过程控制仪表与装置
第三章过程控制仪表与装置
教学要求：掌握基本控制规律的数学表⽰形式
掌握基本控制规律对过渡过程的影响
掌握⽓动、电动执⾏器的组成和特点
了解 DDZ-Ⅲ控制器的组成及特性
掌握⼯作流量特性和理想流量特性
掌握执⾏器的选型、⽓开⽓闭⽅式的选择
了解可编程控制器的编程⽅法
了解可编程控制器的组成、⼯作过程
重点：基本控制规律对过渡过程的影响
理想流量特性
执⾏器⽓开、⽓闭⽅式的选择
难点：基本控制规律对过渡过程的影响
直线流量特性分析
执⾏器⽓开、⽓闭⽅式的正确选择
§３.1 概述
⼀、过程控制仪表与装置的分类和特点
控制仪表------控制器、执⾏器、运算器以及可编程控制器等。
按所⽤能源分类：⽓动、电动、液动等。电动仪表和⽓动仪表应⽤的最多。
按信号类型分类：模拟式和数字式两种。
⽓动控制仪表的特点。
电动控制仪表的特点。
模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作⽅便，价格较低模拟式仪表：基地式
单元组合式
组件组装式仪表
数字式传输信号为断续变化的数字量。
现场级数字仪表
可编程调节器
可编程控制器
⼆、信号制及供电⽅式
⽓动控制仪表：0.02～0.1MPa的模拟⽓压信号，作为仪表间的标准联络信号。
电动控制仪表：0～10mA（DC）电流信号作为电动Ⅱ型仪表的统⼀标准联络信号，4～20mA（DC）电流信号和1～5V（DC）电压信号确定为过程控制系统
中电动Ⅲ型仪表统⼀标准的模拟信号。
电动仪表信号之间的传输⽅式是：进出控制室的传输信号采⽤电流信号，
控制室内部各仪表间联络信号采⽤电压信号，
电动仪表的供电⽅式有交流供电和直流集中供电两种形式。
。
§3.2基本控制规律及其对控制过程的影响
⼀、基本控制规律概述
1. 控制规律概述
控制规律是指控制器的输出信号与输⼊偏差信号随时间变化的规律。正作⽤控制器：输⼊e 与输出Δy 的变化⽅向相同；反作⽤控制器：输⼊e 与输出Δy 变化⽅向相反。本节中以正作⽤的控制器为例进⾏研究。
⼯程实际中应⽤最⼴泛的控制规律为⽐例（P ）、积分（I ）、微分（D ）控制规律，简称PID 控制规
律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合⽽成。
２.控制规律的表⽰形式
PID 控制器的⼀般形式为：△y ＝f(e) ⼏种常⽤控制规律的微分⽅程表达式可分别表⽰为：
⽐例作⽤（P ） e K y P =? ⽐例积分作⽤（PI ） )1(0
edt T e K y t
I
P ?
+
=?
⽐例微分作⽤（PD ） )(dt
de
T e K y D P +=? ⽐例积分微分作⽤（PID ）
)1(0
dt
de
T edt T e K y D
t
I
P ++
=??
⼆、PID 控制规律对控制过程的影响
１.⽐例控制规律对控制过程的影响当控制器只具有⽐例控制规律时，称此控制器为⽐例控制器。⽐例控制的输出与输⼊的关系为
△ y ＝K P e
K P 是⼀个重要的系数，它决定了⽐例控制作⽤的强弱。
K P 越⼤，⽐例控制作⽤越强。 K P 越⼩，⽐例控制作⽤越弱。
⽐例作⽤最⼤的特点：及时、迅速（控制器的输出与输⼊成正⽐，只要有偏差存在，控
制器输出就会马上与偏差成⽐例地变化）
２．⽐例积分控制规律对系统控制质量的影响
积分作⽤是指控制器的输出与输⼊的积分成⽐例的作⽤。数学表达式为：
dt e T y t
I
=
1
只要存在偏差，积分控制器的输出就会不断地随时间积分⽽增⼤，只有当偏差为零时，控制器才会停⽌积分，保持在⼀定的输出值不变。
积分作⽤的⼀个重要优点是能够消除余差，
积分时间T I 的物理意义积分时间是指在阶跃信号作⽤下，控制器积分作⽤的输出等于⽐例作⽤的输出所经历的时间。
积分时间T I 是⼀个常数，它可以⽤来表⽰积分速度的⼤⼩和积分作⽤的强弱。T
３．⽐例微分控制规律对系统控制质量的影响理想微分控制器的输出与输⼊信号的关系为： dt
de
T y D
=? 通常称微分控制为“超前控制”。
⽐例微分输出的⼤⼩与偏差变化速度及微分时间ＴＤ成正⽐。
微分作⽤的强弱⽤微分时间来衡量。由图3.8可以看出微分时间T D 对过渡过程的影响。微分时间越长，
微分作⽤越强。
4. PID 控制规律
PID 控制规律是三种控制规律的线性组合。它吸取了⽐例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能， §3.3 DDZ-Ⅲ型控制器
⼀、 PID 控制器的组成原理
3.3.2 ＰID 控制器的特性分析
1. 输⼊电路
输⼊电路------偏差差动电平移电路。
作⽤------产⽣与输⼊信号和给定信号差值成⽐例的偏差信号。（是对输⼊信号和给定信
号进⾏综合⽐较，获得偏差信号并进⾏放⼤，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输⼊电压转换成以10V 参考电压为基准的输出电压信号）
输⼊信号和给定信号均为1～5V 直流电压信号。 2. PD 电路
⽐例微分电路的作⽤是对输⼊电路的输出信号V O1进⾏⽐例微分运算。
3. PI 电路
T I
PI电路的作⽤是对PD电路的输出信号V O2进⾏⽐例积分运算，然后输出以10V为基准的1～5V的电压信号⾄输出电路。
4. 输出电路
Ⅲ型控制器的输出电路是⼀个具有电平移动的电压～电流转换器。它的输⼊和输出关系见控制器组成框图中输出电路部分，它的作⽤是将经过PID运算的以V B为基准的1～5VDC电压信号输出给负载，并转换成4～20mA的电流信号进⾏输出。
5. ⼿动操作电路
在控制系统投运过程中，⼀般总是先⼿动遥控，待⼯况正常后，再切向⾃动。
这个过程中应该保证控制器的输出不变，这样才能保证执⾏器的位置在切换的过程中不发⽣突变，从⽽不会对⽣产过程产⽣扰动，这种对⽣产过程不产⽣扰动的切换被称为⽆扰动切换。
⑴软⼿操电路
⑵硬⼿操电路
6. 指⽰电路
控制器输⼊信号指⽰电路和给定信号指⽰电路相同，指⽰电路输⼊以零伏为基准的1～5VDC，输出以V B为基准的1～
5mADC电流信号，⽤0%-100%刻度的双针指⽰电流表显⽰。
§3.4 执⾏器
⼀、概述
执⾏器组成：执⾏机构和控制机构。控制机构⼜称控制阀。
执⾏器作⽤：接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和⾓位移，操纵控制机构，⾃动改变操作变量，从⽽实现对过程变量的⾃动控制。
根据执⾏机构所使⽤能源的不同，执⾏器可以分为⽓动、电动、液动三⼤类。
⽓动执⾏器特点。
电动执⾏器特点。
液动执⾏器特点。
执⾏器的选择和使⽤将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性。
⼆、⽓动执⾏器
1．⽓动执⾏器的结构和原理
⽓动执⾏器接受0.2×105～1.0×10５Ｐa的标准⽓压信号，
⽓动执⾏器由⽓动执⾏机构和控制机构两个部分组成。
按执⾏机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种。⽓动活塞式执⾏结构主要适⽤于⼤⼝径、⾼压降控制阀或蝶阀的推动装置，⼯业上薄膜式应⽤最多。
⽓动薄膜执⾏机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成。执⾏机构是执⾏器的推动装置，即它接受标准⽓压信号后，经膜⽚转换成推⼒，使推杆产⽣位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产⽣相应位移，改
变阀的开度。
⽓动执⾏机构按推杆位移的⽅向有：
正作⽤形式：如果当输⼊⽓压信号增加时，推杆向下移动
反作⽤形式：当输⼊⽓压信号增加时，推杆向上移动
控制机构直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、
可靠性和系统的控制质量。根据流体⼒学的观点，控制阀是⼀个局部阻⼒可变的节流元件。通过改变阀芯的⾏程⽽改变控制阀的阻⼒系数，以达到控制流量的⽬的。
根据不同的使⽤要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、⾼压阀、⾓形阀、隔膜阀等多种结构形式。
2．控制阀的流量特性
控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：
)
(max L
l
f Q Q
从过程控制的⾓度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很⼤影响。⼀般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截⾯积，便可实现对流量的控制。
⑴理想流量特性
当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性，理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲⾯得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。
①直线流量特性
控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。
直线流量特性⼩开度时，流量相对变化量⼤，在⼤开度时，流量相对变化量⼩。②对数（等百分⽐）流量特性
阀杆的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，即控制阀的放⼤系数随相对流量的增加⽽增⼤。
对数流量特性的曲率是随着流量的增⼤⽽增⼤的，但是相对⾏程变化引起的流量相对变化值是相等的。由于对具有对数流量特性的控制阀⽽⾔，⼩开度时，放⼤系数较⼩，控制平稳缓和，⼤开度时，放⼤系数较⼤，控制及时有效，因此，从过程控制看，利⽤对数流量特性是有利的。
③抛物线流量特性
相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平⽅关系。④快开流量特性
在⼩开度时流量就⽐较⼤，随着开度的增⼤，流量很快达到最⼤。⑵⼯作流量特性
实际应⽤中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为⼯作特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻⼒损失⽽畸变成⼯作流量特性。
3. 控制阀的选择
控制阀的选择，主要是流量特性、流通能⼒以及⽓开、⽓关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、⼯艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。程序设计语言一般可分为三大类
①控制阀结构与特性的选择
控制阀的结构形式主要根据⼯艺条件来进⾏选择，如考虑介质的物理和化学性质，以及
温度压⼒等条件。控制阀的结构形式确定后，接下来需要确定其流量特性。控制阀流量特性的选择⼀般分两步进⾏。⾸先按照过程控制系统的要求，确定⼯作流量特性，再根据流量特性曲线的畸变程度以及⼯艺要求和⼯艺配管情况，确定理想流量特性。
②控制阀作⽤⽅式的选择
有压⼒信号时阀关，⽆压⼒信号时阀开为⽓关式执⾏器；反之，则为⽓开式。
⽓开、⽓关的选择主要是考虑在不同⽣产⼯艺条件下安全⽣产的要求。考虑的原则是：信号压⼒中断时，应保证设备和⼯作⼈员的安全。
③控制阀⼝径的选择
§3.5可编程序控制器
⼀、概述
可编程序控制器是⼀种以微处理器为核⼼的新⼀代⼯业⾃动化控制装置，简称PLC。PLC的基本功能
⑴逻辑控制功能
逻辑控制是PLC最基本的应⽤。它可以取代传统继电器控制装置，也可取代顺序控制和程序控制。逻辑控制功能实际上就是位处理功能。在PLC中⼀个逻辑位的状态可以⽆限次的使⽤，逻辑关系的变更和修改也⼗分的⽅便。
⑵闭环控制功能
PLC具有D/A、A/D转换、算术运算以及PID运算等功能，可以⽅便地完成对模拟量的处理。

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