第四章 过程控制仪表及装置

3.3
3.3 3.3
4.67
21.7 7.3
6.58
38.1 12
9.26
52.6 18
13.0 18.3 25.6 36.2 50.8 71.2 100
65.2 75.8 84.5 91.3 96.13 99.03 100 26 35 45 57 70 84 100
抛物线流量特性
当相对位移变化 10 0 0 时， 所引起的相对流量的变 化量为： 1 l (1 ) ( ) 9.67 0 0 R L 所引起的相对流量的变化率为（以下面几点为例）： 22.7 13 0 相对位移为 10 0 时 100 0 0 75 0 0 13 61.3 51.7 0 相对位移为 50 0 时 100 0 0 19 0 0 51.7 90.3 80.6 0 相对位移为 80 0 时 100 0 0 11 0 0 80.6 [说明]：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量
气关式：
当信号压力增大时，阀 反而关小，即“有气则 关”。
气开、气关方式的选择原则： 保证工艺生产的安全。即：当气源一旦中断时， 阀门处于全开还是全关状态，要依首先能够保证设备 和人身安全的原则而定。 以加热炉为例（见右图） 冷水阀： 气关式
燃料阀： 气开式
实现调节阀气开、气关的四种方式：
d 调节阀的流量特性 调节阀的流量特性：指介质流过阀门的相对流量与阀芯相对 位移之间的关系。
l ( 1) Q R L Qmax
特点：阀芯位移变化量相同时，对应的流量变化量不同； 但相对流量的变化率却相同。
仍以上面三点为例，计算其相对流量的变化率：
相对位移为 10 0 时
0
相对位移为 50 0 0 时 相对位移为 80 0 0 时
6.58 4.67 100 0 0 40 0 0 4.67 25.6 18.3 100 0 0 40 0 0 18.3 71.2 50.8 100 0 0 40 0 0 50.8
Ⅱ型电动仪表：0 ～10mA(DC)
Ⅲ型电动仪表：4 ～20mA(DC) 和1 ～5V(DC) 供电方式： 交流供电 和 直流集中供电 体积大、安全性差 直流低电压电源箱
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§4.2 执行器
气动执行器、电动执行器、液动执行器 组成： 执行器 执行机构 调节机构（调节阀）
作用：接受调节器输出的控制信号，经执行机构将其转换 为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调
S 1时， 理想流量特性。 S 1时， 调节阀所能控制的流量范围减小，控制效果不好。
并联管道时直线阀与对数阀的工作特性见下图。
一般S 的值不能低于 0.8。
⑵ 调节阀流量特性的选择 最常用的调节阀流量特性是直线特性和等百分比特性。 ① 过程控制系统的控制质量指标
合理选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，提
[说明]：对数（等百分比）流量特性调节阀在小开度时 KV 小， 控制缓和平稳；在大开度时 KV 大，控制及时有效。（P118） ③ 抛物线流量特性 指阀芯的单位相对位移变化所引起的相对流量变化与
该点的相对流量的平方根成正比。
Q d( ) Qmax Q 即： K l Qmax d( ) L ④ 快开流量特性
但相对流量的变化率却不同。 例：某调节阀的相对位移与相对流量的关系如下表（R=30）
相对位移
Q 0 Qm ax 0
l 0 L 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
相对流量
直线流量特性 等百分比流量特 性 快开流量特性
3.3
13.0
22.7
32.3
42.0 51.7 61.3 71.0 80.6 90.3 100
电磁阀
1、电动执行机构 比例式电动执行机构：通常采用伺服系统的结构方案。
Ii
If
伺服放 大器
伺服电机 位置 发送器
减速器

0 900
mA
执行机构
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§4.3
PID调节器
e
调节器
设定值
u
执行阀 检测变送器
过程
被控量
PID调节器（控制器）：将被控变量的测量值与给定值进行比 较，得到偏差信号，然后对得到的偏 差信号进行比例、积分、微分等运 算，并将运算结果以一定的信号形式 送到执行器，进 而实现对被控变量的 自动控制。
式中：
Q l 即： f( ) Qmax L
Q
Qmax
— 相对流量，即调节阀阀 芯在某一行程时的流量 Q 与全开流量 Qmax之比。
l — 相对位移，即调节阀的 阀芯行程l与全开行程L之比。 L
理想流量特性
工作流量特性
⑴ 理想流量特性
调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性， 调节阀的理想流量特性仅取决于阀芯的形状。 ① 直线流量特性 指调节阀的相对流量与阀芯的相对位移成线性关系。
一、PID调节器类型
1、比例调节器 控制律： U（S）
Kc E（ S）
u Kc e
1

e
kc 比例系数
比例度
注意：上式中调节器的 输出u实际上是对其起始值 u0的增量。即： 当偏差e 0，u 0时，并不意味调节器输 出为零，而是
影响：
u u0。u0的大小是可以通过调整 调节器的工作点加以改 变的。
量特性称为工作流量特性。 ① 串联管道时的工作流量特性
随着阀门开度的增大，调节阀前后的压差将逐渐减小。
假设总压差 P一定，
用S表示调节阀全开时阀门 前后的压差P V min与系统总 压差P之比。
S P V min P
S 1时， 理想流量特性。 S 1时，分析调节阀的流量特性（与理想流量特性相比）
积分控制作用有利于消 除余差，但降低 了系统的稳定性，特别 是当TI比较小时，稳 定性下降更为严重。
在调节器参数整定时，如欲得到与 纯比例作用相同的稳定性，当引入积分 作用后，应适当减小 K c ，以补偿积分 作用造成的稳定性下降。
3、比例微分调节器 控制律：
U（S） 1 K（ （ 1 TD S） TD —微分时间常数 c 1 TD S） E（S）
特点：行程较小时，流量就比较大，随着行程的增大，流量 很快就达到最大。适于要求快速开、闭的控制系统。 四种理想流量特性曲线如 右图所示：
1—快开流量特性；
2—直线流量特性； 3—抛物线流量特性；
4—对数（等百分比）流量特性
⑵ 工作流量特性
在实际使用时，调节阀安装在管道上，或串联或 有并联旁路，调节阀前后的压差是变化的，此时的流
电动Ｖ型球阀
直行程电动套筒调节阀
电动调节蝶阀
电动三通合流(分流) 调节阀
气动蝶阀
三通球阀
b 流通能力C
调节阀全开，阀前后压 差为0.1MPa、流体 重量为 1g / cm3时，每小时通过阀门的 流体流量， 单位m 或kg。
对于不可压缩流体的流量，有：
3
Q A0
2g

( p1 p2 ) ——差压流量计中已作介绍
的变化率太大，控制作用太强，易引起超调，产生振荡；而 在大开度工作时，相对流量的变化率较小，控制作用太弱， 造成控制作用不够及时。（P117）
② 对数（等百分比）流量特性 指阀芯的单位相对位移变化所引起的相对流量变化 与该点的相对流量成正比。
Q d( ) Qmax Q 即： K( ) KV l Qmax d( ) L 对上式求积分，并代入边界条件得：
节阀）的流通截面积，以控制流入或流出被控过程
的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
一、气动执行器
1 气动执行机构
1、上盖； 2、膜片；
3、平衡弹簧；
4、阀杆； 5、阀体； 6、阀座； 7、阀芯；
工作原理：阀杆的受力平衡
p A K L
其中：
p — 气动调节器的输出压力 信号； A — 膜片的有效面积； K — 弹簧的弹性系数； L — 阀杆的位移。 A L p K 即 L p
a) 调节阀全开时，流量减小，即调节范围变小；
b) 流量特性曲线呈向上拱形式，
直线流量特性 快开流量特性
等百分比流量特性
直线流量特性
串联管道时直线阀与对数阀的工作特性见下图。
在实际使用中，一般希望S不低于0.3〜0.5。
② 并联管道时的工作流量特性
用S 表示并联管路时调节阀 全开流量与总管最大流 量之比。
Q d( ) 调节阀的放大系数 Qmax 即： K l d( ) L Qmax 如果令：l 0时，Q Qmin，且 R Qmin 对上式求解，得：
Q 1 1 l (1 ) Qmax R R L
如果当l 0时，Q 0，即Qmin 0，则有：
Q l Qmax L 特点：阀芯位移变化量相同，则流量变化量也相同；
第四章
过程控制仪表与装置
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§4.1 概 述 §4.2 执行器 §4.3 PID调节器 §4.4 数字PID控制算法
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§4.1 概 述
过程控制仪表与装置包括： 控制器、执行器、运算器、可编程控制器等 如控制系统：
x(t ) z(t )
检测变送器
f (t )
e
控制器
u
执行器
q
被控过程
y(t )
分类： 根据信号类型分：
U（S） 1 TD S 1 工程上： E（S） TD S 1 KD
很大
当e为常值时，微分不起作 用， 调节器等同于比例调节 器。
当e发生变化时，调节器的 作 用如右图。
影响：
微分是按偏差的变化而 作用的，它能够提高系 统的稳定性， 抑制振荡、抑制超调， 且偏差变化越快，微分 校正作用越强。
电动执行仪表：（以电为能源） 优点：能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远， 便于信号处理。 缺点：结构复杂，推力小，不太适用于防爆场合（Ⅲ型 仪表已采用了安全防爆措施）。
液动执行仪表：（以高压液体为能源）
优点：推力最大，动作可靠，精度高。 缺点：高压液源 价格高。
信号： 过程控制仪表均采用统一、标准的联络信号 对气动控制仪表：国际统一使用0.02 ～0.1MPa的模拟 气压信号。 对电动控制仪表：国际电工委员会（IEC）规定
令 C A0 2g
则 C Q

p
根据计算所得调节阀的流通 能力确定其尺寸参数公称直径与 阀座直径。（参见P114 表4-2）
c 阀的气开、气关方式 正装阀与反装阀
公称直径Dg 25m m的 调节阀为单导向式，只 有正 装阀。
气开阀与气关阀
气开式：
当信号压力 p 0.02MPa时，阀开始打开，即“ 有气则开”。
比例 P：proportional 积分 I：integrational 微分 D：derivative
PID 控制：是上世纪40年代以前除开关控制外的唯一控制方 式，也是目前应用最广泛、最简单、最基本的控 制方式。
使用比例：80% ～ 90%
PID控制的优点： ⑴ 原理简单，使用方便； ⑵ 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、 以及造纸、建材等各类生产行业； ⑶ 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏 感。
气动执行机构的正作用和反作用： 正作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向下移动；
反作用：当输入气压信号增加时，执行机构的阀杆向上移动；
2 调节机构（调节阀） 局部阻力可变的节流元件 a 分类 大口径的调节阀 一般选用双座阀，其 所需推力较小，动作 灵活，但泄漏较大。 小口径的调节阀 一般选用单座阀，其 泄漏较小。
K c ( )：控制作用增强，上升 速度快，但过小，容易引起 被控量振荡，甚至导致 闭环不稳定。
随着Kc的增大( )，余差将减小，但不会 完全消失。属于有差调 节。
2、比例积分调节器
控制律：
影响：
U（S） 1 1 1 K （ ） （ 1 ） c 1 E（S） TI S TI S 1 1 1 TI — 积分时间常数 TI S
模拟式：传输信号为连续变化的模拟量
基地式、单元组合式、组建组装式 数字式：传输信号为断续变化的数字量
以微型计算机为核心，功能完善、性能优越
供应基地式气动液位 指示调节仪
供应基地式气动温度 指示调节仪
根据动力能源形式的不同，分三大类： 气动执行仪表：（以压缩空气为能源）
特点：结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆。
高系统的控制质量，其选择原则为：
Kv Ko 常数
调节阀的放大系数 ② 配管情况 （参见 P120 表4-5） 过程的放大系数
③ 负荷变化情况
负荷变化较大或调节阀经常工作在小开度的场合，宜 选择等百分比特性调节阀； 具体参见 P121 表4-6、表4-
二、电动执行器
使用电动机等电的动力来启闭调节阀 比例式电动执行器