第十一章自控仪表

第十一章基本控制规律与自动控制仪表第一节自动控制仪表的分类自动控制仪表的分类方法很多，下面仅从组成和能源种类来分类一、按组成分类自动控制仪表按其组成不同分为基地式仪表、单元组合式仪表和组装式仪表。(一)基地式仪表基地式仪表是将传感器、控制器、显示器、记录仪及其辅助装置组装在一个壳体内，形成能独立测量、显示、控制和记录功能的仪表。它具有结构简单、可靠、经济性好等优点。但其通用性差，控制范围窄，在使用中受到很大的限制。(二)单元组合式仪表将各功能分成若干个独立仪表，各单元之间采用统一的标准信号相联系。经过不同的组合，可构成多种多样、复杂程度不一的自控系统。我国生产的电动单元仪表•DDZ－Ⅱ型0～10mA·DC•DDZ－Ⅲ型4～20mA·DC•DDZ—S系列模拟技术与数字技术相结合，是具有数字化、智能化的新型自动化仪表。单元组合式仪表具有组成与改装方便、灵活、通用性强的优点，给生产、维修、管理等带来很大的方便，广泛用于工业生产过程中。单元组合式仪表分为以下单元：1）变送单元将信号转换成标准信号2）转换单元进行电—气、气—电转换3）计算单元进行加减乘除、平方开方等数学运算。4）显示单元与变送器、转换器等配合，指示、记录5）给定单元用以产生调节单元所需的给定值6）调节单元接受变送器信号与给定信号比较，输出调节信号7）执行单元接受调节信号、改变操作量8）辅助单元配合调节器，进行自动与手动无扰切换(三)组装式仪表它是在单元组合式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。所谓功能模件是指各种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、电源和信号制式。这种仪表又称功能模件式仪表或插入式仪表。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，就可以灵活地组成各种专用的控制装置。组装式仪表的优点有：1）功能齐全、组装灵活。2）安全可靠、维修方便。3）操作方便，便于集中监督管理。4）成套性，便于选型设计。二、按使用能源分类１）电动仪表以电作为能源及传送信号的仪表，这种仪表具有响应快速，易于控制和远距离传送，便于与各种电子装置、计算机等配合２）气动仪表以压缩空气为能源及传递信号的仪表，其传送距离受到限制，具有防爆特点，其执行器作用力大、安全可靠３）直接作用式仪表这种仪表不需要附加能源，传感器从被测介质中取得能量，就足以推动执行器动作，故又称自力式仪表第二节基本控制规律与控制器控制器根据输出信号分为断续输出和连续输出式两类，可以利用电气元件的特性来实现，也可以通过运算放大器构成的反馈电路来实现。一、断续输出的控制器（一）双位控制器双位控制器的理想特性和实际特性如图所示。（1）电气式双位控制器图11-1WJ35型温度控制器原理图(2)电子式双位控制器图11-2双位控制器原理框图（二）三位控制器三位控制器的理想特性和实际特性如图10－9所示电子式三位控制器的原理框图如图11－3所示。该控制器使用三位开关电路，三位开关电路根据输入的偏差信号来控制继电器的吸合与释放，使调节机构有三种状态。图11－3三位控制器原理框图利用三位控制器控制加热器时，可组成如下三种状态：两组加热器运行、一组加热器运行和无加热器运行。用于控制电动调节阀，可以实现三位恒速控制，即控制执行机构的电动机正转、反转和停转，来实现阀门开大、关小和不动三种状态。（三）三位式比例积分控制器三位式比例积分控制器根据偏差大小，输出断续的开关信号，偏差阶跃信号时，调节阀的开度与偏差呈比例积分关系。图11－4为三位比例积分调节装置示意图。这个装置由比较环节、三位元件、内反馈环节和执行机构四部分组成。：表示偏差量，用电流表示；：控制器的内反馈，用电流表示；：三位开关的输入信号，用电流表示；)(1Ie)(2Ie)()()(213IeIeIe图11－4三位比例积分调节装置示意图。•图11-5三位比例积分控制装置各环节的输出（四）室外温度补偿式控制器图11－6控制器的补偿特性在夏季工况，当室外温度高于夏季补偿起始点（20℃～25℃可调）时，室温给定值将随着室外温度的上升而增大，直到补偿极限为止。冬季工况，当室外温度低于冬季补偿起始点（10℃）时，其补偿作用与夏季相反，室内温度给定值将随室外温度的降低而升高，即wsggK0wwggK0•三位PI室外温度补偿控制器的原理如图11－7所示。它由变送单元、补偿单元、PI运算单元、输出单元和给定值等五部分组成。•控制器设有冬夏转换开关，补偿单元的补偿度冬夏可调。图11—7位式输出的补偿式控制器二、连续输出的控制器连续输出的电子控制器有P、PI、PD和PID等控制规律，输出信号为0～10mA·DC，4～10mA·DC和0～10V·DC标准信号（一）连续输出电子控制器的组成一般来说，连续输出的控制器可用图11－8框图表示。控制器分为测差、放大电路和运算单元电路等部分组成，运算单元电路根据需要可实现比例、比例积分、比例微分和比例积分微分规律。第四节调节阀的选择与计算一、调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指流过调节阀的流体相对流量与调节阀相对开度之间的关系。即调节阀的流量大小与阀的开度和前后压差有关。当阀的开度变化时，阀的前后压差会发生变化。为了便于讨论，先假定阀前后压差一定，即先研究理想流量特性，然后再考虑阀的实际情况，即阀的实际流量特性。)(maxmaxLLfQQ)(fq(一)调节阀的理想流量特性调节阀前后压差固定的情况下得到的流量特性称为理想流量特性。常见的理想流量特性有快开、直线、等百分比、抛物线特性,如图11－31所示。它们对应的阀芯形式不同。如图11－32所示１.直线特性直线特性的阀门的相对流量与相对开度成正比关系。２.等百分比特性等百分比特性的阀门的单位相对行程的变化引起的相对流量的变化与此点相对流量成正比关系。３.抛物线特性抛物线特性的调节阀，其单位相对开度所引起的相对流量的变化与该点的相对流量的平方根成正比。４.快开特性快开特性的调节阀在其行程较小时，流量就比较大，随着行程的增大，流量很快就达到最大，因此称快开特性。它的流量特性定义为：单位相对开度引起的相对流量的变化与该点的相对流量成反比。1kqddq21kqddqkqddqkddq三通调节阀的理想流量特性如图11－35所示。•直线特性的三通调节阀在任何开度时，流过两个分流的流量之和不变，即总流量不变。•等百分比特性的调节阀总流量是变化的，在50％开度处总流量最小。•抛物线特性介于两者之间。（二）实际流量特性在实际工程上，调节阀装在管道系统上，阀前后的压差随阀门的开度增加而减小。因此，同一开度下，通过调节阀的流量与理想特性时所对应的流量不同。调节阀在阀前后压差随流量变化条件下，调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为实际流量特性或工作流量特性。如图11－36所示，调节阀串联在管道上时，若阀在全开时的压差为，管路系统总压差为，则阀门的阀权度S定义为：ppSm1•图11－37示出了阀门的实际流量特性，可见，阀门的实际流量特性随着S值的减小，发生很大的畸变，成为一组上拱的曲线。理想的直线特性趋向于快开特性；理想的等百分比特性趋向于直线特性。这样造成理想的等百分比特性的阀门在小流量时放大系数增大，大流量时放大系数减小，当用于热水加热器时会影响调节质量，所以，用于热水加热器的等百分比阀门，一般要求S不低于0.3。•综上所述，直线特性的调节阀一般用于负荷变动小，管道阻力小或阀前后压差一定的场合；等百分比特性的调节阀用于热水加热器、管道阻力大、系统负荷变化大的场合。快开特性的阀门用于双位控制系统和程序控制系统中。二、调节阀的口径选择调节阀的口径应根据阀门的流通能力选择。调节阀的流通能力定义为，当调节阀全开、阀两端压差为105Pa、流体密度为1000kg/m3时，每小时流经调节阀的流量（m3/h）。根据上述定义，流通能力C值的计算公式为：（一）液体C值的计算)(3163162121ppGppQC（二）气体、蒸气C值的计算由于气体、蒸气具有可压缩性，阀前后流体的密度不同，因此，对气体的C值计算应加以修正。实际计算时，多采用阀后密度法计算。从气体动力学中知道，当气体通过调节阀时达到临界压力比，流量达到最大值，这时进一步降低压力，流量将不再增大。在绝热流动的情况下，气体的临界压力比为通常，取=0.5。这样通过调节阀的空气、蒸汽的流通能力C的计算公式是：112)12()(kkkpkpkppkp•１）如（阀后流体为亚临界状态•２）如（阀后流体为超临界状态）125.0pp)(10212ppGC125.0pp1211221214.14)5.0(10)(10pGppGppGCkpkpkpkp第五节风量调节阀的流量特性风量调节阀又称电动风门，它的特性指流过风量调节阀的空气相对流量与阀叶片转角之间的关系。多叶风量调节阀有平行多叶和对开多叶式两种。平行多叶阀的叶片在转动时都沿同一方向转动。对开多叶阀的叶片在转动时相邻叶片沿相反方向转动。两种风量调节阀的特性如图11－38所示。风量调节阀装在系统中，希望获得线性的工作特性。从图中可以看出，平行多叶风门在S＝0.08～0.20才接近线性；对开阀在S＝0.03～0.05时，接近线性。因此，当管道阻力小时，可选用平行阀；当阀门的管道阻力大时，应选用对开阀。从密封角度考虑，对开多叶阀的密封性较好。从减小噪声和能量损失的角度考虑，对开阀较平行阀优越。