控制仪表复习要点

概论【控制仪表】在自动控制系统中，将被控变量转换成测量信号后，送入控制仪表，以便控制生产过程的正常运行的设备。

【控制仪表分类】控制仪表及装置可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。

【按能源形势分类】1、气动仪表：以压缩空气为能源。优点：结构简单，易于掌握，性能稳定，可靠性高，天然防爆，输出功率大20~100kpa，需要气源配合；缺点：气动信号传输速度极限= 声速340m/s ；体积庞大。

2、液动仪表：以高压油和高压水为能源。优点：工作可靠，结构简单，输出功率更大，防爆。缺点：速度传送慢》声速。

3、电动仪表：以电为能源。优点：①信号快速，远距离传输；②易于实现复杂规律的信号处理；③易于与其它装置相连；④供电用电方便,无需空压机和油泵、水泵。缺点：①不天然防爆；②易受电磁干扰；③功率不易大。

4、混合自动化仪表：电动+气动或液动。优点：发挥电动的信号传输快又长的特点和液（气）动的功率大的特点，仪表之间便于配合；天然防爆；例DEH 电液数字调节装置用于汽轮机控制。【按结构形式分类】1、基地式控制仪表；2、单元组合式控制仪表（根据控制系统中各种组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做成能够实现某种功能的独立单元，各单元之间用统一的标准信号来联系）3、组件组装式仪表4、集散控制系统DCS；

5、现场总线控制系统FCS；

6、可编程控制器

7、工业控制计算机。

【单元组合式控制仪表组成】1、变送单元：将被测信

号转换成标准信号；2、转换单元：把电压、频率等电

信号转化成标准信号或执行统一标准信号之间的转换；

3、控制单元：将来自变送器的测量信号与给定信号比

较，给出控制信号；4、运算单元：将几个标准信号进行加减乘除平方开根号等运算；5、显示单元：对各种被测参数进行指示、记录和报警；6、给定单元：输出

统一标准信号作为被控变量的给定值传到控制器；7、执行单元：按控制器输出的控制信号或手动信号进行动作的仪表；8、辅助单元：为满足自控系统某些要求而增设的仪表。【信号制】为便于各类仪表连接，组成系统实现控制功能，按某种规定的信号联络方式作为统一联络信号。国际电工委会（IEC）将电流信号4~20mA（DC）和电压信号1~5V （DC），确定为过控系统电模拟信号统一标准。

【联络信号】：仪表之间应由统一的联络信号来进行信号传输，以便使同一系列或不同系列的各类仪表链接起来，组成系统，共同实现控制功能。（气压信号，数字信号，模拟信号）

【为何用直流信号】1）直流比交流信号优越①直流信号不受交流感应影响，因此抗干扰能力强。②直流信号传输不受线路电感电容等影响，无相移问题，即传输不变形。③直流信号便于模数转换并与数字仪表相接

【电流信号相比电压信号好处】因线路上压降较多，电流信号比电压信号更适合远距离传输，应用灵活。并且由于接受仪表是并联的，用电流信号这些仪表可设置共地点，单一集中供电，增加或减少某个仪表不会影响其他仪表工作。设计安装简单，可靠性高。

【为什么选用4 ―― 20mA?】0?10 （mA）:死零点！优点：方便模拟信号＋、－、* 、／运算；缺点：仪表失电、线路断线与信号下限无法判断！4?20 （mA）：活零点！优点：方便判断仪表失电、线路断线与信号下限；仪表精度高（避开电子元件的非线性区）；仪表可设计为两线制，节省电缆；缺点：设计较复杂！

【四线制VS两线制】1、四线制供电电源与输出信号分别用两根导线传输，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无严格要求。2、要实现两线制必须采用活零点的电流信号，在变送器输出电流为下限时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作，因此信号电流下限值不能过低，统一采用4~20mA（DC）。【防爆型控制仪表】分隔爆型和本质安全型两类仪表。

1、隔爆型仪表：是将电路与接线端子全置于特别设计的表壳中，即使壳内有电火花，也不会引起壳外的气体爆炸。为此表壳可耐800?1000KPa压力、耐高温、密封性好。但一旦打开表壳，则失去防爆性能，所以能承受内部爆炸但不能带电维护、调整。

2、本质安全型：

又称安全火花型防爆仪表。内部为本安电路，电压电流被控制在允许范围内，以保证产生的电火花与热效应不会引起爆炸。体积小、结构简单，可带电维护和调整。正常状态：规定的断开和闭合；故障状态指：断路短路

【辨识编码】ExdllBT3表示II类隔爆型B级T3组，适用于气体级别不高于II类B级引燃温度不低于T3场所。

【安全栅】作为本安仪表的关联设备，设置于控制仪表与危险场所仪表。一方面传输信号，另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下。有齐纳式和隔离式两种安全栅。

【齐纳式安全栅】是基于齐纳二极管反向击穿性能而工作的。当电压高于额定电压，被击穿，将电压限制在额定电压上。当电流急剧增大，使FU 熔断丝熔断，隔离高压电与现场。结构简单、尺寸小、经济可靠抗干扰，通用性强。

【隔离式安全栅】通过隔离、限压和限流等措施来保证安全防爆性能的。作用：电气隔离，信号和电源传递并限制。变压器隔离式安全栅的线路较复杂，但性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。

【最大安全间隙是指用氢气做试验时能够点燃的最小间隙。最小点燃电流是能够引起燃烧的最小电流。以上的判断是否正确？】答：完全不赞成，说得太模糊，最大安全间隙是指如果壳体之间的间隙超过这个范围后，当壳体内部发生爆炸时，产生的火花会通过这个间隙传到壳体外面，从而产生严重的事故（壳体外面是爆炸性气体），小于这个间隙只会在壳体内爆炸，保证安全。

最小点燃电流越小越好也不对，越小说明越容易点燃，危险越大，需要选用的防爆电器等级也要越高，所以这个要选适合的等级，根据现场气体环境来选，否则浪费。

控制器【控制器的作用】是对测量

信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID 运算，并输出统一标准信号至执行器控制执行机构动作以实现对工艺变量自动控制。【模拟控制器】都是由各种放大器和由电（气）阻、电（气）容构成的基本环节组合而成。【手操电路】的作用是实现手动操作，它有软手操与硬手操两种。软手操：按钮操作输出信号要经过其他装置才能驱动执行机构。硬手操：按钮操作输出直接驱动。软手操的作用：a）使电容CI两端的电压恒等于U02 ; b）使A3 处于保持工作状态。硬手操的作用：一是使CI两端的电压恒等于V02;二是由RH RF和

IC3组成了一个比例电路。

【自动与手动操作之间的切换】：

自动（A） ?软手操（M）、硬手操（H）T软手操（M）、硬手操T自动。都是为无平衡无扰动切换。

【控制规律】：1、比例控制规律的特点：（1）快—硬碰硬（2）有余差 ; 2、比例积分控制规律：（1）能消除余差（2）慢慢来注：积分作用一般不单独使用（3）微分作用的特点：输入偏差变化的速度越大，则微分作用的输出越大，然而对于一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零。

注：理想的微分作用不能单独作为控制规律使用【积分饱和】：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的作用下，其输出达到输出范围继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态这种现象称为积分饱和。积分饱和的影响：控制不及时。

防止积分饱和的方法（1）在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时，暂时去掉积分作用。（2）在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时，使积分作用输出不继续增加。

执行器【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。【执行器的组成】：执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成。

【常用执行器的特点】（1）气动执行器的特点：结构简单，输出推力大，动作可靠，维护方便，价格便宜，本质安全防爆。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。（2）电动执行器的特点：优点：能源取用方便，信号传输快，传送距离远，便于集中控制，停电后保持原位，灵敏度和精度高，易于配电动仪表;缺点：结构复杂，推力小，价格贵，平均故障率高于气动执行器。

【执行机构】：组成：（1）伺服电机：作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。（2）减速机构：作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。（3）位置发送器将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。【气动执行机构】:薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动, 结构简单, 动作可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小; 活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。【阀门定位器】是气动控制阀的主要附件,与气动控制阀配套使用,阀门定位器接受控制器的输出信号,引起阀杆移动,位移量通过机械装置负反馈于阀门定位器与执行机构组成一个闭环系统。

【阀门定位器原理】按力矩平衡原理工作，输入的4~20mA 直流电流信号到转换组件的线圈中，产生磁场使杠杆位移。挡板靠近喷嘴产生气压，经过放大，作用于膜头上，使杠杆作用，通过反馈轴与和反馈压板的角位移，作用反馈弹簧，产生反馈力矩。当反馈力矩与电磁力矩平衡时，阀杆稳定，实现定位功能。【阀门定位器的作用】：（1）改善阀的静态特性（2）改善阀的动态特性，改变了原来的一阶滞后特性，减

少时间常数，成为比例特性（3）改善阀的流量特性（4）用于分程控制（5）用于阀门的反向作用【调节机构】主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴。【调节阀的流量特性】：指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系。【调节阀的理想流量特性】：调节阀前后压差不变时，得到的流量特性。有快开、直线、等百分比等。【直线流量特性】：调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数。特点：（1）阀芯相对开度变化所引起的流量变化是相等的（2）流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）是不同的：在小开度时，流量相对变化量大;在大开度时，其流量相对变化最小。（3）调节阀在小开度时，控制作用强，易引起振荡;在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。【对数流量特性】：行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。特点：（1）调节阀在小开度时，控制缓和平稳（2）调节阀在大开度时，控制及时有效。【快开流量特性】：在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大。

【串、并联管道比较结论】：1、串、并联管道都会使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重；2、都会使控制阀可调比下降，并联管道尤为严重；3、串联管道使系统总流量减少，并联管道使其增加。4、串联管道控制阀开度小时放大系数增大，开度大时则减小。并联管道控制阀的放大系数在任何开度下，总比原来的小。

【调节阀的工作流量特性-串联】：s—阀全开时阀上压差与系统总压差之比

【S值与流量特性的关系】：

当s=1,工作流量特性=固有流量特性。在SV1时，由于串联管道阻力的影响，使流量特性发生两个变化：（2）阀全开时的流量减小（2）阀在大开度时的控制灵敏度降低。s 越小，流量特性变形程度越大。实际应用中，S值不得低于

0.3。当S> 0.6时可以认为工作流量特性与理想流量特性相差无几。所以，在现场使用中调节阀不宜选得过大或非满负荷生产，否则会由于S 值小而影响控制质量。

【调节阀的工作流量特性- 并联】：x=q1 max/qmax ，调

节阀与管道使用并联时，流量特性变化不大，但是可调比大大降低了。旁路流量一般认为只能是总流量的百分之几，通常x 不小于0.8。

【控制阀的可调比】控制阀所能控制的最大与最小流量之比。以R 表示。

【理想可调比】：控制阀前后压差不变时的可调比。

【执行器的选择，主要从以下三方面考虑】：（1 ）执行器的结构形式：气动？气开气关？（2）调节阀的流量特性

s=0.3?0.6等百分比否则直线（3）调节阀的口径：求Kvmax

变送器变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用。

【量程调整】使变送器的输出信号下限值ymia 与测量范围的下限值xmin 相对应。在xmin=0 时，称为零点调整，在xmin工0时，称为零点迁移

【零点调整】使变送器的测量起始点为零【零点迁移】是把测量的起始点由零迁移到某一数值: 【热电偶温度变送器冷端温度补偿和非线性补偿】①在输入回路增加了由铜补偿电阻

RCu1、RCu2 等元

件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路安排上把零电位器W1 和电阻R104 移到了反馈回路的支路上。②在反馈回路中增加了由运算放大器IC2等构成

的线性化电路。

【温度变送器】：与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号，作为指示、记录仪和控制器的输入信号，以实现对温度参数的显示、记录或自动控制。

温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种，即直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号转换成4?20mA 直流电流和1?5V 直流电压的统一信号输出。后两种分别与热电偶和热电阻相配合，将温度信号转换成统一输出信号。

【差压式变送器】将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、控制器或计算机装置的输入信号实现上述变量的显示、记录或自动控制。有力平衡式差压变送器（膜盒）、电容式差压变送器和扩散硅式差压变送器。

【膜盒差压变送器原理】通过膜盒将膜盒两侧的压力差转换成输入力，作用于主杠杆的下端，使主杠杆偏转，主杠杆上端的水平力推动矢量机构，矢量机构将上端的推力分解。竖直方向的分力推动矢量机构推板向上位移，带动副杠杆偏转。副杠杆上的检测片靠近差动变压器，使两者间气隙减小，检测片位移变化量通过低频位移检测放大器转换成统一标准电流输出。

【电/ 气转换器】：将电动仪表输出的4-20mA 直流电流信号转换成可被气动仪表接受的20-100kpa 标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。

【伺服放大器】：由信号隔离器、综合放大器、触发电路和固态继电器等组成。将来自控制器的电流信号和位置反馈信号进行综合比较，并将差值放大，以足够的功率去驱动伺服电机旋转。

【伺服电机】：将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。【减速器】：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构，它采用正齿轮和行星齿轮机构相结合的机械传动结构。

【位置发送器】：将电动执行机构输出轴的转角

（0-90°）线性地转换成4-20mA 的直流电流信号，用以指示阀位，并作为反馈信号反馈到伺服放大器的输入端，以实现整机负反馈。

【Kv 流量系数】：反映流通能力的大小，在控制阀全开，阀前后压差为100kpa,流体密度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流量数。