(自動(dòng)控制原理)第三章2課件

第3章建筑設(shè)備自動(dòng)化中的監(jiān)控設(shè)備4傳感器1控制器3調(diào)節(jié)閥的選擇與應(yīng)用5變送器1執(zhí)行器3.2變送器3.2傳感器與變送器

變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R(shí)別的信號(hào)（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號(hào)同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測量和控制的信號(hào)源）的轉(zhuǎn)換器。

對于直接把被測量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的敏感原件，不必用變送器，如熱電偶。變送器——信號(hào)處理在測量時(shí)，不能直接轉(zhuǎn)換為電壓的一般采用直流電橋或交流電橋的方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

如熱電阻采用四邊形直流電橋：

當(dāng)輸出端接阻抗比較高的放大器時(shí)，電橋輸出端電流為零，此時(shí)有：可以求出bc和dc之間的電位差：輸出電壓為：若要是電橋輸出電壓為零（電橋平衡）：需滿足：變送器信號(hào)調(diào)整部分由：放大器、反饋電路和調(diào)零與零點(diǎn)遷移電路組成。被測參數(shù)X轉(zhuǎn)換成放大器可以接受的信號(hào)Zi，放大，反饋電路把變送器輸出的Y變成反饋信號(hào)Zf,在把調(diào)零與零點(diǎn)遷移電路產(chǎn)生的信號(hào)Z0一同放入放大器進(jìn)行比較，其差值由放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)Y輸出。變送器組成變送器的輸入輸出關(guān)系：上式可改寫為：當(dāng)KKf>>1時(shí)：上式為此時(shí)，變送器的輸入與輸出與放大器特性無關(guān)，只與測量和反饋特性有關(guān)。零點(diǎn)遷移的目的是使變送器的輸出信號(hào)的下限值（即標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)下限值）與測量范圍的下限值相對應(yīng)。稱為零調(diào)整稱為零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移時(shí)，變送器的輸出和輸入特性曲線作平行移動(dòng)，其斜率不變，即量程不變。

兩線制是指電流信號(hào)輸出的變送器，4-20mA等；三線制為電壓信號(hào)輸出的變送器，0-5V等；四線制為了防止干擾，信號(hào)線與電源線分隔開的電流信號(hào)輸出變送器。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(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送到顯示儀表或控制裝置進(jìn)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變送器分類按工作能源可分為：電動(dòng)變送器氣動(dòng)變送器最常用的變送器是：溫度變送器差壓變送器有些變送器測量與變送單元做在一起，如差壓變送器，有些變送器則只有變送功能，如溫度變送器通用性強(qiáng)，可以連續(xù)測量差壓、正壓、負(fù)壓、液位、密度等變量，將測量信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為顯示儀表、控制器或運(yùn)算器的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對以上變量的顯示、記錄或控制變送器3.3控制器左上圖：散熱器恒溫閥下圖：自力式流量控制閥2.按結(jié)構(gòu)形式分類(1)基地式儀表這種儀表以指示、記錄儀表為主體，附加調(diào)節(jié)裝置而組成，即把變送、控制、顯示等部分裝在一個(gè)殼內(nèi)形成整體。

(2)單元式組合儀表這種儀表根據(jù)自動(dòng)檢測與控制的要求，將整套儀表劃分為能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一定功能的若干單元，單元之間統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)聯(lián)系。

(3)組裝電子式調(diào)節(jié)儀表這種儀表是在單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的成套儀表裝置，它的基本組件是具有不同功能的功能模件。(1)斷續(xù)輸出的電子式模擬控制器1)兩位式電子模擬控制器。

2)三位式電子控制器。

3)位式輸出的補(bǔ)償式控制器。兩位式電子模擬控制器原理框圖兩位式電子模擬控制器特性圖

a)理想特性b)實(shí)際特性如：開關(guān)機(jī)械風(fēng)機(jī)盤管接線圖左圖圖3-10位式輸出的補(bǔ)償式控制器室外溫度補(bǔ)償特性根據(jù)室外溫度變化，全年自動(dòng)調(diào)節(jié)控制室內(nèi)溫度3.3.2軟件控制器1.直接數(shù)字控制器(DDC)

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制算法

3.可編程控制器(PLC-ProgrammableLogicController)

4.現(xiàn)場控制單元的軟件結(jié)構(gòu)1.直接數(shù)字控制器(DDC)②采樣器：在時(shí)序控制器作用下，以一定的速度按順序把輸入信號(hào)送入放大器，然后選擇送到A/D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。

③輸出通道D/A：把經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能控制執(zhí)行器動(dòng)作的模擬信號(hào)AO或數(shù)字信號(hào)DO。

④顯示報(bào)警：是直接數(shù)字控制器系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要功能，它能對生產(chǎn)過程的工況進(jìn)行監(jiān)控，以供操作人員監(jiān)視。DDC系統(tǒng)框圖數(shù)字式風(fēng)機(jī)盤管房間溫度等控制器2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制算法(1)PID控制算法按照偏差信號(hào)的比例P(Proportional)、積分I(Integral)和微分D(Derivative)進(jìn)行控制的PID算法，以其形式簡單、參數(shù)易于整定、便于操作而成為目前控制工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟的基本控制算法。

(2)改進(jìn)型PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果單純用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器去模仿模擬調(diào)節(jié)器，不會(huì)獲得更好的效果。1、P控制——比例控制即：比例控制規(guī)律：在該控制系統(tǒng)中，閥門開度的改變量與被控變量（液位）的偏差值成比例。令：則：KP：比例控制的放大倍數(shù)KP決定了比例控制作用的強(qiáng)弱。KP越大，比例控制作用越強(qiáng)。改變杠桿支點(diǎn)的位置，便可改變KP的數(shù)值。KP值過大（值過?。┫到y(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，容易造成過度調(diào)節(jié)，產(chǎn)生大幅振蕩。KP值過?。ㄖ颠^大）系統(tǒng)反應(yīng)過于遲鈍，調(diào)節(jié)時(shí)間長，余差大。KP值（值）適中經(jīng)過少數(shù)幾個(gè)減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，有一定的靜差。靜差——當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，設(shè)定值和運(yùn)行參數(shù)之間的差值。問：純比例調(diào)節(jié)可以消除靜差嗎？KI代表積分速度。當(dāng)輸入偏差是常數(shù)A時(shí)：當(dāng)偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增長。當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出才停止變化而穩(wěn)定在某一值上。用積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達(dá)到無余差。2、I控制——積分控制Ti值過小系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，容易造成過度調(diào)節(jié)，產(chǎn)生大幅振蕩。Ti值過大積分作用不明顯，調(diào)節(jié)時(shí)間長，余差大。Ti值適中經(jīng)過少數(shù)幾個(gè)減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，無余差?？刂谱饔秒S著時(shí)間積累而逐漸增強(qiáng)，控制作用緩慢，會(huì)出現(xiàn)控制不及時(shí)，當(dāng)對象慣性較大時(shí)，被控變量將出現(xiàn)大的超調(diào)量，因此，要引入微分作用。試問：比例積分作用能使系統(tǒng)無差運(yùn)行嗎？加入微分控制的目的：防止出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。微分控制方法：輸出量與輸入偏差對時(shí)間的微分成正比。——根據(jù)被控參數(shù)變化的快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，屬超前控制。TD為微分時(shí)間微分控制：3、D控制——微分控制TD值過大

系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，調(diào)節(jié)時(shí)間長，余差大，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)大幅振蕩。TD值過小微分作用不明顯，超調(diào)量大。TD值適中

經(jīng)過少數(shù)幾個(gè)明顯減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定。特別是對有較大滯后的系統(tǒng)作用尤為明顯。微分控制可以減少超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性和快速性，單純的微分控制會(huì)發(fā)生高頻擾動(dòng)，因此，不單獨(dú)使用。1)增量型PID控制算法的輸出Δu(k)僅取決于最近3次的e(k)、e(k-1)和e(k-2)的采樣值，計(jì)算較為簡便，所需的內(nèi)存容量不大。

2)由于微機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作影響較小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。

3)在手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換中，增量型PID控制算法要優(yōu)于位置型PID控制算法。

4)不產(chǎn)生積分失控，所以能容易獲得較好的調(diào)節(jié)效果，一旦計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，則停止輸出Δu(k)，閥位大小保持發(fā)生故障前的狀態(tài)，對生產(chǎn)過程無影響。1)積分項(xiàng)的改進(jìn)有如下方法：

①分離的PID控制算法。在PID控制中，積分的作用是為了消除殘差，提高控制性能指標(biāo)。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)有較大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，使得系統(tǒng)輸出的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生最大動(dòng)作所對應(yīng)的極限控制量，最終導(dǎo)致系統(tǒng)較大的超調(diào)、長時(shí)間波動(dòng)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。②變速積分的PID控制算法。一般的PID控制中，積分系數(shù)KI是常數(shù)，所以，在整個(gè)控制過程中，積分增量保持不變。而系統(tǒng)對積分項(xiàng)的要求則是，偏差大時(shí)，積分作用減弱；偏差小時(shí)，積分作用增強(qiáng)。否則，會(huì)因?yàn)榉e分系數(shù)KI的數(shù)值取大了，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和；反之，積分系數(shù)KI的數(shù)值取小了，造成了系統(tǒng)消除殘差過程的延長。

2)微分項(xiàng)的改進(jìn)方法如下：

①微分先行的PID控制算法。為了避免給定值的改變，給系統(tǒng)帶來的影響(如超調(diào)量過大、系統(tǒng)振蕩等)?？刹捎梦⒎窒刃械腜ID控制技術(shù)。它只對被控變量y(t)進(jìn)行微分，而不對偏差微分，即對給定值無微分作用，消除了給定值頻繁升降給系統(tǒng)造成的沖擊。②不完全微分PID控制算法。普通的PID控制算式，對具有高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過程，微分作用響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。尤其是計(jì)算機(jī)對每個(gè)控制回路輸出時(shí)間是短暫的，而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作又需要一定時(shí)間，如果輸出較大，在短暫時(shí)間內(nèi)執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)有的相應(yīng)開度，會(huì)使輸出失真。為了克服這一缺點(diǎn)，同時(shí)又要微分作用有效，可以在PID控制輸出串入一階慣性環(huán)節(jié)，這就組成了不完全微分PID調(diào)節(jié)器。3.

PLC控制器PLC——可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等。單片機(jī)——是將電子計(jì)算機(jī)的基本環(huán)節(jié),采用集成電路技術(shù)集成在一片硅基片上。由于單片計(jì)算機(jī)體積很小(僅手指般大小),功能強(qiáng)(具有一個(gè)簡單計(jì)算機(jī)的功能),因而廣泛用于電子設(shè)備中作控制器之用。目前,大到導(dǎo)彈火箭國防尖端武器,小至電視機(jī)微波爐等現(xiàn)代家用電器,內(nèi)中都毫無例外地運(yùn)用單片計(jì)算機(jī)作為控制器.

PLC與單片機(jī)的區(qū)別PLC目前大量地用單片機(jī)制成?？梢哉f,PLC是單片機(jī)在繼電控制系統(tǒng)中的一種應(yīng)用，而PLC所采用的梯形圖類似于繼電器線路圖,易于為廣大電氣工程技術(shù)人員所接受。3.4執(zhí)行器3.4執(zhí)行器3.4.1膨脹閥1.熱力膨脹閥

2.電子膨脹閥閥門——是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截?cái)唷⒄{(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。閥門分類一、按用途和作用分類1、截?cái)嚅y類：主要用于截?cái)嗷蚪油ń橘|(zhì)流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、旋塞閥、球閥、蝶閥等。2、調(diào)節(jié)閥類：主要用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力等。包括調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、減壓閥等。3、止回閥類：用于阻止介質(zhì)倒流。包括各種結(jié)構(gòu)的止回閥。4、分流閥類：用于分配、分離或混合介質(zhì)。包括各種結(jié)構(gòu)的分配閥和疏水閥等。5、安全閥類：用于超壓安全保護(hù)。包括各種類型的安全閥。二、按主要參數(shù)分類1、按壓力分類(1)真空閥工作壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的閥門。(2)低壓閥公稱壓力PN<1.6MPa的閥門。(3)中壓閥公稱壓力PN<2.5~6.4Mpa的閥門。(4)高壓閥公稱壓力PN10.0~80.0Mpa的閥門。(5)超高壓閥公稱壓力PN≥100Mpa的閥門。2、按介質(zhì)工作溫度分類(1)高溫閥t>450℃的閥門。(2)中溫閥120℃≤t<450℃的閥門。(3)常溫閥-40℃≤t<120℃的閥門。(4)低溫閥-100℃≤t<-40℃的閥門。(5)超低溫閥t<-100℃的閥門。三、按閥體材料分類(1)非金屬材料閥門如陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門。(2)金屬材料閥門如銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥門鐵閥門、碳鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。(3)金屬閥體襯里閥門如襯鉛閥門、襯塑料閥門、襯搪瓷閥門。圖內(nèi)平衡式熱力膨脹閥工作原理

1—蒸發(fā)器2—感溫包3—毛細(xì)管4—膨脹閥

5—波紋膜片6—推桿7—調(diào)節(jié)彈簧8—調(diào)節(jié)螺釘圖內(nèi)平衡式熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)

1—閥體2—傳動(dòng)桿3—螺母4—閥座5—閥針

6—調(diào)節(jié)彈簧7—調(diào)節(jié)桿座8—填料9—帽蓋

10—調(diào)節(jié)桿11—填料壓蓋12—感溫包13—過濾網(wǎng)

14—螺母15—毛細(xì)管16—感應(yīng)薄膜17—?dú)庀渖w電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

1—執(zhí)行機(jī)構(gòu)2—調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

直通單座閥

作用在上下閥芯的作用力，大小接近相等，不平衡力小；適合用在閥前后壓差較大的場合；流通能力強(qiáng)；需要加工精度高，上下不容易同時(shí)關(guān)緊，泄漏大，尤其在高溫下，泄漏嚴(yán)重。三通閥

a)合流閥b)分流閥閘閥球閥、蝶閥、隔膜閥等都可以作為調(diào)節(jié)閥

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)造觀察窗指示器電容器接線端子電機(jī)限位開關(guān)／力矩開關(guān)加熱器機(jī)體底座渦輪、蝸桿手柄手輪動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)軸套電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥3.4.2調(diào)節(jié)閥的流量特性1.理想流量特性

2.工作流量特性

理想流量特性——是在閥前后壓差固定的情況下得到的流量特性，它決定于閥芯的形狀，因此也稱之為結(jié)構(gòu)特性。在理想情況下，流量僅隨閥門開度變化而變化，從控制的角度看，觀察調(diào)節(jié)閥的控制指標(biāo)，研究流量特性，是一種常用的方法。1、調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性

2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時(shí)流量特性會(huì)發(fā)生畸變。例：管道串聯(lián)時(shí)的工作流量特性如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P0342.TIF串聯(lián)管道系統(tǒng)的阻力與通過管道的介質(zhì)流量成平方關(guān)系：F=KG2

從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時(shí)閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權(quán)度（閥門能力）s表示調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P理想流量特性類型(1)直線流量特性直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。

(2)等百分比(對數(shù))流量特性等百分比流量特性指單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而增大。

(3)拋物線流量特性

(4)快開曲線調(diào)節(jié)閥在開度較小時(shí)就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開特性，如圖3-40曲線4所示。圖3-40直通調(diào)節(jié)閥理想流量特性直線結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥的特性曲線的斜率在全行程是一個(gè)定值以相對行程l等于10%、50%、80%三點(diǎn)為例；當(dāng)行程變化10%時(shí)，所引起節(jié)流面積變化總是10%，我們再看它的節(jié)流面積相對變化值分別為：

1.隔膜閥的流量特性接近快開特性，2.蝶閥的流量特性接近等百分比特性，3.閘閥的流量特性為直線特性，4.球閥的流量特性在啟閉階段為直線，在中間開度的時(shí)候?yàn)榈劝俜直忍匦浴?341.TIF以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(shí)(s=1)，閥全開時(shí)達(dá)到的最大流量。可得串聯(lián)管道在不同s值時(shí)，以自身Qmax作參照的工作流量特性。流量特性畸變：對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥

直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓圖3-43串聯(lián)管道時(shí)直通調(diào)節(jié)閥工作流量特性(以為參比值)

a)直線流量特性b)等百分比流量特性可調(diào)比：R=qmax/qmin調(diào)節(jié)閥的流量特性

例：管道并聯(lián)時(shí)的工作流量特性有的調(diào)節(jié)閥裝有旁路，便于手動(dòng)操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)能力提高或其他原因引起調(diào)節(jié)閥的最大流量滿足不了工藝生產(chǎn)的要求時(shí)，可以把旁路打開一些，這時(shí)調(diào)節(jié)閥的理想流量特性就成為工作流量特性。3.4.3調(diào)節(jié)閥的選擇1.流量特性選擇

2.調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的選擇

3.調(diào)節(jié)閥開閉形式的選擇

4.閥門工作范圍的選擇

5.調(diào)節(jié)閥口徑的計(jì)算調(diào)節(jié)閥口徑的選擇步驟如下：

（1）根據(jù)工藝的生產(chǎn)能力設(shè)備負(fù)荷，確定計(jì)算調(diào)節(jié)閥流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、計(jì)算壓差等參數(shù)。

（2）根據(jù)被控介質(zhì)及其工作條件選用計(jì)算公式，確定流體介質(zhì)密度、溫度、粘度等已知條件并換算到工作狀態(tài)下，然后代入公式計(jì)算出流