周建軍

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津300192)

熱工儀表典型調(diào)節(jié)方式的分析

周建軍

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津300192)

為了保證測(cè)量過(guò)程穩(wěn)定，自動(dòng)化儀表的調(diào)節(jié)和控制方法十分重要。對(duì)熱工儀表兩種典型調(diào)節(jié)方法的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)中熱工計(jì)量調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇方法提供了依據(jù)和借鑒。

熱工儀表 調(diào)節(jié)方式 測(cè)量

0 引 言

熱工儀表是一種常用的計(jì)量?jī)x表，它主要對(duì)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。為了保證試驗(yàn)、加工、處理等設(shè)備中上述參數(shù)的穩(wěn)定，通常由檢測(cè)、控制、調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成閉環(huán)系統(tǒng)。一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、調(diào)節(jié)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。圖 1表明各組成部分在系統(tǒng)中所起的作用及信號(hào)傳遞關(guān)系。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of automatic control system

1 雙位控制

實(shí)現(xiàn)雙位控制的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)僅有開和關(guān) 2個(gè)極限位置，而被控參數(shù)始終不能穩(wěn)定在給定值，而是在一段區(qū)間內(nèi)波動(dòng)(就是給定值附近)，從而形成了2個(gè)極限位置的控制形式。

1.1 二位控制工作原理

圖2是一個(gè)雙位液位控制的典型示意圖，它由電源、電磁閥、傳感器、儲(chǔ)罐等構(gòu)成。

圖2 雙位液位控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of double liquid level control

圖2說(shuō)明，當(dāng)液位低于給定值 Ho時(shí)，液面與傳感器脫離，此時(shí)電路不通，電磁閥全部打開，液體通過(guò)電磁閥進(jìn)入儲(chǔ)罐，液位上升；當(dāng)液位上升到 Ho高度時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，電路接通，電磁閥關(guān)閉，管道內(nèi)液體停止進(jìn)入儲(chǔ)罐。隨著罐內(nèi)液體的不斷流出，導(dǎo)致液位再度下降，當(dāng)液位降低至 Ho以下時(shí)，傳感器再次發(fā)出信號(hào)，電路又被切斷，電磁閥又一次全部打開。如此反復(fù)循環(huán)，液位就可以維持在 Ho附近的一個(gè)范圍內(nèi)。

1.2 雙位控制過(guò)程特點(diǎn)

從雙位控制的工作過(guò)程如圖 3所示，可以看出，當(dāng)被測(cè)控參數(shù)(液位)升高并且高于 Ho某一數(shù)值(達(dá)到 H上)時(shí)，調(diào)節(jié)器才開始動(dòng)作，電磁閥關(guān)閉。如果該參數(shù)降低并且低于 Ho某一數(shù)值(達(dá)到 H下)時(shí)，調(diào)節(jié)器停止動(dòng)作，電磁閥處于開位狀態(tài)。在(H上～H下)這段區(qū)域內(nèi)，是雙位調(diào)節(jié)器的不靈敏區(qū)，電磁閥可能處于開位，也可能處于關(guān)位的狀態(tài)，這要看在初始條件和參數(shù)變動(dòng)方向的調(diào)節(jié)規(guī)律，不靈敏區(qū)窄，變化頻率高，反之變化頻率就低。

圖3 雙位控制過(guò)程Fig.3 Double control process

1.3 雙位控制的特性

通過(guò)對(duì)雙位控制的分析，可以看出它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、容易實(shí)現(xiàn)等特性，但是在這種調(diào)節(jié)規(guī)律下被控參數(shù)總是在 Ho附近振蕩。因此在品質(zhì)指標(biāo)要求不高的工況下，是非常易于采用的。

2 時(shí)間比例控制

在雙位控制調(diào)節(jié)方式中，由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)僅有2個(gè)極限位置，被控參數(shù)始終在 Ho附近振蕩，系統(tǒng)無(wú)法處于平衡狀態(tài)。如果能夠使閥門開啟、關(guān)閉的時(shí)間與被控參數(shù)對(duì)給定值的偏差成時(shí)間比例的函數(shù)關(guān)系，控制結(jié)果就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被控參數(shù)趨于穩(wěn)定，并使之達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.1 時(shí)間比例調(diào)節(jié)的基本原理

時(shí)間比例調(diào)節(jié)是在雙位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其調(diào)節(jié)作用仍是借助于控制電路的通斷信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，開關(guān)接通和斷開時(shí)間隨輸入偏差的大小而變化，其接通時(shí)間 TN與整個(gè)通斷周期的比，實(shí)際上反映了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的平均輸出ρ，如：

式中：TN、TF分別為一個(gè)周期中開關(guān)通斷時(shí)間(s)；時(shí)間比例控制作用就是指ρ與輸入偏差成比例。

圖4 時(shí)間比例開關(guān)動(dòng)作示意圖Fig.4 Schematic diagram of the on-off action of time scale switch

圖4是一控溫系統(tǒng)時(shí)間比例開關(guān)動(dòng)作示意圖，其中：溫度設(shè)定值為 t0，當(dāng)實(shí)際溫度 t＝t0(偏差為零)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi) TN、TF是相等的(理想狀態(tài))，ρ＝0.5，相應(yīng)地控制控溫系統(tǒng)加熱功率 P為 50%，當(dāng) t＜t0(偏差為負(fù))時(shí)，一個(gè)周期內(nèi) TN＞TF，平均輸出ρ＞0.5，相應(yīng)控溫系統(tǒng)加熱功率 P＞50%，且負(fù)偏差越大，ρ也越大，加熱功率就越大。當(dāng)相反時(shí)t＞t0(偏差為正)時(shí)，TN＜TF，平均輸出ρ＜0.5，加熱功率相應(yīng)被控制，P＜50%。

由以上所述得知：平均輸出ρ與輸入偏差△t＝t0成比例，從而控制加熱功率 P與△t成比例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控溫系統(tǒng)的斷續(xù)比例控制作用。

2.2 時(shí)間比例控制調(diào)節(jié)特性分析

時(shí)間比例方式是一種斷續(xù)作用的比例控制規(guī)律的調(diào)節(jié)方式，當(dāng)被控量有偏差時(shí)，控制作用能立刻產(chǎn)生與偏差成比例的控制量并予以糾正，因此這種調(diào)節(jié)規(guī)律具有很強(qiáng)的穩(wěn)定作用。需要著重指出：時(shí)間比例調(diào)節(jié)作用只有在比例帶(比例范圍)之內(nèi)才具有時(shí)間比例控制作用。在圖 4中使ρ做全范圍變化時(shí)，所需的輸入偏差量為：

式中：tmax為儀表量程范圍。

我們?cè)谶@里將δ定義為時(shí)間比例調(diào)節(jié)作用的比例帶，△t只有在給定值附近的δ內(nèi)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)作用，在δ以外時(shí)，如t＞t2時(shí)，ρ為0，加熱系統(tǒng)完全停止加熱；t＜t1時(shí)，ρ為 1，加熱系統(tǒng)的加熱功率 P恒為 100%，因此這兩種情況就不存在比例作用。

同二位式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比，這種調(diào)節(jié)方式具有比較好的穩(wěn)定效果，當(dāng)偏差變化時(shí)，以偏差的大小成比例地輸出控制調(diào)節(jié)量，同時(shí)盡量減小范圍的量值，加速系統(tǒng)穩(wěn)定過(guò)程。通過(guò)分析我們可以得出這種調(diào)節(jié)方式比較適用于控制準(zhǔn)確度較高的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

［1］ 施仁，劉文江，鄭輯光. 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張子惠. 熱工測(cè)量與自動(dòng)控制[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］ 謝碧蓉. 熱工過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2007.

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Analysis on Typical Regulating Methods for Thermal Instruments

ZHOU Jianjun
(Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China)

Regulation and controlling of automation instruments play an important role in safeguarding the stability of measurement process. The paper discussed the realization of two typical regulating methods used in thermal instruments and analyzed the application examples，aiming to provide the basis and reference for the selection of thermal measurement parameters in an automatic regulated closed-loop system.

thermal instruments；regulating methods；measurement

TH811

A

1006-8945(2014)07-0060-02

2014-06-07