自动检测和过程控制(第4版)第11章 过程控制仪表与装置

第十一章过程控制仪表与装置第一节概述第二节基本控制规律与控制器第三节变送器第四节执行器第一节概述 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)。 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。 当前，主要采用计算机控制装置构建控制系统。基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表(DDZ)两类。组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。计算机(数字式)控制装置：以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。过程控制仪表类型过程控制仪表模拟式数字式基地式单元组合式组装式气动QDZ电动DDZDDZ-ⅠDDZ-ⅡDDZ-ⅢDDZ-Ⅳ单/多回路控制器可编程控制器(PLC)工业计算机(IPC)集散系统系统(DCS)总线控制系统(FCS)单元组合仪表类型气动单元组合仪表QDZ变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)辅助单元(F)电动单元组合仪表DDZ变送单元(B)转换单元(Z)计算单元(J)显示单元(X)给定单元(G)调节单元(T)执行单元(K)辅助单元(F)附录：DDZ仪表实物图

第二节基本控制规律与控制器 控制器是自动控制系统的核心，它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律(称控制作用或控制规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。 控制器的输出信号y与输入偏差信号e(=PV-SP)之间随时间变化的规律y=f(e)叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。 不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。一、双位控制 双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。 理想的双位控制器其输出y于输入偏差e之间的关系为(a)理想 (b)滞环 (c)死区 (d)滞环+死区常用位式控制作用e(t)y(t)双位控制特点与适用场合【特点】

(1)结构简单，控制质量不高；(2)被控量会出现振荡(被控变量持续地在设定值上下作等幅震荡，无法稳定在设定值上)

。【适用于】对象惯性大，负荷变化小，控制质量要求不高的场合，如炉温控制。SPSP+Δ1SP-Δ2双位控制系统输出曲线二、比例(Propotional)控制作用 控制器输出与输入(偏差)成正比：y(t)=KPe(t)【特点】

(1)作用速度快；(2)e=0，y=0，故不可能消除偏差。【适用于】对象惯性大、滞后小，负荷变化不大，容许余差存在场合，如要求较低的压力、流量、液位等的控制。比例控制作用及其特性KPr(t)c(t)e(t)y(t)e(t)1y(t)KP比例控制规律的参数 比例控制作用的整定参数是放大系数KP，它决定比例作用的强弱，但在一般控制器中，比例作用都不用放大系数作为刻度，而是用比例带δ来刻度。比例带的定义是：输出信号作全范围的变化时所需输入信号的变化(占全量程)百分数。比例带δ可用下式表示式中emax－emin——偏差变化范围；

ymax－ymin——输出信号变化范围。比例带与比例系数关系 对于一个具体的控制器，emax－emin、ymax－ymin都已固定，所以其比值为常数： 在单元组合仪表中，emax－emin=ymax－ymin，K＝1，所以有：比例带物理意义:比例带就是使控制器变化全范围时，输入偏差对应满量程的百分数。

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，试求该控制器的比例带。[解]:控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA三、比例积分(PI)控制规律(一)积分(Integrate)控制作用

积分控制作用是指控制器的输出变化量∆y与输入偏差e的积分成正比：KI

—积分增益，1/min;TI—积分时间，min。e∆ytt积分作用动态特性积分作用特点(1)只要有偏差存在，输出信号将随时间不断增长(或减小)；只有输入偏差等于零，输出信号才停止变化，而稳定在某一数值上，因而积分控制作用可消除静差。输出信号的变化与输入偏差的大小和积分时间TI成反比，TI越小，积分速度越快，积分作用越强。输出信号变化方向由e的正负决定。(2)积分控制作用可以消除静差，但因积分作用是随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。(二)比例积分(PI)控制规律 比例积分控制器的输出可视为比例输出yP和积分作用的输出yI之和。理想PI控制作用为：t=TIyIyI

=yPyP∆

ytet理想PI动态特性PI控制特点与应用场合【特点】：(1)相角为负，相当于滞后校正；(2)积分控制较缓慢，稳定性变差，但可消除余差。【适合于】：

对象滞后较大，负荷变化较大但缓慢，要求无余差场合。应用最广，流量、压力、液位控制均可。四、比例微分(PD)控制规律(一)微分(Differential)控制作用

微分控制作用就是指输出信号∆y与输入偏差信号的变化速度成正比，即δ(t)t0t0t0(a)理想微分作用(b)实际微分作用特性(c)匀速偏差输入

微分控制器动态特性tΔytetttt微分作用特点(1)即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马上进行控制，故微分作用也被称之为“超前”控制作用；(2)但它的输出只与偏差信号的变化速度有关。如有偏差存在但不变化，则微分输出为零，故微分控制不能消除静差。所以微分控制器不能单独使用，它常与比例或比例积分控制作用组合，构成比例微分(PD)或比例积分微分(PID)控制器。(二)比例微分(PD)控制规律 比例微分控制器的输出等于比例输出yP和微分作用的输出yD之和。理想PD控制作用为：y(a)e=1(t)(b)e=t比例微分控制动态特性PDTDt1t2t0DtΔytePΔytePD控制特点与应用场合【特点】(1)D作用起超前控制效果。使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善；(2)e=0，y=0，故不能消除偏差。

【适合于】

对象滞后大，负荷变化不大，被控量变化不频繁且允许余差存在场合。 为了得到比较满意的控制质量，常将比例、积分、微分三种控制结合起来，构成比例积分微分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三种作用控制器。理想PID控制作用特性方程如下：五、比例-积分-微分(PID)控制作用 实际PID控制特性(传递函数)如下：KI、KD分别为积分与微分常数。实际PID控制阶跃响应曲线 在输入阶跃信号后，微分作用和比例作用同时发生，PID控制器的输出Y突然发生大幅度的变化，产生一个较强的控制作用，这是比例基础上的微分控制作用，然后逐渐向比例作用下降；接着又随时间上升，这是积分作用；直到偏差完全消失为止。【特点】：

集成P、I、D作用，只要参数选择合适(较麻烦)，可同时改善稳态与动态性能。【适合于】：

对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制要求高场合，如反应器温度控制或成分控制等。PID控制特点与适用场合常用控制规律特点及适用场合PPIPDPID特点(1)速度快(2)有静差(1)存在滞后，控制不及时(2)无静差(1)超前控制，减小动态偏差(2)有静差结合P、I、D的优点，同时兼顾动态与静态适用场合压力、流量、液位等的控制(要求低)流量、压力及高性能液位控制系统温度、液位控制等(对象存在大惯性)高性能控制系统与温度控制系统等六、PID控制算式 在模拟控制系统中，PID控制是被广泛采用的一种控制策略，在数字(计算机)控制系统中，PID控制仍被广泛应用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值(数字量)计算控制量，因此式中积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。(一)位置式PID控制算式 因为采样周期T相对于信号变化周期来说很小，故可用和式(矩形计算法)代替积分，以增量(差分)代替微分，可得离散的PID表达式为

u(k)同控制阀开度(位置)一一对应，也就是计算机对采样值进行PID运算后，其输出与控制阀开度相对应，故称位置式算式。位置式PID控制算式特点(1)由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算机要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大；(2)因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。(二)增量式PID控制算式 根据位置式算式，可导出控制量的增量Δu(k)：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KPΔe(k)+KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)

输出Δu(k)是控制阀开度(位置)的增量(改变量)。

增量式PID控制算式特点 与位置式PID相比，增量式PID算法有下列优点：(1)位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值∑ej，这样容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小；(2)控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须首先将计算机的输出值置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于公式中不出现u0项，这易于实现手动到自动的无冲击切换。因此在实际控制中，增量式PID算法要比位置式PID算法应用更为广泛。(三)数字PID控制算式的改进 在计算机控制系统中，PID控制规律是使用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。如：积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。1、积分分离PID控制算法 引入积分环节的目的，主要是为了消除余差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的限制控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。积分分离PID控制算法的实现(1)根据实际情况，人为设定一阈值ε＞0；(2)当|e(k)|＞ε时，也即偏差值比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应；(3)当|e(k)|≤ε时，也即偏差值比较小时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。写成计算公式，在积分项乘一个系数β，即2、遇限削弱积分PID控制算法 积分分离PID控制算法在开始时不积分，而遇限削弱积分PID控制算法则正好与之相反，一开始就积分，进入限制范围后则停止积分。遇限削弱积分PID控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。因而，在计算u(k)时，先判断u(k-l)是否已超出限制值。若u(k-l)>umax，则只累加负偏差；若u(k-1)<umax，则累加正偏差。故，遇限削弱积分PID控制算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。3、微分先行PID控制算法 对给定值r(t)不进行微分运算。这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常总是比较缓和的，因此它适用于给定值r(t)频繁升降的场合，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性。微分先行PID控制结构图yd(t)c(t)e(t)u(t)r(t)TDS+1七、模拟控制器 按照其信号形式，将控制器分为模拟控制器与数字控制器两种类型。工业上应用最多模拟控制器是DDZ-Ⅲ型控制器。

DDZ-Ⅲ型控制器有两个基型产品，即全刻度指示控制器与偏差指示控制器，根据运算电路又分为PI与PID两种型号。 控制器可分为控制单元与指示单元两部分，控制单元包括输入、比例微分(PD)、比例积分(PI)、输出、软手动和硬手动等电路。

H全刻度指示型DDZ－III

控制器组成框图与实物图输出指示表MVIoA测量指示表PV±VRIsMK4K6VSVHK1给定指示电路输入电路PD电路PI电路输出电路测量指示电路硬手操电路软手操电路给定指示表SV内给定电路250WVi工程上用SV表示给定值，MV表示输出值(也称阀位)。(一)模拟控制器的工作原理

DDZ-III型控制器有“自动”，“保持”，“软手动”和“硬手动”四种工作模式：自动(K1置于A):输入电路处理后的偏差信号经PD与PI电路进行PID运算，转化为标准信号(阀位信号)推动执行器去进行控制；硬手动(K1置于H):输出阀位正比于硬手操电压；保持(K1置于M,K4打开):输出阀位能长时间保持不变；软手动(K1置于M,K4闭合):输出阀位在原值基础上缓慢地线性增减(软手操电压的积分成正比)。 控制器中比例、积分和微分作用的强弱，可通过KP(工程中通常用比例带P表示，P=100/KP)、TI、TD进行调整。同时还可以根据需要组成P、PI、PD和PID等控制作用的控制器。具体是：TD=0，TI=∞，即控制器无积分、微分作用，则输出阀位信号与偏差成比例，即为P作用。TI=∞，即无积分作用，则控制器将对偏差信号进行比例微分运算，为比例微分(PD)控制。TD=0，即控制器无微分作用，则控制器将对偏差信号进行比例积分运算，为比例积分(PI)控制。当控制器同时具有比例、积分与微分作用时，即为比例积分微分(PID)控制。单独的积分(I)与微分(D)作用的系统性能不佳，故一般不单独使用。(二)性能指标与特点输入信号：1~5VDC；输出信号：4~20mADC或1~5VDC；内给定信号：1~5VDC；外给定信号：4~20mADC；输入及给定指示范围：1~5mADC双针，±0.5%；比例带：2～500；积分时间：0.01～2.5min或0.1～25min两档；微分时间：0.04～10min；保持特性：-1%/h；负载阻抗：250～750Ω；指示精度：±1%；控制精度：±0.5%。特点(1)手动/自动双向切换可以做到双向无平衡无扰动切换。(2)由于采用高增益、高阻抗线性集成电路，控制器积分增益很高，PI运算电路部分的积分增益在104以上。(3)有良好的保持特性。当控制器由自动切换到软手动，且未进行软手动操作时，控制器输出(阀位)信号可保持长时间不变。(4)在基型控制器基础上，易于构成特种控制器，例如断续(间歇)控制器、自选控制器、前馈控制器、抗积分饱和控制器、非线性控制器等。亦可在基型控制器的基础上附加某些单元而使控制器具有其它的功能，如输入报警、偏差报警、输出限幅等。同时还可与计算机联用，成为计算机控制系统的一部分，如SPC控制器和DDC备用控制器。八、数字控制器(一)概述 数字控制器是在模拟控制仪表的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型控制器。其结构与微型计算机十分相似，只是在功能上以过程控制为主。 数字控制器分为：(1)单回路或多回路控制器；(2)可编程序逻辑控制器(PLC)；(3)工业控制计算机(IPC)；(4)集散控制系统(DCS)；(5)现场总线控制系统(FCS)。本节仅简单介绍单(或多)回路控制器。数字式控制器与智能控制器老式:面板与模拟表几乎一样。数字控制仪表优势(1)智能化：由于采用微处理器作为仪表的核心，使仪表的运算、判断可控制功能都极强，功能丰富；(2)适应性强：控制器的功能主要由软件完成，编制不同的软件，可以得到各种不同的功能，实现不同的控制策略。用户程序编制可使用面向过程语言(POL：ProcedureOrientedLanguage)，易学易用；(3)具备通讯能力，可以与上位计算机交换信息，可组成SPC或DDC(DirectDigitalControl)控制，从而实现大规模的集中监控系统；(4)可靠性高：在硬件与软件中采用了可靠性技术，具有自诊断功能，大大提高了其可靠性。(二)数字控制器的构成原理 数字控制器实质上是装在通用仪表机壳内的微型工业控制机，是一种DDC控制装置，它的核心部件是微处理机，作为以微处理机为核心的数字控制装置，除了有必需的硬件之外，它的软件也是数字控制器的重要组成部分。各厂家的仪表在使用方法、功能上之所以有各自的特点，主要是由于采用不同的应用软件。1、数字控制器的硬件 数字控制器主要包括主机、过程输入通道、过程输出通道、人机与通讯接口等几大部分，它实际上是一个具有总线联接的微机化仪表(如图)。 控制器同时可通过通信接口输出各种数据，也可由通信接口接受来自操作站或上位机的操作命令与控制参数。数字控制器组成框图数字控制器的工作过程 用户通过键盘、按钮发出各种操作命令，在应用软件控制下输入信号。相关的生产过程数据通过过程输入通道转换为数字计算机所能接收的信号，并送入主机，主机对这些信号进行运算处理(如数字滤波、变换、补偿、PID运算等)，处理后的结果经输出口送至过程输出通道。经数模转换器将数字信号转换为模拟电压，亦可经电压/电流转换器转换为输出电流，同时经锁存器直接输出开关量信号。控制器的输出信号(包括模拟电压、电流以及开关量)控制执行器的动作，从而实现对生产过程的自动控制。2、数字控制器软件 数字控制器还必须配备相应的软件系统才能完成对生产过程的控制，整个软件系统分为系统软件和应用软件两部分。 系统软件是为用户使用和维护方便，扩充仪表功能和提高使用效率等目的而提出的，通常由仪表厂家提供。同时，仪表生产厂家在控制器中储备了相当丰富的功能模块与子程序，利用它们，用户可以编制自己的应用软件。第三节变送器

变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数(温度、压力、流量、液位、成分等)转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用。变送器特性

xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值，即被测参数的上限值和下限值，图中，xmin=0。ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值，对于模拟式变送器，ymax和ymin即为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能式变送器，ymax和ymin即为输出的数字信号范围的上限值和下限值。变送器的理想输入输出特性一、概述(一)变送器构成原理1、模拟变送器的构成原理 模拟式变送器由测量部分、放大器和反馈部分三部分组成，如图所示。在放大器的输入端还加有调零与零点迁移信号，由零点调整(简称调零)和零点迁移(简称零迁)环节产生。模拟式变送器的输入输出关系由图可得2、数字式变送器的构成原理 智能式变送器由以微处理器(CPU)为核心构成的硬件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。(二)变送器的共性问题变送器的共性问题主要有：量程调整。零点调整和零点迁移。线性化。信号传输方式。1、量程调整 目的：使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。xmin

xmax1

xmax2ymaxymin如何实现

变送器量程调整

2、零点调整和零点迁移目的：是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。零点调整：变送器的测量起始点为零，即xmin=0。零点迁移：测量起始点不为零，若xmin>0，称正迁移；若xmin<0，称为负迁移。变送器的零点迁移示意图正迁移00负迁移0【零点迁移实质】只改变起始点位置，不改变量程(曲线斜率不变)。零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。3、线性化原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系。非线性补偿方法：使反馈部分或转换部分与传感器组件具有相同的非线性特性。xy(a)反馈补偿(b)输入补偿放大器检测元件转换部分xy放大器检测元件转换部分变送器的线性化4、变送器信号传输方式气动变送器：两根气动管线；电动模拟式变送器：二线制、三线制、四线制；数字式变送器：双向全数字量传输信号(现场总线通信方式

)。变送器信号传输方式二线制优点与实现条件优点：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。条件：式中I、UT、P分别变送器工作电流、输出端电压与最小有效功率；Iomax、Iomin

分别变送器输出最大、最小电流；Emin为最小供电电压；RLmax、r

分别为最大负载电阻与接线电阻。变送器rRLEUTIo二、温度变送器 温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元。其作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制。温度变送器还可以作为直流毫伏转送器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成标准统一信号输出。 温度变送器有四线制和两线制之分，它们各有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。 当前的温度变送器，通过改变接线方式可输入热电偶、热电阻或直流毫伏信号。温度变送器结构示意图(一)热电偶温度变送器量程单元(1)具有热电偶参比端温度补偿功能；(2)具有零点调整、零点迁移及量程调整功能；(3)具有线性化作用。(二)热电阻温度变送器量程单元(1)三线制接法。设计时使R29=R30+R31，以免环境温度变化引起测量误差；(2)具有零点调整、零点迁移及量程调整功能；(3)具有线性化电路与补偿热电阻的非线性作用。(三)直流毫伏变送器量程单元 与热电偶温度变送器量程单元相比，除了输入信号为直流毫伏，不需要参比端温度补偿电路，调零电位器W1不在反馈回路上，以及反馈回路中不需要线性化电路外，其余情况大致相仿。(四)温度变送器的正确使用 要使用与输入信号类型相符的温度变送器，并注意分度号匹配、接线等问题。 直接毫伏变送器输入直流毫伏信号。热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是参比端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿桥路上的补偿电阻阻值与各种分度号的热电偶电势有关，热电偶分度号要与热电偶温度变送器上所标的分度号一致。此外，热电偶的参比端要与变送器上补偿电阻感受相同温度，通常的做法是将热电偶补偿导线直接接到处于温度较为恒定环境中的变送器的接线端子上。三、差压变送器 差压变压器通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量，与节流装置配合，还可以连续测量液体(或气体)流量。差压变送器将测量信号转换成标准统一信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，以实现对上述参数的显示、记录或自动控制。 差压变送器有力矩平衡式、电容式和扩散硅式等类型，目前工业上用得较多的是电容式与扩散硅式差压变送器。(一)电容式差压变送器 电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件，无杠杆机构。整个变送器无机械传动、调整装置，结构简单，具有高精度、高稳定性、高可靠性和高抗震性。1、电容式压力传感器结构电容式差压变送器测压部件结构图1—电极引线；2—差动电容膜盒；3—正压侧导压口；4—正压容室基座；5—负压容室基座；6—负压侧导压口2、差动电容膜盒结构1-固定电极；2-中心感压膜片；3-填充液；4-隔膜片 差压作用于感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片与固定电极所组成的差动电容器的电容量发生变化，此电容变化量再经转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行对比，其差值送入放大电路，经放大得到4~20mA直流电流输出。3、测量原理(1)△p=0时，W=0：差动电容的测量简化电路(2)△p≠0时：(3)两端输出电流分别为：(4)在电路设计时使i1+i2=IC，而使i2-i1为输出信号(5)位移W与压差△p成正比，即W=k△p

，则结论：输出信号i2-i1与压差成△p成正比，与硅油的介电常数、高频供电频率及电压幅值无关。(二)扩散硅式差压变送器 扩散硅式差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器。由于单晶硅材质纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，且传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性，因此，随着MEMS(microelectromechanicalsystem,微机电系统)技术的突破，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的变送器得到了越来越广泛的使用。1、扩散硅式差压变送器测量部件结构1—负压导压口；2—正压导压口；3—硅油；4—隔离膜片；5—硅杯；6—支座；7—玻璃密封；8—引线2、工作原理 敏感元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成，即图中的硅杯。当胶杯受压时，压阻效应使其是上的应变电阻阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。硅杯两面浸在硅油中，硅油和被测介质之间用金属隔离膜片分开。当被测差压输入到测量室内作用于隔离膜片上时，膜片将驱使硅油移动，并把压力传递给硅杯压阻传感器。于是传感器上的不平衡电桥就有电压信号输出给放大器，经放大处理输出4~20mA直流电流信号。四、智能变送器 智能变送器：采用微处理技术和先进传感技术，新型现场变送类仪表。精度、稳定性、可靠性优于模拟仪表。输出模拟、数字混合信号或全数字信号，通过现场总线通信网络可与上位计算机连接，满足DCS和FCS的要求。(一)数字式变送器的构成原理数字式变送器的硬件构成框图

EJX智能变送器(二)智能变送器特点(1)测量精度高，基本误差仅为正负0.1%，而且性能稳定、可靠；(2)具有较宽的零点迁移范围和较大的量程比；(3)具有温度、静压补偿功能(差压变送器)和非线性校正能力(温度变送器)，以保证仪表精度；(4)具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通讯；(5)通过现场通讯器能对变送器进行远程组态调零、调量程和自诊断，维护和使用十分方便。第四节执行器一、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。(一)执行器(阀)的构成 执行器由执行机构和控制机构两个部分构成【有时配备有阀门定位器、手操机构等辅助装置】。执行机构将控制信号转换为力F(或力矩M)和位移(l和q)，推动调节机构动作以改变被控介质的流量。(a)框图 (b)外形(气动)执行器的构成执行机构调节机构p0I0F,l(M,q)介质流量(开度)(二)执行器的分类 执行器用途广泛，种类繁多，分类方法也比较多。一般根据其使用的能源将执行器分为气动、电动、液动等三大类：(1)气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，它以压缩空气作为能源来操纵调节机构。其结构简单、动作平稳可靠、动作行程小，输出推力较大、易于维修、安全防爆系数高，而且价格低，但信号不适于远传。可以采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。(2)电动执行器信号传递迅速，其缺点是结构复杂、安全防爆性能差，故在化工、炼油中很少使用。(3)液动执行器可以产生很大的推力，但是体积较大，不适合于在化工、炼油中使用。二、执行机构 执行机构的作用:根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F或输出力矩M和位移(直线位移l或角位移q)，输出力F或输出力矩M用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；位移(l或q)用于带动调节机构阀芯动作。 分类：气动执行机构【气动薄膜与活塞(直行程)、长行程式(角行程)】与电动执行机构【直行程与角行程】。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(一)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：专为偏心旋转阀设计的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；活塞式次之气动薄膜与气动活塞执行机构示意图调节机构的正反作用正作用(ZMA):输入信号增加，执行机构推杆向下运动。反作用(ZMB):输入信号增加，执行机构推杆向上运动。a)正作用b)反作用c)正作用d)反作用执行机构的正反作用原理与实物图(二)电动执行机构 电动执行机构接受控制器送来的标准电流信号，并将其线性地转换成相应的行程(角行程q与直行程l)，以推动调节机构动作。 按其输出形式可分为角行程执行机构和直行程执行机构两大类。它们的电气原理完全相同，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。其不同之处只是减速器的结构不同，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。电动执

行机构角行程：输出为输出轴转角，带动角行程阀(蝶阎、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)电动执行机构分类1、电动执行机构的构成原理 电动执行机构由伺服放大器DFC、伺服电机SD、位置发送器WF和减速器J四部分组成。电动执行机构的构成框图【工作过程】若e=Ii-If

≠0

伺服放大器有输出

伺服电机正转(e>0)或反转(e<0)

输出位置改变直至使e=0为止(阀位与Ii成比例)。DFD-操作机构DZA-执行机构2、电动执行机构的特性 伺服放大器是一个具有死区的继电器特性【|e|>D，输出~215v，|e|<D，无输出】；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；减速器和位置发送器都可以看做为比例环节。 直行程和角行程电动执行机构的传递函数为：电动执行机构等效框图D-DKKfIil/qIfe(三)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。喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微笑位移敏感地变换为气动信号，其结构如图所示。一般由恒节流孔、背压室及喷嘴挡板三部分组成。恒节流孔在构造上是一段狭窄细长的气体通道，当通过的气流为层流状态时，其两端的压降与流量成线性关系，称为一个固定的气阻，相当于电路中的固定电阻。显然喷嘴挡板是一个可变气阻，当挡板与喷嘴的相对距离改变时，由背压室排入大气的气阻跟着变化。喷嘴挡板机构的构造和特性 喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移敏感地变换为气动信号，是一种很好的位移检测元件。(四)智能执行机构 随着过程控制仪表中微处理器的引入，变送器、控制阀等仪表出现了智能化、功能多样化的趋势，智能执行机构也应运而生。 智能执行器有电动、气动两类，每类有众多品种。一般智能执行机构的基本功能是信号驱动和执行，内含控制阀输出特性补偿、PID控制和运算、阀门特性自检验核自诊断功能。同时，智能执行机构备有微机通信接口，它可与上位控制器、变送器、记录仪等智能化仪表一起联网构成控制系统。智能式电动执行机构实例1、智能执行机构特点(1)主要技术指标先进，超过以往的DDZ－Ⅱ、III型电动执行器，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到很高水平。(2)采用了微处理器技术和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器，具有自诊断、自调整和PI调节功能，功能强大，使用方便。(3)增加了流量特性软件修正。使一种固有特性的控制阀可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正的阀也可改变流量特性，使非标准特性修正为标准特性。该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正特性的现状。(4)采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。2、工作原理 来自上位控制器或变送器的信号，经处理后进入智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处理器定时检测该输入信号和位置反馈信号。当接受上位调节信号且不进行修正时，微处理器比较两个信号，一旦信号不平衡，偏差超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，进而控制阀门开度，同时微处理器也将表示阀门开度的位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人员可从数字操作器上观察阀门开度。控制器信号或变送器信号数字式操作器智能伺服放大器单相电动机减速机构控制阀位置发送器单相智能电动执行器的结构三、调节机构(控制阀)【作用】调节机构又称调节阀，是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，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，使被控介质流体的流量发生相应变化。【原理】调节机构实质上是一个阻力可调的节流件：阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变。【分类】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。(一)工作原理 调节机构实质上是一个阻力可调的节流件：阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变。式中Q——流体流经阀的流量，m3/s；P1、P2——阀进、出口端压力，Pa；A——阀的通孔面积，m2；Dg——阀的公称直径，m；r——流体密度，kg/m3x——阀的阻力系数。(二)结构型式 控制阀主要由上下阀盖、阀体、阀芯、阀座、填料及压板等零件组成。根据不同的使用要求，控制阀有多种结构型式。 控制阀的分类方法很多，如按其作用与用途、主要参数、介质性质(介质温度、压力、腐蚀性等)以及结构型式等来分类。目前国内、国际上最常用的是同时考虑控制阀的原理、作用及其结构型式的分类方法。常用调节阀结构示意图及特点(a),(b)直通单座调节阀：(c)直通双座调节阀： 泄漏量小； 泄漏量大； 允许压差小。 允许压差大。(d)角形调节阀：流路简单，阻力小。(e),(f)三通合(分)流阀： 有三个接管口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。(g)蝶阀：成本低,泄漏较大,流通能力大。(h)套筒阀：稳定性好,不平衡力小，可调性能好，通用性强、因拆装维护方便而广泛用于生产之中，特别是高温高黏度，含颗粒结构的介质调节。(i)偏心旋转阀：流路阻力小。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。(三)流量特性 控制阀的流量特性,是指介质流过控制阀的相对流量Qr(=Q/Qmax)与控制阀的相对开度Lr(=L/Lmax)之间的关系：Qr=f(Lr)

调节阀开度变化的同时，阀前后的差压也会发生变化，而压差变化又将引起流量变化，因此为方便起见，将流量特性分为理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变化的流量特性)和实际流量特性(阀前后压差随阀的开度而变化的流量特性)。1、理想流量特性 理想流量特性取决于阀芯曲面的形状，有直线、抛物线、对数(等百分比)、快开及蝶阀类型，相对流量与相对开度关系如下： 其中R=Qmax/Qmin是阀的可调比。理想流量特性特点直线流量特性：阀的放大倍数KV是常数，但其流量相对变化值是不同的。小开度时，流量相对变化值大，而在大开度时，流量相对变化值小。因此，直线阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。对数流量特性：流量增大→曲线的斜率增大→放大系数KV增大→但流量相对变化值是相等的，即流量变化的百分比是相等的。因此，具有等百分比特性的调节阀，在小开度时，放大系数小，调节缓和平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏、有效。KV由小至大。快开流量特性：在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大。KV由大至小。蝶阀流量特性：在转角达到70o前与对数流量特性相似，70o以后特性不好，工作不稳定，故通常在0-70o转角范围内使用。控制阀阀芯形状与流量特性1－快开；2－直线；3－抛物线；4－等百分比1234碟阀流量特性1—理想流量特性；2—阀径过小流量特性；3—阀径过大流量特性；4—流通截面特性；5—阀上相对压降曲线相对流量Qr(100%)0102030405060708090开启角j(o)10080604020045321DP1DP22、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。理想流量特性将随着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Q1Q2DP串联时控制阀流量特性(以Qmax为参比)(a)线性流量特性(b)对数流量特性Qmax——管道阻力等于零时的阀全开流量并联时控制阀流量特性(以Qmax为参比)(a)线性流量特性(b)对数流量特性Qmax——管道阻力等于零时的阀全开流量(四)流通能力(流量系数) 通过控制阀的流量与阀芯及阀座的结构尺寸、阀两端的压差、流体的种类、温度、粘度、密度等因素有关。为了比较各种大小不同的阀门所能流过的介质流量，常用流通能力来表示。 流通能力C也称为流量系数，其定义是：当控制阀全开，阀两端压差为9.81×104Pa，流体的密度为1000kg/m3时，每小时流经控制阀的流量值，以m3/h或t/h计。例如，一个C值为40的阀，则表示此阀两端压差为9.81×104Pa时，每小时能通过40m3的水量。显然，流通能力表明了控制阀在规定条件下所能通过的最大介质流量。因此它是选用控制阀时的主要参数。流通能力基本计算公式式中，Q—流量，m3/s；ΔP—控制阀两端的压差，Pa；ρ—流体密度，kg/m3；Dg—控制阀的公称通径，m；ξ—阀的阻力系数。 流通能力C取决于控制阀的公称通径Dg和阻力系数ξ。阻力系数ξ

主要是由阀体的结构所决定，因此，对于相同口径不同结构的控制阀，它们的流通能力也不一样。1、介质为一般液体时的C值计算公式式中Q——流过阀的流量，m3/h；

ΔP——为阀前后压差，kPa；

ρ——流体密度，kg／m3。2、介质为高粘度液体(粘度v≥20mPa.S)时的C值计算公式

为黏度修正系数，其值可根据雷诺数ReD值，由右图查得。式中C’为不考虑黏度修正时求得的流通能力；v为运动粘度mm2/s。3、介