自動(dòng)化儀表與過程控制-課件

自動(dòng)化儀表

與

過程控制

1自動(dòng)化儀表

與

過程控制1

生產(chǎn)過程自動(dòng)化，是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部門以連續(xù)性物流為主要特征的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，主要解決各種生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制問題。用自動(dòng)化裝置來(lái)管理連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的綜合性技術(shù)就稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化，簡(jiǎn)稱為過程控制（ProcessControl）。22過程控制過程控制----泛指石油、化工、電力、冶金、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，其被控量通常為壓力、液位、流量、溫度、PH值等過程變量，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。作用----在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來(lái)越大的作用。3過程控制過程控制----泛指石油、化工、電力、冶金、核能等工自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表-----用于生產(chǎn)過程自動(dòng)化的儀器或設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的必要手段和技術(shù)工具。特點(diǎn)-----兼容性、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)4自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表-----用于生產(chǎn)過程自動(dòng)化的儀器或一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)連續(xù)生產(chǎn)過程主要有以下幾種形式：1．傳熱過程

通過冷熱物流之間的熱量傳遞，達(dá)到控制介質(zhì)溫度、改變介質(zhì)相態(tài)或回收熱量的目的。典型設(shè)備：換熱器2．燃燒過程

通過燃料與空氣混合后燃燒為生產(chǎn)過程提供動(dòng)力和熱源。典型設(shè)備：加熱爐5一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)53．化學(xué)過程

由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價(jià)值的產(chǎn)品的反應(yīng)過程。典型設(shè)備：反應(yīng)器4．精餾過程

精餾是一種分離過程。典型設(shè)備：精餾塔5．傳質(zhì)過程不同組分的分離和結(jié)合，如液體和氣體之間的解吸、汽提、去濕或潤(rùn)濕，不同非溶液體的萃取、液體與固體之間的結(jié)晶、蒸氣或干燥等都是傳質(zhì)過程。其目的是獲得純的出口物料。一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)63．化學(xué)過程

由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價(jià)值一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)生產(chǎn)過程特點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、時(shí)變性、非線性、不確定性，在某些高溫高壓或有害介質(zhì)存在的場(chǎng)合，還具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。生產(chǎn)過程的這些特點(diǎn)極大地促進(jìn)了過程控制技術(shù)的發(fā)展，使得過程控制在自動(dòng)控制領(lǐng)域乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都占有極其重要的地位。7一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)生產(chǎn)過程特點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、關(guān)參考書教材

過程控制與自動(dòng)化儀表.潘永湘等.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.5參考書

1.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置.張宏建等.化學(xué)工業(yè)出版社.2004.7

2.自動(dòng)化儀表與過程控制.施仁等.電子工業(yè)出版社.2009.2

3.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).張毅等.化學(xué)工業(yè)出版社.2005.3

4.過程控制及儀表.邵裕森.上海交大出版社

8參考書教材

過程控制與自動(dòng)化儀表.潘永湘等.機(jī)械工業(yè)出版社.考核方式1.點(diǎn)名作業(yè)20%

2.試驗(yàn)成績(jī)10%

3.期末考試70%9考核方式1.點(diǎn)名作業(yè)20%

2.試驗(yàn)成績(jī)10%

3.期第一章過程控制與自動(dòng)化儀表概述系統(tǒng)由被控過程和檢測(cè)控制儀表組成過程控制采用各種檢測(cè)儀表、控制儀表和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。檢測(cè)儀表把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或氣信號(hào)，反映生產(chǎn)過程狀況；控制儀表接受檢測(cè)信號(hào)對(duì)過程進(jìn)行控制。被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣導(dǎo)致過程的結(jié)構(gòu)性、動(dòng)態(tài)特性多樣。通常被控過程屬于多變量、大慣性、大時(shí)延特征，還有非線性與時(shí)變特性。（鍋爐、熱交換器、精餾塔）控制方案的多樣性被控對(duì)象復(fù)雜導(dǎo)致控制方案多樣性。單/多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制/計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)、提高控制品質(zhì)的和實(shí)現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。單回路、串級(jí)、前饋、比值、均勻、分程、選擇性、大時(shí)延、多變量系統(tǒng)，還有先進(jìn)過程控制系統(tǒng)(自適應(yīng)、預(yù)測(cè)、補(bǔ)償、智能、非線性控制等)。過程控制的特點(diǎn)10第一章過程控制與自動(dòng)化儀表概述系統(tǒng)由被控過程和檢測(cè)控制儀表

安全性針對(duì)易燃易爆特點(diǎn)設(shè)計(jì)；參數(shù)越線報(bào)警、鏈鎖保護(hù)；故障診斷，容錯(cuò)控制。穩(wěn)定性抑制外界干擾，保證正常運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性降低成本提高效率。掌握工藝流程和被控對(duì)象靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用控制理論和一定的技術(shù)手段（計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化儀表）設(shè)及合理系統(tǒng)。過程控制的要求與任務(wù)11安全性過程控制的要求與任務(wù)1112二、生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求

生產(chǎn)過程對(duì)控制最主要的要求可以歸結(jié)為三個(gè)方面，即：安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。(1)安全性是指在整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行過程中，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)、監(jiān)控和防止任何事故的發(fā)生，以確保生產(chǎn)設(shè)備和操作人員的安全，這是最重要也是最基本的要求。(2)穩(wěn)定性是指當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化或受到隨機(jī)因素的干擾和影響時(shí)，生產(chǎn)過程仍能不間斷地平穩(wěn)運(yùn)行，并保持穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。1212二、生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求1213(3)經(jīng)濟(jì)性是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，以最小的投資、最少的能耗和最低的成本，使生產(chǎn)裝置在高效率運(yùn)行中獲取最大的經(jīng)濟(jì)收益。過程控制的任務(wù):就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的各種特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要求，應(yīng)用控制理論對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和綜合，并采用相應(yīng)的自動(dòng)化裝置和適宜的控制手段加以實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。二、生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求1313(3)經(jīng)濟(jì)性是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前過程控制的功能結(jié)構(gòu)◆測(cè)量變送與執(zhí)行測(cè)量變送裝置與執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)◆操作安全與環(huán)保保證生產(chǎn)安全、滿足環(huán)保要求的設(shè)備（獨(dú)立運(yùn)行）◆常規(guī)與高級(jí)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的控制，滿足控制要求?！魧?shí)時(shí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作工況（時(shí)間，成本，設(shè)備損耗）而設(shè)計(jì)的方案◆決策與計(jì)劃調(diào)度對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行合理計(jì)劃調(diào)度和正確決策，使企業(yè)利益最大化。14過程控制的功能結(jié)構(gòu)◆測(cè)量變送與執(zhí)行14過程控制發(fā)展概況●

20世紀(jì)40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)人工控制生產(chǎn)過程，勞動(dòng)生產(chǎn)率很低?！?0世紀(jì)50年代前后(儀表化與局部自動(dòng)化階段)：過程控制發(fā)展的第一個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。 主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-----采用基地式儀表和部分單元組合儀表(多數(shù)是氣動(dòng)儀表)； 過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------單輸入、單輸出系統(tǒng)； 被控參數(shù)------溫度、壓力、流量和液位參數(shù)； 控制目的------保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對(duì)生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)； 理論-----頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。15過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)40年代前后(手工階段)：手16回顧生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。初級(jí)階段1950年以前，簡(jiǎn)單的檢測(cè)儀表和笨重的基地式儀表1616回顧生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。初●20世紀(jì)60年代(綜合自動(dòng)化階段)：檢測(cè)和控制儀表-----采用單元組合儀表(氣動(dòng)、電動(dòng))和組裝儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級(jí)、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)?？刂颇康?-----提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求。理論-----除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。前饋控制-----按擾動(dòng)來(lái)控制，在擾動(dòng)可測(cè)的情況下，可以提高控制質(zhì)量。選擇性控制-----在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量達(dá)到安全極限事，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)性控制。17●20世紀(jì)60年代(綜合自動(dòng)化階段)：1718儀表化階段50年代至70年代，單元組合儀表和巡回檢測(cè)儀表。集中監(jiān)視和操作1818儀表化階段50年代至70年代，單元組合儀表和巡回檢測(cè)儀表19

綜合自動(dòng)化階段:70年代以來(lái)，多功能組裝儀表、數(shù)字儀表、智能儀表。70年代中期出現(xiàn)DCS。90年代以來(lái)，管控一體化成為可能。1919綜合自動(dòng)化階段:70年代以來(lái)，多功能組裝儀表、數(shù)字儀●20世紀(jì)70年代以來(lái)(全盤自動(dòng)化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三個(gè)階段。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-----新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-------由單→多變量系統(tǒng)，由PID控制規(guī)律→特殊控制規(guī)律，由定值控制→最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，由儀表控制系統(tǒng)→智能化計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)；理論-----現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到過程控制領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)，最優(yōu)濾波與預(yù)報(bào)。集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCSFCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)｛全盤自動(dòng)化階段20●20世紀(jì)70年代以來(lái)(全盤自動(dòng)化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)初衷：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)體積龐大，價(jià)格非常昂貴，為了使計(jì)算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競(jìng)爭(zhēng)，試圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制盡可能多的控制回路。外設(shè)過程控制計(jì)算機(jī)AIDIAODO

被控過程（對(duì)象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)優(yōu)越性：

從表面上看——信息集中，集中型計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)各種更復(fù)雜控制功能；便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。問題：由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)總體性能低，容量小，容易出現(xiàn)負(fù)荷過載，控制集中直接導(dǎo)致危險(xiǎn)集中，高度集中使系統(tǒng)變得十分“脆弱”。21集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)初衷：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)體積龐大，價(jià)格非常

集散控制系統(tǒng)DCS●

80年代---集散控制系統(tǒng)(DCS)集散控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的(生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng))，但過程控制的監(jiān)視、管理是集中的。優(yōu)點(diǎn)：將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危險(xiǎn)分散，提高系統(tǒng)的可靠性，方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法，實(shí)現(xiàn)最佳管理?？刂品稚?/p>

管理集中22集散控制系統(tǒng)DCS●80年代---集散控制系統(tǒng)(DCS集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的加工，操作站的顯示與打印。過程控制單元：又稱基本控制器，是集散控制系統(tǒng)的核心。不同的集散控制系統(tǒng)其差別較大。高速數(shù)據(jù)通路：實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)各處理機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送。管理(上位)計(jì)算機(jī)：進(jìn)行集中管理與最佳控制，實(shí)現(xiàn)信息-控制-管理一體化。CRT操作站：是集散控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置。執(zhí)行監(jiān)控操作、系統(tǒng)組態(tài)、編程、動(dòng)態(tài)流程圖顯示以及部分生產(chǎn)管理。23集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：23

控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層操作站工程師站DCS的物理層次示意24控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層操作●

90年代以來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbuscontrolsystem)

是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)聯(lián)系起來(lái)成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)集成過程控制CIPS

(computerintergratedprocesssystem)

以企業(yè)整體優(yōu)化為目標(biāo)（市場(chǎng)營(yíng)銷、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、原材料選擇、產(chǎn)品分配、成本管理、工藝過程控制與優(yōu)化），以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化。25●90年代以來(lái)25現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）26現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）26定義是連接智能現(xiàn)場(chǎng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊·雙向數(shù)據(jù)通信能力避免了反復(fù)進(jìn)行A/D、D/A的轉(zhuǎn)換·把控制任務(wù)下移到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制一體化

全分散

本質(zhì)特點(diǎn)評(píng)價(jià)·已成為全世界范圍自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)·涉及整個(gè)自動(dòng)化和儀表的工業(yè)“革命”FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)27定義是連接智能現(xiàn)場(chǎng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支現(xiàn)場(chǎng)總線式變送器現(xiàn)場(chǎng)總線式閥門定位器安全防爆工業(yè)以太網(wǎng)安全防爆總線非安全防爆總線28現(xiàn)場(chǎng)總線式變送器現(xiàn)場(chǎng)總線式閥門定位器安全防爆工業(yè)以太網(wǎng)安全防控制室控制臺(tái)流程圖29控制室控制臺(tái)流程圖29儀表盤操作員站30儀表盤操作員站30操作員站CRT工業(yè)流程圖31操作員站CRT工業(yè)流程圖3132

作為技術(shù)人員，學(xué)習(xí)和掌握生產(chǎn)過程自動(dòng)化方面的知識(shí)，對(duì)于研究和開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，解決生產(chǎn)操作中的關(guān)鍵技術(shù)問題，合理確定控制方案，保證生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的順利運(yùn)行，促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)代化管理等都具有十分重要的作用。生產(chǎn)過程自動(dòng)化是自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、儀器儀表技術(shù)和生產(chǎn)工藝知識(shí)相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性的技術(shù)科學(xué)。在現(xiàn)代過程工業(yè)中，自動(dòng)化裝置與生產(chǎn)工藝及設(shè)備已結(jié)合成為有機(jī)的整體。3232生產(chǎn)過程自動(dòng)化是自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、儀器儀表技術(shù)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述加熱爐過程控制系統(tǒng)冷設(shè)計(jì)步驟：1.確定控制目標(biāo)1）熱油出口溫度穩(wěn)定；2）出口溫度與煙道氣含氧量穩(wěn)定；3）溫度穩(wěn)定與熱效率最高。2.選擇被控參數(shù)直接參數(shù)（油出口溫度、煙道氣含氧量、燃油壓力）間接參數(shù)（熱效率）3選擇控制量燃料油流量還是冷油流量→出口溫度擋板開度還是送風(fēng)擋板→含氧量33過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述加熱爐過程控制系統(tǒng)冷設(shè)計(jì)步驟：334.確定控制方案控制精度和干擾決定→系統(tǒng)的簡(jiǎn)單與復(fù)雜。溫度、效率、含氧量等多于一個(gè)要求→多輸入/多輸出。如果溫度、含氧量定值控制，還要求效率→最優(yōu)控制。5.選擇控制策略多數(shù)采用→PID；復(fù)雜過程→高級(jí)過程控制6.選擇執(zhí)行器氣動(dòng)與電動(dòng)，執(zhí)行期特性與過程特性匹配。7.設(shè)計(jì)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)高、低限值；加熱爐停車程序：停燃油泵→關(guān)燃油閥→停引風(fēng)機(jī)→切斷熱油閥8.工程化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)圖樣資料和文件資料→表達(dá)設(shè)計(jì)思想→主管部門審批→施工單位。9.系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試和整定參數(shù)冷344.確定控制方案冷3435過程控制系統(tǒng)的組成及分類一、過程控制系統(tǒng)的組成以液體貯槽的液位控制為例說明過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。貯槽液位原理圖，如圖所示。3535過程控制系統(tǒng)的組成及分類一、過程控制系統(tǒng)的組成3536人工控制方式：眼

—觀察玻璃管液位計(jì)（測(cè)量元件）指示高度；大腦

—將液位高度與期望高度進(jìn)行比較，經(jīng)過思考估算出需要改變的流出量，然后發(fā)出動(dòng)作命令；手

—根據(jù)命令改變出口閥門開度，相應(yīng)地增減流出量，使液位保持在合理的范圍內(nèi)。一、過程控制系統(tǒng)的組成3636人工控制方式：一、過程控制系統(tǒng)的組成3637

自動(dòng)控制方式：一、過程控制系統(tǒng)的組成3737自動(dòng)控制方式：一、過程控制系統(tǒng)的組成3738自動(dòng)控制方式：

液位變送器—檢測(cè)并變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制器；

自動(dòng)控制器—接收變送器信號(hào)與液位期望值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差按某種規(guī)律運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送給執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）；

執(zhí)行器—將控制器指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，改變液體流出量，實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。一、過程控制系統(tǒng)的組成3838自動(dòng)控制方式：一、過程控制系統(tǒng)的組成3839由液體貯槽的液位控制可知，過程控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象，測(cè)量與變送裝置、控制器、執(zhí)行器組成。如果把測(cè)量與變送裝置、控制器、以及執(zhí)行器統(tǒng)稱為自動(dòng)化裝置，則過程控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和自動(dòng)化裝置兩部分組成的。

過程控制系統(tǒng)的任務(wù)：就是當(dāng)被控對(duì)象受到干擾使被控變量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）產(chǎn)生偏差時(shí)，能夠及時(shí)檢測(cè)，并通過合理地調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量回到給定值。

一、過程控制系統(tǒng)的組成3939由液體貯槽的液位控制可知，過程控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象，測(cè)40自控常用術(shù)語(yǔ)：(1)被控對(duì)象：需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。如本例中的液體貯槽。(2)被控變量：對(duì)象中需要進(jìn)行控制（保持?jǐn)?shù)值在某一范圍內(nèi)或按預(yù)定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。如本例中的貯槽液位。(3)操縱變量：受到控制裝置的操縱，用以使被控變量保持在設(shè)定數(shù)值的物料或能量變量稱為操縱變量。如本例中的液體流出量。一、過程控制系統(tǒng)的組成4040自控常用術(shù)語(yǔ)：一、過程控制系統(tǒng)的組成4041(4)干擾（擾動(dòng)）：除操縱變量外，作用于對(duì)象并使被控變量發(fā)生變化的因素稱為干擾（擾動(dòng)）。如本例中的液體流入量。(5)設(shè)定值：按照生產(chǎn)工藝的要求為被控變量規(guī)定的所要達(dá)到或保持的數(shù)值稱為給定值（設(shè)定值）。如例中，為了防止槽內(nèi)液體溢出或抽空，規(guī)定貯槽液位保持在貯槽50％的高度比較合理。(6)偏差：在過程控制系統(tǒng)中通常把測(cè)量值減給定值稱為偏差。一、過程控制系統(tǒng)的組成4141(4)干擾（擾動(dòng)）：除操縱變量外，作用于對(duì)象并使42一、過程控制系統(tǒng)的組成指出圖中被控對(duì)象，被控變量，操縱變量，干擾，設(shè)定值，偏差分別是什么？4242一、過程控制系統(tǒng)的組成指出圖中被控對(duì)象，被控變量，操縱變43一、過程控制系統(tǒng)的組成反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖，由哪幾部分構(gòu)成？請(qǐng)指出被控對(duì)象，被控變量，操縱變量，干擾各是什么？4343一、過程控制系統(tǒng)的組成反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖，由哪過程控制系統(tǒng)的組成、分類及性能指標(biāo)

(一）過程控制系統(tǒng)的組成（圖1－3、圖1－4）

（1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(mì)(t)：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送后的實(shí)際測(cè)量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。44過程控制系統(tǒng)的組成、分類及性能指標(biāo)

(一）過程控制系統(tǒng)的組成45過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多，每一種分類只反映出過程控制系統(tǒng)某一方面的特點(diǎn)。按被控變量的名稱分類溫度控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)等按被控變量的數(shù)量分類單變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制系統(tǒng)完成的功能分類反饋控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)等二、過程控制系統(tǒng)的分類4545過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多，每一種分類只反映出過程控制1.分類方法（被控量名稱、多少、特定工藝、工具）；2.安結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控制。3.安設(shè)定值分類：1）定值控制；2）伺服控制；3）順序控制。461.分類方法（被控量名稱、多少、特定工藝、工具）；4647按照被控變量的給定值分類，可分成以下三類：1．定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值始終固定不變的控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類4747按照被控變量的給定值分類，可分成以下三類：二、過程控制系482．隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時(shí)間不斷變化的控制系統(tǒng)。例如：鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)為使燃料充分燃燒，空燃比保持一定比例，采用比值控制系統(tǒng)，要求空氣和燃料保持一定比例。由于燃料量隨負(fù)荷變化，空氣量隨燃料量變化，即空氣量的給定值也是隨機(jī)變化的，所以是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類48482．隨動(dòng)控制系統(tǒng)二、過程控制系統(tǒng)的分類48493．程序控制系統(tǒng)（又稱順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)是被控變量的給定值按預(yù)定的時(shí)間程序來(lái)變化的控制系統(tǒng)。例如：冶金工業(yè)中的金屬熱處理的溫度控制金屬加熱給定值都是按照預(yù)定的升溫、恒溫、降溫等程序變化的，屬于程序控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類49493．程序控制系統(tǒng)（又稱順序控制系統(tǒng)）二、過程控制系統(tǒng)的分50一、方塊圖

方塊圖是從信號(hào)流（信息）的角度出發(fā)，依據(jù)信號(hào)的流向?qū)⒔M成控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)相互連接起來(lái)的一種圖解表達(dá)方式。由于在方塊圖中不僅明確表明了每個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的作用，而且能夠清楚地看出自動(dòng)控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)系以及信號(hào)在系統(tǒng)中的流動(dòng)情況。對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究時(shí)，經(jīng)常用方塊圖來(lái)表示一個(gè)過程控制系統(tǒng)的組成。

方塊圖與流程圖5050一、方塊圖方塊圖與流程圖5051圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，稱為“環(huán)節(jié)”。箭頭指向方塊的信號(hào)x表示該環(huán)節(jié)的輸入，稱為輸入變量。箭頭離開方塊的信號(hào)y表示該環(huán)節(jié)的輸出，稱為輸出變量。箭頭所指的方向就是信號(hào)的流向，它表明信號(hào)的作用方向。許多物理性質(zhì)不同，但特性相同的系統(tǒng)，可以用同一種形式的方塊圖來(lái)表達(dá)。

環(huán)節(jié)圖1-2方塊圖單元xy圖1-2表示的是一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊圖單元。方塊圖與流程圖5151圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，稱為“環(huán)節(jié)”。52相加點(diǎn)：如圖1-3所示，表示兩個(gè)以上具有相同單位的變量(信號(hào)）之間的加和運(yùn)算。方塊圖與流程圖（a）表示e=r-z;（b）表示x=x1+x2。5252相加點(diǎn)：方塊圖與流程圖（a）表示e=r-z;5253分支點(diǎn)：如圖1-4所示，當(dāng)一個(gè)變量（或信號(hào)）要同時(shí)作用于幾個(gè)不同的環(huán)節(jié)時(shí)，可使用分支點(diǎn)。

由分支點(diǎn)引出的各路信號(hào)都相等。

方塊圖與流程圖5353分支點(diǎn)：方塊圖與流程圖5354有了方塊圖，就可以根據(jù)變量間的相互作用，按照信號(hào)的流向方便地將系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)。圖1-1

液位控制系統(tǒng)，畫控制系統(tǒng)的方塊圖。方塊圖與流程圖5454有了方塊圖，就可以根據(jù)變量間的相互作用，按照信號(hào)的流向方55例：5555例：5556為了便于分析，有時(shí)將控制器以外的各個(gè)環(huán)節(jié)（包括執(zhí)行器、被控對(duì)象、測(cè)量變送）組合在一起作為一個(gè)對(duì)象看待，稱之為廣義對(duì)象。方塊圖與流程圖5656為了便于分析，有時(shí)將控制器以外的各個(gè)環(huán)節(jié)（包括執(zhí)行器57例：爐溫控制系統(tǒng)畫方塊圖方塊圖與流程圖5757例：爐溫控制系統(tǒng)畫方塊圖方塊圖與流程圖5758爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖執(zhí)行器5858爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖執(zhí)行器5859爐溫控制系統(tǒng)方塊圖特點(diǎn)方塊圖與流程圖5959爐溫控制系統(tǒng)方塊圖特點(diǎn)方塊圖與流程圖5960畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。方塊圖與流程圖6060畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。方塊圖與流程圖661閉環(huán)控制系統(tǒng)：環(huán)節(jié)的任何一個(gè)信號(hào)，只要沿箭頭方向流動(dòng)，最終總會(huì)回到它的起始點(diǎn)，把這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。不具備這種特性的系統(tǒng)則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。方塊圖與流程圖6161閉環(huán)控制系統(tǒng)：環(huán)節(jié)的任何一個(gè)信號(hào)，只要沿箭頭方向流動(dòng)，最62反饋：閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸出變量（或信號(hào)）沿著回路中的信號(hào)流動(dòng)方向總會(huì)返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進(jìn)行比較。這種把系統(tǒng)（或方塊）的輸出信號(hào)引回到系統(tǒng)輸入端的做法叫做反饋。若反饋信號(hào)（被控變量測(cè)量值z(mì)）與給定值信號(hào)的方向相反，即反饋信號(hào)z取負(fù)值，則叫做負(fù)反饋。測(cè)量信號(hào)與給定值信號(hào)方向相同，則叫做正反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)是靠負(fù)反饋來(lái)達(dá)到控制的目的。

例：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)；爐溫控制系統(tǒng)方塊圖與流程圖6262反饋：方塊圖與流程圖6263方塊圖與流程圖負(fù)反饋：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)6363方塊圖與流程圖負(fù)反饋：儲(chǔ)槽液位控制系統(tǒng)6364爐溫控制系統(tǒng)方塊圖溫度設(shè)定值100度熱電偶檢測(cè)值95度閥開度增大6464爐溫控制系統(tǒng)方塊圖溫度設(shè)定值100度6465閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是利用負(fù)反饋原理，根據(jù)偏差進(jìn)行工作的。正因?yàn)槿绱耍]環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制系統(tǒng)。方塊圖與流程圖6565閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是利用負(fù)反饋原理，根據(jù)偏差進(jìn)行工作的。66二、工藝控制流程圖在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)時(shí)，自控專業(yè)人員必須與工藝專業(yè)人員協(xié)作，按工藝流程的順序和要求，將所確定的控制方案標(biāo)注到工藝流程圖中。

將控制點(diǎn)和控制系統(tǒng)與工藝流程圖相結(jié)合的圖形文檔就稱為工藝控制流程圖，或稱為帶有控制點(diǎn)的工藝流程圖。方塊圖與流程圖6666二、工藝控制流程圖方塊圖與流程圖6667圖1-7液體貯槽的工藝控制流程圖圖中所示，工藝控制流程圖主要是由工藝設(shè)備、管道、元件以及構(gòu)成控制系統(tǒng)的儀表符號(hào)及信號(hào)線等圖形符號(hào)組成。方塊圖與流程圖6767圖1-7液體貯槽的工藝控制流程圖方塊圖與流程圖668

儀表圖形符號(hào)：儀表圖形符號(hào)可用來(lái)表達(dá)工業(yè)自動(dòng)化儀表所處理的被測(cè)變量和功能，還可以表示儀表或元件的名稱。儀表圖形符號(hào)是直徑為12mm的細(xì)實(shí)圓圈，并在其中標(biāo)有儀表位號(hào)。方塊圖與流程圖儀表位號(hào)由字母代號(hào)和數(shù)字編號(hào)組成，如下例所示：6868儀表圖形符號(hào)：方塊圖與流程圖儀表位號(hào)由字母代號(hào)和69儀表位號(hào)按被測(cè)變量不同進(jìn)行分類。同一個(gè)裝置（或工段）的同類被測(cè)變量的儀表位號(hào)中順序號(hào)是連續(xù)的。在工藝控制流程圖上，標(biāo)注儀表位號(hào)的方法是：字母代號(hào)填寫在圓圈上半圓中，數(shù)字編號(hào)填寫在下半圓中。如圖1-8所示：方塊圖與流程圖6969儀表位號(hào)按被測(cè)變量不同進(jìn)行分類。同一個(gè)裝置（或工段）的同70表1-1列出了在儀表位號(hào)中用到的被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)。表1-2則給出了常見的字母組合。方塊圖與流程圖7070表1-1列出了在儀表位號(hào)中用到的被測(cè)變量和儀表功能71方塊圖與流程圖7171方塊圖與流程圖7172方塊圖與流程圖7272方塊圖與流程圖727373737374

圖1-7中采用了一臺(tái)液位變送器（LT)，一臺(tái)液位控制器（LC）和一個(gè)用于控制液位的執(zhí)行器（LV）。教材中所畫的工藝控制流程圖中，由于回路數(shù)較少，故將數(shù)字編號(hào)省略了。方塊圖與流程圖7474方塊圖與流程圖7475一、過渡過程過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)。靜態(tài)：系統(tǒng)的被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)，稱為靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）；動(dòng)態(tài)：系統(tǒng)的被控變量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)，稱為動(dòng)態(tài)。過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程：生產(chǎn)過程從一個(gè)平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）到達(dá)另一個(gè)平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的動(dòng)態(tài)歷程稱為過渡過程，它反映了被控變量隨時(shí)間的變換規(guī)律。7575一、過渡過程過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程：7576為了便于了解控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，通常是在系統(tǒng)的輸入端施加一些特殊的試驗(yàn)輸入信號(hào)，然后研究系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)的響應(yīng)。最常采用的試驗(yàn)信號(hào)是階躍輸入信號(hào)，其作用方式如圖1-9所示。

過渡過程和性能指標(biāo)7676為了便于了解控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，通常是在系統(tǒng)的輸入端施加77過渡過程幾種典型形式：非衰減振蕩過程：

圖1-10(a)所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值的某一側(cè)作緩慢變化，沒有來(lái)回波動(dòng)，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。衰減振蕩過程：

圖1-10（b）所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值附近上下波動(dòng)，但幅度逐漸減小，經(jīng)過幾個(gè)振蕩周期后，逐漸收斂在某一數(shù)值上。

過渡過程和性能指標(biāo)7777過渡過程幾種典型形式：過渡過程和性能指標(biāo)7778等幅振蕩過程：圖1-10（c）所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值附近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。發(fā)散振蕩過程：圖1-10(d）所示，其特點(diǎn)是當(dāng)干擾進(jìn)人系統(tǒng)后，使被控變量開始產(chǎn)生振蕩，控制作用不僅無(wú)法將被控變量穩(wěn)定到給定值上，反而使振蕩的幅度越來(lái)越大。過渡過程和性能指標(biāo)7878等幅振蕩過程：過渡過程和性能指標(biāo)7879二、性能指標(biāo)

以衰減振蕩過程的形式討論：假設(shè)性能指標(biāo)的出發(fā)點(diǎn)是以控制系統(tǒng)原先所處的平衡狀態(tài)時(shí)刻的被控變量y(0)作為基準(zhǔn)值，且被控變量等于給定值。從t=O的時(shí)刻開始，系統(tǒng)受到階躍輸入作用，于是被控變量開始變化。經(jīng)過一段時(shí)間的衰減振蕩后，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)，使被控變量穩(wěn)定在y(∞)。

在干擾或給定值作階躍變化時(shí)，被控變量的響應(yīng)曲線分別如圖1-11(a)和圖1-11(b）所示。過渡過程和性能指標(biāo)7979二、性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)798080808081控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：1、最大偏差emax（或超調(diào)量σ）最大偏差（或超調(diào)量）是描述被控變量偏離給定值程度的物理量。

干擾作用下的定值控制系統(tǒng)，最大偏差是指在過渡過程中，被控變量的第一個(gè)波峰值與給定值的差。干擾作用下系統(tǒng)過渡過程如圖1-11(a)所示。過渡過程和性能指標(biāo)8181控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：干擾作用下的定值控制82emax=B+C

最大偏差:過渡過程和性能指標(biāo)8282emax=B+C最大偏差:過渡過程和性能指標(biāo)8283給定值變化的隨動(dòng)系統(tǒng)，通常采用超調(diào)量這一性能指標(biāo)來(lái)表示被控變量偏離給定值的程度。超調(diào)量的定義為（１-１）tp-波峰時(shí)間給定值變化的過渡過程曲線如下圖所示：過渡過程和性能指標(biāo)8383給定值變化的隨動(dòng)系統(tǒng)，通常采用超調(diào)量這一性能指標(biāo)來(lái)表示被84在圖1-11(b)中，超調(diào)量

過渡過程和性能指標(biāo)8484在圖1-11(b)中，超調(diào)量過渡過程和性能指標(biāo)84852．余差e(∞)

余差又稱殘余偏差，是指在過渡過程終了時(shí)，系統(tǒng)的給定值與被控變量新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。過渡過程和性能指標(biāo)85852．余差e(∞)過渡過程和性能指標(biāo)8586在圖1-11(a)中，余差e(∞)=

C；在圖1-11(b)中，余差e(∞)=r-y(∞）。8686在圖1-11(a)中，余差e(∞)=C；在圖1-11873．衰減比n衰減比是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它反映了一個(gè)振蕩過程的衰減程度，它等于兩個(gè)相鄰的同向波峰值之比。（注意：以y（∞）為橫坐標(biāo)）習(xí)慣上表示為n:1。一般希望衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。§1-4過渡過程和性能指標(biāo)87873．衰減比n§1-4過渡過程和性能指標(biāo)8788衰減比n=B/B’8888衰減比n=B/B’88894．過渡時(shí)間tS

過渡時(shí)間又叫控制時(shí)間或回復(fù)時(shí)間，它是控制系統(tǒng)在受到外界作用后，被控變量從原來(lái)的穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。理論上講，被控變量達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。所以一般認(rèn)為當(dāng)被控變量已進(jìn)人其新穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）的范圍內(nèi)，并不再越出時(shí)，就認(rèn)為控制系統(tǒng)已經(jīng)重新回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在圖1-11中，過渡時(shí)間以tS表示。過渡過程和性能指標(biāo)89894．過渡時(shí)間tS過渡過程和性能指標(biāo)8990過渡時(shí)間以tS表示9090過渡時(shí)間以tS表示90915.偏差積分性能指標(biāo)IAEISEIATEISTE面積積分，按其整定參數(shù)偏差的平均值較小。隨時(shí)間推移，控制越來(lái)越趨于嚴(yán)格。過渡過程可能出現(xiàn)大的偏差，但是恢復(fù)時(shí)間較短。對(duì)偏差值敏感，按其整定參數(shù)過渡過程不會(huì)呈現(xiàn)大偏差。隨時(shí)間推移，控制越來(lái)越趨于嚴(yán)格?；謴?fù)時(shí)間較短。過渡過程和性能指標(biāo)91915.偏差積分性能指標(biāo)面積積分，按其整定參數(shù)偏隨時(shí)間推移92課程小結(jié)掌握過程控制系統(tǒng)的基本組成掌握由系統(tǒng)工作原理圖繪制方塊圖了解過程控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)9292課程小結(jié)9293作業(yè)題1、什么是生產(chǎn)過程自動(dòng)化，它有什么重要意義？2、過程控制系統(tǒng)由哪幾部分構(gòu)成？3、簡(jiǎn)述在過程控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送器、控制器、執(zhí)行器的作用？9393作業(yè)題1、什么是生產(chǎn)過程自動(dòng)化，它有什么重要意義？93自動(dòng)化儀表概述

自動(dòng)化儀表（AutomationInstrumentation）：用于過程自動(dòng)化的儀器或設(shè)備。

過程控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的平臺(tái),而自動(dòng)化儀表與裝置是過程控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。

調(diào)節(jié)閥傳感器變送器執(zhí)行器控制器自動(dòng)化儀表被控過程自動(dòng)化儀表的構(gòu)成94自動(dòng)化儀表概述自動(dòng)化儀表（AutomationIns過程控制儀表的分類及特點(diǎn)（一）按安裝場(chǎng)地分

1.現(xiàn)場(chǎng)儀表（一次儀表）2.控制室儀表（二次儀表）

（二）按能源形式分：針對(duì)執(zhí)行器

1.氣動(dòng)控制儀表2.電動(dòng)控制儀表3.液動(dòng)控制儀表（少）（三）按信號(hào)形式分：

1.模擬控制儀表2.數(shù)字控制儀表（四）結(jié)構(gòu)形式分：

1.基地式控制儀表2.單元組合式控制儀表3.組裝式綜合控制裝置4.集中計(jì)算機(jī)控制儀表5.集散控制儀表6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制儀表。95過程控制儀表的分類及特點(diǎn)（一）按安裝場(chǎng)地分95按能源形式分電動(dòng)控制儀表：優(yōu)點(diǎn)：

①信號(hào)快速，遠(yuǎn)距離傳輸

②易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律的信號(hào)處理

③易于與其它裝置相連

④供電用電方便無(wú)需空壓機(jī)和油泵、水泵

缺點(diǎn)：①不天然防爆②易受電磁干擾③功率不易大

近年的電動(dòng)儀表多采用了安全防爆措施，應(yīng)用更加廣泛。

氣動(dòng)控制儀表：以壓縮空氣為能源。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可靠性高，易于維修，天然防爆。缺點(diǎn)：氣動(dòng)信號(hào)傳輸速度極限=聲速340m/s，體積龐大。液動(dòng)儀表

：以高壓油和高壓水為能源

優(yōu)點(diǎn)：工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率大，防爆

缺點(diǎn)：速度傳送慢96按能源形式分電動(dòng)控制儀表：氣動(dòng)控制儀表：以壓縮空氣為能源。液按信號(hào)類型分類模擬式控制儀表是傳統(tǒng)的儀表，傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量。如電流、電壓、氣壓等。模擬式電動(dòng)控制儀表以模擬電子元件為組成元件，運(yùn)算放大器是信息處理的核心部件。這類儀表線路較簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格較低，使用上有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。數(shù)字式控制儀表以微處理器為核心，傳輸信號(hào)為斷續(xù)變化的數(shù)字量。由于有微處理器的存在，任何復(fù)雜的信息處理都易實(shí)現(xiàn)，硬件不變，軟件千變?nèi)f化，這類儀表的特色就是高度集成、豐富的功能，易于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。它能解決模擬式儀表難以解決的問題，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的高質(zhì)量控制要求。97按信號(hào)類型分類模擬式控制儀表數(shù)字式控制儀表97結(jié)構(gòu)形式分類1.基地式控制儀表

安裝在現(xiàn)場(chǎng)，集檢測(cè)、指示、控制于一身。

特點(diǎn)：一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜．它不僅能對(duì)某些工藝變量進(jìn)行指示或記錄，而已還具有控制功能，因此它比較適用于單變量的就地控制系統(tǒng)。2.單元組合控制儀表將整套儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一定功能的若干單元，各單元之間采用統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。使用時(shí)可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，對(duì)各單元進(jìn)行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、復(fù)雜程度各異的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。常用電動(dòng)單元組合儀表(DDZ型)和氣動(dòng)單元組合儀表(QDZ型)。特點(diǎn)：使用靈活，通用性強(qiáng)，同時(shí)，使用、維護(hù)更作也很方便。它適用于各種企業(yè)的自動(dòng)控制。單元組合儀表分為：變送單元、給定單元、控制單元、執(zhí)行單元、轉(zhuǎn)換單元、運(yùn)算單元、顯示單元和輔助單元。98結(jié)構(gòu)形式分類1.基地式控制儀表2.單元組合控制儀表98結(jié)構(gòu)形式分類2.單元組合控制儀表變送單元：把各種被測(cè)量（溫度、壓力、流量、液位）變換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)?？刂茊卧簩y(cè)量信號(hào)和設(shè)定信號(hào)之差運(yùn)算后去控制執(zhí)行單元。執(zhí)行單元：按照控制信號(hào)或手動(dòng)信號(hào)去改變控制量大小。轉(zhuǎn)換單元：實(shí)現(xiàn)不同物理信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，不同標(biāo)準(zhǔn)之間轉(zhuǎn)換。氣<->電運(yùn)算單元：信號(hào)加減乘除，信號(hào)補(bǔ)償。給定單元：輸出被控量的設(shè)定值。顯示單元：參數(shù)指示、報(bào)警、記錄。輔助單元：特殊需要的（操作器、限幅器、安全防爆柵）。99結(jié)構(gòu)形式分類2.單元組合控制儀表993.組裝式控制儀表

一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表裝置。工程實(shí)際中已很少使用。4.集中計(jì)算機(jī)控制儀表

以數(shù)字計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制儀表。其外形結(jié)構(gòu)、面板布置保留了模擬式儀表的一些特征，但其運(yùn)算、控制功能更為豐富，通過組態(tài)可完成各種運(yùn)算處理和復(fù)雜控制。測(cè)量變送與執(zhí)行單元采用模擬儀表，調(diào)節(jié)單元采用數(shù)字儀表。結(jié)構(gòu)形式分類QDZⅠQDZⅡQDZⅢDDZⅠDDZⅡDDZⅢ單元組合式儀表發(fā)展階段｛1003.組裝式控制儀表4.集中計(jì)算機(jī)控制儀表結(jié)構(gòu)形式分類5.集散型控制儀表

將集中一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成的任務(wù)分派給各個(gè)微型過程控制計(jì)算機(jī)，再配上數(shù)字總線以及上一級(jí)過程控制計(jì)算機(jī)，組成各種各樣的、能適應(yīng)于不同過程的積木式分級(jí)分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了“控制分散”或“危險(xiǎn)分散”，管理高度集中。測(cè)量變送與執(zhí)行單元采用模擬儀表，調(diào)節(jié)單元采用數(shù)字儀表。6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制儀表

是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)聯(lián)系起來(lái)成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。采用全數(shù)字化、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)。通信協(xié)議規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、公開化，使各種控制系統(tǒng)通過總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互換和互操作。結(jié)構(gòu)形式分類1015.集散型控制儀表6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制儀表結(jié)構(gòu)形式分類101壓力變送器壓力變送器常用的控制儀表及裝置

102壓力壓力常用的控制儀表及裝置102自動(dòng)化儀表的信號(hào)制模擬儀表的信號(hào)制①氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC384制定了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB777《工業(yè)自動(dòng)化儀表用模擬氣動(dòng)信號(hào)》規(guī)定統(tǒng)一使用0.02MPa(0.2Kgf/cm2)～0.1MPa(1.0Kgf/cm2)的模擬氣壓信號(hào)。②電動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)–直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓直流比交流信號(hào)優(yōu)越：①直流信號(hào)不受交流感應(yīng)影響，因此抗干擾能力強(qiáng)。②直流信號(hào)傳輸不受線路電感電容等影響，無(wú)相移問 題。③直流信號(hào)便于模數(shù)轉(zhuǎn)換并與數(shù)字儀表相接

④容易獲得基準(zhǔn)電壓103自動(dòng)化儀表的信號(hào)制模擬儀表的信號(hào)制①氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)1②電動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)模擬儀表的信號(hào)制電流信號(hào)優(yōu)于電壓信號(hào)電流信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳輸（線路電阻上壓降太多，則信號(hào)耗損）。例4–20mA用0.6mm直徑雙絞線可傳輸1km電流信號(hào)4–20mA不從0mA起，可判別是否斷路或停電。數(shù)字式儀表的通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字或智能儀表與計(jì)算機(jī)之間采用數(shù)字通訊模式多種，如RS232、RS485、USB、PROFIBUS、ControlNet、CAN

、Hart、Modbus。數(shù)字比模擬信號(hào)的優(yōu)勢(shì)：

1、提高信號(hào)傳輸精度抗干擾能力強(qiáng)。

2、傳輸信息豐富，可傳測(cè)量值及廠家信息。

3、減少布線復(fù)雜性和費(fèi)用。104②電動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)模擬儀表的信號(hào)制104自動(dòng)化儀表的能源供給交流供電：

380V

220V交流電→降壓→整流→濾波→穩(wěn)壓直流集中供電的優(yōu)點(diǎn)：

1）體積↓、重量↓、溫升↓

2）防停電能力增強(qiáng)

3）無(wú)交流，易于防爆

105自動(dòng)化儀表的能源供給交流供電：105安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)儀表的防爆性能：防爆性能：本質(zhì)安全防爆性能與非本質(zhì)安全防爆性能。氣動(dòng)儀表本質(zhì)上是防爆的，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生電火花。電動(dòng)儀表防爆方案結(jié)構(gòu)型防爆：結(jié)構(gòu)上隔離產(chǎn)生火花的電路和爆炸氣體（類型有充油型、充氣型、隔爆型）。安全火花型防爆：把儀表電路在短路、斷路及誤操作各種狀態(tài)下可能產(chǎn)生的火花限制在爆炸氣體的點(diǎn)火能量之下（具有本質(zhì)安全防爆性能）。106安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)儀表的防爆性能：電動(dòng)儀表防爆方案結(jié)構(gòu)型安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)安全火花型防爆等級(jí)：限制火花能量，不同的氣體→不同的能量。電壓30VDC時(shí),不同爆性物最小引爆電流：儀表表面溫度過高可能產(chǎn)生自燃引起爆炸。易燃易爆氣體自燃溫度分5組。a、b、c、d、e，其中e組最低（100℃）。儀表防爆等級(jí)標(biāo)志

HⅢe：安全火花型、i≤70mA（30VDC）、≤100℃→安全107安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)安全火花型防爆等級(jí)：儀表表面溫度過高可安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)安全火花型防爆系統(tǒng)

條件:現(xiàn)場(chǎng)儀表為安全火花型；安全防爆柵隔離。108安全防爆儀表與防爆系統(tǒng)安全火花型防爆系統(tǒng)108參數(shù)檢測(cè)與變送概述溫度檢測(cè)與變送壓力檢測(cè)與變送流量檢測(cè)與變送液位檢測(cè)與變送成分分析與變送第二篇過程參數(shù)檢測(cè)與變送

109參數(shù)檢測(cè)與變送概述第二篇過程參數(shù)檢測(cè)與變送109參數(shù)控制→參數(shù)檢測(cè)→儀表（性能、原理）傳感器定義：國(guó)標(biāo)《GB7665-87》規(guī)定：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件：直接感受或影響被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件感受的被測(cè)量→適宜傳輸或測(cè)量。（微弱）

熱電偶敏感、轉(zhuǎn)換元件合一信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：放大、轉(zhuǎn)換。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——檢測(cè)儀表110參數(shù)控制→參數(shù)檢測(cè)→儀表（性能、原理）參數(shù)檢測(cè)與變送概述——測(cè)量過程----利用一個(gè)已知的單位量(即標(biāo)準(zhǔn)量)與被測(cè)的同類量進(jìn)行比較的過程。真值：即被測(cè)物理量的真實(shí)（或客觀）取值。在當(dāng)前現(xiàn)行的檢測(cè)體系中，是將“認(rèn)定設(shè)備”的檢測(cè)結(jié)果作為真值。通常，各國(guó)（或國(guó)際組織）將其法定計(jì)量機(jī)構(gòu)的專用設(shè)備作為認(rèn)定設(shè)備，它的檢測(cè)精度在這個(gè)國(guó)家（或國(guó)際組織）內(nèi)被認(rèn)為是最高的。顯而易見，用這種方法確定的“真值”稱為“約定真值”。檢測(cè)誤差----在測(cè)量過程中測(cè)量結(jié)果與被測(cè)物理量的真值之間的差值。它反映了測(cè)量結(jié)果的可靠程度，也反映了儀表的檢測(cè)精度。

參數(shù)檢測(cè)與變送概述——檢測(cè)誤差111測(cè)量過程----利用一個(gè)已知的單位量(即標(biāo)準(zhǔn)量)與被測(cè)的同類絕對(duì)誤差-----指測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之差。最大絕對(duì)誤差指的是絕對(duì)誤差中的最大值Δmax。

絕對(duì)誤差不能說明檢測(cè)質(zhì)量的好壞。（1℃→體溫、煉鋼）相對(duì)誤差-----指絕對(duì)誤差與真值或測(cè)量值之百分比。常見有如下三種表示方式：①實(shí)際相對(duì)誤差-----是指絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值(實(shí)際值)之百分比。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——檢測(cè)誤差112絕對(duì)誤差-----指測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之差。最大絕對(duì)誤差②標(biāo)稱相對(duì)誤差-----是指絕對(duì)誤差與儀表示值之百分比。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——檢測(cè)誤差③引用相對(duì)誤差-----是指絕對(duì)誤差與儀表的量程之百分比。基本誤差：儀表在規(guī)定的正常工作條件下所具有的誤差。使用標(biāo)準(zhǔn):220（1±5％）V、（50±2）Hz、（20±5） ℃、濕度65％±5％

附加誤差-----指儀表超出規(guī)定的正常工作條件時(shí)所增加的誤差。允許誤差-----指儀表的示值或性能不允許超過某個(gè)誤差范圍。113②標(biāo)稱相對(duì)誤差-----是指絕對(duì)誤差與儀表示值之百分比。參數(shù)測(cè)量誤差按其產(chǎn)生原因的不同,可以分為三類：系統(tǒng)誤差-----指測(cè)量?jī)x表本身或其他原因(如零點(diǎn)沒有調(diào)整好、元件不可靠等)引起的有規(guī)律的誤差。克服辦法：負(fù)反饋結(jié)構(gòu)隨機(jī)誤差-----指在多次測(cè)量中所出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的誤差。統(tǒng)計(jì)計(jì)算、濾波消除疏忽（粗大）誤差-----指觀察人員誤讀或不正確使用儀器與測(cè)試方案等人為因素所引起的誤差。系統(tǒng)誤差；隨機(jī)誤差；疏忽誤差114測(cè)量誤差按其產(chǎn)生原因的不同,可以分為三類：系統(tǒng)誤差；隨機(jī)誤固有特性：精確度、非線性誤差、靈敏度、分辨率、變差、漂移、動(dòng)態(tài)誤差。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性儀表精度是根據(jù)國(guó)家規(guī)定的允許誤差大小分成幾個(gè)等級(jí)的。某一類儀表的允許誤差是指在規(guī)定的正常情況下允許的引用誤差的最大值。我國(guó)過程檢測(cè)控制儀表的精度等級(jí)有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。科學(xué)小于0.05，一般工業(yè)用表為0.1～2.5級(jí)精度，我國(guó)DDZⅢ為0.5。儀表精度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí),對(duì)檢測(cè)儀表精確度的要求,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操作的實(shí)際情況和該參數(shù)對(duì)整個(gè)工藝過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來(lái)確定,這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。115固有特性：精確度、非線性誤差、靈敏度、分辨率、變差、漂移、舉例例1-1某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)溫范圍為200~700℃，校驗(yàn)該表時(shí)得到的最大絕對(duì)誤差為±4℃，試確定該儀表的引用相對(duì)百分誤差與準(zhǔn)確度等級(jí)。解

該儀表的引用相對(duì)誤差為

如果將該儀表的δ去掉“±”號(hào)與“％”號(hào)，其數(shù)值為0.8。由于國(guó)家規(guī)定的精度等級(jí)中沒有0.8級(jí)儀表，同時(shí)，該儀表的誤差超過了0.5級(jí)儀表所允許的最大誤差，所以，這臺(tái)測(cè)溫儀表的精度等級(jí)為1.0級(jí)。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性116舉例例1-1某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)溫范圍為200~700℃，校驗(yàn)非線性誤差（線性度）非線性誤差（線性度）是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實(shí)際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。通?？偸窍Ｍ麥y(cè)量?jī)x表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。線性度示意圖

式中，δf為線性度（又稱非線性誤差）；Δfmax為校準(zhǔn)曲線對(duì)于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計(jì)算）。117非線性誤差（線性度）非線性誤差（線性度）是表征線性刻度儀表的

變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對(duì)被測(cè)量在儀表全部測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測(cè)參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到?。y(cè)量時(shí)，被測(cè)量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。

測(cè)量?jī)x表的變差參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性儀表的變差不能超出儀表精度允許的誤差，否則應(yīng)及時(shí)檢修。118變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對(duì)被測(cè)量在儀表全靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個(gè)位移的被測(cè)參數(shù)變化量的比值。即

式中，S為儀表的靈敏度；Δα為指針的線位移或角位移；Δx為引起Δα所需的被測(cè)參數(shù)變化量。提高儀表的靈敏度可采用增加放大部分的放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過儀表的性能主要取決于儀表的基本誤差。

分辨力又稱靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動(dòng)作的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對(duì)誤差的一半。

注意：上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨率表示。

參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性119靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個(gè)位移的被測(cè)參數(shù)漂移

：時(shí)漂與溫漂動(dòng)態(tài)誤差：

干擾作用下處于變動(dòng)狀態(tài)下儀表輸出值與參數(shù)實(shí)際值的差異。

產(chǎn)生原因：

慣性和純滯后檢測(cè)儀表的工作特性：適應(yīng)參數(shù)測(cè)量和系統(tǒng)運(yùn)行的需要具有的輸入/輸出特性理想工作特性：120漂移：時(shí)漂與溫漂檢測(cè)儀表的工作特性：適應(yīng)參數(shù)測(cè)量和系統(tǒng)運(yùn)行零點(diǎn):被測(cè)參數(shù)的下限值或?qū)?yīng)儀表輸出下限值的被測(cè)參數(shù)最大值。零點(diǎn)調(diào)整：使儀表的測(cè)量下限值為零的過程。（使）零點(diǎn)遷移：使儀表的測(cè)量下限值不為零的過程。（使）參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性未遷移正遷移負(fù)遷移121零點(diǎn):被測(cè)參數(shù)的下限值或?qū)?yīng)儀表輸出下限值零點(diǎn)調(diào)整：量程：是指與檢測(cè)儀表規(guī)定的輸出范圍相對(duì)應(yīng)的輸入范圍.量程調(diào)整：是指在零點(diǎn)不變時(shí)將輸出上限值與輸入上限值相對(duì)應(yīng)；量程調(diào)節(jié)前后輸入\輸出特性參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率。

122量程：是指與檢測(cè)儀表規(guī)定的輸出范圍相對(duì)應(yīng)的輸入范圍.量程調(diào)節(jié)實(shí)例某測(cè)溫儀表的量程為0～500℃，輸出信號(hào)為4～20mA，現(xiàn)欲測(cè)量200～1000℃應(yīng)如何調(diào)整？①調(diào)量程②零點(diǎn)遷移參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性123實(shí)例參數(shù)檢測(cè)與變送概述——儀表基本特性123模擬式變送器構(gòu)成：測(cè)量、放大、反饋、零點(diǎn)調(diào)整與遷移。原理說明：將輸入的各種被測(cè)參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——變送器的構(gòu)成原理模擬式變送器的構(gòu)成框圖變送器：傳感器信號(hào)種類多信號(hào)弱→統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。模擬變送器、數(shù)字變送器輸入/輸出關(guān)系理想線性特性：測(cè)量系數(shù)反饋系數(shù)比值為常值時(shí)，具有線性比例關(guān)系124模擬式變送器構(gòu)成：原理說明：將輸入的各種被測(cè)參數(shù)（如溫度、壓

數(shù)字式變送器的構(gòu)成原理（基于CPU的硬件電路、系統(tǒng)程序和功能模塊的軟件）（1）數(shù)字式變送器的硬件構(gòu)成（2）軟件構(gòu)成系統(tǒng)程序：硬件管理，其基本功能為模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、自檢；功能模塊：用戶組態(tài)各種功能。參數(shù)檢測(cè)與變送概述——變送器的構(gòu)成原理125數(shù)字式變送器的構(gòu)成原理（基于CPU的硬件電路、系統(tǒng)程序和四線制和二線制方式二線制滿足的條件：參數(shù)檢測(cè)與變送概述——

變送器的信號(hào)傳輸方式二線制優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省連接電纜、有利于安全防爆和抗干擾

目前大多數(shù)變送器均為二線制變送器

正常工作需要電流≤輸出電流的最小值：

輸出端電壓：最小有效功率：二線制變送器RLErrIo+VT—RL四線制變送器Io電源126四線制和二線制方式二線制滿足的條件：參數(shù)檢測(cè)與變送概述——

參數(shù)檢測(cè)與變送概述——變送器的信號(hào)傳輸方式

HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）協(xié)議是一種過渡性協(xié)議，它采用頻移鍵控FSK技術(shù)，在4～20mA過程測(cè)量模擬信號(hào)上疊加了一個(gè)頻率信號(hào)，使模擬信號(hào)與數(shù)字雙向通訊能同時(shí)進(jìn)行，即在一條電纜上同時(shí)傳輸4～20mA的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，互不干擾。我國(guó)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的模擬儀表仍大量存在，HART協(xié)議起到了承前啟后的作用，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金會(huì)。HART通信協(xié)議是依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，簡(jiǎn)化并引用其中三層：

物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層HART通訊協(xié)議:127參數(shù)檢測(cè)與變送概述——變送器的信號(hào)傳輸方式HART（HART（HighwayAddressableTransducer)協(xié)議傳輸方式信號(hào)傳輸：基于Bell202通訊標(biāo)準(zhǔn)，采用頻移鍵控FSK方法，在4～20mA基礎(chǔ)上疊加幅度為±0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和基于頻移鍵控（FSK)的疊加傳輸速率為1200bit/s參數(shù)檢測(cè)與變送概述——變送器的信號(hào)傳輸方式128HART（HighwayAddressableTrans參數(shù)檢測(cè)與變送——溫度的檢測(cè)與變送測(cè)量溫度的方法：（從測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)接觸與否來(lái)分）接觸式測(cè)量:即通過測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)的接觸來(lái)測(cè)量物體的溫度.特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高。但由于要達(dá)到熱平衡，因而產(chǎn)生了滯后。而且可能與被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)量:即通過接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷溫度。特點(diǎn)：其測(cè)溫范圍很廣，其測(cè)溫上限原則上不受限制；測(cè)溫速度比較快，而且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行測(cè)量，但一般測(cè)溫誤差較大。

電的測(cè)溫儀表精度高，信號(hào)又便于傳輸。因此熱電偶和熱電阻在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。129參數(shù)檢測(cè)與變送——溫度的檢測(cè)與變送測(cè)量溫度的方法：（從測(cè)量體基于熱－阻效應(yīng)，常用測(cè)溫元件參數(shù)檢測(cè)與變送—溫度的檢測(cè)與變送常用溫度計(jì)的種類及適用溫度130基于熱－阻效應(yīng)，常用測(cè)溫元件參數(shù)檢測(cè)與變送—溫度的檢測(cè)與變送接觸式測(cè)溫工業(yè)常用測(cè)溫元件參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫131接觸式測(cè)溫工業(yè)常用測(cè)溫元件參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫131◆受熱物質(zhì)膨脹產(chǎn)生壓力（尺寸）變形。參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫132◆受熱物質(zhì)膨脹產(chǎn)生壓力（尺寸）變形。參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式1)金屬熱電阻：鉑電阻銅電阻A=3.908×10-3

B=5.8×10-7C=-4.27×10-12α=

4.25×10-3◆熱電阻及其測(cè)溫原理:基于熱－阻效應(yīng)參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫1331)金屬熱電阻：鉑電阻A=3.908×10-3B=5.2)半導(dǎo)體熱敏電阻的測(cè)溫(溫度系數(shù))計(jì)算B：溫度系數(shù)：溫度變化1℃時(shí)電阻值的相對(duì)變化量。計(jì)算：負(fù)溫度系數(shù)：NTC型；正溫度系數(shù)：PTC型；臨界：CTR型參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫

的絕對(duì)值越大，熱敏電阻的靈敏度越高1342)半導(dǎo)體熱敏電阻的測(cè)溫(溫度系數(shù))計(jì)算B：溫度系數(shù)：溫?zé)崦綦娮璧臏囟忍匦詢?yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)大(與熱電阻相比)；缺點(diǎn)：互換性差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍低：－50～300℃。適用于家電和汽車的測(cè)溫。參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫NTC：較寬范圍；低溫靈敏度高PTC：在某個(gè)溫度段隨溫度急劇上升CTR：在某溫度段隨溫度急劇下降

PTC、CTR常用作位式溫度檢測(cè)135熱敏電阻的溫度特性優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)大(與熱電阻相比)；參數(shù)檢測(cè)熱電阻的接線方式a)

兩線制，用于測(cè)量精度不高的場(chǎng)合b)三線制，電橋平衡，與導(dǎo)線電阻無(wú)關(guān)，平衡時(shí)C）四線制，用于高精度的溫度測(cè)量，如用內(nèi)阻很高的電子電位差計(jì)測(cè)量參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫136熱電阻的接線方式a)兩線制，用于測(cè)量精度不高的場(chǎng)合b)參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫137參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫1373

熱電偶測(cè)溫基本原理：“熱電效應(yīng)”，即利用——當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并形成電流。由于熱電偶儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍寬（從-270℃到+1200℃）、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛，常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。

熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。接觸電勢(shì)是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點(diǎn)接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差。參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫1383熱電偶測(cè)溫參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫138熱電偶的測(cè)溫原理：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩點(diǎn)結(jié)論：1）電極材料相同，總電勢(shì)為零；2）冷、熱端溫度相同，總電勢(shì)為零。熱電偶回路

溫差電勢(shì)遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)冷端溫度不變時(shí)溫度、電勢(shì)單值關(guān)系參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫139熱電偶的測(cè)溫原理：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩點(diǎn)結(jié)論：1）電極材料相熱電勢(shì)的檢測(cè)與第三導(dǎo)體定律當(dāng)有第三（中間）導(dǎo)體定律：只要第三導(dǎo)體兩接點(diǎn)溫度相同，回路中熱電勢(shì)不變第三種導(dǎo)體c，回路熱電勢(shì)意義:可插入測(cè)量?jī)x表

參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫140熱電勢(shì)的檢測(cè)與第三導(dǎo)體定律當(dāng)有第三（中間）導(dǎo)體定律：只要第三參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫只有冷端溫度不變時(shí)，溫度、電勢(shì)才具有一對(duì)一的單值關(guān)系。為什么要冷端延伸？141參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫只有冷端溫度不變時(shí)，溫度、電勢(shì)才冷端延伸與等值替換原理補(bǔ)償導(dǎo)線的作用？等值替換原理等值替換的條件：a圖回路的總熱電勢(shì)：因而有設(shè)等值替換原理：用廉價(jià)材料將冷端延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定的控制室內(nèi)，不影響熱電偶熱電勢(shì)參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫142冷端延伸與等值替換原理補(bǔ)償導(dǎo)線的作用？等值替換原理等值替換的依據(jù)則有結(jié)論：將滿足的補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電偶使冷端延伸，不會(huì)改變熱電偶的熱電勢(shì)補(bǔ)償導(dǎo)線的連接示意圖參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫143依據(jù)則有結(jié)論：將滿足標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、型號(hào)（分度號(hào)）按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC)統(tǒng)一規(guī)定。我國(guó)部分標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫144標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤熱電偶的冷端溫度校正（補(bǔ)償）為什么要校正？中間溫度定則：熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、TC和TC、T0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代數(shù)和。 EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)意義:只需列出熱電偶在參比端溫度為0℃的分度表，就可以求出參比端在其它溫度時(shí)的熱電勢(shì)值。參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫冷端雖可以被延長(zhǎng)到溫度相對(duì)穩(wěn)定的地方，但不能保證絕對(duì)不變國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱電偶分度表是在冷端溫度t0=0時(shí)制定的，當(dāng)t0不為零且經(jīng)常變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。145熱電偶的冷端溫度校正（補(bǔ)償）為什么要校正？中間溫度定則：熱電1）查表法(冷端溫度不為零時(shí)的校正方法)：冷端溫度熱電偶總電勢(shì)查表得溫度t例：K型熱偶，測(cè)t,冷端溫度測(cè)得E(t,30)=21.995mV,查表 E(30,0)=1.203mV經(jīng)計(jì)算：E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=23.198m，反查分度表：t=560℃1461）查表法(冷端溫度不為零時(shí)的校正方法)：冷端溫度熱電偶總電熱電偶的冷端溫度校正2）電橋補(bǔ)償法：利用電橋某橋臂電阻因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的附加電壓

補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)的變化

參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫147熱電偶的冷端溫度校正2）電橋補(bǔ)償法：利用電橋某橋臂電阻因環(huán)境例：鉑銠－鉑銠熱偶，冷端0～100℃：電勢(shì)變化6μv/℃，橋臂電流為0.5mA,銅溫度系數(shù)α＝0.004/℃。全補(bǔ)償?shù)臈l件為：經(jīng)計(jì)算：加保護(hù)套管：可延長(zhǎng)使用壽命；但使慣性滯后↑（1.5～4min).不加為毫秒級(jí)接觸式測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)：精度高、小范圍線性度與穩(wěn)定性好測(cè)溫范圍寬（500～2000℃）缺點(diǎn)：高于2000℃時(shí)，不能長(zhǎng)期使用，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)溫，不能使用參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫148例：鉑銠－鉑銠熱偶，冷端0～100℃：電勢(shì)變化6μv/℃，橋各種類型的熱電偶參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫149各種類型的熱電偶參數(shù)檢測(cè)與變送——接觸式測(cè)溫149

非接觸式測(cè)溫（輻射式測(cè)溫）原理：載熱體→熱能→輻射能→輻射能→熱能→受體溫度↑。特點(diǎn)：無(wú)媒介，無(wú)上限（3200℃）

，測(cè)速快，對(duì)熱場(chǎng)無(wú)干擾，用于運(yùn)動(dòng)物體、腐蝕

性介質(zhì)的測(cè)溫；缺點(diǎn)：易受影響（煙、距離、輻射率）、測(cè)量誤差大、標(biāo)定難結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴常用元件：高溫輻射計(jì)、低溫輻射計(jì)、光電溫度計(jì)；熱輻射→透鏡（反射鏡）聚集→熱電堆（熱敏電阻、硅光電池）→電信號(hào)。高溫輻射計(jì)：光學(xué)玻璃透鏡（光波長(zhǎng)0.7～1.1μm）與硅光電池(700～2000℃→0～

20mV)組成；誤差：＜1500℃，±0.7%;＞1500℃，±1%；響應(yīng)時(shí)間＜1毫秒?yún)?shù)檢測(cè)與變送——非接觸式測(cè)溫150非接觸式測(cè)溫（輻射式測(cè)溫）原理：載熱體→熱能→輻射能→輻射測(cè)溫儀表選用原則1）精度符合誤差要求；2）操作方便、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)合理，統(tǒng)一品種與規(guī)格3）量程略大于實(shí)測(cè)范圍（90％）；4）高溫：熱電偶；低溫：熱電阻5）保護(hù)套管的耐壓等級(jí)＞管線或設(shè)備的耐壓等級(jí)光電溫度計(jì)：光透鏡（光波長(zhǎng)0.6～2.7