第四章 過(guò)程控制儀表 林德杰

4.1概述4.2PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法4.3模擬調(diào)節(jié)器4.4數(shù)字調(diào)節(jié)器和可編程調(diào)機(jī)器4.5PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器第4章調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量信號(hào)z與調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定或外給定信號(hào)x進(jìn)行比較，得到其偏差e，即然后調(diào)節(jié)器對(duì)該偏差信號(hào)按某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制作用。

4.1概述

調(diào)節(jié)器的作用控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：是指控制器的輸出控制信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系?？刂破鞯闹苯虞斎胄盘?hào)是變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部輸入的設(shè)定（給定）信號(hào)。設(shè)定信號(hào)和測(cè)量信號(hào)經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號(hào)ε

，它是設(shè)定值信號(hào)Vs與測(cè)量信號(hào)Vi之差。如果輸入ε與輸出y的變化方向相同，則稱控制器為正作用控制器；反之，如果輸入ε

與輸出y變化方向相反，則稱控制器為反作用控制器?；蚱畋磉_(dá)式：

4.2

PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類：一、斷續(xù)控制——控制器輸出接點(diǎn)信號(hào)

雙位控制（開(kāi)關(guān)控制）二、連續(xù)控制——控制器輸出連續(xù)信號(hào)比例控制（P）;

比例積分控制（PI）;

比例微分控制（PD）;

比例積分微分控制（PID）?？刂破鳎ㄕ{(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法一、雙位控制雙位控制的輸出規(guī)律：根據(jù)輸入偏差的正、負(fù)，控制器的輸出為最大或最小。雙位控制器只有兩個(gè)輸出值，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)極限位置，因此又稱開(kāi)關(guān)控制。理想雙位控制器的輸出y與輸入偏差e之間的關(guān)系：理想的雙位控制特性控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法一、雙位控制雙位控制實(shí)例圖雙位控制實(shí)例電磁閥繼電器電極（測(cè)量元件）導(dǎo)電液體出料管設(shè)定值測(cè)量原理：當(dāng)液位低于設(shè)定值H0時(shí)，液位未接觸電極，繼電器斷路，此時(shí)電磁閥YV全開(kāi)，液位以最大流量流入貯槽。當(dāng)液位上升至設(shè)定值H0時(shí)，液位與電極接觸，繼電器接通，從而使電磁閥全關(guān)，液體不再進(jìn)入貯槽。

控制器（調(diào)節(jié)器）的控制規(guī)律：

4.2

PID控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法中間區(qū)、振蕩二、PID調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出分別與輸入偏差的大小、偏差的積分和偏差的變化率成比例，其英文縮寫為PID(proportionalintegralderivative，PID)。理想PID的增量式數(shù)學(xué)表達(dá)式：為調(diào)節(jié)器輸出的增量值，為被控參數(shù)與給定值之差。

寫成傳遞函數(shù)形式：第一項(xiàng)為比例（P）部分，第二項(xiàng)為積分（I）部分，第三項(xiàng)為微分（D）部分為調(diào)節(jié)器的比例增益，為積分時(shí)間（以s或min為單位），為微分時(shí)間（也以s或min為單位）。

通過(guò)改變這三個(gè)參數(shù)的大小，可以相應(yīng)改變調(diào)節(jié)作用的大小及規(guī)律。PID控制器的一般形式為：△y＝f(e)幾種常用控制規(guī)律的微分方程表達(dá)式可分別表示為：比例作用（P）

比例積分作用（PI）

比例微分作用（PD）

比例積分微分作用（PID）KP—控制器的比例增益；TI—控制器的積分時(shí)間；TD—控制器的微分時(shí)間；

控制規(guī)律的表示形式二、PID調(diào)節(jié)1.比例控制（P）純比例調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比，比例增益的大小決定了比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱，Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。當(dāng)TI→∞、TD=0時(shí)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)都不起作用，控制器輸出y(t)和偏差信號(hào)e(t)成比例關(guān)系。＋－KPye被控變量測(cè)量值z(mì)被控變量給定值xK

p—比例增益

純比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性

1.比例控制（P）圖簡(jiǎn)單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測(cè)量元件活塞閥杠桿（控制器）?當(dāng)液位高于設(shè)定值時(shí)，控制活塞閥關(guān)小，液位越高，閥關(guān)得越小；

?若液位低于設(shè)定值時(shí)，控制活塞閥開(kāi)大，液位越低，閥開(kāi)得越大。?它總能找到一個(gè)合適的點(diǎn)，使液位穩(wěn)定。但如果液位過(guò)低，使Δe=0，則活塞無(wú)法再提高，Q1

無(wú)法加大，調(diào)節(jié)無(wú)法進(jìn)行?？刂圃恚豪鹤粤κ揭何槐壤刂葡到y(tǒng)：圖中：e：杠桿左端的位移，即液位的變化量；p：杠桿右端的位移，即閥芯的位移量；a、b：分別為杠桿支點(diǎn)與兩端的距離。1.比例控制（P）圖簡(jiǎn)單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測(cè)量元件活塞閥杠桿（控制器）閥門開(kāi)度的改變量（p）與被控變量（液位）的偏差值（e）成比例關(guān)系；即比例控制器的輸出信號(hào)y與輸入偏差e之間成比例關(guān)系：Kp為放大倍數(shù)（比例增益），它的大小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)。

例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：比例控制過(guò)程?Q2htep?Q1tttt1.比例控制（P）例：自力式液位比例控制系統(tǒng)：1.比例控制（P）比例度：就是指控制器輸入偏差的相對(duì)變化值與相應(yīng)的輸出的相對(duì)變化值之比，用百分?jǐn)?shù)表示：式中：e為輸入偏差；y為相應(yīng)的輸出變化量；為測(cè)量輸入的最大變化量，即控制器的輸入量程；為輸出的最大變化量，即控制器的輸出量程。在實(shí)際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度δ來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例度δ

的物理意義：使控制器的輸出變化滿量程時(shí)（控制閥從全關(guān)到全開(kāi)或相反），相應(yīng)的輸入測(cè)量值變化占儀表輸入量程的百分比。表示輸入對(duì)輸出的控制能力。

對(duì)于DDZ-Ⅲ型比例控制器，其輸入、輸出量程均為4~20mA，此時(shí)比例度δ是放大倍數(shù)的倒數(shù)。即：

1.比例控制（P）舉例：（對(duì)于DDZ-Ⅲ型比例控制器）當(dāng)比例度為50%、100%、200%時(shí)，分別說(shuō)明只要偏差e變化占儀表全量程的50%（8mA）、100%（16mA）時(shí)，控制器輸出就可以變化全量程（16mA）；P=200%說(shuō)明偏差e變化32mA，控制器輸出才能變化全量程（16mA），但是偏差e最大只能變化16mA，控制器的輸出就只能變化8mA，在此區(qū)間內(nèi)e和y是成比例的，此區(qū)間外，控制器就只能處于飽和狀態(tài)，不再符合比例關(guān)系。1.比例控制（P）uuur0100%50%umaxuminδ=50%

δ

=100%例某比例控制器，溫度控制范圍為400～800℃，輸出信號(hào)范圍是4～20mA。當(dāng)指示指針從600℃變到700℃時(shí)，控制器相應(yīng)的輸出從8mA變?yōu)?6mA。求設(shè)定的比例度。解：答溫度的偏差在輸入量程的50％區(qū)間內(nèi)（即200℃）時(shí)，e和u是2倍的關(guān)系。u/mAe/℃e420800400δ

=50%PID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響比例度對(duì)控制過(guò)程的影響比例度的選擇原則:

若對(duì)象的滯后較小，時(shí)間常數(shù)較大以及放大倍數(shù)較小，那么可以選擇小的比例度來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏度，從而使過(guò)渡過(guò)程曲線的形狀較好。反之，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要選擇大的比例度來(lái)保證穩(wěn)定。

總結(jié)比例控制：控制器的比例度δ越小，它的放大倍數(shù)就越大，它將偏差放大的能力越強(qiáng)，控制力也越強(qiáng)，反之亦然。比例控制作用的強(qiáng)弱通過(guò)調(diào)整比例度δ實(shí)現(xiàn)。

比例控制的優(yōu)點(diǎn)：控制及時(shí)，反應(yīng)靈敏，偏差越大、控制力度越大。缺點(diǎn)：控制結(jié)果存在余差（靜差）。因?yàn)檎{(diào)節(jié)作用是以偏差存在為前提條件，不可能做到無(wú)靜差調(diào)節(jié)。1.比例控制（P）圖

簡(jiǎn)單的自力式比例控制系統(tǒng)示意圖浮球：測(cè)量元件活塞閥杠桿（控制器）1.比例控制（P）2.比例積分控制（PI）圖

積分控制的階躍響應(yīng)當(dāng)要求控制結(jié)果無(wú)余差時(shí)，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制作用。（1）積分控制（I）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分。

積分時(shí)間常數(shù)當(dāng)輸入偏差是幅值為E的階躍信號(hào)時(shí)，上式為：積分控制優(yōu)點(diǎn)：可以到達(dá)無(wú)余差。積分控制缺點(diǎn)：控制作用是隨著時(shí)間積累才逐漸增強(qiáng)的，控制動(dòng)作緩慢，控制不及時(shí)。一般不單獨(dú)使用。由圖可見(jiàn)，當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)隨著時(shí)間增大（或減?。?。當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出停止變化，保持在某一值上。因而積分控制器組成控制系統(tǒng)可以達(dá)到無(wú)余差。

在階躍信號(hào)作用下（幅值為A)PI輸出響應(yīng)由比例和積分兩部分組成當(dāng)t=TI時(shí)，y=2KPAPI控制器的輸出隨時(shí)間變化的表達(dá)式為t△yI=△yPt△ypPe△yTI由此可確定積分常數(shù)。積分常數(shù)越TI大，積分作用越??；反之，積分作用越大；當(dāng)積分時(shí)間為無(wú)窮大，積分作用消失，為純比例控制器。積分時(shí)間TI的物理意義：在階躍信號(hào)作用下，控制器積分作用的輸出等于比例作用的輸出所經(jīng)歷的時(shí)間。

（2）比例積分控制（PI）PI控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響左圖表示在同樣比例度下積分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。由圖中曲線３、4可以看出，TI過(guò)大時(shí)積分作用不明顯，余差消除地也慢，從圖中曲線１、２可以看出，TI較小時(shí)易于消除余差，但系統(tǒng)的振蕩加劇。相比之下，曲線２就比較理想。（2）比例積分控制（PI）比例積分控制作用優(yōu)點(diǎn)：控制及時(shí)，又能消除余差，可提高系統(tǒng)的控制精度，比例度δ

和積分時(shí)間兩個(gè)參數(shù)均可調(diào)整。實(shí)際積分3.比例微分控制（PD）微分控制規(guī)律，就是控制器輸出信號(hào)的變化與偏差信號(hào)的變化速率成正比：對(duì)于慣性較大的對(duì)象，常常希望能加快控制速度，此時(shí)可增加微分作用。理想微分式中：TD—微分時(shí)間常數(shù)TD越大，微分作用越強(qiáng)；

TD等于零時(shí)，微分作用消失。（1）微分控制（D）圖

理想微分的階躍響應(yīng)當(dāng)輸入偏差為階躍信號(hào)時(shí)，微分輸出為一沖激信號(hào)。由于理想微分運(yùn)算的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間太短，往往不能有效推動(dòng)閥門。實(shí)際應(yīng)用中，一般加以慣性延遲，使控制作用維持一段時(shí)間，稱為實(shí)際微分。圖

實(shí)際微分的階躍響應(yīng)3.比例微分控制（PD）微分的特點(diǎn)：能起到超前控制的作用。即按照偏差變化的速度控制，能在偏差很小時(shí)，提前增大控制作用，改善控制品質(zhì)。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。缺點(diǎn)：微分對(duì)靜態(tài)偏差毫無(wú)控制能力。因此微分作用不能單獨(dú)使用，必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。另外，微分控制會(huì)降低調(diào)節(jié)器的抗干擾能力（高頻但低幅，會(huì)使調(diào)節(jié)閥誤動(dòng)作）。3.比例微分控制（PD）比例微分控制作用可提高系統(tǒng)的控制速度，對(duì)慣性大的對(duì)象用比例微分，可以改善控制質(zhì)量，減小最大偏差，縮短控制時(shí)間。理想的比例微分控制理想微分作用持續(xù)時(shí)間太短，執(zhí)行器來(lái)不及響應(yīng)。一般使用實(shí)際的比例微分作用。eAttyty3.比例微分控制（PD）（2）比例微分控制（PD）PD控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響微分時(shí)間對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響PD控制優(yōu)點(diǎn)：能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，抑制過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD控制不足之處：一般只適應(yīng)于時(shí)間常數(shù)較大或多容過(guò)程的調(diào)節(jié)控制，而不適用于流量、壓力等一些變化劇烈的過(guò)程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的控制閥頻繁開(kāi)啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。PD控制一般總是以比例動(dòng)作為主，微分動(dòng)作為輔。4.比例積分微分控制（PID）圖PID的階躍響應(yīng)比例積分微分控制規(guī)律為：將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，只要三項(xiàng)作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，既能快速調(diào)節(jié)，又能消除余差，可得到滿意的控制效果。當(dāng)控制對(duì)象慣性較大且控制精度要求較高時(shí)，可將比例積分微分合用。

PID控制規(guī)律吸取了比例控制的快速反應(yīng)功能（此為基礎(chǔ)控制作用）、積分控制的消除余差功能和微分控制的預(yù)測(cè)功能，從控制效果看，是比較理想的一種控制規(guī)律。階躍響應(yīng)特性可以看作是PI階躍響應(yīng)曲線PD階躍響應(yīng)曲線的疊加。

PID三作用控制器雖然性能效果比較理想，但并非任何情況下都可采用PID三作用控制器。因?yàn)镻ID三作用控制器需要整定比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間三個(gè)變量，而在實(shí)際工程上是很難將這三個(gè)變量都整定到最佳值。PID階躍響應(yīng)特性曲線

PID控制規(guī)律對(duì)控制過(guò)程的影響

比例積分微分控制規(guī)律過(guò)程控制儀表的分類及特點(diǎn)1.按能源形式分類可分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)和機(jī)械式等幾種。工業(yè)上普遍使用電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控制儀表。

導(dǎo)管、管路板導(dǎo)線、印刷電路板

接線氣動(dòng)元件

電子元器件

構(gòu)成氣壓信號(hào)

電信號(hào)(電流、電壓或數(shù)字)

傳輸信號(hào)氣源（140kPa）

電源(220VAC，24VDC)能源氣動(dòng)儀表電動(dòng)儀表2.按信號(hào)類型分類

模擬式數(shù)字式由模擬元件構(gòu)成傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量，如電流信號(hào)，電壓信號(hào)，氣壓信號(hào)等線路較簡(jiǎn)單，操作方便，使用靈活，價(jià)格較低

以微處理器、單片機(jī)等大規(guī)模集成電路芯片為核心傳輸信號(hào)通常為斷續(xù)變化的數(shù)字量，如脈沖信號(hào)等可以進(jìn)行各種數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷，其功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬式儀表難以解決的問(wèn)題過(guò)程控制儀表的分類及特點(diǎn)3.按結(jié)構(gòu)形式分類

單元組合式儀表基地式儀表集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

過(guò)程控制儀表的分類及特點(diǎn)單元組合式儀表：將各種單元進(jìn)行不同組合，可以構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場(chǎng)合需要的自動(dòng)檢測(cè)或控制系統(tǒng)。有電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）和氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）兩大類。都經(jīng)歷了I型、II型(010mA)、III型(420mA,15v)的三個(gè)發(fā)展階段。根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要求，將儀表做成能實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表（稱為單元），各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。單元組合儀表

變送單元

溫度變送器壓力變送器差壓變送器流量變送器液位變送器

將各種被測(cè)參數(shù)變換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)傳送到接收儀表或裝置，以供顯示、記錄或控制

轉(zhuǎn)換（變送）單元

直流毫伏轉(zhuǎn)換器頻率轉(zhuǎn)換器電－氣轉(zhuǎn)換器氣－電轉(zhuǎn)換器

將電壓、頻率等電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，或者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以使不同信號(hào)在同一控制系統(tǒng)中使用

單元組合儀表

控制單元

運(yùn)算單元

比例積分微分控制器比例積分控制器比例微分控制器具有特種功能的控制器

將變送單元的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)比較，按偏差給出控制信號(hào)，去控制執(zhí)行器加減器乘除器開(kāi)方器

顯示單元指示儀指示記錄儀報(bào)警器

單元組合儀表

給定單元

執(zhí)行單元

輔助單元輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為被控變量的給定值送到控制單元，實(shí)現(xiàn)定值控制。給定單元的輸出也可以供給其他儀表作為參考基準(zhǔn)值。

角行程電動(dòng)執(zhí)行器直線行程電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥

按控制器輸出的控制信號(hào)和手動(dòng)操作信號(hào)，改變控制變量操作器：手動(dòng)操作及手動(dòng)/自動(dòng)的切換作用阻尼器：壓力或流量等信號(hào)的平滑、阻尼限幅器：限制信號(hào)的上、下限值安全柵：將危險(xiǎn)場(chǎng)所與非危險(xiǎn)場(chǎng)所隔開(kāi)，起安全防爆作用

被控對(duì)象執(zhí)行單元檢測(cè)元件調(diào)節(jié)單元給定單元操作單元變送單元顯示單元工藝介質(zhì)閥門被調(diào)變量自動(dòng)手動(dòng)測(cè)量值給定值用電動(dòng)單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)

基地式控制儀表相當(dāng)于把單元組合儀表的幾個(gè)單元組合在一起，構(gòu)成一個(gè)儀表。通常以指示、記錄儀表為主體，附加控制、測(cè)量、給定等部件而構(gòu)成；其控制信號(hào)輸出一般為開(kāi)關(guān)量，也可以是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)；一個(gè)基地式儀表具有多種功能，與執(zhí)行器聯(lián)用或與變速器聯(lián)用，便可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)；性能價(jià)格比高，適用于單參數(shù)的控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）：分散控制、集中管理控制站（下位機(jī)）操作站（上位機(jī)）過(guò)程通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、處理及控制由DCS系統(tǒng)的基本控制器（包括控制卡、信號(hào)輸入輸出卡、電源等）構(gòu)成或由可編程序控制器PLC（包括CPU、I/O、電源等模塊）或帶有微處理器的數(shù)字式控制儀表構(gòu)成實(shí)現(xiàn)操作站與控制站的連接提供與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的連接過(guò)程信息的集中顯示、操作和管理由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤、通信網(wǎng)卡等組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）現(xiàn)場(chǎng)控制和雙向數(shù)字通信將傳統(tǒng)上集中于控制室的控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的儀表或裝置之間為雙向數(shù)字通信。4.3

模擬調(diào)節(jié)器DDZ一III型PID基型調(diào)節(jié)器有兩個(gè)品種，即全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器。它們的電路結(jié)構(gòu)基本相同，僅指示電路有差異。這里僅介紹全刻度指示調(diào)節(jié)器。1-雙針垂直指示器2-外給定指示燈3-內(nèi)給定設(shè)定輪4-自動(dòng)—軟手動(dòng)—硬手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)5-硬手動(dòng)操作桿6-輸出指示器7-軟手動(dòng)操作板鍵4.3.1PID型調(diào)節(jié)器圖4.12

全刻度指示調(diào)節(jié)器組成框圖工作原理：調(diào)節(jié)器接收變送器輸出的測(cè)量信號(hào)（4~20mA或1~5V），在輸入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)。然后在PD與PI電路中進(jìn)行

PID運(yùn)算，由輸出電路轉(zhuǎn)換為4~20mA直流電流輸出。圖全刻度指示調(diào)節(jié)器原理圖S1：工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S3：積分換檔開(kāi)關(guān)S4：軟手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)S5：標(biāo)定指示與測(cè)量指示開(kāi)關(guān)S6：內(nèi)外給定選擇開(kāi)關(guān)S7：正反作用選擇開(kāi)關(guān)1）輸入電路

設(shè)A1為理想運(yùn)算放大器，其開(kāi)環(huán)增益和輸入阻抗為無(wú)窮大，T點(diǎn)和F點(diǎn)同電位，即VF=VT。由節(jié)點(diǎn)電流法可求得:即：有：結(jié)論：1.信號(hào)綜合：輸出信號(hào)VO1是偏差信號(hào)的兩倍；2.電平轉(zhuǎn)移：Vi，Vs均以零伏為基準(zhǔn)的DC1~5V，而VO1是以VB=10V為基準(zhǔn)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)移。圖4-3輸入電路反相端:同相端:4.3.1

PID調(diào)節(jié)器電平轉(zhuǎn)移問(wèn)題？？

Vi、VS都是以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，而運(yùn)放IC器件+24VDC供電時(shí)，其正常輸入、輸出信號(hào)電壓范圍應(yīng)在2～19V。為使運(yùn)算信號(hào)符合要求，必須將基準(zhǔn)電壓從0V抬高到VB=10V

，即進(jìn)行電平移動(dòng)。

因?yàn)閂s=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V

則如果VB=0VB=10V時(shí)，

V+=V-=3.7～5.7V

保證了IC共摸電壓在允許范圍之內(nèi)，能正常放大。V+V-公共地線干擾電壓？？電壓范圍應(yīng)在2～19V電平轉(zhuǎn)移問(wèn)題？？2～19V？？而且VB=0時(shí)，VO1=-2（Vi-VS）=-8～+8V也不符合后面PID電路IC的范圍要求。VB=10時(shí)：VO1=-2（Vi-VS）=2～18V(抬高)

使后面PID電路的IC工作于允許電壓范圍之內(nèi)。＋－電平轉(zhuǎn)移問(wèn)題？？問(wèn)題1.PD電路中無(wú)源比例微分電路和比例運(yùn)算放大器A2分別的主要功能是什么？2.微分作用的切除與介入之間的切換是無(wú)擾動(dòng)的嗎？如果是，通過(guò)什么實(shí)現(xiàn)的？3.理解PI電路的輸出是P與I的疊加關(guān)系，并掌握Ti的測(cè)定方法。4.理解輸出電路的主要功能——電平移動(dòng)功能的電壓—電流轉(zhuǎn)換器5.理解手動(dòng)操作電路的意義；軟、硬手動(dòng)操作電路的區(qū)別；無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。PID運(yùn)算電路PID運(yùn)算電路PD電路（比例微分）PI電路（比例積分）由PI和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以VB=10V為基準(zhǔn)起算的。

2.比例微分（PD）電路

比例微分電路由無(wú)源比例微分電路和比例運(yùn)算放大器A2組成，見(jiàn)圖4-4和圖4-5。圖4-4比例微分電路a)無(wú)源微分電路b)比例放大電路PD電路的作用：對(duì)來(lái)自輸入電路的V01電壓信號(hào)，通過(guò)CD、RD進(jìn)行微分運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)比例放大后輸出V02信號(hào)，作為PI電路的輸入信號(hào)。PD電路以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)S8打向“斷”時(shí)，構(gòu)成

P電路；開(kāi)關(guān)S8打向“通”時(shí)，構(gòu)成

PD電路。2.PD電路分析求PD電路的傳遞函數(shù)：若令：IDID設(shè)A2為理想運(yùn)算放大器，其開(kāi)環(huán)增益和輸入阻抗均為無(wú)窮大，而輸出阻抗為零。所以PD電路的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)S8置于“通”時(shí)當(dāng)為階躍作用時(shí)，利用拉氏變換，可求得隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式：依據(jù)下式，可用實(shí)驗(yàn)法求取微分時(shí)間TD

圖4-6PD電路輸出的階躍響應(yīng)曲線

可見(jiàn)，此電路的微分是實(shí)際微分

當(dāng)S8

置于“斷”時(shí)，微分被切除，A2只作比例運(yùn)算。有這時(shí)微分電容CD被開(kāi)關(guān)S8接在9.1K分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨電壓V01/n。當(dāng)開(kāi)關(guān)S8切換到“通”時(shí)，保證無(wú)擾動(dòng)切換。三、比例積分（PI）電路

該電路由A3、RI、CI和CM等組成，如圖4-7所示。由于射極跟隨器的輸出與A3輸出信號(hào)同相位，且幅值幾乎相等，為便于分析，可把射極跟隨器包括在A3中，于是可簡(jiǎn)化成圖4-8。圖4-7PI電路

S3－積分時(shí)間倍乘開(kāi)關(guān)?當(dāng)其置于“×1”位置時(shí)，將1kΩ電阻懸空，1/m的分壓關(guān)系不存在，CI的充電電壓為Vo2；?當(dāng)其置于“×10”位置時(shí)，將1kΩ接入電路，靜態(tài)V02被分壓輸入，CI的充電電壓為（1-1/m）Vo2，使CI的積分時(shí)間TI增大m（m≈10）。（S3為積分時(shí)間的換擋開(kāi)關(guān)）

圖4-8PI電路的簡(jiǎn)化a)S3在TI×1檔b)S3在TI×10檔

S3置于“×1”位置，A3反相輸入端電流：（忽略分壓電阻9.1kΩ

）解得：設(shè)：S3置于“×10”位置時(shí)：當(dāng)輸入為階躍作用時(shí)，利用拉氏反變換可得的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式可作出實(shí)際PI電路在為階躍作用時(shí)輸出的響應(yīng)特性，見(jiàn)圖4-9。

圖4-9PI電路輸出階躍響應(yīng)曲線同樣可用實(shí)驗(yàn)法來(lái)測(cè)定積分時(shí)間TI。

四、整機(jī)的PID傳遞函數(shù)

調(diào)節(jié)器的輸入電路、PD運(yùn)算電路和PI運(yùn)算電路，這三個(gè)環(huán)節(jié)決定了整機(jī)的傳遞函數(shù)，如圖4-10。圖4-10調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖

于是調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為簡(jiǎn)化后可得：式中，干擾系數(shù)：比例增益：比例度：微分時(shí)間：微分增益：積分時(shí)間：積分增益：由于相互干擾系數(shù)F的存在，上述參數(shù)的實(shí)際整定值與刻度值（F＝1時(shí)）之間的關(guān)系為：

拉氏反變換后，可求得輸出與輸入的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為：

圖4-11為輸入信號(hào)為階躍作用時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出響應(yīng)特性：

圖4-11PID調(diào)節(jié)器的輸出階躍響應(yīng)曲線5.輸出電路圖3-17輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號(hào)

調(diào)節(jié)器輸出電路的首要任務(wù)是將PID電路輸出的1～5V電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸出，同時(shí)還承擔(dān)電平移動(dòng)的任務(wù)，將以VB＝10V為起點(diǎn)變化的電壓轉(zhuǎn)換為0V為基準(zhǔn)的電流輸出。

1.輸出電路以集成運(yùn)算放大器A4為核心；2.在A4后面用晶體管VT1、VT2組成復(fù)合管，進(jìn)行電流放大，同時(shí)以強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋來(lái)保證良好的恒流特性。電路的特點(diǎn)：5.輸出電路設(shè)：R3＝R4＝10kΩ，R1＝R2＝4R3

由流過(guò)R2、R3電流相等：由流過(guò)R1、R4電流相等：5.輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號(hào)

因?yàn)橛蓤D：對(duì)比兩式：如果忽略反饋支路電流If和基極電流IB，由：得：取Rf＝62.5Ω

，則當(dāng)Vo3＝1～5V時(shí)，輸出電流I0＝4～20mA。

5.輸出電路PI電路輸出（1~5V）（4~20mA

）輸出電流信號(hào)

6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換通過(guò)切換開(kāi)關(guān)S1可以選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)“A”、軟手動(dòng)操作“M”、硬手動(dòng)操作“H”三種控制方式中任一種。自動(dòng)調(diào)節(jié)就是根據(jù)偏差作PID調(diào)節(jié)的控制方式，軟手動(dòng)操作及硬手動(dòng)操作都是手動(dòng)操作的控制方式。為了避免切換時(shí)給控制系統(tǒng)造成擾動(dòng)，要求電路設(shè)計(jì)中盡量做到自動(dòng)調(diào)節(jié)與手動(dòng)操作狀態(tài)間的平滑無(wú)擾動(dòng)切換。（1）A、M間的切換（S1：自動(dòng)→軟手動(dòng)狀態(tài)）保持狀態(tài)積分上升與下降S4-1～S4-4：軟手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)硬手動(dòng)操作電位器

A→M無(wú)沖擊斷開(kāi)A3的輸入CM無(wú)放電回路VO3保持不變6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換M→A的切換

S1由A切向M時(shí)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)將積分電容CI右端接VB，由于放大器反向輸入端電位約為VB，當(dāng)S1再由M切回A時(shí)，由于電壓沒(méi)有突變，切換也是無(wú)擾動(dòng)的。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換積分上升與下降S4-1～S4-4：軟手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)S41或S42按下時(shí)：VM<0，輸出V03積分上升；S43或S44按下時(shí)：VM>0，輸出V03積分下降；S41、S44按下時(shí)：RM=RM1，為快速積分；S42、S43按下時(shí)：RM=RM1+RM2，為慢速積分。用這種手動(dòng)操作來(lái)改變調(diào)節(jié)器輸出，信號(hào)變化比較緩和，稱為“軟手動(dòng)”。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換（1）A、M間的切換（S1：自動(dòng)→軟手動(dòng)狀態(tài)）圖3-19硬手動(dòng)操作電路（2）A、H間的切換（自動(dòng)→硬手動(dòng)狀態(tài)）變化緩慢地直流慣性環(huán)節(jié)當(dāng)切換開(kāi)關(guān)S1由自動(dòng)位置A切向硬手動(dòng)H時(shí)，放大器A3接成具有慣性的比例電路。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換傳遞函數(shù)慣性時(shí)間常數(shù)

T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s≈0，RF=RH

時(shí)，為增益為1的比例電路?？梢?jiàn)，VH改變時(shí)，VO3很快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換H→A的切換

S1由A切向H時(shí)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)將積分電容CI右端接VB，由于放大器反向輸入端電位約為VB，當(dāng)S1再由H切回A時(shí)，由于電壓沒(méi)有突變，切換也是無(wú)擾動(dòng)的。由A→H時(shí)，硬手動(dòng)操作桿的位置與調(diào)節(jié)器輸出指示位置不一致，則切換時(shí)調(diào)節(jié)器輸出會(huì)產(chǎn)生突變。A→H的切換是有擾切換。A→H前，須先調(diào)RPH與當(dāng)時(shí)的VO3一致，才能做到無(wú)擾動(dòng)切換。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換（2）A、H間的切換（自動(dòng)→硬手動(dòng)狀態(tài)）（3）M、H間的切換

（軟手動(dòng)→硬手動(dòng)狀態(tài)）調(diào)節(jié)器由軟手動(dòng)狀態(tài)M→硬手動(dòng)狀態(tài)H時(shí)，同由A→H一樣，其輸出值將由原來(lái)的數(shù)值很快變到硬手動(dòng)電位器所確定的數(shù)值。所以M→H是有擾切換。所以M→H前，須先調(diào)RPH與當(dāng)時(shí)的VO3一致，才能做到無(wú)擾動(dòng)切換。H→M的切換調(diào)節(jié)器由H→M時(shí)，切換后放大器成為保持狀態(tài)，保持切換前的硬手動(dòng)輸出值，切換是無(wú)擾動(dòng)的。6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器的切換特性：軟手動(dòng)（M）自動(dòng)（A）硬手動(dòng)（H）無(wú)擾無(wú)擾無(wú)擾需平衡才能無(wú)擾A→M：無(wú)擾切換M→A：無(wú)擾切換A→H：有擾切換H→A：無(wú)擾切換M→H：有擾切換H→M：無(wú)擾切換6.手動(dòng)操作電路及無(wú)擾切換保持無(wú)擾無(wú)擾圖4-17全刻度指示電路7.測(cè)量及給定指示電路電路將以0V為基準(zhǔn)的1～5VDC輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成以VB為基準(zhǔn)的1～5mADC電流信號(hào)，用電流表加以指示。圖3-20全刻度指示電路若R0＝1k，則Vi為1~5V時(shí)，I0即為1～5mA。因?yàn)椋汗实茫喝绻雎苑答佒冯娏鱅f，則流過(guò)表頭得電流為：7.測(cè)量及給定指示電路改進(jìn)型調(diào)節(jié)器隨著生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化和嚴(yán)格要求，出現(xiàn)各種復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而采用基型調(diào)節(jié)器往往達(dá)不到生產(chǎn)過(guò)程所要求的控制指標(biāo)。因此要求調(diào)節(jié)器的功能在基型調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大。實(shí)現(xiàn)方法是在基型調(diào)節(jié)器內(nèi)部增加各種附加單元，以改善其性能。

抗積分飽和調(diào)節(jié)器微分先行PID調(diào)節(jié)器比例微分先行PID調(diào)節(jié)器非線性PID調(diào)節(jié)器4.3.2積分飽和問(wèn)題圖4.21

積分反饋型抗積分飽和調(diào)節(jié)器的組成

積分飽和現(xiàn)象4.3.2積分飽和問(wèn)題（1）積分飽和及其帶來(lái)的危害圖

加熱器出口水溫控制系統(tǒng)圖

溫度比例積分控制系統(tǒng)積分飽和4.3.2積分飽和問(wèn)題①限制PI調(diào)節(jié)器的輸出uPI>設(shè)定限值時(shí)，uPI=umax結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差②積分分離法e>設(shè)定限值時(shí)，改用純P調(diào)節(jié)結(jié)果：既不會(huì)積分飽和又能在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差③遇限削弱積分法uPI>設(shè)定限值時(shí)，只累加負(fù)偏差，反之亦然結(jié)果：可避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)（2）抗積分飽和措施4.3.2積分飽和問(wèn)題調(diào)節(jié)過(guò)程：圖4-19抗積分飽和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程

二、微分先行PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：

圖4-20微分先行PID調(diào)節(jié)器原理框圖

三、比例微分先行PID調(diào)節(jié)器圖4-21比例微分先行PID調(diào)節(jié)器的組成框圖

調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：

四、非線線PID調(diào)節(jié)器非線性PID調(diào)節(jié)器分為：分段PID調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)的PID調(diào)節(jié)器，如圖4-22：在控制點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)比例增益大幅降低，而在這個(gè)區(qū)域以外，則比例增益恢復(fù)原值圖4-22非線性調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)原理：圖4-23非線性調(diào)節(jié)器的組成原理

4.3數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)發(fā)周期短，性能價(jià)格比高；具有自檢自診斷的異常報(bào)警功能和通信功能；控制精度高，性能穩(wěn)定，工作可靠；使用和維護(hù)方便。數(shù)字式調(diào)節(jié)器目前已在各行各業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。一、數(shù)字式調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)

DDZⅢ調(diào)節(jié)器是模擬式調(diào)節(jié)器，它利用電子電路進(jìn)行連續(xù)的PID運(yùn)算。數(shù)字式調(diào)節(jié)器以微計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行有關(guān)控制規(guī)律的運(yùn)算，所有控制規(guī)律的運(yùn)算都是周期性的進(jìn)行，即數(shù)字式調(diào)節(jié)器是離散系統(tǒng)。因此，用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律必須進(jìn)行離散化后方可應(yīng)用于數(shù)字式調(diào)節(jié)器。控制算法：完全微分PID算法(理想PID算法)不完全微分PID算法(實(shí)際PID算法)

位置型、增量型、速度型和偏差型實(shí)現(xiàn)形式：1.完全微分PID算法位置型：增量型：速度型：偏差型：2.不完全微分PID算法

在完成微分PID的輸出端串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，如圖4-24。完全微分PID算法的缺點(diǎn)：微分作用過(guò)于靈敏，微分作用持續(xù)時(shí)間短，容易引起控制系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)；

閥門開(kāi)度時(shí)間與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)時(shí)間不相對(duì)應(yīng)。不完全微分PID調(diào)節(jié)器：圖4-24不完全微分PID調(diào)節(jié)器組成原理框圖不完全微分PID位置型算法：不完全微分PID增量型算法：不完全微分PID算法的輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有微分作用，可獲得較好的控制效果，在數(shù)字式調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用。3.抗積分飽和算法數(shù)字調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單的抗積分飽和方法是積分分離法

，其基本原理是，在偏差較小時(shí)加入積分作用；而較大時(shí)取消積分作用。這樣便減輕積分累計(jì)的飽和程度，以達(dá)到抗積分飽和的目的。對(duì)于理想PID算法的增量形式：首先判斷偏差的絕對(duì)值是否趨于預(yù)先設(shè)定的偏差限定值A(chǔ)，然后確定是否投入積分作用，即：

4.數(shù)字式非線性控制對(duì)于數(shù)字式完全微分PID算法的增量算法：

式中，為邏輯系數(shù)

二、數(shù)字式調(diào)節(jié)器的組成圖4-24數(shù)字式調(diào)節(jié)器的組成框圖

包括微機(jī)單元、輸入電路、輸出電路和人機(jī)對(duì)話單元。三、專家自整定調(diào)節(jié)器圖4-26專家自整定調(diào)節(jié)器原理框圖四、虛擬調(diào)節(jié)儀表圖4-27虛擬調(diào)節(jié)器原理框圖

4.4.1概述作用：

接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。4.4執(zhí)行器執(zhí)行器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，直接與介質(zhì)接觸，常常在高壓、高溫等惡劣的狀況下工作，因此，它是控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。直接影響過(guò)程控制系統(tǒng)的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)原理：執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器輸出p0,I0推力、位移操縱變量流量分類：

根據(jù)使用能源不同，執(zhí)行器可分為三大類：1）氣動(dòng)執(zhí)行器：

以壓縮空氣為能源,輸入信號(hào)為20~100KPa

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、防火防爆等在過(guò)程控制中獲得最廣泛的應(yīng)用。2）電動(dòng)執(zhí)行器：

以電為能源,輸入信號(hào)為0~10mA·DC(DDZ-II型)或

4~20mA·DC(DDZ-III型)優(yōu)點(diǎn)：能源取用方便、信號(hào)傳輸速度快、損失小、便于遠(yuǎn)傳。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴、推力較小，只適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場(chǎng)所。3）液動(dòng)執(zhí)行器：

以高壓液體為能源。推力最大，但安裝、維護(hù)麻煩，目前使用不多。4.4.1概述4.4.2電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器也由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。最簡(jiǎn)單的電動(dòng)執(zhí)行器稱為電磁閥。其它連續(xù)動(dòng)作的電動(dòng)執(zhí)行器都使用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力元件，將調(diào)節(jié)閥的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的開(kāi)度。

其中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行器是通用的，不同的只是電動(dòng)執(zhí)行器使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即使用電動(dòng)機(jī)等電的動(dòng)力啟閉調(diào)節(jié)閥。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成框圖伺服放大器伺服電動(dòng)機(jī)減速器位置發(fā)生器+－調(diào)節(jié)閥4.4.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖4-1氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥示意圖1.結(jié)構(gòu)：主要由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成。氣動(dòng)薄膜室閥體推桿閥桿閥位指示標(biāo)牌3.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用形式：正作用：當(dāng)來(lái)自控制器或閥門定位器的壓力信號(hào)增加時(shí)，推桿向下移動(dòng)時(shí)稱正作用。反作用：當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向上移動(dòng)時(shí)稱反作用。2.作用：接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器或電氣閥門定位器輸出的氣壓信號(hào)，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力，克服彈簧力后，使推桿產(chǎn)生位移，同時(shí)帶動(dòng)閥芯動(dòng)作。（公式）有l(wèi)0mm、16mm、25mm、40mm、60mm、l00mm等常見(jiàn)行程規(guī)格：4.4.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.4.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.4.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）1.作用：是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。2.流量方程3.調(diào)節(jié)原理當(dāng)口徑A和差壓（P1-P2）一定時(shí)，流量Q僅隨阻尼系數(shù)的變化而變化。改變閥門的開(kāi)度，可改變流通阻力而控制介質(zhì)流量。P1P24.氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類閥門的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式：直通單座閥直通雙座閥角閥三通閥隔膜閥蝶閥球閥等4.4.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）正作用：當(dāng)閥桿下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積減小，稱為正作用。反作用：當(dāng)閥桿下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積增大，稱為反作用。正體閥反體閥4.4.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）5.調(diào)節(jié)閥的正反作用6.調(diào)節(jié)閥的選擇（1）調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，選擇其大小的主要依據(jù)是流通能力C。流通能力C定義：調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，閥前后壓差為0.1MPa，流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門的流體流量m3或kg。設(shè)流體是不可壓縮的，則式中：α為流量系數(shù)；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；γ為流體重度；

Δp為調(diào)節(jié)閥前后壓差,Δp=P1-P2；Q為流體的體積流量。4.4.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）有：可見(jiàn)，流通能力C表示了調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于不同口徑、不同結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，其流通能力C也不同。根據(jù)調(diào)節(jié)所需的物料量Qmax、Qmin，流體重度

γ以及調(diào)節(jié)閥上的壓降ΔP，可以求得最大流量、最小流量時(shí)的Cmax和Cmin值，再根據(jù)Cmax，在所選用產(chǎn)品型式的標(biāo)準(zhǔn)系列中，選取大于Cmax并最接近一級(jí)的C值，最后查出Dg和dg。P115例題??！?。?.調(diào)節(jié)閥的選擇（1）調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇（2）調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇氣開(kāi)式：即當(dāng)氣壓信號(hào)P>0.02MPa時(shí)，閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開(kāi)；氣關(guān)式：即氣壓信號(hào)P>0.02MPa時(shí),閥由全開(kāi)狀態(tài)逐漸關(guān)閉。

（信號(hào)壓力范圍0.02~0.1MPa)由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反兩種作用形式，調(diào)節(jié)閥也有正裝和反裝兩種形式。所以，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)時(shí)，有四種組合方式，如圖4-35和表4-3所示。6.調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的選擇原則：主要從工藝生產(chǎn)的安全和節(jié)約能源來(lái)考慮——當(dāng)發(fā)生斷電或其他事故引起信號(hào)壓力中斷時(shí),調(diào)節(jié)閥的開(kāi)閉狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。例如：一般蒸汽加熱器選用氣開(kāi)式，一旦氣源中斷，閥門處于全關(guān)狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不致因溫度過(guò)高而發(fā)生事故或危險(xiǎn)。鍋爐進(jìn)水的調(diào)節(jié)閥則選用氣關(guān)式，當(dāng)氣源中斷時(shí)，仍有水進(jìn)入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干或爆炸事故。（3）單座閥和雙座閥的選擇：

大口徑的閥一般選用雙座閥；當(dāng)閥的口徑較小時(shí)，一般選用單座閥。（4）流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，指介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，即:式中，Q/Qmax為相對(duì)流量，即某一開(kāi)度的流量與全開(kāi)流量Qmax之比；

l/L為相對(duì)開(kāi)度，即某一開(kāi)度行程l與全行程L之比。

理想流量特性當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差（Δp=P1-P2）一定的情況下得到的流量特性，稱之為理想流量特性，它僅取決于閥芯的形狀。(它是一個(gè)調(diào)節(jié)閥固有的特性）6.調(diào)節(jié)閥的選擇在目前常用的調(diào)節(jié)閥中，有三種（4種）典型的理想流量特性，即直線流量特性、快開(kāi)流量特性和等百分比流量特性，其閥芯形狀和相應(yīng)的特性曲線如圖4－36和圖4－37中。圖4-36閥芯形狀圖4-37調(diào)節(jié)閥理想流量特性6.調(diào)節(jié)閥的選擇（4）流量特性的選擇1）直線流量特性直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)系，即單位閥芯位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。積分得：由邊界條件求得：直線流量特性數(shù)學(xué)表達(dá)式：定義式：l=0時(shí)，Q=Qmin；l=L時(shí)，Q=Qmax。邊界條件：調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比（4）流量特性的選擇6.調(diào)節(jié)閥的選擇特性分析：?直線閥的放大系數(shù)在任何一點(diǎn)都是相同的，但其對(duì)流量的控制力（即流量變化的相對(duì)值）在每一點(diǎn)卻是不同的。?總結(jié)：直線閥在流量小時(shí)，流量變化的相對(duì)值大；在流量大時(shí)，流量變化的相對(duì)值小。

不滿足實(shí)際要求！例如：在直線特性中觀察10％、50％、80％三點(diǎn)，在任一點(diǎn)上行程增大10％所引起的流量變化都是10％，但流量變化的相對(duì)值分別為：在10％行程處，流量變化的相對(duì)值=（20.7－13）／13=75％在50％行程處，流量變化的相對(duì)值=（61.3－51.7）／51.7=19％在80％行程處，流量變化的相對(duì)值=（90.3－80.6）／80.6=11％1）直線流量特性只要閥芯位移量相同，則流量變化也總是相同的，即單位行程變換所引起的流量變化是相等的。

在10%開(kāi)度時(shí)：

在50%開(kāi)度時(shí)：

在80%開(kāi)度時(shí)：

相對(duì)流量的相對(duì)于當(dāng)前值的相對(duì)變化量為：直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，控制作用強(qiáng)，易產(chǎn)生振蕩；大開(kāi)度時(shí)，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時(shí)。

對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求在小負(fù)荷時(shí)控制作用小一些，大負(fù)荷時(shí)控制作用加強(qiáng)一些，這需要由調(diào)節(jié)閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償。直線流量特性調(diào)節(jié)閥時(shí)不能滿足這一要求的。表4-4調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量(R=30)8499.0371.290.390100705745352618127.33.3拋物線10096.1391.384.575.865.252.638.121.73.3快開(kāi)10050.836.225.618.313.09.266.584.673.3對(duì)數(shù)10080.671.061.351.742.032.322.713.03.3直線10080706050403020100ba

a：l/L(%) b：q/qmax(%)2）等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性等百分比流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成對(duì)數(shù)關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨相對(duì)流量的增加而增大?；蛘哒f(shuō)單位相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。求得數(shù)學(xué)表達(dá)式：或：代入邊界條件：

（4）流量特性的選擇定義式：l=0時(shí)，Q=Qmin；l=L時(shí)，Q=Qmax。特性分析：?在不同的行程處，流量變化的相對(duì)值都是相等的百分?jǐn)?shù)；?等百分比閥門在小開(kāi)度時(shí)控制作用和在大開(kāi)度時(shí)控制能力相等。例如：觀察10％、50%、80％三點(diǎn)，行程增大10％所對(duì)應(yīng)的控制力，則有：在10％行程處，流量變化的相對(duì)值＝(6.58％-4.67％)/4.67％≈40％在50％行程處，流量變化的相對(duì)值＝(25.6％-18.3％)/18.3％≈40％在80％行程處，流量變化的相對(duì)值＝(71.2