授课讲义 第 16 讲

1. 授课讲义 第16讲 《自动控制原理与系统》 Author Paul chen E-mail zjchenzy@tom.com

2. 第7章　过程控制系统 • 本章介绍过程控制的概念，过程控制系统的组成、分类、特点及常用控制指标；过程参量(包括温度、压力、流量和物位等)的检测仪表和变送处理方法；DD乙一III型调节器、可编程调节器和执行器等过程控制仪表的组成、原理及其应用方法；单回路过程控制系统 • 的原理结构、特性分析和选型设计方法；串级过程控制系统的结构模型、应用范围和设计调整方法；最后简要介绍常见的几种复杂控制系统。 • 以控制理论为基础，对不同的生产过程进行测量变送，配合控制器和控制阀所构成的系统，称为常规过程控制系统。同时，随着生产的发展，相继出现了各种比较复杂的多回路控制系统，这些系统都是在经典控制理论基础上发展起来的。

3. 7.1　过程控制系统概述 • 7.1.1　过程控制的概念 • 所谓过程控制系统是指对生产过程进行检测、变换、显示，配合控制器与执行器构成的控制系统。过程控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分等，大多数采用闭环反馈控制系统。同时随着电子技术的发展，出现了各种比较复杂的多回路控制系统。 • 随着化工生产装置的大型化和对生产过程的强化管理，过程控制系统得到了广泛的应用，成为现代化工业生产过程中不可缺少的组成部分。

4. 7.1.2　过程控制系统的组成与分类 • 1.过程控制系统的组成 • 常规过程控制系统由以下几部分组成： • (1)被控对象。它是指需要控制其工艺参数的生产设备和装置。常见的被控对象有锅炉、精馏塔、压缩机等生产设备，或者是各种储槽、罐或物料的管段等。 • (2)测量元件与变送器。它使测量元件检测系统中的过程参数，由变送器转换为统一的标准(电/气)信号。 • (3)控制器(又称调节器)。它接受变送器送来的信号，与工艺要求的给定值相比较得出偏差，按照一定的控制规律进行控制运算，并把得出的控制命令用标准信号送到执行器。 • (4)执行器，通常用调节阀。它与普通阀门功能一样，但它能自动地根据控制器送来的控制信号改变阀门的开度。

5. 另外，一个完整的过程控制系统，还应具备一套手动控制回路，以便在自动控制系统因故障而失效后，或在某些紧急情况下进行手动遥控。另外，一个完整的过程控制系统，还应具备一套手动控制回路，以便在自动控制系统因故障而失效后，或在某些紧急情况下进行手动遥控。 • 2.过程控制系统的分类 • 过程控制系统有多种分类方法，可以按被控变量分类，如温度、压力、流量、液位等 • 控制系统；也可以按照系统完成的功能分类，如比值、均匀、选择性控制系统等。

6. 最基本的分类方法有以下几种。 • (1)按系统的结构特点分类，有以下几类。 • ①反馈控制系统：根据被控量与给定值的偏差进行工作，达到减小或消除偏差的目的。 • ②前馈控制系统：一般根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。 • ③复合控制系统：又称为前馈一反馈控制系统，是前两种系统的综合。 • (2)按给定信号的特点分类，有以下几类。 • ①定值控制系统：在控制过程中，系统被控变量的给定值保持不变。 • ②随动控制系统：被控变量的给定值随时间任意变化，主要任务是克服扰动，使被控量随时跟踪给定值变化。 • ⑧程序控制系统：被控变量的给定值按照既定的时间程序而变化。

7. 7.1.3　过程控制系统的特点 • 其优点如下： • (1)对象复杂多样。在工业生产过程中，控制过程的形式很多，工作机理比较复杂，对过程的控制要求也不一样，而且不同过程参数的变化规律各异，参数之间相互影响，也给对象研究带来很大的困难，所以要设计能适合不同过程的过程控制系统是比较困难的。 • (2)控制方案的多样性。随着现代工业生产的发展，生产工艺的条件越来越复杂；同时由于被控过程的多样性，而且多半属多变量、非线性参数，因此过程控制中应用的控制方案非常多。本书主要介绍单回路和常用的复杂控制系统。 • (3)定值控制是过程控制的一种主要控制形式。控制的目的在于如何减小和消除外界干扰对被控量的影响，使生产稳定。定值控制是一种主要的过程控制形式。

8. 7.1.4　过程控制系统的性能指标 • 控制性能良好的过程控制系统，在受到外来干扰作用或者给定值发生变化后，应能够平稳、迅速、准确地回到给定值上。 • 在衡量一个控制方案时，必须给出相应的性能指标。 • 控制性能指标是根据生产工艺过程的实际需要确定的，过渡过程是衡量控制系统性能指标的依据，一般采用定值控制系统阶跃响应过渡过程曲线来讨论控制系统的性能指标。

9. (1)余差。它是指系统过渡过程结束时，被控变量达到的新稳态值与给定值之间的偏差，如7-1图中的C。它是一个重要的静态指标，一般要求余差不超过预定值或者为零。(1)余差。它是指系统过渡过程结束时，被控变量达到的新稳态值与给定值之间的偏差，如7-1图中的C。它是一个重要的静态指标，一般要求余差不超过预定值或者为零。 • (2)衰减比。它表示衰减程度的指标，它是前后两个相邻峰值之比，对于衰减振荡过程，衰减比一般在4：1到10：1之间为宜 • (3)最大偏差。最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。对于定值系统而言，最大偏差就是第一波的峰值与给定值之差，如图中的A。 • (4)过渡时间。从干扰作用于系统起，到被控变量进入新稳态值±5％(或4-2％)的允许误差带范围内，且不再越出所经历的时间，称为过渡时间

10. 图7-1　定值控制系统阶跃响应过渡过程曲线

11. 7.2　过程参数的检测与变送 • 在化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和自动控制，需要对工艺生产中的压力、流量、液位、温度等参数进行测量。用来测量这些参数的仪表称为检测仪表，经常与变送器配合使用。 • 7.2.1　测量误差 • 所谓测量，就是将被测参数与其对应的测量单位进行比较的过程。在测量过程中，由Y-N量工具的限制、观测者的主观性和周围环境的影响，使测量的结果不可能绝对准确。由仪表读取测量值与被测参数的真实值之间，总是存在一定的差距，这种差距就称为测量误差。一个测量结果，必须指明其误差范围，该测量结果才有意义。

12. 根据误差产生的原因，可以把测量误差分为三类：根据误差产生的原因，可以把测量误差分为三类： • (1)系统误差。它主要由仪表本身的缺陷、测量环境条件等引起，具有一定的规律性，可以在测量过程中加以修正。 • (2)随机误差。在同样的测量条件下，对某一参数进行重复测量时，测量结果的误差大小和符号均不固定。这种误差的大小反映了测量过程的精度。 • (3)疏忽误差。由于测量过程中疏忽大意造成，应把它从测量结果中去除.

13. 测量误差三种表示方法 (1)绝对误差。被测变量的测量值与真实值之间的差值，表示为△=X－T，一般采用标准表(精度较高的仪表)的指标值作为测量的“真实值”。 (2)相对误差。被测变量的绝对误差与其真实值之比的百分数，表示为 (3)引用误差。被测变量的绝对误差与测量仪表量程之比的百分数，表示为 为仪表上限刻度值， 为仪表下限刻度值。

14. 7.2.2　检测仪表的结构 检测仪表类型繁多，结构复杂，通常包括三个基本部分，如图7-2所示。 图7-2检测仪表组成部分

15. (1)检测传感部分。检测传感部分一般直接或间接与被测介质关联，通过感受被测变量的变化，转换成便于测量的相应的位移、电量或其他物理量。这部分包括以下两种：(1)检测传感部分。检测传感部分一般直接或间接与被测介质关联，通过感受被测变量的变化，转换成便于测量的相应的位移、电量或其他物理量。这部分包括以下两种： • ①敏感元件。敏感元件是能够感受被测变量并作出响应的元件。例如弹簧管能感受压力的大小而引起形变，因此它是一种压力敏感元件。敏感元件的输入输出关系应是稳定的单值函数关系，最好是线性或近似线性。 • ②传感器。传感器不但能感受被测变量，并能将其响应传送出去。由于电信号便于传送处理，所以大多数传感器输出信号是电信号。目前利用光导纤维传送信息的传感器也得到了很快的发展，在抗干扰等方面非常突出。

16. (2)转换传送部分。这个部分的作用是把检测部分的信号进行放大、转换、滤波和线性化处理后，送到显示部分。传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号，就可以与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套，实现检测和调节功能。(2)转换传送部分。这个部分的作用是把检测部分的信号进行放大、转换、滤波和线性化处理后，送到显示部分。传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号，就可以与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套，实现检测和调节功能。 • 不同性质的标准信号之间也可以通过转换器来互相转换，如电/气转换器就可以把4～20mA的直流信号转换为20～lOOkPa的气压信号。 • 通常所说的变送器是传感器与转换器的另一种称呼，凡是能够直接感受非电的被测变量并将其转换成标准信号输出的转换装置，均可称为变送器， • 如差压变送器、电磁流量变送器等。

17. (3)显示部分。显示部分的作用是用指针、记录笔、图像等形式把测量结果显示出来。(3)显示部分。显示部分的作用是用指针、记录笔、图像等形式把测量结果显示出来。 • 显示部分既可以和检测、信号处理部分共同构成一个整体，如玻璃管式液位计； • 也可以单独工作，与各类传感器、变送器配合使用构成检测控制系统，如电子电位差计、无纸记录仪等。

18. 7.2.3　温度检测与变送 • 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中最重要的变量之一。 • 很多化学反应与温度有着直接的关系，例如精馏塔利用混合物中各组分沸点不同实现组分分离，对塔釜、塔顶的温度都有严格的要求。所以，温度的测量与控制是保证化工生产安全稳定运行的关键之一。 • 1.测温方式 • 温度参数必须借助于冷热不同物体间的热交换以及通过物体的某些物理性质与温度之间的函数关系，实现间接测量。常用的测温方式有以下几种：

19. (1)用热膨胀原理测温，它用以测温的物体受热后体积膨胀，在一定的温度范围内体积变化与温度变化成单值函数关系。如双金属温度计、压力式温度计。(1)用热膨胀原理测温，它用以测温的物体受热后体积膨胀，在一定的温度范围内体积变化与温度变化成单值函数关系。如双金属温度计、压力式温度计。 • (2)利用热电效应测温，两种不同的导体两端短接形成闭合回路，当两接点处于不同温度时，回路中将出现热电势，利用这一原理可以制成工业上常用的热电偶温度计。 • (3)利用热阻效应测温，它利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质制成。 • (4)利用热辐射原理测温，利用物体辐射能随温度变化而变化的性质制成，属于非接触式温度计.

20. 2.工业常用测温元件 • (1)热电偶。热电偶温度传感器将被测温度转换为毫伏级热电势信号输出。它的测温范围很广，可测量生产过程中0～1600℃范围内(上下限还可扩展)的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。这类仪表结构简单、使用方便、测温准确可靠、便于远传、自动记录和集中控制，在化工生产中得到广泛应用。 • 热电偶由两根不同的导体或半导体A和B(称为热电极)两端焊接而成，使用时一端断开。焊接的一端称为热端，又称工作端，温度为t；断开用于和导线连接的一端称为冷端，又称自由端，温度为。如图7-3所示是一个热电偶测温系统的简单示意图，由三部分组成：热电偶是测温元件；测量仪表用来检测热电偶产生的热电势信号；而为了提高测量精度，一般要采用补偿导线进行温度补偿。

21. 图7-3　热电偶温度计测温系统示意图

22. 热电偶的热端插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端温度不同 ( )，则测温回路中将产生热电势 大小为 热电偶在不同温度下所产生的热电势可以从对应的分度表中找到。必须指出，热电偶一般都是在自由端温度为0℃进行分度的，因此，若自由端温度不为0℃，则热电势与温度之间的关系可以用下式进行修正计算。 (7.2.2)

23. 例7-1　今用一只K型热电偶测量氮肥厂转化炉温度，已知工作端温度为例7-1　今用一只K型热电偶测量氮肥厂转化炉温度，已知工作端温度为 ，冷端温度为 求热电偶产生的热电势 解　由相应的分度表可知： 将上述数据代入，得

24. 例7-2　今用一只S型热电偶测温，已知冷端温度例7-2　今用一只S型热电偶测温，已知冷端温度 测得热电势 求被测介质的实际温度 解　由相应的分度表可知： 数据代入变换，得 再由附录可以查得l4.368mV对应的温度t为1400℃。

25. 工业常用的热电偶有铂铑 铂热电偶，分度号为S；镍铬一镍硅热电偶，分度号为K；镍铬一康铜热电偶，分度号为E，选用时根据要求而定。 (2)热电阻。上面介绍的热电偶温度计，一般适用于测量500℃以上的温度。对于500℃以下的中低温度，可以采用热电阻温度计进行测量，热电阻利用电阻的阻值随温度变化而改变的特性来进行温度测量。一般说来，电阻值与温度之间的关系为 其中 为温度为t℃时的电阻值； 为温度为 (一般为0℃)时的电阻值；α为电阻温度系数。

26. 由上面的分析可知，热电阻温度计与热电偶温度计的测量原理是不同的，热电偶温度计是把温度的变化转换为热电势的变化，而热电阻则是把温度的变化转换为电阻值的变化进行测温的。由上面的分析可知，热电阻温度计与热电偶温度计的测量原理是不同的，热电偶温度计是把温度的变化转换为热电势的变化，而热电阻则是把温度的变化转换为电阻值的变化进行测温的。 • 对于热电阻丝的材料应具有以下特性：电阻温度系数和电阻率大、测温范围内具有稳定的物理化学性质、电阻值随温度的变化关系基本呈线性等。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。对应的工业上定型生产的常用热电阻有铂电阻(WZP)和铜电阻(WZC)。

27. (3)DDZ-III型温度变送器。温度(温差)变送器常与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或两点间的温差转换成4～20mA和l～5V的统一标准信号，或与具有毫伏输出的各种变送器配合使其转换成统一输出信号。(3)DDZ-III型温度变送器。温度(温差)变送器常与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或两点间的温差转换成4～20mA和l～5V的统一标准信号，或与具有毫伏输出的各种变送器配合使其转换成统一输出信号。 • DDZ—III型温度变送器具有以下几个特点： • ①采用安全火花型防爆措施，可以测量危险场合的温度或毫伏信号。 • ②温度变送器中采用了线性化机构，使输出信号与被测温度问呈线性关系。 • ③用了集成电路，从而使该变送器具有良好的可靠性、稳定性等技术性能。

28. 温度变送器是安装在控制室内的一种架装式仪表，它有三种类型：热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器。在化工生产中，使用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器，现对其结构和特点作简要介绍。温度变送器是安装在控制室内的一种架装式仪表，它有三种类型：热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器。在化工生产中，使用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器，现对其结构和特点作简要介绍。 • ①电偶温度变送器。热电偶温度变送器的结构上分为三大部分：输入电路、放大电路及反馈电路。其中，输入电路主要起热电偶冷端温度补偿和零点调整作用；反馈电路中加入线性化电路对热电偶的非线性进行修正，以使变送器的输出信号直接与被测温度成线性关系，以便显示及控制，特别是便于和计算机配合；同时，由于热电偶产生的热电势数值很小，一般只有几十毫伏，因此必须通过放大电路多级放大后才能变为高电平输出。温度变送器采用了特殊的低漂移、高增益集成运算放大器，使性能得以大幅提高。 • ②电阻温度变送器。热电阻温度变送器与热电阻配套使用，结构上大体也分为三部分：输入电路、放大电路及反馈电路。和热电偶温度变送器相比，放大电路通用，输入电路和反馈电路不同。

29. 7.2.4　其他参量的检测与变送 • 在化工生产过程中，除了有温度的检测以外，还会经常涉及到压力、流量、物位等参数的检测与变送。 • (1)压力检测。压力检测根据其转换原理的不同，一般可分为三大类： • ①液柱式压力计。它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。测量范围窄，一般用于测量低压或真空度。 • ②弹性式压力计。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量。如弹簧管压力计、波纹管压力计和膜式压力计。 • ③电气式压力计。它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、电流、频率)进行测量，例如电容式、电阻式、应变片式压力计等。

30. 在这几类压力检测仪表中，弹性式压力计是工业上应用最广泛的一种测压仪表，如图7-4所示是弹簧管压力表的示意图。在这几类压力检测仪表中，弹性式压力计是工业上应用最广泛的一种测压仪表，如图7-4所示是弹簧管压力表的示意图。 • 弹簧管是压力计的测量元件，它是一根弯成270°圆弧的椭圆截面空心金属管。管予的自由端B封闭，另一端固定在接头9上。当通入被测压力户后，由于椭圆型截面在压力的作用下将趋于圆形，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力户越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点位移量，就可以反映被测压力P的大小。

31. 1-弹簧管：9-压力输入接头 图7-4　弹簧压力表

32. (2)流量检测。在化工生产过程自动化中，流量是需要经常测量和控制的重要参数之一。所谓“流量”，是指在单位时间内流过某截面流体的体积或质量。前者称为体积流量Q，后者称为质量流量M。若流体的密度是，则体积流量与质量流量之间的关系是。测量流量的方法很多，根据其测量原理和仪表结构形式的不同，可以分成以下几种：(2)流量检测。在化工生产过程自动化中，流量是需要经常测量和控制的重要参数之一。所谓“流量”，是指在单位时间内流过某截面流体的体积或质量。前者称为体积流量Q，后者称为质量流量M。若流体的密度是，则体积流量与质量流量之间的关系是。测量流量的方法很多，根据其测量原理和仪表结构形式的不同，可以分成以下几种： • ①速度式流量仪表。这是一种以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如工业上最常用的差压式流量计、转子流量计、涡轮流量计等。 • ②容积式流量计。这是一种以单位时间内所排出流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。 • ⑨质量式流量计。这是一种以测量流量流过的质量为依据的流量计，被测流量的数值不受流体的温度、压力、粘度变化的影响。 • ④差压式流量计。这是基于流体流动的节流原理，应用流体流过节流装置时产生的压力差而实现流量测量的，这是目前生产中测量流量最成熟、最常用的方法之一。

33. 差压流量计主要由三部分组成：第一部分为节流装置，将被测流量值转换成差压值；第二部分为信号的传输管线：第三部分为差压变送器，用来检测差压并转换成标准电流信号，由显示仪表显示流量。差压流量计主要由三部分组成：第一部分为节流装置，将被测流量值转换成差压值；第二部分为信号的传输管线：第三部分为差压变送器，用来检测差压并转换成标准电流信号，由显示仪表显示流量。 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式，它是根据流体力学中的努玻力方程式推导得到的，即 (7.2.3) 为流量系数； 为节流装置的开孔截面积； 为膨胀校正系数； 为节流装置前后压力差； 为节流装置前的流体密度。

34. 由流量基本方程式可以看出，流量值Q和M均与节流装置前后压力差△P的平方根成正比。由流量基本方程式可以看出，流量值Q和M均与节流装置前后压力差△P的平方根成正比。 • (3)物位测量。物位是指储存于生产设备中液体或颗粒状固体与气体之间分界面的位置。通过物位测量可以确定容器中原料或产品的数量，保证生产过程中各个环节原料用量得到有效的控制。测量物位的仪表一般有以下几种。 • ①直读式物位仪表：主要有玻璃管式液位计。 • ②差压式物位仪表：利用液柱对某定点产生压力的原理工作。 • ③浮力式物位仪表：利用浮子高度随液位变化而改变的原理工作。 • ④电气式物位仪表：使物位的变化转化为电量的变化来测量物位。

35. 其中，差压式物位计是工业生产上最常用的一种物位仪表，它是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应改变的原理而工作的，如图7-5所示，差压计的差压为其中，差压式物位计是工业生产上最常用的一种物位仪表，它是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应改变的原理而工作的，如图7-5所示，差压计的差压为 图7-5　差压式液位计原理

36. 7.3　过程控制仪表 • 7.3.1DDZ-III型调节器 • DDZ-III型调节器有两个基型品种，即全刻度指示调节器和偏差指示调节器。两者线路结构基本相同。DDZ-III型调节器是一种新型的工业自动化仪表，具有以下特点： • (1)DDZ-III型调节器采用ICE推荐的统一标准，以4～20mADC为现场传输信号；1～5V DC为控制室联络信号。电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，容易识别断电等故障。

37. (2)采用了线性集成电路。集成运算放大器均为差分放大器，输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高，且开环放大倍数很高，使仪表的精度得到提高。(2)采用了线性集成电路。集成运算放大器均为差分放大器，输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高，且开环放大倍数很高，使仪表的精度得到提高。 • (3)自动、手动的切换是双向无扰动方式进行的。在切换前，不需要人工操作使给定值与测量值平衡，可以直接切换。在进行手动操作时，有硬手动和软手动两种方式。 • (4)整套仪表可构成安全火花防爆系统，在设计上是按国家防爆规程进行的，而且增加了安全保持器，实现控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使其具有本质安全防爆性能。

38. DDZ-III型调节器的内部结构主要包括输入电路、给定电路、PID运算电路及其手动与自动切换电路、输出电路和指示电路等部分，如图7-6所示。DDZ-III型调节器的内部结构主要包括输入电路、给定电路、PID运算电路及其手动与自动切换电路、输出电路和指示电路等部分，如图7-6所示。 图7-6DDZ-III型调节器结构图 DDZ-III型调节器的详细资料可参考案例分析4

39. 7.3.2　可编程调节器 • 可编程调节器是一种新型的数字控制仪表。 • 可编程调节器的控制规律可以根据需要由用户自己编写，并且可以擦去改写，故称为可编程调节器。 • 通常一台可编程调节器可以控制一个乃至几个回路，目前应用较多的KMM调节器、SLPC调节器等均是控制单回路的调节器，所以习惯上称它们为单回路控制器。

40. (1)可编程调节器的特点 • ①具有丰富的运算和控制功能。调节器具有若干个运算模块和控制模块，可以根据系统需要灵活配置，完成数十种运算公式和实现多种复杂的控制算法。 • ②具有良好的通信功能。调节器具备标准通信接口，可以与局部显示操作站连接，实现集中监视和操作；可以通过数据总线与上位机连接，并具有停电恢复处理功能。 • ③通用性强。采用盘装方式和标准尺寸，输入输出信号采用l～5v和4～20mA DC 标准信号，与模拟式仪表可以兼容；显示、操作方式也与模拟式仪表相似。采用POL语言编程，不需要专门的软件知识。 • ④可靠性高。调节器内部结构完全微机化，使调节器的硬件故障率降低；软件有自诊断功能、联锁保护功能等，使调节器安全可靠。

41. (2)可编程调节器的结构。图7-7所示是可编程调节器的原理方框图。从图上可以看出，它实质上是一台微型工业控制计算机，主要由以下部分组成。(2)可编程调节器的结构。图7-7所示是可编程调节器的原理方框图。从图上可以看出，它实质上是一台微型工业控制计算机，主要由以下部分组成。 • ①中央处理器(CPU)：由运算器、控制器和时钟发生器组成，是调节器执行运算和控制功能的主要部件。 • ②系统ROM(只读存储器)：存放调节器的系统程序，即调节器功能模块的基本程序。由制造厂商编制后固化在系统ROM中。包括输入、输出程序，自诊断程序，控制运算程序等。 • ③用户EPROM(可擦除存储器)：存放用户程序。该程序将有关模块进行配置，是解决控制问题的指令表，可以擦除重写。 • ④随机存储器RAM：用来存储调节器运行过程中的可变参数(如PID参数)，以及外部有关参数及信息(如输入输出信号、运算中间数据等)。

42. ⑤A/D，D/A转换及IOD口：输入信号为模拟量时，需要经过A/D转换为数字量。D/A转换通过硬件完成，可将5点数字信号转换成模拟量输出。输入输出接口的有，和的两种，是正面板操作开关量输入输出接口；是外部数字量输入和调节器数字量输出接口。⑤A/D，D/A转换及IOD口：输入信号为模拟量时，需要经过A/D转换为数字量。D/A转换通过硬件完成，可将5点数字信号转换成模拟量输出。输入输出接口的有，和的两种，是正面板操作开关量输入输出接口；是外部数字量输入和调节器数字量输出接口。 • ⑥数据设定器：位于侧面板上，设有两个5位数字显示窗口，用于显示输入、输出和运算结果，并有许多按钮，可设定控制及运算所需参数。 • ⑦监视定时器(WDT)：用来执行自诊断功能，出现异常情况时，WDT会作出临时应急处理，如保存当前值、切换到手动等。 • ⑧总线和通讯接H板：用来把调节器挂到操作站或上位机上，使之成为集散控制系统的组成部分。

43. (3)可编程调节器工作过程与功能。现场变送器送来的模拟信号进入调节器后，经过输入滤波、多路切换开关及A/D转换后，转换为相应的数字量，存储于RAM的输入(3)可编程调节器工作过程与功能。现场变送器送来的模拟信号进入调节器后，经过输入滤波、多路切换开关及A/D转换后，转换为相应的数字量，存储于RAM的输入 • 189 • 寄存器中：对于数字信号的输入，只需要经过输入滤波和整形，便可以通过直接进入输入寄存器；CPU按照用户EPROM的程序，从系统ROM中依次读出有关的输入处理子程序和运算子程序，同时从RAM和用户EPROM中读出各种数据，实现输入处理和运算。如果结果数据没有溢出，即可作为存储单元的输出并进行更新；如果数据溢出，则存储单元保存上周期的数据并进行报警。输出寄存器的数据经D/A转换和输出保持电路之后，经电压.电流转换成4～20mA直流信号输出，送往现场执行机构，实现系统闭环控制。 • 用户通过改变EPROM的程序，可以实现各种不同的控制方案。调节器在运行过程中，用户可以根据需要，通过侧面板上的键盘，对RAM中的数据进行修改。

44. 7.3.3　执行器 • 执行器是构成自动控制系统中不可缺少的重要部分，它依据控制器送来的控制信号，对生产过程(被控对象)施加影响，改变控制参数。执行器直接与生产过程相接触，经常工作在高温、高压、腐蚀等恶劣的现场环境中，因此有必要了解执行器的结构原理及性能指标，以保证控制系统安全、高效地运行。 • 从结构上来说，执行器一般由执行机构和控制机构组成。执行机构按控制器送来的操作信号产生相应的直线行程和角行程；控制机构是执行器的控制部分，最常见的是阀门，它接受执行机构的操纵，改变阀芯与阀座之间的流通面积，调节工艺介质的流量。 • 根据执行机构使用的能源种类，执行器可以分成气动、电动、液动三种。液动执行器特点是推力大，但体积庞大，目前工业上使用不多。这里只介绍电动执行器和气动执行器两种。

45. 1.电动执行器 • 电动执行器是电动控制系统中的重要组成部分，它具有以下特点： • (1)能源取用方便。 • (2)动作灵敏、信号传输速度快、距离远、精度高、便于集中控制。 • (3)电源中断时，电动执行器保持原位置，不影响主设备的安全。 • (4)可以方便的与电动控制仪表配合使用。 • (5)成本高、结构复杂，应用于防爆要求不太高的场合。 • 电动执行器由电动执行机构和控制机构组成。执行机构将控制仪表的控制电信号转换成力或力矩，进而输出转角或位移，大部分采用电动机带动控制机构；控制机构直接改变被控介质流量，它的种类很多，有蝶阀、球阀、隔膜阀等。

46. 2.气动执行器 • 气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆等优点，在工业上得到广泛的应用。气动执行器通常是指气动控制阀，由气动执行机构和控制机构两部分组成的，根据需要还可以配上阀门定位器和手轮机构等附件。 • 如图7-8所示的气动薄膜控制阀就是典型的一种气动执行器，分为执行机构和控制机构两部分。气动执行机构接受控制器或转换器的输出气压信号(0.02～0.1MPa)，并将其转化成推力推动控制机构进行调节。

47. (1)气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种。薄膜式执行机构结构简单、工作可靠、价格便宜，生产上应用较多。当压力信号引入薄膜气室后，在薄膜膜片上产生推力，使推杆产生位移，直到弹簧被压缩的反作用力与信号在膜片上产生的推力平衡为止。推杆的位移就是气动薄膜执行机构的行程。(1)气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种。薄膜式执行机构结构简单、工作可靠、价格便宜，生产上应用较多。当压力信号引入薄膜气室后，在薄膜膜片上产生推力，使推杆产生位移，直到弹簧被压缩的反作用力与信号在膜片上产生的推力平衡为止。推杆的位移就是气动薄膜执行机构的行程。 • 执行机构分为正作用与反作用两种类型。当信号压力增大时推杆向下移动的叫正作用执行机构；反之，推杆向上移动的叫反作用执行机构，两者可以互相改装。 • 活塞式执行机构在结构上是无弹簧的气缸活塞式，允许操作压力为0.5MPa，由于无弹簧抵消推力，因此能产生很大的输出力，适用于高压差、大口径的场合。

48. 图7-8　气动薄膜调节阀

49. (2)控制机构分类。控制机构按信号压力的大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，以达到调节流量的目的(2)控制机构分类。控制机构按信号压力的大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，以达到调节流量的目的 • 根据阀芯形式的不同可以分成以下几种类型： • 直通单座阀、直通双座阀、角形阀、高压阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、三通阀等类型，如图所示。

50. 根据阀芯的安装形式，控制机构可以分成正行程和反行程两种。这两种安装形式，经常与执行机构的正、反作用配合，使气动执行器具有气开式和气关式两种形式，满足工艺生产上的安全要求。组合方式如图7-10所示。根据阀芯的安装形式，控制机构可以分成正行程和反行程两种。这两种安装形式，经常与执行机构的正、反作用配合，使气动执行器具有气开式和气关式两种形式，满足工艺生产上的安全要求。组合方式如图7-10所示。 图7-10　组合方式图