大學(xué)課件-過程控制

過程控制系統(tǒng)ProcessControlSystem中國地質(zhì)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2025年3月4日課程介紹課程名稱

過程控制系統(tǒng)

ProcessControlSystem老師介紹

姓名：曹衛(wèi)華聯(lián)系方式：weihuacao@

電話：先修課程微機(jī)原理及接口技術(shù)，自動(dòng)控制原理，檢測(cè)技術(shù)等教材郭一楠，常俊林，趙峻等編著，過程控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，2013年主要參考書 李國勇，過程控制系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，2009

邵欲森，過程控制及儀表，上海交通大學(xué)出版社，2007

方康玲.過程控制系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)出版社(第2版)，2007學(xué)時(shí)安排

3學(xué)分,48個(gè)學(xué)時(shí)，理論教學(xué)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)成績(jī)，占總評(píng)成績(jī)60%

其中：出勤40%，實(shí)驗(yàn)30%，作業(yè)30%

閉卷考試，占總評(píng)成績(jī)40%

缺勤3次，將不能參加考試課程內(nèi)容第1章緒論第2章被控過程特性及其數(shù)學(xué)模型第3章過程參數(shù)檢測(cè)與變送儀表第4章執(zhí)行器第5章儀表本安防爆技術(shù)第6章PID控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定第7章復(fù)雜過程控制系統(tǒng)第8章先進(jìn)過程控制系統(tǒng)第9章計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)第10章過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為保證生產(chǎn)安全，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約能源，發(fā)送勞動(dòng)條件和保護(hù)環(huán)境，必須對(duì)生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量、物位、粘度、濕度、酸堿度及各種物料的成分等進(jìn)行自動(dòng)控制。過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)：保持生產(chǎn)過程中各種參數(shù)處于期望的運(yùn)行工況，安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，滿意環(huán)境和質(zhì)量的要求。應(yīng)用領(lǐng)域：石油、化工、冶金、機(jī)械、電力、紡織、建材、材料、輕工及航空航天等工業(yè)部門。第1章緒論1.1典型過程控制問題1.2過程控制性能要求1.3過程控制系統(tǒng)組成1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況1.5過程控制系統(tǒng)的分類1.6本章小結(jié)1.1典型過程控制問題過程控制是指工業(yè)生產(chǎn)過程中連續(xù)的或按一定周期程序運(yùn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)化。過程是采用化學(xué)和物理方法將原料加工成產(chǎn)品的過程，涉及過程操作和設(shè)備運(yùn)行兩個(gè)方面。根據(jù)過程特性，可劃分為連續(xù)、間歇兩種形式。返回1.1典型過程控制問題1.1.1連續(xù)過程1.1.2間歇過程返回1.1.1連續(xù)過程連續(xù)過程：穩(wěn)態(tài)條件下連續(xù)完成生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)過程。熱交換器反應(yīng)釜過程變量可劃分為三類：被控量（ControlledVariable）：被控制的過程變量，如液位，溫度等。被控量的期望值稱為設(shè)定值。操作量（ManipulatedVariable）：用來保持被控量等于或接近設(shè)定值的過程變量。如液體輸入流量，蒸汽量等。干擾量（DisturbanceVariable）：能夠影響被控量的過程變量，往往與過程操作環(huán)境的變化有關(guān)，如環(huán)境溫度，物料入口溫度等。返回1.1.2間歇過程返回間歇與半間歇過程：存在一系列操作工序，無論發(fā)生在一個(gè)設(shè)備還是多個(gè)設(shè)備，都需要按照預(yù)定的順序來執(zhí)行，從而生產(chǎn)出指定數(shù)量的產(chǎn)品，適于產(chǎn)品頻繁改變或產(chǎn)量較少情況。P2圖1-2間歇過程（E1-E3為生產(chǎn)設(shè)備）說明：間歇過程在產(chǎn)品頻繁改變用生產(chǎn)的數(shù)量很少時(shí)，能滿足多產(chǎn)品生產(chǎn)所需的靈活性。間歇過程的核心在于如何保證在合格生產(chǎn)多個(gè)產(chǎn)品的同時(shí)使設(shè)備利用率最大。間歇過程用于微電子，制藥，特殊化學(xué)和發(fā)酵工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。P2表1-1連續(xù)過程與間歇過程之間的差別類型連續(xù)過程間歇過程生產(chǎn)過程按預(yù)定順序進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備的使用能生產(chǎn)多種產(chǎn)品任意組合生產(chǎn)給定的一種產(chǎn)品輸出產(chǎn)品批量連續(xù)工藝條件可變化穩(wěn)態(tài)、一般不變化返回過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：生產(chǎn)過程的連續(xù)性：在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)被控過程都是以長(zhǎng)期的或間歇形式運(yùn)行，在密閉的設(shè)備中被控變量不斷的受到各種擾動(dòng)的影響。被控過程的復(fù)雜性：過程控制涉及范圍廣，被控對(duì)象較復(fù)雜控制方案的多樣性：過程控制系統(tǒng)的控制方案非常豐富多為定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)由過程檢測(cè)控制儀表組成1.2過程控制性能要求過程控制要求在設(shè)定值發(fā)生變化或受到外界擾動(dòng)作用時(shí)，被控量應(yīng)能平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。穩(wěn)定性：首要指標(biāo)?？焖傩裕寒?dāng)控制系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，控制系統(tǒng)能盡快地做出響應(yīng)，改變控制量，使被控量與設(shè)定值之間有偏差的時(shí)間盡可能短。準(zhǔn)確性：控制系統(tǒng)的被控量與設(shè)定值之間的偏差，即靜態(tài)偏差盡可能小。偏離度：被控量偏離設(shè)定值的離散程度。返回1.2過程控制性能要求1.2.1時(shí)域控制性能指標(biāo)1.2.2積分控制性能指標(biāo)返回1.2.1時(shí)域控制性能指標(biāo)時(shí)域性能指標(biāo)：階躍輸入信號(hào)作用下，控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線表示的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。tOtsP3圖1-3控制系統(tǒng)的時(shí)域控制性能指標(biāo)n=1:1表明等幅振蕩，臨界穩(wěn)定n>1:1表明衰減振蕩，穩(wěn)定n<1:1表明發(fā)散振蕩，不穩(wěn)定衰減比：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)，衡量振蕩過程的衰減程度，越大系統(tǒng)越穩(wěn)定。衰減率：每經(jīng)過一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)，即為保證系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定度，通常取ψ=0.75或0.9（兩周期后趨于穩(wěn)定），隨動(dòng)系統(tǒng)n=10:1，定值系統(tǒng)n=4:1。超調(diào)量：表征過渡過程中被控量偏離設(shè)定值的超調(diào)程度，反映控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。余差：過渡過程結(jié)束后被控量值與設(shè)定值間的最終穩(wěn)態(tài)偏差。調(diào)節(jié)時(shí)間：ts，從被控量從過渡過程開始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值±5%或±2%范圍內(nèi)的時(shí)間，衡量控制系統(tǒng)的快速性。偏離度：被控量的統(tǒng)計(jì)特性，通常遵循正態(tài)分布。若采用被控量的均值a作為設(shè)定值，則偏離度采用其標(biāo)準(zhǔn)差度量。均值=0；標(biāo)準(zhǔn)差=0.5均值=0；標(biāo)準(zhǔn)差=1P5圖1-4控制系統(tǒng)的偏離度說明：上述各項(xiàng)性能指標(biāo)相互聯(lián)系又相互制約。同時(shí)滿足系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求是很困難的。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的性能指標(biāo)。返回1.2.2積分控制性能指標(biāo)偏差的積分性能指標(biāo)也可衡量控制系統(tǒng)的性能，是系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)，常用于分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，主要包含以下幾種：誤差積分(IE)誤差絕對(duì)值積分(IAE)適用于衰減或無靜差系統(tǒng)誤差平方積分(ISE)會(huì)產(chǎn)生振蕩響應(yīng)，側(cè)重于抑制系統(tǒng)的較大偏差，系統(tǒng)的衰減比可能較大。誤差絕對(duì)值與時(shí)間乘積的積分(ITAE)該指標(biāo)最小的系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)性能，但其解析解不易獲得。側(cè)重于抑制過長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，但系統(tǒng)的振蕩可能較大。一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要準(zhǔn)則：負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)成為負(fù)反饋的條件是該控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積為正。穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則：在干擾量作用下或設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行條件是控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積基本不變；控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的?；静蛔儭７祷?.3過程控制系統(tǒng)組成給定測(cè)量值控制信號(hào)被控量控制量擾動(dòng)偏差P6圖1-5過程控制系統(tǒng)框圖

過程控制由檢測(cè)變送單元，控制器，執(zhí)行器和被控過程（對(duì)象組成）。檢測(cè)變送單元：用于檢測(cè)被控量，并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。執(zhí)行器：用于操作控制量變化。被控過程：需要控制的設(shè)備，裝置或流程。控制器：根據(jù)檢測(cè)變送單元的輸出信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)間的偏差，按一定控制規(guī)律計(jì)算得到相應(yīng)的控制信號(hào)，并經(jīng)變化和放大后推動(dòng)執(zhí)行器。形式可采用模擬儀表，也可采用微處理器或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。調(diào)節(jié)閥差壓變送器液位控制器h被控量控制量返回P7圖1-6液位控制系統(tǒng)1.4過程控制系統(tǒng)發(fā)展概況1.4.1過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.2過程控制檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展1.4.3過程控制策略的發(fā)展返回1.4.1過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程控制體系結(jié)構(gòu)大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：儀表化與局部自動(dòng)化階段：20世紀(jì)50~60年代特點(diǎn)：采用的過程檢測(cè)和控制儀表主要為基地式儀表和部分單元組合儀表，多為氣動(dòng)儀表；實(shí)現(xiàn)單輸入－單輸出的單回路定值控制；被控量主要是溫度，壓力，流量和液位等生產(chǎn)過程中的熱工參數(shù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的理論基礎(chǔ)是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論?？刂颇康模罕３稚鲜龉に噮?shù)的穩(wěn)定和生產(chǎn)安全?；厥絻x表(壓力控制器）基地式儀表(溫度控制器）流量傳感器流量控制器執(zhí)行器單元組合儀表(2)綜合自動(dòng)化階段：20世紀(jì)60~70年代大量采用單元組合儀表和組裝式儀表；計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制和設(shè)定值控制；過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了如串級(jí)控制，前饋－反饋控制及比值，均勻，控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)；過程控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)發(fā)展到現(xiàn)代控制理論，以滿足更復(fù)雜的控制需求。(3)全盤自動(dòng)化階段：20世紀(jì)70年代至今微型計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程、全工廠乃至整個(gè)企業(yè)的操作管理和控制。過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從單變量單回路的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量多回路的微機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了直接數(shù)字控制，集中控制，分散控制和集散控制幾個(gè)發(fā)展階段，進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)階段。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。返回1.4.2過程控制檢測(cè)儀表

和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展

過程控制檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展與其體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展相適應(yīng)?；厥絻x表：是把檢測(cè)、顯示和控制等環(huán)節(jié)放在一個(gè)表殼里，通常就地安裝。以指示，記錄儀表為主體，附加控制機(jī)構(gòu)而組成。功能較完全，可以減少管線連接所導(dǎo)致的滯后；常用于中小企業(yè)里數(shù)量不多或分散的就地控制系統(tǒng)和單機(jī)的局部控制系統(tǒng)。(2)單元組合式儀表：根據(jù)控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用需求，將儀表做成能實(shí)現(xiàn)某種功能的獨(dú)立單元。包括：變送單元、轉(zhuǎn)換單元、控制單元、運(yùn)算單元、顯示單元、執(zhí)行單元、給定單元和輔助單元。各單元間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)彼此聯(lián)系；可以靈活組合，通用性強(qiáng)；適用于中、小型企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。(3)智能儀表：以微處理器為核心，采用先進(jìn)傳感器和電子技術(shù)的智能變送器和智能閥門定位器，是新型現(xiàn)場(chǎng)變送類和執(zhí)行類儀表。精度、穩(wěn)定性與可靠性均比模擬式儀表優(yōu)越?？奢敵鋈珨?shù)字信號(hào)或模擬數(shù)字混合信號(hào)?？赏ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連接，能滿足集散系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。返回1.4.3過程控制策略的發(fā)展（1）經(jīng)典控制策略：20世紀(jì)50年代以前基礎(chǔ)：微分方程和傳遞函數(shù)方法：時(shí)域分析方法、S域分析方法和頻域分析方法。

PID控制策略構(gòu)成的簡(jiǎn)單控制模式。（2）現(xiàn)代控制策略：20世紀(jì)60年代以后基礎(chǔ)：狀態(tài)空間方法：最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)、以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制、以卡爾曼濾波理論為核心的最優(yōu)估計(jì)等。（3）復(fù)雜控制策略：20世紀(jì)70年代以后核心思想：系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)、多級(jí)遞階優(yōu)化與控制。重心：有限維-無窮維，確定性-不確定性和隨機(jī)性，線性-非線性方法：非線性控制、自適應(yīng)控制、隨機(jī)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)。專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、學(xué)習(xí)控制等智能控制。返回1.5過程控制系統(tǒng)的分類按被控參數(shù)特性分類：溫度，壓力，流量，液位，成分等控制系統(tǒng)按控制量和被控制量數(shù)目分類：?jiǎn)巫兞亢投嘧兞靠刂葡到y(tǒng)按系統(tǒng)完成的特定工藝要求分類：比值，均勻，分程和選擇性控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：反饋控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)，復(fù)合控制系統(tǒng)按設(shè)定信號(hào)特點(diǎn)分類：定值，隨動(dòng)和順序控制系統(tǒng)1、按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(1)反饋控制系統(tǒng)：根據(jù)偏差進(jìn)行控制，以減小或消除偏差為目的。在擾動(dòng)未引起被控量變化前，無控制作用，使控制不及時(shí)。由被控量的反饋構(gòu)成閉環(huán)回路，又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號(hào)可能有多個(gè)，稱多回路反饋控制系統(tǒng)。(2)前饋控制系統(tǒng)：根據(jù)干擾量的大小實(shí)施控制，即在被控量偏離設(shè)定值之前就采取校正措施。理想情況下，校正措施可抵消干擾對(duì)被控量的影響。擾動(dòng)是控制的依據(jù)。測(cè)量的是干擾量而不是被控量，本質(zhì)上是開環(huán)控制系統(tǒng)。不能單獨(dú)應(yīng)用。(3)前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：在反饋控制系統(tǒng)中引入前饋控制。利用前饋控制迅速及時(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。利用反饋控制克服其他擾動(dòng)，使被控量迅速準(zhǔn)確地穩(wěn)定在設(shè)定值上，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。P10圖1-8前饋－反饋復(fù)合控制系統(tǒng)2、按設(shè)定信號(hào)的特點(diǎn)分類(1)定值控制系統(tǒng)設(shè)定值固定不變，在生產(chǎn)工藝條件允許的情況下可小范圍變化。主要目的是克服干擾對(duì)被控量的影響，使被控量穩(wěn)定在設(shè)定值。(2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值隨時(shí)間任意變化?？刂谱饔玫暮诵氖鞘贡豢亓磕芗皶r(shí)準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值的變化。(3)順序控制系統(tǒng)設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。控制的目的是使被控量按規(guī)定的程序自動(dòng)變化。返回1.6本章小結(jié)介紹過程控制系統(tǒng)所涉及的基本概念；闡述描述系統(tǒng)響應(yīng)特性的性能指標(biāo)；舉例說明過程控制系統(tǒng)的組成；過程控制系統(tǒng)的發(fā)展；過程控制系統(tǒng)的分類。返回第1章結(jié)束過程控制系統(tǒng)ProcessControlSystem中國地質(zhì)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2025年3月4日第2章被控過程特性及其數(shù)學(xué)模型

被控過程的特性分析及數(shù)學(xué)模型的建立，是分析和設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)的基本依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的高質(zhì)量，優(yōu)化控制具有重要意義。2.1被控過程的特性2.2被控過程的數(shù)學(xué)模型2.3解析法建立過程的數(shù)學(xué)模型2.4實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建立過程的數(shù)學(xué)模型2.5本章小結(jié)第2章被控過程特性及其數(shù)學(xué)模型2.1

被控過程的特性

被控過程一般可劃分為自衡特性與無自衡特性，單容特性與多容特性，振蕩與非振蕩特性等。以被控過程的階躍響應(yīng)將典型的工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性分為4類：自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程自衡的振蕩過程具有反向特性的過程1、自衡的非振蕩過程自衡：在原平衡狀態(tài)出現(xiàn)干擾時(shí)，無需外加任何控制作用，被控過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)。自衡非振蕩：階躍輸入信號(hào)作用下，輸出響應(yīng)曲線能沒有振蕩地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)趨向于另一個(gè)穩(wěn)態(tài).P12圖2-1具有自衡特性的液位過程P12圖2-2自衡非振蕩過程的響應(yīng)曲線具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)具有純滯后的二階非振蕩環(huán)節(jié)具有純滯后的高階非振蕩環(huán)節(jié)2、無自衡的非振蕩過程無自衡：在原平衡狀態(tài)出現(xiàn)干擾時(shí)，當(dāng)沒有外加任何控制作用時(shí)，被控過程不能重新到達(dá)新的平衡狀態(tài)。無自衡非振蕩：階躍輸入信號(hào)作用下，輸出響應(yīng)曲線會(huì)沒有振蕩地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)一直上升或下降，不能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)P13圖2-3具有無自衡特性的液位過程P13圖2-4無自衡非振蕩過程的響應(yīng)曲線具有純滯后的一階積分環(huán)節(jié)具有純滯后的二階非振蕩環(huán)節(jié)具有純滯后的高階非振蕩環(huán)節(jié)3、自衡的振蕩過程自衡振蕩：階躍輸入信號(hào)作用下，輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)衰減振蕩特性，最終被控過程趨于新的穩(wěn)態(tài)值。P13圖2-5有自衡的振蕩過程階躍輸入信號(hào)作用下，被控過程的輸出先降后升或先升后降，即過程響應(yīng)曲線在開始的一段時(shí)間內(nèi)變化方向與以后的變化方向相反，則稱該過程具有反向特性。4、具有反向特性的過程正向積分特性反向慣性特性冷水量對(duì)水位的直接影響冷水量影響水中氣泡量，使水位發(fā)生變化反向特性P14圖2-6具有反向特性的過程返回2.2被控過程的數(shù)學(xué)模型建立被控過程的數(shù)學(xué)模型的目的：設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，整定控制器參數(shù)；指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)；被控過程及新型控制策略的仿真分析和研究；工業(yè)過程的故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。被控過程的數(shù)學(xué)模型：描述過程的輸入變量與輸出變量之間的定量關(guān)系。輸入變量包括作用于過程的控制作用和干擾作用。輸出變量為過程的被控變量。輸入變量到輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為通道：控制作用到輸出變量的信號(hào)聯(lián)系為控制通道；干擾作用到輸出變量的信號(hào)聯(lián)系為干擾通道。2.2被控過程的數(shù)學(xué)模型返回2.2.1被控過程數(shù)學(xué)模型的類型2.2.2過程建模的基本方法2.2.1被控過程數(shù)學(xué)模型的類型過程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分類：按時(shí)間特性：連續(xù)和離散按模型描述：傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間、微分方程和差分方程等按過程類型：集中參數(shù)、分布參數(shù)和多級(jí)過程模型按建模的輸入信號(hào)：非周期函數(shù)、周期函數(shù)、非周期性隨機(jī)函數(shù)和周期性隨機(jī)函數(shù)建立的模型等被控過程的數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：描述過程在穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸入變量和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，用于工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)最優(yōu)化等。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：描述輸出變量與輸入變量之間隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系，用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，確定工藝設(shè)計(jì)和操作條件等。一般可以采用兩種形式表示被控過程的數(shù)學(xué)模型：1、用參量形式表示模型微分方程差分方程傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)2、用非參量形式表示模型：如曲線、數(shù)據(jù)表格等返回2.2.2過程建模的基本方法白箱方法：解析法（機(jī)理演繹法）黑箱方法：實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法（系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)方法）灰箱方法：解析法與實(shí)驗(yàn)辨識(shí)相結(jié)合的混合方法1、解析法根據(jù)被控過程的內(nèi)在機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，如物料平衡關(guān)系、能量平衡關(guān)系、動(dòng)量平衡關(guān)系、相平衡關(guān)系、物理化學(xué)定律等，用數(shù)學(xué)推理的方法建立數(shù)學(xué)模型。特點(diǎn)：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前完成數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)，模型不但給出系統(tǒng)輸入、輸出變量之間的關(guān)系，也給出系統(tǒng)狀態(tài)和輸入輸出間的關(guān)系，有利于系統(tǒng)方案的分析與設(shè)計(jì)。不足：首要條件是對(duì)被控過程的特性和機(jī)理有較深入的理解，能準(zhǔn)確加以數(shù)學(xué)描述，對(duì)內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，難以完全了解內(nèi)部變化情況的被控過程的數(shù)學(xué)模型建立存在困難。2、實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法根據(jù)被控過程輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過過程辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)建立過程的數(shù)學(xué)模型，確定模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。特點(diǎn)：完全由系統(tǒng)外部的輸入－輸出特性來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。對(duì)于內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜的被控過程，比機(jī)理建模相對(duì)容易。缺點(diǎn)：受數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)工況的限制，模型往往難以對(duì)外推廣。3、混合法將機(jī)理演繹法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法相結(jié)合來建立過程的數(shù)學(xué)模型。通常采用兩種形式：對(duì)被控過程中機(jī)理比較清楚的部分采用機(jī)理演繹法推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)理不清楚或不確定的部分采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法獲得其數(shù)學(xué)模型。適用于多級(jí)被控過程。先通過機(jī)理分析確定模型的結(jié)構(gòu)形式，再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定模型中的參數(shù)。特點(diǎn)：比實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法具有更好的推廣能力，比機(jī)理模型簡(jiǎn)單。返回2.3解析法建立過程的數(shù)學(xué)模型2.3.1解析法建模的一般步驟2.3.2單容過程的建模2.3.3多容過程的建模返回2.3.1解析法建模的一般步驟解析法建模的一般步驟為：1、明確過程的輸入變量、輸出變量和中間變量2、根據(jù)建模對(duì)象和模型使用目的做出合理假設(shè)3、根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，建立靜態(tài)放動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系方程4、消去中間變量，求取過程的數(shù)學(xué)模型5、模型簡(jiǎn)化根據(jù)建模對(duì)象和建模使用目的作合理假設(shè)根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，建立靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系方程模型簡(jiǎn)化（模型降階處理；線性化）明確過程的輸入變量、輸出變量和中間變量消去中間變量，求取過程的數(shù)學(xué)模型返回模型簡(jiǎn)化的常用方法有三種：開始推導(dǎo)時(shí)就引入簡(jiǎn)化假設(shè)，使推導(dǎo)出的方程在反映被控過程主要特性的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)單；在得到較復(fù)雜的原始模型后，用低階的微分或差分方程來近似該模型，即模型的降階處理；求解原始方程或用計(jì)算機(jī)仿真，得到一系列響應(yīng)曲線（階躍響應(yīng)或頻率特性），依據(jù)這些特性，用低階的傳遞函數(shù)去近似模型。2.3.2單容過程的建模單容過程：只有一個(gè)貯蓄容量的過程。例2-1單容液位過程：某水箱系統(tǒng)如圖所示。輸入液體體積流量Q1通過閥門1的開度來改變。輸入液體體積流量Q2通過閥門2的開度來改變。液位高度h為被控量。要求：試列寫h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。P17圖2-7單容液位過程解：根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系:表示為增量形式有:—偏離某平衡狀態(tài)的增量水箱截面積靜態(tài)時(shí)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)水箱內(nèi)液體流入量與流出量之差水箱內(nèi)液體容量變化率假定q2與h

近似成線性正比關(guān)系，與閥門2處的液阻R2

成反比關(guān)系，則根據(jù)壓力關(guān)系:閥門阻力，即流量增加1m2/s時(shí)的液位升高量拉氏變換，得到傳遞函數(shù)形式經(jīng)整理得到單容液位過程的微分方程增量表示綜合上述兩類關(guān)系：令：過程的時(shí)間常數(shù)T=R2A=R2C

過程的放大系數(shù)K=R2

過程的容量系數(shù)C=A則：結(jié)論：?jiǎn)稳葑院膺^程可以采用一階慣性環(huán)節(jié)加以描述。容量：貯存能力大小，即引起單位被控量變化時(shí)，被控過程貯存量變化程度。單容過程傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)方框圖水箱的輸入量/輸出量之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系閥2的靜壓力關(guān)系Q2(s)Q1(s)H(s)假設(shè)流經(jīng)長(zhǎng)度為l的管道所需時(shí)間為τ0，得出具有純時(shí)延的單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)分別為推廣1：考慮輸入液體體積流量為Q0當(dāng)進(jìn)水閥1的開度產(chǎn)生變化后，需流經(jīng)長(zhǎng)度為l的管道才能進(jìn)入水箱，使液位發(fā)生變化。T0=R2A

K0=R2C=Aτ0與l有關(guān)無時(shí)延自衡有純時(shí)延自衡0tt1QOt0QOOthOthP18圖2-8單容過程的響應(yīng)曲線推廣2：考慮輸出液體體積流量為Q2通過泵來調(diào)節(jié)液位高度變化時(shí)，出口處靜壓力不會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生影響，Q2不變。解：根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系定量泵導(dǎo)致:整理后得到其增量化方程為：結(jié)論：?jiǎn)稳莘亲院膺^程可以采用積分環(huán)節(jié)加以描述。得到其傳遞函數(shù)為：無時(shí)延非自衡有純時(shí)延非自衡0tt1QOt0QOOthOth意義：進(jìn)水量增加，出水量不變，液位會(huì)升高，直到溢出。返回2.3.3多容過程的建模多容過程：由多個(gè)貯蓄容積組成的被控過程。下面以具有自衡能力的雙容過程為例，說明多容過程的建模方法。例2-3圖所示為一分離式雙容液位槽。過程輸入量為Q1

過程輸出量第二個(gè)液位槽的液位h2

假設(shè)：不計(jì)第一個(gè)與第二個(gè)液位槽之間液體輸送管道所造成的時(shí)間延遲，試求h2與Q1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。P22圖2-11a雙容液位過程解：根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，有水槽1水槽2閥2閥3令：水槽1的過程時(shí)間常數(shù)T1=R2A1=R2C1

水槽2的過程時(shí)間常數(shù)T2=R3A2=R3C2

過程的放大系數(shù)

K=R3獲得雙容液位過程的傳遞函數(shù)為結(jié)論：雙容自衡過程可以采用二階環(huán)節(jié)加以描述。P24圖2-13a分離式雙容液位過程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)方框圖水槽1的輸入量/輸出量之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系閥3的靜壓力關(guān)系水槽2的輸入量/輸出量之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系閥2的靜壓力關(guān)系Q3(s)Q1(s)H1(s)Q2(s)H2(s)分析：

1）兩個(gè)具有負(fù)實(shí)根的慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，即

=1過阻尼，響應(yīng)不振蕩。

2）雙容過程在兩個(gè)槽之間存在液體流通阻力，延緩了h2的變化，導(dǎo)致響應(yīng)過程一開始較慢，較單容過程時(shí)延大。

3）隨著相連接容器的增加，過程時(shí)間延遲越長(zhǎng)。

4）模型簡(jiǎn)化：采用單容過程近似。拐點(diǎn)P22圖2-11b雙容過程的階躍響應(yīng)曲線推廣1：考慮n個(gè)水槽（容器）依次分離式連接類推出多容過程（n個(gè)）的傳遞函數(shù)若各個(gè)容器的容量系數(shù)相同，各閥門的液阻也相同，則注：多容過程模型簡(jiǎn)化過程與雙容過程簡(jiǎn)化為單容過程方法類似。過程的總放大系數(shù)各單容過程的時(shí)間常數(shù)假設(shè)流經(jīng)管道所需時(shí)間為τ1，則具有純時(shí)延多容過程傳遞函數(shù)為推廣2：考慮兩水槽之間的管道長(zhǎng)度當(dāng)閥2的開度變化后，需流經(jīng)長(zhǎng)度為l的管道才能進(jìn)入貯罐2，使液位h2發(fā)生變化。T0

τ0+

τ1Oth2h2(∞)推廣3：考慮輸出液體體積流量為Q3通過泵來調(diào)節(jié)

----水槽1的液位高度變化，會(huì)對(duì)Q2產(chǎn)生影響。

----水槽2的液位高度變化，不會(huì)對(duì)Q3產(chǎn)生影響。解：根據(jù)多容過程類推關(guān)系:得到其傳遞函數(shù)為：注：只要多容過程中存在一個(gè)無自衡環(huán)節(jié)則為無自衡多容過程。例2-4串接并聯(lián)式雙容液位槽。要求：試求h2與Q1之間的數(shù)學(xué)描述。R2同時(shí)受到h1和h2的影響。P23圖2-12并聯(lián)式雙容液位過程解根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，有水槽1水槽2閥2閥3令：水槽1的過程時(shí)間常數(shù)T1=R2A1=R2C1

水槽2的過程時(shí)間常數(shù)T2=R3A2=R3C2

過程的放大系數(shù)K=R3獲得串聯(lián)雙容液位過程的傳遞函數(shù)為水槽1與水槽2之間的關(guān)聯(lián)時(shí)間常數(shù)R3C1本過程的階躍響應(yīng)仍是單調(diào)上升的，傳遞函數(shù)可等效為等效時(shí)間常數(shù)為P24圖2-13b并聯(lián)雙容液位過程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)方框圖Q3(s)Q1(s)兩水槽間的關(guān)聯(lián)關(guān)系H1(s)Q2(s)H2(s)返回2.4實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建立過程的數(shù)學(xué)模型返回2.4.1實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建模的基本步驟與方法2.4.2響應(yīng)曲線法辨識(shí)過程的模型2.4.3最小二乘法辨識(shí)過程的模型2.4.1實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建模的基本步驟與方法實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建模的一般步驟為：1、目的：指數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用目的和相應(yīng)要求。2、驗(yàn)前知識(shí)：來自對(duì)過程內(nèi)在機(jī)理的了解和已有運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析結(jié)論。3、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：指確定輸入信號(hào)的幅值和頻譜，采樣周期，總的測(cè)試時(shí)間及信號(hào)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法；選擇計(jì)算工具；確定離線或在線辨識(shí)方法，信號(hào)濾波方法等。目的及要求先驗(yàn)知識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最終模型信號(hào)發(fā)生存儲(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量辨識(shí)方法模型驗(yàn)證過程模型模型結(jié)構(gòu)假定模型結(jié)構(gòu)確定內(nèi)在規(guī)律P25圖2-14實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法建模的一般步驟返回4、辨識(shí)方法：采用階躍響應(yīng)法，頻率響應(yīng)法，相關(guān)分析法等經(jīng)典辨識(shí)法，還是最小二乘法，梯度校正法，極大似然法等現(xiàn)代辨識(shí)法來建立過程的數(shù)學(xué)模型。5、過程模型：采用參量形式，還是非參量形式描述。6、模型驗(yàn)證：自身驗(yàn)證或交叉驗(yàn)證。7、重復(fù)修正：若得到的模型不滿足精度要求，則重新修正實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或模型結(jié)構(gòu)，直到滿足要求為止。2.4.2響應(yīng)曲線法辨識(shí)過程的模型響應(yīng)曲線法：通過測(cè)取過程的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)曲線辨識(shí)數(shù)學(xué)模型的方法。1、階躍響應(yīng)曲線法通過操作過程的調(diào)節(jié)閥，使過程的控制輸入產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，將被控量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線用記錄儀或其它方法測(cè)試記錄下來，再根據(jù)測(cè)試記錄的響應(yīng)曲線來求取過程輸出與輸入之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為能夠得到可靠的測(cè)試結(jié)果，做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意：試驗(yàn)測(cè)試前，被控過程應(yīng)處于某一相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)；在相同條件下重復(fù)多次試驗(yàn)，以便能從多次試驗(yàn)結(jié)果中選取較接近的兩個(gè)響應(yīng)曲線作為分析依據(jù)，減少隨機(jī)干擾的影響；合理選擇階躍輸入信號(hào)的幅度；考慮到被控過程的非線性，分別對(duì)正、反方向的階躍輸入信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，并比較試驗(yàn)結(jié)果，以衡量過程的非線性程度。對(duì)大多數(shù)過程而言，數(shù)學(xué)模型通常可近似為以下幾種：自衡特性過程：無自衡特性過程：注意：被控過程的數(shù)學(xué)模型還可采用更高階或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，在保證滿足模型精度要求的前提下，數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。（1）根據(jù)階躍響應(yīng)確定一階環(huán)節(jié)參數(shù)需要確定的參數(shù)有兩個(gè)：過程的放大系數(shù)K0和過程的時(shí)間常數(shù)T0

確定方法：直角坐標(biāo)圖解法；半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解法設(shè)階躍輸入變化量為x0，一階無時(shí)延環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)為以K0x0/T0為斜率作切線，在t=T0處與y(∞)相交。①直角坐標(biāo)圖解法分析過程如下：趨于新的穩(wěn)態(tài)：t=0時(shí)斜率：t=T0時(shí)響應(yīng)值：總結(jié)：①由階躍響應(yīng)曲線確定y(∞)，再由K0=y(∞)/x0確定K0②由t=0處作切線，其與y(∞)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T0（OB段）tOABT0tOP26圖2-15一階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線tO擴(kuò)展：由于t=0處，階躍響應(yīng)的數(shù)值小，切線不易確定采用三個(gè)典型點(diǎn)取值的平均來確定T0三個(gè)典型點(diǎn)②半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解法趨于新的穩(wěn)態(tài)：取自然對(duì)數(shù)：優(yōu)點(diǎn)：可以判斷模型結(jié)構(gòu)1）直線：一階無時(shí)延環(huán)節(jié)2）非直線：若t

越大越趨于直線，t

越小偏離程度越大則為二階及以上環(huán)節(jié)或有時(shí)延環(huán)節(jié)3）無規(guī)則：測(cè)試存在干擾P28圖2-16半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解法（2）根據(jù)階躍響應(yīng)確定具有純滯后的一階環(huán)節(jié)參數(shù)①確定T0和τ0的圖解法ABCDtOT0拐點(diǎn)在t=0時(shí)斜率幾乎為零，之后斜率逐漸增大，達(dá)到某點(diǎn)（稱為拐點(diǎn)）后斜率又逐漸減小，曲線呈現(xiàn)S形狀。P28圖2-17具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線1轉(zhuǎn)換y(t)為相對(duì)值：tO1選取兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)：②

計(jì)算法確定T0和τ0P29圖2-18具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線2聯(lián)立求解取自然對(duì)數(shù)K0的確定方法與一階環(huán)節(jié)相同時(shí)間常數(shù)的確定一般采用兩點(diǎn)法。（3）根據(jù)階躍響應(yīng)確定二階環(huán)節(jié)參數(shù)tO選取兩點(diǎn)：兩點(diǎn)法P29圖2-19二階環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線近似解為K0的確定方法與一階環(huán)節(jié)相同。（4）根據(jù)階躍響應(yīng)確定具有純滯后的二階環(huán)節(jié)參數(shù)純滯后時(shí)間為ABCDtOTC拐點(diǎn)EFTA

計(jì)算時(shí)間常數(shù)為P30圖2-20二階純滯后環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線根據(jù)A和B點(diǎn)計(jì)算時(shí)間常數(shù)。根據(jù)C點(diǎn)驗(yàn)證切線是否過拐點(diǎn)。ABCP31圖2-21二階環(huán)節(jié)中時(shí)間常數(shù)的圖解法（5）根據(jù)階躍響應(yīng)確定一階無自衡環(huán)節(jié)參數(shù)tOT0αP31圖2-22無自衡特性的階躍響應(yīng)曲線（6）根據(jù)階躍響應(yīng)確定二階無自衡環(huán)節(jié)參數(shù)微分方程為：傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為：采用兩點(diǎn)法計(jì)算時(shí)間常數(shù)：2、脈沖響應(yīng)曲線法條件：生產(chǎn)實(shí)際不允許有較長(zhǎng)時(shí)間和較大幅度的輸入變化，為防被控量變化超過允許范圍。脈沖響應(yīng)法是指在正常工作基礎(chǔ)上，給過程施加一個(gè)矩形脈沖輸入，測(cè)取響應(yīng)的被控量變化曲線，據(jù)此估計(jì)過程參數(shù)。Ot0tttOOt0t0P32圖2-23矩形脈沖響應(yīng)曲線確定階躍響應(yīng)返回2.4.3最小二乘法辨識(shí)過程的模型參數(shù)估計(jì)：如果被控過程的數(shù)學(xué)模型的階次和純滯后時(shí)間已知，根據(jù)輸入－輸出數(shù)據(jù)來確定模型參數(shù)的過程。常用的參數(shù)估計(jì)方法：最小二乘法廣義最小二乘法輔助變量法1、被控過程的離散化模型（1）采用差分方程表示的離散時(shí)域模型（2）采用脈沖傳遞函數(shù)表示的離散頻域模型2、參數(shù)的最小二乘法估計(jì)利用輸入－輸出測(cè)試數(shù)據(jù)來確定離散頻域模型中的參數(shù)，使基于這些參數(shù)得到的模型對(duì)輸入－輸出數(shù)據(jù)的擬合誤差最小。兩種求解方法：一次完成算法：適合理論研究遞推算法：適合計(jì)算機(jī)在線辨識(shí)返回2.5本章小結(jié)返回主要闡述被控過程建模的基本理論，包括數(shù)學(xué)模型的分類及構(gòu)建方法。詳細(xì)分析工業(yè)生產(chǎn)中被控過程所具有的特性。說明數(shù)學(xué)模型建立的三種基本方法。結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)闡述單容和多容過程的機(jī)理建模步驟。系統(tǒng)闡述響應(yīng)曲線法和最小二乘法兩類典型實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。第2章結(jié)束過程控制系統(tǒng)ProcessControlSystem中國地質(zhì)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2025年3月4日第3章過程參數(shù)檢測(cè)與變送儀表在工業(yè)生產(chǎn)中，為了正確指導(dǎo)生產(chǎn)，確保生產(chǎn)過程安全穩(wěn)定，使生產(chǎn)過程的工況最優(yōu)化，必須及時(shí)準(zhǔn)確地掌握描述生產(chǎn)過程特性的各種參數(shù)。對(duì)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的自動(dòng)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程有效自動(dòng)控制的首要條件。檢測(cè)儀表用于完成過程參數(shù)的有效檢測(cè)。3.1概述

3.2檢測(cè)儀表的工作特性3.3測(cè)量誤差

3.4溫度檢測(cè)與變送3.5壓力檢測(cè)與變送3.6流量檢測(cè)與變送3.7物位檢測(cè)與變送3.8智能檢測(cè)儀表3.9煤礦常用檢測(cè)儀表3.10本章小結(jié)第3章過程參數(shù)檢測(cè)與變送儀表檢測(cè)儀表是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、物位、成分等過程參數(shù)的實(shí)時(shí)可靠檢測(cè)。檢測(cè)儀表的檢測(cè)精度直接影響系統(tǒng)的控制精度。過程參數(shù)檢測(cè)儀表構(gòu)成：敏感元件和變送單元敏感元件：直接感受被測(cè)參數(shù)變化，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量提供給變送單元。變送單元：將敏感元件檢測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。3.1

概述傳感器變送器顯示器A/D被測(cè)參數(shù)參數(shù)顯示電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)控制1、敏感元件也稱為傳感器，利用物理或化學(xué)敏感的部件或材料，直接與被測(cè)過程發(fā)生聯(lián)系，感受被測(cè)參數(shù)的變化，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)，一般為電信號(hào)，即電壓、電流、電阻、電感、電容等。P39圖3-1過程參數(shù)檢測(cè)儀表結(jié)構(gòu)國標(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”。組成框圖如圖所示：基本特性：獨(dú)立：被測(cè)物理量不受傳感器的影響；敏感：被測(cè)參數(shù)的微小變化就可引起傳感器輸出信號(hào)的明顯變化；穩(wěn)定：傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)間是穩(wěn)定的單值比例關(guān)系。2、變送單元也稱為變送器，將傳感器的輸出信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用和傳送的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。包括：標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)信號(hào)：DDZ-Ⅱ型電動(dòng)組合儀表采用的DC0~10mA和DC0~20V標(biāo)準(zhǔn)；DDZ-Ⅲ型電動(dòng)縱使儀表采用的DC4~20mA和DC1~5V標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號(hào)：QDZ型氣動(dòng)組合儀表采用的0.02~0.1MPa標(biāo)準(zhǔn)等返回3.2檢測(cè)儀表的工作特性檢測(cè)儀表的工作特性：指能滿足被測(cè)參數(shù)測(cè)量和系統(tǒng)運(yùn)行需要而應(yīng)具有的儀表輸入/輸出特性，主要通過量程與零點(diǎn)的調(diào)整與遷移來實(shí)現(xiàn)。1、量程指與檢測(cè)儀表的規(guī)定輸出范圍相對(duì)應(yīng)的被測(cè)參數(shù)（儀表輸入）范圍，即被測(cè)參數(shù)的上限值xmax與下限值xmin之差，記作：2、零點(diǎn)指被測(cè)參數(shù)的下限值xmin，即與儀表輸出下限值ymin相對(duì)應(yīng)的被測(cè)參數(shù)最大值，記作xq。3、儀表工作特性檢測(cè)儀表的輸入是被測(cè)參數(shù)，輸出是變送器的標(biāo)準(zhǔn)化誤，儀表工作特性反映該輸出與輸入間的關(guān)系，即被測(cè)參數(shù)經(jīng)傳感器進(jìn)入變送器，經(jīng)變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。兩者為單值關(guān)系且呈一定比例關(guān)系。被測(cè)量量程被測(cè)量上、下限偏差值變送單元傳遞特性to標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出上、下限偏差4、量程調(diào)整與零點(diǎn)遷移目的：改變檢測(cè)儀表測(cè)量范圍。量程調(diào)整：在零點(diǎn)不變的情況下，將檢測(cè)儀表的輸出信號(hào)上限值與被測(cè)參數(shù)的上限值相對(duì)應(yīng)，如P41圖3-2所示。只改變被測(cè)參數(shù)的量程和檢測(cè)儀表的工作特性斜率，不改變零點(diǎn)。xyxminxmaxyminymax量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，也就是改變變送器輸出信號(hào)y與輸入信號(hào)x之間的比例系數(shù)。P41圖3-2量程調(diào)整量程調(diào)整的方法：改變反饋部分的反饋系數(shù)Kf

改變測(cè)量部分轉(zhuǎn)換系數(shù)KiKf↑→量程↑Ki↑→量程↓零點(diǎn)遷移：指將ymin所對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)下限值由0遷移到某一數(shù)值（正或負(fù)），如P41圖3-3所示。不改變量程和儀表工作特性斜率。返回xminxyxmaxyminymax0xmaxxminxmaxP41圖3-3零點(diǎn)遷移3.3測(cè)量誤差測(cè)量誤差：儀表測(cè)量值與真實(shí)值間一定的差值。3.3.1測(cè)量誤差的基本概念3.3.2檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)返回3.3.1測(cè)量誤差的基本概念測(cè)量誤差分類：按表達(dá)方式不同分類：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差按性質(zhì)不同分類：系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差和粗大誤差按誤差時(shí)間關(guān)系：動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差按儀表使用條件：基本誤差和附加誤差按誤差出現(xiàn)原因：工具誤差和方法誤差1、絕對(duì)誤差指測(cè)量值與被測(cè)參數(shù)真值之間的差值，即產(chǎn)生原因：被測(cè)參數(shù)到儀表之間經(jīng)過轉(zhuǎn)換時(shí)造成；使用條件不同處理方法：“校驗(yàn)”，即用精確度高的標(biāo)準(zhǔn)儀表和實(shí)測(cè)儀表，在相同條件下，對(duì)同一參數(shù)測(cè)量，再做比較。測(cè)量值被測(cè)參數(shù)的真值絕對(duì)誤差儀表的最大絕對(duì)誤差：2、相對(duì)誤差指絕對(duì)誤差與真值的百分比。根據(jù)所引用的約定真值不同，相對(duì)誤差有三種表示方法：實(shí)際相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差引用相對(duì)誤差1、系統(tǒng)誤差指檢測(cè)儀表本身或其原因引起的有規(guī)律的誤差。反映了測(cè)量值偏離真值的程度。來源：儀表的示值不準(zhǔn)（如刻度分度差錯(cuò)），零值誤差（如零點(diǎn)漂移），儀表的結(jié)構(gòu)誤差（如電子元器件老化），由儀表引入的系統(tǒng)誤差;由實(shí)驗(yàn)者造成的服從一定規(guī)律的誤差;由于實(shí)驗(yàn)條件不能滿足理論公式或測(cè)量方法產(chǎn)生的誤差。消除方法：系統(tǒng)誤差可通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法予以修正重新調(diào)整檢測(cè)儀表來消除系統(tǒng)誤差通過求多次測(cè)量的平均值來消除2、隨機(jī)誤差在相同條件下對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，各測(cè)量值之間存在差異，其絕對(duì)值及符號(hào)是不確定的，稱為隨機(jī)誤差。消除方法：可以通過增加測(cè)量次數(shù)，利用概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而減小其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。3、粗大誤差粗大誤差是由于儀表產(chǎn)生故障，操作者疏忽或較大外界干擾所引起的顯著偏離實(shí)際值的誤差。粗大誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，因此一般作為異常值被剔除。返回3.3.2檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)包括：允許誤差，儀表精度，靈敏等。1、允許誤差指在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)使用條件下，儀表應(yīng)滿足的相對(duì)誤差。一般采用在標(biāo)準(zhǔn)使用條件下的最大相對(duì)誤差來表示，即儀表允許的最大絕對(duì)誤差2、儀表精度描述測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是將國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差劃分成若干個(gè)等級(jí)，根據(jù)儀表的允許誤差，確定儀表的精度等級(jí)。精度等級(jí)常以一定符號(hào)內(nèi)的數(shù)字標(biāo)明，在儀表面上。我國儀表精度等級(jí)為：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等級(jí)數(shù)越小，精度越高。校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)表多為0.1，0.2級(jí)；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多為0.4~0.5級(jí)。3、靈敏度反映檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度，表示為檢測(cè)儀表的輸出變化△α與相應(yīng)的被測(cè)參數(shù)變化量的△x比值，即說明：增加放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以提高檢測(cè)儀表遙靈敏度。提高靈敏度≠提高精確度，放大標(biāo)尺范圍或減小分格值不能提高靈敏度，儀表精度。例：①圓形表用角位移：②直線形表用角位移量程0~200滿量程指針超過270℃滿量程移動(dòng)距離40mm4、動(dòng)態(tài)誤差概念：當(dāng)被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間迅速變化時(shí)，由于檢測(cè)元件中的各種運(yùn)動(dòng)慣性和能量轉(zhuǎn)換，使檢測(cè)儀表的測(cè)量值不能及時(shí)跟隨被測(cè)參數(shù)的變化而產(chǎn)生的誤差。動(dòng)態(tài)誤差會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。若檢測(cè)儀表的慣性比被控對(duì)象的慣性還大，就不能及時(shí)記錄被控變量的變化，從而可能對(duì)生產(chǎn)過程造成嚴(yán)重的損失。5、可靠性反映檢測(cè)儀表在規(guī)定條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)是否耐用的一種綜合質(zhì)量指標(biāo)。常用的可靠性指標(biāo)有：平均無故障工作時(shí)間：兩次故障間時(shí)間差的平均值平均修復(fù)時(shí)間：排除故障所花費(fèi)時(shí)間的平均值有效度：平均無故障時(shí)間與平均無故障時(shí)間及平均修改時(shí)間之和的比值。例：有一支溫度計(jì)，其量程范圍為0~1000℃,精度為0.5級(jí)，其標(biāo)尺上、下限偏轉(zhuǎn)角為270o。求：①△，△m

；②基本誤差；③η10009008007006005004003002001000測(cè)量值1000895800705604502398304202990標(biāo)準(zhǔn)值0+50-5-4-2+2-4-2+10絕對(duì)誤差△解：①②精度為0.5③④對(duì)于202℃這一點(diǎn)，讀數(shù)相對(duì)誤差對(duì)于895℃這一點(diǎn)，讀數(shù)相對(duì)誤差返回3.4溫度檢測(cè)與變送返回3.4.1溫度檢測(cè)方法3.4.2熱電偶3.4.3熱電阻3.4.4溫度變送器3.4.5溫度檢測(cè)儀表的選型3.4.1溫度檢測(cè)方法溫度：表征物體冷熱程度的物理量。名稱符號(hào)單位絕對(duì)零點(diǎn)冰融點(diǎn)水沸點(diǎn)人體體溫華氏F℉-459.6732212100攝氏C℃-273.15010037.5開氏TK0273.15373.15F=1.8℃+32K=℃+373.15溫度檢測(cè)方法按測(cè)溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩類。1）接觸式測(cè)溫測(cè)溫元件直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，通過熱交換達(dá)到熱平衡，此時(shí)通過測(cè)溫元件的某一物理量與被測(cè)介質(zhì)溫度相對(duì)應(yīng)。要求：測(cè)溫元件對(duì)被測(cè)物理量的靈敏度高，線性關(guān)系好，重復(fù)性好，范圍寬，且不與被測(cè)介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，元件本身因受熱而發(fā)生變化微小。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，可靠，測(cè)溫精度高。缺點(diǎn)：測(cè)溫元件會(huì)影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，熱交換過程使測(cè)溫存在延遲。不適合溫度太高的場(chǎng)合，及運(yùn)動(dòng)物體和腐蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。2）非接觸式測(cè)溫測(cè)溫元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，通過熱輻射實(shí)現(xiàn)熱交換。特點(diǎn)：具有較高的測(cè)溫上限，且熱慣性小，適用于運(yùn)動(dòng)物體和快速變化的溫度檢測(cè)。缺點(diǎn)：受信號(hào)傳輸距離，發(fā)射功率，煙塵和水汽環(huán)境等外界因素的影響較大，存在較大測(cè)量誤差。類型型式原理測(cè)溫范圍(℃)準(zhǔn)確度(℃)特點(diǎn)常用種類接觸式膨脹式膨脹-200~6500.1~5結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度慢，適于就地測(cè)量汞溫度計(jì)雙金屬式溫度計(jì)壓力式壓力-20~6000.5~5具有防爆能力，響應(yīng)速度慢，測(cè)量精度低，適于遠(yuǎn)距離傳送液體壓力溫度計(jì)蒸汽壓力溫度計(jì)熱電阻熱阻效應(yīng)-200~8500.01~5響應(yīng)速度較快，測(cè)量精度高，適于低、中溫度測(cè)量，輸出信號(hào)能遠(yuǎn)距離傳送鉑電阻溫度計(jì)銅電阻溫度計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)熱電偶熱電效應(yīng)-200~18002~10響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，線性度差，適于中、高溫度測(cè)量，輸出信號(hào)能遠(yuǎn)距離傳送N型、K型、E型、J型、T型、B型等非接觸式輻射式熱輻射100~30001~20響應(yīng)速度快，線性度差，適于中、高溫度測(cè)量，測(cè)量精度易受環(huán)境影響輻射溫度計(jì)光電高溫計(jì)紅外測(cè)溫計(jì)P45表3-1常用溫度檢測(cè)儀表分類及其特點(diǎn)1、膨脹式溫度計(jì)基于物體受熱時(shí)產(chǎn)生體積膨脹的原理構(gòu)成。包括液體膨脹式和固體膨脹式兩類。雙金屬式溫度計(jì)：用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起制成螺旋形。溫度越高，產(chǎn)生的膨脹長(zhǎng)度差越大，引起的彎曲角度越大。P45圖3-4雙金屬式溫度計(jì)2、壓力式溫度計(jì)根據(jù)處于封閉系統(tǒng)中的液體或氣體受熱后，體積或壓力會(huì)產(chǎn)生變化這一原理制成。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單可靠，抗震性好，具有良好的防爆性。缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性能差，測(cè)量滯后較大，不宜測(cè)量迅速變化的溫度。組成：溫包，毛細(xì)管，彈簧管。3、輻射式溫度計(jì)利用熱輻射原理，無需直接接觸就可實(shí)現(xiàn)物體之間的熱能傳遞。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫上限原則上不受限制，測(cè)溫速度快且不會(huì)對(duì)被測(cè)溫度場(chǎng)產(chǎn)生大的影響，可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體，腐蝕性介質(zhì)等的溫度。缺點(diǎn)：容易受外界因素的影響而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。組成：光學(xué)系統(tǒng)，檢測(cè)元件，轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路等。原理：物體的輻射能通過光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡聚焦到檢測(cè)元件，再通過熱敏元件或光敏元件將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路，輸出與被測(cè)溫度相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度范圍的測(cè)量。類型：高溫輻射溫度計(jì)，低溫輻射溫度計(jì)，光電溫度計(jì)，紅外測(cè)溫儀等。（1）高溫輻射溫度計(jì)原理：由光學(xué)玻璃透鏡聚集能量，經(jīng)硅光電池實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。參數(shù)：測(cè)溫范圍為700~2000℃；基本誤差在1500℃以下時(shí)為±0.7%，在1500℃以上時(shí)為1%；穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1ms。應(yīng)用：高溫測(cè)量。（2）低溫輻射溫度計(jì)組成：由鍺濾光片或鍺透鏡和半導(dǎo)體熱敏電阻構(gòu)成。參數(shù)：接受波長(zhǎng)為2~15μm的輻射能，測(cè)溫范圍為0~200℃。其基本誤差為±1%，響應(yīng)時(shí)間為1s。（3）光電溫度計(jì)組成：光學(xué)玻璃與硫化鉛光敏電阻。參數(shù)：光學(xué)透鏡的光通帶波長(zhǎng)為0.6~2.7μm，測(cè)溫范圍為400~800℃。其基本誤差為±1%，響應(yīng)時(shí)間為1.5s。（4）紅外測(cè)溫儀原理：溫度在絕對(duì)零度以上的物體，會(huì)因自身分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線，且溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，輻射的熱紅外能量越大。紅外測(cè)溫儀利用紅外線這種電磁波輻射，通過紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。返回3.4.2熱電偶測(cè)溫范圍：-200~1300℃優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣適用：遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制1、工作原理基于熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。如圖3-5所示。P47圖3-5熱電偶的熱電效應(yīng)冷端熱端AB觸點(diǎn)1觸點(diǎn)2兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的兩端可靠接觸，構(gòu)成閉合回路；當(dāng)回路兩端溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。相關(guān)術(shù)語：熱端：觸點(diǎn)1，一般置于被測(cè)介質(zhì)中；冷端：觸點(diǎn)2，溫度通常恒定；熱電效應(yīng)：把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象；熱電偶：由兩個(gè)導(dǎo)體組成并將溫度轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器。說明：熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢(shì)包含兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分。接觸電動(dòng)勢(shì)記為EAB(t)，大小取決于兩種導(dǎo)體的材料和接觸點(diǎn)的溫度。溫差電動(dòng)勢(shì)指同一導(dǎo)體由于兩端溫度不同而導(dǎo)致電子具有不同的能量所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)差，記為EA(t,t0)。熱電偶總熱電動(dòng)勢(shì)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)之和，即當(dāng)熱電偶材質(zhì)確定且冷端溫度恒定時(shí)，熱端溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間呈單值函數(shù)關(guān)系，稱為熱電偶的熱電特性。該特性可通過實(shí)驗(yàn)方法獲得。結(jié)論：在實(shí)際使用中，只要保持冷端溫度為t0，根據(jù)儀表測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)，就可計(jì)算出被測(cè)溫度t或者通過分度表查出所對(duì)應(yīng)的被測(cè)溫度t。2、中間導(dǎo)體定律為檢測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)，必須在熱電偶回路的冷端接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)線）C和測(cè)量?jī)x表。此時(shí)，其總熱電動(dòng)勢(shì)為中間導(dǎo)體定律：只要第三的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，則接入第三導(dǎo)體對(duì)熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)沒有影響。3、冷端溫度補(bǔ)償分析：熱電偶只有在冷端溫度保持不變時(shí)，才能保證熱電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溫度之間呈單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶的分度表一般是在冷端溫度t0=0℃情況下測(cè)定。結(jié)論：熱電偶的冷端必須保持恒定（0℃），以避免測(cè)量誤差。冷端處理方法1：冷端恒溫法即將熱電偶的冷端置于能保持恒溫的冰水混合物中，或?qū)⒗涠搜a(bǔ)償導(dǎo)線引至電加熱的恒溫器內(nèi)，以保證冷端溫度穩(wěn)定在0℃或某一恒定溫度。P48圖3-7熱電偶冷端恒溫法測(cè)量的熱電動(dòng)勢(shì)查分度表求得冷端處理方法2：電橋補(bǔ)償法原理：采用不平衡電橋，利用電橋中某橋臂電阻隨溫度變化而產(chǎn)生的附加電壓，補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化。說明：用R0設(shè)計(jì)和Rp配合實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。熱敏銅質(zhì)電阻電位器P48圖3-8熱電偶冷端補(bǔ)償電橋冷端處理方法3：補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線：用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成的導(dǎo)線。原理：根據(jù)中間導(dǎo)體定律，用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長(zhǎng)至控制室等需要的地方，可使熱電偶的冷端遠(yuǎn)離熱源，從而保證冷端穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)熱電偶回路引入超出允許的附加測(cè)量誤差。4、常用工業(yè)熱電偶類型類型：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系，允許誤差有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：在使用范圍或數(shù)量級(jí)上不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有8種。熱電偶名稱分度號(hào)測(cè)溫范圍（℃）特點(diǎn)適用場(chǎng)合鉑銠10-鉑S0~1700熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，測(cè)溫范圍廣，測(cè)量精度高，線性差，價(jià)格高精密測(cè)量；有氧化性、惰性氣體環(huán)境鉑銠30-鉑銠6B0~1700測(cè)溫上限高，穩(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)，線性較差，價(jià)格高高溫測(cè)量；不適用于還原性氣體環(huán)境鎳鉻-鎳硅K-200~+1300測(cè)溫范圍寬、線性好、熱電動(dòng)勢(shì)大，價(jià)格低，但穩(wěn)定性較B型或S型熱電偶差中高溫測(cè)量鎳鉻-康銅E-200~+1000熱電動(dòng)勢(shì)較大，耐磨蝕，價(jià)格低，中低溫測(cè)量穩(wěn)定性好中低溫測(cè)量；有氧化性、惰性氣體環(huán)境鐵-康銅J-200~+1300價(jià)格便宜，熱電動(dòng)勢(shì)較大化工過程溫度測(cè)量銅-康銅T-200~+400精度高，價(jià)格低，但銅易氧化低溫測(cè)量鎳鉻硅-鎳硅N-200~+1300在相同條件下，尤其在1100~1300℃的高溫條件下，高溫穩(wěn)定性及使用壽命較K型熱電偶好，性能與S型熱電偶近似，但價(jià)格較小在測(cè)溫范圍內(nèi)，有全面代替廉價(jià)金屬熱電偶和部分S型熱電偶的趨勢(shì)鉑銠13-鉑R0~1700與S型熱電偶性能相似，熱電動(dòng)勢(shì)較大S型熱電偶相似環(huán)境P49表3-2標(biāo)準(zhǔn)熱電偶說明：廉價(jià)導(dǎo)體熱電偶不適用于腐蝕性和氧化環(huán)境中；貴重導(dǎo)體熱電偶不適用于還原性環(huán)境中。5、熱電偶結(jié)構(gòu)根據(jù)熱電偶用途和安裝位置不同，可分為：普通型，鎧裝型，薄膜型，表面型和浸入型熱電偶等。組成：熱電極，絕緣管，保護(hù)套管和接線盒。目的：實(shí)現(xiàn)密封和隔離，保證在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，熱電偶的可靠性。普通封裝：用不銹鋼管套增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，用陶瓷管絕緣。鎧裝結(jié)構(gòu)：將熱電極和陶瓷絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)套管中，組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)組合體。其響應(yīng)速度快，能彎曲，耐高溫，適用于狹窄或復(fù)雜的測(cè)量場(chǎng)合。P50圖3-9普通型熱電偶結(jié)構(gòu)6、熱電偶選型了解被測(cè)對(duì)象特性，根據(jù)熱測(cè)溫范圍和適用環(huán)境選取熱電偶，并確定熱電極的直徑和長(zhǎng)度。P50表3-3熱電偶基本選型方法返回3.4.3熱電阻適用場(chǎng)合：小于500℃的中低溫度測(cè)量。特點(diǎn)：測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，靈敏度高，不需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償；輸出為電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送和自動(dòng)控制。1、工作原理及其特點(diǎn)利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。電阻溫度系數(shù)：表示熱電阻阻值隨溫度的變化的大小，即分析：α描述溫度每變化1℃時(shí)熱電阻阻值的相對(duì)變化量。對(duì)于金屬熱電阻，α>=0，即電阻值隨著溫度的升高而增加.

對(duì)于半導(dǎo)體熱電阻，其溫度系數(shù)α可正可負(fù)，且線性度差。工業(yè)上常用的熱電阻有銅電阻和鉑電阻。不適用于測(cè)量體積小和溫度瞬變對(duì)象的溫度。熱電阻熱電偶較大空間的平均溫度點(diǎn)溫度冷端溫度補(bǔ)償與橋式電路配接中、低溫區(qū)穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高測(cè)溫上限高熱電阻與熱電偶的比較2、常用金屬熱電阻金屬熱電阻特性：①電阻溫度系數(shù)較大且穩(wěn)定，測(cè)溫靈敏度高；②電阻率大，在相同靈敏度下減小元件的尺寸；③電阻值與溫度之間呈單值關(guān)系；④具有化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性。（1）常用金屬熱電阻類型鉑電阻，銅電阻，鎳電阻等。銅電阻：價(jià)格便宜，線性程度好，但溫度高易于氧化。適用于測(cè)量精度要求不高，溫度較低，無水分及無腐蝕性的環(huán)境。鉑電阻：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、耐氧化能力強(qiáng)、測(cè)溫范圍寬。但電阻溫度系數(shù)比較小，電阻值與溫度之間呈非線性關(guān)系，且價(jià)格較貴。設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)要進(jìn)行線性補(bǔ)償。（2）熱電阻結(jié)構(gòu)組成：感溫元件，絕緣體，保護(hù)套管和接線盒。熱電阻的感溫元件，引線方式與熱電偶不同，熱電阻絲按照中間對(duì)折雙繞方式纏繞在由陶瓷或琉璃構(gòu)成的絕緣骨架上。熱電阻中的引線用于連接熱電阻絲和外部測(cè)量電路，常用的引線方式有：二線制，三線制和四線制。電阻絲在支架上繞制，由玻璃或陶瓷作外保護(hù)層，防止有害氣體腐蝕和氧化。繞制中采用中間對(duì)折雙繞方式，避免感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。P52圖3-10工業(yè)熱電阻結(jié)構(gòu)理想值誤差實(shí)際值分析：r的影響不容忽視①

二線制熱電阻感溫元件的兩端各連接一根導(dǎo)線的引線方式。簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，但引線電阻及其變化會(huì)帶來附加誤差。適用于引線不長(zhǎng)，測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。P52圖3-11二線制②

三線制在熱電阻感溫元件的一端連接兩根導(dǎo)線，另一端連接一根導(dǎo)線的引線方式。分析：引線電阻不會(huì)對(duì)電橋產(chǎn)生影響，可較好地消除引線電阻所導(dǎo)致的附加誤差，測(cè)量精度較高，應(yīng)用廣泛。電橋平衡時(shí)：P53圖3-13三線制3、半導(dǎo)體熱敏電阻由多種金屬氧化物按比例燒結(jié)成的半導(dǎo)體構(gòu)成。特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，體積小，反應(yīng)快速。缺點(diǎn)：互換性、穩(wěn)定性不好，非線性較嚴(yán)重。適用場(chǎng)合：家電和汽車等領(lǐng)域的溫度檢測(cè)。根據(jù)材質(zhì)和工藝不同分類：正溫度系數(shù)（PTC），負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和臨界溫度系數(shù)（CTR）三種。P53圖3-14半導(dǎo)體熱敏電阻特性10710610510410310210104080120160180PTCPTC正溫度系數(shù):在某區(qū)段靈敏度高，適于位式溫度傳感器NTC負(fù)溫度系數(shù):線性度好，用于連續(xù)變化溫度場(chǎng)合返回3.4.4溫度變送器作用：與熱電偶，熱電阻等敏感元件配接，將敏感元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。作為顯示儀表，調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)模擬輸入采集的輸入，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度的顯示、記錄或控制。輸出信號(hào)采用DC4~20mA的DDZ-Ⅲ型溫度變送器的特點(diǎn)：采用低漂移，高增益的線性集成運(yùn)算放大器，提高了儀表的可靠性，穩(wěn)定性和其他性能指標(biāo)。采用通用模塊與專用模塊相結(jié)合的單元體系結(jié)構(gòu)，使用靈活方便。在熱電偶和熱電阻的接入模式中，設(shè)置了線性化電路，可使變送器的輸出信號(hào)和被測(cè)溫度間成線性關(guān)系，方便了變送器與系統(tǒng)的配接。采用統(tǒng)一的DC24V集中供電，變送器內(nèi)無電源，實(shí)現(xiàn)二線制接線方式。采用安全火花防爆措施，適用于具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度或直流毫伏信號(hào)的檢測(cè)。1、DDZ-Ⅲ型溫度變送器結(jié)構(gòu)原理構(gòu)成：量程單元，放大單元。P54圖3-15DDZ-Ⅲ型溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖工作原理：毫伏輸入信號(hào)ui來自傳感器，反映溫度大小的輸入信號(hào)，它與橋路部分的輸出信號(hào)uZ及反饋信號(hào)uf相疊加，送入集成運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大，再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的DC4~20mA電流輸出和DC1~5V電壓輸出。量程單元：熱電偶，熱電阻和毫伏輸入三種形式。包括輸入回路和反饋回路。輸入回路實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償，熱電阻的三線制接入，零點(diǎn)遷移及量程調(diào)整等功能；反饋回路實(shí)現(xiàn)熱電偶和熱電阻的非線性校正等。放大單元：由集成運(yùn)放，功率放大和隔離輸出等電路構(gòu)成，具有通用性。2、量程單元結(jié)構(gòu)與工作原理包括直流毫伏量程單元，熱電偶量程單元和熱電阻量程單元三種。（1）直流毫伏量程單元由信號(hào)輸入電路、零點(diǎn)遷移（調(diào)整）電路，反饋電路組成。輸入電路零點(diǎn)遷移電路反饋電路放大單元濾波限流用于零點(diǎn)調(diào)整量程調(diào)整P54圖3-16直流毫伏量程單元（2）熱電偶量程單元實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整和線性化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出電流（電壓）與溫度成比例關(guān)系。線性化（分段線性化）：通過負(fù)反饋回路，控制VD3-VD5調(diào)整反饋強(qiáng)度和降壓系數(shù)來改變各段斜率。量程調(diào)整冷端補(bǔ)償零點(diǎn)調(diào)節(jié)P56圖3-17熱電偶量程單元負(fù)反饋在反饋電路中制作一個(gè)與熱電偶非線性相等或相近的電路實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償，使u與t成比例。P56圖3-18熱電偶量程單元線性化實(shí)現(xiàn)框圖（3）熱電阻量程單元三線制接法，并在必要情況下線性化。由零點(diǎn)調(diào)整遷移電路，反饋電路組成。VD1~VD4限壓，以確保安全防爆要求。對(duì)于鉑電阻，存在非線性，因此，產(chǎn)生凹函數(shù)以便補(bǔ)償。對(duì)于銅電阻，本身呈近似線性，則不需要線性化措施。正反饋P57圖3-20熱電阻量程單元3、放大單元結(jié)構(gòu)與工作原理組成：集成運(yùn)放電路，功率放大電路，輸出電路，反饋電路，直流-交流-直流變換電路5部分組成。作用：將量程單元送來的毫伏信號(hào)進(jìn)行電壓放大和功率放大，輸出統(tǒng)一的電流信號(hào)DC4~20mA和電壓信號(hào)DC1~5V。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的反饋電壓uf送至量程單元。P58圖3-21放大單元原理圖返回3.4.5溫度檢測(cè)儀表的選型選取溫度檢測(cè)儀表時(shí)，要注意以下幾方面：儀表精度等級(jí)應(yīng)符合工藝參數(shù)的誤差要求；選用的儀表應(yīng)操作方便，運(yùn)行可靠，經(jīng)濟(jì)，合理，在同一工程中應(yīng)盡可能減少儀表的品種和規(guī)格；儀表的測(cè)溫范圍應(yīng)大于工藝要求的實(shí)際測(cè)溫范圍；熱電偶是溫度檢測(cè)儀表的首選。低溫時(shí)多選用熱電阻；測(cè)溫元件的保護(hù)套管耐壓等級(jí)應(yīng)不低于所在管線或設(shè)備的耐壓等級(jí)。返回P59圖3-22工業(yè)測(cè)溫儀表的選用原則3.5壓力檢測(cè)與變送返回3.5.1壓力的概念及其檢測(cè)3.5.2彈性式壓力檢測(cè)儀表3.5.3電氣式壓力檢測(cè)儀表3.5.4壓力變送器3.5.5壓力檢測(cè)儀表的選用3.5.1壓力的概念及其檢測(cè)1、壓力的概念壓力指均勻垂直作用于單位面積上的力。工程上常將被測(cè)壓力表示為：絕對(duì)壓力：相對(duì)于絕對(duì)真空所測(cè)得的壓力；表壓：高于大氣壓力的絕對(duì)壓力與大氣壓力；真空度：當(dāng)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差；差壓：任意兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的絕對(duì)壓力差值。絕對(duì)壓力P:物體所承受的實(shí)際壓力絕對(duì)真空Po=0環(huán)境大氣壓力Patm真空度：大氣壓力與低于大氣壓時(shí)的絕對(duì)壓力之差。Pv-Patm<0表壓力：高于大氣壓力時(shí)絕對(duì)壓力與大氣壓之差。Pg-Patm>0高壓側(cè)--“正壓”側(cè)低壓側(cè)--“負(fù)壓”側(cè)P61圖3-23各類壓力之間關(guān)系圖帕斯卡：

----1N力垂直作用在1m2面積上所形成的壓力。工程大氣壓：2、壓力檢測(cè)的主要方法液柱式壓力檢測(cè)彈性式壓力檢測(cè)電氣式壓力檢測(cè)活塞式壓力檢測(cè)（1）液柱式壓力檢測(cè)根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度，用液柱產(chǎn)生或傳遞的壓力來平衡被測(cè)壓力的方法進(jìn)行測(cè)量。適用場(chǎng)合：實(shí)驗(yàn)室的低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。缺點(diǎn)：量程受液柱長(zhǎng)度的限制，且只能就地顯示，不能遠(yuǎn)傳。（2）彈性式壓力檢測(cè)根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。常用器件：彈簧管，膜片和波紋管等。（3）電氣式壓力檢測(cè)利用敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電阻，電感，電容等。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，測(cè)量量程范圍大，線性度好，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳。（4）活塞式壓力檢測(cè)基于靜力平衡原理，通過液壓傳遞進(jìn)行壓力測(cè)量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高。適用場(chǎng)合：作為標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)彈簧管壓力表進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定。返回3.5.2彈性式壓力檢測(cè)儀表特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍廣，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。常用類型：彈性膜片（膜盒），波紋管，彈簧管等。彈性膜片波紋管彈簧管多圈彈簧管P61圖3-24彈性元件示意圖1、彈性膜片膜片：一種沿外緣固定在殼體上的片狀圓形薄板或薄膜。當(dāng)膜片受到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生微位移輸出。特點(diǎn)：靈敏度較低，位移較小。適用場(chǎng)合：微壓或低壓的測(cè)量。2、波紋管波紋管是一種軸對(duì)稱的波紋狀薄壁金屬筒體。波紋管受到軸向壓力作用時(shí)，能使自由端沿軸向產(chǎn)生較大的伸長(zhǎng)或收縮位移。特點(diǎn)：靈敏度高，用于較低壓力的檢測(cè)。3、彈簧管彈簧管是由一根彎成圓弧形的空心金屬管構(gòu)成，其橫截面呈扁圓形或橢圓形。其固定端開口，并與被測(cè)介質(zhì)連通；自由端封閉。形式：?jiǎn)稳?，多圈。被測(cè)壓力為負(fù)壓時(shí)，截面變扁，a變大，b變小；不銹鋼、磷青銅的彈簧管剛性大，用來測(cè)高溫；黃銅的彈簧管剛性小，可用以測(cè)低壓；測(cè)量范圍：0~0.006Mpa，0~1000MpaA端與被測(cè)壓力介質(zhì)導(dǎo)通，B封閉為自由端。彈簧管內(nèi)空，呈橢圓形。

被測(cè)壓力為正壓時(shí)，彈簧管截面橢圓變?yōu)閳A形，a減小，b增大，自由端產(chǎn)生位移，位移與壓力呈正比。原始越大，b越短，同樣壓力下的角位移越大，儀表靈敏度越高。P61圖3-25彈簧管測(cè)量原理圖返回3.5.3電氣式壓力檢測(cè)儀表電氣式壓力檢測(cè)儀表：利用壓力敏感元件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成各種電信號(hào)，如電阻，頻率，電壓等。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性能好，線性度好，檢測(cè)范圍寬，輸出信號(hào)適合遠(yuǎn)傳，適用于壓力動(dòng)態(tài)變化的超高壓的測(cè)量。1、壓電式壓力檢測(cè)儀表原理：利用晶體的壓電效應(yīng)。晶體在壓力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，引起垂直于變形方向兩個(gè)表面上的電荷分離，形成電壓輸出。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)快，量程范圍大，適用于脈沖壓力的測(cè)量。2、電阻式壓力檢測(cè)儀表原理：通過電阻應(yīng)變片，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，再通過測(cè)量電路將電阻的變化量轉(zhuǎn)化為便于輸出測(cè)量的電流或電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。核心：電阻應(yīng)變片，分金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬電阻應(yīng)變片：工作性能穩(wěn)定，精度高，應(yīng)用廣泛。靈敏度較低。半導(dǎo)體應(yīng)變片：靈敏度相對(duì)較高，動(dòng)態(tài)性能較好，在動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)顯著。返回3.5.4壓力