热工仪表典型调节方式的分析

周建军

(天津市计量监督检测科学研究院 天津300192)

热工仪表典型调节方式的分析

周建军

(天津市计量监督检测科学研究院 天津300192)

为了保证测量过程稳定，自动化仪表的调节和控制方法十分重要。对热工仪表两种典型调节方法的实现和应用实例进行了分析，对自动调节闭环系统中热工计量调节参数的选择方法提供了依据和借鉴。

热工仪表 调节方式 测量

0 引 言

热工仪表是一种常用的计量仪表，它主要对温度、压力、流量、液位等参数进行检测。为了保证试验、加工、处理等设备中上述参数的稳定，通常由检测、控制、调节环节组成闭环系统。一个典型的自动控制系统主要由被控对象、测量变送装置、调节控制器和执行机构组成。图 1表明各组成部分在系统中所起的作用及信号传递关系。

图1 自动控制系统框图Fig.1 Block diagram of automatic control system

1 双位控制

实现双位控制的调节机构仅有开和关 2个极限位置，而被控参数始终不能稳定在给定值，而是在一段区间内波动(就是给定值附近)，从而形成了2个极限位置的控制形式。

1.1 二位控制工作原理

图2是一个双位液位控制的典型示意图，它由电源、电磁阀、传感器、储罐等构成。

图2 双位液位控制示意图Fig.2 Schematic diagram of double liquid level control

图2说明，当液位低于给定值 Ho时，液面与传感器脱离，此时电路不通，电磁阀全部打开，液体通过电磁阀进入储罐，液位上升；当液位上升到 Ho高度时，传感器发出信号，电路接通，电磁阀关闭，管道内液体停止进入储罐。随着罐内液体的不断流出，导致液位再度下降，当液位降低至 Ho以下时，传感器再次发出信号，电路又被切断，电磁阀又一次全部打开。如此反复循环，液位就可以维持在 Ho附近的一个范围内。

1.2 双位控制过程特点

从双位控制的工作过程如图 3所示，可以看出，当被测控参数(液位)升高并且高于 Ho某一数值(达到 H上)时，调节器才开始动作，电磁阀关闭。如果该参数降低并且低于 Ho某一数值(达到 H下)时，调节器停止动作，电磁阀处于开位状态。在(H上～H下)这段区域内，是双位调节器的不灵敏区，电磁阀可能处于开位，也可能处于关位的状态，这要看在初始条件和参数变动方向的调节规律，不灵敏区窄，变化频率高，反之变化频率就低。

图3 双位控制过程Fig.3 Double control process

1.3 双位控制的特性

通过对双位控制的分析，可以看出它具有结构简单、安装方便、容易实现等特性，但是在这种调节规律下被控参数总是在 Ho附近振荡。因此在品质指标要求不高的工况下，是非常易于采用的。

2 时间比例控制

在双位控制调节方式中，由于调节机构仅有2个极限位置，被控参数始终在 Ho附近振荡，系统无法处于平衡状态。如果能够使阀门开启、关闭的时间与被控参数对给定值的偏差成时间比例的函数关系，控制结果就有可能使输出量等于输入量，从而使被控参数趋于稳定，并使之达到平衡状态。

2.1 时间比例调节的基本原理

时间比例调节是在双位调节的基础上发展起来的，其调节作用仍是借助于控制电路的通断信号来实现。在一个周期时间内，开关接通和断开时间随输入偏差的大小而变化，其接通时间 TN与整个通断周期的比，实际上反映了调节机构的平均输出ρ，如：

式中：TN、TF分别为一个周期中开关通断时间(s)；时间比例控制作用就是指ρ与输入偏差成比例。

图4 时间比例开关动作示意图Fig.4 Schematic diagram of the on-off action of time scale switch

图4是一控温系统时间比例开关动作示意图，其中：温度设定值为 t0，当实际温度 t＝t0(偏差为零)时，一个周期内 TN、TF是相等的(理想状态)，ρ＝0.5，相应地控制控温系统加热功率 P为 50%，当 t＜t0(偏差为负)时，一个周期内 TN＞TF，平均输出ρ＞0.5，相应控温系统加热功率 P＞50%，且负偏差越大，ρ也越大，加热功率就越大。当相反时t＞t0(偏差为正)时，TN＜TF，平均输出ρ＜0.5，加热功率相应被控制，P＜50%。

由以上所述得知：平均输出ρ与输入偏差△t＝t0成比例，从而控制加热功率 P与△t成比例，实现了对控温系统的断续比例控制作用。

2.2 时间比例控制调节特性分析

时间比例方式是一种断续作用的比例控制规律的调节方式，当被控量有偏差时，控制作用能立刻产生与偏差成比例的控制量并予以纠正，因此这种调节规律具有很强的稳定作用。需要着重指出：时间比例调节作用只有在比例带(比例范围)之内才具有时间比例控制作用。在图 4中使ρ做全范围变化时，所需的输入偏差量为：

式中：tmax为仪表量程范围。

我们在这里将δ定义为时间比例调节作用的比例带，△t只有在给定值附近的δ内，调节机构才能实现上述调节作用，在δ以外时，如t＞t2时，ρ为0，加热系统完全停止加热；t＜t1时，ρ为 1，加热系统的加热功率 P恒为 100%，因此这两种情况就不存在比例作用。

同二位式调节机构相比，这种调节方式具有比较好的稳定效果，当偏差变化时，以偏差的大小成比例地输出控制调节量，同时尽量减小范围的量值，加速系统稳定过程。通过分析我们可以得出这种调节方式比较适用于控制准确度较高的自动调节控制系统。

［1］ 施仁，刘文江，郑辑光. 自动化仪表与过程控制[M].北京：电子工业出版社，2009.

［2］ 张子惠. 热工测量与自动控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 谢碧蓉. 热工过程自动控制技术[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

［4］ 国家技术监督局. 数字温度指示调节仪[S]. JJG617-1996. 北京：中国计量出版社，2007.

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