气动仪表及气动调节系统

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1、第五章 气动仪表及气动调节系统 气动调节与控制系统与电控系统、液控系统一样都是实际生产过程中自动控制的一种。 气动仪表是气动调节系统的核心。从二十世纪三十年代到现在，气动仪表由基地式调节仪表发展到单元组合仪表和集装式调节仪表。由于电子工业和电子技术的飞速发展，尤其是电子计算机的出现，为电动仪表的发展开拓了广阔的前景。众所周知，电动仪表与计算机联用，无论在传递速度还是在传送距离方面，特别是在它能很方便地把各种非电的物理量转换成电量方面，具有气动仪表无法比拟的优点。近年来，很多大中型企业越来越多地采用电动控制装置。但是必须看到，气动调节仪表仍在许多方面具有独特的优点，特别是它从电动仪表的发展中吸取

2、了不少优点，出现了反应快、结构小巧、性能稳定、功能齐全的新系列产品。国际国内仍广泛使用气动仪表。就我国目前情况看，“电气共存”“相互补充”的局面将长期存在，气动仪表及其控制系统仍有广阔的发展前景。第一节 气动仪表及气动调节系统的基础知识 一、气动调节系统的组成及气动仪表的作用 为了说明自动调节系统的概念，我们先看一个实例。 图51所示为一控制贮罐中液位高度的控制系统。物料从阀1流入，从阀2流出，贮罐内的液位必须维持在某一高度。由于工况的变化，从阀1的流入量与阀2的流出量不等，液位将发生变化。变送器检测贮罐内的液位变化，并将这一参数（称为被控参数）送到显示仪表和调节器。调节器将变送器送来的被控参

3、数与预期的液位高度进行比较，得到偏差值，将这一偏差值输出给气动调节阀1。调节阀1控制其流量作相应的改变使液位保持在预期的给定值。自动调节系统包括以下几个部分：被调对象（贮罐）、变送器、显示仪表、调节器和执行器。图52是液位控制系统的调节原理方框图。 图51 贮罐液位自动调节原理图 图52 自动调节系统方框图 1气动调节阀；2出料阀 图52中各方框的意义如下： 被调对象简称对象，就是被调节的设备。 变送器将被调参数转换成与其成比例的统一信号。气动变送器的统一信号为0.21.0102KPa。 调节器把变送器送来的测量信号与给定器送来的给定信号进行比较，并把所得的偏差信号按照一定调节规律运算放大之后

4、，输出一个相应的控制信号去指挥执行器。 显示仪表指示、记录被调参数、给定值和调节器输出信号。 执行器包括执行机构和调节阀。执行机构将调节器的输出信号转变成推力，用以推动调节阀；调节阀则改变被调介质的流入量或流出量。常见的执行器是气动薄膜执行器。 除对象之外，每一个方框，都可以构成一个独立的单元；把变送器、显示仪表和调节器组装在同一个壳体内则构成基地式调节仪表。本章只介绍变送器、调节器、计算单元及辅助单元的结构及工作原理等。 二、气动仪表的元件与组件 气动仪表的种类很多，在结构上千差万别。但它们都是由为数不多的几种基本元件与组件按一定的原则组合而成。常见的元件有气阻、气容，常见的组件有阻容耦合元

5、件、喷嘴挡板机构、功率放大器，这些内容前面已经介绍过，不再重述。 三、气动仪表的构成原理 气动仪表是将输入的位移信号转换成气压信号，或者将输入的气压信号再转换成相应的气压信号的转换装置。按这种转换原理，气动仪表可分为直接作用式和反馈式两类。 （一）直接作用式气动仪表 图53是直接作用式气动仪表的构成原理图。图53（a）是将输入的位移信号转换成标准气压信号的装置。图53（b）是将输入的压力信号转换成指针位移的装置。图53 直接作用式气动仪表构成原理图 这类气动仪表实际上是喷嘴挡板机构的直接应用，其结构简单、工作可靠。但是由于部件的非线性影响，工作特性不理想。特别是当供气压力、环境温度变化时，仪表

6、的特性也将随之变化，影响仪表精度，带来转换误差。因此，这类直接作用式气动仪表，多用来做报警装置或显示仪表。对于常见的气动变送器和气动调节装置，则要引入反馈机构进行补偿，以改善仪表特性。 （二）反馈式气动仪表 常见的气动仪表，绝大多数是带有反馈机构的。引入反馈机构的目的是为了补偿主回路系统各部件的非线性特性，保证输入与输出之间有确定的关系。 反馈式气动仪表可分为位移平衡式和力（力矩）平衡式两种。 1位移平衡式气动仪表图54 位移平衡式气动仪表工作原理图 位移平衡式气动仪表的工作原理如图54所示。输入信号Dpi作用于测量波纹管，使A点产生位移，平衡杠杆绕B点逆时针偏转，喷嘴挡板间产生测量位移。由于

7、喷嘴背压的变化，经功率放大器放大，有输出信号。输出信号同时反馈至反馈波纹管，使B点产生位移，平衡杠杆绕A点顺时针偏转，喷嘴挡板间产生反馈位移。显然，在测量信号作用下，喷嘴挡板间所获得的实际位移 DX= 由于测量位移与反馈位移使平衡杠杆达到新的平衡状态，所以输出信号与输入信号D成比例关系。输出与输入关系可从图55方框图求得。图55 位移平衡式仪表工作原理方框图 由图55求得传递函数 式中 Ai测量波纹管有效面积； Af反馈波纹管有效面积； kn喷嘴挡板机构放大系数； kr功率放大器放大系数； ks反馈波纹管刚度； ki测量波纹管刚度。 设计时保证分母第二项1，则 即 DP出=KDPi （51）

8、K称为整机放大系数。 由上式可知，引入负反馈作用后，整机传递函数与主回路的kn、kr特性无关，也就消除了喷嘴挡板机构和功率放大器非线性特性对整机特性的影响。 我们把输入信号的测量位移与反馈位移，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为位移平衡或位移补偿。位移平衡工作原理因为位移量较大、摩擦损失大、响应慢、结构不紧凑、易受环境温度影响。所以要制造出一定精度的仪表，对设计和加工的精度要求就比较高。 2力平衡式气动仪表 力平衡式气动仪表的工作原理如图56所示。图56 力平衡式气动仪表工作原理图 从图上我们可以看出：力平衡式气动仪表平衡杠杆有一个固定支点0。当测量信号DPi作用于测量波纹管时，测量力通

9、过A点对O点产生测量力矩。平衡杠杆绕O点偏转，使喷嘴挡板之间隙变化，喷嘴背压变化经功率放大器放大，引起输出信号DP出变化。输出信号同时又反馈到反馈波纹管，对B点产生反馈力，形成对支点O的反馈力矩。当测量力矩与反馈力矩达到新的平衡时，输出信号与输入信号DPi成比例关系。 我们把输入力矩与反馈力矩在平衡杠杆上进行平衡的工作方式称为力矩平衡。力矩平衡是力平衡的一个特例。 力矩平衡式工作原理图中输入信号与输出信号的关系，可由图57方框图求得图57 力矩平衡式气动仪表方框图 由图57可求得整机传递函数 式中 Ai测量波纹管有效面积； Af反馈波纹管有效面积； C系统角刚度。 若设计时分母第二项1，则 即

10、 Dp出=KDpi （52） 可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。 式中 Ai测量波纹管有效面积； Af反馈波纹管有效面积； C系统角刚度。 若设计时分母第二项1，则 即 Dp出=KDpi （52） 可以看出，输出信号与输入信号成比例关系，且与主回路的喷嘴挡板机构和功率放大器特性无关。 我们把输入力矩与反馈力矩，在平衡杠杆上建立平衡关系的工作方式，称

11、为力矩平衡，或称力矩补偿。力矩（或力）平衡工作原理，因为位移量较小、摩擦损失较小、响应快、结构紧凑、不易受环境温度影响，所以应用广泛。第二节 气动变送单元 气动变送器在自动调节系统中的作用，是将被测参数（如温度、压力、液面、流量等）变换成标准的气压信号，根据需要，送入有关单元，以组成自动检测、自动调节或信号连续保护系统等。因为各种变送器首先接触被测参数，所以又把变送器称为“一次仪表”，而把各种显示仪表和调节单元、计算单元等称为“二次仪表”。 根据被测参数的不同，常见的变送器有差压变送器、压力变送器、绝对压力变送器和温度变送器等。近几年来，各种特殊用途的变送器也已相继生产，如测量高粘度、带悬浮物

12、及液化气体等特殊流体流量的靶式流量计；测量高压小流量的浮子式流量计以及浓度计等。 对各种变送器，要求能达到下述几个共同的技术指标： 1基本误差不大于全量程的1%，灵敏度不超过全量程多0.1%； 2反应滞后小； 3抗干扰的能力强； 4输出功率较大，以便远距离传送。 虽然气动变送器的类型、品种较多，但在结构上不管哪种变送器都由测量和气动转换两部分组成。大多数测量不同参数的变送器，都有着共同的气动转换部分，不同的只是测量部分。考虑到差压变送器在各种气动变送器中具有典型性，所以我们就较全面地分析差压变送器，为进一步掌握其它气动变送器的一般规律打下基础。 一、气动差压变送器的动作原理 差压变送器是测量差

13、压的仪表。具体应用时，除了可以直接测量差压外，还可以间接测量液位、分界面、密度及流量等参数。 以双杠杆式差压变送器为例，其结构原理如图58所示。代表差压信号的p1、p2分别送到膜盒两侧的正、负压室。由于p1p2，所以正压室膜片受力F1比负压室受力F2大。F1与F2之差称为测量力。膜盒1内充满硅油，通过硅油的传递，测量力经“C”型簧片17作用于主杠杆16的下端。主杠杆的中部有出轴密封膜片15作为支点，于是测量力使主杠杆产生顺时针方向偏转的测量力矩。通过塔架12带动副杠杆3也作顺时针偏转，使顶丝9离开挡板10，挡板借自身弹力靠近喷嘴11，使喷嘴背压增加。此压力经功率放大器13的放大即为输出。与此同

14、时，输出压力通过反馈波纹管产生一个反馈力，并形成一个以量程螺钉6为支点的逆时针的反馈力矩。此力矩通过塔架12的传递又作用到主杠杆16上。这样，主杠杆上作用着两个力矩：由测量力产生的顺时针力矩和由反馈波纹管产生的逆时针的反馈力矩。当这两个力矩互相平衡时，主杠杆就处于平衡，喷嘴挡板间的距离也就一定。这时，就有一个与差压相应的气压信号输出。 图58 双杠杆差压变送器结构原理图 图59 测量部分结构原理图1膜盒；2负压室；3副杠杆；4调零弹簧 1基体；2基座；3膜片；4硬5反馈波纹管；6量程螺钉；7静压轮；8 芯；5密封圈；6出轴密封膜片；7迁移弹簧；9顶丝；10挡板；11喷嘴；12 主杠杆（上段）；

15、8支架；9硅油；10塔架；13放大器；14支架；15密封膜片； “C”型簧片；11主杠杆（下段）；1216主杠杆；17“C”型弹簧，18正压室 单向过载保护密封圈 当差压变化时，主杠杆的平衡就要破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，这时差压变送器就有新的输出。于是，输出压力与差压信号便成一一对应的比例关系。 二、差压变送器的基本结构及其分析 如上述，气动差压变送器由测量部分和气动转换部分所组成。测量部分的作用是感受差压的变化，并将此差压转换成相应的测量力，这个力作为气动转换部分的输入。根据有关资料得知，此力的范围最好选在50100牛顿之间。力取得太小时，会影响变送器的工作稳定性及其它特性。反

16、之，如果取得太大，由于构件的变形，变送器精度反而降低。气动转换部分接受测量部分产生的力，并把它转换成相应的标准气压信号，作为变送器的输出。 下面，我们将分别进行较全面的分析，以便从中找出它的规律性。 （一）测量部分 测量部分在整个变送器结构中是个重要的组成部分，因为它首先接触被测参数，并将其转换成力。所以，它的性能好坏，将直接影响整个变送器的质量。测量部分结构原理如图59所示。它主要由出轴密封装置、检测元件（膜盒）、基体等组成。膜盒与基体分别组成正负测量室。 膜盒在测量部分是关键元件，它的作用是将感受到的差压值按一定的比例转换成相应的测量力，即实现下列关系式：F测=p1A1p2A2；式中 F测

17、测量力； A1、A2膜盒正负压空室膜片的有效面积； p1、p2正负压室的压力。制造时、经过严格选配，A1=A2=A膜；故 F测=A膜（p1p2）=A膜Dp 差压变送器是采用力矩平衡原理工作的，仪表在工作中各运动部件几乎没有位移。因此，可以认为膜片的有效面积在测量范围内保持不变。这就保证P测与差压Dp之间的固定比例关系。 （二）气动转换部分 气动转换部分是将测量力转换成标准气压信号的机构。这个机构主要由下面几个部分所组成（参看图58）。 1放大环节 放大环节包括喷嘴挡板机构及泄气型功率放大器。气动转换部分中的喷嘴挡板机构将测量力的变化（经杠杆系统变成位移）转换为压力变化；功率放大器则进行压力、流

18、量的放大。放大后的压力信号即为差压变送器的输出压力信号。 2杠杆机构 杠杆机构主要是起力矩传递和比较的作用。差压变送器常采用的杠杆机构有三种形式，这里重点介绍双杠杆机构。 （1）双杠杆机构；图58所示的差压变送器称为双杠杆式差压变送器。其杠杆部分结构简化成图510所示。它由主杠杆1和副杠杆2所组成。选择杠杆机构尺寸和结构的原则是保证变送器的转换性能（精度），并能够在同一台变送器上实现多种量程，即实现“一表多用”，以适应工艺变化的需要。双杠杆机构是符合这个原则的，只要改变量程支点的位置，即可改变仪表的量程，并获得较宽的量程比。 为了说明双杠杆机构能够实现较宽的量程比，下面我们用最简单的力矩平衡原

19、理找出这种变送器输出与输入之间的关系式。 图510中，F是主杠杆对副杠杆的作用力，F是副杠杆对主杠杆的反作用力。 主杠杆上作用着两个力：F测及F，分别使主杠杆绕支点O顺时针转动和逆时针转动，根据主杠杆力矩平衡条件，有F测l1=A膜Dpl1=Fl2 （53）同理，根据副杠杆力矩平衡条件，有Fl3=A波p出l4式中 A波反馈波纹管的有效面积。得 （54）又因为 F=F得 （55）式中 （56）称双杠杆式差压变送器的放大系数。 图510 双杠杆机构 图511 单杠杆式差压变送器结构原理图 1主杠杆；2副杠杆 以上结果是双杠杆式差压变送器输出与输入之间的关系式。我们须注意： 第一，由式（55）知，差压

20、变送器的输出p出与输入Dp成比例关系。推导式（55）过程中忽略了调零弹簧4（见图58）的作用力。实际上，可以对调零弹簧加以调整，使调零弹簧在副杠杆上产生当量压力N，当Dp为零时，p出即为调零弹簧产生的当量压力。调节调零弹簧4，可以改变差压变送器的零点，这即是该类差压变送器的调零原理。 第二，调整量程螺钉时，l3与l4的比例发生变化，测量量程改变。而l4的变化，必然要影响到零位N。故在实际调校中，调量程与零位时必须反复进行。 第三，从式（55）的推导过程中知，差压变送器是根据力矩平衡原理工作的。所谓力矩平衡，就是输入信号与反馈信号都以力矩的形式在比较机构上进行比较。基于这种原理工作的仪表称为力矩

21、平衡仪表。平衡时，比较机构几乎没有位移，摩擦小，因此这种仪表性能比较稳定，精度高，从而得到广泛的应用。 （2）单杠杆机构 单杠杆机构只有主杠杆而没有副杠杆，如图511所示，它的突出优点是结构简单，不足之处是量程比不能太大。其不足之处可通过改变反馈波纹管及测量膜盒的有效面积来弥补。因此，单杠杆式差压变送器目前仍得到广泛的应用。双杠杆式差压变送器的优缺点正与此相反，能实现较宽的量程比的；不足在于结构比较复杂，使用的合金材料也较多。故目前两种结构形式都得到广泛应用。 （3）矢量机构 当测量微差压时，若采用双杠杆、单杠杆机构，则要求A膜很大。为此，国内外已开始使用矢量机构，减小力矩和量程，减轻重量，并

22、可获得稳定的性能。 3反馈波纹管 图512 差压变送器结构示意图 反馈波纹管在差压变送器中主要是用来实现负反馈作用。在差压变送器中，输出压力进入反馈波纹管，对主杠杆产生一个反馈力矩，它与测量力对主杠杆产生的测量力矩方向相反，是负反馈。这两个力矩平衡时，整个系统处于平衡状态，变送器就有一个相应的稳态输出，其大小与被测差压成比例。因此，可以通过反馈量，即改变反馈力矩的大小来调整变送器的量程。如上所述，对于双杠杆式差压变送器，改变量程支点的位置或改变反馈波纹管的有效面积实现改变变送器量程的目的。 三、差压变送器的特性分析 前面已经对组成差压变送器的元件、组件等基本环节的结构及作用做了分析，了解了它们

23、的联结形式。为了更深入地了解组成变送器的各基本环节间的传递关系及相互影响，进而掌握它的整机特性，为分析变送器的工作质量、影响变送器工作质量的主要干扰因素以及合理地使用和改进变送器提供必要的依据，下面介绍双杠杆式差压变送器的方框图及传递函数。 （一）方框图：根据图512结构示意图，把组成变送器的各基本环节按信号传递关系用方框表示。一般从输入开始，按照信号传递的顺序，即可画出整个方框图（见图513）。 方框图513中有关环节参数间关系可从图512中求得。图513 差压变送器方框图 图514 简化方框图图中 C力矩传递系统的转动刚度； k1喷嘴挡板机构放大系统； k2放大器放大系数； （二）传递函数

24、：根据图513方框图，可以求得差压变送器传递函数。为方便分析，把图513简化成图514的形式。图中 W1（S）测量部分的传递函数 W1（S）=A膜l1=K1； W2（S）主回路传递函数 W2（S）=k1k2l1l2(l5+l6)/(Cl1l6)=K2； W3（S）负反馈回路传递函数 W3（S）=A波l2l4/l3=K3 显然，这是个典型的负反馈线路，可求得差压变送器传递函数为： =K （57）设计时，如能保证K2K31，则可把分母中“1”项忽略，简化公式（57），可得 （57）就是（56）式中的K双。 通过上面分析，求得了差压变送器的传递函数，它对深入理解差压变送器的工作原理和进一步分析变送器

25、性能等都有很大的作用，是深入研究分析变送器所不可少的。下面就得出的定量公式（57）讨论几个问题： 第一，若K2K31，即要求喷嘴挡板机构、功率放大器具有足够高的放大系数及灵敏度，整机传递函数将与K2无关。这样就大大降低了对喷嘴挡板机构、功率放大器以及有关弹性元件的线性特性要求。此时变送器的静特性主要取决于反馈环节，即反馈波纹管的特性。提高放大器放大系数，可使挡板有效行程减小，改善了静特性。同时测量膜盒及反馈波纹管的位移也减小，有效面积变化对特性的影响就小。所以要提高仪表的线性度。但也要防止过高而产生振荡现象，一般以1020为宜。 第二，从式（57）看出，若要保证变送器的线性度，则要求K为常数。

26、当结构尺寸确定之后，只要保证测量膜盒、反馈波纹管的有效面积A膜、A波不变就能满足。 另外从式（57）中还可以看出，加大A膜，总放大系数K增加，测量范围减少，这就说明为什么低差压变送器的膜盒要比高差压变送器的膜盒大的原因，A波大小的影响刚好相反，它的有效面积越大，总放大系数越小，测量范围也就越大。 第三，要满足K2K31，还要求系统刚度C尽可能小。但主杠杆的刚度不能过小，否则在高差压下扭曲变形大反而影响精度。这样就只能考虑降低测量元件、反馈元件、出轴密封膜片等元件的刚度，以利于提高仪表线性度。 第四，测量力F测=A膜Dp只有在正、负压室膜片有效面积相等的情况下才成立，所以应使正、负压室的膜片有效

27、面积相等。这样一来，可以减小温度附加误差和静压误差。同时膜片的刚度也要求相等。在强度允许条件下，希望膜片的厚度小些，这样刚度可以小些，从而使系统刚度减小，以利于提高变送器的精度。 第五，式（57）中的l3、l4是随量程支点位置不同而变化的。当量程支点向下移动时，l4减小，l3增大，总放大系数K增大，测量范围减小；当量程支点向上移动时，l4增大，l3减小，故总放大系数减小，测量范围增大。 第六，要注意的是，上述讨论中，变送器各环节的性能已做了一定的简化后进行的，即把变送器中所有环节均看成是无滞后的。这只是相对而言。严格说来，像喷嘴挡板机构、功率放大器、膜盒组件等都是滞后环节。因此，前面所讨论的实

28、际上只是反映变送器的静特性。 四、差压变送器应用实例 差压变送器可用于测量液位、流量和液体分界面的高度。 图515是差压变送器测量流量的原理图。 (a)被测管道呈水平状态 (b)被测管道呈垂直状态图515 用差压变送器测量流量的原理图 差压变送器与节流孔配套使用，被广泛地用来测量管道中的流量。流体流经孔板后，在孔板的两边会产生压差。当管道、孔板和工艺条件确定后，这个压力差的大小与流量有一个确定的关系。压力差可以很方便地用差压变送器测量，于是流量也就可以确定。第三节 气动调节单元 调节仪表包括测量装置、给定装置、比较部分、控制放大部分、反馈部分以及显示记录机构等。在单元组合仪表中，上述各部分或几

29、个部分独立成一个单元，相互之间由统一气压信号联系起来，完成整个调节仪表的功能。通常所说的调节单元，是指除测量装置、给定装置、以及记录机构以外的部分。显然，调节单元在自调节系统中的作用就是把变送单元送来的信号与给定器送来的信号相比较，得出偏差信号，然后按某种调节规律把它加以放大，输出给执行机构。 一、调节器的构成原理、分类及基本概念 （一）构成原理偏差 反馈环节 调节器的原理可用图516来表示。由图中可见，调节器由四个部分组成，现分别加以介绍。 1比较环节 比较环节 控制环节 功率放大 图516 调节器的构成原理 它的作用把给定信号与测量信号相比较，得出调节单元的输入信号，然后再将输入信号与反馈

30、信号相比较得到推动控制元件产生位移的偏转信号。气动调节器的比较机构有两种。一种是由橡胶膜片或波纹管构成的比较环节；另一种是差动杠杆式的比较环节。前者应用力或力矩平衡原理，后者应用位移平衡原理。不论力平衡或位移平衡式比较环节，它们的作用都是把测量、给定、反馈三种信号进行综合比较，并按其偏差的符号及大小，转变成为推动控制元件的位移量。 2控制元件 气动调节仪表的控制元件通常是各种形式的喷嘴挡板机构。控制元件的作用是把比较环节送来的微小的位移量转换成相应的气压信号。所以，控制元件也叫放大环节，即把微小的位移量，放大为具有一定功率的气压信号。 3功率放大器 调节单元一般都有一个功率放大器，其作用是把控

31、制元件输出的微弱气压信号进行功率放大，以便远距离传送或推动执行机构。有些气动调节单元（如波纹管式微分器）不需要远距离传送输出信号，或者不要求它有大的推动功率，也可以省去功率放大器。 4反馈机构 气动调节仪表的反馈机构，通常是由各种形式的恒气阻、可调气阻、气容或杠杆等组成。调节仪表里的反馈机构，比变送器里的反馈机构要复杂得多，它不仅有负反馈而且还有正反馈。反馈机构的作用是为了实现各种调节规律，以适应各种被调对象的要求。 除了上述几个组成部分外，现代的调节仪表还常常带有各种附加机构，如切换机构、逻辑开关、选择器以及显示机构等。 （二）调节器的分类 1按调节器的组装形式来分，可分为： 基地式调节仪表

32、：这种调节仪表是把测量装置、给定装置、比较环节、控制环节、放大环节、反馈环节、以及显示记录部分都装在一个壳体内，各部分之间有的用气信号联接，有的用机械机构联系，因此它们是不可分割的一个整体。这类仪表结构复杂、尺寸较大、可动部件多、精度不易做得很高。这类仪表多用于就地控制系统。 单元组合式调节仪表：按功能把各部分分成若干个单元，如变送、调节、显示、计算等单元，彼此间用同一的信号联系，可根据需要灵活组成各种不同的调节系统。这类仪表可动部件少、精度较高，应用广泛。 集装式调节仪表：这类仪表属新产品。它也是把个组成部分集装在一个壳体内，但是各部件之间一般都是用气压信号联系。这类仪表采用了一些新工艺，使

33、仪表的正面面积较小，又附加了一些辅助环节使其功能较全，精度较高并且适于高密度安装。 2按调节仪表的动作原理来分，可分为：力或力矩平衡原理和位移平衡原理的调节器。 3按调节器的调节规律来分，可分为： （1）比例式调节器（用P表示） 所谓比例式调节器，就是输出信号变化量与输入信号（给定值与测量值之差即偏差）在一定范围内成比例关系。写成公式： （58）式中 调节器输出信号的变化量； 调节器输入信号； 比例放大系数。 （2）积分式调节器（用I表示） 所谓积分式调节器，就是输出信号变化速度与输入信号成比例关系。写成公式： （59）式中 TI积分时间。 （3）微分式调节器（用D表示）。 所谓微分式调节器，

34、就是输出信号变化量与输入信号变化速度成比例关系。写成公式： （510）式中 TD微分时间。 这三种调节器体现了三种基本调节规律，工程上实际应用的调节器是复合式的，如比例加积分式（用PI表示）、比例微分式（用PD表示）、比例加积分加微分式（用PID表示） 二、膜片式气动调节单元 （一）膜片式比例积分调节单元 1构成及动作原理 图517是膜片式比例积分调节单元的结构原理图。它是由十块外方内圆的铝环或带气路的铝块与橡胶膜片交替重叠装配而成的。国产膜片式调节单元外形尺寸是7070mm。膜片是尼龙织物夹层的耐油橡胶膜片，厚度为0.250.4mm。膜片之间构成若干气室，彼此用小孔或气阻相联，以实现各种调节

35、规律。调节单元侧面有比例范围调整旋钮和积分时间调整旋钮。整个调节单元可分为五个部分。 比较环节：包括测量气室F、给定室G、负反馈气室E、正反馈气室H以及由比较环节芯杆所联系起来的膜片组。 控制环节：包括喷嘴20、挡板18以及恒节流孔5。 放大环节：包括A、B、C气室及有关元件。这就是前面讲过的力平衡式1:1功率放大器。 图517 比例加积分调节单元结构原理图1排气锥阀；2锥阀座；3硬芯；4膜片；5恒节流孔；6比较环节芯杆；7零点调节螺钉；8畸形簧片；9跟踪气室恒节流孔；10积分针阀；11开关喷嘴；12开关膜片；13五孔插头；14跟踪气室膜片；15跟踪气室喷嘴；16节流通室恒节流孔；17比例针阀

36、；18挡板；19平衡弹簧；20控制喷嘴；21压差弹簧；22进气球阀；23锥形弹簧 反馈环节：包括负反馈气室E和由比例针阀17、正反馈气室H、恒节流孔16组成的节流通室，以及由积分针阀10、积分气室J、跟踪气室I组成的节流盲室。 开关环节：包括开关喷嘴11、开关膜片12、气室K和L。 （1）比例作用部分 1）比例作用部分的构成及动作原理 比例作用部分包括控制部分、比较环节、功率放大器和负反馈气室及节流通室。我们可以用图518来说明膜片式比例调节部分的特性和动作原理。 图518 比例调节部分原理图 图中A1、A2、A3是膜片的有效面积，设计时A1=A3A2。膜片之间用硬芯、铝环和芯杆夹持在一起，构

37、成膜片组。测量信号pF送入F室，给定信号pG送入G室。当pFpG时，膜片组下移，挡板靠近喷嘴，背压升高，经功率放大器放大，输出压力p出上升。如果比例针阀Rp全开，正反馈气室H与负反馈气室E的压力应近似相等，正负反馈作用相抵消。此时微小的p入也将使挡板位移超过有效行程，输出压力Dp出只能是最大值或最小值，称为双位特性。此时调节器的放大倍数最大，比例范围最小，约为3%。如果比例针阀Rp全关，正反馈气室H被切断通路，调节器仅有负反馈，所以放大倍数最小，比例范围最大可达250%。通过上述分析可见，改变比例针阀Rp开度即可调整比例范围。 我们可以列写膜片组的力平衡方程式，进一步说明上述比例特性。稳态时：

38、 pF(A3A2)pG(A1A2)+F弹=pEA3pHA1 （511）式中 pF测量信号压力； pG给定信号压力； A1、A3H室和E室膜片有效面积； A2G室和F室中间膜片有效面积； F弹膜片组及畸形簧片和平衡弹簧的综合弹力； pH正反馈室压力； pE负反馈室压力。 设计时A1=A3，又因为膜片组的刚度很小畸形簧片和平衡弹簧的弹力可以相互抵消，所以认为F弹0。于是（511）式可以简化成 p入（A1A2）=（pEpH）A1 （512）式中 p入=pFpG称为输入信号。 将节流通室特性方程 代入（512）式得 式中Rp、Rf、A1、A2均为设计常数。令 =Kp于是 pEp1=Kpp入 （513）

39、 式（513）就是比例调节器的一般表达式。对于所讨论的比例部分而言，pI为一固定值，对于纯比例调节器，pI为控制点压力。pE即是输出压力p出。所以 pEp1=Dp出 于是可把（513）式用增量式表示为： Dp出=Kpp入 （514） 从以上分析可得出两点结论： 第一，借助节流通室的分压原理，改变总负反馈的大小，从而使输出变化量Dp出与输入p入成一一对应关系。 第二，改变比例针阀Rp的开度，即可改变比例调节器的比例放大倍数Kp。 2）残余偏差 当负荷改变时，用比例调节器组成的调节系统将产生余差。现在我们用膜片式比例调节器，来讨论余差是怎样产生的。 从比例调节器动作原理可知，输出压力直接进入负反馈

40、气室E，经过比例针阀Rp进入正反馈气室H。当pI一定时，正反馈与负反馈压力的比值由比例针阀的开度所决定。要使膜片组平衡，就必须使作用于其上的诸力之和为零。对于比例式调节器来讲，PI压力为控制点压力，一般调整到0.6102KPa，在正常工况时，pG=pF，p出=pE=pH=pI，于是膜片组合力为零。当负荷变化时，系统要求调节器的输出压力由p出变为p出，于是pEpH，调节器失去平衡。若使调节器在新的状态下仍能平衡。只能使pGpF。可见，余差是由比例调节器正、负反馈之差值所造成的，是无法克服的。 余差的大小除了与负荷变化量有关外，还与比例范围有关。负荷变化一定时，比例范围越大余差越大，减小比例范围余

41、差也减小。当比例范围小到一定程度时，即使负荷变化比例式调节器也不产生余差了。 显然，只要稳态时使正、负反馈作用相等就可以消除余差。具体地说，在稳态时给正反馈气室H再附加一个压力，使正反馈作用力相等即可以消除余差。人为的给H室附加一个压力叫人工重定，用某种装置让调节器自动保持pH=pE叫自动重定。 （2）积分部分 图519 积分部分原理图 积分部分的作用是进行自动重定，消除比例部分造成的余差，同时也可改善调节器的动态特性，以适应不同调节系统的需要。膜片式比例加积分调节单元的积分部分，是由节流盲室和跟踪气室串联在积分正反馈的回路里，其输出经节流通室再作用于正反馈气室H。参看原理图519。 从图上可

42、以看出，调节器输出分两路进行正反馈。一路经节流通室进行比例正反馈；另一路经节流盲室通过跟踪气室对H室进行积分正反馈。加跟踪气室的目的是使积分正反馈与比例反馈的气路进行隔离。 我们可以证明，图519所示结构是积分特性。节流盲室部分的特性方程为： 或 前边曾指出，对于比例式调节器 pEp1=Kpp入因为 p出=pE 所以 对上式两边作定积分： 于是 （515） 式（515）说明，跟踪气室压力pI与被调参数与给定值的偏差P入成积分关系。pI经恒气阻给H室进行附加正反馈，它们的关系由节流通室所决定。 如果调节单元从一个稳态变化到另一个稳态，DpI=Dp出，于是（515）式可以写成 当p入为阶跃信号时，

43、上式变为 上式说明，积分输出变化量和偏差信号p入的大小及存在时间成正比，和积分时间常数成反比，和放大系数成正比，这就是积分特性。 （3）零点调整机构图520 PI调节单元简化原理图 膜片式比例加积分调节单元的调零作用，是用螺杆改变畸形弹簧的弹力，以改变喷嘴与挡板之间的距离来实现的（参见图517）。这里应该说明，所谓调零就是调整控制点的零位，即改变控制点偏差的分布。 2传递函数及特性分析 为了分析方便，我们将图517的原理结构图简化成图520的简化原理图，并按这个简化原理图求比例加积分调节单元的传递函数。 比例加积分调节单元的方框图如图521所示。图521 比例加积分调节单元方框图 比例加积分调

44、节单元各环节的传递函数分别为： 第一，比较环节的传递函数 第二，放大环节的传递函数 第三，负反馈环节的传递函数 第四，正反馈环节的传递函数 正反馈有两路，假定比例正反馈压力变化量为，积分正反馈压力变化量为，那么总和正反馈压力的变化量 =+根据节流通室特性 根据节流盲室特性 pI与pJ是1:1的跟踪关系，即pI=pJ。pI对H室的附加正反馈压力可按节流通室特性求得： 比例加积分调节单元传递函数为： 设计时能保证分母第二项远大于1，可略去第一项。于是： （516）或 式中 % 显然这是一个理想的比例加积分特性。 由此，我们可对膜片式比例积分调节单元作以下特性分析： 第一，PI调节单元传递函数是在假

45、定H气室很小，认为pH与Dp出之间为简单放大环节的前提下获得的。为此必须尽量减小H室的容积，才能使调节单元近于理想的PI特性。 第二，从传递函数中已经看不出喷嘴挡板机构对整机特性的影响，但必须注意到我们推导传递函数时，假定分母中的第二项1才获得近于理想的PI特性。这就要求使喷嘴挡板机构的放大倍数足够大。因此在设计时采用了在变节流孔加恒压降的方法来改善喷嘴挡板机构的特性，以提高它的放大倍数。显然，恒压差的数值取决于压差弹簧的大小（见图517）。 第三，传递函数还为我们正确使用、维修调节单元提供了理论依据。从传递函数可以看出，为保证PI调节单元特性的稳定，应保证各接头不漏气，各膜片有效面积不应变化

46、，各可调气阻和恒气阻特别是Rf不可被油污堵塞，跟踪器应保证为1:1的关系，否则将造成比例特性不对称或控制点偏差过大。 第四，对于采用节流通室来调整比例范围的调节单元，必须用1:1跟踪器来隔离比例正反馈与积分正反馈的气路。 （二）膜片式比例微分调节单元 1微分环节的作用 图522 温度调节系统 微分环节的作用是用来克服被调对象因惯性较大或较小而产生的滞后和振荡现象，改善调节质量。 我们可以用图522所示的温度调节系统来进一步说明微分作用的特点。某种冷物料通过热交换器用蒸汽来加热，生产工艺要求物料出口温度维持在给定值。手动操作时，操作者应根据出口物料温度操纵蒸汽阀门。物料温度高于给定值就关小阀门；

47、温度低于给定值就开大阀门，这就是比例作用。但是这种比例调节作用，对于滞后较大的温度调节系统效果不太好。为此可以这样进行操作：如果发现温度上升速度很快，哪怕它与给定值偏差暂时还很小，但是说明调节系统已经出现了较大的干扰，已预估到如不采取有效措施下一步将可能产生更大偏差，因此应预先把蒸汽调节阀多关一些，这就是微分作用，也叫超前作用。微分器就是模仿人的这种动作，根据偏差的变化速度进行调节的调节器。 微分器有正微分器和反微分器之分。正微分器是用来克服测量元件和惯性大的调节对象的滞后作用的。上述温度调节系统就应采用正微分器以便产生超前作用。也有的被调对象惯性很小，被调参数变化激烈（如流量调节系统），为防

48、止这种低惯性对象的超调和振荡，可以采用反微分器。反微分器在调节系统中是根据被调参数的变化速度起延迟调节作用的。我们主要介绍正微分器。 2正微分器的构成原理 图523是膜片式正微分器的结构原理图。它由比较部分（G、F气室和微分针阀9）、放大部分（A、B、C、D室及有关膜片）和控制部分（喷嘴11及挡板10）组成。 我们用图524简化原理示意图说明正微分器的动作原理。其动作过程如下： 输入信号p入增加时膜片组向下靠近喷嘴，Dp出急剧增大。此时虽有负反馈进入E室并使膜片组向上，但因为A2=A1/6，所以DP出瞬时值很大。RD与F气室构成节流盲室，如果RD有一定开度，F室压力将随时间逐渐增加，负反馈作用

49、逐渐加强，DP出逐渐减小。过一定时间（由RD开度决定）之后，F室压力PF等于DP出，微分器重新稳定。此时 P入A1=DP出（A1-A2）+DP出A2于是 P入=DP出图523 正微分器结构原理图1排气喷嘴；2恒节流孔；3、4、5、6膜片；7零位弹簧；9微分针阀；10挡板；11喷嘴；12硬芯；13球阀座；14阀杆；15球阀；16锥形弹簧 所以，微分器在稳态时相当于1:1的比例环节。上述输入与输出的关系可用图525的特性曲线表示。当微分器结构一定时，DP出压力的最大值与P入有关。微分作用的强弱借助于微分针阀RD来调整。RD全开微分作用最弱约为3秒；RD全关微分作用最强，约为10分钟。 图524 正

50、微分器原理示意图 图525 微分特性曲线 3正微分器的特性分析 按结构原理画出正微分器的方框图如图526所示。这里直接引用在PI调节单元中分析过的各组成环节的传递函数。图中 C膜片组系统总刚度； K喷嘴挡板机构及功率放大器总放大倍数； TD微分时间常数。图526 膜片式正微分器方框图 微分器整机函数为： 如果设计时保证K足够大，使分母中第二项1，则可将分母中第一项略去。于是 （517）式中 KD=A1/A2称之为微分放大倍数或微分增益。膜片型微分器KD=6。 为了分析DP出与P入的关系，我们给输入端加一个单位阶跃变化量，即 时p入的拉氏变换： 代入整机传递函数（517）式中，并作拉氏反变换 （

51、518）式中 TD微分时间常数； t时间； e常数=2.718； KD微分增益，国产微分器KD=6。 当t=0时，DP出=6 当t=时，DP出=P入=1 当t=TD/KD时，DP出=1+5e1=1+536.8/100 可以用图525的过渡过程曲线表示上述的关系。从曲线中可以看出，在单位阶跃函数作用下，正微分器首先输出一个脉冲，其幅值为P入KD，然后DP出按指数曲线逐渐下降，当t3TD之后可以近似认为DP出达到了稳态值。正微分器达到稳态时DP出=P入。 理论上讲当微分阀全开，即当TD=0时，DP出=P入。正微分器为1:1的比例环节；当微分阀全关，即TD=时，DP出=KDP入，正微分器为放大倍数为

52、KD的比例环节。 三、波纹管式三作用调节单元 波纹管式气动调节单元采用金属波纹管作为比较与反馈元件，按力矩平衡原理工作。所以具有较高的灵敏度和精度，性能稳定。这里仅以比例加微分调节为例，与膜片式调节单元对比。 波纹管式调节器的构成原理与膜片式气动调节器几乎完全相同，仅仅是由于采用不同的元件所以在结构上与调校方法上略有不同。图527 波纹管式三作用调节器结构原理图 波纹式三作用调节单元的结构原理如图527所示。可分为四个部分：比较部分、放大部分、比例加积分反馈部分、微分部分。 （一）比较部分 包括测量波纹管F、给定波纹管G、负反馈波纹管E、正反馈波纹管H以及用弹簧片做支点O的杠杆13。测量、给定

53、以及反馈压力以力矩的形式在杠杆上进行比较并达到平衡。 图528是比较部分的原理图。设pF、pG、pH、pE为进入F、G、H、E各波纹管的压力，AF、AG、AH、AE为各波纹管的有效面积，且AF=AG=AH=AE。 图528 比较部分原理图 若反馈波纹管轴心距支点O的力臂为，测量与给定波纹管轴心距支点O的力臂为，在稳定状态下比较部分的力矩平衡方程式为： （二）放大部分 放大部分包括喷嘴挡板机构和功率放大器。由于喷嘴挡板机构没有加任何改善措施，所以工作段较窄，放大倍数较低，因此必须采用有压力放大作用的功率放大器。值得指出的是：波纹管式三作用调节器的微分部分采用了带文丘利管的负压喷嘴，使微分器的特性

54、有所改善。 （三）比例加积分反馈部分 波纹管式调节器的比例反馈部分与膜片式调节器一样也是由可调气阻Rp，恒气阻Rf以及正反馈波纹管H构成的节流通室，按分压原理实现的，如图529所示。积分部分是由可调气阻RI与J室以及跟踪气室I室构成的。如图530所示。p出经Rp与RI分两路进行正反馈。H室压力pH与p出及pI的关系，可用节流通室特性方程式表示： 图529 比例反馈部分原理图 图530 积分反馈部分原理图 即正反馈波纹管H的压力pH由两部分组成，一部分是p出经节流通室来的比例正反馈作用，另一部分是p出经节流盲室J，再经跟踪器的传递对正反馈波纹管H形成的积分正反馈。 由于积分环节是节流盲室，当积分作用结束时，调节器达到稳定，积分阀前后压力相等，即pJ=pI=p出=pE，此时正反馈波纹管内的压力，根据节流通室特性方程式