第四、五章船用自動化儀表

第4-5章船用自動化儀表按功能分：測量儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器；按能源分：氣動儀表和電動儀表；按結(jié)構(gòu)形式分：

式儀表和單元組合式儀表；單元組合式儀表是指把控制系統(tǒng)的各功能單元分別制成一立的儀表，包括測量儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等，各個儀表之間用

的標準信號相聯(lián)系。單元組合式儀表標準信號：氣動：0.02MPa～0.1MPa電動：4mA～20mA

DC式儀表是指把測量、顯示和調(diào)節(jié)等功能單元組裝在一個殼體內(nèi)，構(gòu)成不可分離的整體。一、自動化儀表的主要品質(zhì)指標1、基本誤差與附加誤差附加誤差是儀表在使用中，由于外界條件的影響，如環(huán)境溫度、濕度、振動等所引起的誤差。2、絕對誤差：絕對誤差又稱指示誤差，絕對誤差是指儀表指示的被測參數(shù)值與真實值之差。若儀表指示的被測參數(shù)值為A，而被測參數(shù)的真實值是A0，則絕對誤差：△＝A－A03、相對誤差：相對誤差δ是指儀表的絕對誤差與該儀表指示值之比的百分數(shù)，即：第一節(jié)自動化儀表的基本知識4、精度：是指儀表的最大絕對誤差（最大指示誤差）與儀表的測量范圍（量程）之比的百分數(shù)。在表示上用級來代替百分號。例如，某壓力表的量程為０~2MPa，它的最大絕對誤差是0.04MPa，該儀表的基本誤差為：

δ0＝0.04/2×100%＝２%,則該儀表的精度為２級。5．儀表的靈敏度靈敏度是指儀表對輸入信號開始有反映的靈敏程度。若儀表的輸入量變化△x，相對應(yīng)的輸出量變化△y，則儀表的靈敏度S為：同一類儀表，刻度確定后，儀表的測量范圍越小，則靈敏度越高。7．儀表的不靈敏區(qū)、靈敏限、變差由于儀表活動部件的摩擦、間隙、彈性元件滯后現(xiàn)象的存在，當輸入信號有一微小變化時，儀表輸出仍然不變，這就是不靈敏區(qū)。靈敏限是指引起儀表輸出有一微小變化時，所需輸入量的最小變化值，一般認為靈敏限等于1/2不靈敏區(qū)。儀表的變差是指在外界條件不變的情況下，多次由不同方向使儀表輸入為同一真值時，儀表指示值之間的最大誤差。即儀表在同一測量點，其正行程和反行程指示值之差。二、氣動儀表的基本元件及組成原理一）氣動儀表的基本元件1、彈性元件彈性支承元件螺旋彈

簧。作用：支承、平衡、增強彈性敏感元件的剛度。彈性敏感元件波紋管、金屬膜片、橡膠膜片、彈簧管、金屬膜盒。作用：將壓力或推力轉(zhuǎn)變成位移信號。2、節(jié)流元件（氣阻）作用：產(chǎn)生壓力降、改變氣體流量的作用。恒節(jié)流孔（恒氣阻）變節(jié)流孔（可調(diào)氣阻）氣阻的概念

R=ΔP/G圖3-1-4

恒節(jié)流孔3、氣體容室（氣容）作用：

或放出氣體、對氣壓變化起慣性作用。定容氣室（固定氣容）彈性氣室（可變氣容）氣容的概念

C=dm/dp圖3-l-6

氣體容室4、噴嘴擋板機構(gòu)組成恒節(jié)流孔、背壓室、噴嘴、擋板。作用把輸入擋板的微小位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣壓信號輸出。3）靜特性定義：在穩(wěn)定工況下，背壓與擋板開度之間的對應(yīng)關(guān)系。特性曲線的特點：擋板全關(guān)，背壓接近氣源壓力。擋板全開，背壓接近大氣壓力。擋板全關(guān)到全開，背壓隨擋板開度增大而下降。0.11020304050600.02d＝0.325mmD＝1.038mmPh﹝微米﹞ab圖3-1-9

噴嘴擋板機構(gòu)的靜特性二）氣動儀表的組成原理氣動儀表是由放大環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)組成。圖3-14

氣動儀表的構(gòu)成原理1、放大環(huán)節(jié)起信號的放大作用由噴嘴擋板機構(gòu)和功率放大器構(gòu)成二級氣動放大器2、反饋環(huán)節(jié)起信號的運算作用節(jié)流分壓器特性：比例環(huán)節(jié)實現(xiàn)比例作用規(guī)律節(jié)流盲室特性：一階慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)積分作用規(guī)律比例慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)比例微分作用規(guī)律3、比較環(huán)節(jié)起信號的綜合和比較作用力平衡式：將信號轉(zhuǎn)換成力的形式出現(xiàn)在比較環(huán)節(jié)上，按力平衡原理進行比較，所得的不平衡力經(jīng)彈性元件轉(zhuǎn)換成擋板位移，作為氣動放大器的輸入信號。力矩平衡式：將信號轉(zhuǎn)換成力矩的形式，按力矩平衡原理在一根定支點轉(zhuǎn)動的杠桿上進行比較，將不平衡力矩轉(zhuǎn)換成擋板位移。位移平衡式：將信號轉(zhuǎn)換成位移，按位移平衡原理在一根不定支點轉(zhuǎn)動的杠桿上進行比較，其位移差就是擋板的位移變化量。第二節(jié)氣動差壓變送器一、氣動差壓變送器的結(jié)構(gòu)組成組成：測量部分和氣動轉(zhuǎn)換部分作用：測量部分是把輸入的壓差信號△P轉(zhuǎn)換成軸向推力。氣動轉(zhuǎn)換部分是把測量部分輸出的軸向推力轉(zhuǎn)換成標準的氣壓信號作為差壓變送器的輸出。單杠桿差壓變送器結(jié)構(gòu)原理圖輸出膜盒鎖緊螺母遷移彈簧主杠桿檔板噴嘴緊固螺母正壓室負壓室支架靜壓誤差調(diào)節(jié)螺母氣源鎖緊螺釘反饋波紋管量程調(diào)節(jié)指點底版密封頂針架頂針遷移螺釘放大器二、工作原理及特性分析P2P1V氣源p出l1l3l2F反根據(jù)力矩平衡原理工作變送器的零點：當輸出0.02MPa時,所對應(yīng)的輸入點。變送器的量程（測量范圍）：在K單中，F(xiàn)膜、F波和L1都是固定不變的，唯一可調(diào)的是L2，所以調(diào)整反饋波紋管位置可改變量程。上移反饋波紋管→L2↑→K單↓→量程↑下移反饋波紋管→L2↓→K單↑→量程↓

p

K

pF波

l2F膜

l1單出p

＝三、差壓變送器的調(diào)整1、零點和量程的調(diào)整假定⊿p的最大變化范圍是0～1000mmH20讓正負壓室均通大氣，使⊿p=0，觀察變送器輸出壓力是否為0.02MPa，若不是，擰動遷移（調(diào)零）彈簧，使P出=0.02MPa。

逐漸增大正壓室壓力，使P出=0.1MPa，觀察正壓室壓力是否為1000mmH20，若小于它，說明量程小了，則松開量程支點的鎖緊螺母，上移支點，反之亦然。反復調(diào)零調(diào)量程，直到零點和量程準確為止。第三節(jié)氣動PID調(diào)節(jié)器一、QTM－23J型氣動調(diào)節(jié)器1、基本組成比較部分、放大部分、反饋部分。2、調(diào)節(jié)器的工作原理根據(jù)力矩平衡原理工作，能實現(xiàn)PID作用規(guī)律。比例作用是通過比例環(huán)節(jié)的負反饋實現(xiàn)，微分作用是通過比例慣性環(huán)節(jié)的負反饋實現(xiàn)，積分作用是通過節(jié)流盲室（一階慣性環(huán)節(jié)）的正反饋實現(xiàn)。1：1的作用：為節(jié)流分壓器提供分壓通道、

、防止調(diào)節(jié)器振蕩。圖3-4-l

QTM-23J氣動PID三作用調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理圖l

、6-平衡杠桿；2、4-擋板；3、5-噴嘴；7、9-恒節(jié)流孔；8-放大器；10-膜片；11-噴嘴；12-1：13）比例帶、積分時間、微分時間的調(diào)整PB的調(diào)整：通過比例閥，比例閥開大，比例帶減小，比例作用增強。穩(wěn)定性降低。T

i的調(diào)整：通過積分閥，積分閥開大，Ti減小，積分作用增強，穩(wěn)定性降低。Td的調(diào)整：通過微分閥，微分閥開大，Td

減小微分作用減弱。二、NAKAKITA氣動PID調(diào)節(jié)器1、結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)位移平衡原理工作，能實現(xiàn)PID作用規(guī)律。比例微分作用是通過比例慣性環(huán)節(jié)的負反饋實現(xiàn)。積分作用是通過節(jié)流盲室（一階慣性環(huán)節(jié)）的正反饋實現(xiàn)。2、比例帶、積分時間、微分時間的調(diào)整3、給定值調(diào)整、正—反作用切換三、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定1、調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響2、常用的工程整定方法1）經(jīng)驗法表1-3-1

經(jīng)驗法整定參數(shù)范圍2）衰減曲控制規(guī)律PB（%）TiTdPPBsPI1.2

PBs0.5TsPID0.8

PBs0.3Ts0.1Ts表1-3-2

衰減曲經(jīng)驗公式3）臨界比例帶法（穩(wěn)定邊界法）控制規(guī)律PB（%）TiTdP2PBkPI2.2PBk0.85TkPID1.7PBk0.5Tk0.125Tk表1-3-3

臨界比例帶法經(jīng)驗公式表1-3-4

反應(yīng)曲經(jīng)驗公式控制規(guī)律PB（%）TiTdPKτ/

TPI1.1Kτ/T3.5τPID0.85

Kτ/T2τ0.5τ4）反應(yīng)曲第四節(jié)氣動執(zhí)行機構(gòu)（氣動調(diào)節(jié)閥）氣開式調(diào)節(jié)閥：輸入氣壓信號增加，調(diào)節(jié)閥開度增大。氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥：輸入氣壓信號增加，調(diào)節(jié)閥開度減小。1、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥組成：氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)，工作原理：根據(jù)力平衡原理。特性：是比例環(huán)節(jié)特點：結(jié)構(gòu)簡單、閥桿推力較小。為使調(diào)節(jié)閥動作及時，