過程控制第二章過程建模和過程檢測控制儀表(自動化儀表2)

第二章過程建模和過程檢測控制儀表

（自動化儀表2）

§2-1自動化儀表的性能指標及選用

§2-2常用的各種變送器

§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法

§2-4調(diào)節(jié)器

§2-5執(zhí)行器

§2-6應用舉例1/15/20231§2-1自動化儀表的性能指標及選用1、精度等級自動化儀表的精度等級是國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分的，以測量范圍中最大的絕對誤差與該儀表的測量范圍之比的百分數(shù)來衡量。一、自動化儀表的性能指標1/15/20232§2-1自動化儀表的性能指標及選用2、靈敏度和靈敏限

（1）靈敏度：儀表指針的線位移或角位移?α與引起此位移的被測參數(shù)的變化量?x之比。（2）靈敏限：指儀表能感受并發(fā)生動作的輸入量的最小值。如果輸入和輸出是線性變換時，靈敏度是常數(shù)；否則為變化值。1/15/20233§2-1自動化儀表的性能指標及選用3、變差

在外界條件不變的情況下，用同一儀表對同一個量進行正反行程測量時，所得兩示值之差。1/15/20234§2-1自動化儀表的性能指標及選用自動化儀表的選用根據(jù)

1、根據(jù)工藝過程的實際需要來選用儀表的控制、報警、記錄、指示積算等功能2、儀表精度等級應根據(jù)工藝要求、產(chǎn)品質(zhì)量指標、變量的重要程度等要求合理選用3、量程是根據(jù)過程參數(shù)測量范圍和正常生產(chǎn)條件來確定二、自動化儀表的選用1/15/20235§2-2常用的各種變送器一、溫度檢測儀表的選用原則1、溫度檢測儀表的選擇原則1）必須滿足生產(chǎn)工藝要求，正確選擇儀表的量程和精度。2）必須注意使用現(xiàn)場的工作環(huán)境。2、儀表的安裝原則1）合理選擇測溫點位置2）防止干擾信號引入3）保證儀表正常工作3、正確使用儀表選用熱電偶測溫時，注意正確使用補償導線的類型及其熱電偶的配套連接和極性，同時一定要進行冷端溫度補償，若選用熱電阻測溫時，注意三線制接法。1/15/20236§2-2常用的各種變送器二、溫度變送器工業(yè)上廣泛使用的溫度變送器目前有兩類：一類是屬于分體式的，即傳感器和變送器是分開的兩個裝置，如DDZ-Ⅲ溫度變送器；另一類是一體式的，即傳感器與變送器安裝于一體，如DDZ-S溫度變送器。1/15/20237§2-2常用的各種變送器１、DDZ—Ⅲ溫度變送器概述溫度變送器是變送器中的一種，用于將溫度信號轉(zhuǎn)換成標準直流信號輸出。溫度變送器有兩線制和四線制之分。各類變送器又有三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器。在目前的設計中也有三合一的設計，只要改變接線端子的接法，同一個變送器可完成不同的測量功能。1/15/20238§2-2常用的各種變送器◆直流毫伏變送器輸入:直流毫伏信號輸出:4~20mA和1~5V，DC◆熱電偶溫度變送器輸入:測溫度信號輸出:4~20mA和1~5V，DC◆熱電阻溫度變送器輸入:測溫度信號輸出:4~20mA和1~5V，DC1/15/202391）溫度變送器的主要特點◆直流24V集中供電，變送器內(nèi)無電源電路；◆采用低漂移、高增益的運算放大器為主放大器，簡化了線路，提高了可靠性和穩(wěn)定性?！粼跓犭娕己蜔犭娮枳兯推髦胁捎昧司€性化電路，使變送器輸出與被測溫度之間呈線性關(guān)系，便于和數(shù)字儀表配用，便于指示和記錄?！魧儆诎踩鸹ㄐ蛢x表?！羲木€制溫度變送器的輸入輸出有隔離措施，而兩線制的則沒有?！?-2常用的各種變送器1/15/2023102）組成

三種變送器均由放大單元和量程單元組成，主要區(qū)別是量程單元有所不同。直流毫伏變送器的反饋回路是線性化電阻網(wǎng)絡；熱電偶和熱電阻的反饋回路則分別采用不同的線性化環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)變送器適用于不同型號熱電偶和熱電阻測溫元件，對于不同的測溫范圍，線性化環(huán)節(jié)也有區(qū)別。熱電偶變送器的輸入回路中還考慮了冷端溫度補償。3）四線制熱電偶溫度變送器的組成及工作原理四線制熱電偶溫度變送器的原理框圖如圖所示，圖中虛線將其分成量程單元和放大單元兩部分。§2-2常用的各種變送器1/15/202311工作原理：將量程單元輸出的毫伏信號經(jīng)電壓放大和功率放大后，輸出統(tǒng)一的4~20mA，DC和1~5V，DC。同時，輸出電流又經(jīng)隔離反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號，送至量程單元?！?-2常用的各種變送器1/15/202312量程單元放大單元溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖24V，DCI0U0Ui橋路部分（冷端補償及零點調(diào)整）整流濾波DC／AC／DC

變換器電壓放大功率放大隔離輸出反饋回路（非線性校正）-Uf供電回路信號回路§2-2常用的各種變送器1/15/202313直流毫伏量程單元：輸入部分調(diào)零部分反饋部分§2-2常用的各種變送器直流毫伏變送器量程單元1/15/202314熱電動勢量程單元：由信號輸入回路、零點調(diào)整及冷端補償回路、非線性反饋回路及斷偶報警等部分組成。冷端補償作用§2-2常用的各種變送器1/15/202315§2-2常用的各種變送器◆線性化原理熱電偶回路所產(chǎn)生的毫伏信號與溫度之間存在著非線性關(guān)系，熱電偶的型號不同、測溫范圍不同，其特性曲線又不同。而儀表刻度與溫度值之間呈線性關(guān)系，所以，直接測量會造成誤差。DDZ—Ⅲ熱電偶溫度變送器采用了閉環(huán)非線性反饋校正方法，如下圖所示說明線性化原理。1/15/202316熱電偶放大部分非線性反饋回路t℃Et-UfU0εUf0U0Et0tU00tε0t§2-2常用的各種變送器1/15/202317◆非線性電路分析非線性反饋回路的特性曲線與熱電偶的特性曲線完全一致是很困難的，但可以采用折線近似法來近似地做到這一點。所謂折線近似法就是用若干段直線連接起來成為一條近似于所需曲線的折線。一般取4~6段。非線性反饋回路特性§2-2常用的各種變送器1/15/202318熱電阻溫度變送器量程單元：三線制接法利用正反饋實現(xiàn)線性化t℃Rt（Ω）0RtU00§2-2常用的各種變送器1/15/202319放大單元：

由電壓放大器、功率放大器、直流~交流~直流變換器、隔離輸出和隔離反饋等組成。功率放大器的作用是將電壓放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為具有一定負載能力的4—20mA，DC電流信號，同時通過電流互感器Tr2實現(xiàn)輸出回路的隔離?！?-2常用的各種變送器1/15/202320直流~交流~直流（DC/AC/DC）變換器：是用于對儀表進行隔離式供電，在DDZ—Ⅲ型儀表中是一種通用部件，除了溫度變送器以外，安全柵也用這種變換器。

DC/AC/DC變換器實質(zhì)上是一個磁耦合對稱推挽式多諧振蕩器，它先把電源供給的24V直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率（8KHz）的交流方波電壓，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓，提供直流電壓。既為功率放大器提供方波電源，又為集成運放（電壓放大器）和量程單元提供直流電源?！?-2常用的各種變送器1/15/202321§2-2常用的各種變送器２、一體化溫度變送器近幾年來，一種小型固態(tài)化溫度變送器出現(xiàn)于儀表市場，它與熱電偶或熱電阻安裝在一起，不需要補償導線或延長線，由直流24V供電，用兩線制方式連接，故又稱一體化溫度變送器。它屬于DDZ－S系列儀表，輸出為4～20mA標準信號。這種溫度變送器分為配熱電偶的SBWR型及配熱電阻的SBWZ型兩類。配熱電偶的又分為不同的分度號，例如有E，K，S，B，T等。配熱電阻的又分為Cu50，Cu100，Pt100等。以上兩類按輸出信號有無線性化又分為與被測溫度呈線性關(guān)系的及與輸入電信號（熱電動勢或電阻值）呈線性關(guān)系的兩種。1/15/202322一體化溫度變送器的基本誤差都不超過量程的士0.5%，環(huán)境溫度影響約為每1℃變動不超過0.05%，可安裝在-25～+80℃的環(huán)境中。電源電壓額定值雖為24V，但允許用于12～35V的電源電壓下，不過負載電阻應適當改變。額定負載電阻為250Ω，如電源保持額定電壓，則負載電阻可在0～600Ω間選用?！?-2常用的各種變送器1/15/202323§2-2常用的各種變送器一體化溫度變送器的特點：◆變送器直接從現(xiàn)場輸出4—20mA電流信號，比傳遞微弱的熱電動勢具有明顯的抗干擾能力，又免去了很長的熱電用補償導線。對于熱電阻結(jié)構(gòu)，也節(jié)省了三線或四線接法的成本。◆變送模塊微機化，利于做成一體化隔爆型溫度變送器。體積小巧緊湊，通常為直徑幾十毫米的短柱形，安裝在熱電偶或熱電阻套管接線端子盒中，不必占用額外空間。1/15/202324◆不需調(diào)整維護，因為全部采用硅橡膠或樹脂密封結(jié)構(gòu)，適應生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，其耐環(huán)境性較好，但損壞后只能整體更換。◆

在儀器儀表里如需輸入溫度信號時，也可將一體化溫度變送器當作輸入接口部件使用。但因為所適配的熱電偶或熱電阻規(guī)格固定，測量范圍不可調(diào)整，所以其通用性較差?！舸蠖鄶?shù)一體化溫度變送器是沒有輸入輸出隔離措施的，但少數(shù)品種也帶有隔離?！?-2常用的各種變送器1/15/202325§2-2常用的各種變送器電容式差壓變送器是一種將壓力或差壓檢測（由兩組電容器構(gòu)成）與信號處理、傳輸制成一個整體的儀表。三、電容式差壓變送器1/15/202326§2-2常用的各種變送器1、變送器工作原理當P1=P2時，可動極板處于平衡位置，此時，C1=C2=C0，表示為：當P1≠P2（假設P1＞P2

）時，可動極板向左產(chǎn)生微小位移△d，此時，C1≠C2，表示為：1/15/202327由圖3.22（b）可知，正、負壓腔回路的電流分別為：§2-2常用的各種變送器為方便得到電流與差壓的關(guān)系，在電路設計中使i2與i1之和等于常數(shù)，i2與i1之差為輸出信號。即1/15/202328將C1與C2的值代入上式得：可動極板的位移△d與壓差△P成正比，即：于是得：令則§2-2常用的各種變送器1/15/202329§2-2常用的各種變送器1/15/202330２、電容式差壓變送器應用（1）變送器量程調(diào)整與零點遷移§2-2常用的各種變送器1/15/202331（2）變送器用來測量液位高度（3）變送器用來測量流量§2-2常用的各種變送器1/15/202332壓力及差壓變送器1/15/202333§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法一、何為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律在定值自動控制系統(tǒng)中，由于擾動的作用，會使調(diào)節(jié)器參數(shù)偏離給定值，即被調(diào)節(jié)參數(shù)對給定產(chǎn)生了偏差。偏差信號作為輸入量送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中進行一定規(guī)律的運算后，其輸出信號進行調(diào)節(jié)，以補償擾動的影響，使被調(diào)節(jié)參數(shù)回到給定值。被調(diào)節(jié)參數(shù)能否回到給定值，經(jīng)過多長時間，以什么方式回到給定值，不僅與對象特性有關(guān)，也與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律有關(guān)。1/15/202334

所謂調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出信號與輸入信號之間隨時間變化的規(guī)律。在分析調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律時，通常在調(diào)節(jié)器的輸入端加入一個階躍信號，即突然出現(xiàn)某一偏差時，輸出信號隨輸入信號的變化規(guī)律。調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對象變送器Xs△X擾動被調(diào)參數(shù)Xi-+△YQ單回路定值控制系統(tǒng)框圖測量值：Xi給定值：Xs偏差：△X§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202335須注意：

1、偏差等于被調(diào)參數(shù)（即測量值）與給定參數(shù)之差，即△X=Xi－Xs2、調(diào)節(jié)器的輸入信號為偏差△X，輸出信號是輸出信號變化量△Y。

3、習慣上稱△X＞0為正偏差，△X＜0為負偏差。

4、△X＞0，△Y＞0，稱正作用調(diào)節(jié)器；△X＞0，△Y＜0，稱負作用調(diào)節(jié)器?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202336§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法二、調(diào)節(jié)規(guī)律的表示方法由于調(diào)節(jié)器的輸入信號及輸出信號可能有不同的量綱，如DDZ—Ⅲ溫度調(diào)節(jié)器的輸入為溫度，輸出為電壓或電流；氣動流量調(diào)節(jié)器的輸入為流量，輸出為氣壓。為了以通用的式子表示調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，需要用無量綱方程，即調(diào)節(jié)器的輸入和輸出都用相對量表示。輸入信號為偏差信號與測量信號范圍的比值，即：1/15/202337輸出信號是輸出變化量與輸出信號范圍的比值，即：調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律可以有以下四種方式表示：微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性及時間特性等。過程控制儀表中的模擬式調(diào)節(jié)器通常采用微分方程和傳遞函數(shù)的形式來表示。調(diào)節(jié)器是整個控制系統(tǒng)的核心，它的控制規(guī)律和整定參數(shù)對控制質(zhì)量有著直接的影響?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202338調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律實際上表征調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性，可以用微分方程和傳遞函數(shù)等描述，通?；镜恼{(diào)節(jié)規(guī)律是比例（P）、積分（I）、微分（D）。由這三種規(guī)律可以組合成比例（P）調(diào)節(jié)器、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器、比例微分（PD）調(diào)節(jié)器以及比例積分微分（PID）三作用調(diào)節(jié)器，適用于大部分工業(yè)對象的控制調(diào)節(jié)。PID中，P最基本，缺它不行，I、D起輔助作用，加入I作用可提高控制精度，消除靜差；加入D作用可起到加速作用，在干擾作用未明顯影響被控參數(shù)之前及時調(diào)節(jié)控制?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202339§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法調(diào)節(jié)規(guī)律的五種表示方法1、微分方程表示法：用微積分的形式表示控制器特性，它常用于測定控制器參數(shù)。P:PI:PD:PID:1/15/202340§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法2、傳遞函數(shù)表示法：用拉普拉斯變換式表示控制器特性。它常用于控制器的特性分析以及控制系統(tǒng)的分析計算。P:PI:PD:PID:1/15/202341§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法

3、頻率特性表示法：用幅頻特性和相頻特性形式表示控制器的特性，它用于控制系統(tǒng)的分析。P:PI:1/15/202342PD:PID:§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/2023434、圖示法：用控制器的輸出隨時間變化曲線表示控制器特性，通常輸入采用階躍信號，這時稱為階躍響應特性。圖示法比較直觀，用它可進行控制器參數(shù)的測定和控制器控制規(guī)律的定性分析?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202344P:PI:PD:PID:§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/2023455、離散化表示法：用離散化的形式表示控制器特性，它用于數(shù)字控制器以及各種計算機控制裝置。P:PI:PD:PID:§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202346§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法三、調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律?比例控制規(guī)律?比例積分控制規(guī)律?比例微分控制規(guī)律

?比例積分微分控制規(guī)律1/15/202347§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1、比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：y=Kp·x

比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W（S）=Kp

Kp——可調(diào)比例增益

x——偏差（又稱靜差）1/15/202348比例作用下的過程特性xXttXsxyttKp·x比例調(diào)節(jié)器的輸出y與輸入x成正比，偏差一出現(xiàn)，就能及時的產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，因此具有調(diào)節(jié)及時的特點。但是單純的比例調(diào)節(jié)作用會產(chǎn)生偏差（即余差）。這主要是由調(diào)節(jié)器本身的特性決定的。下面通過定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖來說明出現(xiàn)偏差的原因?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202349§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法調(diào)節(jié)器對象給定xsxxi-+y單回路定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖q+-擾動1/15/202350圖中，，以相對量表示的給定值；，以相對量表示的測量值；，以相對量表示的偏差值；，以相對量表示的調(diào)節(jié)器輸出；§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202351分析：假定系統(tǒng)處于初始平衡狀態(tài)，且Xi=Xs，因此偏差x=0，調(diào)節(jié)器輸出Y=0。調(diào)節(jié)器對被控對象不產(chǎn)生影響。當擾動q加入后，使被調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化?，F(xiàn)假定q使Xi增加，有Xi

＞Xs

，偏差x≠0送入調(diào)節(jié)器，經(jīng)比例運算后，輸出調(diào)節(jié)作用y，它與q作用相反，因此使偏差x減小。但是，由于輸出y與輸入x成正比，因此要輸出一定的y去克服擾動q的影響，需要有對應的偏差x存在。所以，比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程終止時，必然存在偏差。并且擾動q越大，要求補償它影響的y值也越大，靜差也越大?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202352為減小偏差x，須增大Kp

，但增大Kp又會使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩，穩(wěn)定性變差。所以，單純比例調(diào)節(jié)規(guī)律同時兼顧動態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)指標較困難。比例調(diào)節(jié)器的可調(diào)節(jié)參數(shù)（又稱整定參數(shù)）是比例增益Kp

，但習慣上都是以Kp的倒數(shù)PB乘以100%來表示并具此對調(diào)節(jié)器刻度?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202353PB稱為比例調(diào)節(jié)器比例帶（或稱比例度），它是輸入的相對變化量與輸出的相對變化量之比值，它表示輸出變化全范圍（即100%）所對應的輸入變化范圍。對于輸入范圍和輸出范圍相等的調(diào)節(jié)器，比例帶等于輸入的變化量與輸出的變化量之比，即§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202354§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法2、積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器的微分方程為：積分速度積分時間積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：1/15/202355

積分調(diào)節(jié)器的輸出與偏差存在的時間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會隨時間不斷增長，直到偏差消除，調(diào)節(jié)器的輸出才不再變化。因此積分作用可以消除靜差。但純積分作用也有不足，因其調(diào)節(jié)作用是隨時間積累加強的，所以調(diào)節(jié)動作緩慢，會出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時，當對象慣性較大時，被調(diào)參數(shù)將出現(xiàn)很大超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間也將延長，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定。為此在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中往往把P與I組合，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。xytt§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/2023563、比例積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器的微分方程為：在階躍輸入x作用下，調(diào)節(jié)器的輸出為：比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202357積分輸出：比例輸出：TI為比例積分器的再調(diào)時間階躍響應特性曲線圖所示。在調(diào)節(jié)器輸入端加階躍信號x，開始瞬間有一比例輸出yp，隨后在同一方向在yp的基礎(chǔ)上輸出不斷增加，即積分作用yI。PI調(diào)節(jié)器的輸出y可以看成為比例和積分兩項輸出之和。TI§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202358TI的物理意義：

在階躍輸入X作用下，當yI

≈yP時，有t=TI

。因此TI是積分部分輸出等于比例部分輸出的時間。即當輸入X時，先有一比例輸出yP

，對過程進行調(diào)節(jié)，在t=TI時，調(diào)節(jié)器的積分作用輸出一個等于比例輸出的調(diào)節(jié)作用yI

，因此TI稱為再調(diào)時間。當比例帶PB一定時，TI表示積分作用的強弱。TI越小，積分作用越強；反之，TI越大，積分作用越弱，TI=∞時表示無積分作用。PB和TI是PI調(diào)節(jié)器的兩個整定參數(shù)，它們可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)整?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202359具有飽和特性的PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)及時又能消除靜差，這時由于I使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，尤其TI較小，不穩(wěn)定性愈嚴重，故加入I后可通過減小Kp來提高穩(wěn)定性。并且實際的PI調(diào)節(jié)器通常采用具有飽和特性的PI調(diào)節(jié)器。§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202360積分飽和：具有積分作用的控制器在單方向偏差信號作用下，其輸出達到輸出范圍后繼續(xù)進行，從而使調(diào)節(jié)器脫離正常工作狀態(tài)上限值或下限值，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。積分飽和的影響：控制不及時

§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202361在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下限值時，暫時去掉積分作用在控制器輸出達到輸出范圍上限值或下限值時，使積分作用輸出不繼續(xù)增加防止積分飽和的方法：§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202362§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法4、微分調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)器的微分方程為：微分時間偏差信號變化速度微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：1/15/202363在微分作用下，即使x很小，只要有變化趨勢，即可馬上調(diào)節(jié)——“超前”調(diào)節(jié)。但其輸出只能反映dx／dt，而不能反映x大小，調(diào)節(jié)結(jié)果也不能消除靜差，故不能單獨使用，可以組合成PD或PID調(diào)節(jié)器。xytt（b）

x為斜坡信號xytt（a）x為階躍信號∞§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202364§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法5、比例微分調(diào)節(jié)器比例微分調(diào)節(jié)器的微分方程為：比例微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：1/15/202365當t=t0瞬間，輸出信號跳變?yōu)橐挥邢拗诞攖＞t0瞬間，微分輸出按時間常數(shù)為td的指數(shù)曲線下降，其快慢由TD決定當，輸出為最終的比例輸出kpx§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202366實際上，調(diào)節(jié)器不允許具有理想的微分作用，這是因為具有理想微分作用的調(diào)節(jié)器缺乏抗干擾能力。當輸入信號中含有高頻干擾時，會使輸出發(fā)生大的變化，引起執(zhí)行器的誤動作。因此，在實際調(diào)節(jié)器中需要限制微分輸出的大小，即要使調(diào)節(jié)器具有飽和的微分特性。通常采用微分先行的PD調(diào)節(jié)器。PD調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)時比例帶PB和預調(diào)時間TD

。微分先行的PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202367§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法6、比例積分微分三作用調(diào)節(jié)器比例積分微分調(diào)節(jié)器的微分方程為：比例積分微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：1/15/202368實際的比例積分微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：上式稱為PID調(diào)節(jié)器的標準形式既能快速進行調(diào)節(jié)又能消除靜差，還可按偏差變化速度及方向進行“超前”調(diào)節(jié)?！?-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/202369§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法1/15/2023701/15/202371§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法偏差型PID運算式

微分先行PID運算式

１、PID控制器的偏差構(gòu)成形式四、模擬調(diào)節(jié)器的PID運算式1/15/202372§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法２、偏差型PID運算式測量值Xm與給定值Xs相減后，得到偏差x，然后對偏差x進行比例、積分和微分的運算。特點：對給定值的變化也進行PID運算1/15/202373§2-3PID調(diào)節(jié)規(guī)律及實現(xiàn)方法３、微分先行PID運算式先對測量值Xm進行微分運算，再與給定值Xs相減，然后再進行比例積分運算。1/15/202374§2-4

調(diào)節(jié)器一、模擬式電子調(diào)節(jié)器從調(diào)節(jié)規(guī)律來講，PID調(diào)節(jié)器是模擬調(diào)節(jié)器中最完善的調(diào)節(jié)器，使它的積分時間，即得到PD調(diào)節(jié)器；使TD=0，即成為PI調(diào)節(jié)器；同時使，則成為P調(diào)節(jié)器?？梢?，PID、PI、PD和P調(diào)節(jié)器的組成基本是相同的，它們之間只是運算電路部分有所不同。因此將以下分析一種基本的調(diào)節(jié)器。1/15/202375§2-4

調(diào)節(jié)器1、作用模擬式電子調(diào)節(jié)器的作用是將測量信號和給定信號相比較的偏差值進行PID（或PI、PD）運算，然后轉(zhuǎn)換成4～20mA，DC輸出信號。輸出l～5V，DC的變送器或轉(zhuǎn)換器均可以與它聯(lián)用。接收4～20mA，DC的執(zhí)行器或其它儀表都可以作為它的負載從而實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的自動控制。2、PID調(diào)節(jié)器的組成原理原理框圖如下圖所示1/15/202376輸出限幅外內(nèi)運算電路§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202377§2-4

調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器一般接受來自變送器輸出的4_-20mA電流信號，變?yōu)?—5V電壓信號后與給定值進行比較，產(chǎn)生偏差信號，該偏差信號經(jīng)PID運算電路處理后，再由輸出電路送出調(diào)節(jié)信號I0，以使執(zhí)行器產(chǎn)生相應的動作。指示電路用以監(jiān)視系統(tǒng)的調(diào)節(jié)運行情況，手動操作電路可直接由人操作輸出“手動信號”到執(zhí)行器，去代替調(diào)節(jié)器的“自動信號”進行遙控。1/15/2023781）輸入電路§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202379偏差檢測電路是一個減法電路，它將調(diào)節(jié)器的輸入信號Ui（如輸入是電流Ii，可通過一個輸入電阻變?yōu)閁i）與給定信號US進行比較，相減后送出一個大小和極性與這兩者相應的偏差信號Vε即

△x＝Ui—US

當Ui

＞US時，得正偏差；反之，當Ui

＜US時得負偏差。給定電壓US可以由調(diào)節(jié)器內(nèi)的穩(wěn)壓電源電路（或稱內(nèi)給定電路）提供，此種方式稱為內(nèi)給定；也可以用外來信號作為給定信號，這種方式稱為外給定。為了便于實現(xiàn)定值、串級或多參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器往往兼有上述內(nèi)外給定電路，用選擇開關(guān)進行切換?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/202380內(nèi)、外給定信號選擇內(nèi)給定信號：1~5V，DC

外給定信號：4~20mA，DC（轉(zhuǎn)換電阻為250Ω）

對于單回路定值控制系統(tǒng)，給定信號有調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供。當調(diào)節(jié)器作為串極控制系統(tǒng)或比值控制系統(tǒng)中的副調(diào)節(jié)器使用時，給定信號來自外部，為外給定信號。下面以蒸汽加熱系統(tǒng)為例，說明內(nèi)、外給定信號的概念?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/202381蛇形管冷水熱水蒸汽凝結(jié)水溫度變送器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器溫度對象溫度變送器給定XS△X擾動被調(diào)參數(shù)XXi-+yQ250Ω1/15/202382溫度調(diào)節(jié)器壓力調(diào)節(jié)器溫度變送器壓力變送器蛇形管冷水熱水蒸汽凝結(jié)水串級控制系統(tǒng)框圖溫度調(diào)節(jié)器壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行器壓力對象溫度對象壓力變送器溫度變送器給定信號（1—5V，DC）-+-+測量信號（1—5V，DC）250Ω250Ω250Ω1/15/202383正反作用開關(guān)用來使調(diào)節(jié)器切換為具有正作用特性或反作用特性，以滿足系統(tǒng)的不同要。根據(jù)對象特性及系統(tǒng)采用的調(diào)節(jié)閥是氣開式或氣閉式，有的系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)器具有正作用特性，即在正偏差增大時調(diào)節(jié)器的輸出增加（△x＞0，y＞0）；有的系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)器具有反作用特性，即在負偏差絕對值增大時，調(diào)節(jié)器輸出增加（△x＜0，y＞0）。由于輸入電路后用同一個運算電路，故需設正反作用開關(guān)，以轉(zhuǎn)換偏差信號的極性，使閉環(huán)系統(tǒng)為一負反饋系統(tǒng)?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/202384§2-4

調(diào)節(jié)器2）運算電路

PID運算電路用以對偏差信號進行比例，微分和積分的運算，它是調(diào)節(jié)器的核心。3）輸出電路輸出電路將運算電路的輸出信號作最后一次放大，將運算電路運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成具有較強負載能力的電流信號，它的作用有：1/15/202385§2-4

調(diào)節(jié)器（l）使信號具有足夠的功率輸出到負載，即在額定負載范圍內(nèi)，得到技術(shù)條件規(guī)定的輸出信號范圍。（2）使調(diào)節(jié)器具有要求的輸出阻抗。若為電流輸出，則要求它具有足夠大的輸出阻抗，以滿足恒流性能的要求，這可用強的電流負反饋來達到；若為電壓輸出，則要求它有小的輸出阻抗，可用強的電壓負反饋來達到。1/15/2023864）手動操作電路由于系統(tǒng)或工藝的需要，有時要求進行人工控制。因此，在有的調(diào)節(jié)器中備有手動操作電路，它能輸出一個由操作人員控制的“手動電流”到執(zhí)行器去，即進行人工控制。借助手動——自動切換開關(guān)，能將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)或“手動”狀態(tài)。開關(guān)在手動位置時，調(diào)節(jié)器輸出“手動電流”，對系統(tǒng)進行人工控制，開關(guān)在“自動”位置時，調(diào)節(jié)器輸出一個與偏差信號成一定關(guān)系的“自動電流”，對系統(tǒng)進行自動控制§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202387§2-4

調(diào)節(jié)器在自動——手動切換前后，若調(diào)節(jié)器輸出電流產(chǎn)生突變，就會對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，這常常是不允許的，因此要求進行平滑切換，即無擾動切換。下面以DDZ—Ⅲ調(diào)節(jié)器為例說明調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)的切換。調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)有三種：“自動”、“軟手動”、“硬手動”、“保持”軟手動：調(diào)節(jié)器的輸出電流和手動操作電壓成積分關(guān)系硬手動：調(diào)節(jié)器的輸出電流和手動操作電壓成比例關(guān)系前三種狀態(tài)的切換要求為無平衡無擾動，即不要人為地做好平衡的工作而直接切換，且這種切換具有無擾動的特性。1/15/202388自動軟手動硬手動預平衡：讓給定值與輸出值相等正切換切換具有無平衡無擾動切換必須人為地平衡后再切換才具有無擾動特性§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202389§2-4

調(diào)節(jié)器5）輸出限幅電路在有的調(diào)節(jié)器中設有輸出限幅電路，用以將調(diào)節(jié)器的輸出值限制在一定的范圍內(nèi)，從而保證調(diào)節(jié)器不處于危險開度。調(diào)節(jié)器輸出的上限值和下限值都可以調(diào)節(jié)。給定顯示：表明了操作者希望執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥）的開度輸出顯示：表明了調(diào)節(jié)閥的實際開度。例：4mA，DC——最小開度；20mA，DC——最大開度。1/15/2023903、DDZ—Ⅲ調(diào)節(jié)器的原理和特性

DDZ—Ⅲ調(diào)節(jié)器中的基型調(diào)節(jié)器有全刻度指示和偏差指示兩種類型，其主要部分是相同的，僅指示部分有區(qū)別。以下以全刻度指示的基型調(diào)節(jié)器為例進行分析?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/202391

1）DDZ—Ⅲ調(diào)節(jié)器主要性能指標測量信號（輸入信號）：1~5V，DC

內(nèi)給定信號：1~5V，DC

外給定信號：4~20mA，DC（250±0.1%）閉環(huán)跟蹤精度：±0.5%

比例度：2~500%

積分時間（再調(diào)時間）：0.01~25分（分×1和×10兩檔）微分時間（預調(diào)時間）：0.04~10分微分增益10

輸出信號：4~20mA，DC

電源：（24±10%）V，DC§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/2023922）DDZ—Ⅲ型調(diào)節(jié)器分類A、以調(diào)節(jié)器整定方式分有兩種：基型（普通型和電壓整定型）普通型調(diào)節(jié)器：P、TI、TD依靠改變儀表內(nèi)部電路參數(shù)來整定電壓型調(diào)節(jié)器：P、TI、TD受外給電壓控制，用于遠程整定、計算機整定等場合。B、以調(diào)節(jié)器的功能分兩種：基型（PID）調(diào)節(jié)器和特種調(diào)節(jié)器兩種

特種調(diào)節(jié)器是在基型（PID）調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上附加一些單元（輸入報警、偏差報警、輸出限幅等）得到?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/2023933）調(diào)節(jié)器的構(gòu)成原理調(diào)節(jié)器通常是對測量（輸入）信號與給定信號之偏差進行PID（PI或PD）運算，并把運算結(jié)果以統(tǒng)一信號送到執(zhí)行器，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。所以，調(diào)節(jié)器必須包括檢測偏差和進行PID運算兩個關(guān)鍵電路。偏差檢測電路PID運算電路偏差△xIiI0給定§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202394偏差檢測電路——輸入電路偏差信號通常采用電壓形式，如果輸入信號或外給定信號是電流，須通過一個精密電阻轉(zhuǎn)換成相應的電壓在輸入電路內(nèi)進行比較輸入電路同時還必須具備內(nèi)、外給定電路的切換開關(guān)，正、反作用切換開關(guān)和偏差指示等部分。PID運算電路包括一個PD運算電路和一個運算PI電路相串聯(lián)。其總的傳遞函數(shù)可以看成兩者之乘積，可方便構(gòu)成三作用調(diào)節(jié)器。PDPI△xI0§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202395§2-4

調(diào)節(jié)器二、數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。１、數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成1/15/202396§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/202397§2-4

調(diào)節(jié)器由圖可見，在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，除生產(chǎn)過程及現(xiàn)場儀表外的部分即為數(shù)字調(diào)節(jié)器，它由主機、過程通道、鍵盤及顯示器等基本部分構(gòu)成。當要求與操作站或上位機通信聯(lián)絡時，需配通信接口，當需打印記錄信息時另同打印機接口。1/15/202398主機是整個數(shù)字調(diào)節(jié)器的核心，由它存儲程序和執(zhí)行程序，以配合其它硬件組成和程序完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的預定功能。采用不同機型的主機，其總體結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)不同，將會影響數(shù)字調(diào)節(jié)器的構(gòu)成、功能和性能。

過程通道是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，輸入通道用于將現(xiàn)場儀表檢測到的被控參數(shù)變?yōu)橹鳈C能夠識別和接收的信息（數(shù)字信號），以便進行處理。輸出通道用于將主機輸出的信息變?yōu)楝F(xiàn)場執(zhí)行器所需的信號形式（模擬量4—20mA，DC）。鍵盤、顯示器也是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，它是一種簡單的人一機接口，通過鍵盤修改調(diào)節(jié)器參數(shù)和工作狀態(tài)，顯示器可讓操作人員了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。§2-4

調(diào)節(jié)器1/15/2023992、數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器的全部工作都是在硬件環(huán)境下，由微處理機執(zhí)行程序完成的。數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件包括以下幾部分：（

1）監(jiān)控管理程序由它實現(xiàn)對輸入／輸出通道、鍵盤、顯示器及通信等部件的管理，以及對調(diào)節(jié)器各硬件部分和程序進行故障監(jiān)測及處理等。對于固定程序的調(diào)節(jié)器，監(jiān)控管理程序主要用于修改和顯示調(diào)節(jié)器的工作方式和參數(shù)及監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，如對各個調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)進行整定、設定、修改傳感器或變送器量程、上下限報警值及進行調(diào)節(jié)器手動／自動工作方式的切換等?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/2023100對于可編程序調(diào)節(jié)器，還需提供一套可由用戶進行系統(tǒng)組態(tài)的軟件，包括編程語言的編輯及編譯軟件。這種調(diào)節(jié)器一般功能都十分豐富，具有很好的通用性和靈活性，讓用戶有很大的選擇余地。

（2）應用程序

根據(jù)調(diào)節(jié)器的應用功能所編的程序，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)據(jù)處理、控制算法、報警及輸出等程序。在可編程調(diào)節(jié)器中，這些應用程序以模塊形式給出，用戶可用數(shù)字調(diào)節(jié)器的編程語言將這些模塊進行組態(tài)，構(gòu)成用戶所需系統(tǒng)?！?-4

調(diào)節(jié)器1/15/2023101§2-5

執(zhí)行器執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，其主要任務是將調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換為執(zhí)行動作，以改變被控量的變化方向。所以，無論任何過程控制系統(tǒng)均需執(zhí)行器來完成調(diào)節(jié)動作，執(zhí)行調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)命令。執(zhí)行器分為執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)（通常指調(diào)節(jié)閥）兩個組成部分，執(zhí)行機構(gòu)將調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換成相應角/直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變被控對象進、出能量的大小或物料的多少，以實現(xiàn)過程自動控制。1/15/2023102

執(zhí)行機構(gòu)可分解為兩部分：◆控制器輸出信號轉(zhuǎn)化為控制閥的推力或力矩的部件稱為力或力矩轉(zhuǎn)換部件?！敉屏蛄剞D(zhuǎn)換為直線或角位移的部件稱為轉(zhuǎn)換部件

調(diào)節(jié)機構(gòu)將位移信號轉(zhuǎn)換為流通面積的變化，改變操縱變量的數(shù)值§2-5

執(zhí)行器1/15/2023103§2-5

執(zhí)行器執(zhí)行器一般安裝于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，而調(diào)節(jié)閥又是直接接觸被測介質(zhì)，且負荷重，動作頻繁，所以既要正確選擇不同類型的執(zhí)行器，又要正確使用和精心維護，才能保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運行。否則，不僅會造成控制精度超差，控制失靈，嚴重的還會引起生產(chǎn)停機、設備損壞及更為嚴重的安全事故。1/15/2023104按能源形式的不同，執(zhí)行器分為電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器。其中，氣動和電動執(zhí)行器應用廣泛，且電動執(zhí)行器的使用比例亦越來越大。電動執(zhí)行器：以電能為動力，屬于DDZ—Ⅲ組合儀表中的一種，具有電動單元組合儀表的特點；但其價格貴，結(jié)構(gòu)復雜，推力小。氣動執(zhí)行器：以壓縮空氣為動力，具有氣動儀表的特點，其結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、推力大、防火防爆。但其滯后大、不宜遠傳。為了克服其缺點，通常通過電/氣轉(zhuǎn)換器與電動儀表配合使用，構(gòu)成氣/電混合系統(tǒng)。§2-5

執(zhí)行器1/15/2023105§2-5

執(zhí)行器氣動調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)器氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器氣/電混合系統(tǒng)框圖氣動閥門定位器氣/電轉(zhuǎn)換器電/氣閥門定位器1/15/2023106§2-5

執(zhí)行器1/15/2023107§2-5

執(zhí)行器一、氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器又稱氣動調(diào)節(jié)閥，它是由氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成，如圖所示。1、氣動執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)接受電/氣閥門定位器或氣動閥門定位器輸出的氣壓信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應的推桿直線位移，以推動調(diào)節(jié)機構(gòu)工作。氣動執(zhí)行機構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種。有正作用和反作用兩種形式。當信號壓力增加時推桿向下動作的叫正作用執(zhí)行機構(gòu)；信號壓力增加時，推桿向上動作的叫反作用執(zhí)行機構(gòu)。1/15/20231081/15/2023109§2-5

執(zhí)行器

1）氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)使用彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)換為對推桿的推力，通過推桿使閥芯產(chǎn)生相應的位移，改變閥的開度。一個典型的氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)主要由彈性薄膜、壓縮彈簧和推桿組成，如圖所示。它通常接受0.02×105——0.1×MPa的標準壓力信號，并轉(zhuǎn)換成推力。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)輸出的是位移，它與信號壓力的關(guān)系為：1/15/2023110§2-5

執(zhí)行器式中：p——通入氣室的信號壓力；

A——波紋膜片的有效面積；

K——彈簧的剛度；

L——執(zhí)行機構(gòu)的推桿位移推桿的位移范圍就是執(zhí)行機構(gòu)的行程，推桿從零走到全行程，對應閥門從全開（或全關(guān)）到全關(guān)（或全開）。1/15/20231112）氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)以氣缸內(nèi)的活塞輸出推力，由于氣缸允許壓力較高，可獲得較大的推力，并容易制成長行程的執(zhí)行機構(gòu)。2、調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)閥是一種主要的調(diào)節(jié)機構(gòu)。如圖所示，它主要是由推桿、閥體、閥芯及閥座等部件所組成。閥芯在閥體內(nèi)上下移動時，可改變閥芯閥座間的流通面積，控制通過的流量?！?-5

執(zhí)行器1/15/2023112直通雙座控制閥§2-5

執(zhí)行器1/15/2023113§2-5

執(zhí)行器３、

執(zhí)行機構(gòu)正、反作用方式的選擇◆執(zhí)行機構(gòu)與閥體部件的配用有表可查?！粝冗x氣開、氣關(guān)方式，再選執(zhí)行機構(gòu)。

1/15/2023114§2-5

執(zhí)行器氣開氣關(guān)方式的選擇：選氣開還是氣關(guān)式，由生產(chǎn)工藝的要求決定。◆從生產(chǎn)的安全出發(fā)◆從保證產(chǎn)品質(zhì)量考慮◆從降低原料和動力的損耗考慮◆從介質(zhì)特點考慮氣開式：輸入氣壓越高時開度越大，無信號壓力時閥全關(guān)。氣關(guān)式：輸入氣壓越高時開度越小，無信號壓力時閥全開。1/15/2023115§2-5

執(zhí)行器二、電/氣轉(zhuǎn)換器及閥門定位器１、電/氣轉(zhuǎn)換器電／氣轉(zhuǎn)換器是電動單元組合儀表中的一個轉(zhuǎn)換單元。它能將電動控制系統(tǒng)的標準信號轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號（0.02～0.1MPa）。通過它可以組成電／氣混合系統(tǒng)以便發(fā)揮各自的優(yōu)點，擴大其使用范圍。如將電動調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后用以驅(qū)動氣動執(zhí)行器，或?qū)碜愿鞣N電動變送器的輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后送往氣動調(diào)節(jié)器。電/氣轉(zhuǎn)換器是基于力矩平衡原理進行工作的，其原理如圖。1/15/2023116§2-5

執(zhí)行器1/15/2023117§2-5

執(zhí)行器２、閥門定位器1）閥門定位器的工作原理根據(jù)所使用的輸入信號，閥門定位器分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器。電氣閥門定位器除了有氣動閥門定位器的功能外，還有電氣轉(zhuǎn)換功能。氣動閥門定位器工作原理示意如圖所示。1/15/2023118§2-5

執(zhí)行器P0Pi1/15/2023119§2-5

執(zhí)行器沒有使用閥門定位器時，輸入信號Pi直接進入膜頭，在推力作用下閥桿向下，使閥芯移動，改變流通面積，使流量變化。由于閥桿受到摩擦力，因此，在一定輸入信號作用下，閥桿可能不移動，從而產(chǎn)生死區(qū)。死區(qū)使閥桿不能及時響應調(diào)節(jié)器的輸出；當調(diào)節(jié)器輸出反向時，摩擦力與原來的合力方向相反，造成回差，使復現(xiàn)性變差。1/15/2023120§2-5

執(zhí)行器使用閥門定位器后，輸入信號Pi先進入波紋管，通過杠桿，靠近噴嘴，使背壓增大，經(jīng)放大器后輸出的信號送膜頭，閥桿移動的反饋信號經(jīng)連桿傳遞，轉(zhuǎn)換為凸輪的轉(zhuǎn)動，并使杠桿離開噴嘴，達到新的平衡點。如果閥桿與輸入信號不對應，則在負反饋作用下，會改變進入膜頭的氣壓，直到新平衡點建立。閥門定位器框圖如下所示。1/15/2023121§2-5

執(zhí)行器2）閥門定位器的功能（1）改善閥的靜態(tài)特性用閥門定位器后，只要調(diào)節(jié)器輸出氣壓略有改變，經(jīng)過噴嘴一擋板系統(tǒng)及放大器的作用，就可使通往調(diào)節(jié)閥膜頭的氣壓有大的變動，以克服閥桿的摩擦和消除調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響，從而保證閥門位置接調(diào)節(jié)器發(fā)出的信號正確定位。（2）改善閥的動態(tài)特性定位器改變了原來閥的一階滯后特性，減小時間常數(shù)，使之成為比例特性。1/15/2023122§2-5

執(zhí)行器（3）改變閥的流量特性通過改變定位器反饋凸輪的形狀，可使調(diào)節(jié)閥的線性、快開、等百分比流量特性互換。（4）用于分程控制用一個調(diào)節(jié)器控制兩個以上的調(diào)節(jié)閥，使它們分別在信號的某一個區(qū)段內(nèi)完成全行程移動。例如：使兩個調(diào)節(jié)閥分別在（20～60kPa）及（60～100kPa）的信號范圍內(nèi)完成全行程移動。1/15/2023123§2-5

執(zhí)行器（5）用于閥門的反向動作采用反作用式定位器可使氣開閥變?yōu)闅怅P(guān)閥，氣關(guān)閥變?yōu)闅忾_閥。如上所述，閥門定位器的使用可以擴大調(diào)節(jié)閥的適應范圍，滿足于不同的工藝流程要求。閥門定位器是很重要的輔助執(zhí)行機構(gòu)。1/15/2023124§2-5

執(zhí)行器3）電/氣閥門定位器電/氣閥門定位器起電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器的雙重作用。它接受電動調(diào)節(jié)器輸出的4~20mA，DC電流信號，輸出0.02~0.1MPa信號，且輸入/輸出具有比例關(guān)系。1/15/2023125三、調(diào)節(jié)閥的流量特性1、概念調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流體流過閥門的相對流量Qr和相對開度Lr之間的函數(shù)關(guān)系，即§2-5

執(zhí)行器

——相對流量，閥在某一開度下的流量與全開時流量的比，即

——相對流量，閥在某一開度下的流量與全開時流量的比，即1/15/2023126§2-5

執(zhí)行器2、類型控制閥流量特性：理想流量特性和工作流量特性◆理想(固有)流量特性——閥前后差壓保持不變的特性◆工作(實際)流量特性——實際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性成為～。1/15/2023127§2-5

執(zhí)行器（1）理想(固有)流量特性國內(nèi)常用的有直線、對數(shù)、拋物線和快開等四種。1/15/2023128§2-5

執(zhí)行器直線流量特性：是指調(diào)節(jié)閥的單位相對位移的變化所引起的相對流量的變化是常數(shù)，表示為：對上式積分，取邊界條件得：1/15/2023129§2-5

執(zhí)行器放大系數(shù)為：直線流量特性適于在較大開度下使用。(注：國產(chǎn)閥，理想可調(diào)比為R=30)由上式可得：1/15/2023130其他流量特性：◆對數(shù)特性：小流量時，控制作用平緩；大流量時，控制作用靈敏有效，克服了直流特性的不足?！艨扉_特性：適于要求快速開、閉的控制系統(tǒng)?！魭佄锞€特性：介于直線特性與對數(shù)特性之間，彌補了直線特性小開度時控制性能差的缺點。（2）工作(實際)流量特性在實際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為工作流量特性。工作流量特性與管道系統(tǒng)阻力有關(guān)?！?-5

執(zhí)行器1/15/2023131串聯(lián)管道的工作流量特性：閥與管道串聯(lián)時，流量增大，管路損失也增大，在總的壓降一定時，閥上的壓降減小，從而引起流量特性的改變，理想流量特性畸變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦?。求此時的流量，需了解閥上壓差△p的變化規(guī)律?！?-3調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇1/15/2023132§3-3調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇流量特性方程為：（3—16）（3—17）1/15/2023133并聯(lián)管道的工作流量特性：并聯(lián)的目的：冗余措施；增大產(chǎn)量(流量）§3-3調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇1/15/2023134§3-3調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇（3—18）B——旁路程度，為閥全開時通過的流量與總管最大流量之比值?！暨x擇原則是廣義對象具有線性特性，即總放大系數(shù)為常數(shù)?！暨x擇方法可分為理論計算法和經(jīng)驗法兩大類。

由對象特性選工作特性推理想特性查廠家手冊。

流量特性方程為：1/15/2023135§3-3調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行器)的選擇常見的現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)1/15/2023136§2-5

執(zhí)行器四、電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器也是由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。其調(diào)節(jié)機構(gòu)常常與氣動執(zhí)行器通用，所不同的只是電動執(zhí)行機構(gòu)。電動執(zhí)行機構(gòu)以電源為動力，接受標準信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械位移（直線、轉(zhuǎn)角或多轉(zhuǎn)）來操作調(diào)節(jié)閥、風門擋板等調(diào)節(jié)機構(gòu)，完成自動調(diào)節(jié)任務。它對整個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全運行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)劣影響極大。它還可以通過電動操作器實現(xiàn)自動/手動操作相互切換（為無擾動切換）。1/15/2023137§2-5

執(zhí)行器電動執(zhí)行器相對于氣動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器有以下優(yōu)點：（1）以電源為動力，使用方便，無需特殊氣源和空氣凈化裝置。電源消失，執(zhí)行器能保持原來位置。（2）可以遠距離傳輸信號，電纜的安裝比氣管方便，便于檢查。（3）與計算機聯(lián)接方便。1/15/20231381）電動執(zhí)行機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（以220電源為動力的執(zhí)行器）§2-5

執(zhí)行器1/15/2023139§2-5

執(zhí)行器電動執(zhí)行機構(gòu)組成框圖Ii手動操作器（DFD）伺服電機（SM）減速機位置發(fā)送器（WF）執(zhí)行單元（DZA）伺服放大器放大單元（DFC）If變送器調(diào)節(jié)器給定θ1/15/2023140§2-5

執(zhí)行器（1）放大單元（伺服放大器）觸發(fā)器1觸發(fā)器2電源磁放大器開關(guān)12~220V伺服放大器方框圖二相伺服電動機1/15/2023141§2-5

執(zhí)行器前置磁放大器：為了滿足復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需要，伺服放大器有三個輸入信號通道和一個位置反饋通道，可同時輸入三個信號和一個位置反饋信號。簡單的調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅用其中一個輸入信號通道和位置反饋通道。前置磁放大器將輸入信號和反饋信號綜合、比較和放大后，輸出的模擬直流電壓信號作為觸發(fā)器的輸入信號。如圖所示為磁放大器的輸入/輸出特性：1/15/2023142§2-5

執(zhí)行器∑Ii-If0Uab∑Ii-If=0，Uab=0∑Ii-If＞0，Uab

＞0∑Ii-If＜0，Uab

＜01/15/2023143§2-5

執(zhí)行器觸發(fā)器：將前置放大器的具有極性的直流輸出電壓變?yōu)橄鄳拿}沖輸出，控制電路中相應的可控硅導通，以接通伺服電機電源，使電機按Uab的方向正、反轉(zhuǎn)。兩組觸發(fā)器不能同時工作，同時為了保證觸發(fā)脈沖能使可控硅導通，對觸發(fā)脈沖頻率有一定的要求。通常，觸發(fā)器輸出脈沖頻率選為800~1000Hz，幅值約為5V，持續(xù)時間約為100~200μs。1/15/2023144§2-5

執(zhí)行器可控硅交流開關(guān)：用來接通伺服電機交流電源，由一只可控硅及四只二極管組成。由兩組完全相同的無觸點開關(guān)電路分別控制電機的正、反轉(zhuǎn)。當正脈沖輸入使SCR1導通時，無論電源電壓極性如何，兩相伺服電機定子繞組W2中的電流，都經(jīng)過電容CD，調(diào)整CD

，使W2繞組中電流相位超前W190°，驅(qū)使電機按照一定方向旋轉(zhuǎn)。同理，當SCR2導通時，W1中電流相位比W2超前90°，故驅(qū)使電機按上述相反方向旋轉(zhuǎn)。1/15/2023145§2-5

執(zhí)行器（2）執(zhí)行單元由伺服電機、減速器和位置發(fā)送器三部分組成，它接受可控硅交流開關(guān)或電動操作器的信號，使兩相伺服異步電機正、反轉(zhuǎn)。通過減速器減速后，變成輸出力矩去推動調(diào)節(jié)機構(gòu)。與此同時，位置發(fā)送器又根據(jù)調(diào)節(jié)機構(gòu)（閥門）的位置，發(fā)出相應數(shù)值的直流信號反饋帶前置磁放大器的輸入端，與輸入電流∑Ii相平衡。減速器：把電機輸出的高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)閥門的連桿。采用正齒輪和行星齒輪機構(gòu)相結(jié)合的機械傳動機構(gòu)。在減速箱體上裝有手動裝置—手輪，供就地手動操作使用。1/15/2023146§2-5

執(zhí)行器位置發(fā)送器：

把電動執(zhí)行器輸出軸轉(zhuǎn)角（0°～90°）線性地轉(zhuǎn)換成標準電流信號，用以指示調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置（閥位——由串在位置反饋回路里的電流表指示），再反饋到執(zhí)行器的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制。位置發(fā)送器輸入/輸出特性48121620θIi(mA)03060901/15/2023147§2-5

執(zhí)行器手操器也稱操作器。主要用在氣動或電動執(zhí)行器系統(tǒng)中實現(xiàn)手動操作。它與調(diào)節(jié)器配合，完成從自動到手動或手動到自動的無擾切換，也可以在控制系統(tǒng)出故障或系統(tǒng)投運時用它進行手動遙控。與氣動執(zhí)行器配合使用的稱Q型操作器，與電動執(zhí)行器配合使用的稱D型操作器。2）手操作器1/15/2023148§2-5

執(zhí)行器1/15/2023149§2-5

執(zhí)行器1/15/2023150§2-5

執(zhí)行器五、智能執(zhí)行器智能執(zhí)行器有電動、氣動兩類，每類又有多個品種。一般智能執(zhí)行器的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補償、PID控制和運算、閥門特性自檢驗和自診斷功能。由于智能執(zhí)行器備有微機通信接口，它可與調(diào)節(jié)器，變送器，記錄儀等智能化儀表一起聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成控制系統(tǒng)。1/15/2023151§2-5

執(zhí)行器１）智能電動執(zhí)行器（1）智能電動執(zhí)行器特點智能電動執(zhí)行器按控制電源劃分有單相和三相兩大類。與傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器相比主要有如下特點：①主要技術(shù)指標先進，超過國內(nèi)現(xiàn)有的DDZ—Ⅱ、Ⅲ型電動執(zhí)行器，如工作死區(qū)、基本誤差、回差等指標已達到很高水平。1/15/2023152§2-5

執(zhí)行器②采用了微處理器技術(shù)和數(shù)字顯示技術(shù)，以智能伺服放大器取代傳統(tǒng)的伺服放大器，以數(shù)字式操作器取代原有的模擬指針式操作器。它具有功能強，使用方便，具有自診斷、自調(diào)整和PI調(diào)節(jié)功能。③增加了流量特性軟件修正。使一種固有特性的調(diào)節(jié)閥可以擁有多種輸出特性，使不能進行閥芯形狀修正（蝶閥）的閥也可改變流量特性，可以使非標準特性修正為標準特性。該功能將改變長期以來靠閥芯加工修正特性的現(xiàn)狀。④在調(diào)節(jié)中采用了電制動技術(shù)和斷續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)，對具有自鎖功能的執(zhí)行機構(gòu)可以取消機械摩擦制動器，大大提高了整機的可靠性。1/15/2023153§2-5

執(zhí)行器（2）主要技術(shù)指標輸入信號：0～10m