第5章 自動控制儀表(化工儀表及自動化林德杰)

1、第5章自動控制儀表5.1控制器的發(fā)展與分類5.2控制器基本控制規(guī)律5.3模擬式控制器5.4數(shù)字式控制器5.5執(zhí)行器5.6調(diào)節(jié)機構(gòu)5.7執(zhí)行機構(gòu)5.8電氣轉(zhuǎn)換器和電氣閥門定位器5.9執(zhí)行器的選擇5.1控制器的發(fā)展與分類5.1.1控制器的發(fā)展過程5.1.2控制器的分類5.1.1控制器的發(fā)展過程1.基地式控制器2.單元組合式控制器3.組裝式控制器4.數(shù)字智能式控制器5.1.2控制器的分類1)按使用的能源來分，有氣動控制器和電動控制器。2)按結(jié)構(gòu)形式來分，有基地式控制器、單元組合式控制器和組裝式控制器等。3)按信號類型來分，有模擬式控制器和數(shù)字式控制器。4)按控制規(guī)律來分，有雙位控制器和PID控制器，

2、其中PID控制器包括比例控制器、積分控制器、微分控制器、比例積分控制器、比例微分控制器、比例積分微分控制器。5.2控制器基本控制規(guī)律5.2.1雙位控制5.2.2比例控制(P)5.2.3比例積分控制(PI)5.2.4比例微分控制(PD)5.2.5比例積分微分控制(PID)5.2.6PID控制規(guī)律總結(jié)用數(shù)學(xué)表達式描述控制規(guī)律如下：u=f(e)=f(zx) (5-1)5.2.1雙位控制圖5-1理想的雙位控制特性理想的雙位控制器其輸出u和輸入偏差e之間的關(guān)系為u=umax，e0(或e0)時umin，e0)時 (5-2)理想的雙位控制特性如圖5-1所示。圖5-2雙位控制的液位控制系統(tǒng)圖5-3帶中間區(qū)的雙

3、位控制規(guī)律圖5-4帶中間區(qū)的雙位控制過程圖5-5比例控制系統(tǒng)根據(jù)相似三角形原理，有 ab=ue 即u=abe (5-3) 式中，e表示杠桿左端的位移，即液位的變化量；u表示杠桿右端的位移，即閥桿的位移量；a、b分別表示杠桿支點與兩端的距離。偏差就是被控變量測量值的變化量)e之間成比例關(guān)系，即 u=KPe (5-4) 式中，KP為可調(diào)的放大倍數(shù)(比例增益)。比例度就是指控制器輸入的變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù)，用公式表示為 =exmaxxminuumaxumin100% (5-5)將式(5-4)的關(guān)系代入式(5-5)，經(jīng)整理后可得 =1KP umaxuminxmaxxmin100

4、% (5-6)5.2.2比例控制(P)圖5-6比例度與輸入輸出關(guān)系圖5-7比例控制系統(tǒng)過渡過程圖5-8比例度對過渡過程的影響1小于臨界值2等于臨界值3偏小4適當(dāng)5偏大6太大5.2.3比例積分控制(PI)1.積分控制2.比例積分控制1.積分控制圖5-9積分控制器特性積分控制作用的輸出變化量u與輸入偏差e的積分成正比：式(5-7)2.比例積分控制比例積分控制規(guī)律可用下式表達：u=KPe+KIedt (5-8)經(jīng)常采用積分時間TI來代替KI，TI=1KI，式(5-8)為u=KPe+1TIedt (5-9)圖5-10比例積分控制器特性圖5-11積分時間對過渡過程的影響1太小2適當(dāng)3太大45.2.4比例

5、微分控制(PD)1.微分控制2.比例微分控制1.微分控制在自動控制時，這就要求控制器具有微分控制規(guī)律，控制器的輸出信號與偏差信號的變化速度成正比，即u=TDdedt (5-10)式中，TD表示微分時間；dedt表示偏差信號變化速度。2.比例微分控制比例微分控制規(guī)律(見圖5-13)為u=KPe+TDdedt (5-11)圖5-12微分控制器特性圖5-13比例微分控制器特性5.2.5比例積分微分控制(PID)圖5-14比例積分微分控制特性比例積分微分控制規(guī)律為u=KPe+1TIedt+TDdedt (5-12)5.2.6PID控制規(guī)律總結(jié)表5-1幾種PID控制規(guī)律的特點及適用場合5.3模擬式控制器

6、圖5-15全刻度指示控制器組成框圖圖5-16DTL3100型控制器面板圖1自動、軟手動、硬手動切換開關(guān)2雙針垂直指示器3內(nèi)給定設(shè)定輪4輸出指示器5硬手動操作桿6軟手動操作板鍵7外給定指示燈8閥位指示器9輸出記錄指示10位號牌11輸入檢測插孔12手動輸出插孔5.4數(shù)字式控制器5.4.1數(shù)字式控制器的組成5.4.2可編程序控制器5.4.3專家自整定控制器5.4.1數(shù)字式控制器的組成1.微機單元2.輸入電路3.輸出電路4.人機對話接口電路圖5-17數(shù)字式調(diào)節(jié)器的組成框圖5.4.2可編程序控制器1. PLC的組成2. PLC的內(nèi)部等效繼電器電路3. PLC的工作原理4. PLC的應(yīng)用及發(fā)展趨勢1. P

7、LC的組成圖5-18PLC的組成2. PLC的內(nèi)部等效繼電器電路圖5-19繼電器控制系統(tǒng)圖5-20PLC的等效繼電器控制電路3. PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。4. PLC的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(1

8、)開關(guān)量的邏輯控制(2)模擬量控制(3)運動控制(4)過程控制(5)數(shù)據(jù)處理(6)通信及聯(lián)網(wǎng)5.4.3專家自整定控制器圖5-21專家自整定控制器原理框圖5.5執(zhí)行器5.5.1執(zhí)行器的分類及特點5.5.2執(zhí)行器的組合方式5.5.3執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)5.5.1執(zhí)行器的分類及特點1.氣動執(zhí)行器2.電動執(zhí)行器3.液動執(zhí)行器5.5.2執(zhí)行器的組合方式1.氣動控制器閥門定位器氣動執(zhí)行器2.氣動控制器氣/電轉(zhuǎn)換器電動執(zhí)行器3.電動控制器電/氣閥門定位器氣動執(zhí)行器5.5.2執(zhí)行器的組合方式圖5-22執(zhí)行器的各種組合方式5.5.3執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)圖5-23氣動執(zhí)行器的外形5.6調(diào)節(jié)機構(gòu)5.6.1調(diào)節(jié)閥的分類5.6

9、.2調(diào)節(jié)閥的流量特性5.6.1調(diào)節(jié)閥的分類1.直行程式調(diào)節(jié)閥2.角行程式調(diào)節(jié)閥1.直行程式調(diào)節(jié)閥(1)直通單座閥(2)直通雙座閥(3)角形閥(4)三通閥(5)套筒閥圖5-24常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖a)直通單座閥b)直通單座閥c)直通雙座閥d)角形閥e)三通閥f)三通閥g)蝶閥h)套筒閥i)凸輪撓曲閥1閥桿2閥芯3閥座4下閥蓋5閥體6上閥蓋7閥軸8閥板9柔臂10轉(zhuǎn)軸11套筒2.角行程式調(diào)節(jié)閥(1)蝶閥(2)凸輪撓曲閥5.6.2調(diào)節(jié)閥的流量特性1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性2.調(diào)節(jié)閥的工作流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移(即閥的相對開度)之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達式為QQmax=f

10、 lL (5-14)1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性(1)直線流量特性dQQmaxdlLmax=K (5-15)QQmax=KlL+C (5-16)C=QminQmax=1R，K=1C=11R (5-17)QQmax=1R1+(R1)lL (5-18)(2)等百分比流量特性dQQmaxdlLmax=KQQmax (5-19)Quad=RlL1 (5-20)(3)拋物線流量特性dQQmaxdlLmax=KQQmax12 (5-21)QQmax=1R1+(R1)lL2 (5-22)(4)快開型流量特性1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性圖5-25調(diào)節(jié)閥的理想流量特性1快開2直線3拋物線4等百分比1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特

11、性圖5-26不同流量特性的閥芯形狀1快開2直線3拋物線4等百分比2.調(diào)節(jié)閥的工作流量特性(1)串聯(lián)管道的工作流量特性(2)并聯(lián)管道的工作流量特性(1)串聯(lián)管道的工作流量特性圖5-27串聯(lián)管道的情況圖5-28管道串聯(lián)時調(diào)節(jié)閥壓差變化情況圖5-29管道串聯(lián)時調(diào)節(jié)閥的工作流量特性a)理想特性為直線型b)理想特性為等百分比型(2)并聯(lián)管道的工作流量特性1)串、并聯(lián)管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴(yán)重。2)串、并聯(lián)管道都會使調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。3)串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加。4)串、并聯(lián)管道都會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，即輸入信號變化引起的

12、流量變化值減小；串聯(lián)管道時調(diào)節(jié)閥若處于大開度，則S值降低對放大系數(shù)影響更為嚴(yán)重；并聯(lián)管道時調(diào)節(jié)閥若處于小開度，則x值降低對放大系數(shù)影響更為嚴(yán)重。圖5-30并聯(lián)管道的情況圖5-31并聯(lián)管道時調(diào)節(jié)閥的工作流量特性a)直線理想特性b)等百分比理想特性5.7執(zhí)行機構(gòu)5.7.1電動執(zhí)行機構(gòu)5.7.2氣動執(zhí)行機構(gòu)5.7.1電動執(zhí)行機構(gòu)圖5-32電動執(zhí)行機構(gòu)組成框圖5.7.2氣動執(zhí)行機構(gòu)1.氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)2.氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)圖5-33氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理1上膜蓋2膜片3下膜蓋4推桿5支架6壓縮彈簧7彈簧座8調(diào)節(jié)桿9連接閥桿螺母10行程標(biāo)尺圖5-34氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)5.8電氣轉(zhuǎn)換器和電氣閥門定位器

13、1.電氣轉(zhuǎn)換器2.電氣閥門定位器1.電氣轉(zhuǎn)換器圖5-35電氣轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)原理1杠桿2動圈3擋板4噴嘴5彈簧6波紋管7支承8重錘9氣動功率放大器圖5-36電氣閥門定位器的原理1電磁線圈2彈簧3主杠桿4、14支點5反饋凸輪6副杠桿7薄膜氣室8反饋桿9滾輪10反饋彈簧11調(diào)零彈簧12噴嘴13氣動功率放大器5.9執(zhí)行器的選擇5.9.1執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的選擇5.9.2調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇5.9.3調(diào)節(jié)閥口徑的選擇執(zhí)行器的選擇，主要從以下三個方面考慮：1)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式。2)調(diào)節(jié)閥的流量特性。3)調(diào)節(jié)閥的口徑。圖5-37正反作用組合方式表5-2組 合 方 式5.9.1執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的選擇例5-1圖5-38中的液面調(diào)節(jié)回路，工藝要求故障情況下送出的氣體中不允許帶有液體。解：因工藝要求故障情況下送出的氣體不允許帶液，故當(dāng)氣源壓力為零時，閥門應(yīng)打開，所以調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)式。當(dāng)液位上升時，要求調(diào)節(jié)閥開度增大，由于所選取的是氣關(guān)調(diào)節(jié)閥，故要求控制器輸出減少，控制器是反作用。圖5-38液面調(diào)節(jié)回路5.9.2調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇1.從控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)分析2.從工藝配管情況分析3.從負(fù)荷變化情況分析表5-3氣動調(diào)節(jié)閥的工作流量特性5.9.3調(diào)節(jié)閥口徑的選擇調(diào)節(jié)閥口徑選擇的主要依據(jù)是其流