智能仪表可以与各种热电阻（Cu10、Ni120、Pt50、Pt100、Pt500）或热电偶（B、E、J、K、N、R、S、T、L、U）配合使用；也可以使用其它具有电阻或毫伏(mV)输出的传感器配合使用具有控制功能……4）智能式温度变送器作业P270：10、12、161、简述电容式差压变送器的工作原理。2、变送器的共性问题有哪些？请简单说明。3、某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200~1000℃，输出为4~20mA。当变送器输出电流为10mA时，对应的被测温度是多少？942.4.1概述2.4.2.执行机构2.4.3调节机构(调节阀)2.4执行器95962.4.1概述执行器接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。执行器直接与介质接触，常常在恶劣的条件下(高温与低温，高压，强腐蚀，结晶，闪蒸等)工作，它是控制系统的薄弱环节。

执行器选用不当，会导致控制品质的下降，调节失灵，甚至造成事故。执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个部分构成阀门定位器手操机构——用于人工直接操作执行器

执行器的推动装置执行器的调节部分产生输出力(力矩）和(角)位移

调节阀芯、阀座间的流动截面积执行机构调节机构阀门定位器/电气转换器、手操机构——执行器的辅助装置执行机构调节机构p0I0F,l(M,q)介质流量(开度)97执行器的分类及特点(1)按使用的能源（执行机构）形式分类：气动执行器气动调节阀电动执行器液动执行器电动调节阀F→lM→θ执行机构POIO力力矩位移角位移直行程角行程98(2)按使用的调节机构分类：F→lM→θ执行机构POIO阀芯阀座间流通截面积控制变量的流量调节机构直行程调节机构角行程调节机构直通双座、直通单座、笼式（套筒）、三通、角型、高压、隔膜、波纹管密封、超高压、小流量调节阀……蝶阀、凸轮挠曲调节阀、V型球阀、O型球阀等同一类型的调节机构可以选用不同的执行机构（气动头或电动头）组成调节阀99(3)执行器的特点优点：结构简单、可靠稳定、输出力大、维修方便、价格便宜和防火防爆气动调节阀优点：动作较快、能源获取方便、信号适于远距离传送电动调节阀传送信号为电信号，现场采用电/气转换器或电/气阀门定位器转换为气动信号缺点：响应时间大，信号不适于远传缺点：输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求不高的场合4~20mA4~20mASourceAO卡100（4）执行器的作用方式（正反作用）反作用：当输入信号↑，流过执行器的流量↓

反作用气动调节阀通常称为气关阀

正作用：当输入信号↑，执行器开度↑，即流过执行器的流量↑

正作用气动调节阀通常称为气开阀执行器的作用方式从安全生产的角度来确定正反作用如果介质强腐蚀性，储槽不允许溢出？如果后续环节不允许没有物料？正反作用确定原则：不受控无信号时，应保证设备和操作人员的安全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。101换热器冷却水调节阀选气关式输入信号中断，调节阀打开，保证冷却水继续流动，防止换热器温度过高损坏加热炉燃料油调节阀选气开式输入信号中断，调节阀关闭，燃料油切断，防止加热炉温度过高造成毁坏1022.4.2.执行机构F→lM→θ执行机构POIO气动执行机构

电动执行机构

智能式电动执行机构

薄膜式与活塞式两大类工业上常用的气动执行机构103

气动、电动执行机构特点气动执行机构电动执行机构可靠性高(简单、可靠)较低驱动能源压缩空气(设气站)电力，简单、方便输出力大小刚度大小防爆性能好，本安型较差，防爆型产品环境温度-40～+80℃-10～+55℃价格低高1041052.4.2.1气动执行机构气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l，以推动调节机构动作。主要类型如下：气动执行机构薄膜式活塞式长行程式：滚筒膜片式：正作用反作用比例式两位式正作用反作用与蝶阀、风门等需要大转角(0-90o)和大力矩的调节机构配合。气动执行机构分类薄膜式应用最广；活塞式次之专为偏心旋转阀设计的

薄膜式

与活塞式两大类工业上常用的气动执行机构

正作用(ZMA):输入信号增加，执行机构推杆伸出。反作用(ZMB):输入信号增加，执行机构推杆缩回。正作用负作用？行程长

输出力大1061072.4.2.2电动执行机构可分为角行程执行机构和直行程执行机构两大类：电气原理完全相同，两者都是以伺服电机(或滚切电机)为驱动装置的位置伺服机构；减速器的结构不同，即角行程执行机构的输出为输出轴转角，而直行程执行机构的输出为输出轴的直线位移。接受0~10mADC或4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出，以推动调节机构动作。108电动执

行机构角行程：输出为输出轴转角，带动角行程阀(蝶阀、球阀、偏心旋转阀等)

直行程：输出为输出轴直线位移，带动直行程阀

(单座阀、双座阀、三通阀等)1092.4.2.3电/气转换器在过程控制系统中，若调节器是采用电动的，而执行器是气动的，此时必须将电信号转换成气信号，方能与气功执行器配合使用。电/气转换器工作原理与实物图110电/气转换器工作原理

电/气转换器是基于力矩平衡原理工作的。来自变送器或控制器的标准电流信号输入到线圈中，产生一电磁场。此电磁场把可动铁芯磁化，并在磁钢的永久磁场作用下产生一电磁力矩，使可动铁芯绕支点向上移动。此时固定在可动铁芯上的挡板便更靠近喷嘴，引起喷嘴的背压增大，通过放大器放大后，使放大器的输出压力随着增大。与此同时，输出压力反馈到波纹管中，使可动铁芯另一端产生一个反馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁力矩相平衡，从而达到使输出压力与输入电信号成比例地变化。微处理器系统

变频技术

非接触式定位检测

霍尔效应传感器

磁阻式角度传感器

新颖的传动结构

2.4.2.4智能执行机构

111F→lM→θ阀芯阀座间流通截面积控制变量的流量调节机构1—执行机构2—阀杆3—阀芯4—阀座5—阀体6—转轴7—阀板

主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴2.4.3调节机构(调节阀)112单导向结构阀体内只有一个阀芯和一个阀座(单座)结构简单、泄漏量小2.4.3.1常用调节阀结构及特点双导向结构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。直通单座调节阀1131141.阀体内有两个阀芯和阀座。2.上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。直通双座调节阀均为双导向结构它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。115116分流三通调节阀有三个接管口，三个方向的流体大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。有三通合流阀和三通分流阀两种类型。当DN≥80mm，合流阀和分流阀不能互相替代混用三通调节阀合流三通调节阀117通过挡板旋转来控制流体的流量。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、大流量或带有悬浮物流体的场合泄漏较大蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似多用于开关阀蝶阀蝶阀118119120121常用调节阀特点直通单座阀结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于小口径Dg≤25mm的场合。直通双座阀受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管道的场合。角形阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。蝶阀流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通常流量特性与等百分比相似。隔膜阀用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的介质，但不耐高温和高压。阀体分离阀用于强腐蚀性介质，但不耐高压和高温三通阀适用于介质三个方向的流通。分三通合流阀和三通分流阀。对于三个系统的分合流控制非常有效。凸轮挠曲阀阀体为直通型阀阻小密封性好，可调节，通用性强，对于粘度大如泥浆、石灰介质的调节非常有效。套筒阀不平衡力小，可调性能好，通用性强，因拆装维护方便而被广泛应用于生产之中，特别是高温高粘度，含颗粒结构的介质调节。122调节机构正反作用：正作用-当阀芯伸出（向下位移）时，阀芯与阀座之间的流通截面积增大，习惯上按阀芯安装形式称之为反装；反作用-当阀芯缩回（向下位移）时，阀芯与阀座之间的流通截面积减小，习惯上按阀芯安装形式称之为正装。公称直径Dg＜25mm的阀，一般为单导向式，因此只有正装阀。1232.4.3.2工作原理

调节机构实质上是一个阻力可调的节流件：Q——流体流经阀的流量，m3/sP1、P2——阀进、出口端压力，PaA——阀的通孔面积，m2Dg——阀的公称直径，mr——流体密度，kg/m3ξ——阀的阻力系数调节阀实际应用的流量方程式

标准单位工程单位

转换系数

124调节阀的流量系数

设K为调节阀的流量系数

适用于一般液体

很多因素会影响流量系数C，C的计算公式汇总见教材P267表11-3C----工程单位制(MKS)125

，则调节阀的可调比——反映调节阀的调节能力的大小定义：调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。(1)理想可调比(ΔP一定)

理想可调比等于调节阀的最大流量系数和最小流量系数之比由于阀芯结构设计和加工的限制，理想可调比一般不会太大主要为30和50两种。流量系数126(2)实际可调比Rr(ΔP变化)①串联管道时的可调比设则

127阀全关压差阀全开压差压降比②并联管道时的可调比

设

流量比：阀门全开时的最大流量与管路最大流量之比

128指介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即相对开度）之间的关系最大流量最大位移实际位移实际流量调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。四种典型的流量特性

线性特性等百分比抛物线快开2.4.3.3流量特性1291301－快开；2－直线；3－抛物线；4－等百分比1234理想流量特性调节阀两端的差压恒定，100kPa调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数(1)直线流量特性

两个概念：流量的相对变化量随着阀位的增加是减小的最小可调流量不等于泄漏量，泄漏量要比Qmin小很多131(2)等百分比流量特性（对数特性）

单位相对位移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

或1322023/2/6133用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时和大开度时，灵敏度相同。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率≠常量。用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时，灵敏度高，容易震荡；大开度时，灵敏度低，调节迟缓。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率＝常量。直线流量特性对比

对数流量特性(3)抛物线流量特性

单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系

134135(4)快开流量特性在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小有效位移一般为阀座直径的1/4适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统136DP1DP2工作流量特性以压降比S【阀全开时阀上压差与系统压差(即系统中最大流量时阻力损失之和)之比】与流量比x【阀全开的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比】表示配管情况。流量特性将随着S与x的变化而发生畸变，可调比也将随之改变。DP串联管道情形并联管道情形Q1Q2DP137*流量特性发生畸变直线特性→快开特性等百分比特性→直线特性*可调比减小压降比S【阀全开时阀上压差与系统压差(即系统中最大流量时阻力损失之和)之比】理想流量特性将随着S的变化而发生畸变，可调比也将随之改变。

流量比x【阀全开的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比】表示配管情况。理想流量特性将随着x的变化而发生畸变，可调比也将随之改变。1381392.4.3.3阀门定位器阀门定位器与气动执行机构配套使用，是气动调节阀的主要附件。电气转换器电气阀门定位器将控制信号成比例地转换成气压信号输出至执行机构使阀杆产生位移阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统在什么情况下需要使用阀门定位器？答：大口径阀门，或者要求有较大输出力的阀门等（小口径阀门一般较少使用），阀门定位器与执行机构安装在一起，因而可减少调节信号的传输滞后。140气动阀门定位器工作原理及实物图1－波纹管;2－主杠杆;3－迁移弹簧;4－反馈凸轮支点;5－反馈凸轮;6－副杠杆;7－副杠杆支点;8－气缸;9－反馈杆;10－滚轮;11－反馈弹簧;12－调零弹簧;13－挡板;14－喷嘴;15－主杠杆支点;16－双向放大器;17－薄膜室;18－滑阀141电/气阀门定位器原理与实物图电/气阀门定位器具有电/气转换器和阀门定位器的双重作用142阀门定位器的应用阀门定位器的应用场合

(1)增加执行机构的推力

(2)加快执行机构的动作速度

(3)实现分程控制

(4)改善调节阀的流量特性

(5)使阀门动作反向改善调节阀静态特性，提高阀门位置线性度改善调节阀动态特性，减少调节阀传递滞后2.4.4.执行器的选择计算（自学）执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性执行器的选择，主要是从以下三方面考虑：

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。1431）执行器结构形式的选择执行器的结构形式的选型主要包括：执行机构的选择 调节机构的选择 （1）执行机构的选择

比较项目气动薄膜执行机构电动执行机构可靠性高（简单、可靠）较低驱动能源需另设气源简单方便价格低高输出力大小刚度小大防爆好差工作环境大（－40～＋80℃）小（－10～＋55℃）144选择执行机构，主要观察其可靠性、经济性，选择动作平稳、具有足够输出力、重量轻、美观、结构简单、维护方便的执行机构。薄膜执行机构结构简单，动作可靠，便于维修，应优先选用；要求执行机构有较大输出功率、较快响应速度，应选活塞式执行机构；在没有气源或气源比较困难的场合，可选用电动执行机构。应用最广泛气动薄膜执行机构输出力较小活塞式执行机构输出力大＋阀门定位器气动薄膜执行机构气信号不宜远传电动执行机构＋电气转换器信号宜远传确定气开/关作用方式，确定原则：安全1451461）结构型式的选择2）调节阀材料的选择3）流向的选择4）流量特性的选择5）调节阀口径的确定（2）调节机构的选择①结构型式的选择一般情况下优先选用体积小，流通能力大的直通单、双座阀和套筒阀调节低压差、大流量的气体，可以选择碟阀；调节阀前后压差较小、要求泄露量较小，可选择单座阀；既要求调节又要求切断，可以选择偏心阀；噪声较大时可选用套筒阀等等。总之，选择调节阀的结构型式，不能只满足于阀运行无问题，而且要对调节阀的各种性能进行比较，选出最佳型式。否则将造成很大的浪费和诸多不便。②调节阀材料的选择调节阀材料选择要考虑以下因素:①介质的压力与温度；②介质的腐蚀性；③介质有无空化；④材料价格与市场供应状况、加工性能等；⑤材料的组配是否满足结构要求。高温时，必须注重高温强度、高温下的金相组织变化及耐腐蚀性，一般要求合金钢含有铬、镍、钼元素。在高温高压下，钢受易到氢气的侵蚀会造成脱碳现象，引起脆化。钢中掺入铬、镍、钼等元素与碳元素结合，能够提高钢的抗氢腐蚀性。比如高压（22～33MPa）场合应选用锻钢，1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo3Ti。低温时，要重视材料的低温冲击值，还要注意低温脆性。奥氏体不锈钢的低温机械性能