第六章 控制儀表與裝置

一、控制儀表與裝置的分類與發(fā)展二、調(diào)節(jié)器三、執(zhí)行器四、變送器第六章一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展基地式儀表電動單元組合儀表組件組裝式儀表數(shù)字式儀表DCS系統(tǒng)現(xiàn)場總線儀表FCS一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展基地式儀表單參數(shù)，單回路；檢測、放大、顯示與控制是一個整體；系統(tǒng)功能固定；儀表之間不能相互兼容；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展電動單元組合儀表主要特點整套儀表分為若干個獨立功能單元；各功能單元之間以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號聯(lián)系；可以靈活組合各種控制系統(tǒng)；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展電動單元組合儀表結(jié)構(gòu)特點調(diào)節(jié)對象檢測元件變送單元顯示單元給定單元操作單元調(diào)節(jié)單元執(zhí)行單元閥門被調(diào)量自動手動單元組合儀表一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展電動單元組合儀表DDZ系列DDZ－I型（50年代）：電子管與磁放大器型；DDZ－II型（60年代）：晶體管型；DDZ－III型（70年代）：集成運算放大器型；DDZ－S型（80年代）：智能微處理器型；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展組件組裝式儀表目標(biāo)：大型企業(yè)綜合自動化的需要；基本構(gòu)成元件：集成運算放大器；結(jié)構(gòu)特點：將以下兩大功能分開 顯示、操作功能—操作盤； 調(diào)節(jié)、運算與控制功能—控制柜；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展組件組裝式儀表調(diào)節(jié)對象檢測元件變送單元顯示單元給定單元操作單元調(diào)節(jié)單元執(zhí)行單元被調(diào)量自動手動組件組裝式儀表分布圖集控室現(xiàn)場一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展數(shù)字式儀表專用控制器單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器（可編程調(diào)節(jié)器） 用于模擬量連續(xù)調(diào)節(jié)；可編程控制器PLC

用于開關(guān)量順序控制；分散控制系統(tǒng)DCS

由網(wǎng)絡(luò)分為上下兩層：上層實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與監(jiān)督控制，下層實現(xiàn)控制功能；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展數(shù)字式儀表可編程調(diào)節(jié)器解決了模擬儀表體積龐大、功能單一，控制系統(tǒng)實現(xiàn)困難等缺點，實現(xiàn)了將控制策略的硬接線變?yōu)檐浗泳€！一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展數(shù)字式儀表通用工業(yè)PCSTD總線工業(yè)PC；PC總線（ISA與PCI）工業(yè)PC；PC104標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)PC；優(yōu)點： 缺點：1、軟件資源豐富；

1、可靠性依賴于設(shè)計；2、硬件功能軟件化； 2、使用人員專業(yè)性強；3、系統(tǒng)構(gòu)成靈活；（給水泵控制）4、成本較低；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展DCS系統(tǒng)——DistributedControlSystem網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)圖一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展DCS系統(tǒng)控制站與現(xiàn)場信號DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布圖優(yōu)點：4C技術(shù)綜合應(yīng)用；計算機網(wǎng)絡(luò)的使用；使用方便；功能豐富；缺點：數(shù)字化不徹底；沒有通信標(biāo)準(zhǔn)，兼容性差；自動化孤島；一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展現(xiàn)場總線儀表FCS——FieldbusControlSystem現(xiàn)場儀表智能化——具有本地控制和總線通信的能力；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)徹底分散。進入80年代中后期，由于微電子技術(shù)、軟件技術(shù)的長足發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)逐步向工業(yè)控制系統(tǒng)滲透，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線逐步取代了4～20mA的模擬信號傳輸線，并由此引發(fā)了控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)革命。主要表現(xiàn)為：一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展現(xiàn)場總線儀表FCS現(xiàn)場總線特點現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域的通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),也被稱之為工廠的底層網(wǎng)絡(luò).總線是構(gòu)成自動化系統(tǒng)的紐帶，網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)氖强刂菩畔?。它是有別于計算機網(wǎng)絡(luò)，電視、電話網(wǎng)絡(luò)的另一類網(wǎng)絡(luò)特點：適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。多為短幀傳送，通信的傳輸速率相對較低。一、控制儀表與裝置的分類和發(fā)展現(xiàn)場總線儀表FCSFCS較DCS的諸多優(yōu)點1全數(shù)字化2全分布3雙向傳輸4自診斷5節(jié)省布線及控制室空間6多功能儀表7開放性8互操作性9智能化與自治性二、調(diào)節(jié)器PID（比例—積分—微分）調(diào)節(jié)器在工業(yè)控制中得到廣泛地應(yīng)用。它有如下特點：1.對系統(tǒng)的模型要求低實際系統(tǒng)要建立精確的模型往往很困難。而PID調(diào)節(jié)器對模型要求不高，甚至在模型未知的情況下，也能進行調(diào)節(jié)。2.調(diào)節(jié)方便調(diào)節(jié)作用相互獨立，最后以求和的形式出現(xiàn)的，人們可改變其中的某一種調(diào)節(jié)規(guī)律，大大地增加了使用的靈活性。3.適應(yīng)范圍較廣一般校正裝置，系統(tǒng)參數(shù)改變，調(diào)節(jié)效果差，而PID調(diào)節(jié)器的適應(yīng)范圍廣，在一定的變化區(qū)間中，仍有很好的調(diào)節(jié)效果。二、調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器的運動方程為：寫成傳遞函數(shù)形式不難看出，引入PID調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)的型號數(shù)增加了Ⅰ，還提供了兩個實數(shù)零點。因此，對提高系統(tǒng)的動態(tài)特性方面有更大的優(yōu)越性。二、調(diào)節(jié)器1、比例——微分(PD)調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律調(diào)節(jié)器的運動方程：式中：KD=KpTD——微分調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；

TD——微分時間常數(shù)。傳遞函數(shù)：二、調(diào)節(jié)器為了說明調(diào)節(jié)器的物理意義，以二階系統(tǒng)為例：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

以上分析可知：PD調(diào)節(jié)器的引入，相當(dāng)于給原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個s=－Kp/KD的零點.

二、調(diào)節(jié)器系統(tǒng)輸出超調(diào)分析（電動機振動系統(tǒng)）

a.0＜t＜t1：e(t)>0，電動機提供了過大的轉(zhuǎn)矩，同時又沒有阻尼所造成的。（解決：t=ta時提前制動）b.t1＜t＜t3：e(t)＜0

，電動機轉(zhuǎn)矩也為負(fù)，使輸出相反加速下降，由于慣性的存在，加之缺少阻尼，在t3<t<t5的時間內(nèi)，出現(xiàn)了向下的超調(diào)量。

二、調(diào)節(jié)器PD調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響分析。由微分調(diào)節(jié)器作用由TD決定。TD大，微分作用強，TD小，微分作用弱，選擇好TD很重要。二、調(diào)節(jié)器

由以上分析可知：微分控制是一種“預(yù)見”型的控制。它測出e(t)的瞬時變化率，作為一個有效早期修正信號，在超調(diào)量出現(xiàn)前會產(chǎn)生一種校正作用。

如果系統(tǒng)的偏差信號變化緩慢或是常數(shù)，偏差的導(dǎo)數(shù)就很小或者為零，這時微分控制也就失去了意義。

注意：模擬PD調(diào)節(jié)器的微分環(huán)節(jié)是一個高通濾波器，會使系統(tǒng)的噪聲放大，抗干擾能力下降，在實際使用中須加以注意解決。二、調(diào)節(jié)器2、比例——積分(PD)調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)令則二、調(diào)節(jié)器可見：引入PI調(diào)節(jié)器后，閉環(huán)系統(tǒng)由原來的Ⅰ型系統(tǒng)變成了Ⅱ型系統(tǒng)，對改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性是有好處的。另一方面由于系統(tǒng)的階次提高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降了。如果Kp、KI選擇不當(dāng)，很可能會造成不穩(wěn)定。給定值測量值偏差控制器控制器輸出控制閥操縱變量對象被控變量干擾作用測量元件變送器閉環(huán)系統(tǒng)比較機構(gòu)qfXezpy三、執(zhí)行器在過程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器接受控制器的指令信號，經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變被控對象進、出的能量或物料，以實現(xiàn)過程的自動控制。三、執(zhí)行器氣動薄膜直通單座閥氣動薄膜直通雙座閥氣動蝶閥氣動球閥氣動切斷閥電動直通單座閥電動隔膜閥電動三通閥氣動薄膜角形閥電磁閥手動截止閥三、執(zhí)行器執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調(diào)節(jié)閥(連續(xù)的)、開關(guān)閥(過程控制范疇)

電機－連續(xù)的、開關(guān)的(屬于流體機械的范疇，起執(zhí)行器的作用)執(zhí)行器是控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。執(zhí)行器工作，使用條件惡劣，它也是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)原因：執(zhí)行器與介質(zhì)（操作變量）直接接觸

(強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結(jié)晶、高溫、深冷、高壓、高差壓執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，使調(diào)節(jié)閥的開度產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而達到調(diào)節(jié)操作變量流量的目的。執(zhí)行器通常專指閥門三、執(zhí)行器執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和控制（調(diào)節(jié)）機構(gòu)兩個部分構(gòu)成輔助裝置：閥門定位器和手動操作機構(gòu)。

執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)POIOF→lM→θ流通截面積操縱變量的流量執(zhí)行機構(gòu)——根據(jù)控制信號產(chǎn)生推力(薄膜、活塞、馬達…)。它是執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機構(gòu)動作，所以它是將信號的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置控制機構(gòu)——根據(jù)推力產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)角，改變開度。

它是執(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

手操機構(gòu)——手輪機構(gòu)的作用是當(dāng)控制系統(tǒng)因停電、停氣、控制器無輸出或執(zhí)行機構(gòu)失靈時，利用它可以直接操縱控制閥，以維持生產(chǎn)的正常進行。

三、執(zhí)行器氣動執(zhí)行器分類1－－按使用的能源形式：電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器氣動閥電動閥在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用很少氣動執(zhí)行器：以氣壓為動力，推動機構(gòu)動作。電動執(zhí)行器：以電動機作為動力源，推動機構(gòu)動作。液動執(zhí)行器：以液壓站提供的流體（液壓油）高壓為動力源，推動機構(gòu)動作。三、執(zhí)行器直通雙座調(diào)節(jié)閥直通單座調(diào)節(jié)閥籠式（套筒）調(diào)節(jié)閥角型調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥高壓調(diào)節(jié)閥隔膜調(diào)節(jié)閥波紋管密封調(diào)節(jié)閥超高壓調(diào)節(jié)閥小流量調(diào)節(jié)閥低噪音調(diào)節(jié)閥直行程式調(diào)節(jié)機構(gòu)角行程式調(diào)節(jié)機構(gòu)

同一類型的氣動/電動調(diào)節(jié)閥，分別采用氣動執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)蝶閥凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥V型球閥O型球閥

分類2－－按使用的調(diào)節(jié)機構(gòu)：三、執(zhí)行器儀表的功能：儀表輸出信號輸入信號變送器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器T、P、F、L4~20mA0~10mA20~100KpaDV（DV=PV-SV）控制信號控制信號調(diào)節(jié)閥門開度或泵的轉(zhuǎn)速四、變送器1、變送器的作用：變即轉(zhuǎn)換、送即傳送、器即儀器裝置之意。所以變送器是完成工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換、傳送的過程控制儀表。

（T、P、F、L）（4－20mA、20－100KPa、0－10mA等）。四、變送器2、變送器的構(gòu)成：輸入轉(zhuǎn)換D、放大K、反饋Kf

流量、液位、壓力、溫度4～20mA1～5V20～100KPaD?KfKX'XX0XfY注意：輸入輸出關(guān)系主要由反饋系數(shù)Kf與輸入轉(zhuǎn)換系數(shù)D來決定。

四、變送器變送器是單元組合儀表中不可缺少的單元，其作用是將檢測元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，送到顯示儀表或控制裝置進行顯示、記錄或控制由于變量種類多，因此，變送器的類型也較多溫度變送器壓力變送器液位變送器流量變送器四、變送器按工作能源可分為：電動變送器氣動變