第七單元“控制儀表”電子教案

工業(yè)電器與自動(dòng)化

第七單元

控制儀表及應(yīng)用關(guān)鍵詞：控制規(guī)律、比例規(guī)律、積分規(guī)律、微分規(guī)律、控制器、執(zhí)行器、氣開(kāi)閥、氣關(guān)閥學(xué)習(xí)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：了解控制規(guī)律的內(nèi)涵及分類；掌握常用控制規(guī)律內(nèi)容及特點(diǎn)；掌握?qǐng)?zhí)行器的選用原則。能力目標(biāo)：能夠根據(jù)工藝與控制要求合理選用控制規(guī)律；能夠根據(jù)工藝與控制要求合理選用執(zhí)行器及其開(kāi)關(guān)特性。第七單元控制儀表及應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。生產(chǎn)自動(dòng)化，就是利用一定的儀器設(shè)備，使得上述要求自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，就是類似人做某件事情，需要眼看、腦想、手動(dòng)三步曲一樣。前面一章中學(xué)習(xí)的檢測(cè)變送儀表就相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)中的“眼睛”，本章介紹的控制儀表、執(zhí)行器就分別相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)的“大腦”和“手腳”。檢測(cè)變送儀表將獲得的生產(chǎn)中各工藝變量的信息送至控制器，控制器則按一定的控制規(guī)律去控制執(zhí)行器動(dòng)作，改變操縱變量（物料量或能量），使生產(chǎn)過(guò)程中的工藝變量保持在人們期望的數(shù)值上，或按照預(yù)定的規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。在整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，檢測(cè)變送儀表、控制器、執(zhí)行器等儀器儀表合稱為控制裝置。本單元重點(diǎn)討論控制規(guī)律及常用控制儀表。第七單元控制儀表及應(yīng)用7-1常用控制規(guī)律

所謂控制規(guī)律，是指控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間隨時(shí)間變化的規(guī)律。控制器的輸入信號(hào)，就是檢測(cè)變送儀表送來(lái)的“測(cè)量值”（被控變量的實(shí)際值）與“設(shè)定值”（工藝要求被控變量的預(yù)定值）之差——偏差?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)就是送到執(zhí)行器并驅(qū)使其動(dòng)作的控制信號(hào)。整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是檢測(cè)出偏差，進(jìn)而糾正偏差?？刂破髟诖诉^(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。控制器對(duì)偏差按照一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，轉(zhuǎn)換為控制作用，施加于對(duì)象（生產(chǎn)中需要控制的設(shè)備、裝置或生產(chǎn)過(guò)程），糾正由于擾動(dòng)作用引起的偏差。被控變量能否回到設(shè)定值位置，以何種途徑、經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間回到設(shè)定值位置，很大程度上取決于控制器的控制規(guī)律。盡管不同類型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但基本控制規(guī)律卻只有四種，即雙位控制規(guī)律、比例（P）控制規(guī)律、積分（I）控制規(guī)律和微分（D）控制規(guī)律。這幾種基本控制規(guī)律有的可以單獨(dú)使用，有的需要組合使用。如：雙位控制、比例控制、比例－積分（PI）控制、比例－微分（PD）控制、比例－積分－微分（PID）控制。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過(guò)程，必須根據(jù)工藝要求合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律。若選用不當(dāng)，不僅不能獲得預(yù)期的控制效果，反而會(huì)使控制過(guò)程惡化，甚至釀成事故。因此，只有熟悉了常用控制規(guī)律的特點(diǎn)與適用對(duì)象，才能做出正確的選擇。7-1常用控制規(guī)律

一、雙位控制圖在所有的控制規(guī)律中，雙位控制規(guī)律最為簡(jiǎn)單，也最容易實(shí)現(xiàn)。其動(dòng)作規(guī)律是：當(dāng)測(cè)量值大于或小于設(shè)定值時(shí)，控制器的輸出為最大（或最?。纯刂破鞯妮敵鲆醋畲?，要么最小。相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也就只有兩個(gè)極限位置——要么全開(kāi)，要么全關(guān)。

圖7－1雙位控制示意圖7-1常用控制規(guī)律

二、比例（P）控制假若設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程（如上例中電磁閥的開(kāi)度）變化與被控變量偏差的大小成一定比例關(guān)系的話，就可能使上述貯槽的物料流入量等于流出量，從而使液位能穩(wěn)定在某一值上，即系統(tǒng)在連續(xù)控制下達(dá)到平衡狀態(tài)。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差大小成比例關(guān)系的控制規(guī)律，稱為比例控制規(guī)律。對(duì)于具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為比例控制器。比例控制器的輸出信號(hào)P（指變化量）與輸入偏差信號(hào)e（假如設(shè)定值不變，偏差變化量就是輸入變化量）之間成比例關(guān)系，即：

式中Kp---—是一個(gè)可調(diào)的比例放大倍數(shù)（或稱比例增益）。kPpe7-1常用控制規(guī)律

在研究控制器的特性時(shí)，常常用階躍信號(hào)模擬偏差輸入。這種階躍信號(hào)，表示在某一個(gè)瞬間突然階梯式躍變加到系統(tǒng)上的一個(gè)擾動(dòng)，并持續(xù)保持躍變的幅值。顯然，這種擾動(dòng)形式,對(duì)系統(tǒng)而言比較突然，比較危險(xiǎn)，對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)能有效地克服階躍擾動(dòng)的影響，則對(duì)于克服其他緩變擾動(dòng)的影響一定不成問(wèn)題。另外，階躍信號(hào)形式簡(jiǎn)單，便于在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)現(xiàn)。后面所說(shuō)的“控制器階躍響應(yīng)”，均是指控制器在接受階躍偏差后，其輸出隨時(shí)間的變化情況。在比例控制規(guī)律中，放大倍數(shù)Kp的大小表征了比例控制作用的強(qiáng)弱。Kp越大，比例控制作用越強(qiáng)（注意：并不是越大越好），反之越弱。在工程實(shí)際中，常常不用KP表征比例作用強(qiáng)弱，而引入了一個(gè)比例度δ的參數(shù)，來(lái)表征比例作用的強(qiáng)弱。δ的定義式為：控制器輸入相對(duì)變化量與輸出相對(duì)變化量的百分?jǐn)?shù)。δ=

其中K對(duì)于控制器為信號(hào)傳輸系數(shù)等于1.7-1常用控制規(guī)律

三、比例積分（PI）控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的，應(yīng)用最普遍的一種。其最大優(yōu)點(diǎn)是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用?？朔嗖畹霓k法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。積分（I）控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Pi＝Ki式中Ki——積分速度；

——表示對(duì)偏差e與微小時(shí)間段dt乘積的累積。實(shí)用中采用積分時(shí)間Ti代替Ki，Ti＝1/Ki

。

Pi＝

7-1常用控制規(guī)律

三、比例積分（PI）控制積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制規(guī)律，而是和比例控制作用一起，構(gòu)成比例積分（PI）控制器。這樣，取二者之長(zhǎng)，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Ppi=Pp+Pi=KP（e+）

）

7-1常用控制規(guī)律

四、比例微分（PD）控制上面介紹的比例積分控制規(guī)律，雖然既有比例作用的及時(shí)、迅速，又有積分作用的消除余差能力，但對(duì)于有較大時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。這里的“時(shí)間滯后”指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，其被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，例如容量滯后。此時(shí)的比例積分控制作用就顯得遲鈍、不及時(shí)。為此，人們?cè)O(shè)想：能否根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)做出相應(yīng)的控制動(dòng)作呢？就像有經(jīng)驗(yàn)的操作人員那樣，既根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門的開(kāi)度（比例作用），又根據(jù)偏差變化的速度大小來(lái)預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過(guò)量控制，“防患于未然”。這就是具有“超前”控制作用的微分控制規(guī)律。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：）

Pd＝Td

Td——微分時(shí)間

——偏差變化的速度。7-1常用控制規(guī)律

四、比例微分（PD）控制微分控制作用的特點(diǎn)是：動(dòng)作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對(duì)象有較大時(shí)間滯后的控制品質(zhì)；但它不能消除余差，尤其是對(duì)于恒定偏差輸入時(shí)，根本就沒(méi)有控制作用。因此，不能單獨(dú)使用微分控制規(guī)律。實(shí)用中，常和比例、積分控制規(guī)律一起組成比例微分（PD）或比例積分微分（PID）控制器。比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

：

Ppd＝Kp（e＋Td）

7-1常用控制規(guī)律

五、比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當(dāng)屬于比例－積分－微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制）規(guī)律了。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ppid＝Kp（e＋＋Td）

7-1常用控制規(guī)律六、控制規(guī)律特點(diǎn)（一）比例（P）控制比例調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（指變化量）與輸入偏差信號(hào)（假如設(shè)定值不變，偏差變化量就是輸入變化量）之間成比例關(guān)系（1）比例控制規(guī)律及時(shí)有力，但有余差存在；（2）比例度與比例放大倍數(shù)是倒數(shù)關(guān)系。δ越?。↘p越大），比例控制作用就越強(qiáng)，調(diào)節(jié)及時(shí)，但系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，由于比例度不可能為零（即KP不可能為無(wú)窮大），所以，余差就不會(huì)為零。因此，也常常把比例控制作用叫“有差調(diào)節(jié)”。比例度太大，控制作用就越弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性變好，但余差變大，控制質(zhì)量差。（3）單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。比例控制規(guī)律更多是與其他控制規(guī)律組合使用。7-1常用控制規(guī)律（二）比例積分（PI）控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的，應(yīng)用最普遍的一種。其最大優(yōu)點(diǎn)是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。克服余差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用,構(gòu)成比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。這樣，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力，因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。7-1常用控制規(guī)律（三）比例微分（PD）控制比例積分控制規(guī)律雖然既有比例作用的及時(shí)、迅速，又有積分作用的消除余差能力，但對(duì)于有較大時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。這里的“時(shí)間滯后”指的是：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，其被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲，例如容量滯后。此時(shí)的比例積分控制作用就顯得遲鈍、不及時(shí)。微分控制規(guī)律的“超前”控制作用顯然能解決上述問(wèn)題。微分與比例作用合在一起，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小動(dòng)態(tài)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。

7-1常用控制規(guī)律（四）比例積分微分（PID）控制

最為理想的控制當(dāng)屬于比例－積分－微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制）規(guī)律了。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。7-2基本控制器及其應(yīng)用

控制儀表是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要工具。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，我們以前討論過(guò)的檢測(cè)變送儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和記錄以外，更重要的是要送至控制器，在控制器內(nèi)與設(shè)定值進(jìn)行比較后得出偏差，然后由控制器按照預(yù)定的控制規(guī)律對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使被控變量達(dá)到預(yù)期要求，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。本節(jié)重點(diǎn)討論我們經(jīng)常使用的電動(dòng)控制器和數(shù)字控制器。7-2基本控制器及其應(yīng)用一、電動(dòng)控制器

電動(dòng)控制器以交流220V或直流24V作為儀表能源，以直流電流或直流電壓作為輸出信號(hào)。之所以選用直流信號(hào)，是因?yàn)橹绷餍盘?hào)不受傳輸線路中的電感、電容及負(fù)荷性質(zhì)的影響，不存在相移問(wèn)題，抗干擾能力強(qiáng)；直流信號(hào)傳輸，容易實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，從而方便的與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合使用；其次直流信號(hào)獲取方便，應(yīng)用靈活。電動(dòng)控制器以單元組合儀表應(yīng)用最為廣泛。電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）經(jīng)歷了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的發(fā)展過(guò)程。逐漸被DDZ－Ⅲ型儀表所取代。DDZ－Ⅲ型儀表采用直流24V集中統(tǒng)一供電，并配有蓄電池作為備用電源，以備停電之急需。在Ⅲ型儀表中廣泛采用了線性集成運(yùn)算放大器，使儀表的元件減少、線路簡(jiǎn)化、體積減小、可靠性和穩(wěn)定性提高。在信號(hào)傳輸方面，Ⅲ型儀表采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制：現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為4～20mADC，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為1～5VDC。這種電流傳送－電壓接收的并聯(lián)制信號(hào)傳輸方式，使每塊儀表都有可靠接地，便于同計(jì)算機(jī)、巡回檢測(cè)裝置等配套使用。它的4mA零點(diǎn)有利于識(shí)別斷電、斷線故障，且為兩線制傳輸創(chuàng)造了條件。此外，Ⅲ型儀表在結(jié)構(gòu)上更為合理，功能也更加完善。例如，它的安全火花防爆性能，為電動(dòng)儀表在易燃、易爆場(chǎng)合的放心使用提供了條件。7-2基本控制器及其應(yīng)用二、數(shù)字控制器隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的不斷提高，模擬控制儀表很難滿足生產(chǎn)要求。因?yàn)橐粔K模擬儀表只能控制一個(gè)變量，而大型企業(yè)中，需要檢測(cè)和控制的變量數(shù)以萬(wàn)計(jì)，若都采用模擬控制儀表，其占地之大，布線之繁，操作之不便，使得控制系統(tǒng)的可用性和可靠性都會(huì)大為降低。使用數(shù)字控制儀表即可解決上述問(wèn)題。(一)數(shù)字控制器的特點(diǎn)所謂數(shù)字控制儀表，是指具有微處理器的過(guò)程控制儀表。它采用數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合運(yùn)用。數(shù)字控制儀表以微處理器為運(yùn)算和控制的核心，主要是接受檢測(cè)變送儀表送來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)（4～20mADC或1～5VDC），經(jīng)過(guò)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后變成微處理器能夠處理的數(shù)字信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字控制器與常規(guī)的模擬控制器相比，具有如下特點(diǎn)：7-2基本控制器及其應(yīng)用1.實(shí)現(xiàn)了儀表、計(jì)算機(jī)一體化將微處理器引入儀表，使儀表與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了一體化。這樣可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的記憶功能以及快速的控制功能，使得儀表的電路簡(jiǎn)化、性能改善、功能增強(qiáng)。2..具有豐富的運(yùn)算、控制功能控制器內(nèi)的運(yùn)算模塊和控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算和控制功能。3.通用性強(qiáng)、使用方便數(shù)字控制器在外形結(jié)構(gòu)的面板布置上保留了模擬式儀表的模式，顯示及操作也沿用模擬儀表的方式，易為人們接受和掌握，所以使用非常方便。4.使用靈活、便于擴(kuò)展數(shù)字控制器內(nèi)部的功能模塊采用軟接線，外部采用硬接線，可以與模擬儀表兼容，為技術(shù)改造和革新提供了有利條件。5.可靠性高、維護(hù)方便控制器的軟件自診斷功能，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并能立即采取相應(yīng)的保護(hù)措施。操作人員可按照控制器的提示，排除故障。（二）數(shù)字控制器的組成原理圖7－2數(shù)字控制器組成框圖7-3執(zhí)行器所謂“執(zhí)行器”，就是用來(lái)執(zhí)行調(diào)節(jié)器下達(dá)命令的儀表，以改變操縱變量實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝變量的控制作用。執(zhí)行器按其使用的能源，可以分為電動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器和氣動(dòng)執(zhí)行器三大類。目前應(yīng)用最多的是氣動(dòng)執(zhí)行器。氣動(dòng)執(zhí)行器習(xí)慣上稱氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以純凈的壓縮空氣作為能源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作平穩(wěn)可靠、輸出推力較大、維修方便、防火防爆等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程控制中。氣動(dòng)執(zhí)行器除了可以方便地與各種氣動(dòng)儀表配套使用外，還可以通過(guò)電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，與電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制裝置聯(lián)用。7-3執(zhí)行器一、氣動(dòng)執(zhí)行器的組成及工作原理

氣動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，它根據(jù)控制信號(hào)的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，以控制介質(zhì)的流量。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的不同，氣動(dòng)執(zhí)行器有薄膜式和活塞式兩種。下面以薄膜式為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。圖7－3所示為薄膜式氣動(dòng)執(zhí)行器的外形示意圖。

圖7－3薄膜式氣動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理圖1－膜片2－彈簧3－推桿（上）閥桿（下）4－閥芯5－閥座6－閥體7－下膜蓋8－上膜蓋7-3執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)來(lái)自控制器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換儀表轉(zhuǎn)換成20～100kPa的氣壓信號(hào)，進(jìn)入由上下膜蓋與中間膜片組成的氣室時(shí)，在彈性膜片上產(chǎn)生一個(gè)向下（或向上——當(dāng)信號(hào)由下膜蓋引入時(shí)）的推力，使膜片和與之相連的推桿一起下（上）移；同時(shí)，平衡彈簧因受到壓縮而變形，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，直到這兩個(gè)力平衡，推桿便穩(wěn)定在某個(gè)位置上，相應(yīng)的閥門就有某個(gè)開(kāi)度。閥桿的位移（或行程）與控制信號(hào)的大小成正比關(guān)系。當(dāng)輸入信號(hào)消失，在彈簧回復(fù)力作用下恢復(fù)原狀。2．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)際上就是一個(gè)閥門，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。主要由閥體、閥芯和閥座等組成，如圖7－16中的下半部分所示。閥芯由閥桿與上半部的推桿用螺母連接，使其可以隨推桿一起動(dòng)作，改變閥芯與閥座之間的流通面積，達(dá)到控制流經(jīng)管道內(nèi)流量的目的。7-3執(zhí)行器二、調(diào)節(jié)閥的類型及工作方式（一）調(diào)節(jié)閥的類型調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式很多，其分類主要是依據(jù)閥體及閥芯的型式。主要類型有以下幾種：1．直通單座閥直通單座閥如圖7－4（a）所示。它的閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和閥座，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，全關(guān)時(shí)的泄漏量小。但因?yàn)殚y座前后有壓力差的作用，使得閥芯不易平衡，尤其是高壓差大口徑時(shí)的閥芯穩(wěn)定性很差。所以該閥僅適用于低差壓的場(chǎng)合。圖7－4調(diào)節(jié)閥閥體主要類型示意圖7-3執(zhí)行器2．直通雙座閥圖7－17（b）所示為直通雙座閥。閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座，流體流過(guò)上下閥芯時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不平衡力，但是這兩個(gè)不平衡力的方向相反，可以相互抵消。因此閥芯的穩(wěn)定性比直通單座閥要好得多。因其不平衡力小，動(dòng)作較靈敏，閥的口徑也可以做得較大，所以應(yīng)用很普遍。但由于加工裝配等原因，很難使兩個(gè)閥芯同時(shí)關(guān)閉，因此全關(guān)時(shí)的泄漏量較大。3．角型閥角型閥如圖7－17（c）所示。除了流體的進(jìn)出口成90o外，其余部分與單座閥相似。該閥的流路簡(jiǎn)單，阻力小，易于清洗，閥體內(nèi)不易積存污物，特別適合于高粘度以及含有懸浮顆粒介質(zhì)的控制。流體的流向一般是底進(jìn)側(cè)出，但在高壓場(chǎng)合，為了減少流體對(duì)閥芯的沖蝕，也可側(cè)進(jìn)底出。4．三通閥三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，分為分流式和合流式兩種。分流式如圖7－17（d）所示，它可把一路流體分成兩路。合流式如圖7－17（e）所示，它將兩路流體合成一路。工作時(shí)，閥芯移動(dòng)，一路流量增加，另一路流量減少，二者成一定比例而總量不變。一般用于代替兩個(gè)直通閥，對(duì)熱交換器等裝置的旁路進(jìn)行控制。7-3執(zhí)行器5．蝶形閥蝶形閥又稱擋板閥，如圖7－17（f）所示。它是通過(guò)氣動(dòng)信號(hào)作用于杠桿，杠桿再帶動(dòng)擋板偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變流通面積。蝶形閥適用于低壓差，大流量的氣體控制；也可用于含少量懸浮物及纖維或粘度不高的液體控制，但泄漏量大。6．隔膜閥隔膜閥如圖7－17（g）所示。為了防止閥芯被腐蝕，在閥芯和閥座間裝有耐腐蝕的隔膜，如聚四氟乙烯、氯丁橡膠等。閥體內(nèi)也采用了耐腐蝕的襯里，如橡膠、陶瓷、聚乙烯等。工作時(shí)，由閥芯帶動(dòng)隔膜上下動(dòng)作，改變隔膜與閥體堰面間的流通面積而控制流體的流量。該閥流路簡(jiǎn)單，幾乎無(wú)泄漏，適合于腐蝕性介質(zhì)的控制，也可用于控制有毒介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)、貴重介質(zhì)以及真空?qǐng)龊系取?．籠式閥籠式閥又稱為套筒閥，其結(jié)構(gòu)如圖7－17（h）所示?；\式閥的外形與一般直通閥相似，在閥體內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒（或籠子），套筒內(nèi)有閥芯，套筒壁上有許多不同形狀的孔（窗口）。當(dāng)閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，就改變了“窗口”的流通面積，即可改變流體流量?；\式閥的可調(diào)比（調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量之比）大，不平衡力小，振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，套筒的互換性好，更換不同的套筒即可得到不同的流量特性，部件所受的汽蝕也小，是一種性能優(yōu)良的調(diào)節(jié)閥，特別適用于差壓較大以及需要降低噪音的場(chǎng)合。但使用中要求流體潔凈，不能含有固體顆粒。7-3執(zhí)行器8．凸輪撓曲閥該閥又叫做偏心旋轉(zhuǎn)閥，結(jié)構(gòu)如圖7－17（i）所示。它的閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂和軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)軸上，閥芯從全關(guān)到全開(kāi)的轉(zhuǎn)角為90o左右。閥體為直通型。其特點(diǎn)有：可調(diào)比大（可達(dá)50比1或100比1），使用溫度范圍寬（－195～＋400℃），對(duì)流體的阻力小，密封性能好，體積小，重量輕，價(jià)格低。適用于粘度大的介質(zhì)及一般場(chǎng)合。9．球閥球閥的閥芯有“V”形和“O”形兩種開(kāi)口型式。圖7－17（j）所示為“O”形閥芯的球閥，它一般用于雙位式控制的切斷場(chǎng)合；“V”形閥芯的球閥一般用于流量特性近似等百分比的控制系統(tǒng)。7-3執(zhí)行器（一）調(diào)節(jié)閥的工作方式

氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的工作方式有氣開(kāi)式和氣關(guān)式兩種。1．氣開(kāi)式氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥是指：當(dāng)輸入的氣壓信號(hào)小于20kPa時(shí)，閥門為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)輸入的氣壓增大時(shí)，閥門開(kāi)度增加。即“有氣則開(kāi)，無(wú)氣（≤20kPa）則關(guān)”。圖7－5中的（b）圖和(c)圖為氣開(kāi)閥。其中(b)圖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為正作用，閥芯反裝；（c）圖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為反作用，閥芯正裝。2．氣關(guān)式氣關(guān)式與氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥正好相反：當(dāng)輸入的氣壓信號(hào)小于20kPa時(shí)，閥門為全開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)輸入的氣壓增大時(shí)，閥門開(kāi)度減小。即“有氣則關(guān)，無(wú)氣（≤20kPa）則開(kāi)”。如圖7－5（a）、（d）所示。其中（a）圖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為正作用，閥芯正裝；（d）圖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為反作用，閥芯反裝。圖7－5

調(diào)節(jié)閥工作方式示意圖7-3執(zhí)行器氣開(kāi)式和氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)大體相同，只是輸入信號(hào)引入的位置和閥芯的安裝方向不同。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)氣關(guān)類型的選擇很重要，選擇的原則主要是考慮生產(chǎn)的安全。當(dāng)信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害人員。例如：控制加熱爐的燃?xì)饬髁繒r(shí)，一般應(yīng)選用氣開(kāi)式。當(dāng)控制器出現(xiàn)故障或執(zhí)行器供氣中斷時(shí)，氣開(kāi)式的閥門會(huì)全關(guān)，停止燃?xì)夤?yīng)，可避免爐溫繼續(xù)升高而導(dǎo)致事故。再如：對(duì)于易結(jié)晶的流體介質(zhì)，應(yīng)選用氣關(guān)式，當(dāng)出現(xiàn)意外時(shí)，氣關(guān)式的閥門全開(kāi)；若選用氣開(kāi)式，則閥門全關(guān)，就會(huì)使得管道內(nèi)的介質(zhì)結(jié)晶，導(dǎo)致不良后果。7-3執(zhí)行器三、調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥流量特性是指流體介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系,即：調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度時(shí)的流量F與全開(kāi)時(shí)流量Fmax之比即相對(duì)流量。調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度下的行程l與全開(kāi)時(shí)行程L之比，即相對(duì)開(kāi)度。

調(diào)節(jié)閥的流量特性主要有快開(kāi)型、直線型、拋物線型和等百分比型等幾種。

7-3執(zhí)行器1．快開(kāi)型流量特性

快開(kāi)型調(diào)節(jié)閥，對(duì)應(yīng)的特性如圖7－6中的曲線1?？梢?jiàn)，在小開(kāi)度時(shí)，流量就很大，隨著行程增加，流量很快達(dá)到最大，“快開(kāi)”。

2．直線型直線型流量特性是指相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)系，即閥芯單位行程變化時(shí)，引起的流量變化為常數(shù)，對(duì)應(yīng)的特性如圖7－6中的曲線2。

3．等百分比型

等百分比型又稱為對(duì)數(shù)型。它的單位行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比，即調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù)隨相對(duì)流量增加而增加，如圖7－6中的曲線4所示。其特點(diǎn)是：在行程變化相同的數(shù)值情況下，流量小時(shí)，流量變化量小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和；流量大時(shí)，調(diào)節(jié)靈敏有效。4．拋物線型

拋物線型介于直線型和等百分比型之間，它的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間成拋物線關(guān)系。對(duì)應(yīng)的特性如圖7－6中的曲線3。

圖7－6理想流量特性

7-3執(zhí)行器四、調(diào)節(jié)閥的選擇與安裝（一）調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇一般應(yīng)考慮三個(gè)方面：氣開(kāi)/氣關(guān)型式、結(jié)構(gòu)型式和流量特性。1．氣開(kāi)/氣關(guān)型式的選擇氣開(kāi)/氣關(guān)形式的選擇關(guān)系到生產(chǎn)的安全，選擇的原則在前面部分已經(jīng)敘及。2．結(jié)構(gòu)型式的選擇結(jié)構(gòu)型式的選擇首先要考慮工藝條件，如介質(zhì)的壓力、溫度、流量等；其次考慮介質(zhì)的性質(zhì)，如粘度、腐蝕性、毒性、狀態(tài)、潔凈程度；還要考慮系統(tǒng)的要求，如可調(diào)比、噪聲、泄漏量等。7-3執(zhí)行器（二）調(diào)節(jié)閥的安裝調(diào)節(jié)閥在實(shí)際使用中能否起到良好作用，除了與上述的選擇是否得當(dāng)有關(guān)外，還與調(diào)節(jié)閥的安裝有關(guān)。安裝得合理，將便于拆卸、維護(hù)和維修，使其能保持良好的運(yùn)行工況。因此，安裝時(shí)應(yīng)注意下述幾點(diǎn)：1．調(diào)節(jié)閥應(yīng)垂直安裝在水平管道上，特殊情況需要水平或傾斜安裝時(shí)，除公稱通徑小于50mm的調(diào)節(jié)閥以外，都必須在閥前后加裝支撐件。2．調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量安裝在靠近地面或樓板的地方，上下都要留有足夠的空間，以利操作和維護(hù)維修。必要時(shí)應(yīng)設(shè)置平臺(tái)。3．調(diào)節(jié)閥的環(huán)境溫度應(yīng)在－30℃～＋60℃之間。當(dāng)閥安裝于有振動(dòng)的場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)考慮防振措施。7－7調(diào)節(jié)閥旁路示意圖4．當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于高粘度、易結(jié)晶、易汽化以及低溫流體時(shí)，應(yīng)采取防冷和保溫措施。5．安裝時(shí)要保證流體流動(dòng)方向與閥體上的箭頭方向一致。6．調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)置旁路閥，以便在調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障時(shí)可通過(guò)旁路閥繼續(xù)維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥的兩端應(yīng)裝切斷閥，如圖7－7所示。一般切斷閥選用閘閥，旁路閥選用球閥。7．當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于較高粘度或含懸浮物的流體時(shí)，應(yīng)加裝沖洗管線。圖7－7調(diào)節(jié)閥旁路示意圖

7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一一、項(xiàng)目一：差壓變送器的應(yīng)用（一）訓(xùn)練步驟：1.在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)差壓變送器進(jìn)行觀察、解讀，包括其銘牌數(shù)據(jù)、型號(hào)規(guī)格、各部件名稱、安裝及管（電）路的連接情況等；2.以小組為單位，進(jìn)行差壓變送器的校驗(yàn)及零點(diǎn)遷移操作。（1）實(shí)訓(xùn)儀表及工具：減壓閥2個(gè)、壓力表1個(gè)、氣動(dòng)定值器1個(gè)、單管壓力計(jì)1個(gè)、高壓閥1個(gè)、電動(dòng)差壓變送器1個(gè)、毫安表1只、電阻箱1個(gè)、直流電源1個(gè)、氣源1個(gè)、管件若干。（2）按照?qǐng)D7-8所示，進(jìn)行系統(tǒng)安裝，先將差壓變送器固定好后，再按圖連接好電氣線路，氣源經(jīng)減壓閥、氣動(dòng)定值器提供差壓變送器正壓室的氣壓信號(hào)，即作為差壓信號(hào)輸入（因?yàn)樨?fù)壓室放空）。調(diào)整氣動(dòng)定值器，觀察標(biāo)準(zhǔn)壓力表，可得輸入差壓信號(hào)的大小。（3）按照工作任務(wù)要求，通過(guò)各部件的調(diào)整，使輸出電流表的指示值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較而得到的誤差控制在一定的范圍內(nèi)，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿足差壓變送器銘牌要求進(jìn)行精度校驗(yàn)。7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一圖7-8差壓變送器實(shí)訓(xùn)接線圖

1—減壓閥；2—壓力表；3—?dú)鈩?dòng)定值器；4—單管壓力計(jì)；5—減壓閥；6—高壓閥；7—平衡閥；8—差壓變送器；9—0.2級(jí)直流毫安表；10—電阻箱（變送器負(fù)載為350歐姆）；11—24VDC電源箱7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一1）差壓變送器的檢查a.檢查各正、負(fù)壓接口是否正確，電源線、信號(hào)線連接是否正確。b.關(guān)閉閥5，打開(kāi)閥7和閥6，向差壓變送器正、負(fù)壓室同時(shí)通入額定工作壓力，觀察儀表有無(wú)泄漏，若有，應(yīng)查找原因并進(jìn)行消除。2）差壓變送器的基本誤差和變差校驗(yàn)a.零點(diǎn)調(diào)整關(guān)閉閥6，打開(kāi)閥5和閥7，使得正、負(fù)壓室都通大氣，觀察此時(shí)輸出電流是否為4mA，如果不對(duì)，用調(diào)零裝置進(jìn)行調(diào)整。7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一b.量程調(diào)整待差壓變送器零位調(diào)整好以后，關(guān)閉閥7，打開(kāi)閥5和閥6，用定值器逐漸加壓增至量程上限5000Pa，此時(shí)差壓變送器的輸出電流應(yīng)等于20mA。如果不等于20mA，應(yīng)調(diào)整量程調(diào)整裝置，使得差壓變送器的輸出電流為20mA。應(yīng)當(dāng)注意，零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，直到兩者均合格為止。7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一c.精度檢驗(yàn)將差壓測(cè)量范圍平均分成5個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)。其方法是：從0開(kāi)始，改變定值器逐漸加壓增至1250Pa、2500Pa、3750Pa、5000Pa，分別讀取正行程時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電流值，然后依次減小壓力，讀取反行程時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電流值，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)算出基本誤差和變差，從而確定儀表的精度。如果基本誤差和變差不符合要求，要反復(fù)調(diào)整零位和量程直到滿足要求為止。如果線性誤差太大，應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的裝置。

7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一（4）會(huì)進(jìn)行零點(diǎn)遷移調(diào)整，對(duì)測(cè)量范圍為0-5000Pa的差壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)正遷移，遷移量為2000Pa，使測(cè)量范圍變?yōu)?000-7000Pa。在前面測(cè)量范圍已調(diào)到0-5000Pa的基礎(chǔ)上，輸入的2000Pa差壓信號(hào)，此時(shí)，只允許調(diào)整零點(diǎn)遷移裝置，使輸出電流為4mA。接著再輸入7000Pa的差壓信號(hào)，調(diào)整量程調(diào)整裝置，使輸出電流為20mA。將結(jié)果填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。若不理想，則稍加調(diào)整即可。(5)注意事項(xiàng)1）嚴(yán)禁電接錯(cuò)；2）嚴(yán)格按照“沒(méi)通電，不加壓，先卸壓，再斷電”規(guī)則進(jìn)行；7-4訓(xùn)練項(xiàng)目一差壓變送器校驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表輸入差壓（）01250250037505000標(biāo)準(zhǔn)輸出電流（mA）48121620正行程輸出電流（mA）正行程測(cè)量誤差（mA）反行程輸出電流（mA）反行程測(cè)量誤差（mA）基本誤差％變差精度7-4訓(xùn)練項(xiàng)目二二、項(xiàng)目二：PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用（一）訓(xùn)練步驟：1.在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合實(shí)際的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，仔細(xì)閱讀其使用說(shuō)明書(shū)，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行認(rèn)真地觀察、解讀，包括其銘牌數(shù)據(jù)、型號(hào)規(guī)格、面板示值、各操作部件名稱與功能、與其他儀表的連接情況等；2.以小組為單位，熟悉調(diào)節(jié)器的操作方法，進(jìn)行在線的手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換、內(nèi)/外設(shè)定切換、正/反作用選擇等操作，合理選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律（P、I、D）。7-4訓(xùn)練項(xiàng)目三三、項(xiàng)目三：執(zhí)行器的應(yīng)用（一）訓(xùn)練步驟：1.在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行觀察、解讀，包括其銘牌數(shù)據(jù)、型號(hào)規(guī)格、各部件名稱及其作用、電/氣線路及管路的連接等；2.以小組為單位，進(jìn)行氣（電）動(dòng)調(diào)節(jié)閥的管路、氣（電）路的連接，調(diào)節(jié)