第5章 自动控制仪表(化工仪表及自动化 林德杰)

图5-23 气动执行器的外形
5.6 调节机构
5.6.1 调节阀的分类
5.6.2 调节阀的流量特性
5.6.1 调节阀的分类
1.直行程式调节阀
2.角行程式调节阀
1.直行程式调节阀
(1)直通单座阀
(2)直通双座阀
(3)角形阀 (4)三通阀 (5)套筒阀
图5-24 常用调节阀结构示意图 a)直通单座阀 b)直通单座阀 c)直通双座阀 d)角形阀 e)三通阀 f)三通阀 g)蝶阀 h)套筒阀 i)凸轮挠曲阀 1—阀杆 2—阀芯 3—阀座 4—下阀盖 5—阀体 6—上阀盖 7—阀轴 8—阀板 9—柔臂 10—转轴 11－套筒
5.2 控制器基本控制规律
5.2.1 双位控制
5.2.2 比例控制(P) 5.2.3 比例积分控制(PI) 5.2.4 比例微分控制(PD) 5.2.5 比例积分微分控制(PID) 5.2.6 PID控制规律总结
用数学表达式描述控制规律如下： u=f(e)=f(z－x)
(5-1)
5.2.1 双位控制
图5-32 电动执行机构组成框图
5.7.2 气动执行机构
1.气动薄膜执行机构
2.气动活塞式执行机构
图5-33 气动薄膜式执行机构结构原理 1—上膜盖 2—膜片 3—下膜盖 4—推杆 5—支架 6—压缩弹簧 7—弹簧座 8—调节杆 9—连接阀杆螺母 10—行程标尺
图5-34
气动活塞式执行机构
5.8 电—气转换器和电—气阀门定位器
4. PLC的应用及发展趋势
(1)开关量的逻辑控制
(2)模拟量控制 (3)运动控制 (4)过程控制 (5)数据处理 (6)通信及联网
5.4.3 专家自整定控制器
图5-21
专家自整定控制器原理框图
5.5 执行器
5.5.1 执行器的分类及特点
5.5.2 执行器的组合方式 5.5.3 执行器的基本结构
1)当阀前后压差Δp小于0.5倍的阀前压力p1，即Δp<0.5p1时有 C=Q4.72ρ(273+t)(p1+p2)Δp (5-24) 式中，p2为阀后压力 2)当Δp≥0.5p1时有 C=Q2.9ρ(273+t)p1 (5-25)
积分控制作用的输出变化量u与输入偏差e的积分成 正比：
式(5-7)
2.比例积分控制
比例积分控制规律可用下式表达： u=KPe+KI∫edt (5-8) 经常采用积分时间TI来代替KI，TI=1KI，式(5-8) 为 u=KPe+1TI∫edt (5-9)
图5-10 比例积分控制器特性
图5-11 积分时间对过渡过程的影响 1—太小 2—适当 3—太大 4—→∞
第5章 自动控制仪表
5.1 控制器的发展与分类
5.2 控制器基本控制规律 5.3 模拟式控制器 5.4 数字式控制器 5.5 执行器 5.6 调节机构
5.7 5.8 5.9
执行机构 电—气转换器和电—气阀门定位器 执行器的选择
5.1 控制器的发展与分类
5.1.1 控制器的发展过程
5.1.2 控制器的分类
液面调节回路
5.9.2 调节阀流量特性的选择
1.从控制系统的调节品质分析
2.从工艺配管情况分析 3.从负荷变化情况分析
表5-3 气动调节阀的工作流量特性
5.9.3 调节阀口径的选择
调节阀口径选择的主要依据是其流通能力，而流通能力的确定是 在计算阀流量系数Cv的基础上进行的。流量系数的定义是指阀门 全开条件下，阀两端压差Δp为100kPa，流体密度ρ为1t/m3时，通 过阀的流体体积流量为Q(m3/h)，其节流公式为 Q=C(Δp/ρ) (5-23)
5.2.2 比例控制(P)
图5-6
比例度与输入输出关系
图5-7
比例控制系统过渡过程
图5-8 比例度对过渡过程的影响 1—δ小于临界值 2—δ等于临界值 3—δ偏小 4—δ适当 5—δ偏大 6—δ太大
5.2.3 比例积分控制(PI)
1.积分控制
2.比例积分控制
1.积分控制
图5-9
积分控制器特性
图5-15
全刻度指示控制器组成框图
图5-16 DTL—3100型控制器面板图 1—自动、软手动、硬手动切换开关 2—双针垂直指 示器 3—内给定设定轮 4—输出指示器 5—硬手 动操作杆 6—软手动操作板键 7—外给定指示灯 8—阀位指示器 9—输出记录指示 10—位号牌 11—输入检测插孔 12—手动输出插孔
例5-1 图5-38中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的
气体中不允许带有液体。 解：因工艺要求故障情况下送出的气体不允许带液，故当气源 压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气关式。当液位上升 时，要求调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要 求控制器输出减少，控制器是反作用。
图5-38
5.1.1 控制器的发展过程
1.基地式控制器
2.单元组合式控制器 3.组装式控制器 4.数字智能式控制器
5.1.2 控制器的分类
1)按使用的能源来分，有气动控制器和电动控制器。
2)按结构形式来分，有基地式控制器、单元组合式控制器和组 装式控制器等。 3)按信号类型来分，有模拟式控制器和数字式控制器。 4)按控制规律来分，有双位控制器和PID控制器，其中PID控制 器包括比例控制器、积分控制器、微分控制器、比例积分控制 器、比例微分控制器、比例积分微分控制器。
5.2.4 比例微分控制(PD)
1.微分控制
2.比例微分控制
1.微分控制
•在自动控制时，这就要求控制器具有微分控制 规律，控制器的输出信号与偏差信号的变化速 度成正比，即 u=TDdedt (5-10) 式中，TD表示微分时间；dedt表示偏差信号变 化速度。
2.比例微分控制
比例微分控制规律(见图5-13)为 u=KPe+TDdedt
1. PLC的组成
图5-18
PLC的组成
2. PLC的内部等效继电器电路
图5-19
继电器控制系统
图5-20
PLC的等效继电器控制电路
3. PLC的工作原理
•PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从 第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复 始，不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、 程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。 当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于 运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出， 一直循环扫描工作。
5.9 执行器的选择
5.9.1 执行器结构形式的选择 5.9.2 调节阀流量特性的选择 5.9.3 调节阀口径的选择
Hale Waihona Puke Baidu
执行器的选择，主要从以下三个方面考虑：
1)执行器的结构形式。 2)调节阀的流量特性。
3)调节阀的口径。
图5-37 正反作用组合方式
表5-2 组 合 方 式
5.9.1 执行器结构形式的选择
2.角行程式调节阀
(1)蝶阀
(2)凸轮挠曲阀
5.6.2 调节阀的流量特性
1.调节阀的理想流量特性
2.调节阀的工作流量特性
调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移(即 阀的相对开度)之间的关系，数学表达式为 QQmax=f lL (5-14)
1.调节阀的理想流量特性
(1)直线流量特性 dQQmaxdlLmax=K QQmax=KlL+C C=QminQmax=1R，K=1－C=1－1R QQmax=1R1+(R－1)lL (2)等百分比流量特性 dQQmaxdlLmax=KQQmax Quad=RlL－1 (3)抛物线流量特性 dQQmaxdlLmax=KQQmax12 QQmax=1R1+(R－1)lL2 (4)快开型流量特性 (5-21) (5-22) (5-19) (5-20) (5-15) (5-16) (5-17) (5-18)
• 根据相似三角形原理，有 ab=ue 即u=abe (5-3) 式中，e表示杠杆左端的位移，即液位的变化量；u表示杠杆右端的位 移，即阀杆的位移量；a、b分别表示杠杆支点与两端的距离。 • 偏差就是被控变量测量值的变化量)e之间成比例关系，即 u=KPe (5-4) 式中，KP为可调的放大倍数(比例增益)。 • 比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比 的百分数，用公式表示为 δ=exmax－xminuumax－umin×100% (5-5) • 将式(5-4)的关系代入式(5-5)，经整理后可得 δ=1KP umax－uminxmax－xmin×100% (5-6)
图5-27
串联管道的情况
图5-28
管道串联时调节阀压差变化情况
图5-29 管道串联时调节阀的工作流量特性 a)理想特性为直线型 b)理想特性为等百分比型
(2)并联管道的工作流量特性
1)串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道
的影响尤为严重。 2)串、并联管道都会使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为 严重。 3)串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。 4)串、并联管道都会使调节阀的放大系数减小，即输入信号变 化引起的流量变化值减小；串联管道时调节阀若处于大开度，
5.4 数字式控制器
5.4.1 数字式控制器的组成
5.4.2 可编程序控制器 5.4.3 专家自整定控制器
5.4.1 数字式控制器的组成
1.微机单元
2.输入电路 3.输出电路 4.人机对话接口电路
图5-17
数字式调节器的组成框图
5.4.2 可编程序控制器
1. PLC的组成
2. PLC的内部等效继电器电路 3. PLC的工作原理 4. PLC的应用及发展趋势
1.调节阀的理想流量特性
图5-25 调节阀的理想流量特性 1—快开 2—直线 3—抛物线 4—等百分比
1.调节阀的理想流量特性
图5-26 不同流量特性的阀芯形状 1—快开 2—直线 3—抛物线 4—等百分比
2.调节阀的工作流量特性
(1)串联管道的工作流量特性
(2)并联管道的工作流量特性
(1)串联管道的工作流量特性
5.5.1 执行器的分类及特点
1.气动执行器
2.电动执行器 3.液动执行器
5.5.2 执行器的组合方式
1.气动控制器—阀门定位器—气动执行器
2.气动控制器—气/电转换器—电动执行器 3.电动控制器—电/气阀门定位器—气动执行器
5.5.2 执行器的组合方式
图5-22
执行器的各种组合方式
5.5.3 执行器的基本结构
1.电—气转换器
2.电—气阀门定位器
1.电—气转换器
图5-35 电—气转换器结构原理 1—杠杆 2—动圈 3—挡板 4—喷嘴 5—弹簧 6—波纹管 7—支承 8—重锤 9—气动功率放大器
图5-36 电—气阀门定位器的原理 1—电磁线圈 2—弹簧 3—主杠杆 4、14—支点 5—反馈凸轮 6—副杠杆 7—薄膜气室 8—反馈杆 9—滚轮 10—反馈弹簧 11—调零弹簧 12—喷嘴 13—气动功率放大器
则S值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时调节阀若处
于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。
图5-30 并联管道的情况
图5-31 并联管道时调节阀的工作流量特性 a)直线理想特性 b)等百分比理想特性
5.7 执行机构
5.7.1 电动执行机构
5.7.2 气动执行机构
5.7.1 电动执行机构
(5-11)
图5-12
微分控制器特性
图5-13 比例微分控制器特性
5.2.5 比例积分微分控制(PID)
比例积分微分控制规律为 u=KPe+1TI∫edt+TDdedt
(5-12)
图5-14
比例积分微分控制特性
5.2.6 PID控制规律总结
表5-1 几种PID控制规律的特点及适用场合
5.3 模拟式控制器
理想的双位控制器其输出u和输入偏差e之间的关系为 u=umax，e>0(或e<0)时umin，e<0(或e>0)时 (5-2) 理想的双位控制特性如图5-1所示。
图5-1
理想的双位控制特性
图5-2
双位控制的液位控制系统
图5-3 带中间区的双位控制规律
图5-4
带中间区的双位控制过程
图5-5
比例控制系统