(自动控制原理)第三章

第3章建筑设备自动化中的监控设备3.1传感器与变送器

3.2控制器

3.3执行器3.4调节阀的选择与计算

传感器专篇（增）一、非电量与非电量测量二、非电量电测系统转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感元件传感器传感器概述感知外界信息

大脑

肌体人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。传感器的应用领域一、传感器技术发展的重要性二、传感器的应用领域

现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器日常生活中几种常见的传感器1.温度传感器2.红外线传感器3.压力传感器4.生物传感器

除以上介绍的以外,生活中还有气体传感器,味觉传感器，声音传感器等电梯温度计,空调机,电冰箱,电饭煲遥控器,红外计数器,红外测温仪,..血糖仪,电子秤1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用超声波检测电容指纹识别智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高楼宇内部舒适程度提供高效的设备管理手段监控软件缩短投资回收周期降低培训成本第一章传感器概述

这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光，又称为红外线。电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。肉眼看不见2、传感器与家用电器

这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。唱卡拉OK时使用的麦克风，也是一种传感器。透光率传感器温湿度传感器温度传感器感应水龙头电子门R1aR2uoUcc+R3Rt

功放b温控室A+-uo1加热元件

这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。火灾报警器机械鼠标的内部结构3、汽车与传感器汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。辅助泊车传感器双声纳间隙检测声纳后声纳电源指示转向指示间隙警告ECU间隙检测声纳集成开关面板[多功能信息显示][多功能显示]侦测栅主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物定位、地理信息汽车行驶速度测量4、传感器在机器人上的应用触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。HumanwithSensors弧焊机器人弧焊机器人喷漆机器人装配机器人5、传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。血压测定方法和输出的结果航空航天宇宙飞船

飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界6、传感器与航空及航天传感器的发展方向1.高精度2.小型化3.集成化4.数字化5.智能化异想天开：如果发现了一种敏感元件可以感受人的情感变化．比如能感受人的喜，怒，哀,乐．同学们你们想想能用这种元件做什么？可以给人类带来什么样的方便？一、传感器的定义传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。定义包含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；④输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。

传感器概述输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、传感元件、信号调节与转换电路三部分组成。

敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

传感元件：将敏感元件的输出转换成为电量输出。有时敏感元件和传感元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。

信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路敏感元件信号调节与转换电路传感元件被测量中间量输出电量传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。二、传感器的分类

非电学量→传感器→电学量角度位移速度压力温度湿度声强光照磁场

传感器电压电流电阻电容1．按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,

旋转角,转数,质量,重量,力,

压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。2．按工作原理分类:切削力测量应变片能量转换型和能量控制型.3．按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.4．按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

例如:电容式和电感式传感器.5．按输出电信号类型分类根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：模拟量传感器数字量传感器开关量传感器。如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器（电磁门禁）。三、传感器的静态特性和动态特性

传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性对传感器的要求：高精度－＞信号（或能量）无失真转换－＞反映被测量的原始特征一、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入—输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。四、传感器的常规技术指标1.性能指标

2.实用与经济指标1.性能指标1)量程(Span)：标称范围两极限之差的模。

2)重复性(Repeatability)：在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。

3)准确度等级(AccuracyClass)：符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别。

4)灵敏度(Sensitivity)：测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。

5)漂移(Drift)：测量仪器计量特性的慢变化。

6)响应时间(ResponseTime)：激励受到规定突变的瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极度限内的瞬间，这两者之间的时间间隔即是响应时间。7)响应特性(ResponseCharacteristic)：在确定条件下，激励与对应响应之间的关系，如热电阻的电阻值与温度的函数关系。2.实用与经济指标1)造价：造价应该包括电源、转换器、信号调节器及连接电缆。

2)维护:任何专门的维护和重新标定都要求涉及额外的人力和费用。

3)兼容性：与其他的元件和标准具有可操作性和可互换性。

4)环境；可经受住苛刻或危险环境的能力。

5)干扰：对环境造成(如电磁波或准稳定电磁场)的敏感度。练习:1.下列器件中没有使用温度传感器的是()空调B.电冰箱C.电子秤D.电饭煲C作业：了解家中的用电器，哪些使用了传感器？各属于什么传感器？3.1.1热电偶温度传感器1.接触电势：两块不同的金属导体A和B相互接触，由于金属的费米能级不同，相互接触时发生电子交换，达到平衡后，两块金属中产生接触电势差。

接触电势：

2.温差电势：单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势，又称汤姆逊电势。这是因为高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在导体两端形成电位差。

温差电势：

温度不能显著改变自由电子的浓度，所以，在一种金属中温差电势极小，可以忽略。而起决定性的是接触电势。有：

回路中的总电势随着T和T0的变化而变化，但在使用时，总电势随两个参数变化很不方便，因此，经常令T0为常熟，有：

通常令T0为0℃，即把一端放入冰水中，保持不变。

热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。其中铂电阻和铜电阻是国际电工委员会推荐的。3.1.2热电阻温度传感器Pt100常用铂电阻具有很好的稳定性、测量精度及测量宽度，但温度系数较小。

铂电阻的阻值与温度之间的关系接近线性，在0~850℃可用式：——温度为t℃是的阻值，Ω;——温度为0℃是的阻值，Ω;

铂电阻的阻值与温度之间的关系接近线性，在-200~0℃可用式如果热电阻的探头和变送器没做在一起，而且相距较远，他们之间的连接方式有：二线制、三线制和四线制。电桥平衡时：若：R1=R2，就消除了引线的电阻影响。或者采用四线制，即热电阻的两端各用两根线接到电位差计上，通过电位差计的U，恒流电流I，可以得到电阻Rt。3.1传感器与变送器变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。

对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，不必用变送器，如热电偶。3.1传感器与变送器在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流电桥或交流电桥的方式转换为电信号。

如热电阻采用四边形直流电桥：

当输出端接阻抗比较高的放大器时，电桥输出端电流为零，此时有：可以求出bc和dc之间的电位差：输出电压为：若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：变送器信号调整部分由：放大器、反馈电路和调零与零点迁移电路组成。被测参数X转换成放大器可以接受的信号Zi，放大，反馈电路把变送器输出的Y变成反馈信号Zf,在把调零与零点迁移电路产生的信号Z0一同放入放大器进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准信号Y输出。变送器的输入输出关系：上式可改写为：当KKf>>1时：上式为此时，变送器的输入与输出与放大器特性无关，只与测量和反馈特性有关。Xmin=0时，称为零点调整；当Xmin≠0时，称为零点迁移。，当测量起始点由零变为正值时，称为正迁移；反之，负迁移。零点调整和零点迁移的方法：改变放大器输入端上的调零信号Z0.零点迁移与零点调整图3-1电容式压力传感器3.流速与流量传感器(1)毕托管毕托管基本上是用在管道通风系统，而且是基于两端开口的管，一根管是迎着空气流安装，另一根管与气流垂直安装。

(2)热线式风速计热线式风速计基本上用于通风气流的测量，该仪表灵敏度较高，适宜检测很低速的流量，这使得它适用于空气流动的测量和导风管内流量的测量。

(3)孔板孔板是基于管线或通风管两端的压力差进行检测的，也就是流体通过一个节流孔而产生节流作用，从而达到测量压力差的目的。(4)文丘里流量计除了在管线或通风导管中部逐渐缩小形成一个狭窄小孔(而不是突变的小孔)，并且，在下游的小孔又逐渐地扩大这点之外，文丘里流量计与孔板具有相似的工作原理。

(5)涡轮流量计涡轮流量计主要用于管道中的液体流量测量，但它易受磨损和卡塞，特别不适用于污浊的流体的测量。

(6)旋涡流量计旋涡流量计适用于液体测量并具有很高的精度，其工作原理是基于由旋涡而产生压力波动的频率，旋涡是由于流体冲击垂直挡体而产生的，其频率是与流体的流速成比例关系。

(7)电磁流量计使用一个缠绕管线或输入一个交变电流，穿过流体建立一个电磁场。(8)超声波流量计超声波流量测量的原理是基于多普勒效应，通过流体微粒中反射声波频率的变化来测量流量。4.湿度传感器(1)机械湿度计这种湿度计是通过湿气的吸收和解吸改变原材料的体积来测量湿度，这是一种最早的湿度测量方法。

(2)干湿球湿度计把蒸馏过的湿芯线缠绕在一个普通的温度传感器上，可引起该温度传感器温度(湿球温度)降低，其干、湿球温度差与相对湿度有一定的关系。

(3)电容式湿度变送器电容式湿度变送器将空气相对湿度变换为DC0～10V标准信号，这一输出信号与空气相对湿度成线性关系，传送距离远，性能几乎不需要维护。7.室内占用传感器(1)超声波运动传感器(US)这种传感器利用多普勒效应，它用连续高频(超声)声波充满整个房间。

(2)红外运动传感器(IR)通过感受运动红外热源，如人员、叉式升降机或其他的散热物体，该传感器能对室内的照明或空调执行相应的开关作用。

(3)基于红外的人员计数器利用多普勒效应感受反射光，即可计算通过该区域的人员数目。8.火灾探测传感器(1)烟雾传感器烟雾是一幢建筑内最重要的危险标志之一。

(2)感温式探测器它是一种能在引燃阶段后期检测到环境温度上升到某一预定值的“早中期发现”的探测器。

(3)感光式探测器它利用检测火焰的红外光或紫外光进行火灾探测的，属于“中期发现”探测器，分红外火焰探测器和紫外火焰探测器，工程上常用作感烟探测器或感温探测器的补充。

(4)复合式探测器这是近年来新出现的一种探测器，主要为解决在某些环境中单一参数检测不甚可靠的问题，主要有感烟感温式探测器、感光感温式和感烟感光式几种类型。

(5)可燃气体探测器它主要是对环境气体中的可燃性气体浓度进行检测，经对比测定而发出火灾预警信号。(1)烟雾传感器1)电离式烟雾传感器。

2)光电式烟雾传感器。变送器

变送器的作用与构成仪表的功能：仪表输出信号输入信号变送器调节器执行器T、P、F、L4~20mA0~10mA20~100KpaDV（DV=PV-SV）控制信号控制信号调节阀门开度或泵的转速变送器的作用与构成1、变送器的作用：变即转换、送即传送、器即仪器装置之意。所以变送器是完成工艺参数转换、传送的过程控制仪表。（T、P、F、L）（4－20mA、20－100KPa、0－10mA等）。2、变送器的构成：输入转换D、放大K、反馈Kf

变送器的作用与构成流量、液位、压力、温度4～20mA1～5V20～100KPaDÄKfKX'XX0XfY注意：输入输出关系主要由反馈系数Kf与输入转换系数D来决定。

变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多温度变送器压力变送器液位变送器流量变送器按工作能源可分为：电动变送器气动变送器生产过程最常用的变送器是温度变送器差压变送器有些变送器测量与变送单元做在一起，如差压变送器，有些变送器则只有变送功能，如温度变送器变送器是基于反馈原理工作的组成：测量（输入转换）放大反馈如图1所示输入输出关系：图1变送器原理图和输入、输出特性

当时，变送器的输出和输入之间的关系为：即变送器的输出和输入特性只取决于测量部分和反馈部分，而与放大器特性几乎无关，如果C和F是常数，则变送器的输出和输入特性将保持好的线性特性。一、变送器的量程迁移和零点迁移实际使用中，由于测量要求或测量条件发生变化，需要根据输入信号的下限值和上限值调整变送器的零点和量程。1、量程迁移量程迁移的目的是使变送器的输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。量程迁移后，变送器输出和输入特性曲线的斜率要发生变化。量程迁移是靠调整反馈系数F或转换系统C来实现的。通常是改变反馈系数F实现量程调整，F大，量程就大；F小，量程就小。量程迁移相当于改变图2变送器输入和输出特性曲线的斜率。图2变送器量程迁移

零点迁移图3变送器零点迁移

零点迁移的目的是使变送器的输出信号的下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值相对应。称为零调整称为零点迁移零点迁移时，变送器的输出和输入特性曲线作平行移动，其斜率不变，即量程不变。二、温度变送器作用：将热电偶、热电阻的检测信号转换成统一标准信号(直流)0~10mA4~20mA1~5V温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变换成统一标准信号温度变送器广泛使用温度变送器有四线制和两线制之分，它们各有三个品种直流毫伏变送器热电偶温度变送器热电阻温度变送器

四线制：供电电源与输出信号分别用两根导线传输。由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗均无严格要求。两线制

两线制是指变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线又是信号线，节省了大量电缆费用，又有利于安全防爆。图4四线制与两线制传输示意图

温度变送器的正确使用要选用与输入信号类型相符的温度变送器，并注意分度号匹配、接线等热电偶与温度变送器配接时，要注意冷端温度补偿。变送器的输入回路是冷端温度自动补偿电桥，为了使得热电偶冷端温度与变送器上的补偿电阻感受同样的温度，通常将热电偶补偿导线连接到温度较为稳定的变送器的接线端上热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路，输入回路是不平衡电桥，热电阻即为电桥的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接导线电阻阻值随环境温度变化，因此为了减小误差，实际测量时采用三线制接法。(基准单元、R/V转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、V/I转换单元

)三、差压变送器通用性强，可以连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量，将测量信号转换成统一标准信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，实现对以上变量的显示、记录或控制三类差压变送器气动单杠杆式力矩平衡式电动差压式气动单杠杆差压变送器

1、作用：差压信号转换成标准气信号（20~100KPa）2、能源：0.14MPa的洁净空气液体、气体、蒸汽的工艺变量温度变送器的正确使用电动差压变送器也是根据杠杆平衡原理，与气动差压变送器检测原理类似，只是将杠杆偏移位移信号感应放大成电流信号并反馈。四、智能变送器

为适应现场总线控制系统的要求，近年来出现了采用微处理器和先进传感器技术的智能变送器。智能温度变送器智能压力变送器智能差压变送器

国内常用的两种智能变送器ST3000（引进Honeywell技术）3051C（引进Fisher-Rosement技术）这两种变送器都是两线制智能变送器，输出为4～20mA直流电流或数字信号。3.2.1自动控制仪表的分类1.按使用能源分类

2.按结构形式分类1.按使用能源分类(1)电动仪表电动仪表是以电作为能源及传送信号的仪表，传送距离远，便于与计算机配合，在生产自动化中被广泛应用。又分为：电气（从被控介质中取得能量）和电子式两种。

(2)自力式自动控制仪表这种仪表不需要辅加能源，只是传感器从被控介质中取得能量，就足以推动执行器动作（从被控介质中取得能量）。2.按结构形式分类(1)基地式仪表这种仪表以指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成，即把变送、控制、显示等部分装在一个壳内形成整体。

(2)单元式组合仪表这种仪表根据自动检测与控制的要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，单元之间统一的标准信号联系。

(3)组装电子式调节仪表这种仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组件是具有不同功能的功能模件。3.2.2模似控制器1.自力式温度控制器

2.电气式模拟控制器

3.电子式模拟控制器图3-2采暖散热器恒温调节阀

1—调节旋钮(给定值)2—传感器

3—反力弹簧4—阀心5—阀座2.电气式模拟控制器(1)电气式温度控制器

(2)电气式压力控制器如图3-4所示，波纹管5承受被控介质的压力，其上产生的力作用在杠杆4的右端，杠杆左端承受给定弹簧1的反力。图3-3压力感温式温度控制器结构

1—感温包2—微动开关

3—杠杆4—偏心轮0304.TIF

图3-5风机盘管温控器3.电子式模拟控制器(1)断续输出的电子式模拟控制器

(2)连续输出的电子式控制器连续输出的电子式控制器有比例P、比例积分PI、比例积分微分PID等控制规律，输出信号为DC0～10mA、DC4～20mA、DC0～10V等。(1)断续输出的电子式模拟控制器1)两位式电子模拟控制器。

2)三位式电子控制器。

3)位式输出的补偿式控制器。图3-6两位式电子模拟控制器原理框图图3-7两位式电子模拟控制器特性图

a)理想特性b)实际特性如：开关图3-8三位式电子模拟控制器原理框图图3-9三位式电子模拟控制器特性图

a)理想特性b)实际特性如：四通换向阀图3-10位式输出的补偿式控制器图3-11室外温度补偿特性根据室外温度变化，全年自动调节控制室内温度1)连续输出电子控制器的组成。

2)连续输出的补偿式控制器。

3)连续输出的串级控制器。

4)焓值控制器。图3-12连续式电子控制器组成框图图3-13连续式串级控制器分：主控和副控图3-14焓值控制器原理示意图4个输入：室内外温湿度3.2.3软件控制器1.直接数字控制器(DDC)

2.计算机控制系统的基本控制算法

3.可编程控制器(PLC-ProgrammableLogicController)

4.现场控制单元的软件结构1.直接数字控制器(DDC)1)DDC系统具有如下的特点：①计算机运算速度快，能分时处理多个生产过程(被控参数)，代替几十台模拟控制器，实现多个单回路的PID控制。

2)DDC系统由被控对象(生产过程)、检测变送器、执行器和工业计算机组成，图3-15是DDC系统的组成框图。

①输入通道A/D：把传感器或变送器送来的反映被控参数的模拟量(电阻、电流、电压信号)，转换为数字信号送往计算机。为了避免现场输入线路电磁干扰和变送器交流噪声，用滤波网络对各输入信号分别滤波(见DDC控制器框图)。②采样器：在时序控制器作用下，以一定的速度按顺序把输入信号送入放大器，然后选择送到A/D转换器，变成数字信号送入计算机。

③输出通道D/A：把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号AO或数字信号DO。

④显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作人员监视。图3-15DDC系统框图2.计算机控制系统的基本控制算法(1)PID控制算法按照偏差信号的比例P(Proportional)、积分I(Integral)和微分D(Derivative)进行控制的PID算法，以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控制工程领域应用最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本控制算法。

(2)改进型PID控制算法在计算机控制系统中，如果单纯用数字PID调节器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。1)增量型PID控制算法的输出Δu(k)仅取决于最近3次的e(k)、e(k-1)和e(k-2)的采样值，计算较为简便，所需的内存容量不大。

2)由于微机输出增量，所以误动作影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

3)在手动/自动无扰动切换中，增量型PID控制算法要优于位置型PID控制算法。

4)不产生积分失控，所以能容易获得较好的调节效果，一旦计算机发生故障，则停止输出Δu(k)，阀位大小保持发生故障前的状态，对生产过程无影响。1、P控制——比例控制即：比例控制规律：在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例。令：则：KP：比例控制的放大倍数KP决定了比例控制作用的强弱。KP越大，比例控制作用越强。改变杠杆支点的位置，便可改变KP的数值。KP值的影响KP值过大（值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。KP值过小（值过大）系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。KP值（值）适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。问：纯比例调节可以消除静差吗？KI代表积分速度。当输入偏差是常数A时：当偏差存在时，输出信号将随时间增长。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上。用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。2、I控制——积分控制积分时间Ti的影响Ti值过小系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。Ti值过大积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。控制作用随着时间积累而逐渐增强，控制作用缓慢，会出现控制不及时，当对象惯性较大时，被控变量将出现大的超调量，因此，要引入微分作用。加入微分控制的目的：防止出现超调现象。微分控制方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。——根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。TD为微分时间微分控制：3、D控制——微分控制微分时间TD的影响TD值过大

系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。TD值过小微分作用不明显，超调量大。TD值适中

经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。微分控制可以减少超调量和调节时间，提高系统的平稳性和快速性，单纯的微分控制会发达高频扰动，因此，不单独使用。1)积分项的改进有如下方法：

①分离的PID控制算法。在PID控制中，积分的作用是为了消除残差，提高控制性能指标。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，此时系统有较大的偏差，会造成PID运算的积分积累，使得系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作所对应的极限控制量，最终导致系统较大的超调、长时间波动，甚至引起系统的振荡。②变速积分的PID控制算法。一般的PID控制中，积分系数KI是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量保持不变。而系统对积分项的要求则是，偏差大时，积分作用减弱；偏差小时，积分作用增强。否则，会因为积分系数KI的数值取大了，导致系统产生超调，甚至积分饱和；反之，积分系数KI的数值取小了，造成了系统消除残差过程的延长。

2)微分项的改进方法如下：

①微分先行的PID控制算法。为了避免给定值的改变，给系统带来的影响(如超调量过大、系统振荡等)。可采用微分先行的PID控制技术。它只对被控变量y(t)进行微分，而不对偏差微分，即对给定值无微分作用，消除了给定值频繁升降给系统造成的冲击。②不完全微分PID控制算法。普通的PID控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要微分作用有效，可以在PID控制输出串入一阶惯性环节，这就组成了不完全微分PID调节器。图3-20PLC的基本组成图3-21现场控制单元软件执行顺序图3-22现场控制单元软件结构3.3执行器3.3.1膨胀阀1.热力膨胀阀

2.电子膨胀阀阀门作用阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门的种类很多，且有多种分类方法：一、按用途和作用分类1、截断阀类：主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。2、调节阀类：主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。3、止回阀类：用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。4、分流阀类：用于分配、分离或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。5、安全阀类：用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀。二、按主要参数分类1、按压力分类(1)真空阀工作压力低于标准大气压的阀门。(2)低压阀公称压力PN<1.6MPa的阀门。(3)中压阀公称压力PN<2.5~6.4Mpa的阀门。(4)高压阀公称压力PN10.0~80.0Mpa的阀门。(5)超高压阀公称压力PN≥100Mpa的阀门。2、按介质工作温度分类(1)高温阀t>450℃的阀门。(2)中温阀120℃≤t<450℃的阀门。(3)常温阀-40℃≤t<120℃的阀门。(4)低温阀-100℃≤t<-40℃的阀门。(5)超低温阀t<-100℃的阀门。3、按阀体材料分类(1)非金属材料阀门如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。(2)金属材料阀门如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门铁阀门、碳钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。(3)金属阀体衬里阀门如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门。阀：膨胀阀、电磁阀、电动调节阀图3-23内平衡式热力膨胀阀工作原理

1—蒸发器2—感温包3—毛细管4—膨胀阀

5—波纹膜片6—推杆7—调节弹簧8—调节螺钉图3-24内平衡式热力膨胀阀的结构

1—阀体2—传动杆3—螺母4—阀座5—阀针

6—调节弹簧7—调节杆座8—填料9—帽盖

10—调节杆11—填料压盖12—感温包13—过滤网

14—螺母15—毛细管16—感应薄膜17—气箱盖图3-25热力膨胀阀和制冷系统能量特性曲线

1—热力膨胀阀能量曲线2—制冷系统能量曲线图3-26电动式电子膨胀阀的组成

1—电动机转子2—电动机定子3—螺旋

4—轴5—针阀6—节流孔图3-27直动式电磁阀

1—线圈2—柱塞阀心3—弹簧

4—圆盘5—接线盒6—外壳图3-28导压式电磁阀

1—线圈2—柱塞阀心3—罩子4—导阀

5—主阀室6—主阀7—手动开闭棒

8—盖9—平衡孔图3-29油用三通电磁阀

1—连接片2—阀体3—接管4—铁心

5—罩壳6—电磁线圈3.3.3电动调节阀1.电动执行机构

2.调节阀图3-30电动调节阀结构图

1—执行机构2—调节机构作用在上下阀芯的作用力，大小接近相等，不平衡力小；适合用在阀前后压差较大的场合；流通能力强；需要加工精度高，上下不容易同时关紧，泄漏大，尤其在高温下，泄漏严重。图3-32直通单座阀图3-33三通阀

a)合流阀b)分流阀闸阀球阀、蝶阀、隔膜阀等都可以作为调节阀

电动执行机构的构造观察窗指示器电容器接线端子电机限位开关／力矩开关加热器机体底座涡轮、蜗杆手柄手轮动力转动轴套电动调节风阀0334.TIF0335.TIF图3-36电动阀门定位器的工作原理示意图3.3.6变频器及晶闸管调功器1.变频器

2.晶闸管调功器图3-37变频器控制回路框图图3-38调功器过零触发的

连续输出电压波形示意图3.4.1调节阀的流量特性1.理想流量特性

2.工作流量特性1.理想流量特性(1)直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。

(2)等百分比(对数)流量特性等百分比流量特性指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，即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大。

(3)抛物线流量特性

(4)快开曲线调节阀在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，如图3-40曲线4所示。0339.TIF图3-40直通调节阀理想流量特性直线结构特性调节阀的特性曲线的斜率在全行程是一个定值以相对行程l等于10%、50%、80%三点为例；当行程变化10%时，所引起节流面积变化总是10%，我们再看它的节流面积相对变化值分别为：

1.隔膜阀的流量特性接近快开特性，2.蝶阀的流量特性接近等百分比特性，3.闸阀的流量特性为直线特性，4.球阀的流量特性在启闭阶段为直线，在中间开度的时候为等百分比特性。0341.TIF

理想流量特性——是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的形状，因此也称之为结构特性。在理想情况下，流量仅随阀门开度变化而变化，从控制的角度看，观察调节阀的控制指标，研究流量特性，是一种常用的方法。1、调节阀的理想流量特性调节阀的流量特性

2、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。例：管