第一講 自動(dòng)控制系統(tǒng)與測(cè)量的基本概念

1電氣測(cè)試技術(shù)主講：

劉志成自動(dòng)化系2電氣測(cè)試技術(shù)什么是自動(dòng)化？儀表與自動(dòng)化的關(guān)系？測(cè)量儀表在自動(dòng)化中的地位？

測(cè)量的基本知識(shí)

3自動(dòng)化的概念工業(yè)自動(dòng)化的概念：工業(yè)自動(dòng)化是化工、煉油、食品、輕工、電力等流程工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的簡稱。在生產(chǎn)設(shè)備上，配上一些自動(dòng)化裝置（儀表），代替操作人員的部分直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行，并達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，這種用自動(dòng)化裝置來管理生產(chǎn)過程的辦法，稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化。4自動(dòng)化的概念

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過程的生產(chǎn)規(guī)模越來越大型化、復(fù)雜化，各種類型的自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的基本條件和重要保證5自動(dòng)化的概念進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器6自動(dòng)化的概念進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器進(jìn)料口執(zhí)行器變送器控制站7

自動(dòng)化的概念

系統(tǒng)：由相互聯(lián)系的具有特定功能的若干部分(環(huán)節(jié))組成的完成一定任務(wù)的整體。

強(qiáng)調(diào)整體性和協(xié)調(diào)性8

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成

(1)、被控對(duì)象：生產(chǎn)中要求控制的生產(chǎn)設(shè)備（或過程）；

(2)、測(cè)量元件或變送器：對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的儀表；

(3)、控制器：把被控參數(shù)的測(cè)量值與給定值相減得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，同時(shí)將此結(jié)果送給調(diào)節(jié)閥；

(4)、調(diào)節(jié)閥：根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的信號(hào)的大小，自動(dòng)改變閥的開啟度，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，實(shí)現(xiàn)控制的目的。9

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的有關(guān)名詞術(shù)語

（1）被控對(duì)象（受控對(duì)象）；（2）被控變量（受控變量）：控制對(duì)象內(nèi)要求以一定的精度保持恒定或隨某一參數(shù)（給定值）的變化而變化的變量；（3）給定值：要求被控參數(shù)所保持或遵循的數(shù)值（4）偏差：給定值與測(cè)量值的差值（5）干擾：影響被控變量，使其偏離給定值的因素（6）操縱變量：影響被控變量，克服干擾使被控變量回到給定值的（調(diào)節(jié)閥的輸出）；（7）控制作用：控制器的輸出10

自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程以換熱器系統(tǒng)為例11

自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量4、影響控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的主要因素

被控對(duì)象是核心測(cè)量儀表是基礎(chǔ)控制器是靈魂調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）是關(guān)鍵12常見的測(cè)控參數(shù)：T、P、L、F、A（五大參數(shù)）

5.測(cè)控儀表的分類：變送器（傳感器）、執(zhí)行器、控制器三大類

控制器：常規(guī)調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

130引言----檢測(cè)過程（步驟）參數(shù)檢測(cè)（測(cè)量）就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的值。被測(cè)變量檢測(cè)環(huán)節(jié)參數(shù)測(cè)量的基本過程被測(cè)對(duì)象傳送放大環(huán)節(jié)顯示環(huán)節(jié)

測(cè)量是以確定被測(cè)量的量值為目的的一組操作；量值一般是由一個(gè)數(shù)乘計(jì)量單位所表示的特定量的大小；真值是指被測(cè)量的真實(shí)值。140引言----檢測(cè)過程（步驟）參數(shù)（檢測(cè)測(cè)量）就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的值。被測(cè)變量檢測(cè)環(huán)節(jié)參數(shù)測(cè)量的基本過程被測(cè)對(duì)象傳送放大環(huán)節(jié)顯示環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)（元件）又稱為敏感元件，它直接響應(yīng)被測(cè)變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測(cè)變量成對(duì)應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號(hào)，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。傳感器--非電量轉(zhuǎn)換成電量的器械

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由于檢測(cè)元件的輸出信號(hào)種類很多，而且信號(hào)往往很微弱，一般需要經(jīng)過變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號(hào)或者滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號(hào)。信號(hào)送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時(shí)送往控制器對(duì)被控變量進(jìn)行控制。

有些時(shí)候，檢測(cè)環(huán)節(jié)可以不經(jīng)過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測(cè)量顯示出來。

0引言----檢測(cè)過程（步驟）16檢測(cè)——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測(cè)元件輸出的各種信號(hào)、微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號(hào)。顯示或記錄靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動(dòng)態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對(duì)檢測(cè)儀表要求：17測(cè)量的基本概念

一、測(cè)量過程的實(shí)質(zhì)與測(cè)量誤差

（以溫度，電阻測(cè)量為例說明）

1、測(cè)量過程實(shí)質(zhì)上是被測(cè)參數(shù)信號(hào)能量形式的一次或多次不斷變化或傳送，并將被測(cè)參數(shù)與相應(yīng)的測(cè)量單位進(jìn)行比較的過程，而測(cè)量儀表就是實(shí)現(xiàn)變換、比較的工具。18測(cè)量的基本概念2、測(cè)量誤差:

是被測(cè)量的真值與測(cè)量值的差值。有測(cè)量就有誤差。（1）誤差產(chǎn)生的原因；（2）誤差的特點(diǎn)及分類；（3）誤差的表示方法：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差（4）誤差的計(jì)算方法：真值的求?。ㄋ阈g(shù)平均值或標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)）

19測(cè)量的基本概念（1）誤差產(chǎn)生的原因：

a測(cè)量儀表的基本特性誤差是由測(cè)量儀表的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)原因造成的，它反映了設(shè)計(jì)方面的方法誤差和結(jié)構(gòu)工作原理有關(guān)的誤差。在生產(chǎn)方面有零部件加工誤差、裝配誤差和測(cè)量方法誤差等。也就是說，基本特性誤差是由于傳感器本身質(zhì)量不高的因素造成的，只有排除或減小各項(xiàng)誤差因素，才能提高其精確程度。20測(cè)量的基本概念（1）誤差產(chǎn)生的原因：

b一般把來源于測(cè)量儀表的外部，可能改變檢測(cè)儀表的基本工作特性的誤差叫做影響誤差或附加誤差。21測(cè)量的基本概念（1）誤差產(chǎn)生的原因：由上面看出：測(cè)量誤差主要由基本特性誤差和影響誤差兩種形式反映出來，從誤差的特性來看，前者綜合了檢測(cè)儀表結(jié)構(gòu)組合性能，后者則體現(xiàn)檢測(cè)儀表的適應(yīng)性能。

22測(cè)量的基本概念（2）誤差的特點(diǎn)及分類：

在測(cè)量過程中，存在諸多因素都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。誤差的成因不同，以致誤差的性質(zhì)和表現(xiàn)出的特征也不同，據(jù)此可將測(cè)量誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

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測(cè)量的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性補(bǔ)充概念測(cè)量的四要素：測(cè)量程序；環(huán)境條件；設(shè)備儀器；操作人員重復(fù)性：在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次的測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。復(fù)現(xiàn)性：改變測(cè)量條件，同一被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果之間的一致性24測(cè)量的基本概念

系統(tǒng)誤差：在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無限次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差。系統(tǒng)誤差的共同特點(diǎn)是確定的變化規(guī)律，成因不同，變化規(guī)律也不同。按其變化規(guī)律系統(tǒng)誤差可分為定值系統(tǒng)誤差、線性變化的系統(tǒng)誤差、周期變化的系統(tǒng)誤差和復(fù)雜規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。對(duì)于成因已知的系統(tǒng)誤差，可以通過工藝途徑、防護(hù)隔離等措施使之得到改善和消除；對(duì)于變化規(guī)律已知的，還可以通過修正補(bǔ)償使之改善和消除。但是系統(tǒng)誤差及其產(chǎn)生原因和變化規(guī)律不能完全獲知，很難做到完全消除。25測(cè)量的基本概念

隨機(jī)誤差：隨機(jī)誤差是指測(cè)量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值之差。隨機(jī)誤差的最主要特征是隨機(jī)性。與其它隨機(jī)變量一樣，測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)誤差分析是以概率論為基礎(chǔ)的，在大量重復(fù)試驗(yàn)和測(cè)量時(shí)，就其個(gè)別來說具有偶然性，但就其總體來說，則具有必然性即符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如有正態(tài)分布、均勻分布、二項(xiàng)分布等26測(cè)量的基本概念

隨機(jī)誤差的正態(tài)分布：27測(cè)量的基本概念

隨機(jī)誤差的正態(tài)分布：28測(cè)量的基本概念

（3）誤差的表示方法：

絕對(duì)誤差（測(cè)量結(jié)果與真值之差）

相對(duì)誤差（相對(duì)于真值或量程）

一臺(tái)測(cè)量范圍0～1000kPa的壓力測(cè)量儀表，其最大絕對(duì)誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺(tái)測(cè)量范圍0～400kPa的壓力測(cè)量儀表，其最大絕對(duì)誤差5kPa，請(qǐng)問哪一臺(tái)壓力檢測(cè)儀表的精度更高？29測(cè)量的基本概念

（4）誤差的計(jì)算方法：關(guān)鍵在于真值的求?。ㄋ阈g(shù)平均值或標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)）

30測(cè)量的基本概念

隨機(jī)誤差的正態(tài)分布：31測(cè)量的基本概念二、儀表的性能指標(biāo)

1、精度；2、變差；3、靈敏度與靈敏限（模擬儀表）；4、分辨力（數(shù)字儀表）；5、線性度；6重復(fù)性；7、反應(yīng)時(shí)間（動(dòng)態(tài)誤差）。

32測(cè)量的基本概念1、精度：絕對(duì)誤差能夠在一定程度上反應(yīng)儀表的精度；相對(duì)誤差能夠更有效地反應(yīng)儀表的精度。這是由于…。

因此，工業(yè)上常將絕對(duì)誤差折合成儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，稱為相對(duì)百分誤差。實(shí)踐中，就是根據(jù)該相對(duì)百分誤差確定儀表的精度等級(jí)。33

精度等級(jí)（精度）

——表示儀表測(cè)量結(jié)果的可靠程度。

儀表的精度等級(jí)是根據(jù)儀表的相對(duì)誤差來定義的。具體做法：相對(duì)誤差去掉“±”號(hào)及“%”后，系列化圓整后的數(shù)值。儀表精度等級(jí)數(shù)值越小，說明儀表測(cè)量準(zhǔn)確度越高。

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儀表的精度等級(jí)以一定的符號(hào)形式表示在儀表標(biāo)尺板上，如1.0外加一個(gè)圓圈或三角形。精度等級(jí)1.0，說明該儀表允許誤差為1.0%。

目前我國生產(chǎn)的儀表的精度等級(jí)有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。

顯然儀表精度等級(jí)數(shù)值越小，說明儀表測(cè)量準(zhǔn)確度越高。

1.01.0允許誤差？35儀表的精度等級(jí)是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級(jí)數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級(jí)數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級(jí)數(shù)值一般大于等于0.5。

36[例1]某臺(tái)測(cè)溫儀表的量程是600--1100℃，其最大絕對(duì)誤差為±4℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。

由于國家規(guī)定的精度等級(jí)中沒有0.8級(jí)儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了0.5級(jí)儀表的允許誤差，所以這臺(tái)儀表的精度等級(jí)應(yīng)定為1.0級(jí)。解儀表的最大相對(duì)誤差為37[例2]某臺(tái)測(cè)溫儀表的量程是600--1100℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃，應(yīng)選精度等級(jí)為多少的儀表才能滿足工藝要求。解根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為38±0.8%介于允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級(jí)應(yīng)為1.0級(jí)。量程為600～1100℃，精確度為1.0級(jí)的儀表，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺(tái)允許誤差為±0.5%，即精確度等級(jí)為0.5級(jí)的儀表，才能滿足工藝要求。39☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆習(xí)題1：某壓力變送器測(cè)量范圍為0～400kPa，在校驗(yàn)該變送器時(shí)測(cè)得的最大絕對(duì)誤差為—5kPa，請(qǐng)確定該儀表的精度等級(jí)。解：先求最大相對(duì)百分誤差去掉和%為1.25，因此該變送器精度等級(jí)為1.5級(jí)

40☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆習(xí)題2：根據(jù)工藝要求選擇一測(cè)量范圍為0~40m3/h的流量計(jì)，要求測(cè)量誤差不超過0.5m3/h，請(qǐng)選擇該儀表的精度等級(jí)。

解：同樣，先求最大相對(duì)百分誤差因此該流量計(jì)必須選擇1.0級(jí)的流量計(jì)

41☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆例3：某被測(cè)溫度信號(hào)在70～80℃范圍內(nèi)變化，工藝要求測(cè)量誤差不超過±1％，現(xiàn)有兩臺(tái)溫度測(cè)量儀表，精度等級(jí)均為0.5級(jí)，其中一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～100℃，另一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～200℃，試問這兩臺(tái)儀表能否滿足上述測(cè)量要求。42解：由題意可知，被測(cè)溫度的允許最大絕對(duì)誤差為：|△max|＝80×1％＝0.8℃

測(cè)量范圍為0～100℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃

測(cè)量范圍為0～200℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃

根據(jù)上述計(jì)算，雖然兩臺(tái)儀表的精度等級(jí)均為0.5級(jí)，但只有測(cè)量范圍是0～100℃的溫度測(cè)量儀表才滿足本題的測(cè)量要求。

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儀表精度與量程有關(guān)，量程是根據(jù)所要測(cè)量的工藝變量來確定的。在儀表精度等級(jí)一定的前提下適當(dāng)縮小量程，可以減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確性。44測(cè)量的基本概念2、變差：對(duì)于某一輸入量，測(cè)量儀表在正行程時(shí)的輸出量明顯地、有規(guī)律地不同于其在反行程時(shí)在同一輸入量下的輸出量，被測(cè)量值正行程和反行程所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差。造成變差的原因有多種，如磁性材料的磁滯、彈性材料的內(nèi)摩擦、運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦及間隙等。45測(cè)量的基本概念

46測(cè)量的基本概念

變差可用測(cè)量儀表正行程和反行程特性之間之間的最大差值，以滿量程輸出的百分比來表示：

47測(cè)量的基本概念3、靈敏度與靈敏限（模擬儀表中常用）：靈敏度是指測(cè)量儀表在靜態(tài)工作條件下，輸出量的變化與引起該變化量的輸入變化量之比，其表達(dá)式為：48測(cè)量的基本概念3、靈敏度與靈敏限：

由于種種原因，會(huì)引起靈敏度變化，從而產(chǎn)生靈敏度誤差：靈敏限是指能引起指示值發(fā)生變化被測(cè)參數(shù)的最小變化量494、分辨力（數(shù)字儀表中常用）：分辨力是指測(cè)量儀表能檢測(cè)到的最小的輸入增量。測(cè)量儀表的輸入輸出關(guān)系不可能做到絕對(duì)連續(xù)。有些測(cè)量儀表，（有時(shí)）輸入量開始變化，但輸出量并不隨之發(fā)生變化，而是輸入量變化到一定程度時(shí)輸出才突然產(chǎn)生一小的階躍變化，表征了測(cè)量儀表的分辨力。504、分辨力（數(shù)字儀表中常用）：分辨力它可以用輸入量表示，也可以用輸出量表示，是一個(gè)可反映測(cè)量儀表是否能精密測(cè)量的性能指標(biāo)。造成測(cè)量儀表具有有限分辯力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦和卡死等，還有數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)算維數(shù)有限，線繞電位器的有限匝數(shù)等。測(cè)量儀表輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。51分辨率（儀表靈敏限）：儀表輸出能分辨和響應(yīng)的最小輸入變化量。分辨率是靈敏度的一種反映。對(duì)于數(shù)字式儀表而言，分辨率就是數(shù)字顯示器最末位數(shù)字間隔代表被測(cè)量的變化與量程的比值。52測(cè)量的基本概念5、線性度:傳感器的輸入與輸出關(guān)系或多或少地存在非線性問題。為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，通常希望將非線性特性線性化，在非線性不太嚴(yán)重時(shí)，總是采用直線擬合的辦法線性化。這樣理想特性是線性的，但實(shí)際特性卻存在非線性。

53測(cè)量的基本概念

54測(cè)量的基本概念

在采用直線擬合線性化時(shí)，傳感器實(shí)際輸入輸出平均特性曲線與其擬合直線（參考直線,或稱理論直線）之間的最大偏差，稱為非線性誤差，一般用相對(duì)誤差來表示：

55測(cè)量的基本概念6、重復(fù)性：重復(fù)性是指測(cè)量儀表在輸入按同一方向作全行程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度，是一個(gè)反映測(cè)量儀表能否精密測(cè)量的性能指標(biāo)。重復(fù)性誤差取正、反行程的兩個(gè)最大偏差中之較大者，再以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示：56測(cè)量的基本概念

577、反應(yīng)時(shí)間（動(dòng)態(tài)誤差）

相對(duì)百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤