過程控制系統(tǒng)習(xí)題和答案

PAGE..過程控制系統(tǒng)習(xí)題和答案四、測溫元件的安裝接觸式測溫儀表所測得的溫度都是由測溫〔感溫元件來決定的。在正確選擇測溫元件和二次儀表之后,如不注意測溫元件的正確安裝,測量精度仍得不到保證。工業(yè)上一般是按下列要求進(jìn)行安裝的。⒈測溫元件的安裝要求⑴在測量管道溫度時(shí),應(yīng)保證測溫元件與流體充分接觸,以減少測量誤差。因此要求安裝時(shí)測溫元件應(yīng)迎著被測介質(zhì)流向插入,至少須與被測介質(zhì)正交〔成90?,切勿與被測介質(zhì)形成順流。如圖14.3-15所示。⑵測溫元件的感溫點(diǎn)應(yīng)處于管道中流速最大處。一般來說,熱電偶、鉑電阻、銅電阻保護(hù)套管末端應(yīng)分別越過流束中心線5~10mm、50~70mm、25~30mm。⑶測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度,以減小測量誤差。為此,測溫元件應(yīng)斜插安裝或在彎頭處安裝。如圖14.3-16所示.⑷若工藝管道過小<直徑小于80mm>,安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴(kuò)大管,如圖14.3-17所示.⑸熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應(yīng)向上,以避免雨水或其它液體、臟物進(jìn)入接線盒中影響測量。如圖14.3-18所示。⑹為了防止熱量散失,測量元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。⑺測溫元件安裝在負(fù)壓管道中時(shí),必須保證其密封性,以防止外界冷空氣進(jìn)入,使讀數(shù)降低。⒉布線要求⑴按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,注意熱電偶的正、負(fù)極與補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極相連接,不要接錯(cuò)。⑵熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。⑶為了保護(hù)連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線不受外來的機(jī)械損傷,應(yīng)把連接導(dǎo)線或補(bǔ)償導(dǎo)線穿入鋼管或走槽板內(nèi)。⑷導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭。應(yīng)有良好的絕緣。禁止與交流電線合用一根穿線管,以免引起感應(yīng)。⑸導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動(dòng)力電線。⑹補(bǔ)償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭,否則應(yīng)加裝接線盒。另外,最好與其它導(dǎo)線分開敷設(shè)。五顯示儀表凡是能將生產(chǎn)過程中各種參數(shù)進(jìn)行指示、記錄或累積的儀表統(tǒng)稱為顯示儀表〔或稱為二次儀表。⒈顯示儀表的分類

顯示儀表按照顯示的方式來分,可分為模擬式、數(shù)字式和屏幕顯示式三種。⑴模擬式顯示儀表模擬式顯示儀表是以儀表的指針〔或記錄筆的線性位移或角位移來模擬顯示被測參數(shù)連續(xù)變化的儀表。這類儀表由于要使用磁電偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或機(jī)電式伺服機(jī)構(gòu),因此測量速度較慢、測量精度低、難以準(zhǔn)確讀數(shù)。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)廉且又能反映出被測參數(shù)的變化趨勢,因而目前大量地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。⑵數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表是直接以數(shù)字形式顯示被測參數(shù)大小的儀表。其特點(diǎn)是測量速度快、精度高、讀數(shù)直觀準(zhǔn)確,便于和計(jì)算機(jī)等數(shù)字化裝置聯(lián)用,因而近年來得到迅速發(fā)展。⑶屏幕顯示儀表是一種與計(jì)算機(jī)聯(lián)用的新型顯示裝置,可以把生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)以文字、符號和圖形等形式在屏幕上顯示出來。它具有模擬式顯示儀表和數(shù)字式顯示儀表的兩種特點(diǎn)。⒉模擬式顯示儀表工業(yè)上常用的模擬式顯示儀表有動(dòng)圈式顯示儀表和自動(dòng)平衡式顯示儀表。⑴動(dòng)圈式顯示儀表動(dòng)圈式顯示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。其輸入信號為直流毫伏信號,因此可以與熱電偶或熱電阻等測溫元件配合,作為溫度顯示、控制之用；也可以與其它變送器配合,用來測量、控制其它參數(shù)。如XCZ型動(dòng)圈表可用作參數(shù)指示；而XCT型動(dòng)圈表除可參數(shù)指示外,還有控制參數(shù)的功能。測量機(jī)構(gòu)及作用原理動(dòng)圈式儀表測量機(jī)構(gòu)核心部件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì)。其中動(dòng)圈是用具有絕緣層的細(xì)銅線繞成的矩形框,如圖14.3-19所示。用張絲把它吊置在永久磁鋼的空間磁場中。當(dāng)測量信號〔即直流毫伏信號通過張絲加在動(dòng)圈上時(shí),便有電流通過動(dòng)圈。此時(shí)載流線圈將受到磁場力作用而轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)使作為其支承的張絲發(fā)生扭轉(zhuǎn),張絲就產(chǎn)生反抗動(dòng)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的反力矩,該反力矩隨張絲扭轉(zhuǎn)角的增大而增大。當(dāng)兩力矩平衡時(shí),動(dòng)圈就停留在某一位置上。由于動(dòng)圈的位置與輸入毫伏信號相對應(yīng),當(dāng)面板直接刻成溫度標(biāo)尺時(shí),裝在動(dòng)圈上的指針就指示出被測對象的溫度數(shù)值。⑵自動(dòng)平衡式顯示儀表常用的自動(dòng)平衡式顯示儀表有自動(dòng)電子電位差計(jì)和自動(dòng)電子平衡電橋。要求重點(diǎn)掌握自動(dòng)電子電位差計(jì)的工作原理。⑴手動(dòng)式電子電位差計(jì)電子電位差計(jì)根據(jù)"電壓補(bǔ)償原理"工作的,如圖14.3-20所示。圖中Et為被測熱電勢,滑線電阻W與穩(wěn)壓電源E組成一閉合回路,因此流過W上的電流I是恒定的,這樣一來就可以將W的標(biāo)尺刻成電壓數(shù)值。G為檢流計(jì)。當(dāng)移動(dòng)滑動(dòng)觸點(diǎn)C使通過檢流計(jì)的電流為零時(shí),UBC應(yīng)等于Et,因此滑動(dòng)觸點(diǎn)C所指的刻度即為被測電壓Et。⑵自動(dòng)電子電位差計(jì)自動(dòng)電子電位差計(jì)就是根據(jù)上述電壓平衡原理進(jìn)行工作的。與手動(dòng)式電子電位差計(jì)不同,它用可逆電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替人工進(jìn)行電壓平衡操作,用放大器代替檢流計(jì)來檢測不平衡電壓,并控制可逆電機(jī)的工作。圖14.3-21是自動(dòng)電子電位差計(jì)的原理圖。當(dāng)熱電勢Et與已知的直流壓降UBC相比較時(shí),若Et≠UCB,其比較之后的差值〔即不平衡信號經(jīng)放大器放大后,輸出足以驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)的功率,使可逆電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去帶動(dòng)滑動(dòng)觸點(diǎn)C的移動(dòng),直到Et=UCB為止。這時(shí)放大器輸入端的輸入信號為零,可逆電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng),測量線路達(dá)到了平衡,這樣UCB就可以代表被測量的Et值。⒊數(shù)字式顯示儀表⑴數(shù)字式顯示儀表的分類①按輸入信號形式劃分,可分為電壓型和頻率型兩類。所謂電壓型是指輸入信號是電壓或電流信號,而頻率型是指輸入信號是頻率、脈沖或開關(guān)信號。②按輸入信號的點(diǎn)數(shù)劃分,可分為單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種。③按顯示位數(shù)劃分,可分為3位半和4位半等多種。所謂半位的顯示是指最高位是1或0。如位顯示范圍為-1999~+1999。⑵數(shù)字式顯示儀表的基本組成數(shù)字式顯示儀表的組成一般包括前置放大、非線性校正或開方等運(yùn)算電路、模-數(shù)〔A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換及顯示裝置等部分,其組成框圖如圖14.3-22所示。①前置放大電路輸入信號往往很小〔一般是毫伏級,必須經(jīng)前置放大電路放大至伏級電壓幅度,才能供線性化電路或A/D轉(zhuǎn)換電路工作。有時(shí)輸入信號夾帶測量噪音〔擾動(dòng)信號,因此也可以在前置放大電路中加上一些濾波電路,抑制擾動(dòng)影響。②非線性校正或開方等運(yùn)算電路許多檢測元件〔如熱電偶、熱電阻具有非線性特性,須將信號經(jīng)過非線性校正或開方等運(yùn)算電路的處理后成線性特性,以提高儀表的測量精度。③模-數(shù)〔A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)字式顯示儀表的輸入信號多數(shù)為連續(xù)變化的模擬量,須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字式顯示儀表的核心。A/D轉(zhuǎn)換電路種類較多,常見的有雙積分型、脈沖寬度調(diào)制型、電壓/頻率轉(zhuǎn)換型和逐次比較型等。④標(biāo)度變換電路標(biāo)度變換電路的作用是對被測信號進(jìn)行量綱換算,使儀表能以工程量形式顯示被測參數(shù)的大小。⑤數(shù)字顯示電路數(shù)字顯示電路的數(shù)字顯示方法很多,常用的有發(fā)光二極管顯示器〔LED和液晶顯示器〔LCD。[例14.3-4]現(xiàn)用一支鎳鉻-銅鎳熱電偶測量某換熱器內(nèi)的溫度,其冷端溫度為30℃,顯示儀表的機(jī)械零位在0℃,這時(shí)指示值為400℃,則該換熱器內(nèi)的溫度應(yīng)是多少？〔A430℃

〔B420℃

〔C400℃

〔D422.5℃正確答案：〔D題解：由于該熱電偶的冷端溫度為30℃,在測溫時(shí)所產(chǎn)生的熱電勢為E<t,30>,應(yīng)等于測量儀表所接收到的熱電勢,即E<t,30>=E<400,0>=28943?V,看表14.3-5。而E<30,0>=1801?V,可知

E<t,0>=E<t,30>+E<30.0>=28943+1801=30744?V〔A為錯(cuò)誤答案。查分度表可得E<430,0>=31350?V,因此換熱器內(nèi)的溫度不是430℃。〔B也為錯(cuò)誤答案。因E<420,0>=30546?V,而E<400,0>=28943?V。〔C也是錯(cuò)誤答案。查表換算可得出換熱器內(nèi)的溫度為〔D是正確答案。[例14.3-5]用Cu50的銅電阻測溫,測得其熱電阻Rt為80Ω,已知R0=50Ω,R100=71.4Ω,該測溫點(diǎn)的實(shí)際溫度為：〔A150℃

〔B130℃

〔C140.2℃

<D>135.5℃正確答案：〔C題解:根據(jù)銅電阻的電阻值與溫度的關(guān)系,

將R0=50Ω,R100=71.4Ω代入,可得因此

即該測溫點(diǎn)的實(shí)際溫度為140.2℃?！睞、〔B、〔D均為錯(cuò)誤答案。14.3.4常用流量儀表

一、流量測量儀表的分類測量流量的方法很多,其測量原理和所用的儀表結(jié)構(gòu)形式各不相同。一般可分為三大類。⑴速度式流量計(jì)這類流量計(jì)是以測量流體在管道內(nèi)的流速作為測量依據(jù)來計(jì)算流量的。例如差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、堰式流量計(jì)等。⑵容積式流量計(jì)這類流量計(jì)是以單位時(shí)間內(nèi)所排出的流體的固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)來計(jì)算流量的。例如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、活塞式流量計(jì)等。⑶質(zhì)量流量計(jì)這類流量計(jì)是以測量流體流過的質(zhì)量M為依據(jù)的。質(zhì)量流量計(jì)分為直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計(jì)直接測量質(zhì)量流量,例如量熱式、角動(dòng)量式、陀螺式和科里奧利力式等質(zhì)量流量計(jì)。間接式質(zhì)量流量計(jì)是用密度與容積流量經(jīng)過運(yùn)算求得質(zhì)量流量的。質(zhì)量流量計(jì)的測量精度不受流體的溫度、壓力、粘度等變化影響,是一種發(fā)展中的流量測量儀表。二、差壓式流量計(jì)⒈測量原理及組成差壓式〔也稱節(jié)流式流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理,利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測量的。它通常是由能將被測流量轉(zhuǎn)換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的流量值顯示出來的差壓計(jì)組成。⒉節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式⑴節(jié)流現(xiàn)象流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí),在節(jié)流裝置前后的管壁處,流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。圖14.3-23顯示孔板前后流體的速度與壓力的分布情況。當(dāng)節(jié)流裝置形狀一定,取壓點(diǎn)位置也一定時(shí),根據(jù)測得的壓差就可以求出流量。節(jié)流裝置包括節(jié)流件和取壓裝置。節(jié)流件是能使管道中的流體產(chǎn)生局部收縮的元件,應(yīng)用最廣泛的是孔板,此外還有是噴嘴、文丘里管等。取壓裝置應(yīng)用最廣泛的是角接取壓〔包括環(huán)室取壓和單獨(dú)鉆孔取壓兩種,此外還有法蘭取壓、徑距取壓和理論取壓等方法。我國國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件為標(biāo)準(zhǔn)孔板和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴,取壓方式為角接取壓、法蘭取壓和徑距取壓。⑵流量基本方程式根據(jù)柏努利方程和流體的連續(xù)性方程,可推導(dǎo)出流量與壓差之間的流量方程式為

式中：α——流量系數(shù),它與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比、雷諾數(shù)Re、孔口邊緣銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān)；ε——膨脹校正系數(shù),它與孔板前后壓力的相對變化量、介質(zhì)的等熵指數(shù)、孔口截面積與管道截面積之比等因素有關(guān)。應(yīng)用時(shí)可查有關(guān)手冊得到。但對不可壓縮的液體,常取ε=1,對于可壓縮的氣體,ε<1；F0——節(jié)流裝置的開孔截面積；Δp——節(jié)流裝置前后實(shí)際測得的壓力差；ρ1

——節(jié)流裝置前的流體密度。⒊差壓式流量計(jì)的使用要求差壓式流量計(jì)的應(yīng)用非常廣泛,但在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí),往往具有較大的測量誤差。因此,必須引起注意的是：不僅需要合理的選型、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算和加工制造,更要注意正確的安裝、維護(hù)和符合使用條件等,才能保證差壓式流量計(jì)有足夠的實(shí)際測量精度。節(jié)流裝置的使用要求有：⑴必須注意被測流體工作狀態(tài)的變動(dòng)。如果實(shí)際使用時(shí)被測流體的工作狀態(tài)〔溫度、壓力、濕度等以及相應(yīng)的流體密度、粘度、雷諾數(shù)等參數(shù)數(shù)值與設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)有所變動(dòng),則必須按新的工藝條件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,或?qū)⑺鶞y的數(shù)值加以必要的修正。⑵節(jié)流裝置必須正確安裝。按照國標(biāo)要求,節(jié)流裝置前后應(yīng)有一定長度的直管段,流體流向要正確,管道里要全部充滿流體,流體必須是單相的等。在使用中要保持節(jié)流裝置的清潔。⑶導(dǎo)壓管應(yīng)根據(jù)國標(biāo)正確安裝,防止堵塞與滲漏。⑷節(jié)流裝置因長期使用而被沖擊、腐蝕可能造成幾何形狀和尺寸的變化,導(dǎo)致測量值變小。因此應(yīng)注意檢查、維護(hù),必要時(shí)應(yīng)換用新的節(jié)流件。⑸應(yīng)正確安裝和使用差壓計(jì),以免引起測量誤差。[例14.3-6]孔板流量計(jì)測得的流量與孔板兩側(cè)的哪個(gè)物理量成正比？

〔A孔板前后的流體壓差

〔B孔板前后流體壓差的平方根

〔C孔板前后的流速差

〔D孔板前后流速差的平方根正確答案：〔B題解：〔B為正確答案?？装辶髁坑?jì)的流量公式為Q=ψ,表明測得的流量與孔板前后流體壓差的平方根成正比,故此答案正確?！睞、〔C、〔D均為錯(cuò)誤答案?？装迨蔷植孔枇υ?其前后的壓差與通過孔板的流量的平方成正比,故孔板流量計(jì)測得的流量與孔板前后的流體壓差的平方根成正比,而不是與孔板前后流體壓差、孔板前后的流速差或孔板前后流速差的平方根成正比。三、轉(zhuǎn)子流量計(jì)⒈測量原理及組成見圖14.3-24,轉(zhuǎn)子流量計(jì)基本是由兩個(gè)部分組成,一個(gè)是由下往上逐漸擴(kuò)大的錐形管〔通常是由玻璃制成的,錐度為40′~3°；另一個(gè)是放在錐形管內(nèi)可自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。工作時(shí),流體自下往上流動(dòng),作用于轉(zhuǎn)子上一個(gè)向上的力,使轉(zhuǎn)子浮起。流量越大,向上的力越大,轉(zhuǎn)子上升越高,轉(zhuǎn)子與管壁間的環(huán)隙越大,通過環(huán)隙的流體的流速越小,作用在轉(zhuǎn)子上的力反而變小。當(dāng)流體作用在轉(zhuǎn)子上的力與轉(zhuǎn)子在流體中的重力相等,即處于力平衡時(shí),轉(zhuǎn)子就穩(wěn)定在一個(gè)高度上。這樣,轉(zhuǎn)子在錐形管中的平衡位置的高低與被測介質(zhì)的流量大小相對應(yīng)。如果在錐形管外沿延其高度刻上對應(yīng)的流量值,則根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低就可以直接讀出流量的大小,這就是轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量的基本原理。轉(zhuǎn)子流量計(jì)中轉(zhuǎn)子的平衡條件是

式中

V——轉(zhuǎn)子的體積,常數(shù)；

ρt——轉(zhuǎn)子材料的密度,常數(shù)；ρf——被測流體的密度,常數(shù)；

p1、p2——分別為轉(zhuǎn)子前后流體的壓力；

A——轉(zhuǎn)子的最大橫截面積,常數(shù)；

g——重力加速度,常數(shù)。由此可以看出,轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用恒壓降、變節(jié)流面積的測量方法,即以壓降不變,利用節(jié)流面積的變化來測量流量的大小。轉(zhuǎn)子流量計(jì)按結(jié)構(gòu)形式分為指示型和遠(yuǎn)傳型兩種。指示型用于就地指示；遠(yuǎn)傳型可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳,以顯示或記錄。⒉轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程式

式中

φ——儀表常數(shù)；h——轉(zhuǎn)子浮起的高度；其它參數(shù)如上式。⒊轉(zhuǎn)子流量計(jì)的指示值修正轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種非標(biāo)準(zhǔn)化儀表,在大多數(shù)情況下,可按照實(shí)際被測介質(zhì)進(jìn)行刻度。但儀表廠為了便于成批生產(chǎn),是在工業(yè)基準(zhǔn)狀態(tài)〔20℃,0.10133MPa下用水或空氣進(jìn)行刻度的。所以在實(shí)際使用時(shí),如果工作介質(zhì)的密度和工作狀態(tài)不同,必須對流量值按照實(shí)際被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力等參數(shù)的具體情況進(jìn)行修正。⑴測量液體時(shí),如果被測介質(zhì)不是水,必須按下式對流量刻度進(jìn)行修正：

式中

Q0——用水標(biāo)定時(shí)的刻度流量；ρw——水的密度；ρt——轉(zhuǎn)子材料的密度；Qf——密度為ρf的被測介質(zhì)的實(shí)際流量；ρf——實(shí)際被測介質(zhì)的密度。⑵測量氣體時(shí),如果被測介質(zhì)不是空氣,必須按下式對流量刻度進(jìn)行修正：

式中

Q1——被測介質(zhì)的流量,Nm3/h；Q0——按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)刻度的顯示流量值,Nm3/h；ρ1——被測介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度,kg/Nm3；ρ0——校驗(yàn)用介質(zhì)空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度〔1.293kg/Nm3；p1——被測介質(zhì)的絕對壓力,MPa；p0——工業(yè)基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的絕對壓力<0.10133MPa>;T1——被測介質(zhì)的絕對溫度,K；

T0——工業(yè)基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的絕對溫度<293K>。四、橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)屬于容式流量計(jì)的一種。它對被測流體的粘度變化不敏感,特別適合于測量高粘度的流體〔例如重油、聚乙烯醇、樹脂等,甚至糊狀物的流量。⒈工作原理及組成橢圓齒輪流量計(jì)的測量部分是由兩個(gè)相互嚙合的橢圓形齒輪A和B、軸及殼體組成。橢圓齒輪與殼體之間形成半月形測量室。如圖14.3-25所示。當(dāng)流體流過橢圓齒輪流量計(jì)時(shí),由于要克服阻力將會(huì)引起壓力損失,從而使進(jìn)口側(cè)壓力p1大于出口側(cè)壓力p2。在此壓力差的作用下,產(chǎn)生作用力矩使橢圓齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),每轉(zhuǎn)動(dòng)一周排出四個(gè)半月形容積的被測介質(zhì)。故通過橢圓齒輪流量計(jì)的體積流量為

式中

n——橢圓齒輪的旋轉(zhuǎn)速度；V0——半月形測量室容積。由上式可知,在V0已定的條件下,只要測出橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速n,再配以一定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及積算機(jī)構(gòu),就可記錄或指示被測介質(zhì)的總量。⒉使用特點(diǎn)由于橢圓齒輪流量計(jì)是基于容積式測量原理的,與流體的粘度等性質(zhì)無關(guān),因此特別適用于高粘度介質(zhì)的流量測量,且測量精度較高,壓力損失較小,安裝使用也較方便。但在使用時(shí)要特別注意被測介質(zhì)不能含有固體顆粒,更不能夾雜機(jī)械物,否則會(huì)引起齒輪磨損以至損壞。為此,橢圓齒輪流量計(jì)的入口端必須加裝過濾器。另外,橢圓齒輪流量計(jì)的使用溫度有一定的范圍,溫度過高就使齒輪有卡死的可能。五、渦輪流量計(jì)⒈測量原理及組成在流體流動(dòng)的管道內(nèi),安裝一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪,當(dāng)流體通過葉輪時(shí),流體的動(dòng)能使葉輪旋轉(zhuǎn)。流體的流速越高,動(dòng)能就越大,葉輪轉(zhuǎn)速也越高。在規(guī)定的流量范圍和一定的流體粘度下,轉(zhuǎn)速與流速成線性關(guān)系。因此,測出葉輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù),就可確定流過管道的流量或總量。渦輪流量計(jì)就是利用這一原理進(jìn)行流量測量的。渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖14.3-26所示。渦輪1是用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制成,葉輪芯上裝有螺旋形葉片,流體作用于葉片上使之轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)流器2是用于穩(wěn)定流體的流向和支撐葉輪的。磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器3是由線圈和磁鋼組成,用以將葉輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,以供給前置放大器5進(jìn)行放大。整個(gè)渦輪流量計(jì)安裝在外殼4上,外殼是由非導(dǎo)磁的不銹鋼制成,兩端與流體管道相連接。⒉使用特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是安裝方便,磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與葉片間不需密封,無齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),因而測量精度高,可耐高壓,靜壓可達(dá)50MPa。反應(yīng)快,可測脈動(dòng)流量。輸出信號為電頻率信號,便于遠(yuǎn)傳,不受干擾。缺點(diǎn)是渦輪容易磨損,被測介質(zhì)不能帶有機(jī)械雜質(zhì),否則會(huì)影響測量精度和損壞機(jī)件。因此,一般應(yīng)加裝過濾器。安裝時(shí)必須保證前后有一定的直管段,以使流向比較穩(wěn)定。一般入口直管段的長度取管道內(nèi)徑的10倍以上,出口取5倍以上。六、電磁流量計(jì)⒈測量原理與組成電磁流量計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理來測量具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)〔如酸、鹼、鹽溶液以及含有固體顆粒或纖維液體等的流量。電磁流量計(jì)通常由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。被測介質(zhì)的流量經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢后,再經(jīng)轉(zhuǎn)換器把電勢信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,以便進(jìn)行指示、記錄或與電動(dòng)單元組合儀表配套使用。電磁流量計(jì)變送部分的原理如圖14.3-27所示。在一段用非導(dǎo)磁材料制成的管道外面安裝有一對磁極N和S,用以產(chǎn)生磁場。根據(jù)發(fā)電機(jī)原理,當(dāng)導(dǎo)電液體流經(jīng)管道時(shí),因切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。此感應(yīng)電勢由與磁力線成垂直方向的兩個(gè)電極引出。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,管道直徑一定時(shí),則感應(yīng)電勢的大小僅與流體的流速有關(guān),而與其它因素?zé)o關(guān)。將這個(gè)感應(yīng)電勢經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換、傳送給顯示儀表,就能在顯示儀表上讀出流量來。電磁流量計(jì)的體積流量Q與感應(yīng)電勢Ex的關(guān)系由下式?jīng)Q定：

式中

Ex——感應(yīng)電勢；

Kˊ——比例系數(shù)；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

D——管道直徑；

⒉使用特點(diǎn)電磁流量計(jì)的測量導(dǎo)管內(nèi)無可動(dòng)部件或突出于管內(nèi)的部件,因而壓力損失很小。在采取防腐襯里的條件下,可用來測量各種腐蝕性液體的流量,也可測量含有顆懸浮物等液體的流量。此外,其輸出信號與流量之間的關(guān)系不受液體的物理性質(zhì)〔例如溫度、壓力、粘度等變化和流動(dòng)狀態(tài)的影響。對流量變化反應(yīng)速度快,故可用來測量脈動(dòng)流量。電磁流量計(jì)只能用來測量導(dǎo)電液體的流量,其導(dǎo)電率要求不小于10-6~10-5L/<cm?Ω>,即不小于水的導(dǎo)電率。不能測量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。由于液體中所感應(yīng)出的電勢很小,需要引入高倍放大器,因此易受外界電磁場干擾的影響,使用不當(dāng)時(shí)會(huì)大大地影響儀表的精度。在使用時(shí)要注意維護(hù),防止電極與管道間絕緣的破壞。安裝時(shí)要遠(yuǎn)離一切磁源〔例如大功率電機(jī)、變壓器等。不能有振動(dòng)。七、漩渦流量計(jì)漩渦流量計(jì)又稱渦街流量計(jì),它可以用來測量各種管道中的液體、氣體和蒸汽的流量,目前在油田應(yīng)用較廣。漩渦流量計(jì)的特點(diǎn)是測量精度高、測量范圍寬、沒有運(yùn)動(dòng)部件、無機(jī)械磨損、維護(hù)方便、壓力損失小,節(jié)能效果明顯。測量原理：漩渦流量計(jì)是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測量流體流量的儀表。在流體中垂直插入一個(gè)非流線形的柱狀物〔圓柱或三角柱作為漩渦發(fā)生體,如圖14.3-28所示。當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),會(huì)在柱狀物的下游產(chǎn)生如圖所示的兩列平行狀,并且上下交替出現(xiàn)的漩渦,稱為"渦街"<或"卡曼渦街">。當(dāng)兩列漩渦之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比能滿足h/L=0.281時(shí),則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡曼漩渦,其單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為：

式中

f——單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率,Hz；

u——流體平均流速,m/s；d——圓柱體直徑,m；St——斯特勞哈爾系數(shù)〔當(dāng)雷諾數(shù)Re=5×102~15×104時(shí),St=0.2。

由上式可知,當(dāng)St近似為常數(shù)時(shí),漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u成正比。測得頻率f即可求得體積流量Q。14.3.5常用物位儀表測量物位的儀表種類很多,按其工作原理主要有下列幾種：⑴直讀式

這類儀表主要有玻璃管液位計(jì)、玻璃板液位計(jì)等。它們是根據(jù)流體力學(xué)的連通性原理來測量液位的。⑵差壓式

這類儀表又可分為壓力式和差壓式兩類。它們是根據(jù)液柱或物料堆積對某定點(diǎn)產(chǎn)生壓力的原理而工作的。⑶浮力式

這類儀表可分為浮子式、浮球式和沉桶式等幾種。它們是利用浮子的高度隨液位變化而變化,或液體對沉浸于液體中的浮子〔或沉桶的浮力隨液位高度而變化的原理工作的。⑷電磁式

這類儀表可分為電阻式〔即電極式、電容式和電感式等幾種。⑸核輻射式

這類儀表是利用核輻射透過物料時(shí),其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理工作的,目前應(yīng)用較多的是γ射線。⑹聲波式

這類儀表可根據(jù)其工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式等幾種。它們的原理是：由于物料厚度的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同,測出這些變化就可測出物位的變化。⑺光學(xué)式

這類儀表是利用物位對光波的遮斷和反射原理而工作的。所利用的光源可以有白熾燈光或激光等。一、差壓式液位變送器⒈工作原理差壓式液位變送器是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí),由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理工作的。如圖14.3-29所示。設(shè)密閉容器內(nèi)的氣相壓力為p,則正壓室：p1=Hρg+p負(fù)壓室：p2=p

Δp=p1-p2=Hρg式中

H——液位高度；ρ——介質(zhì)密度；

g——重力加速度；p1、p2——分別為差壓變送器正、負(fù)壓室的壓力。

通常被測介質(zhì)的密度是已知的,差壓變送器測得的差壓與液位高度成正比。這樣就把測量液位高度轉(zhuǎn)換為測量差壓的問題了。當(dāng)被測容器是敞口的,氣相壓力為大氣壓時(shí),只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號,也可以在容器底部安裝壓力表,如圖14.3-30所示。根據(jù)壓力p與液位H成正比的關(guān)系,可直接在壓力表上按液位進(jìn)行刻度。⒉零點(diǎn)遷移問題使用差壓變送器測量液位時(shí),一般來說,壓差Δp與液位高度H之間關(guān)系為Δp=Hρg。這是一般的"無遷移"的情況。當(dāng)H=0時(shí),作用在正負(fù)壓室的壓力是相等的。⑴負(fù)遷移在實(shí)際測量中,常在差壓變送器的正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間加裝隔離罐,并充以密度為ρ2的中性隔離液,以防止具有腐蝕作用的液體或氣體進(jìn)入變送器而造成對儀表的腐蝕,如圖14.3-31所示。此時(shí)差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為

p1=Hρ1g+h1ρ2g+p

p2=h2ρ2g+p則

Δp=Hρ1g-<h2-h1>ρ2g即當(dāng)被測液位H=0時(shí),Δpmin=-<h2–h1>ρ2g<0,相當(dāng)于在負(fù)壓室多了一項(xiàng)附加壓差<h2-h1>ρ2g,此即為負(fù)遷移?？赏ㄟ^調(diào)整變送器上的零點(diǎn)遷移彈簧來消除該固定壓差的作用,使變送器的輸出仍為零信號。⑵正遷移當(dāng)儀表安裝高度與容器最低液位〔Hmin=0不在同一水平位置上時(shí),如圖14.3-32所示,則正、負(fù)壓室的壓力分別為

p1=Hρg+h1ρg+p

p2=p則

Δp=p1-p2=Hρg+h1ρg式中

h1——差壓計(jì)正壓室到液位起點(diǎn)處的垂直高度。當(dāng)H=0時(shí),Δpmin=h1ρg>0。對比無遷移情況,相當(dāng)于在正壓室多了一項(xiàng)附加壓差h1ρg,此即為正遷移?？赏ㄟ^調(diào)整變送器上的零點(diǎn)遷移彈簧來消除該固定壓差的作用,使變送器的輸出仍為零信號。遷移同時(shí)改變了測量范圍的上、下限,相當(dāng)于測量范圍的平移,它并不改變量程的大小。例如某差壓變送器的測量范圍為0~5000Pa,對于DDZ-Ⅲ型差壓變送器,當(dāng)壓差由0變化到5000Pa時(shí),變送器的輸出將由4mA變化到20mA,這是無遷移情況,如圖14.3-33中的曲線a。假定固定壓差為<h2-h1>ρ2g=2000Pa,則當(dāng)H=0時(shí),附加壓差ΔP=-2000Pa,此時(shí)當(dāng)壓差由-2000Pa變化到3000Pa時(shí),變送器的輸出將由4mA變化到20mA,這是負(fù)遷移情況,如圖14.3-33中的曲線b.假定固定壓差為h1ρg=2000Pa,則當(dāng)H=0時(shí),附加壓差Δp=h1ρg=2000Pa,此時(shí)當(dāng)壓差由2000Pa變化到7000Pa時(shí),變送器的輸出將由4mA變化到20mA,這是正遷移情況,如圖14.3-33中的曲線c。⒊用法蘭式差壓變送器測量液位測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體的液位時(shí),為避免引壓管線被腐蝕、被堵塞,應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器,如圖14.3-34所示。作為敏感元件的測量頭1〔金屬膜盒經(jīng)毛細(xì)管2與變送器3的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油作為傳壓介質(zhì),并使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器,以免堵塞。法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式又分為單法蘭式和雙法蘭式兩種。圖14.3-34中所示的為雙法蘭式,單法蘭式只在正壓室的導(dǎo)壓管入口處加裝有隔離膜盒,負(fù)壓室直接與大氣相通,用于測量敞口容器的液位。二、電容式物位傳感器測量原理在電容器的極板之間充以不同非導(dǎo)電介質(zhì)時(shí),電容量的大小也有所不同。因此,可通過測量電容量的變化來測量物位〔包括液位、料位和界面。圖14.3-35是由兩個(gè)同軸圓柱極板組成的電容器,在兩圓筒間充以介電常數(shù)為ε的介質(zhì)時(shí),則兩圓筒間的電容量表達(dá)式為

式中標(biāo)L——兩極板相互遮蓋部分的長度；

d、D——圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑。所以,當(dāng)D和d一定時(shí),電容量C的大小與極板的長度L和介電常數(shù)ε的乘積成比例。這樣,將電容傳感器〔探頭插入被測物料中,電極浸入物料中的深度隨物位高低變化,必然引起其電容量的變化,從而可檢測出物位。[例14.3-7]如圖所示,用一臺(tái)差壓變送器測量某容器的液位,其最高液位和最低液位到儀表的距離分別為h1=1m和h2=4m,被測介質(zhì)的密度為980kg/m3。則變送器的量程和遷移量分別是多少？〔A30kPa、9613.8Pa

〔B28.8kPa、-9613.8Pa

〔C30kPa、-9613.8Pa

〔D28.8kPa、9613.8Pa正確答案：〔A題解：⑴當(dāng)不考慮遷移量時(shí),變送器的測量范圍應(yīng)根據(jù)液位的最大變化范圍來計(jì)算。

故依據(jù)儀表量程規(guī)范,可選量程范圍為0~30kPa。⑵正、負(fù)壓室的壓力差分別為

正、負(fù)壓室的壓力差為當(dāng)H=0時(shí),Δpmin=h1ρg>0,故需要正遷移,遷移量為

〔B答案是量程和遷移方向錯(cuò)誤；〔C答案是遷移方向錯(cuò)誤；〔D答案是量程錯(cuò)誤。14.4控制儀表及控制規(guī)律要求:掌握各種控制規(guī)律及其特點(diǎn),熟悉比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間對控制系統(tǒng)的影響,了解控制器參數(shù)的工程整定方法。14.4.1基本控制規(guī)律及其對系統(tǒng)過渡過程的影響所謂控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號p與輸入偏差e之間的關(guān)系,即

式中

z——控制器的輸入測量值信號；

x——控制器的設(shè)定值信號。常用的控制規(guī)律有位式控制、比例控制<P>、積分控制<I>、微分控制<D>以及它們的組合控制規(guī)律<PI、PD、PID>等。⒈位式控制位式控制的輸出只有數(shù)個(gè)特定的數(shù)值,或它們的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有數(shù)個(gè)特定的位置。最常見的是雙位控制,它的輸出只有兩個(gè)數(shù)值<最大或最小>,其執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有兩個(gè)特定的位置<全關(guān)或全開>。位式控制器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于實(shí)現(xiàn),但其控制作用不是連續(xù)變化的,由其所構(gòu)成的控制系統(tǒng)的被控變量的變化是一個(gè)等幅振蕩過程而不能穩(wěn)定在某一數(shù)值上。因此位式控制器只能應(yīng)用在被控變量允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的場合,如某些液位控制、恒溫箱和管式爐的溫度控制、儀表用壓縮空氣儲(chǔ)罐的壓力控制等。⒉比例控制⑴比例控制規(guī)律<P>比例控制規(guī)律<P>是指控制器的輸出信號變化量p與輸入偏差信號變化量e之間成比例關(guān)系,即

式中

Kp——比例放大系數(shù)。比例控制器的特性如圖14.4-1。比例控制的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快、控制及時(shí)。其缺點(diǎn)是控制結(jié)果有余差,因此只能用于控制精度要求不高的場合。⑵比例度δ比例度δ是反映比例控制器的比例控制作用強(qiáng)弱的參數(shù),在數(shù)值上等于控制器輸入偏差變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分?jǐn)?shù),即式中

xmax-xmin——輸入的最大變化量,即儀表的量程；pmax-pmin——輸出的最大變化量,即控制器輸出的工作范圍。

從控制器表面指示看,比例度δ就是使控制器的輸出變化滿刻度時(shí)<即控制閥從全關(guān)到全開或相反>,相應(yīng)的儀表測量值變化占儀表測量范圍的百分?jǐn)?shù)。或者說,使控制器輸出變化滿刻度時(shí),輸入偏差變化對應(yīng)于指示刻度的百分?jǐn)?shù)。比例度δ越大,表示比例控制作用越弱。減小比例度會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差,但可減小余差,提高系統(tǒng)的靜態(tài)準(zhǔn)確度。在單元組合儀表中,控制器的輸入和輸出都是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號,即xmax-xmin=pmax-pmin,此時(shí)比例度δ為

⑶比例度δ對系統(tǒng)過渡過程的影響在比例控制系統(tǒng)中,比例度δ對系統(tǒng)過渡過程的影響見圖14.4-2。由圖可見,比例度越大<即Kp越小>過渡過程曲線越平穩(wěn),但余差也越大；比例度越小,過渡過程曲線越振蕩,余差也越小。若比例度過小,則可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩。⒊積分控制<I>和比例積分控制<PI>⑴積分控制<I>積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量p與輸入偏差e的積分成正比,即

式中KI為積分速度。當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時(shí),上式可寫成即輸出是一直線<見圖14.4-3>。由圖可見,只要偏差存在,控制器的輸出信號就不斷變化。偏差存在的時(shí)間越長,輸出信號的變化量也越大,直到輸出達(dá)到極限值為止。當(dāng)偏差為零時(shí),輸出就會(huì)停止在某一數(shù)值上,因此用積分控制器組成的控制系統(tǒng)可以達(dá)到無余差。

輸出信號p的變化速度與偏差e及KI成正比,而其控制作用是隨著時(shí)間積累才逐漸增強(qiáng)的,所以控制動(dòng)作緩慢,會(huì)出現(xiàn)控制不及時(shí),因此稱積分控制為"滯后控制"。當(dāng)對象慣性較大時(shí),被控變量將出現(xiàn)大的超調(diào)量,過渡時(shí)間也將延長,因此常常把比例與積分組合起來,這樣既控制及時(shí),又能消除余差。⑵比例積分控制<PI>在比例控制的基礎(chǔ)上,再加上積分控制作用,便構(gòu)成比例積分控制,其輸出p與輸入e的關(guān)系為

經(jīng)常采用積分時(shí)間TI來代替KI,,上式變?yōu)?/p>

若偏差是幅值為A的階躍干擾,則可得這一關(guān)系如圖14.4-4所示。圖中階躍上升部分KPA是比例作用造成的,緩慢上升部分<KP/TI>At是積分作用造成的。積分時(shí)間TI是表征積分作用強(qiáng)弱的參數(shù)。積分時(shí)間TI越小,積分速度KI越大,積分作用越強(qiáng)；反之,積分時(shí)間TI越大,積分作用越弱。若積分時(shí)間TI為無窮大,就沒有積分作用,而成為純比例控制器了。⑶積分時(shí)間對系統(tǒng)過渡過程的影響在比例積分控制系統(tǒng)中,在比例度δ固定的情況下,積分時(shí)間TI對過渡過程的影響如圖14.4-5所示。TI過大,積分作用不明顯,余差消除很慢<曲線3>；TI太小,易于消除余差,但系統(tǒng)振蕩加劇<曲線1>；曲線2適宜。大多數(shù)系統(tǒng)都可采用比例積分控制器。但當(dāng)對象滯后很大時(shí),可能控制時(shí)間較長,最大偏差也較大；負(fù)荷變化過于激烈時(shí),由于積分動(dòng)作緩慢,使控制作用不及時(shí),此時(shí)可增加微分作用。⒋微分控制<D>和比例微分控制<PD>⑴微分控制<D>微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量p與輸入偏差e的變化速度成正比,即

式中

TD——微分時(shí)間。此式表示理想微分控制器的特性,見圖14.4-6。若在t0時(shí)刻輸入一個(gè)階躍信號,則在t0時(shí)控制器的輸出將為無窮大,其余時(shí)間輸出為零。這種控制器用在系統(tǒng)中,即使偏差很小,只要出現(xiàn)變化趨勢,馬上就進(jìn)行控制,故有"超前控制"之稱,這就是它的優(yōu)點(diǎn)。但它的輸出不能反映偏差的大小,。假如偏差固定,即使數(shù)值很大,微分作用也無輸出,因而控制結(jié)果不能消除余差。所以理想微分控制器不能單獨(dú)使用。在實(shí)際應(yīng)用中,微分控制常與比例控制或比例積分控制結(jié)合起來使用。⑵比例微分控制<PD>理想的比例微分控制規(guī)律的輸出變化量p與輸入偏差e的關(guān)系為

理想比例微分控制器很難制造,工業(yè)上使用的是具有實(shí)際比例微分控制規(guī)律的控制器,其控制特性如圖14.4-7。微分時(shí)間TD是用來表征微分控制作用強(qiáng)弱的參數(shù)。微分時(shí)間TD越大,微分作用越強(qiáng)。當(dāng)TD=0時(shí)無微分作用,比例微分控制器就變?yōu)榧儽壤刂破髁?。⑶微分時(shí)間TD對系統(tǒng)過渡過程的影響微分時(shí)間TD對系統(tǒng)過渡過程的影響如圖14.4-8所示。當(dāng)TD太大時(shí),微分作用太強(qiáng),系統(tǒng)振蕩頻繁；而TD太小時(shí),微分作用太弱,系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,但余差較大；當(dāng)TD適當(dāng)時(shí),最大偏差減小,余差也減小<但并不能消除>,控制時(shí)間短,系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。⒌比例積分微分控制<PID>比例積分微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量p與輸入偏差e的關(guān)系為比例積分微分控制器的特性如圖14.4-9所示。從圖中可以看出,在PID控制過程中比例作用始終與偏差相對應(yīng)起控制作用；微分作用具有超前控制,因此起到快速控制作用；而積分作用又能消除余差。只要合理選擇δ、TI、TD三參數(shù),就能獲得較高的控制質(zhì)量。PID控制規(guī)律綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn),具有較好的控制性能,但這并不意味著它在任何情況下都是最適合的,必須根據(jù)過程特性和工藝要求,選擇最合適的控制規(guī)律。[例14.4-1]某臺(tái)DDZ-Ⅲ型溫度比例控制器,測溫范圍為200~1200℃。當(dāng)溫度設(shè)定值由800℃變化到850℃時(shí),其輸出由12mA變化到16mA。則該控制器的比例度δ及放大系數(shù)KP分別應(yīng)是多少？〔A40%、2.5

〔B25%、4

〔C20%、5

〔D80%、1.25正確答案<C>題解：根據(jù)比例度的定義,代入相關(guān)數(shù)據(jù),可得

對于單元組合儀表有

A>、〔B、〔D均為錯(cuò)誤答案。[例14.4-2]某流量自動(dòng)控制系統(tǒng),用純比例控制器進(jìn)行控制。圖示為采用不同比例度時(shí)系統(tǒng)的過渡過程〔其中曲線b、c為比較滿意的控制結(jié)果。試判斷四條過渡過程曲線中哪一條對應(yīng)的比例度最大？

圖14.4-10純比例控制系統(tǒng)的過渡過程曲線<A>曲線a

〔B曲線b

〔C曲線c

〔D曲線d正確答案：〔A題解：控制器比例度與其放大系數(shù)成反比,比例度越大,系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn),但余差也越大。比例度越小,過渡過程振蕩越劇烈。由圖可以看出其中3曲線的穩(wěn)態(tài)值均在1左右,只有d的穩(wěn)態(tài)值為0.5左右。即其余差明顯大于a曲線。故判斷其比例度最大,即〔D是正確答案。〔A〔B、〔C、曲線所代表的系統(tǒng)控制器比例度均小于〔D曲線系統(tǒng),故為錯(cuò)誤答案。14.4.2模擬式控制器基本原理控制器的作用是將被控變量的測量值與給定值〔設(shè)定值進(jìn)行比較,然后對比較后得到的偏差進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號形式送往執(zhí)行器,以實(shí)現(xiàn)對被控變量的自動(dòng)控制。在模擬式控制器中,所傳送的信號形式為連續(xù)的模擬信號。由于氣動(dòng)控制器和DDZ-Ⅱ型電動(dòng)控制器在大型企業(yè)中已不多見,故只討論DDZ-Ⅲ電動(dòng)控制器的基本原理。DDZ-Ⅲ型控制器主要由輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、自動(dòng)與手動(dòng)<包括硬手動(dòng)和軟手動(dòng)兩種>切換電路、輸出電路及指示電路等組成,其方塊圖如圖14.4-11所示。圖中,控制器接收來自變送器的測量信號<4~20mA或1~5V>,在輸入電路中與給定值進(jìn)行比較,得出偏差信號。然后在PD與PI電路中進(jìn)行PID運(yùn)算,最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為4~20mA直流電流輸出。控制器的給定值可由"內(nèi)給定"或"外給定"兩種方式取得,用切換開關(guān)K6進(jìn)行選擇。當(dāng)控制器工作于"內(nèi)給定"方式時(shí),給定電壓由控制器內(nèi)部的高精度穩(wěn)壓電源取得。當(dāng)控制器需要由計(jì)算機(jī)或另外的控制器供給給定信號時(shí),開關(guān)K6切換到"外給定"位置上,由外來的4~20mA電流流過250Ω精密電阻產(chǎn)生1~5V的給定電壓。14.4.3數(shù)字式控制器基本原理數(shù)字式控制器與模擬式控制器的構(gòu)成原理和工作方式有根本的差別,但從儀表總的功能和輸入輸出關(guān)系來看,由于數(shù)字式控制器備有模-數(shù)<A/D>和數(shù)-模<D/A>轉(zhuǎn)換器件,因此兩者并無外在的明顯差異。⒈可編程序調(diào)節(jié)器可編程序調(diào)節(jié)器實(shí)際上就是數(shù)字式控制器,為了避免與可編程序控制器<PLC>混淆,使用了一個(gè)習(xí)慣名稱——可編程序調(diào)節(jié)器。它是以微處理器為控制核心,其控制規(guī)律可根據(jù)需要由用戶自己編程,而且可以隨時(shí)擦除改寫以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。在一臺(tái)可編程序調(diào)節(jié)器上,能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)于模擬儀表的各種運(yùn)算器<加、減、乘、除、開方及邏輯運(yùn)算>和PID控制器的功能,并可進(jìn)行高、低值選擇,同時(shí)還配有與上位計(jì)算機(jī)通信聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)接口,能夠靈活地適應(yīng)各種各樣的過程控制。該控制器本身還具有自我診斷功能,,萬一發(fā)生故障,可快速查出異常,并顯示故障部位,便于排除故障。⒉可編程序控制器<PLC>可編程序控制器是基于微計(jì)算機(jī)技術(shù)工作的,它主要是用于邏輯控制。它的最大特點(diǎn)是通過編程的方式實(shí)現(xiàn)控制,并可通過改變軟件來改變控制方式和邏輯規(guī)律,同時(shí)功能豐富、可靠性強(qiáng),可組成集散系統(tǒng)或納入局部網(wǎng)絡(luò)。與微計(jì)算機(jī)相比,它的優(yōu)點(diǎn)是語言簡單、編程簡便、面向用戶、面向現(xiàn)場、使用方便。目前PLC廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等各行各業(yè)。它除了可用于開關(guān)量邏輯控制、機(jī)械加工的數(shù)字控制、機(jī)器人的控制外,也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。現(xiàn)代大型PLC都配有PID子程序或PID模塊,可實(shí)現(xiàn)單回路控制與各種復(fù)雜控制。PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),其基本組成如圖14.4-12所示。主要部分包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu),進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。14.4.4簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成所謂簡單控制系統(tǒng),通常是指由一個(gè)測量元件、變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)控制閥和一個(gè)對象所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng),因此也稱為單閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖14.4-13是簡單控制系統(tǒng)的方塊圖。由圖可知,簡單控制系統(tǒng)是由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成,即被控對象<簡稱對象>,測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。從圖中可以看出,該系統(tǒng)中有一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線,也就是說該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與給定值的偏差來進(jìn)行控制的,這是簡單反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單,所需的自動(dòng)化裝置數(shù)量少,投資低,操作維護(hù)也比較方便,而且在一般情況下,都能滿足控制質(zhì)量的要求。因此,這種控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。14.4.5控制器參數(shù)的工程整定所謂控制器參數(shù)的整定,就是按照已定的控制方案,求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說,就是確定最合適的控制器比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD?？刂破鲄?shù)整定的方法主要有理論計(jì)算法和工程整定法兩大類,其中常用的是工程整定法。工程整定法是在已經(jīng)投運(yùn)的實(shí)際控制系統(tǒng)中,通過實(shí)驗(yàn)或探索,來確定控制器的最佳參數(shù)。常用的工程整定法主要有下列三種。⒈臨界比例度法該法是系統(tǒng)在純比例作用下運(yùn)行,通過調(diào)整比例度使系統(tǒng)處于等幅振蕩〔即臨界振蕩,得到對應(yīng)的臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求取控制器的各參數(shù)值。這種方法比較簡單,容易掌握和判斷,適用于一般的控制系統(tǒng)。但不適用于臨界比例度小的系統(tǒng)和不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng),否則易影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行或造成事故。⒉衰減曲線法該方法是系統(tǒng)在純比例作用下運(yùn)行,通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減比為4:1或10:1的衰減振蕩,得到該衰減曲線對應(yīng)的比例度δs和衰減周期Ts,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求取控制器的各參數(shù)值。這種方法比較簡單,適用于一般情況下的各種參數(shù)的控制系統(tǒng)。但對于擾動(dòng)頻繁、記錄曲線不規(guī)則的系統(tǒng)難于應(yīng)用。⒊經(jīng)驗(yàn)湊試法該方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),先將控制器的參數(shù)置于一定的數(shù)值上,然后通過不斷觀察過渡過程曲線,運(yùn)用δ、TI、TD對過渡過程的影響為指導(dǎo),按照規(guī)定順序,對δ、TI、TD逐個(gè)整定,直到獲得滿意的過渡過程為止。這種方法簡單,適用于各種控制系統(tǒng),應(yīng)用廣泛。特別是外界擾動(dòng)作用頻繁,記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng),采用此法最為合適。但此法主要是靠經(jīng)驗(yàn),在缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或過渡過程本身較慢時(shí),往往較為費(fèi)時(shí)。14.5執(zhí)行器要求：了解氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器的基本組成、基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用；掌握控制閥的流量特性、執(zhí)行器的氣開氣關(guān)形式及控制器的正反作用的選擇、控制閥口徑的選擇。14.5.1執(zhí)行器的基本組成執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分.它的作用是接收控制器送來的控制信號,改變被控介質(zhì)的流量,從而將被控變量維持在工藝要求的數(shù)值上或在一定的范圍內(nèi)。執(zhí)行器按其使用能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類。氣動(dòng)執(zhí)行器用壓縮空氣做為能源,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆、價(jià)格低廉,因此廣泛應(yīng)用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中。在采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí),只要經(jīng)過電-氣轉(zhuǎn)換器或電-氣閥門定位器將電信號轉(zhuǎn)換為0.02~0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號,也可以使用氣動(dòng)執(zhí)行器。而電動(dòng)執(zhí)行器的能源取用方便,信號傳遞迅速,在油田中也在大量使用。執(zhí)行器基本上是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)<閥>兩部分組成,如圖14.5-1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置,它按控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力,推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,所以它是將控制信號轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的控制部分,它直接與被控介質(zhì)接觸,控制流體的流量,所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置。14.5.2氣動(dòng)薄膜控制閥氣動(dòng)執(zhí)行器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成。圖14.5-1所示即為氣動(dòng)執(zhí)行器。根據(jù)不同的使用要求,它們又可分為許多不同的形式。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為活塞式和薄膜式兩種?；钊綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的推力較大,主要適用于大口徑、高壓降控制閥和蝶閥的推動(dòng)裝置。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最為常用,它可以用做一般控制閥的推動(dòng)裝置,組成氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu),習(xí)慣上稱為氣動(dòng)薄膜控制閥。它的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維修方便、應(yīng)用廣泛。⒈氣動(dòng)薄膜控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式<見圖14.5-2>。當(dāng)來自控制器或閥門定位器的信號壓力增大時(shí),閥桿向下動(dòng)作的叫正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)<ZMA型>；當(dāng)信號增大時(shí)閥桿向上動(dòng)作的叫反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)<ZMB型>?，F(xiàn)以正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例來說明氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。它是由上下膜蓋、波紋膜片、推桿、彈簧、標(biāo)尺等組成。當(dāng)來自控制器的氣壓信號增大時(shí),通過上膜蓋上的膜頭作用在橡膠膜片上,產(chǎn)生向下的推力增大,使推桿移動(dòng)并壓縮彈簧,當(dāng)彈簧的反作用力與推力相等時(shí),推桿穩(wěn)定在某一位置上。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移與輸入氣壓信號成比例關(guān)系。信號壓力越大,推桿的位移量也越大,推桿的位移l就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線輸出位移,也稱行程。當(dāng)信號壓力在0.02~0.1MPa范圍變化時(shí),閥桿做全行程動(dòng)作。行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。⒉控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)即控制閥,實(shí)際上是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過閥桿上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連,下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng),改變了閥芯與閥座之間的流通面積,即改變了閥的阻力系數(shù),被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變,從而達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的。根據(jù)不同的使用要求,控制閥的機(jī)構(gòu)型式很多,主要有直通單座閥、直通雙座閥、角形閥、三通閥、蝶閥<翻板閥>、隔膜閥、籠式閥<套筒閥>、凸輪撓曲閥<偏心旋轉(zhuǎn)閥>、球閥等?？刂崎y的閥芯與閥桿間用銷釘連接,這種連接形式使閥芯根據(jù)需要可以正裝<正作用>,也可以反裝<反作用>,如圖14.5-3所示。14.5.3電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器是接收來自控制器的4~20mA的直流電流信號,并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移,去操縱閥門、檔板等控制機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。電動(dòng)執(zhí)行器有角行程、直行程和多轉(zhuǎn)式等類型。角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力元件,將輸入的直流電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移<0°~90°>,這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于操縱蝶閥、檔板之類的旋轉(zhuǎn)式控制閥。直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收輸入的直流電流信號后,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),然后經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出,去操縱單座、雙座、三通等各種控制閥和其它直線式控制機(jī)構(gòu)。多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用來開啟和關(guān)閉閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門。各種類型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣原理上基本是相同的,只是減速器不一樣。下面以角行程的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例說明。角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成,如圖14.5-4所示。其工作過程大致如下：伺服放大器將由控制器來的輸入信號與位置反饋信號進(jìn)行比較,當(dāng)無信號輸入時(shí),由于位置反饋信號也為零,放大器無輸出,電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；如有信號輸入,且與位置反饋信號比較產(chǎn)生偏差,經(jīng)放大器放大后,驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī),經(jīng)減速后使減速器的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng),直到與輸出軸相連的位置發(fā)送器的輸出信號與輸入信號相等為止。此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與該輸入信號相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角上,實(shí)現(xiàn)了輸入電流信號與輸出轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換。位置發(fā)送器是能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mADC反饋信號的裝置,它的主要部分是差動(dòng)變壓器。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,還可以通過操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的相互切換。當(dāng)操縱器的切換開關(guān)置于手動(dòng)操縱位置時(shí),由正、反操作按鈕直接控制電動(dòng)機(jī)的電源,以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),進(jìn)行遙控手動(dòng)操作。14.5.4控制閥的流量特性控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度<相對位移>之間的關(guān)系,式中

相對流量Q/Qmax——控制閥某一開度時(shí)的流量與全開時(shí)的流量Qmax之比；相對開度

l/L——控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。流量特性通常有兩種形式,即理想流量特性和工作流量特性。一、理想流量特性指在控制閥前后壓差保持不變的條件下得到的流量特性。它取決閥芯的形狀,如圖14.5-5所示,主要有直線、等百分比<對數(shù)>、拋物線及快開等幾種。⒈直線流量特性直線流量特性是指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系,即單位位移所引起的流量變化是常數(shù)?？杀硎緸?/p>

式中K為常數(shù),即控制閥的放大系數(shù)KV。直線流量特性見圖14.5.6中的曲線2。由上式可推得其相對流量與相對位移之間的關(guān)系：

式中R為可調(diào)比,是控制閥所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin<一般是Qmax的2%~5%>的比值。國產(chǎn)控制閥的理想可調(diào)比為30<隔膜閥為10>。直線流量特性控制閥的特點(diǎn):由于放大系數(shù)KV是一個(gè)常數(shù),不論閥桿原來在什么位置,只要閥桿作相同的變化,流量也作相同的變化。因此,直線控制閥在開度較小時(shí)流量相對變化量大,這時(shí)靈敏度過高,控制作用過強(qiáng),易產(chǎn)生振蕩,對控制不利；在開度較大時(shí)相對流量變化量小,這時(shí)靈敏度又太低,控制作用緩慢。因此直線控制閥在大開度和小開度的情況下控制性能都較差,不宜用于負(fù)荷變化大的場合。⒉等百分比<對數(shù)>流量特性等百分比流量特性是指單位相對開度變化所引起的相對流量變化與該點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系,即控制閥的放大系數(shù)KV隨相對流量的增加而增大。可表示為

由上式可推得其相對流量與相對位移之間的關(guān)系：

等百分比流量特性見圖14.5.6中的曲線4。等百分比流量特性控制閥的特點(diǎn)：從圖中可看出,控制閥的放大系數(shù)KV隨相對開度的增大而增大。因此,在同樣的開度變化量下,相對流量小時(shí),其變化量也小,控制平穩(wěn)緩和；相對流量大時(shí),其變化量也大,控制靈敏有效。⒊拋物線流量特性拋物線流量特性是指閥的相對流量與相對開度之間成拋物線關(guān)系?？杀硎緸?/p>

拋物線流量特性見圖14.5-6中的曲線3。它介于直線特性與等百分比特性之間。⒋快開流量特性這種流量特性是在開度小時(shí)就有較大的流量,隨著開度的增大,流量很快就達(dá)到最大,隨后再增大開度時(shí)流量的變化就很小了,因此稱為快開特性。其特性曲線見圖14.5-6中的曲線1。具有快開流量特性的控制閥適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。二、工作流量特性在實(shí)際生產(chǎn)中,控制閥前后壓差總是變化的,這時(shí)的流量特性稱之為工作流量特性。⒈串聯(lián)管道的工作流量特性以圖14.5-7所示的串聯(lián)系統(tǒng)為例來討論,系統(tǒng)的總壓差Δp等于管路系統(tǒng)的壓差Δp2與控制閥的壓差Δp1之和,如圖14.5-8所示。以s表示控制閥全開時(shí)閥上壓差與系統(tǒng)總壓差<即系統(tǒng)中最大流量時(shí)動(dòng)力損失總和>之比,以Qmax表示管道阻力等于零時(shí)控制閥的全開流量,則可得串聯(lián)管道以Qmax作參比值的工作流量特性,如圖14.5-9所示。圖中,當(dāng)s=1時(shí),

管道阻力損失為零,系統(tǒng)總壓差全降在閥上,控制閥的工作特性與理想特性一致。隨著s值的減小,直線特性逐漸趨近于快開特性,等百分比特性逐漸趨近于直線特性。因此在實(shí)際使用中,一般希望s值不低于0.3~0.5。⒉并聯(lián)管道的工作流量特性控制閥一般都裝有旁路<見圖14.5-10>,以便手動(dòng)操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)量提高或控制閥選小時(shí),只好將旁路閥打開一些,此時(shí)控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。顯然這時(shí)管路的總流量Q等于控制閥流量Q1與旁路閥流量Q2之和,即Q=Q1+Q2。若以x表示并聯(lián)管道時(shí)控制閥全開時(shí)的流量Q1max與總管最大流量Qmax之比,則可得到在壓差Δp一定,而x為不同數(shù)值時(shí)的工作流量特性,如圖14.5-11所示。由圖可見,當(dāng)x=1,即旁路閥關(guān)閉<Q2=0>時(shí),控制閥的工作特性與理想特性相同。隨著x值的減小,即旁路閥逐漸打開,雖然閥本身的流量特性變化不大,但可調(diào)范圍大大降低了。所以,采用旁路閥的控制方案是不好的,一般認(rèn)為旁路流量最多只能是總流量的百分之幾,即x值最小不低于0.8。綜合上述串、并聯(lián)管道的情況,可得如下結(jié)論：①串、并聯(lián)管道都會(huì)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(huì)使控制閥的可調(diào)范圍降低,并聯(lián)管尤為嚴(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)管道會(huì)使控制閥的放大系數(shù)減小。串聯(lián)管道時(shí)控制閥若處于大開度,則s值降低對放大系數(shù)影響更為嚴(yán)重；并聯(lián)管道時(shí)控制閥若處于小開度,則x值降低對放大系數(shù)影響更為嚴(yán)重。三、控制閥的選擇選用控制閥時(shí),一般要根據(jù)被控介質(zhì)的特點(diǎn)<即溫度、壓力、腐蝕性、粘度等>、控制要求、安裝地點(diǎn)等因素,參考各種類型控制閥的特點(diǎn)合理地選用。在具體選用時(shí),一般應(yīng)考慮下面幾個(gè)主要問題。⒈控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)工藝條件,如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性<如腐蝕性、粘度等>來選擇。例如強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)可采用隔膜閥,高溫介質(zhì)可選用帶翅形散熱片的結(jié)構(gòu)形式等?？刂崎y的流量特性一般是先按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇閥的希望流量特性,然后再考慮工藝配管情況來選擇相應(yīng)的理想流量特性。使控制閥在具體的管道系統(tǒng)中,畸變后的工作流量特性能滿足控制系統(tǒng)對它的要求。目前使用較多的是等百分比流量特性。⒉氣開式與氣關(guān)式的選擇氣動(dòng)執(zhí)行器有氣開式與氣關(guān)式兩種型式。有信號時(shí)閥關(guān),無信號時(shí)閥開的為氣關(guān)式,反之為氣開式。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反作用,控制閥也有正、反裝,因此氣動(dòng)執(zhí)行器的氣關(guān)或氣開可由此組合而成,如圖14.5-12和表14.5-1所示。氣開、氣關(guān)的選擇原則：當(dāng)儀表供氣系統(tǒng)發(fā)生故障或控制信號突然中斷時(shí),應(yīng)保證生產(chǎn)設(shè)備安全和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時(shí)危害性小,則應(yīng)選擇氣關(guān)式；反之,則應(yīng)選擇氣開式。⒊控制閥口徑的選擇控制閥口徑選擇得合適與否將會(huì)直接影響控制效果?？趶竭x得過小,會(huì)使流經(jīng)控制閥的介質(zhì)達(dá)不到所需的最大流量。在大的擾動(dòng)情況下,系統(tǒng)會(huì)因介質(zhì)流量的不足而失控,使控制效果變差,此時(shí)若企圖通過開大旁路閥來彌補(bǔ)介質(zhì)流量的不足,則會(huì)使閥的流量特性發(fā)生畸變；口徑選得過大,不僅會(huì)浪費(fèi)設(shè)備投資,而且會(huì)使控制閥經(jīng)常處于小開度工作,控制性能也會(huì)變差,易使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定?？刂崎y的口徑選擇是由控制閥的流量系數(shù)C值決定的。C的定義為：在給定的行程下,當(dāng)閥兩端壓差為100kPa,流體密度為1g/cm3時(shí),流經(jīng)控制閥的流體流量<以m3/h表示>?？刂崎y的流量系數(shù)C表示控制閥容量的大小,是表示控制閥流通能力的參數(shù)。因此,C亦稱為控制閥的流通能力。對于不可壓縮的流體,且閥前后壓差p1-p2不太大<即流體為非阻塞流>時(shí),其流量系數(shù)C的計(jì)算公式為：

式中

ρ——流體密度,g/cm3；Q——流經(jīng)閥的流量,m3/h；p1-p2——閥前后的壓差,kPa。從上式中可看出,當(dāng)閥前后壓差為100kPa時(shí),流經(jīng)閥的水<ρ=1g/cm3>流量Q即為該閥的C值?？刂崎y全開時(shí)的流量系數(shù)C100稱為控制閥的最大流量系數(shù)Cmax。Cmax與控制閥的口徑大小有著直接的關(guān)系。因此,控制閥口徑的選擇實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)特定的工藝條件<即給定的介質(zhì)流量、閥前后的壓差及介質(zhì)的物性參數(shù)等>進(jìn)行Cmax值的計(jì)算,然后按控制閥生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄,選出相應(yīng)的控制閥口徑,使得通過控制閥的流量滿足工藝要求的最大流量且有一定的裕量,但裕量不宜過大。C值的計(jì)算與介質(zhì)的特性、流動(dòng)的狀態(tài)等因素有關(guān),具體計(jì)算時(shí)應(yīng)參考有關(guān)計(jì)算手冊或應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件。四、控制器正、反作用的選擇自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。在執(zhí)行器、被控對象作用方向已經(jīng)確定的情況下,控制器的正、反作用的選擇就決定著控制系統(tǒng)是否具有負(fù)反饋?zhàn)饔?。所謂作用方向,是指輸入變化后,輸出的變化方向。當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí),其輸出也增加,則稱該環(huán)節(jié)為"正作用"方向；反之,當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入增加時(shí),其輸出反而減少,則稱該環(huán)節(jié)為"反作用"。由于測量變送器,其作用方向一般都是"正作用"。因此,在考慮整個(gè)控制系統(tǒng)的作用方向時(shí),只需考慮控制器、執(zhí)行器和被控對象三個(gè)環(huán)節(jié)的作用方向,使它們組合后能起到負(fù)反饋的作用。對于控制閥,其作用方向由工藝安全條件決定。氣開式為"正作用"方向,氣關(guān)式為"反作用"方向。對于被控對象,其作用方向由工藝機(jī)理確定。當(dāng)操縱變量增加時(shí),被控變量也增加,則被控對象為"正作用"方向；反之,當(dāng)操縱變量增加時(shí),被控變量反而減小,則被控對象為"反作用"方向。對于控制器,由于給定值是內(nèi)部信號,因此其輸入信號是被控變量的測量值。當(dāng)被控變量的測量值增加時(shí),控制器的輸出也增加,稱其為"正作用"方向；反之,當(dāng)被控變量的測量值增加時(shí),控制器的輸出信號反而減小,則稱其為"反作用"?？刂破鞯恼?、反作用的確定可通過控制器上的正、反作用切換開關(guān)來進(jìn)行。選擇控制器正、反作用的一般步驟為：①由操縱變量對被控變量的影響確定被控對象的作用方向；②從工藝安全條件來確定控制閥的氣開、氣關(guān)形式；③在滿足系統(tǒng)負(fù)反饋控制的各環(huán)節(jié)<控制器、執(zhí)行器、被控對象及測量變送器>符號乘積為"負(fù)"的條件下,選擇控制器的正、反作用方向。[例14.5-1]圖14.5-13所示為一換熱器溫度控制系統(tǒng),要求物料溫度不能過高,否則容易分解,則其執(zhí)行器和控制器分別應(yīng)如何選擇作用方向？〔A氣關(guān)閥、正作用

〔B氣開閥、反作用〔C氣關(guān)閥、反作用

〔D氣開閥、正作用正確答案：〔B題解：〔1操縱變量〔熱劑流量越大,被控變量〔換熱器物料出口溫度越高,被控對象為正作用〔+?！?由于要求物料溫度不能過高,在控制器失靈而無控制信號或氣源斷氣時(shí),控制閥應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài),以避免閥門全開導(dǎo)致熱劑流量達(dá)到最大,溫度不斷上升而使物料分解,因此控制閥應(yīng)選氣開閥,即正作用〔+?！?為形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),使各環(huán)節(jié)符號乘積為"負(fù)",控制器必須選用反作用〔-。這樣才能當(dāng)換熱器出口溫度上升時(shí),控制器的輸出減小,使閥門開度減小,加熱劑流量也隨之減小,從而使出口溫度下降?！睞答案雖然能夠形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),但不能確保生產(chǎn)安全,是錯(cuò)誤答案。〔C〔D答案不能形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),都是錯(cuò)誤答案。[例14.5-2]圖14.5-14為貯罐液位控制系統(tǒng),為安全起見,貯罐內(nèi)液體嚴(yán)禁溢出。當(dāng)選擇流出量QO為操縱變量時(shí),其控制閥和控制器分別應(yīng)如何選擇作用方向？〔A氣關(guān)式、正作用

〔B氣開式、正作用

〔C氣關(guān)式、反作用

〔D氣開式、反作用正確答案：〔C題解：在該系統(tǒng)中,貯罐是被控對象,流出量Q0是操縱變量,貯槽液位高度h是被控變量。①當(dāng)操縱變量流出量Q0增加時(shí),,被控變量液位高度h下降,因此對象是反作用〔-。②從工藝安全條件出發(fā),為避免當(dāng)控制信號突然中斷時(shí),控制閥全關(guān)而導(dǎo)致液體溢出,,執(zhí)行器應(yīng)選氣關(guān)式,即反作用〔-。③為保證控制系統(tǒng)是負(fù)反饋,使各環(huán)節(jié)符號乘積為"負(fù)",控制器必須選用反作用〔-。這樣才能當(dāng)液位上升時(shí),控制器的輸出減小,從而開大輸出閥門,,使液位能降下來?！睞、〔D答案都無法形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),都是錯(cuò)誤答案?！睟答案雖能形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),但不能確保生產(chǎn)安全,也是錯(cuò)誤答案。14.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求：了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成與基本概念。14.6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成由被控制的生產(chǎn)過程和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)所組成的控制系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng)中,如果用計(jì)算機(jī)代替常規(guī)控制器,則可構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖14.6-1所示為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,由于計(jì)算機(jī)的輸入和輸出信號都是數(shù)字信號,因此需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器以及將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換器。由圖可知,計(jì)算機(jī)是通過各種接口及外部設(shè)備與生產(chǎn)過程發(fā)生關(guān)系,并對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制的。圖中,被控變量的測量值經(jīng)傳感器或變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號,再送到A/D轉(zhuǎn)換器后得到數(shù)字信號,該數(shù)字信號通過接口送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按預(yù)定的控制程序?qū)ζ溥M(jìn)行必要的處理、分析和比較,并按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算,從而得出控制量的改變值的數(shù)字量,再通過D/A轉(zhuǎn)換器得到模擬量,送執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對被控變量的自動(dòng)控制。從本質(zhì)上來看,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程主要包括以下三個(gè)內(nèi)容：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

對被控變量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測,并輸入計(jì)算機(jī)；②實(shí)時(shí)決策

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算,根據(jù)運(yùn)算結(jié)果,決定進(jìn)一步的控制決策；③實(shí)時(shí)控制

根據(jù)決策,實(shí)時(shí)地對控制機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號。所謂"實(shí)時(shí)"是指信號的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成。亦即計(jì)算機(jī)對輸入信息,能以足夠快的速度進(jìn)行處理,并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)和進(jìn)行控制。超過了這個(gè)時(shí)間,就失去了控制的時(shí)機(jī),控制也就失去了意義。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成如圖14.6-2所示。二、各組成部分的功能作為生產(chǎn)過程控制的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。⒈硬件部分主要包括計(jì)算機(jī)<主機(jī)>、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動(dòng)化儀表及操作控制臺(tái)等,它是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的物質(zhì)基礎(chǔ)。⒉軟件部分軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。⑴系統(tǒng)軟件包括程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)<用戶編制程序所需要的工作程序>、操作系統(tǒng)<對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理、調(diào)度的程序>及診斷系統(tǒng)<對計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試、查錯(cuò)及故障修復(fù)的工具性程序>。⑵應(yīng)用軟件為執(zhí)行具體任務(wù)而編制的用戶程序,因控制對象的不同而異,一般由用戶自行建立,生產(chǎn)廠有時(shí)也提供其中的通用部分。它主要包括過程監(jiān)視程序<巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、越限報(bào)警及操作臺(tái)服務(wù)程序等>、過程控制程序<描述生產(chǎn)過程、控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作的程序等>及公共應(yīng)用程序<制表打印、服務(wù)子程序等>。三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：與模擬控制系統(tǒng)相比,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①計(jì)算機(jī)完全取代模擬控制器,可實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)甚至更多的單回路的PID控制,經(jīng)濟(jì)合算。②通過編程,能比較容易地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制,如串級控制、前饋控制、自動(dòng)選擇性控制、具有較大純滯后對象的控制等。當(dāng)控制要求發(fā)生變化時(shí),可通過重新編程來適應(yīng)控制要求的改變而不必改動(dòng)硬件結(jié)構(gòu)。③把顯示、記錄、報(bào)警和設(shè)定值的設(shè)定等都集中在操作控制臺(tái)上,給操作人員帶來很大方便。通過控制臺(tái),可以進(jìn)行修改設(shè)定值、調(diào)整報(bào)警極限、查看過程變量、修改控制算法中的參數(shù)、改變控制規(guī)律等操作。其缺點(diǎn)是：要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的可靠性高。在比較重要的場合,應(yīng)配備后備系統(tǒng),否則會(huì)直接影響生產(chǎn)。14.6.2直接數(shù)字控制<DDC>系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)<DirectDigitalControlSystem>簡稱DDC系統(tǒng),它是用一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)配以適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲈O(shè)備,從生產(chǎn)過程中經(jīng)輸入通道獲取信息,按照預(yù)先規(guī)定的控制算法<如PID、內(nèi)回流等>計(jì)算出控制量,并通過輸出通道直接作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。通常它有幾十個(gè)控制回路。DDC系統(tǒng)是微型機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用最普遍最基本的一種方式。從控制方式來說,可以說它是一種由微型計(jì)算機(jī)代替常規(guī)控制器所組成的一種簡單的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其原理可由圖14.6-1表示。其基本組成也可用圖14.6-2表示。14.6.3集散控制系統(tǒng)<DCS>一、基本概念及組成分布式控制系統(tǒng)<DistributedControlSystem>簡稱DCS,在我國有一個(gè)意譯的名稱,叫做集散控制系統(tǒng),意思是說,這種系統(tǒng)在信息上是集中管理的,在控制上是分散的。這種既集中又分散的控制方式使它既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算式先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),又有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。集散系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一種分層次的控制裝置?；究刂破魍瓿涩F(xiàn)場各子系統(tǒng)的現(xiàn)場直接控制任務(wù)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)則通過協(xié)調(diào)各基本控制器的工作,達(dá)到過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化；管理或調(diào)度計(jì)算機(jī)則完成制定生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品管理、財(cái)務(wù)管理、人員管理以及工藝流程管理等一系列來自組織層的任務(wù)。集散控制系統(tǒng)的品種繁多,但其基本結(jié)構(gòu)是類同的。圖14.6-3是集散控制系統(tǒng)的基本組成示意圖。它主要由基本控制站、數(shù)據(jù)采集站、CRT操作站、上位計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通道組成。大規(guī)模的DCS系統(tǒng),上位計(jì)算機(jī)除執(zhí)行監(jiān)控職能外,還有更上一層管理或調(diào)度計(jì)算機(jī)。小規(guī)模的DCS系統(tǒng)可不帶上位計(jì)算機(jī)和CRT操作站。二、DCS的各組成部分⒈基本控制站基本控制器是集散系統(tǒng)中最基本的控制單元。它可以與操作面板配合組成最小規(guī)模的控制系統(tǒng),這種控制系統(tǒng)可以代替模擬式控制器的工作,控制回路有2~64個(gè)。它還可以直接掛在高速數(shù)據(jù)通道上,組成更大規(guī)模的控制系統(tǒng)?；究刂普静捎霉δ苣K組件組裝式的總線結(jié)構(gòu)。其控制算法有7~212種,除了進(jìn)行基本的PID控制外,還可以進(jìn)行位式控制、串級控制、選擇性控制以及邏輯控制等。為了提高可靠性,基本控制站一般都有冗余配置,主設(shè)備與備用設(shè)備之比<備份比>一般為1∶1~8∶1。⒉數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站又稱為過程輸入輸出接口,它是為過程中的非控制變量專門設(shè)置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它不但能完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理,而且還能對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理,供CRT操作站顯示和打印,實(shí)現(xiàn)開環(huán)集中監(jiān)視。它要求采集系統(tǒng)的容量大、采樣速率高,能適用于不同類型的過程變量和各種工藝條件。為了減輕通信系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),一般采用"非正常情況報(bào)告"的傳送方式,由接口單元自身對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和存儲(chǔ)。⒊CRT操作站作為集散系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置,CRT操作站一般配有高分辨率大屏幕的彩色CRT、操作員鍵盤、工程師鍵盤、打印機(jī)、硬拷貝機(jī)和大容量存儲(chǔ)器。操作站除了執(zhí)行對過程的監(jiān)控操作外,系統(tǒng)的組態(tài)、編程也可在操作站上進(jìn)行。為了使操作直觀方便,CRT除了有一套標(biāo)準(zhǔn)畫面的選擇性顯示外,一般還有動(dòng)態(tài)流程圖顯示功能。操作站還有打印輸出功能,可以完成部分的生產(chǎn)管理工作,如打印各種日報(bào)表、報(bào)警表和CRT屏幕拷貝,以及提供特種打印服務(wù)。⒋高速數(shù)據(jù)通道集散系統(tǒng)的特征之一是系統(tǒng)中采用多處理機(jī)結(jié)構(gòu),這就使各處理機(jī)之間的聯(lián)系,特別是上位計(jì)算機(jī)與各基本控制站的處理機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送變得十分重要。為了使各處理機(jī)之間的數(shù)據(jù)能夠合理傳送,必須將通信系統(tǒng)構(gòu)成一定的網(wǎng)絡(luò),并遵循一定的通信方式才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)DCS的覆蓋范圍和管理?xiàng)l件,在DCS中常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于局部網(wǎng)絡(luò)〔Local—Area—Network的