页数：72页文件大小：363.4 KB来源： 过程控制ppt课件
本课件讲解过程控制仪表两大组成部分。调节器部分逐电路剖析DDZ-Ⅲ型的输入、比例微分、比例积分、输出、手动操作与指示电路并给出整机传递函数；执行器部分覆盖气动薄膜执行机构、气开气关选择、流通能力与理想及工作流量特性。
过程控制仪表包括调节器(含可编程调节器)、执行器、操作器等各种新型控制仪表及装置。
单元组合仪表QDZ与DDZ
单元组合仪表页，对比气动QDZ型与电动DDZ型并说明电子管、晶体管与线性集成电路三代发展。
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DDZ-Ⅲ型调节器概述
DDZ-Ⅲ型调节器页，说明其接受1~5V或4~20mA信号并对偏差进行PID运算后输出标准信号。
调节器（DDZ-Ⅲ型调节器）DDZ—Ⅲ型调节器是Ⅲ型电动单元组合仪表中的一个重要单元
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输入电路，PD电路，PI电路，手动操作电路，显示电路，输出电路；
将输入信号（变送器送来的）与给定信号进行比较，并对偏差进行PID运算，输出4-20mA标准信号，送给执行器进行自动控制。作用
偏差差动电平移动电路1.输入电路作用：获得输入信号Ui与给定信号Us之差成比例的偏差信号。Ui测量电压Us给定电压
输入电路等效电路
输入电路等效电路图，给出以UB为基准的差动电平移动电路及节点电流关系。
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输入电路等效电路推导
输入电路推导页，列出差动电平移动电路的电压电流关系式与输出表达式。
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输入电路输出结论
输入电路结论页，指出输出U01等于Us与Ui之差的二倍并完成以UB为基准的电平转移。
因为故结论：输入电路的输出U01是Us与Ui之差的二倍
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比例微分PD电路
比例微分电路页，说明其对手动输入电路输出进行比例微分运算并标出微分电阻与电容。
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无源PD电路传递函数
无源PD电路页，给出U02与U01之间的传递函数及微分时间TD与微分增益KD的构成。
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特点：
比例积分PI电路
比例积分电路页，说明其对U02进行PI运算并标出积分电阻、积分电容与联动开关。
比例积分电路(PI)作用：对U02信号进行PI运算
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PI电路原理图与推导
比例积分电路推导页，给出运放节点的电流方程与积分增益、积分时间的表达式。
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PI电路传递函数
比例积分传递函数页，给出U03与U02之比中含积分增益KI与积分时间TI的表达式。
由于0302CU(s)1KITIs11TsCIMIU(s)1TImRPICIIMIKCmCK式中K——积分增益
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DDZ-Ⅲ型调节器传递函数
调节器传递函数页，给出整机W(s)表达式并标出输入电路、PD与PI三部分级联框图。
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传递函数参数与干扰系数
传递函数参数页，给出相互干扰系数F、比例增益Kp、微分时间与积分增益的定义。
设TDKDKITID1p1FTIsF1T1TDsW(s)KF1DsKITIsKDTI2aCnCMDDnRCIIIpDKDIKM2IKCmC式中F—相互干扰系数
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输出电路
输出电路页，说明其为具有电平移动的电压电流转换器并把1~5VDC转换为4~20mADC。
输出电路030ffIRI24VUfU02R具有电平移动的电压—电流转换器UB=10V为基准的1~5VDC➔4~20mADCRf=250Ω
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输出电路公式推导
输出电路推导页，给出电平移动与电压电流转换的公式并说明Rf=250Ω时的对应关系。
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手动操作电路
手动操作电路页，区分输出电流与手动电压成比例的硬手动和成积分关系的软手动。
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硬手动操作，就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成比例关系硬手动电路CM影响不计RF=RHU03=UH手动调节电压
软手动操作，就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分关系。软手动电路7当按下S4-1或S4-4时，UR<O(相对于UB而言)，U03积分上升;当按下S4-3或S4-4时，UR>0(相对于UB而言)，U03则积分下降。S4-1–S4-4四个开关可分别进行快、慢两种积分上升或下降的手动操作。S4-1 ,S4-3为快速，S4-2,S4-4为慢速。
保持电路
保持电路页，说明开关全断开时电容无放电回路使调节器输出长时间保持不变。
保持电路8当S4-1~S4-4都处在断开位置时
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指示电路
指示电路原理
指示电路原理图，说明其把以零伏为基准的1~5V信号转换为以UB为基准的1~5mA电流。
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3.4执行器（调节阀）1.概述
在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往往会给生产过程的自动控制带来困难，因此，执行器的选择和使用问题非常重要。
输入20~1000kPa气动信号特点：结构简单，动作可靠，性能稳定，维修方便，价格便宜，适用于防火防爆场合等特点。：输入4~20mA气动执行器电动执行器特点：动作迅速，其信号便于远传、并便于与计算机配合使用。但是它不适用于易燃易爆等生产场合。液动执行器：推力最大。3分类：
执行机构：是调节阀的推动装置，按照输入信号的大小产生相应的推力，使阀杆产生相应的位移，从而带动阀体和阀芯动作。
由框图化简可得等效液阻满足 1/R = 1/R₂ + 1/R₃，代入动态物料平衡关系后得到液位过程的传递函数 W₀(s)=H(s)/Q₁(s)=K₀/(T₀s+1)，其中 K₀=R，T₀=RC。
本页主体为框图化简与传递函数推导，完整公式请以原课件图片为准。
电动执行器工作原理
电动执行器原理页，说明按Ii与If之差决定电机正反转或停转，故执行器为比例环节。
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气动执行器
气动薄膜执行器结构
气动执行器结构示意图，标出上盖、膜片、平衡弹簧、阀杆、阀芯与阀座等部件。
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气动薄膜执行机构由膜片、阀杆和平衡弹簧等部件组成；
局部阻力可以改变的节流元件；
（2）执行器的气开、气关型式气开:有信号压力时阀开，无信号压力时阀关气关:有信号压力时阀关，无信号压力时阀开气开、气关执行器示意图执行机构正(反)+阀正装(反装)➔4种组合a.气关b.气开c）气开d）气关
主要从生产安全角度考虑：1)当信号压力中断时，应避免损坏设备和伤害操作人员；2)在事故状态下，尽量减少原料和动力的消耗；3)考虑介质特性：易凝固，易结晶等。调节阀气开气关方式的选择原则：
例如：加热炉出口温度控制系统控制进入加热炉的燃料油的流量，调节阀应选应选用？原因：因故障断了气源➔不加油例如：锅炉水位控制进入锅炉内的水量，调节阀应选用？原因：无气源➔保持流水，防干烧气开式气关式
（3）气动薄膜调节阀的类型及选用A.直通单座调节阀B.直通双座调节阀C.其他部分调节阀结构示意图14直通单座阀直通双座阀蝶阀三通阀隔膜阀角形阀
被控介质的工艺条件，诸如温度、压力、流量、成分等。2.被控介质的物理、化学特性，诸如气态、液态、腐蚀性、粘性等。
执行器的流通能力流通能力C：调节阀全开,阀前后压力差为0.1MPa、流体密度为1g／cm3时，每小时流过阀门的流体流量(体积(m3)或质量(kg))C—是选择调节阀口径的依据对通过执行器的流体流量的控制，是通过改变其阀芯与阀座之间的流通截面积大小，即改变其阻力大小来达到的。所以，从流体力学来看，执行器是一个局部阻力可以变化的节流元件。
流通能力与结构参数关系
流通能力推导页，由不可压缩流体流量公式给出C与接管截面积及流量系数的关系。
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可见：
执行器的流量特性执行器的流量特性将直接影响系统的稳定性和控制质量。所以在工程中必须合理、正确使用。maxqqmax4qqflL执行器的流量特性：是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系－相对流量，调节阀某一开度流量与全开流量之比l/L－相对开度，即执行器某一开度行程与全行程之比
流量不仅与阀的开度有关,同时还与阀前后的压差有关，执行器接在管路中工作时，阀开度一变，随着流量的变化，阀前后压差也发生变化。为了便于分析比较，先假定阀前后压差为一定值，然后再引伸到真实情况。所以流量特性有理想流量特性和工作流量特性两个概念。
理想情况：压差不变(为分析方便)（1）理想流量特性：在阀前后压差为一定的情况下得到的流量特性(阀门制造厂提供)四种:a)直线流量特性b)对数(等百分比)流量特性c)抛物线流量特性d)快开流量特性
阀芯形状与流量特性
阀芯形状页，给出快开、直线、抛物线与对数四种阀芯形状及其对应的流量特性。
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直线流量特性
直线流量特性页，说明相对流量与相对开度成直线关系且放大系数为常数。
是指阀的相对流量与相对开度成直线关系d(q/qmax)Kd(l/L)8口直线流量特性（线性流量特性）阀杆单位行程变化所引起的流量变化是一个常数K－－常数
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直线特性方程推导
直线特性推导页，由边界条件积分得到相对流量与相对开度的线性表达式。
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qqmax11(R1)lRLq10Rmaxqmin或：调节阀的可调比即调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比(国产阀R=30）
相对开度与相对流量
相对开度与流量对照页，列出R=30时10%、50%、80%开度下流量相对变化量的差异。
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可见：当小开度时，流量的相对变化量大，控制作用强，易引起震荡；当大开度时，流量的相对变化量小，控制作用缓慢希望的情况是：对过程控制系统来说，要求在小负荷时控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一点，这需要由调节阀的流量特性来补偿。直线流量特性调节阀是不能满足这一要求的。
单位相对行程的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，即调节阀对数流量特性曲线的斜率（放大系数）是随行程(开度)的增大而递增的d(l/L)13qmaxd(q/qmax)Kq口对数(等百分比)流量特性
对数特性方程推导
对数特性推导页，由微分方程积分得到q/qmax与l/L的指数关系式。
可得：max1nqd(q/qLqqmax1l)KdmaxKlCLq已知边界条件：当l＝0时
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例如：(根据调节阀的相对开度与相对流量表)15在10％开度时在50％开度时在80％开度时(6.58-4.67)/4.67×100%=40%(25.6-18.3)/18.3×100%=40%(71.2-50.8)/50.8×100%=40%等百分比流量特性可见调节阀对数流量特性曲线的斜率即放大系数是随行程(开度)的增大而递增的。在行程变化值相同的情况下，当流量小时，则流量变化亦小；当流量大时，则流量变化亦大。
从过程控制工程来看，利用对数(等百分比)流量特性是有利的；
抛物线流量特性
抛物线流量特性页，说明相对流量变化与相对流量平方根成正比并给出其关系式。
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这种流量特性在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达达到最大，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理想流量特性曲线181一快开2一直线3一抛物线4一对数口快开流量特性
在实际工程使用中，调节阀是安装在工艺管道系统中的，所以调节阀两端的压力∆p≠常数，此时调节阀的相对开度和相对流量的关系称为工作流量特性。
a)调节阀与管道设备串联串联管道压力分布2∆p——系统总压差∆pk——管道设备上的压差∆pv——调节阀上的压差由于串联管道设备阻力的影响，产生∆pk，当总∆p不变时，随着管道流量q的增加,∆pk增加(正比于流量的平方)，而∆pv下降，引起阀的流量特性变化。
串联管道调节阀工作特性SpVmp串联管道调节阀工作特性a)直线b)对数3调节阀全开时的压差与系统总压差之比--阻力比
当S＝1时，管道阻力为零，调节阀前后的压差等于系统的总压差，故工作流量特性即为理想流量特性。当S<1时，由于串联管道设备阻力的影响，调节阀流量特性发生两个变化，一个是调节阀全开时流量减小，即调节阀的可调范围变小；另一个是流量特性曲线为向上拱，理想直线特性变成快开特性。S值越小，畸变越严重。在工程设计中要求S值最小不低于0.3—0.5。
调节阀一般都装有旁路阀，当过程控制系统失灵时可作为手动控制用。
本页主体为并联管道调节阀工作特性曲线图，曲线形状请以原课件图片为准。
调节阀一般都装有旁路阀，当过程控制系统失灵时可作为手动控制用。有时因产量提高或其他原因，以致调节阀流量满足不了工艺要求时，把旁路阀打开一些，以使管道流量增加。但随着旁路阀的打开，虽然调节阀本身流量特性无变化，但系统可调范围大大下降，泄露量也很大，故此法不可取，旁路只能是总流量的百分之十几%。，S值不能低于0.8。
（3）调节阀流量特性的选择原则一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，为了使系统能保持预定的品质指标(调节器整定参数不变)，则要求系统总放大系数在整个操作范围内保持不变，可以通过适当选择调节阀的特性来补偿被控过程的非线性，从而使系统总的放大系数保持不变。所以当过程特性为非线性时，应选用对数流量特性调节阀，否则就使用直线特性的调节阀。
阀门定位器是气动执行器的主要附件；
(1)实现准确定位：克服阀杆的摩擦和消除调节阀不平衡力的影响，保证阀门位置按调节器输出信号正确定位。
(3)改变调节阀的流量特性：通过改变阀门定位器中反馈凸轮的几何形状可以改变调节阀的流量特性。
电—气阀门定位器动作原理
电—气阀门定位器原理图，标出主杠杆、喷嘴、放大器、膜头与反馈凸轮等部件。
本页主体为图示（封面、公式推导、框图或曲线），源文件未提取到成段文字，上述标注与要点请以原课件图片为准。
了解建立被控过程数学模型的意义及建立方法；
思考题
试述执行器的组成、分类及其在过程控制中的作用。
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