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热工仪表及自动化 （适用于热工、制冷、储运、智建专业） 热工仪表,自动控制系统的关键部件,对象√ 测量、变送 传感器、变送器、显示、报警、记录装置 调节器 执行器 执行机构、调节机构,主要内容 基本控制规律 数字式调节器的调节规律 执行器 运算器(选修),第五章 热工控制仪表,§5-1基本控制规律,,调节器的控制规律用数学表达式为：C=f(e),一、两位式调节规律,两位式 输入和输出如图： 呆滞区：不能引起调节器动作的被调量对定值偏差区 被调量对设定值的偏差不超出呆滞区间，输出保持不变,输入和输出如图：,理想输出 实际输出 呆滞区存在可以延长调节器的使用寿命，避免频繁动作,双位控制器,二、三位式调节规律,三种状态 100% 0 -100%,输入和输出如图：,理想输出 实际输出,三、比例调节,比例调节：调节器的输出和输入成比例关系传递函数为：Kc：调节器的放大倍数 调节作用以偏差的存在为前提，被调量受干扰偏离设定值后不可能恢复到设定值,比例作用压力调节器,比例带,不表示比例作用的强弱，表示作用的范围,四、比例积分控制,积分控制规律 积分控制规律：调节器的输出变化量，与输入偏差随时间的积分成正比 数学表达式为:△Ｃ＝Ｋｉ∫ｅdt 比例积分控制规律 比例积分控制规律是比例与积分两种控制作用的组合 其数学表达式为:,,积分调节器阶跃响应及Matlab模拟,输入红线 输出黄线,积分调节器的特点：,偏差存在时，调节器的输出将随时间不断变化，直到偏差消除 总从0开始，不及时，不单独使用，常和比例调节一起组成比例积分调节TI大，积分速度慢,比例积分控制,积分时间及其对系统过渡过程的影响 在比例积分控制系统中，若保持调节器比例度不变，积分时间对过渡过程的影响如图3-11所示。

从图中可以看出，积分时间对过渡过程的影响具有双重性随着积分时间Ｔi的减小， 积分作用增强，即在相同的扰动作用下，调节器的输出较大，余差消除快，最大偏差减小，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降Ｔi过小，还可能导致系统的不稳定,比例积分作用压力调节器,五、比例微分控制,微分控制规律 微分控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差变化的速度成正比 数学表达式为： 比例微分控制规律 比例微分控制规律:是比例与微分两种控制作用的组合 数学表达式为：,,,比例微分调节的特点,根据被调量的变化趋势，防止被调量出现更大的偏差，使偏差消失于萌芽中 输出和偏差变化的速度成正比 提供系统稳定性的作用 微分时间越长，或偏差变化的速度大，微分作用就强,六、比例积分微分控制,比例积分微分控制规律是比例、积分与微分三种控制作用的组合 数学表达式为： 三作用调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围宽广比例积分微分控制,各种控制过程常用的控制规律如下： 液位：滞后不大，一般控制要求不高，用P或PI控制规律 流量：滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音，用PI或加反微分加以控制 压力：介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等，用P或PI控制规律。

温度：容量滞后较大，时间常数大，常用PID控制规律比例微积分调节,理想的比例微积分调节（PID）实际的PID调节传递函数为：,PID调节器的阶跃响应曲线,比例,比例微分积分,积分,微分,比例积分微分调节的特点,快速、敏捷 平稳准确 三项需适当配合 三种作用在任何时候都协调工作,七、传感器和变送器的特性,传感器 有一定的容量，如热电偶，在没有套管时，单容元件，为一阶惯性环节， 传感器的时间常数与对象的时间常数相比很小时，看作比例环节 变送器 将被测信号转变成标准信号，比例环节,§5-2 数字式调节器的调节规律,一、采样过程和Z变换 用数字计算机作为系统控制器，对连续的受控对象进行控制， 离散信号： 纯离散系统 采用系统：,采样过程,把连续信号转换成离散信号的过程,零阶保持,使采样信号每一个采样瞬时的值保持到下一个采样瞬时，处于每个采样区间内的值为常数，导数为零,一阶保持,使采样信号每一个采样瞬时的值保持到下一个采样瞬时，处于每个采样区间内的值为常数，导数为零,Z变换,连续系统分析中，拉氏变化，将系统的微分方程转换为代数方程 采样系统分析中， Z变换将差分方程转换为代数方程进行拉氏变化可得：,二、数字PID控制,位置式控制算法,m(k)是第K次采样的调节器的输出，它直接决定了执行结构的位置，称为位置式算法,增量式控制算法,当执行机构需要的是控制量的增量时，采用增量式PID控制，控制增量仅与最近的第K次取样有关，误动作时影响较小,PID控制算法的改进,积分分离算法 微分先行的PID控制 带死区的PID控制,积分环节的目的是消除余差 启动、结束、大幅度增减设定 引起较大的超调 当被控量和设定值偏差较大时取消积分作用,积分分离算法,微分先行PID控制算法,只对输出量进行微分，而对设定值不作微分，改变设定值，输出不会改变，被控量的输出通常比较缓和 适合与设定值频繁变的场合,带死区的PID控制,为了避免控制作用过于频繁， 消除由于频繁动作而引起的振荡,§5-3 调节器,主要内容： 一、DDZ-Ⅲ型调节器 二、数字调节器 三、组装式控制装置,一、单元组合式调节器,DDZ－Ⅱ型调节器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,输入 电路,直流放大器,PID运算电路,手操作,隔离电路,偏差指示,指示电路,输入I,设定,输出,输入电路,输入通道 一般单独使用主输入通道，由于副输入通道的信号不通过偏差指示表而不单独使用 设定电路 为了便于实现定值控制或串级等复杂控制，调节器有内设定和外设定两种方式，可通过“内─外”切换开关加以选择,PID运算电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,隔离电路,,DDZ－Ⅲ型调节器,采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元──安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表的安全性、可靠性显著提高。

采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA直流电流，控制室联络信号为1-5V 直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250ΩDDZ-Ⅲ型调节器,单元组合仪表中的重要元件 接受1~5VDC输入，与1~5VDC给定信号比较，输出4~20mADC 全刻度指示调节器 偏差指示调节器,DDZ－Ⅲ型调节器,采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，简化了线路，减少了元器件， 提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗 在基型调节器的基础上易于组成各种变形的特殊调节器 有软、硬两种手动操作方式，自动－软手动的切换是双向无平衡无扰动切换， 提高了调节器的操作性能,DDZ-III型调节器的组成,控制单元 输入电路 比例微分电路 比例积分电路 输出电路 软手动和硬手动 指示单元 输入信号指示电路 给定信号指示电路,辅助电路,输入电路：获得输入型号和给定信号之差成比例的偏差信号输出电路 软手动和硬手动,二、数字调节器,数字式调节器的主要特点是 保留了模拟式调节仪表所有的优点 模拟和数字技术混用 可靠性高 通用性强 采用面向用户的语言 具有标准的通信功能,,数字式调节器的硬件构成,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ROM,EPROM,RAM,WDT,CPU,IOD2,IOD1,D/A,,,数字式调节器,三、组装式电子综合控制装置,模拟组件 转换组件 计算组件 调节组件 控制组件 给定组件 显示器 操作器 电源,组装式电子综合控制装置,数字逻辑组件 监控系统 ：有固定监控、可变监控、巡回监控等功能 逻控系统 ：具有程序控制功能，解决过程控制中的程序控制、联锁及系统启停等问题 专用接口装置 ：用以解决ＴＦ型仪表与计算机的联用问题,§5-4 执行器,执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定的要求正常进行 一、气动薄膜调节阀 二、阀门定位器 三、DKJ型电动执行器,一、气动薄膜调节阀,气动薄膜调节阀的组成 气动薄膜调节阀的类型 调节阀的流量特性 气动薄膜阀的选择 气动薄膜调节阀的动态特性和变差 气动薄膜调节阀的安装,气动薄膜调节阀的组成,气动薄膜调节阀是由上部的薄膜执行机构和下部的调节机构两部分组成,,,,,,,,执行机构,调节机构,执行机构,气动薄膜调节阀的执行机构是由波纹膜片、上下膜盖、平稳弹簧等部件组成的,调节机构,调节机构是由阀体、阀杆、阀芯、阀座等部件所组成,,,,,,,阀心,阀杆,阀体,气动薄膜调节阀的类型,直通单座调节阀 三通调节阀 蝶阀 高压角形调节阀 隔膜调节阀 直通双座调节阀,直通单座调节阀,,气动薄膜调节阀,三通调节阀,三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体合为一路， 它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀,二位三通电磁阀,蝶阀,蝶阀又称为翻板阀。

其结构如图它利用挡板的旋转改变流通面积来控制流量,高压角形调节阀,铸造成型的角形结构，如图所示为了延长使用寿命，适应高压差下流体的冲刷和气蚀，阀芯头部可采用硬质合金或可淬硬钢渗铬等，阀座则采用可淬硬钢渗铬,隔膜调节阀,隔膜调节阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀的隔膜代替阀芯组件，由隔膜起控制作用，如图所示,直通双座调节阀,直通双座调节阀的结构如图所示阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入， 通过阀芯阀座后汇合，从右侧流出,直接控制式电磁阀,调节阀的流量特性,调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度 数学表达式为： 理想流量特性 ：调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性 直线流量特性 其数学表达式为： 对数流量特性 其数学表达式为： 快开流量特性在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小,,,,调节阀的流量特性,工作流量特性：调节阀前后压差变化时的流量特性 系统的总压差,,,,,,,,,,,,,气动薄膜阀的选择,调节阀结构型式的选择 要根据工艺条件差、工艺介质的物理化学性、是否有毒性、是否含悬浮颗粒等。

过程控制的要求如精度、可调比、噪音等并参照各种调节阀的特点，兼顾其经济性来选择调节阀的类型，同时还必须考虑调节阀的材质、公称压力等级和上阀盖的型式及所用的密封填料等问题,气动薄膜阀的选择,气开、气关形式的选择 调节阀的流量直接影响到系统的控制质量和稳定性，需要正确选择快开特性一般应用于双位控制和程序控制，因此流量特性的选择主要是直线特性和对数特性的选择气动薄膜阀的选择,调节阀口径的确定 调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件，对不可压缩流体，可推导出流经调节阀的流量为： 公式：,,气动薄膜调节阀动态特性和变差,气动薄膜调节阀的动态特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,p,c,减小调节阀时间常数的措施是： 尽量缩短气压信号管线的长度 气压信号传送管线的直径要选择得当 采用阀门定位器,气动薄膜调节阀的安装,调节阀应正立安装在水平管道上，特殊情况下需要倾斜安装时，除小口径调节阀外， 一般应加支撑 调节阀应尽量安装在靠近地面或楼板地方,其上、下方应有足够的空间， 以便维护和检修 调节阀应安装在温度低于60℃度，高于－40℃，相对湿度小于80%、无振动、无腐蚀的地方，为避免膜片受热老化，调节阀的上膜盖与载热管道或设备之间的距离应大于200mm,气动薄膜调节阀的安装,调节阀的公称通径与管道通径不同时，两者之间应加一段异径管 ,为使调节阀的控制作用显著，管道口径一般都大于调节阀的口径 调节阀安装时一般应设置旁路，并装有旁路阀和切断阀，在调节阀发生故障需要维修或拆装时，可通过旁路继续维持生产 调节阀必须经常维护和定期检修,。