第3章过程控制仪表(下)

1、 第第3 3章章 过程控制仪表（下）过程控制仪表（下） 模拟式调节器的局限性越来越明显：模拟式调节器的局限性越来越明显：1）功能单一，灵活性差；）功能单一，灵活性差；2）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；）信息分散，所用仪表多，且监视操作不方便；3）接线过多，系统维护难度大。）接线过多，系统维护难度大。 可编程调节器与模拟式调节器在构成原理和所用器件可编程调节器与模拟式调节器在构成原理和所用器件上有着很大区别。前者采用数字技术，以微型计算机（简上有着很大区别。前者采用数字技术，以微型计算机（简称微机）为核心部件；而后者采用模拟技术，以运算放大称微机）为核心部件；而后者采用模拟技术，以运算

2、放大器等模拟电子器件为基本部件。器等模拟电子器件为基本部件。 实现了模拟仪表与计算机一体化实现了模拟仪表与计算机一体化 将将CPUCPU引入控制器，使其功能得到来很大引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一，一台数字控制器既可实现简

3、单台数字控制器既可实现简单PIDPID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理对输入信号进行处理，如线性，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件

4、系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。能。具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性 尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（标准信号（4 420mADC20

5、mADC，1 15VDC5VDC），可以方便地与），可以方便地与DDZDDZIIIIII型仪表相连。同时数型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。字控制器还有数字量输入输出功能。具有通讯功能，便于系统扩展具有通讯功能，便于系统扩展 数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成统之外，还可以与上位计算机一起组成DCSDCS控制系统。数字控制器与上位计算机之间控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PIDPID参数及输入

6、参数及输入/ /输出值等信息送到输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。改等。可靠性高，维护方便可靠性高，维护方便 在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。模块软件组

7、态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。 通用性强，使用方便通用性强，使用方便模拟量输入输出信号采用统一标准信号。它还可输入输出数字模拟量输入输出信号采用统一标准信号。它还可输入输出数字信号，进行开关量控制。用户程序使用信号，进行开关量控制。用户程序使用“面向过程语言面向过程语言”（PROCEDURE-PROCEDURE-ORIENTED LANGUAGORIENTED LANGUAG，简称，简称POLPOL语言）来编程，易于学习、掌握。语言）来编程，易于学习、掌握。 3.3.1 数字式控制器的基本构成数字式控制器的基本构成 数字式控制器的硬件电路由主机电路、过程输入

8、通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。 1.数字式控制器的硬件电路数字式控制器的硬件电路 以微处理器（以微处理器（CPUCPU）为核心构成的硬件电路）为核心构成的硬件电路由系统程序、用户程序构成的软件由系统程序、用户程序构成的软件数字式控制器的硬件电路 过程输入通道人/机联系部件通信部件主机电路过程输出通道ROMROM存放系统程序。存放系统程序。EPROMEPROM存放用户程序存放用户程序 . .RAM RAM 存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果存放输入数据、显示数据、运算的中间值、结果CTCCTC的定时功能用来确定调节器的采样周期等等的定时功能用来确定调节器的采样

9、周期等等 多为单片机多为单片机 是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。之间的管理。 将多个模拟量输入信号分别转换为将多个模拟量输入信号分别转换为CPU所接受的数字量。所接受的数字量。 多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。多路模拟开关将多个模拟量输入信号分别连接到采样保持器。 采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用采样保持器具有暂时存储模拟输入信号的作用 AD转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。转换器的作用是将模拟信号转换为相应的数字量。 利用利用DA转换器与电压比较器，按逐位比

10、较原理来实现模数转换的。转换器与电压比较器，按逐位比较原理来实现模数转换的。 开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。开关量输入通道将多个开关输入信号转换成能被计算机识别的数字信号。 开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为开关量指的是在控制系统中电接点的通与断，或者逻辑电平为“1”与与“0”这类两种状态的信号这类两种状态的信号开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。开关量输入通道常采用电耦合器件作为输入电路进行隔离传输。 依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换依次将多个运算处理后的数字信号进行数模转换D/A转换器起数模转换作用。转换器

11、起数模转换作用。 VI转换器将转换器将15V的模拟电压信号转换成的模拟电压信号转换成420mA的电流信号。的电流信号。 开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制开关量输出通道通过锁存器输出开关量（包括数字、脉冲量）信号，以便控制继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。继电器触点和无触点开关的接通与释放，也可控制步进电机的运转。 采用采用光电耦合器件光电耦合器件作为输出电路进行隔离传输作为输出电路进行隔离传输 正面板：正面板：测量值和给定值显示器测量值和给定值显示器输出电流显示器输出电流显示器运行状态（自动串级手动）切换按钮运行状态（自动串级手动）

12、切换按钮给定值增减按钮和手动操作按钮等给定值增减按钮和手动操作按钮等状态显示灯状态显示灯侧面板：侧面板： 有设置和指示各种参数的键盘、显示器有设置和指示各种参数的键盘、显示器 主要有主要有 以位并以位并行、字行、字节串行节串行 位串行，即位串行，即一次传送一一次传送一位，连续传位，连续传送送 功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送功能：将欲发送的数据转换成标准通信格式的数字信号，经发送电路送至至通信线路（数据通道）上；通信线路（数据通道）上； 同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能同时通过接收电路接收来自通信线路的数字信号，将其转换成能被计算机接受的数

13、据。被计算机接受的数据。 并行并行 和和 串行两种串行两种 工业控制网络及仪表的通信方式工业控制网络及仪表的通信方式基本上都采用基本上都采用 ：原因原因 ：实施方便实施方便成本低成本低适于远距离传输适于远距离传输 （1）系统管理软件）系统管理软件 主要包括监控程序和中断处理程主要包括监控程序和中断处理程序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包序两部分，它们是控制器软件的主体。监控程序又包含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断含系统初始化、键盘和显示管理、中断管理、自诊断处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理及运行状态控制等模块；中断处理程序则包含键处理、定时处理、输入

14、处理和运算控制、通信处理和处理、定时处理、输入处理和运算控制、通信处理和掉电处理等模块。掉电处理等模块。（2）用户应用软件）用户应用软件 用户应用软件由用户自行编制，用户应用软件由用户自行编制，采用采用POL(面向过程语言面向过程语言)编程，因而设计简单、操作编程，因而设计简单、操作方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指方便。在可编程控制器中，这些应用软件以模块或指令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规令的形式给出，用户只要将这些模块或指令按一定规则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需则进行连接（亦称组态）或编程，即可构成用户所需的各种控制系统。的各种控制系统。 2.

15、数字式控制器的软件数字式控制器的软件 数字式调节器的软件分为数字式调节器的软件分为和和两大部分两大部分 用户程序的编程通常采用面向过程用户程序的编程通常采用面向过程POL语言语言(Procedure-Oriented Language)。 编程方式简单易学。编程方式简单易学。用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为也称为“组态组态” 。调节器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有调节器的编程

16、工作是通过专用的编程器进行的，有“在线在线”和和“离离线线”两种编程方法。两种编程方法。特点总结特点总结运算控制功能强运算控制功能强 通过软件实现所需功能通过软件实现所需功能 带有自诊断功能带有自诊断功能 带有数字通讯功能带有数字通讯功能 具有和模拟调节器相同的外特性具有和模拟调节器相同的外特性 保持常规模拟式调节器的操作方式保持常规模拟式调节器的操作方式 简单易学，功能介于常规模拟调节器和计简单易学，功能介于常规模拟调节器和计算机控制系统之间算机控制系统之间3.3.2 数字式控制器实例数字式控制器实例 目前广泛使用的产品有DK系列的KMM数字调节器、YS-80系列的SLPC数字调节器、FC系

17、列的PMK数字调节器以及Micro760/761数字调节器等，由于它们的运算与控制功能是靠组态或编程实现的，且只控制一个回路，所以又常将它们称为单回路可编程数字调节器。以SLPC数字调节器为例。 KMM调节器上下限报警连锁指示灯和复位按钮通信指示灯仪表异常指示灯SP按钮输出指针输出手动按钮SLPC控制器PMK控制器SLPC可编程调节器可编程调节器SLPCSLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器具有基本具有基本PIDPID、串级、选择、非线性、采样、串级、选择、非线性、采样PIPI、批量、批量PIDPID等控制功能等

18、控制功能具有自整定功能，可使具有自整定功能，可使PIDPID参数实现最佳整定参数实现最佳整定具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有通信功能，可与上位计算机联系起来构成集散型控制系统具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有可变型给定值平滑功能，能够改善给定值变更的响应特性具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信具有自诊断功能，在输入输出信号、运算控制回路、备用电池及通信 出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示出现异常情况时，进行故障处理并进行故障显示 用户只需使用简单的编程语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节用户只需使用简单的编程

19、语言，即可编制各种控制与运算程序，使调节器具有规定的控制运算功能。器具有规定的控制运算功能。 1 概述2 SLPC2 SLPC的主要性能的主要性能模拟量输入模拟量输入 15V（DC）5点。点。模拟量输出模拟量输出 15V（DC）2点，点， 负载电阻负载电阻3k。 420mA（DC）1点，点， 负载电阻负载电阻= 0 750。 接点或电压电平接点或电压电平 与数字量输出与数字量输出6点共用。点共用。数字量输出数字量输出 晶体管接点。晶体管接点。故障状态输出故障状态输出 晶体管接点晶体管接点1点。点。运算周期运算周期 0.2s和和0.1s。比比 例例 度度 6.3 999.9 积分时间积分时间 1

20、 9999s微分时间微分时间 0 9999s控制功能控制功能 基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。基本控制功能；串级控制功能；选择控制功能。控制算法控制算法 标准标准PID；采样值；采样值PI；批量；批量PID供电电源供电电源 交直流两种（交直流两种（100V规格和规格和200V规格）规格）侧面盘（调整板）侧面盘（调整板）PROGRAMMABLE CONTROLLERMODEL SLPCSV 1 800NTUNINGDIDOMODECHECKALARMPVSVDVPHPLXNYNSCALEDLVLVTPIDSTCENMVMHMLPNTNNON-LINEARBATCHSAMPLEPROGA

21、MMERTUNINGACTIONENABLERSV 2RSV 1DIR 1DIR 2INHIBITROM1.SLPC可编程数字调节器的硬件构成可编程数字调节器的硬件构成 具有基本的PID、微分先行PID、采样PI、批量PID、带可变滤波器设定的PID等多种控制功能，还可构成串级、选择性、非线性等多种复杂的过程控制系统，并具有自整定、自诊断、通信等许多特殊功能 SLPCSLPC的硬件电路的硬件电路 各部分电路的具体构成及其功能简述如下：（1） 主机电路主机电路 主机电路中的CPU采用8085AHC芯片,时钟频率为10MHz；系统ROM为64KB,用于存放监控程序和各种功能模块；EPROM为2KB

22、,用于存放用户程序;RAM为16KB。（2） 过程输入过程输入/输出通道输出通道 具有如下特点： 1）输入通道中有5路模拟量输入和6路开关量输入。模拟量输入由RC滤波器、多路开关、PC648D型高速12位D/A转换器和比较器等组成，通过CPU反馈编码，实现比较型模/数转换。 2）输出通道中有3路模拟量输出和6路开关量输出。模拟量输出中有1路输出为420mA.DC直流电流，可驱动现场执行器；另两路输出为15V.DC直流电压，提供给控制室的其它模拟仪表。 3）用一片PC648D型12位高速D/A芯片，将CPU输出的数字量转换为模拟量输出，在CPU的程序支持下，通过比较器将模拟量输入转换成数字量输出

23、；开关量输入与开关量输出共用同一通道，其选择由使用者用程序确定；所有开关量输入/输出通道与内部电路之间均用高频变压器隔离。 4）在过程输入）在过程输入/输出通道中分别设计了输出通道中分别设计了“故障故障/保持保持/软手动软手动”功能。功能。 模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入模拟输入信号经滤波后分为两路，一路经模数转换后进入CPU;另一路另一路则送往故障则送往故障/PV开关。当仪表工作不正常时，由开关。当仪表工作不正常时，由CPU的自检程序通过的自检程序通过WDT电路发出故障报警信号，并自动将电路发出故障报警信号，并自动将“故障故障/PV”开关切换到故障位开关切换到故障位置，直

24、接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的置，直接显示被控量；与此同时，故障输出信号则将模拟量输出中的输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。输出电流切换成保持状态，以便进行软手动操作。（3）人）人/机联系部件机联系部件 SLPC的人的人/机联系部件的正面面板与模拟式调节机联系部件的正面面板与模拟式调节器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式器类似，其不同之处是测量值与给定值显示器有模拟动圈式和数字式两种；此外，还设置了给定值增两种；此外，还设置了给定值增/减按键、串级减按键、串级/自动自动/软手动切换软手动切换/操作操作按键、故障显示和报警显示灯等。它的侧

25、面面板设置有触模式键盘和按键、故障显示和报警显示灯等。它的侧面面板设置有触模式键盘和数字显示器、正数字显示器、正/反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可反作用开关以及编程器和写入程序的芯片插座等，可以很方便地进行数据修改、参数整定等操作。以很方便地进行数据修改、参数整定等操作。（4）通信接口电路）通信接口电路 SLPC的通信接口电路由的通信接口电路由8251型可编程通信接口型可编程通信接口芯片和光电隔离电路组成。该电路采用芯片和光电隔离电路组成。该电路采用半双工、串行异步半双工、串行异步通信方式，通信方式，一方面将发送信号转换成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外一方面将发送信号转换

26、成标准通信格式的数字信号，另一方面则将外部通信信号转换成部通信信号转换成CPU能接受的数据能接受的数据. 为便于用户编程，为便于用户编程，SLPC为用户提供的是采用为用户提供的是采用面向问题、面向过程的面向问题、面向过程的“自然语言自然语言”编程平台。生编程平台。生产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模产商预先将常用的运算控制功能编制成标准程序模块块 ，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模，以指令命名。使用时将所需运算模块和控制模块块“组态组态”，实现控制功能。，实现控制功能。SLPC的用户的用户基本指令共基本指令共46种分三类种分三类数据传输类指令两种：信号输入数据传输类指令两种：

27、信号输入LD 信号输出信号输出ST结束指令：结束指令：END功能指令：功能指令：43种种2. SLPC可编程数字调节器的软件可编程数字调节器的软件 1) 基本运算模块基本运算模块 11个个 有有运算；运算；、 E运算（小信号切除点运算（小信号切除点固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对固定的开方、小信号切除点可变的开方）；取绝对值运算；高选、低选；高、低限幅。值运算；高选、低选；高、低限幅。2) 函数运算模块函数运算模块 13个个折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、折线函数、一阶惯性、微分运算、纯滞后运算、变化率运算、变化率限幅、移动平均运算、状态变变化率运算、变化率限幅、移动平均

28、运算、状态变化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输化监测、计时、程序设定、脉冲计数、积算脉冲输出。出。3) 条件判断运算模块条件判断运算模块 14个个上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、上下限报警、逻辑运算、转移指令、转子指令、子程序块、比较指令、信号切换子程序块、比较指令、信号切换4) 运算寄存器位移指令运算寄存器位移指令 CHG ROT 5) 控制模块控制模块 3种种（1）基本控制模块基本控制模块BSC内含内含1个调节单元个调节单元CNT1，相当于，相当于模拟仪表中的模拟仪表中的1台台PID调节器，其功能调节器，其功能框图如图所示。框图如图所示。（2）串级控制模块串级控制模块C

29、SC 内含两个调节单元内含两个调节单元CNT1和和CNT2，根据串级开关状态，根据串级开关状态，CNT2可接受可接受CNT1的输出作为的输出作为设定信号，组成双回路串级设定信号，组成双回路串级控制系统，也可直接接受另控制系统，也可直接接受另一设定信号一设定信号SV2，实现副回路，实现副回路的单独控制。的单独控制。 （3）选择控制模块选择控制模块SSC内部包含两个并行工作的内部包含两个并行工作的PID调节单元调节单元CNTI和和CNT2，另，另有一自动选择单元有一自动选择单元CNT3。CNT3的控制规律为三选一：的控制规律为三选一：CNT3 = 0 低值选择低值选择CNT3 = 1 高值选择高值

30、选择每台每台SLPC调节器只能选用其中的一种，调节器只能选用其中的一种，且同一应用程序中只能使用一次且同一应用程序中只能使用一次 控制算法以控制字代码由键盘确定：CNT1=1 标准标准PIDCNT1=2 采样采样PICNT1=3 批量批量PIDCNT2=1 标准标准PIDCNT2=2 采样采样PI编程举例：编程举例：例例1 把两个输入变量把两个输入变量X1 、X2相加后，从相加后，从Y1端口端口 输出。输出。 程序：程序： LD X1 （读入（读入X1 数据）数据） LD X2 （读入（读入X2数据）数据） + （对（对X1 、X2求和）求和） ST Y1 (将结果送往将结果送往Y1) END

31、 (结束程序结束程序) 运算寄存器结构示意图运算寄存器结构示意图A/B/C/D/E分别对应分别对应S1S5的内容的内容EDCBAS5S4S3S2S1运算前运算前+CCBAX1+X2LD X1DCBAX1 X1LD X2CBAX1X2 X1ST Y1CCBAX1+X2 Y1五个运算寄存器以堆栈方式构成五个运算寄存器以堆栈方式构成.例例2 2：BSCBSC(1)LD X1 (1)LD X1 读入测量值读入测量值X1X1(2)BSC (2)BSC 基本控制基本控制(3)ST Y1 (3)ST Y1 控制输出控制输出MVMV送送Y1Y1(4)END(4)END例：某单回路控制系统， 被控变量接到模拟量

32、输入通道X1 阀位信号接到模拟量输出通道Y1， 则实现单回路PID控制的程序如下 主要作用是把运算寄存器S1里的数据与设定值相减， 得到偏差。再经过由CNT1所决定的控制算法运算后， 把结果再存入S1CNT1BSCPVMV例例3 3：CSSCSS(1)LD X2 读入测量值副回路读入测量值副回路X2(2)LD X1 读入测量值主回路读入测量值主回路X2(3)CSC 串级控制串级控制(4)ST Y1 控制输出控制输出MV送送Y1(5)ENDCSC指令中具有两个调节单元CNT1和CNT2，可实现串级控制。串级控制时，将主回路的测量值PV1送入S1，副回路的测量值PV2送入S2，并执行CNT1和CN

33、T2所指定的运算，最后将运算结果（即将要输出的MV值）存入S1中。CNT1CSCPV1MV2CNT2PV2MV1用户程序的写入和调试用户程序的写入和调试1) 利用编程器逐句健入用户程序：利用编程器逐句健入用户程序： 移入移入ROM插座插座主程序（主程序（MPR） 子程序（子程序（SBP） 指定指定DIO功能功能 指定控制字指定控制字CNT1CNT5 其它参数其它参数 END2) 程序的调试程序的调试仿真调试仿真调试 真实对象调试真实对象调试 写入写入EPROM补充：补充： SLPCSLPC可编程调节器的应用可编程调节器的应用 带温压补偿的气体流量调节系统带温压补偿的气体流量调节系统 带温压补偿

34、的气体流量调节系统带温压补偿的气体流量调节系统 已知仪表设计参数如下 ： 孔板设计压力 Pd=600 kPa ； 孔板设计温度 Td =300 ； 压力变送器量程 01000 kPa； 温度变送器量程 0500 ； 差压变送器量程 032 kPa ； 流量测量范围 08000 Nm2/h。 PIDPID运算和温差补偿运算运算和温差补偿运算 采用基本控制指令采用基本控制指令BSCBSC控制算法采用标准控制算法采用标准PIDPID算法算法 PTPPTKQdd式中 Q补偿运算后的体积流量； P孔板前后差压； P工作状态下气体的绝压 Pd设计状态下气体的绝压 T工作状态下的绝对温度； Td设计状态下的

35、绝对温度； K流量系数。设设P PS S、T TS S 、 PPS S分别为压力变送器、温度变送器和差压变送器的分别为压力变送器、温度变送器和差压变送器的量程，量程，QQS S为换算为标准状态下的流量量程，为换算为标准状态下的流量量程， P Pminmin 、T Tminmin分别为用绝对压力和绝对温度表示的压变和温变的下分别为用绝对压力和绝对温度表示的压变和温变的下限值限值因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系因差压和流量测量范围下限值均为零，因此有下列关系 ： P = P P = PS S X1 X1 P = P P = PS S X2 X2 P Pminmin T= T T=

36、TS S X3 X3 T Tminmin Q = Q Q = QS S Y2 Y2 如果把如果把PP、P P、T T分别送入分别送入X X1 1、X X2 2、X X3 3经过补偿运算以后的经过补偿运算以后的QQ存入存入Y Y2 2由于调节器内部的由于调节器内部的X X、Y Y的信号范围是的信号范围是0 01 1但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理但是，补偿公式中用到的都是实际的物理量，因此需要进行规格化处理min221min3SddSSSddppXppQ YKP XTTXTT设设K1= 、K2= 、K3= 、K4= dSppdppmindSTTdTTmin因为设计状

37、态下有 ：PTPPTKQddddSSddP TQKPP TSKPmin221min3SddSddppXppYXTTXTT代入已知条件可求得代入已知条件可求得K1=1.422;K2=0.147;K3=0.872;K4=0.477最后得到的温差补偿运算的数学模型为最后得到的温差补偿运算的数学模型为 ：13224770872014704221X.X.X.Y 补偿运算式和控补偿运算式和控制指令功能图构制指令功能图构成的组合功能图成的组合功能图 800.0 0流量10Nm3/h Y2 0.477K4 100.0 0操作输出% Y1 模拟输出 0.872 K3 500.0 0温度 X3 0.147 K2

38、10.00 0压力kgf/cm2注 X2 1.422 K1 3200 0差压mmH2O X1 模拟输入 记 事 数 值 固定常数 上限 下限 记事 数 据 名 No程序S1S2S3说明1LD X2X2读取压力信号2LD K01K1X2读取系数K11.422（预先设置）3K1X24LD K02K02K1X2读取系数K20.147（预先设置）5aa=K1*X2+K26LD X3X3a读取温度信号7LD K03K3X3a读取系数K30.872（预先设置）8K3X3a9LD K04K4K3X3a读取系数K40.477（预先设置）10bab=K3*X3+K411a b算出根号内部的补偿系数12LD X1

39、X1a b13X1a/b算出根号内部项14c开根号，c归一化的流量计算结果15ST Y2c流量信号的输出（第二通道，电压输出）16BSCMVPID运算17ST Y1阀位输出（第一通道，电流输出）18END3.4 3.4 执行器及安全栅执行器及安全栅3.4.1 执行器的构成原理执行器的构成原理组成组成: 执行机构执行机构和和调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）两部分两部分控制信号控制信号:调节器输出调节器输出改变调节阀流通面积控制流量控制过程参数执行器种类n自动调节阀门自动调节阀门n自动电压调节器自动电压调节器n自动电流调节器自动电流调节器n控制电机等控制电机等最常见自动调节阀按照工作所用能源形

40、式可分为：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：q电动调节阀电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小，结构复杂，损失小，可远距离传输；但推力较小，结构复杂，价贵。价贵。q气动调节阀气动调节阀：结构简单，工作可靠，价格便结构简单，工作可靠，价格便宜，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。宜，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。q液动调节阀液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调

41、节阀。 1. 气动执行机构气动执行机构 1-上盖 2膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5阀体 6阀座 7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :口径较大口径较大口径较小口径较小齿轮齿条式（安全）单/多弹簧薄膜式拨叉式（大扭矩）活塞式（大推力 ）薄膜式活塞式拨叉式齿轮齿条式 气动执行机构分类薄膜式应用最广；活塞式次之气动薄膜执行机构的静态特性气动薄膜执行机构的静态特性lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态平衡状态时输入时输入的气压的气压p与阀杆位移与阀杆位移l的关系，即的关系，即 A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹

42、性系数 气动薄膜执行机构的动态特性气动薄膜执行机构的动态特性 气动执行机构的动态特性可近似成气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节一阶惯性环节1()1GsT s惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。2. 电动执行机构电动执行机构 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型。直行程、角行程和多转式三种类型。电动执行机构角行程：输出为输出轴转角， 带动角行程阀（蝶阀、 球阀、偏心旋转阀等）直行程：输出为输出轴直线 位移，带动直行程阀 (单座阀、双

43、座阀、 三通阀等）多转式：需要运行超过360 才能实现阀门启闭 （闸阀、截止阀、 管夹阀、隔膜阀）电动执行机构的组成框图电动执行机构的组成框图输入的控制信号是电压还是电流？减速器输入信号：420 mA电动执行机构:比例恒速（正/反）伺服放大器原理图伺服放大器原理图 前置级磁放大器触发器晶闸管交流开关校正网络校正网络原理图校正网络原理图 克服电源干扰 改善执行机构的动态特性（1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的流体对阀芯的不平不平衡作用力大衡作用力大。一般用在小。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、结构简单、泄漏量小泄漏量小。3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一

44、个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。式很多。 正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大

45、小相近，可以互相抵消，所以力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平不平衡力小衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此因此泄漏量较大泄漏量较大。（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求要求直角连接直角连接，介质，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。 （4 4） 三通控制阀三通控制

46、阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分流型见课本（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q耐腐蚀能

47、力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制。 q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.4.2 气动执行器的应用气动执行器的应用1. 调节阀的尺寸调节阀的尺寸 通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径dg表示表示 合理

48、应用执行器的前提条件合理应用执行器的前提条件 确定调节阀尺寸的主要依据是确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力流通能力当流体为不可压缩时，通过调节阀的当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量体积流量为为: 0122()VgqAppr为流量系数，查阅手册或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 定义：调节阀定义：调节阀全开全开、阀、阀前后压差为前后压差为0.1MPa、流体重度为流体重度为1g/cm3时，时，每每小时小时通过阀门的流体通过阀门的流体流量（流量（m3或或kg）。）。依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有 gAC20确定调节阀尺寸的理论依据确定调节阀尺

49、寸的理论依据：流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 VrCqpmaxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由式（335）求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表32确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直

50、径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表3-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系 思考：Cmax=18时，阀径？执行器的执行器的“气开、气关气开、气关”序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关P0.02MPa“气开，气关”选择n控制信号中断时，保障工艺生产的安全n加热器n锅炉（进水）气开气关3

51、 调节阀的调节阀的流量特性流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系调节阀的阀芯位移与流量之间的关系对控制系统的调节品质有很大影响对控制系统的调节品质有很大影响流量流量特性的定义：特性的定义：被控介质流过阀门的被控介质流过阀门的相对流量相对流量与阀门的与阀门的相对开相对开度（相对位移）度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是控制阀某一开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开度是控

52、制阀某一开度行程行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。压差有关，必须分开讨论。max( )qlfqLlq为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性固有流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（固有（理想）理想）流量特性流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有固有流量特性。它取决于阀芯的

53、形状。流量特性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）对数特性对数特性（1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系控制阀的相对流量与相对开度成直线关系数学式表示为：数学式表示为：KlldqqdmaxmaxmaxmaxqlKCql积分C为积分常数 可调比可调比R为调节阀所能为调节阀所能控制的最大流量与最小流量控制的最大流量与最小流量的比值。的比值。 其中其中qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比一般阀门的可调比

54、R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC3.3%控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。 例如在不同的开度上，再分别增加例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，开度，相对流量的变化比值为相对流量的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1 v直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。的，但其对流量的控制

55、力却是不同的。 （2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变化与单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：此点的相对流量成正比关系：v曲线斜率（放大系数）曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。时，流量变化大。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqq求 C、Kv等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。流量的控制力却是

56、相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快开特性快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。启闭的切断阀或双位控制系统。1max2m

57、axmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分2、调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性如图，管道如图，管道系统总压力系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控制阀的压降与控制阀的压降PV之和。之和。从串联管道中调节阀两端压差从串联管道中调节阀两端压差PV的变

58、化曲线的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差为了表示调节阀两端压差PV的变化范围，以的变化范围，以阀权度阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差表示调节阀全开时，阀前后最小压差PVmin与总压力与总压力 P之比。之比。s = PVmin / Pv流量特性畸变：流量特性畸变：以以qmax表示串联管道阻力为零时表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，值

59、时，以自身以自身qmax作参照的工作流量特性。作参照的工作流量特性。对数阀变为直线阀对数阀变为直线阀 直线阀变为快开阀直线阀变为快开阀s 图图3 333 33 调节阀的流量特性曲线调节阀的流量特性曲线a)a)直线；直线；b)b)对数（等百分比）对数（等百分比）结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力

60、基本丧失。q实际使用中，实际使用中，不希望不希望s小于小于0.30.52) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图中图中S=1时，旁路阀关闭，工时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，随着旁路阀逐渐打开，s值逐值逐渐减小，调节阀的可调范围也渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，效果。根据实际经验，s值不值不能低于能低于0.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线