化工儀表及其自動化

1、第一章 自動控制系統(tǒng)基本概念,第一節(jié) 化工自動化的主要內(nèi)容,第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成,第三節(jié) 工藝管道及控制流程圖,第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)方塊圖,第五節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類,第六節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標,復(fù)習(xí),第一節(jié) 化工自動化的主要內(nèi)容,1、自動檢測系統(tǒng),2、自動信號和連鎖保護系統(tǒng),3、自動操縱及開停車系統(tǒng),4、自動控制系統(tǒng),第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成,一 控制的目的與要求,二 舉例說明自動控制系統(tǒng)的組成

2、,抑制外界擾動的影響，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化。,第三節(jié) 工藝管道及控制流程圖,在化工控制流程圖中，一般以細實線圓圈來表示儀表；圓圈內(nèi)寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。,在檢測、控制系統(tǒng)中，構(gòu)成回路的每個儀表都有自己的儀表位號。儀表位號由字母代號和數(shù)字編號兩部分組成。如,三 系統(tǒng)中常用術(shù)語 被控對象、被控變量、操縱變量、擾動、設(shè)定值、偏差,第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)方

3、塊圖,定義：描述系統(tǒng)各組成元、部件之間信號傳遞關(guān)系的圖形。,第五節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類,一 開環(huán)控制系統(tǒng) 定義：輸入量對輸出量只有順向影響， 而輸出對輸入無影響。 　1、按設(shè)定值進行控制 2、按擾動進行控制即前饋控制,二 閉環(huán)控制系統(tǒng),1、定義:不僅輸入對輸出有順向影響，且輸出對輸入有反向影響。,反饋：把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)回送到輸入端的做法叫反饋。,自動控制系統(tǒng)是具有被

4、控變量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。,它是按偏差進行控制的。,2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的類型定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng),3、閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)的概念,4、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較（精度、穩(wěn)定性、抗干擾..),三 復(fù)合控制系統(tǒng),前饋-反饋控制系統(tǒng),第六節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標,1、靜態(tài),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài),2、動態(tài),前饋控制的優(yōu)點是及時克服主要擾動對被控變量的影響。反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點是檢查控制效果，克服其它擾動。兩者組合在一起

5、，可提高控制質(zhì)量。,1、定義：由于干擾或設(shè)定的作用，使系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。,二、控制系統(tǒng)的過渡過程,2、系統(tǒng)過渡過程的分析方法：,常選階躍擾動對系統(tǒng)的過渡過程進行分析。,,,t0,選擇原因：1)因為階躍擾動比較突然，比較危險，對被控變量的影響最大，如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這類干擾，那么對其它比較緩和的干擾也一定能很好的克服。2）在生產(chǎn)過程中，階躍擾動最為多見。3）這種干擾形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗

6、和計算。,3、階躍擾動下系統(tǒng)的過渡過程　　1)發(fā)散的過渡過程,具有這種過渡過程的控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)要求，　　2）衰減的過渡過程,是我們所需要的,3）等幅振蕩的過渡過程　　允許被控變量在一定范圍內(nèi)變化時才采用。,三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標,定值系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線,1、余差（靜態(tài)偏差）C反映控制準確性的一個指標,2、衰減比n（或衰減率φ）,B1:B2= n (或 ),衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標3、最大偏差A(yù)，超調(diào)

7、量,描述被控變量偏離給定值的最大程度的物理量,4、過渡過程時間ts和振蕩頻率ω,反映控制快速性的指標,5、上升時間tp，周期T,第二章 被控對象的數(shù)學(xué)模型,第一節(jié) 化工對象的特點及其描述方法,第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù),第三節(jié) 對象數(shù)學(xué)模型的建立,第四節(jié) 對象特性的實驗測取,二、描述對象特性的方法,第一節(jié) 化工對象的特點及其描述方法,一、概念：,1、描述對象輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式,2、描述對象在一定形式輸入作用下的輸出數(shù)據(jù)或

8、曲線,當以階躍信號作為輸入量時，其響應(yīng)曲線主要類型有⑴ 有自衡的非振蕩過程；⑵ 無自衡的非振蕩過程；,被控對象的數(shù)學(xué)模型是指對象在各輸入量（控制量和擾動量）的作用下，其相應(yīng)輸出量（被控變量）變化的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達式。,,第二節(jié) 描述對象特性的參數(shù),一、放大系數(shù)K,1.定義,2.對系統(tǒng)的影響,A 控制通道 K應(yīng)適當大一些,以使控制作用顯著。,B 擾動通道,對擾動通道Kf×Δf 應(yīng)小些，以使被控變量偏離設(shè)定值小些，以

9、利于控制。,2.對系統(tǒng)的影響,二、時間常數(shù)T,A 控制通道,T 太大、太小在控制上都存在一定困難，所以需根據(jù)實際情況適中考慮。,1.定義,4.對系統(tǒng)的影響,三、時滯τ,2.純滯后 3.容量滯后,A 控制通道,B 擾動通道,B 擾動通道,時間常數(shù) T大些有一定的好處，這相當于將擾動信號進行濾波。,滯后的存在不利于控制,擾動通道存在純滯后，對控制系統(tǒng)的品質(zhì)無影響；擾動通道存在容量滯后，對系統(tǒng)是有利的。,1.定義,第三節(jié) 對象數(shù)學(xué)模型的建

10、立,一、有自衡對象的數(shù)學(xué)模型,㈠ 一階對象（單容對象）,+△q1,+△h,+△q2,根據(jù)平衡關(guān)系有：對象物料儲存量的變化率 = 單位時間流入對象的物料變化量—單位時間流出對象的物料變化量,=Δq1-Δq2,①,②,其中T=RA，K=R,（t-τ),㈡ 二階對象（雙容對象）,②,③,④,①,二階對象,一階對象,二、無自衡對象的數(shù)學(xué)模型,第四節(jié) 對象特性的實驗測取,所謂對象特性的實驗測取，就是在我們所要研究的被控對象上，人為的施加一個干擾

11、作用(輸入量)，然后用儀表測量和記錄對象的輸出量隨時間而變化的規(guī)律，可得到表征對象特性的一些數(shù)據(jù)和曲線，而后對這些數(shù)據(jù)或曲線進行分析整理，可得描述對象特性的數(shù)學(xué)表達式。,當對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在對象的輸入端施加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄對象輸出量隨時間變化的數(shù)值，即可得到輸出量隨時間而變化的曲線（即所謂反應(yīng)曲線或飛升曲線），這種方法稱為階躍響應(yīng)曲線法。,一、階躍擾動法（階躍響應(yīng)曲線法）,用階躍響應(yīng)曲線法來測取對象動態(tài)特性的原因：

12、⑴階躍響應(yīng)曲線能直觀、完全的描述被控對象的動態(tài)特性。⑵實驗測試方法易于實現(xiàn)，只要使閥門開度作一突然改變即可（如流量），不需要特殊的信號發(fā)生器。⑶輸出參數(shù)的變化過程可利用原來的儀表記錄下來，測試工作量不大，數(shù)據(jù)處理也比較方便，所以廣泛應(yīng)用。,實驗時必須注意： ⑴合理選擇階躍擾動量。通常取階躍信號值為正常輸入信號的5～15%。 ⑵試驗應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)作幾次，需獲得兩次以上比較接近的響應(yīng)曲線，減少干擾的影響。⑶實驗應(yīng)在階躍信號

13、作正、反方向變化時分別測得其響應(yīng)曲線，以檢驗被控對象的非線性程度。 ⑷在實驗前即在輸入階躍信號前，被控對象須處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 ⑸測試和記錄工作應(yīng)該持續(xù)進行到輸出量達到新穩(wěn)態(tài)值為止。,其缺點是：對象在階躍信號作用下，從不穩(wěn)定到穩(wěn)定一般所需時間較長，在這段時間內(nèi)對象不可避免的要受到許多其它干擾的影響，使測試精度受到限制；為提高精度就須加大輸入作用幅值，這就意味著對正常生產(chǎn)的影響增加，工藝上往往是不允許的。 所以對于有些不允許長時

14、間偏離正常操作條件的被控對象，及階躍信號幅值受生產(chǎn)條件限制而影響對象的模型精度時，可用矩形脈沖信號作為對象的輸入信號，其響應(yīng)曲線為矩形脈沖響應(yīng)曲線,,二、矩形脈沖法（矩形脈沖響應(yīng)曲線法）,y(t),,x1(t),x2(t),,,,,,a,2a,3a,4a,設(shè)被控對象為線性，則y*(t) = y(t) - y(t-a) 或 y(t) = y*(t) + y(t-a),t=0 ～ a時，y(a)=y*(a)；t=a～2a時，y(2

15、a)= y*(2a)+y(a)；,2. 優(yōu)點：用矩形脈沖干擾來測取對象的特性時，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間后便被除去，使對象的輸出量不致長時間偏離給定值，對生產(chǎn)影響較?。灰虼烁蓴_的幅值可取的比較大，以提高實驗精度。,,,B,A,在對象輸入階躍信號x0的瞬時，其響應(yīng)曲線的斜率最大，以后逐漸減小，直到新的穩(wěn)態(tài)值。此時對象的數(shù)學(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似，即：,其參數(shù)求法為：,（1）對象的靜態(tài)放大系數(shù)K,1.確定一階慣性環(huán)節(jié)的參數(shù),或,

16、三、由階躍響應(yīng)曲線辨識被控對象的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)放大系數(shù)的定義有：,（2）對象的時間常數(shù)T,方法一：根據(jù)T的定義，當響應(yīng)曲線達到63.2%﹝y(∞)-y(0)﹞時所需時間。,,在對象輸入階躍信號的瞬時，其響應(yīng)曲線的斜率為0，之后逐漸增大，最后又逐漸減小，達到穩(wěn)態(tài)值時曲線呈S形，此時對象的數(shù)學(xué)模型可用有時滯的一階環(huán)節(jié)來近似，即：,2. 確定有時滯的一階環(huán)節(jié)的參數(shù),,（1）K可用式①求得（2）T、τ的求法方法一：過響應(yīng)曲線的拐點P作曲線的

17、切線，交時間軸于點B，交y(∞)于點A，A在時間軸的投影為C，則OB為對象的τ ,BC為對象的T 。方法二：當拐點不易確定時，可取階躍響應(yīng)曲線最終穩(wěn)態(tài)值的28%和63%所對應(yīng)的時間為t1和t2，按下式計算τ與T：,｛,,,B,C,A,P,或,,,當階躍響應(yīng)曲線開始時變化速度較慢，后來才等速上升，此時其數(shù)學(xué)模型可用有時滯的積分環(huán)節(jié)來近似，即:,當階躍響應(yīng)曲線為一條等速變化的直線時，對象的數(shù)學(xué)模型可用積分環(huán)節(jié)來描述，即：

18、此時積分時間常數(shù),求參數(shù)時，在階躍響應(yīng)曲線上作其變化速度最大處的切線，交時間軸于A點，則OA為滯后時間τ，,,A,α,3.確定積分環(huán)節(jié)的參數(shù),4.確定有時滯的積分環(huán)節(jié)的參數(shù),或,或,,5.確定有純滯后，一階和積分環(huán)節(jié)的參數(shù),參數(shù)確定方法：作響應(yīng)曲線的漸近線，交時間軸于B點，OA為純滯后時間τ0;AB為時間常數(shù)T;積分時間Ta= x0/tgα 。,,α,B,,或,第三章 檢測儀表與傳感器,第一節(jié) 自動檢測儀表的原理性組成,第二節(jié) 儀

19、表的性能指標,第三節(jié) 壓力檢測及儀表,第四節(jié) 流量檢測及儀表,第五節(jié) 物位檢測及儀表,第六節(jié) 溫度檢測及儀表,第一節(jié) 自動檢測儀表的原理性組成,從其各部分作用入手來剖析儀表的原理性組成，,一、傳感器,它的作用是感受被測參數(shù)的變化并發(fā)出與之相適應(yīng)的信號,要求具有高準確性、高穩(wěn)定性、高靈敏性,它的作用是直接將傳感器（一次儀表）發(fā)出的信號，按規(guī)定的規(guī)范要求傳輸給顯示器（二次儀表）。按其作用的不同，分為三種：（一）單純的傳遞作用（二）按比例

20、傳遞（三）信號形式的轉(zhuǎn)換,二、中間部件,三、顯示器,它的功能是將來自傳感器的信號，以所需形式向觀察者反映被測參數(shù)的數(shù)量變化。它的形式有：（一）指示式儀表（二）記錄式儀表（三）積算式儀表 （四）信號式儀表（五）調(diào)節(jié)式儀表,第二節(jié) 儀表的性能指標,（一）讀數(shù)誤差 儀表讀數(shù)誤差是讀數(shù)與標準測量值之差，即: △ = M-A,﹪,讀數(shù)的相對誤差,（二）儀表誤差,在測量標尺范圍內(nèi)，各讀數(shù)誤差的最大值，定義為儀表的絕對誤差。 △m,﹪,儀表

21、的相對誤差,（三）基本誤差、允許誤差和精度等級　　1、儀表的基本誤差：指在儀表制造廠保證的條件下，儀表的相對誤差。,3、儀表精度等級：是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差的大小劃分成的等級?！　x表的精度等級在數(shù)值上為儀表的允許誤差去掉“±”號及“％”號后的數(shù)值。,2、允許誤差：是國家標準規(guī)定的，即指在標準條件下使用時，儀表所應(yīng)滿足的相對誤差。　　注意：基本誤差必須與允許誤差相一致。,（四）儀表的靈敏度與刻度分格標準,儀表指針的線

22、位移或角位移△α與引起此位移的被,儀表的變差不應(yīng)超過儀表的允許誤差。,（六）線性度(非線性誤差),（即用實際測得的輸入－輸出特性曲線與理論直線之間的最大偏差和測量儀表量程之比的百分數(shù)來表示）,測參數(shù)的變化△X之比即為儀表靈敏度，即,（五）指示變差：指在外界條件不變時，使用同一儀表對相同的被測參數(shù)值進行正、反行程測量時，其所得到的儀表指示值是不相等的，兩者之差稱為儀表在此讀數(shù),點的指示變差。,﹪,,,,,（七）反應(yīng)時間：它反應(yīng)了儀表動

23、態(tài)特性的好壞。,三、工業(yè)儀表的分類,第三節(jié) 壓力檢測及儀表,一、壓力單位及測壓儀表,按照轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類:1.液柱式壓力計 2.彈性式壓力計 3.電氣式壓力計 4.活塞式壓力計,2、按信息的獲取、傳遞、反映和處理的過程來分類。,3、按儀表的組成形式來分：基地式儀表、單元組合式儀表。,1、按儀表使用的能源來分：氣動儀表、電動 儀表、液動儀表。,二、彈性式壓力計　　彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)壓力的

24、作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。,1.彈性元件,（1）彈簧管式彈性元件,（2）薄膜式彈性元件,（3）波紋管式彈性元件,2.彈簧管壓力表,三、電氣式壓力計,1.霍爾片式壓力傳感器　　霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢，從而實現(xiàn)壓力的測量。UH=RHBI,3.壓阻式壓力傳感器:是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成的。,4.力矩平衡式壓力變送器：是根據(jù)力矩平

25、衡原理工的。有電動和氣動兩種。它們都由測量部分和轉(zhuǎn)換部分組成。,5.電容式壓力變送器：是利用中心感應(yīng)膜片和兩邊弧形固定電極形成的二個電容器，將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后進行測量的。,2.應(yīng)變片式壓力傳感器：是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的。,四、壓力計的選用 （1）儀表類型的選用；（2）儀表測量范圍的確定；（3）儀表精度等級的選取;,第四節(jié) 流量檢測及儀表,第五節(jié) 物位檢測及儀表,測量物位的儀表種類很多,一、 概述　　物

26、位測量指對液體液位的測量，固體或顆粒狀物質(zhì)料位的測量及對兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的測量。,二、差壓式物位計：基于靜力學(xué)原理，利用液位變化引起壓差變化的原理而工作。,1、液位測量,2、液體分界面的測量,三、電容式物位計,電容器的極板間充以不同介質(zhì)時，電容量的大小也有所不同。,,四、核輻射物位計,利用核輻射射線的透射強度隨介質(zhì)層厚度的變化而變化的原理進行測量，即射線的透射強度隨著介質(zhì)層厚度增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，關(guān)系為穿過介質(zhì)后的射線強度I

27、=入射強度I0 * ，,五、稱重式液罐計量儀,第六節(jié) 溫度檢測及儀表,一、測溫儀表的分類　　按測量方式不同,分為接觸式與非接觸式兩類。接觸式測溫利用熱交換原理,非接觸式測溫利用熱輻射原理。,三、熱電偶溫度計　　熱電偶溫度計是基于熱電效應(yīng)原理來測量溫度的。,二、溫度測量的基本原理　　溫度參數(shù)是不能直接測量的，一般只能根據(jù)物質(zhì)的某些特性值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，來實現(xiàn)間接測量。溫度測量的基本原理與這些特性值的選擇密切相關(guān)

28、。,1、熱電偶 它是由兩種不同材料的導(dǎo)體A和B焊接而成。焊接的一端插入被測介質(zhì)中，感受被測溫度，稱為熱電偶的工作端或熱端，另一端與導(dǎo)線連接，稱為冷端或自由端。,(1)熱電現(xiàn)象及測溫原理,熱電現(xiàn)象,則此閉合回路的總熱電勢E（t,t0）為： E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0),熱電偶構(gòu)成條件：兩種不同材料的導(dǎo)體；兩接點溫度不相同，,在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)線對原產(chǎn)生的熱電勢數(shù)值并無影響，不過必須保證引入線兩端的

29、溫度相同。,（2）插入第三種導(dǎo)線的問題,2、補償導(dǎo)線的選用 為什么要采用補償導(dǎo)線采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶冷端延伸出來，此導(dǎo)線為“補償導(dǎo)線”。,由于不同熱電偶所用補償導(dǎo)線不同，在使用補償導(dǎo)線時，注意型號相配，極性不能接錯，熱電偶與補償導(dǎo)線連接端所處的溫度不應(yīng)超過100℃。,（1）冷端溫度保持為0℃的方法,（2）冷端溫度修正的方法,E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0),3、冷端溫度補償,（3）校正儀表機械零點法

30、,（4）補償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢補償熱電偶因冷端溫度變化引起的熱電勢變化值。,（5）補償熱電偶法P85,四、熱電阻溫度計,熱電阻溫度計由熱電阻、顯示儀表以及連接導(dǎo)線組成，其連接導(dǎo)線采用三線制接法。,1、熱電阻 是測溫（感溫）元件。,（1）測溫原理 利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量?！　〗饘賹?dǎo)體都具有正的溫度系數(shù)，其阻值與溫度關(guān)系為：Rt=Rt0〔1+α(t-t0)〕（α為電阻溫度系數(shù)）

31、 即△Rt=αRt0 *△t,工業(yè)上常用的鉑熱電阻有R0＝10Ω、R0＝100Ω 它們的分度號分別為Pt10、Pt100 。,①鉑熱電阻 在0℃～650℃范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為： （Rt0為0℃時電阻值）,（2）常用熱電阻,（3）熱電阻結(jié)構(gòu),②銅熱電阻 在-50℃～+150℃的范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關(guān)系是線性的，即Rt=Rt0〔1+α(t-t0)〕,工業(yè)上常用的銅熱

32、電阻有R0＝50Ω和R0＝100Ω兩種，分度號分別為 Cu50和 Cu100。,DBW—Ⅱ主要由輸入回路（測量橋路）和電壓—電流轉(zhuǎn)換器兩部分組成。輸入回路將熱電偶產(chǎn)生的電勢或熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，電壓—電流轉(zhuǎn)換器又將,五、（DBW）電動溫度變送器,此電壓信號轉(zhuǎn)換成一一對應(yīng)的0—10mA的直流電流信號。,（一）輸入回路 　　DBW的輸入回路實際上是一個直流不平衡橋路，按測溫元件的不同可分為熱電偶、熱電阻、熱電偶溫差、熱電阻溫

33、差橋路和直流毫伏測量橋路五種（只要改變接線端子的連接方式就能組成各種測量橋路）。,1、熱電偶溫度測量 橋路,U=UAL=ET+UBL =ET+RCuI1-Rw2I2,（1）自動補償由于冷端溫度變化而引起的測量誤差,（2）實現(xiàn)零點調(diào)整和遷移,（3）對儀表作定值檢查,UAL=ETH-ETL+I1R-I2Rw2,2、熱電偶溫差測量橋路,作用是：把熱電阻的阻值變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的毫伏電壓信號，實現(xiàn)零點遷移并送出一個固定數(shù)值的電壓來

34、對儀表進行定值檢查。,3、熱電阻溫度測量橋路,U=I1Rt-I2Rw2,為克服導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻采用三線制接法，即在W2橋路中也串入一條與Rt橋臂中相同粗細，相同長度，相同材料的連接線，且二橋臂電流相等，所以在二橋臂中兩根連接導(dǎo)線上產(chǎn)生的壓降相等，從而相互抵消。,,,,,,U=I1 RtH -I2 RtL -I2RW2只要保證接線長度相等即可，無需采用三線制,4、熱電阻溫差測量橋路,（二）電壓—電流轉(zhuǎn)換器,I0=U/Rf,六、測溫

35、元件的選用及安裝 p91,第四章 顯示儀表,第二節(jié) 自動電子電位差計,第三節(jié) 自動電子平衡電橋,第一節(jié) 動圈式顯示儀表,一、測量機構(gòu)及作用原理,二、XCZ—101型動圈式儀表,R外=15Ω,動圈式儀表實質(zhì)上是一種測量電流的儀表 。,被測參數(shù),,檢測元件,E或R,,測量電路,動圈I(微安),指針,,指示,配熱電偶,1、外接調(diào)整電阻,2、動圈的溫度補償,串一熱敏電阻Rt，用錳銅絲繞制的R并和Rt并聯(lián)，還串入一恒定R串。,三、XCZ—102

36、型動圈式儀表,配熱電阻,1、不平衡電橋,2、三線制,3、外接調(diào)整電阻,4、穩(wěn)壓電源,R1=5Ω。,五、缺點①屬開環(huán)式儀表； ②由于是測量電流的儀表，因此能引起電流變化的各種干擾因素都會導(dǎo)致測量誤差；③它的可動部分易損壞，怕震動和阻尼時間較長，且不便于實現(xiàn)自動記錄。,四、動圈式儀表使用中注意的問題,第一節(jié) 自動電子電位差計,電子電位差計是用來測量電壓信號的，凡是能轉(zhuǎn)換成電壓的工藝變量都能用它來測量。,一、工作原理 電子電位差計

37、是根據(jù)“電壓補償原理”工作的。,這種用已知電壓來補償未知電壓，使測量線路中電流等于0的測壓方法稱為“電壓補償法”。用這種方法測量電壓比較精確，因為沒有電流通過測量線路，也就不存在線路電阻影響問題。,放大器的輸入電壓UCE=UCD-Ux=UCF+UFB-UDB-Ux,二、測量橋路中各電阻的作用,1、起始電阻RG,2、量程電阻RM,3、上支路限流電阻R4,4、下支路限流電阻R3,5、冷端溫度補償電阻R2,第三節(jié) 自動電子平衡電橋,自動電子電

38、位差計與自動電子平衡電橋的比較,第五章 自動控制儀表,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 比例控制,第三節(jié) 比例積分控制,第四節(jié) 微分控制,第五節(jié) 模擬式控制器,第六節(jié) 可編程序控制器,△p(t)=Kpe(t),一、比例控制規(guī)律及特點,二、積分控制規(guī)律及特點,三、比例積分控制規(guī)律,,比例度δ,四、微分規(guī)律及特點,五、PID控制器,,第二節(jié) 比例控制(P),控制器的輸出變化量與輸入偏差成正比，在時間上沒有延滯。圖為階躍偏差作用下，比例控制器的開環(huán)輸出

39、特性。,△p(t)=Kpe(t),一、比例控制規(guī)律及特點,Kp是衡量比例作用強弱的物理量。,,二、比例度 所謂比例度就是指控制器輸入的相對變化量與相應(yīng)的輸出的相對變化量之比的百分數(shù)，即：,％,三、比例作用及δ對系統(tǒng)過渡過程的影響1、在擾動及設(shè)定值變化時有余差存在,,2、比例度δ越大，過渡過程的曲線越平穩(wěn)，隨著比例度的減小，余差逐漸減小,但系統(tǒng)的振蕩程度加劇，當δ繼續(xù)減小到某一數(shù)值，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩。P117圖5-8,在基本控制

40、規(guī)律中，比例控制規(guī)律是最基本、最主要、最普遍的控制規(guī)律。它能較為迅速地克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快的穩(wěn)定下來。比例控制規(guī)律通常適用于擾動幅度較小，負荷變化不大，過程滯后較小和控制要求不高,允許有余差的場合。,第三節(jié) 比例積分控制(PI)一、積分控制規(guī)律1.當控制器的輸出變化量△p與輸入偏差e的積分成比例時，就是積分控制規(guī)律。,(KI為積分速度),可見，具有積分控制的控制器，其輸出信號的大小不僅與偏差的大小有關(guān)，而且還取決于偏差存在的時

41、間長短。,2.在幅值為A的階躍偏差作用下，積分控制器的開環(huán)輸出特性，如圖：,3. 積分控制作用總是滯后于偏差的存在，不能及時有效地克服擾動的影響，波動較大，難以使控制系統(tǒng)較快穩(wěn)定下來，因而生產(chǎn)上都是將比例作用與積分作用組合成比例積分控制規(guī)律來使用。,二、比例積分控制規(guī)律1.比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：,在PI控制器中經(jīng)常采用積分時間常數(shù)TI來表示積分速度KI的大小，在數(shù)值上有TI =1/

42、KI,則（1）式可寫為：,（1）,,（2）,,,TI增大,2.在階躍偏差作用下，比例積分控制器的開環(huán)輸出特性,TI是描述積分作用強弱的一個物理量。,3. TI的定義：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達到兩倍比例輸出時,所經(jīng)歷的時間。,三、積分作用及積分時間TI對系統(tǒng)過渡過程的影響 p118圖,引入積分作用后消除了偏差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,比例積分控制規(guī)律通常適用于擾動幅度較小，負荷變化不大，過程滯后較小和控制要求較高,不允許有余差的

43、場合。,四、積分飽和 此現(xiàn)象是具有積分作用的控制器的特殊問題（PI和PID控制器）。當某一極性的偏差持續(xù)存在時，控制器輸出將會達到上、下限值，以后即使偏差減小，控制器的輸出仍維持在極限值，控制閥仍處在全關(guān)或全開的極限位置，直到偏差改變極性，輸出才發(fā)生變化，從而閥門開度也發(fā)生變化。這種由于積分作用而使輸出長期處于極限值的現(xiàn)象稱為積分飽和。,,解決積分飽和的常用方法是使控制器實現(xiàn)PI-P的控制規(guī)律。,一、微分規(guī)律及特點,第四節(jié) 微分

44、控制(D),從公式可知，偏差變化的速度越大，則控制器的輸出變化也越大，D作用越強，反之亦然;對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分作用的輸出總為零，即微分作用對恒定不變的偏差沒有克服能力，這就是微分作用的特點。微分作用有一種“超前”性質(zhì)。只要被控參數(shù)有變化的趨勢，通過微分作用就會阻止被控參數(shù)發(fā)生變化，使其穩(wěn)定在給定值附近，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小被控參數(shù)的波動幅度，并降低余差。,,1.理想的微分控制規(guī)律，輸出的大小與偏差的變化速度呈正

45、比，,2.階躍信號下微分控制器的輸出,三、比例微分控制器,四、PID控制器,在階躍輸入下，開始時D作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度變化，產(chǎn)生一“超前”控制作用；然后微分作用逐漸消失，積分輸出逐漸占主要地位，只要有余差，I作用不斷增加，進行“細調(diào)”，直至余差完全消失，I作用停止；而PID的輸出中，P是自始至終與偏差相對立，一直是最基本的控制作用。,一般來說，當對象滯后較大，負荷變化較快，不允許有余差的情況下，可采用PID控制器。,液位

46、：一般要求不高，用P或PI 。流量：時間常數(shù)小，測量信息中含有噪音，用PI或加反微分控制。壓力 ：介質(zhì)為液體的時間常數(shù)小，介質(zhì)為氣體的時間常數(shù)中等，用P或PI。溫度：容量滯后較大，用PID。,,第五節(jié) 模擬式控制器,一、基本構(gòu)成原理及部件,二、氣動控制器,它信號傳送慢、滯后大，不易與計算機聯(lián)用，故近年來使用較少。,三、電動控制器,電動單元組合儀表是以電為能源的儀表。它已經(jīng)歷了：DDZ-Ⅰ型 電子管為基本放大元件

47、，笨重、易燃易爆。DDZ-Ⅱ型 晶體管為基本放大元件，采用220V交流電源，各單元間以0～10mADC統(tǒng)一聯(lián)絡(luò)信號，信號傳輸是電流傳送—電流接收的串聯(lián)制形式。DDZ-Ⅲ型 線性集成電路為主，采用24VDC電源，以4～20mADC為現(xiàn)場傳輸信號，以1～5VDC為控制室聯(lián)絡(luò)信號。,（一）.DDZ-Ⅲ型控制器的特點,,,,指示單元,控制單元,,,(1).輸入電路能實現(xiàn)給定信號VS與測量信號Vi的相減運算，得到被放大兩倍的偏差信號V01。

48、 (2).采用了電平移動，將兩個以零伏為基準的輸入信號轉(zhuǎn)換成以VB=10V為基準的輸出信號V01，滿足了運算放大器共模電壓的范圍要求。 (3).輸入電路采用差動輸入方法，避免了導(dǎo)線電阻和公共電源地線上出現(xiàn)電壓降帶來的誤差。,V01=2(VS-Vi),輸入電路實際上是偏差差動電平移動電路。,(二).控制器各組成部分的原理1.輸入電路,2.PD電路,對輸入電路的輸出信號以VB =10V為基準的1～5VDC 的V01進行PD運算，輸出以1

49、0V電平為基準的1～5V電壓V02作為PI電路的輸入信號。,3.PI電路,PI電路接受以10V電平為基準的PD的輸出V02，對其進行PI運算后輸出以10V電平為基準的1～5V電壓V03送至輸出電路。,4.輸出電路 輸出電路將PI電路以VB =10V為基準的1～5VDC輸出信號轉(zhuǎn)換為以0V為基準的4～20mADC的信號,送往執(zhí)行器。,輸出電路是一個電平移動的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,作用是把OV為基準的1-5V測量信號轉(zhuǎn)換成以VB為基準

50、的1-5mA的電流信號,用滿偏轉(zhuǎn)為5mA的電流表指示。,5.指示電路,第六章 執(zhí)行器,第一節(jié) 氣動薄膜執(zhí)行器,第二節(jié) 控制閥的流量特性,第三節(jié) 控制閥的選擇與計算,第四節(jié) 閥門定位器與電—氣轉(zhuǎn)換器,,第六章 執(zhí)行器,執(zhí)行器按使用能源可分為氣動、電動、液動三大類。,,氣動執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作平穩(wěn)可靠，本質(zhì)安全防爆等優(yōu)點，在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。電動執(zhí)行器的優(yōu)點是使用能源方便，信號傳輸速度快，距離遠；缺點

51、是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推力小，價格貴，適用于防爆要求不高及缺乏氣源的場所。液動執(zhí)行器推力最大，但較笨重。,一、氣動執(zhí)行器的組成與分類,二、氣動薄膜執(zhí)行器的結(jié)構(gòu),執(zhí)行機構(gòu),用來產(chǎn)生推力,用來控制介質(zhì)的流量,控制機構(gòu),氣開和氣關(guān)組合方式,三、氣動薄膜控制閥的類型,氣開式是輸入氣壓信號越高，開度越大；而失氣時則全關(guān)。氣關(guān)式是輸入氣壓信號越高，開度越小；而失氣時則全開。,1.直通單座控制閥,,,閥體內(nèi)有一個閥芯和閥座，流體從左側(cè)進入經(jīng)閥芯從右側(cè)流出。它

52、的特點是：（1）.閥關(guān)閉時泄漏量較小，適用于要求泄漏量較小的場合。,（2）.流體作用在閥芯上的不平衡推力較大，因此單座閥適用于壓差較小的場合。,,（3）.穩(wěn)定性較好，自動降壓差，自發(fā)恢復(fù)穩(wěn)定。,2.直通雙座控制 特點與單座閥相反 （1）（2）（3）（4）,3.角形控制閥,4.隔膜控制閥 5.三通控制閥,四、氣動薄膜控制閥的材質(zhì) 一般情況下閥體采用鑄鐵，特殊情況下如高溫、高壓、腐蝕性時可用鑄鋼、不銹鋼。,第二節(jié) 控制

53、閥的流量特性 控制閥的流量特性是指流過閥門的被控介質(zhì)的相對流量與閥桿的相對行程（即閥門的相對開度）之間的關(guān)系。 即,一、理想流量特性 在閥的前后壓差固定的條件下，流量與閥桿位移之間的關(guān)系。它完全取決于閥芯形狀。,,典型的理想流量特性有直線型、對數(shù)型、拋物線型及快開型四種。,二、工作流量特性,快開特性主要適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。,指在工作條件下，閥門兩端壓差變化時，流量與閥桿位移之間的關(guān)系。工作特性不僅取

54、決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也與配管情況有關(guān)。,1.串聯(lián)管道中的工作流量特性,,R=（Qmax/Qmin）,,且特性發(fā)生畸變,,2.并聯(lián)管道中的工作流量特性,旁路閥,第三節(jié) 控制閥的選擇與計算一、控制閥結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選擇需考慮： 被控介質(zhì)的工藝條件和被控介質(zhì)的特性。,,二、控制閥的氣開、氣關(guān)選擇,從生產(chǎn)安全角度考慮,三、控制閥流量特性的選擇,指合理地選擇線性和對數(shù)流量特性,四、控制閥口徑的確定 控制閥口徑的選擇是由控制

55、閥流通能力（流量系數(shù)） C值決定的。,第四節(jié) 電—氣轉(zhuǎn)換器與電—氣閥門定位器,一、電—氣轉(zhuǎn)換器 二、電—氣閥門定位器三、閥門定位器的作用,1.實現(xiàn)準確定位（改善閥的靜態(tài)特性）,,2.改善閥的動態(tài)特性 一階滯后特性成為比例特性。3.改變閥的流量特性 改變反饋凸輪的幾何形狀,4.實現(xiàn)分程控制5.用于閥門的反向動作 采用反作用式定位器(改變 反饋凸輪的安裝位置) 可使氣開閥變?yōu)闅怅P(guān)閥，氣關(guān)閥變?yōu)闅忾_閥。,第七章 簡單控

56、制系統(tǒng),第一節(jié) 簡單控制系統(tǒng)組成和設(shè)計、分析原則,第二節(jié) 被控變量的選擇,第三節(jié) 操縱變量的選擇,第四節(jié) 測量元件特性的影響,第五節(jié) 控制器的選擇,第六節(jié) 控制器參數(shù)的工程整定,第一節(jié) 組成和設(shè)計、分析原則,尤其適用于被控過程的純滯后與慣性不大，負荷與干擾變化比較平穩(wěn)或者工藝要求不太高的場合。,,控制系統(tǒng)的設(shè)計,,控制器參數(shù)整定,方案設(shè)計,工程設(shè)計,工程安裝,儀表調(diào)校,,選擇被控參數(shù),選擇操縱變量,被控參數(shù)的獲取與變送,控制器正、反作用

57、方式的確定,控制器控制規(guī)律的選取,控制閥的選擇,選擇被控參數(shù)，一般遵循的原則： 1. 把影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。 2.盡量采用直接指標作為被控變量。也可選擇與直接指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標作為被控變量。,3.被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。 4.被控變量應(yīng)是獨立可控的。,5.必須注意控制系統(tǒng)之間的相互影響，即相互關(guān)聯(lián)問題。,選擇操縱變量的原則是：把對被控參數(shù)影響較顯著的可控因素作為操縱變量；,,測量元

58、件特性的影響：,一、測量元件的時間常數(shù),②快速測量元件，如快速熱點偶；③在測量元件之后引入微分作用，補償測量滯后引起的動態(tài)誤差即,解決辦法：,①使 ；,二、測量元件的純滯后,合理選擇測量元件及安裝位置。,三、信號的傳遞滯后 主要指氣信號的傳遞滯后。,二、測量元件的純滯后 由純滯后的定義可知，純滯后不能使測量信號及時反映y的實際值，引起測量動態(tài)誤差，降低控制質(zhì)量，微分作用對純滯后無能為力（τ0 段為固

59、定不變的偏差）。,②快速測量元件，如快速熱點偶；③在測量元件之后引入微分作用，補償測量滯后引起的動態(tài)誤差即 由（ ）,,解決辦法：,①使 ；,解決辦法只能合理選擇測量元件及安裝位置，如測量元件應(yīng)靠近對象處。P31,控制器的選擇一、控制規(guī)律的選擇,,PI,PID,P,二、控制器正、反作用的確定,在控制系統(tǒng)中，控制器、被控對象、測量元件變送器、控制

60、閥都有各自的作用方向，應(yīng)使總的作用方向構(gòu)成負反饋。整個控制系統(tǒng)應(yīng)是“反作用”方向。,控制器，當變送器送來的信號增加或（當給定值增加）后，控制器的輸出增加或（減小)，稱為“正作用”方向。,變送器，其作用方向一般都是“正”的?？刂崎y, 氣開閥為“正作用”方向，氣關(guān)閥為“反作用”方向。,對象，當操縱變量增加時，被控參數(shù)的輸出也增加，稱為“正作用”方向。,控制器參數(shù)的工程整定,是指決定控制器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD的具體數(shù)值。整

61、定實質(zhì)是取得最佳控制效果。,1.臨界比例度法,優(yōu)點,缺點,2.衰減曲線法,3.經(jīng)驗湊試法,（關(guān)鍵是看曲線、調(diào)參數(shù)）,例 簡單控制系統(tǒng)設(shè)計,1.被控參數(shù)的選擇,2.操縱變量的選擇,3.檢測控制儀表的選用 4. 測量元件及變送器的選擇,5.控制閥的選擇 6.控制器的選擇,7.畫如前的溫度控制流程圖及方塊圖8.控制器參數(shù)整定,第八章 復(fù)雜控制系統(tǒng),第一節(jié) 串級控制系統(tǒng),,一.串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理,串級控制系統(tǒng)有兩

62、個閉合回路組成。主、副控制器串聯(lián)，主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)。,二、串級控制的特點1. 加快控制過程，有效克服滯后，提高控制質(zhì)量。,2. 有系統(tǒng)自適應(yīng)能力,三、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(一）. 主、副回路的設(shè)計,1. 副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動,2. 使主、副對象對象的時間常數(shù)適當匹配,3. 考慮工藝上的合理性。,4. 考慮經(jīng)濟，應(yīng)力求節(jié)約。,5.當對象具有較大純滯后而影響控制質(zhì)量時，在選副參數(shù)時應(yīng)使副環(huán)盡量少包括

63、或不包括純滯后，即把純滯后部分放在主對象中以提高副回路的快速抗干擾能力。,3＜ ＜10,（二）.主、副控制器控制規(guī)律的選擇,主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此主控制器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律，副被控參數(shù)的設(shè)置是為保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，其值隨主控制器的輸出而變，允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副控制器選P控制規(guī)律。,（三）.主副控制器正、反作用方式的確定,首先根據(jù)工藝生產(chǎn)