5.1 控制器的发展与分类 5.2 控制器基本控制规律 5.3 模拟式控制器 5.4 数字式控制器 5.5 执行器 5.6 调节机构 5.7 执行机构

1. 第五章自动控制仪表 • 5.1 控制器的发展与分类 • 5.2 控制器基本控制规律 • 5.3 模拟式控制器 • 5.4 数字式控制器 • 5.5 执行器 • 5.6 调节机构 • 5.7 执行机构 • 5.8 电-气阀门转换器和电-气阀门定位器 • 5.9 执行器的选择

2. 5.1 控制器的发展与分类 基地式控制器 基地式控制以指示、记录为主体，附加控制机构而组成。它不仅对某变量进行指示和记录，还具有控制功能。由于基地式控制结构比较简单，价格便宜，常用于单机自动化系统。 单元组合式控制器 单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元（例如变送单元、定值单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完成其中一种功能。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。 组装式控制器 组装式控制是在单元组合式控制的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。 数字智能式控制器 数字智能式控制是以数字计算机为核心的数字式仪表。 2

3. 5.2 控制器基本控制规律 5.2.1 双位控制 5.2.2 比例控制 5.2.3 比例积分控制 5.2.4 比例微分控制 5.2.5 比例积分微分控制 5.2.6 PID控制规律总结 3

4. 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开的，即只在开环时单独研究控制器本身的特性。 所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 控制器的输入信号是经比较后的偏差信号e，它是给定信号x与变送器送来的测量值信号z之差。 • 在分析自动化系统时，偏差采用e=x-z，但在单独分析控制仪表时，习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。 • 控制器的输出信号就是控制器送往执行器（常用气动执行器）的信号p。 • 所谓控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系，即

5. 5.2.1 双位控制 双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大）。 控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。 理想的双位控制器其输出p与输入偏差e之间的关系为：

7. 具有中间区的双位控制器 图5-3 实际的双位控制特性 图5-4 具有中间区的双位控制过程

8. 5.2.2 比例控制 • 比例控制器：其输出信号（指变化量）p与输入信号（指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）e之间成比例关系，即 图5-5 简单的比例控制系统示意图

9. 比例度 比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。 比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用公式表示为： 图5-6 比例度示意图

10. 比例控制会有余差 • 液位比例控制系统的过渡过程如右图所示。在控制过程结束时，液位的新稳态值将低于给定值，它们之间的差就叫余差。 • 如果定义偏差e为测量值减去给定值，则e的变化曲线如右图（e）。 图5-7 比例控制系统过渡过程

11. 为什么会有余差？ 我们一起讨论一下图5-5的系统从一个稳态过渡到另外一个稳态的过程。 存在余差是比例控制的缺点。 比例控制的优点是反应快，控制及时。 有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出控制作用越强。 图5-5 简单的比例控制系统示意图

12. 比例度与余差、过渡过程的关系 增大Kp（即减小比例度δ），可以减小余差，但这样会使系统稳定性变差。 图5-8 比例度对过渡过程的影响

13. 积分控制作用的输出变量p与输入偏差e的积分成正比，积分控制作用的输出变量p与输入偏差e的积分成正比， 5.2.3 比例积分控制器 图5-9 积分控制器特性

14. 如图所示，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减少）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。如图所示，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减少）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。 由于积分控制动作缓慢，一般与比例控制组合使用，这样既能及时控制，又能消除余差。 图5-9 积分控制器特性

15. 积分时间对过渡过程的影响 实测 和 。 积分时间 对过渡过程的影响，如右图所示。 图5-11 积分实际对过渡过程的影响

16. 5.2.4 微分控制 对于惯性较大的对象，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。 微分控制规律：就是控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比， 图5-12 理想微分控制器特性

17. 微分控制的优缺点 超前控制：即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制。 但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。 图5-13 比例微分控制器特性

18. 微分时间对过渡过程的影响 微分作用的强弱用微分时间来衡量。 图5-14 微分实际对过渡过程的影响

19. 5.2.5 几种调节方法的比较 • P调节 • PI调节 • PD调节 • PID调节

20. 20

21. 5.3 模拟式控制器 1. 基本构成 比较环节 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），产生偏差信号。 放大器 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。 反馈环节 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，以实现比例、积分、微分等控制规律。

22. 2.仪表的特点 采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号： 4~20mA DC 或 1~5V DC，信号电流与电压的转换电阻为250。 高度集成化，可靠性高，维修量少。 全系统统一采用24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。 功能齐全，结构合理。 具有本安（本质安全）性能。

23. 3. 基本功能 控制功能 自动控制：针对偏差，按PID规律自动调整输出。 手动控制：由人工直接设定输出值——遥控执行器。 软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。 硬手动：瞬间直接改变输出值。 显示功能 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、（输出）限位报警。 调整功能 给定输入调整： 控制参数整定：

24. 图5-15 模拟控制器结构方框图 图5-16 控制器面板 24

25. 5.4 数字式控制器 数字式控制器主要由微机单元、输入电路、输出电路和人机对话接口电路组成 25

26. 可编程序控制器 PLC由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出接口（I/O）等几个部分组成 26

27. 5.5 执行器 • 5.5.1 执行器的分类及特点 • 5.5.2 执行器的组合方式 • 5.5.3 执行器的基本结构 27

28. 气动薄膜 直通单座阀 气动薄膜 直通双座阀 气动蝶阀 气动球阀 气动切断阀 气动薄膜 角形阀 电动 直通单座阀 电动 隔膜阀 电动 三通阀 电磁阀 手动截止阀 28

29. 执行器在自控系统中的作用 执行器通常专指阀门 执行器是指：阀门－调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴) 电机－连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用) 执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。 执行器是控制系统必不可少的环节。 执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节 原因：执行器与介质（操作变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、 高温、深冷、高压、高差压 29

30. 分类－－按使用的能源形式： 5.5.1 执行器的分类及特点 电动执行器 液动执行器 气动执行器 气动阀 电动阀 在过程控制领域应用很少 按阀门的输出： 连续式(0～100％) 开关式(ON/OFF) 调节阀** 30

31. 5.5.2 执行器的组合形式 1. 气动控制器－阀门定位器－气动执行器 这种组合方式适用于要求准确定位、差压较大的场合，其工作模式是通过阀门定位器的辅助作用，使气动执行器准确定位，同时可在一定程度上放大调节信号的压力，增大执行器的输出力（力矩），增强执行器的工作平稳性。 图5-22 执行器的各种组合方式 2. 气动控制器－气/电转换器－电动执行器 这种组合方式通过气/电转换器将气动调节器的气压信号成比例地转换成标准的电信号，从而推动电动执行器工作，实现了气动信号的远传及与数字装置的连接。 3. 电动控制器－电/气阀门定位器－气动执行器 这种组合方式应用广泛，通过电/气阀门定位器可实现传输信号为电信号，现场操作为气动执行器，具备电动和气动执行器的优点。

32. 5.5.3 执行器的基本结构 • 执行器由执行机构和调节机构组成。 • 执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推动力，推动调节阀动作。 • 调节阀是执行器的调节机构，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。 图5-23 气动执行器的外形 32

33. 执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成 PO F → l 流通截面积 执行机构 调节机构 IO M→θ 操纵变量的流量 辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构 执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。 它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置 控制机构——根据推力产生位移或转角，改变开度。 它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 手操机构——手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。 33

34. 气动调节阀 气动调节阀采用气动执行机构 优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆 缺点：响应时间大，信号不适于远传 采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号 气信号 电信号 电动调节阀 电动调节阀采用电动执行机构 优点：动作较快、能源获取方便，特别适于远距离的信号传送 缺点：输出力较小、价格贵， 且一般只适用于防爆要求不高的场合 34

35. 5.6 调节机构 调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。 35

36. 分类－－按使用的调节机构： 5.6.1 调节阀的分类 直通双座调节阀 直通单座调节阀 笼式（套筒）调节阀 角型调节阀 三通调节阀 高压调节阀 隔膜调节阀 波纹管密封调节阀 超高压调节阀 小流量调节阀 低噪音调节阀 直 行 程 式 调 节 机 构 角 行 程 式 调 节 机 构 蝶阀 凸轮挠曲调节阀 V型球阀 O型球阀 同一类型的气动/电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构 36

37. 执行器的作用方式 H 从安全生产的角度来确定正反作用 正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀 反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀 如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？ 如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？ 37

38. 调节机构的结构和特点 主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴 1—执行机构 2—阀杆 3—阀芯 4—阀座 5—阀体 6—转轴 7—阀板 38

39. 常用调节阀结构示意图及特点——直通单座调节阀常用调节阀结构示意图及特点——直通单座调节阀 直通单座调节阀： • 阀体内只有一个阀芯和一个阀座。 • 结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断） • 允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。 双导向结构 它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。 单导向结构 39

40. 常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀 直通双座调节阀： 阀体内有两个阀芯和阀座 。 因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大 上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。 它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。 均为双导向结构 40

41. 常用调节阀结构示意图及特点——角形调节阀 角形调节阀： 阀体为直角形 流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。 角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好， 在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。 角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。 41

42. 常用调节阀结构示意图及特点——三通调节阀 三通调节阀： • 阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。 • 在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。 • 三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。 合流三通调节阀 分流三通调节阀 42

43. 常用调节阀结构示意图及特点——蝶阀 蝶阀： • 蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。 • 结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大 • 特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合 • 泄漏较大 • 蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似 • 多用于开关阀 蝶阀 43

44. 常用调节阀结构示意图及特点——套筒阀 套筒阀： • 套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。 • 套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。 • 套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。 • 套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。 套筒阀 44

45. 常用调节阀结构示意图及特点——偏心旋转阀 偏心旋转阀： 转轴带动阀芯偏心旋转 体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。 偏心旋转阀 45

46. 常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀 “O”形球阀： 阀芯为一球体 阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。 该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大 流量特性为快开特性，一般用于位式控制。 “O”形球阀 46

47. 常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀 “V”形球阀： 阀芯也为一球体 但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。 该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大 流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。 “V”形球阀 47

48. 5.6.2. 调节阀的流量特性 调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系 实际流量 实际位移 最大位移 最大流量 调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性 48

49. 1. 理想流量特性 (ΔP 一定) 调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。 1-快开特性 2-直线特性 3-抛物线特性 4-等百分比（对数）特性 49

50. (1) 直线流量特性 调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数 特点：a.放大系数是常数 b. Q ↑流量相对变化值↓ 50