过控技术第四章变送讲义器和转换器
过程装备控制技术及应用教学PPT教案
4.1 变送器 4.2 调节器 4.3 执行器
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4.1 变送器
一.变送器的作用 二.变送器的理想输入输出特性 三. 变送器的构成原理 四.变送器的一些共性问题 五.差压变送器 六 .温度变送器
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一.变送器的作用：
对各种工艺参数，如温度，压力、流量、液位、 成分等物理量进行检测，并转化成统一标准信号， 以供显示、记录或控制之用。
2、DDZ-III型热电偶温度变送器
性能优点：
1、低漂移、高增益的线性集成电路 2、线性化电路 3、安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能
性能指标：
1、测量繁文缛节 3mV-60mV;零点迁移量-50+50mV
2、基本误差 ±0.5% 3、温度特性 环境温度每变化25°C，附加误差不超
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到整个变送器的线性
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六、 温度变送器
1、温度变送器的作用
➢ 温度变送器的三种结构 根据测温传感器的不同类型：
直流毫伏变送器 电阻体温度变送器 热电偶温度变送器
量程单元 放大单元
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4-23
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变送器的理想输入输出特性
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三. 变送器的构成原理：
模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测参数转换成统一标准信 号，其性能也完全取决于所采用的硬件。
从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组成。
如图所示：在放大器的输入端还 加有调零与零点迁移信号Z0
【正式版】过控过程参数检测与变送PPT
1、差压流量计
原理：当流体充满水平管道流
动时，满足伯努利方程。
静
压 力
p v2 const
2g
(1)
压力位能 流体动能
Q v 1 A 1 v 2 A 2 (2 )
由（1）、（2）
v2
1 1( A2 )2
A1
其中：
2g
(p1
p2)
QA0
2g
(p1
p2)
A0：孔板开口面积；
：流量系数，与节流装置
2、热电阻温度传感器
较热电偶：测量精度高，输出信号大，性能稳定，灵敏度高。
工作原理：导体或半导体的电阻值随温度而变化。
例如： 铂电阻
在2000oC范围内
R t R 0 1 A B 2 t C ( t 1 o C ) 0 t 3 0
在0850oC范围内
R t R 01 A B t2 t
式中： V 1 —— 转子的体积； 1 —— 转子材料重度； 2 —— 被测流体的重度；
p1、 p 2 —— 转子上、下流体作用在转 子上的静压力；
A 1 —— 转子最大的横截面积。
根据流体力学知识可知：
p1-p2
v22
2g
(2)
式中： g —— 重力加速度；
v—— 流体流过环隙的流速； 过控过程参数检测与变送
0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等， 变送器：是将检测部件测量输出的信号转化成标准统一
适用于测量管径在50mm以下管道的流量（小流量的测量）
仪表精度等级常以○或△的形式标于仪表的面板上，
一般工业用仪表的精度等级为0.5〜4。 变送器：是将检测部件测量输出的信号转化成标准统一
通过测量物体与被测介质的接触来测量物体的温度。
过控课件
绪论 二、常用术语
1、被控参数Controlled Variable - CV ：按照生产过程要求，某些变量应该维 持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数。如温 度、压力、流量、液位、成分等。 2、干扰Disturbance Variable, DV :凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或 扰动。分内干扰和外干扰。(内干扰如原料成分变化等。) 3、控制参数Manipulated Variable, MV ：即调节介质。如储水槽液位控制系 统的给水量。
一、系统组成
绪论
绪论 主要组成部分 (1)、被控对象：生产过程中被控制的工艺设备 或装置。 (2)、检测变送器：仪表课中已做介绍 (3)、控制器：实时地对被控系统施加控制作用。 (4)、执行器：将控制信号进行放大以驱动控制 阀。常见的有气动和电动两种。 (5)、控制阀：控制进料量。有气开式和气关式 之别。
绪论 P PI PID 位式 5、按是否形成闭合回路分类：
4、按控制器的动作分类：
有开环和闭环
绪论 二、按设定值形式分类 1、定值控制系统
是工业生产过程中应用最大的一种过程控制系统。 在运行时，系统被控量的给定值是不变的。有时根据生 产工艺要求，被控量的给定值保持在规定的小范围附近 波动。
绪论
B1 100% C
定值控制系统采用最 大动态偏差Z表示超 调程度。即：
Z B1 C
绪论
3．余差：它是控制系统 的最终稳态偏差e(∞)。 阶跃输入下，余差 （Steady-state error） 为：
e() R y() R C
定值控制系统中R=0，因 此有：e(∞)= -C。
分析和综合的理论基础发展到了现代控制理论。
高中通用技术：第四章 控制与设计 教案
第四章控制与设计〔一〕本章重点知识阐述：（1）控制是人们根据自己的目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向发展。
这里所说的手段就是控制技术。
（2）简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。
其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节和比较环节。
（3）闭环控制系统是信息流经一个闭合环路，在其系统中将输出信息反传给比较环节的做法，称之为反馈。
开环控制系统是信息总是自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动，也就不存在闭环。
（4）干扰就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响，这种影响越小越好。
分析一个控制系统的干扰因素要分析控制系统易受到其外部环境或条件中的哪些因素的影响。
（5）控制系统的运行调试通常有以下几方面的内容，即：系统的试运行、系统参数的调整、其他问题的发现与解决。
〔6〕控制系统的评价与优化通常有以下几个方面内容，即系统方案的评价与优化，系统制作水平的评价与优化，系统的总体评价与优化等。
〔二〕基础知识再现：1、信息流经一个闭合环路，这类系统称之为。
此系统中将输出信息反传给比较环节的做法，称之为。
2、闭环控制系统与开环控制系统，是两类不同的系统。
从构成形式上看，二者的不同表现为。
从本质上讲，二者的不同在于。
3、简单的控制系统由两部分组成，即和。
其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括环节与环节。
4、开环控制系统的结构和原理比较简单，信息从输入端传到输出断，仅有一条路径。
它的最大缺点是不高；闭环控制系统的结构较为复杂，信息流经的路径有两条，它可以有较高的和较强的性能。
5、控制系统框图中，信息流经的路径叫做，对于闭环控制系统来说，有两个基本通道，那就是和。
6、在控制系统中，将控制器的信号转换成能影响被控对象的信号的装置，称为。
7、在人体温度控制系统中，皮肤相当于。
8、就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。
过控答案部份课后答案
1-1 进程操纵有哪些要紧特点？什么缘故说进程操纵多属慢进程参数操纵？1．操纵对象复杂、操纵要求多样2. 操纵方案丰硕3．操纵多属慢进程参数操纵4．定值操纵是进程操纵的一种要紧操纵形式5．进程操纵系统由标准化的进程检测操纵仪表组成1-2 什么是进程操纵系统？典型进程操纵系统由哪几部份组成？进程操纵系统：一样是指工业生产进程中自动操纵系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等如此一些变量的系统。
组成：参照图1-1。
1-4 说明进程操纵系统的分类方式，通常进程操纵系统可分为哪几类？解答：分类方式说明：按所操纵的参数来分，有温度操纵系统、压力操纵系统、流量操纵系统等；按操纵系统所处置的信号方式来分，有模拟操纵系统与数字操纵系统；按操纵器类型来分，有常规仪表操纵系统与运算机操纵系统；按操纵系统的结构和所完成的功能来分，有串级操纵系统、均匀操纵系统、自适应操纵系统等；按其动作规律来分，有比例（P）操纵、比例积分（PI）操纵，比例、积分、微分（PID）操纵系统等；按操纵系统组成回路的情形来分，有单回路与多回路操纵系统、开环与闭环操纵系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量操纵系统等。
通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值操纵系统（2）随动操纵系统（3）程序操纵系统2．按系统的结构特点分类：（1）反馈操纵系统（2）前馈操纵系统（3）前馈—反馈复合操纵系统1-5 什么是定值操纵系统?在定值操纵系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数转变的确实是扰动信号。
1-8 评判操纵系统动态性能的经常使用单项指标有哪些？各自的概念是什么？解答：单项性能指标要紧有：衰减比、超调量与最大动态误差、静差、调剂时刻、振荡频率、上升时刻和峰值时刻等。
衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；过渡进程的最大动态误差：关于定值操纵系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ；超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ；1100%()y y σ=⨯∞ 残余误差C ： 过渡进程终止后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的误差C 称为残余误差，简称残差；调剂时刻：从过渡进程开始到过渡进程终止所需的时刻；振荡频率：过渡进程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时刻距离叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；峰值时刻：过渡进程开始至被控参数抵达第一个波峰所需要的时刻。
过程控制系统广义对象讲义
δ = δ *Kv Km = 0.44 × (100 /16) × (16 / 200) = 0.22 = 22%
（3）确定控制器的积分时间
控制器积分时间 Ti 的计算方法不会随着广义被控对象和等效控制器的变化而变化，根据 Z-N 公式 Ti = 3.3τ = 3.3×12 = 39.6s
=
K0Km Ts + 1
e −τs
=
4 /15 e−12s 100s + 1
=
K e−τs Ts + 1
采用动态特性参数法，按 Z-N 公式，可得等效控制器的等效比例带为
δ * = 1.1× ⎜⎛ 4 /15 ⎟⎞ ×12 = 0.0352 ⎝ 100 ⎠
此时等效控制器包括了实际控制器和调节阀，则等效比例带为实际控制器的比例带和调 节阀增益倒数相乘的结果，即
时，等效 PID 作用时，等效 PID 控制器的传递函数为
Gc* (s)
=
Kv Kc ⎜⎜⎝⎛1 +
1 Ti s
பைடு நூலகம்
+
Td s ⎟⎟⎠⎞
=
Kv
1 δ
⎜⎜⎝⎛1 +
1 Ti s
+
Td
s ⎟⎟⎠⎞
=
1 δ*
⎜⎜⎝⎛1 +
1 Ti s
+
Td s ⎟⎟⎠⎞
（3）
式中，δ 为实际控制器的比例带；δ * = δ / Kv = 1/(Kv Kc ) 为等效控制器的等效比例带；Kv
1确定控制器的比例带由题可知被控对象的传递函数为1550如果测量变送装置和调节阀均近似视为比例环节则根据图1可得测量变送装置和调节阀的增益分别为2001616100采用动态特性参数法按zn公式22221210010015采用动态特性参数法按zn公式可得等效控制器的等效比例带为03521210015此时等效控制器包括了实际控制器和调节阀则等效比例带为实际控制器的比例带和调节阀增益倒数相乘的结果即0352222210015采用动态特性参数法按zn公式可得等效控制器的等效比例带为441210015此时等效控制器包括了实际控制器调节阀和测量变送装置则等效比例带为实际控制器的比例带和调节阀增益倒数测量变送装置增益倒数相乘的结果即4422223确定控制器的积分时间控制器积分时间的计算方法不会随着广义被控对象和等效控制器的变化而变化根据zn公式
过控第三章第四章
离心泵的实际运行中，可能发生的不稳定情况如图：
离心泵工作中产生不稳定工况需要两个条件： ①泵的H—Q特性曲线呈驼峰状； ②管路装置中要有能自由升降的液面或能储存和放出能量的地方。 对离心压缩机，其性能曲线大多呈驼峰型，且输送的介质是可压缩 的气体，只要串联管路容积较大，就能起到储能作用，故易发生不稳跳 动的工况。
连接离心式压缩机不同转速下 的特性曲线的最高点，即可得到喘振 极限线，其左侧部分称喘振区。 喘振情况与管网特性有关： 管网容量越大，喘振的振幅越大， 而频率越低；管网容量越小，则相反。 3.3.2 引起喘振的原因 ⒈负荷减小到一定程度——最常见原因； ⒉被压缩气体的吸入状态：如分子量、温 度、压力等的变化。 ⑴ 吸入气体的分子量变化：同样的吸入 气体流量QA下，分子量增大，压缩机进入 喘振区。
常数
P 1
1
入口处气体密度
气体压缩系数
PM 1 代入气体方程 1 zRT1 代入经验公式：`
Q12
2
2
M
zRT1
P 1 P 1
P2 2 2 P 1 2 2 P 1 1 K K zRT1 zR T P M P 1 M P 1 1 1 1 令： K zR P m( P P ) 1 2 1 m M
h p ( p2 p1 ) (r g ) ②流体提升一定高度所需压头 h L ③克服管路摩擦损失所需压头hf
④控制阀两端的节流压头 hv ，阀的开度 一定时，与流量的平方成正比。
自动控制原理第四章复习总结（第二版）
第四章过程控制装置过程控制装置组成：测量变送单元、调节器和执行器（如调节阀）三个环节组成。
第一节变送器1．变送器：将测量元件的信号（如压力、温度、流量、液位等）转换为一定的标准信号（如4~20 mA 直流电流），送往显示仪表或调节仪表进行显示、记录或调节的设备。
2．类型：压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。
3．按照驱动能源划分：（1）气动变送器：以压缩空气为驱动能源；（2）电动变送器：以电力为驱动能源。
一、差压变送器（一）气动差压变送器（补充）1．气动元件及组件（1）气阻恒气阻、变气阻（2）气容固定气容：弹性气容：（3）组容耦合组件①节流通室：②节流盲室（4）喷嘴一挡板机构（5）功率放大器2．气动差压变送器（1）结构：由测量和气动转换两部分组成。
如单杠杆式气动差压变送器（5）零点迁移（二）电动差压变送器如图4-31．电磁反馈装置2．矢量机构3．低频位移检测放大器4．安全火花防爆措施（三）量程调整、零点调整和零点迁移迁移前后的比较二、防爆安全栅（一）基本概念1．安全火花：指该火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。
2．防爆仪表：若仪表在正常或事故状态所产生的火花均为安全火花，则称为安全火花型防爆仪表。
3．防爆安全栅：能将事故拒之门外的设施。
（二）防爆基本知识1．危险场所的划分：按照中国1987年公布的《爆炸危险场所电气安全规程》（试行）的规定，将爆炸危险场所划分为两种场所五个级别。
2．爆炸性物质的分类、分级与分组：3．防爆仪表的分类、分级和分组：温度是重要的指标。
结构类型10种，介绍2种。
４．防爆安全栅三、温度变送器1．概念：将被测温度线性地转换为0~10mA或4~20mA DC直流电流信号。
四、变送器与电源的连接方式1．四线制：2．两线制：3．两线制比四线制的优点：4．两线制变送器必须满足的条件：第二节调节器1．调节器的作用：根据参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后的偏差，利用一定的调节规律产生输出信号，提供给执行器。
过控实验讲义
对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。
对象特性测试实验的目的：通过实验掌握单、双容对象特性曲线的测量方法，根据曲线和先验知识确定对象模型结构和模型参数。
测量时应注意的问题：液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象，下水箱形状为长方体，其横截面积为：。
对象参数的求取：一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。
2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。
确定K 0、T 0和τ的方法如下：00/)]0()([1)(x y y K s T K s W o -∞=+=/)]0()([01)(0x y y K e s T K S W so -∞=+=-τ在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。
3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K 0、T 1、T 2需从阶跃响应曲线上求出。
先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1； （3） y （t2）=0.8 y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2； 然后，利用如下近似公式计算T 1、T 2。
（4）（5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数T0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W （s ）=K 0/（T 0S+1）（T 0S+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。
最新过程控制-4.1-串级控制系统分解幻灯片
❖现金结算：即用钞票结算（易 手）。
串级控制系统的设计
p 串级控制系统副参数的选择及副回路的设计
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。 即主副时间常数不能太接近 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应 使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
r1 +
Gc1(s) r2 +
Gc2 (s)
Gv (s)
F2
F1
Gp2 (s) y2 Gp1(s) y1
-
-
ym2
Gm2 (s)
ym1 Gm1(s)
图4-6 干扰进入副回路时串级调节系统方框 图
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
y2
Go1(s)
y1
上图中： Go2'(s)Go2(s)T2Kso21
串级控制系统分析
可得闭环特征方程：
1G c1 G o2'(s)G o1(s)0 其中：
s22'0's0'20
2'0'
T1 T2 T1T2
0'2
1Kc1Ko1Ko2 T1T2
求解可得单回路系统的过渡过程频率 z 2 为
z21'2
结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用 （作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副 调节器的给定与测量两方面变化加在一起，加速了克服干扰 的能力。
串级控制系统的工作过程
(过控)02_测量
Temperature sensing dynamics
Typical dynamic response time constant is 6-20 seconds for RTDs, thermistors and thermocouples. Additional thermal resistance on inside or on the outside of the thermal wall can result in an excessively slow responding temperature measurement.
Most process control engineers select sensors, do not design them.
Temperature sensors
Local display is possible using thermometers(温 度计) and bimetallic (双金属片) sensors. Thermocouples (热电偶): Specific metal pairs are used in practice for selected accuracies and ranges of temperature. RTDs (热电阻): Electrical resistance depends on temperature, with higher temperature having higher resistance. Thermistors (热敏电阻): Electrical resistance depends on temperature, usually with lower temperature having higher resistance (NTC).
过控技术第四章
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结论：
流量小时，流量变化的相对值大； 流量大时，流量变化的相对值小。 即：阀门开度小时调节作用太强，易使系统产生振荡； 阀门开度大时调节作用又太弱，调节不灵敏、不及 时。 具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大 的场合。
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（2）对数（等百分比）流量特性 对数（等百分比） 调节阀单位相对行程变化所引起的相对流量 变化与此点的相对流量成正比时，称：阀具有对 数流量特性。 即：调节阀的放大系数k随相对流量的增加而 增大，用数学式表示为：
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流体作用在上下阀芯 上的推力，方向相反 而大小接近相等，所 以其不平衡力很小。 由于上下阀芯不易同 时关闭，故泄漏量较 大。 阀体流路复杂，不适 用于高粘度和含纤维 介质的场合。
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③ 三通阀 三通阀有三个出、入口与管路相连接，分为合流型 （a）和分流型（b），用于换热器旁通调节或配比调节。
比例式是指推杆的行程与输入压力信号成比例关系，它带有阀 门定位器，特别适用于调节质量要求高的控制系统。
3. 调节机构(阀体)
调节机构是执行器的调 节部分，是一个阻力可变 的节流元件。通过阀芯在 阀体内的移动，改变了阀 芯与阀座之间的流通面积， 从而改变了被调介质的流 量，达到自动调节工艺参 数的目的。
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二. 气动执行器 气动执行器以压缩空气 压缩空气为能 压缩空气 源的执行器，由气动执行机构和 调节机构组成。 1.特点： （1）结构简单、动作可靠、性能 稳定、故障率低、价格便宜、维 修方便、本质防爆、容易做成大 功率等。 （2）能与气动单元组合仪表配套 使用。
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2．气动执行器结构 执行机构是执行器的推动装 置，它按调节器输出气压信号 (20—100 kPa)的大小产生相应 的推力，使执行机构推杆产生相 应位移，推动调节机构动作。因 此是将信号大小转换为阀杆位移 的装置
过控课程复习总结
y (0)
tp
ts
t
自动化仪表（图1－8）
工艺介质 阀门 被控过程 检测元件 执行单元 变送单元 自动 控制单元 手动 单元组合 仪表 操作单元 给定值 给定单元 显示单元 测量值 被控参数
2.检测仪表的工作特性：
适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性
（1）理想工作特性：（线性） y y y max min ( x xmin ) ymin xmax xmin
《过程控制系统》基本要求
过控系统基本概念 被控过程建模方法 控制器的信号制、内外给定、正反作用、无扰动切 换 调节阀类型、气开与气关、流量特性、流通能力 单回路控制系统设计要点 串级与前馈 比值、均匀、分程、选择与多变量控制 分析控制方案特点
《过程控制系统》总结
连续生产过程（流程工业） 对象建模、 参数检测、 自动控制系统的设计， 仪表选型及工程实现、 系统参数整定。 强调工程应用能力，有别于自动控制理论。
4.1.2
被控过程的特性
依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单容特性与多容特性、 振荡与非振荡特性等 1．有自衡特性和无自衡特性 自衡特性：当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无 人或无控制装置的干预下，能够自动恢复到原来或新的平衡状态 否则，该过程则被认为无自衡特性。 工业生产过程一般都具有储存物料或能量的能力，其储存能力的大小 称为容量。
(2)Tp影响：
Tp 调节作用不够及时， tS ，控制质量下降; Tp过小, 控制作用过于灵敏,易引起系统振荡
Tp适当小. Tp无法变时在控制通道中增加微分作用
G p ( s )Gv ( s )Gc ( s ) CV ( s ) SP( s ) 1 G p ( s )Gv ( s )Gc ( s )GS ( s )
转换器控制学习.pptx
REF
测试 B 信号
探测 A、B、C 上的 电压信号 环路增益为 VA/VB 误差放大器增益为 VC/VB 功率级增益为 VC/VA
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控制稳定性
• 在18增0°益时仍，然闭为环正系值统的将情变况得下不，稳当定环。路增益的相位接近 • 为了确保稳定性，在交叉频率下相位裕量必须为正
• 交叉频率 fc 是环路增益大小 = 1 时的频率 • 相 差位 值裕量 φm 是交叉频率下环路增益的相位与 -180 ° 的
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补偿器
• 闭环系统中包括一个用于调整环路增益的补偿器，可确保系统的稳定性及优良的瞬 态响应性能
• 补偿通常是通过改变误差放大器周围的 R-C 组件来调节的
未采用补偿器时的增益
VOUT
G(s)
环路增益
ZF ZI
VFB
VC
-
+
VREF
RFB2
补偿器的增益
=>G(s)H(s)
H(s)
有效地推高了环路带宽
博德图 (Bode Plots)
• 控制系统的分析常常在“频域中的增益大小和相位”曲线图 （称为“博德图”）中进行。
• 控制系统可以采用转移函数来表示，因此用博德图来绘制其 曲线
• 增益大小以 dB (20log) 为单位来表示，相位以角度 (°) 来表 示，而频率曲线则通常采用对数标度来绘制
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总结
• 转换器控制介绍 • 博德图基础知识 • 控制稳定性和补偿
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• 大多数影响都不超过 fp 的一个 十倍频程（升或降）
增益 (20dB/格)
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➢ 工作原理：
被测差压信号P1、P2分别引入
元件3的两侧，则ΔPi转换为Fi，
该力作用于主杠杆的下端，使主杠 杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿 水平推动8。F1分解F2和F3，F2带 动14以M为支点逆时针偏转，此时 12靠近差动变压器，使两者间气 隙减小。
12
使用常规仪表的中央控制室
13
早期的DCS控制系统
14
DCS控制系统
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4.1 变送器
变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量 (如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、 电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一 标准信号(4-20mA电流信号）。
变送器分类：气动变送器 电动变送器
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若精度为1.0级，不加迁移时，仪表的误差为：
5000Pa×1%=50Pa,仪表的灵敏度为：（20-4） mA/5000Pa
使用迁移后，仪表的基本误差为：1000Pa×1%=10Pa,仪 表的灵敏度为： （20-4）mA/1000Pa。
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4.1.1 差压变送器
差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等 工艺量转换成统一的标准信号，作为记录仪、调节器或计算机 装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。
4
直接作用式仪表
这种仪表不需要辅加能源，只是传感器从被测 （控）介质中取得能量，就足以推动执行器动作， 故又称自力式仪表。常见的有浮球式液位调节器、 膨胀式温度调节器和燃气压力直接作用调节器等。 它们将传感器、控制器及执行器等组合在一起， 习惯上称为调节器。它们结构简单，不产生火花， 使用安全，维修方便，适用于控制精度要求不高 的场合。
作用：使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较，再 转化为检测片的位移。现分析其主要机构：
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ⅰ、 调零和零点迁移机构：
零点迁移：调节迁移弹簧来实现。
调零：由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力F’o
设F’o到主杠杆支点的距离为L’o,则有：
l3(l1A Pil'oF'o)tan lo
也有些变送器还可以通过改变 转换系数c来调整量程。
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❖零点调整和零点迁移
对应使。变送器的输出信号下限值ymiin与测量范围的下限值xmin 在xmin=0时，称为零点调整；在xmin≠0时，称为零点迁移。
由上图可知，零点迁移后变送器的输出特性沿x坐标向右或 左平移，其斜率没有变，即变送器量程不变。进行零点迁移， 在辅以量程调整，可提高仪表的测量灵敏度。
∴ ⅼe’2ⅼ<ⅼe’’2ⅼ ∴ UCD=ⅼe’2ⅼ- ⅼe’’2ⅼ<0
此时UCD与UAB反相。
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➢低频振荡器
低频放大器由振荡器、整流滤波、及功率放大器三部分组成。 ①、振荡器
线路图如右图：由LAB、 C4构成的并联振荡回路的固有 频率也就是低频振荡器的振荡 频率。
1
fo 2 LABC4
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振荡的振幅条件：即KF=1 检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系： 如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性
5
➢ 按结构形式分类 基地式仪表 以指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成， 即把变送、调节、显示等部分装在一个壳内形成整体。 利用一台仪表就能完成一个简单控制系统的测量、记 录 及控制等全部功能。 结构比较简单,常用于单机控制系统。
6
单元组合式仪表
单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求， 分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准 信号联系。
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讨论：
①当s=δ/2 时
∴ e’2=e’’2
∴UCD=ⅼe’2ⅼ- ⅼe’’2ⅼ=0
差动变压器变压器输出 ②当s<δ/2 时，因差动变压器，上半部磁路磁阻减小互感增加
∴ ⅼe’2ⅼ>ⅼe’’2ⅼ ∴ UCD=ⅼe’2ⅼ- ⅼe’’2ⅼ>0
此时UCD与UAB同相 ③当s>δ/2 时，因差动变压器，上半部磁路磁阻增大互感减小
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根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为 分 气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。 类
单元组合仪表一般可以分为七大类单元。
➢变送单元(B) ➢控制单元(T) ➢显示单元(X) ➢计算单元(J) ➢给定单元(G) ➢转换单元(Z) ➢辅助单元(F)
在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。 9
气动单元组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为能
Kf BoDW
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➢低频位移检测放大器
作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io 其原理线路图2-12如下页： 其组成有：差动变压器
低频振荡器 整流滤波电路 功率放大器。
34
35
➢差动变压器
差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四 组线圈构成。如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s转换 成相应的电压信号uCD
L4—检测片12到副杠杆支点M的距离
tgθ—矢量机构的力传递系数， θ为矢量角
K1—副杠杆力矩-位移转换系数 Kf—电磁反馈机构的电磁结构常数
K2—低频位移检测放大器位移-电流转换系数
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在差压变送器的放大系数（K1K2）和反馈系数（LfKf）的乘积 足够大时，当变送器处于稳定时，将满足力矩平衡关系：
Io
l2lfKf
lfKf Fo
l'o
lo
Kp( Pi l1A F ' o) lfKf Fo
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ⅱ、静压调整和过载保护装置：
产生原因：①膜盒两侧的膜片有效面积不等。 ②主杠杆、拉 条等装配不正，会使主杠杆产生一个附加力矩。
消除方法：在主杠杆上安装一个静压调整装置。 ⅲ、平衡锤：
在副杠杆重心与支点M重合，从而提高了仪表的耐冲击，耐振 动性能，而且仪表不垂直安装时也不影响精度。 ⅳ、矢量机构：组成：由矢量板、推板组成。
3
电动仪表 以电作为能源及传送信号的仪表，传送距离远， 便于与计算机配合，在生产自动化中被广泛应用。 电动仪表又分为电气（又称电动机械）式和电子 式两大类。 电气式不使用电子元器件，依靠传感器从被测 介质中取得能量，就可以推动电接点或电位器动 作。它的结构简单、价格便宜。 电子式采用电子元器件，由于采用放大器等电 子器件，不但可提高测量精度，还可以利用反馈 电路，对输入信号进行各种控制规律的运算，从 而实现多种控制 规律，提高控制品质。
4.1.0 变送器原理与 量程调整零点迁移
1.构成原理
变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原 理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部 分）、放大器和反馈部分。
17
18
由 图 知 输 出 输 入 关 系 为 ： y1 K K F(C xzo) 当 满 足 深 度 负 反 馈 条 件 时 ， 即 K F 1时 ， 上 式 变 为 ：
使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组 合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。
优点
① 可以用有限的单元组成各种各样的控制 系统,具有高度的通用性和灵活性。
② 可以通过转换单元,把气动表、电动表, 甚至液动元独立作用,所以在布局、安装、维护上 也更合理、更方便。 ④ 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、 无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。 ⑤ 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产, 降低了成本,提高了产量和质量。 ⑥ 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。
1 yF(C xZo)
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2.量程调整、零点调整和零点迁移
变送器涉及的另一个问题是量程、零点调整和零点漂移。 ❖量程调整
其目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上 限值xmax相对应。相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改 变y与x的比例系数。
量程调整通常是通过改变反馈 系数F的大小来实现的。F大，量程 就大。F小，量程就小。
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例4-2 已知被测参数的最大波动范围为4000-5000Pa,按 照不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择测量变送器， 并分析精度为1.0级时各自变送器的基本误差值和仪表灵 敏度。
解：当不进行零点迁移时，需选择量程为0-5000Pa的变 送器，输出为4-20mADC.若有迁移，可选用40005000Pa的变送器，量程为1000Pa.
检测片的位移变化量通过 15转换为4~20mA的Io，作 为输出。
Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变 送器状态稳定。
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由上述工作原理可画出其传输方框图：
A--膜片有效面积
L1、L2—Fi、F1到主杠杆支点H的力臂
L3、Lo、Lf—F2、Fo、Ff到副杠杆支点M的力臂
本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压
变送器。
❖ 力平衡式差压变送器 ❖ 电容式差压变送器 ❖ 扩散硅式差压变送器
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✓力平衡式差压变送器
➢ 概述
力平衡式差压变送器包括: 测量部分 杠杆部分 位移检测放大器 电磁反馈机构
工作原理：力矩平衡原理。
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测量部分是将被测差压⊿Pi转换成相应的输入力Fi，该力 与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆 系统产生微小的偏移，在经位移检测放大器转换成统一的直流 电流输出信号。
源,各单元之间以统一的 0.02～0.1MPa气压标准信号 相联系,整套仪表的精度为1级。
电动单元组合式仪表的发展阶段：
DDZ-Ⅰ型——电子管器件为主要器件 DDZ-Ⅱ型——晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-Ⅲ型——线性集成电路作为核心器件
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组装电子式调节仪表 组装电子式调节仪表是在单元组合仪表的基础上 发展起来的成套仪表装置。它的基本组件是一块 一块具有不同功能的功能模件。 功能模件，是指各种典型线路构成的标准电路板， 每种电路板具有一种或数种功能，并有同一规格 尺寸、输入输出端子、电源和信号灯。这种仪表 又称功能模件式仪表或插入式仪表。现代化的大 型控制，需要组成各种复杂控 制系统及集中的显 示操作。设计人员只要根据工程要求，选用相应 的功能模件，配上标准化的机箱和外部设备，就 可灵活地组成各种专用的控制装置。