第二章 机理建模ppt课件.ppt

1,第二章 过程建模和检测控制仪表,本章主要内容1. 过程机理分析建模2. 过程试验建模3. 过程变量检测及变送4. 成分分析仪表5. 过程参数采集6. 过程控制仪表,2,第二章 过程建模和检测控制仪表,2.1 过程建模 为了很好的控制一个过程，需要知道当控制量变化时，被控量如何变化，向哪个方向改变，并最终改变多少；被控量的变化需要经历多长时间，变化规律等。这些均依赖于过程的数学模型。因此，一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产过程的了解和建立过程的数学模型。 过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义。,3,2.1 过程建模,2.1.1 基本概念1. 概述（1）被控过程被控制的生产工艺设备（加热炉、贮罐）（2）数学模型被控过程在各输入量（控制量、扰动量）作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。 非参数模型：曲线表示的。如阶跃响应曲线等。 参数模型：用数学方程式或函数表示的。,4,2.1.1 基本概念,（3）常用的数学模型： 连续：微分方程、传递函数、状态方程 离散：差分方程、离散化传函、离散化状态方程2. 建模的目的（1）设计过程控制系统和整定调节器参数 在过程控制系统的分析、设计和整定时，是以被控过程的数学模型为依据的，它是极其重要的基础资料。例如前馈控制系统就是根据被控过程的数学模型进行设计的，所以建立过程的数学模型是实现前馈控制的前提。,5,2.1.1 基本概念,(2) 指导设计生产工艺设备 通过对生产工艺设备数学模型的分析和仿真，可以确定有关因素对整个被控过程动态特性的影响(例如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温、汽压等动态特性的影响)，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。,6,2.1.1 基本概念,(3) 进行仿真试验研究 在实现生产过程自动化中，往往需要对一些复杂庞大的设备进行某些试验研究，例如某单元机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷，当冲击电负荷过大时会造成什么后果。对于这种破坏性的试验往往不允许在实际设备上进行，而只要根据过程的数学模型，通过计算机进行仿真试验研究，就不需要建立小型的物理模型，从而可以节省时间和经费。,7,2.1.1 基本概念,(4) 培训运行操作人员 在现代生产过程自动化中，对于一些复杂的生产操作过程(例如大型电站机组的运行)都应该事先对操作人员进行实际操作培训。随着计算机仿真技术的发展，先建立这些复杂生产过程的数学模型(不需要建小型物理模型)，而后通过仿真使之成为活的模型，在这样的模型上，教练员可以安全、方便、多快好省地对运行操作人员进行培训。,8,2.1.1 基本概念,3. 对数学模型的要求（1）准确可靠：依据实际，提出适当要求，经济可行。（2）用于控制的模型：不要求非常准确，模型误差可 视为干扰（闭环情况）（3）突出主要因素，忽略次要因素（复杂近似，线性化）,9,2.1.1 基本概念,4. 多输入单输出系统,单回路控制系统框图,多个输入量：u(t),f1(t),fn(t)单个输出量：y(t),过程通道被控过程输入量与输出量之间的信号联系控制通道控制作用与被控量之间的信号联系扰动通道扰动作用与被控量之间的信号联系,10,5、建模方法（1）机理分析方法建模（数学分析法建模或理论建模）机理建模是根据过程的内部机理(运动规律)，运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型。机理分析法建模主要是基于分析过程的结构及其内部的物理化学过程，因此要求建模者应有相应学科的知识。,2.1.1 基本概念,11,2.1.1 基本概念,（2）试验法建模试验法一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入、输出的实测数据进行数学处理后得到的模型。主要特点：从外部特征上测试和描述它的动态过程，因此，不需要深入掌握内部机理（黑匣子）。过程处于激励状态阶跃响应曲线法；矩形脉冲响应曲线法。,12,6. 自衡过程与非自衡过程（1）自衡过程,自衡过程有自平衡能力（能达到新的平衡）,液位被控过程及其阶跃响应（自衡）,2.1.1 基本概念,13,（2）非自衡过程,液位被控过程及其阶跃响应（非自衡）,非自衡过程无自平衡能力（不能达到新的平衡）,2.1.1 基本概念,14,2.1.2 机理分析方法建模,2.1.2 机理分析方法建模 单位时间内进入对象的物料（或能量）单位时间内从被控对象流出的物料(或能量)。 单位时间内进入对象的物料（或能量）的增量单位时间内从被控对象流出的物料（或能量），等于被控对象内物质（或能量）存储量的变化率。,静态物料（或能量）平衡关系,动态物料（或能量）平衡关系,15,2.1.2 机理分析方法建模,1. 自衡过程建模（1）单容过程（一个容器，具有自衡能力的过程）,液位被控过程及其阶跃响应,流入量为q1 ； 流出量为q2 ； 液位h的变化反映了q1与q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程； q1作为被控过程的输入量， h认为其输出量； 被控过程的数学模型就是h与q1之间的数学表达式。,16,2.1.2 机理分析方法建模,根据动态物料平衡关系有：增量形式为:,q2与h成比例关系：,(R2阀2的阻力-液阻),拉氏变换：Q1(s) Q2(s) CsH(s) ； Q1(s) Q2(s) / CsH(s) Q2(s) H(s) / R2,、,、,：分别为偏离某一平衡状态q10、q20、h0的增量,A水箱截面积。,或,17,2.1.2 机理分析方法建模,Q1(s) Q2(s) / CsH(s) Q2(s) H(s) / R2,传递函数：,式中 T0液位过程的时间常数，T0R2C； K0液位过程的放大系数，K0R2； C 液位过程的容量系数，或称过程容量。,单容液位过程的阶跃响应曲线,单容过程框图,18,2.1.2 机理分析方法建模,（2）多容过程的数学模型（以双容为例）,两只水箱串联工作的双容过程,Q1(s) Q2(s) C1sH1(s) Q2(s) H1(s) / R2 Q2(s) Q3(s) C2sH2(s) Q3(s) H2(s) / R3,q1输入q2输出,19,2.1.2 机理分析方法建模,Q1(s) Q2(s) C1sH1(s) Q2(s) H1(s) / R2 Q2(s) Q3(s) C2sH2(s) Q3(s) H2(s) / R3,双容过程框图,双容过程的数学模型为,式中：T1 第一只水箱的时间常数，T1=R2C1 T2第二只水箱的时间常数， T2=R3C2 K0过程的放大系数，K0=R3 C1、C2 分别为两只水箱的容量系数,20,2.1.2 机理分析方法建模,双容过程响应曲线,流量ql有一阶跃变化时，被控量 h2的响应曲线。 特点：q1变 h1变，但h2经过一时间后变化速度才达到最大存在滞后（容量滞后） 原因：主要是两个容积之间存在着阻力R1和R2 作图求c、T0,21,2.1.2 机理分析方法建模,多容过程传函：,如果,则上式可表示为,多容过程(n5)的阶跃响应曲线,22,2.1.2 机理分析方法建模,（3）滞后过程 生产过程中常见现象,微分方程和传递函数为,式中 T0过程的时间常数，T0R2C； K0过程的放大系数，K0R2； 0过程的纯滞后时间。,纯滞后液位过程,23,2.1.2 机理分析方法建模,对于纯滞后的多容过程，其传递函数为:,纯滞后液位过程响应曲线,24,2.1.2 机理分析方法建模,2.非自衡过程建模 （1）非自衡单容过程的数学模型,q2与液位h无关,单容过程及其响应曲线,过程的微分方程为,过程的传递函数为,式中 Ta积分时间常数；TaC,25,2.1.2 机理分析方法建模,（2）非自衡多容过程的数学模型,无自衡多容过程的数学模型为,式中 Ta双容过程积分时间常数； TaC2 T第一只水箱的时间常数,双容过程及其响应曲线,26,2.1.2 机理分析方法建模,同理，无自衡多容过程的数学模型为,（3）滞后过程,无自衡单容过程具有纯滞后时，则其传递函数为,无自衡多容过程具有纯滞后时，则其数学模型为,27,2.1.2 机理分析方法建模,例题：,液位过程的输入量为ql，流出量为q2、q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3为线性液阻。要求： (1)画出液位过程的框图； (2)试求液位过程的传递函数。W0(s)=H(s)/Q1(s)。,28,2.1.2 机理分析方法建模,根据动态物料平衡关系有：增量形式为:,q2与h成比例关系:,(R2阀2的阻力-液阻),、,、,：分别为偏离某一平衡状态 q10、q20、q30 、h0的增量,A水箱截面积。,或,解：,q3与h成比例关系:,(R3阀3的阻力-液阻),或,29,2.1.2 机理分析方法建模,拉氏变换：Q1(s) Q2(s) Q3(s) CsH(s) ； Q1(s) Q2(s) Q3(s) / CsH(s) Q2(s) H(s) / R2 Q3(s) H(s) / R3,框图,30,2.1.2 机理分析方法建模,传递函数,1/R=1/R2+1/R3,31,2.1.3 试验法建模（过程辨识）,机理分析法虽然具有较大的普遍性，但是，由于很多工业过程其内部机理较复杂，对某些物理、化学过程目前尚不完全清楚，所以对这些较复杂过程的建模较为困难。实际工业过程多半有非线性因素，在进行数学推导时常常作了一些近似与假设，虽然这些近似和假设具有一定的实际依据，但并不能完全反映实际情况，甚至会带来估计不到的影响。因此，即使用机理分析法得到过程的数学模型，仍然希望采用实验方法加以验证。尤其当实际过程较复杂求不出其数学模型时，更需要通过实验方法即辨识方法来求得。,32,2.1.3 试验法建模,1. 试验法建模根据过程对象输入、输出的实测数据，进行数学处理（过程辨识，参数估计）后得到的模型。从外特性上测试和描述它的动态性质，不需要深入掌握内在机理；动态特性只有当它处于变动状态时才会表现出来（被激励的状态）； 不加专门信号利用过程在正常操作时所记录的信号，进行统计分析来求得过程的数学模型。一般来说这种方法只能定性地反映过程的数学模型，其精度较差。,33,2.1.3 试验法建模,加专门信号的在试验过程中改变所研究的过程输入量，对其输出量进行数据处理就可求得过程的数学模型。专门信号时间域信号，如阶跃信号、脉冲信号等； 频率域信号，如正弦波、梯形波等。2. 阶跃响应曲线的试验测定法输入信号变化前，过程对象为稳定状态；调节阀的开度做515的变化；输入正反两个方向的阶跃信号，测取响应曲线；重复数次。,34,2.1.3 试验法建模,3.矩形脉冲响应曲线的试验测定法 为了能够施加比较大的扰动幅值而又不至于严重干扰正常生产，可以用矩形脉冲输入代替阶跃输入，即，大幅度阶跃施加一小段时间后立即将它切除。 这样得到的矩形脉冲响应当然不同于正规的阶跃响应过程，但两者之间有密切关系，可以从中求出所需的阶跃响应。,35,2.1.3 试验法建模,矩形脉冲信号x(t)可以看作两个幅值相等方向相反的阶跃信号x1(t)和x2(t)的叠加，即,其矩形脉冲响应曲线阶跃响应曲线y1(t) 和 y1(t-) 加而成，即：,矩形脉冲响应曲线,36,2.1.3 试验法建模,由矩形脉冲实测曲线求取所对应的阶跃响应曲线：,y1(t)要求的；y*(t)-已知的,矩形脉冲响应曲线,分段作图法求y1(t),37,2.1.3 试验法建模,4.由阶跃响应曲线确定（辨识）对象的特性参数,应用控制理论来分析、设计、整定或改进一个过程控制系统，只有过程的阶跃响应曲线是不够的，还必须由阶跃响应曲线确定其传递函数。,(1) 根据试验曲线形状，确定模型结构A.有自衡能力对象的传递函数,无滞后过程,一阶惯性,二阶惯性,38,2.1.3 试验法建模,有滞后过程,一阶：响应曲线在开始阶段斜率大，而后逐渐减少。 即响应曲线单调递减，是一阶环节的固有属性。二阶：响应曲线在开始阶段斜率小，然后逐渐增大而后又 逐渐减少。即曲线变化呈现：慢快慢。,一阶惯性加滞后,二阶惯性加滞后,39,2.1.3 试验法建模,B.无自衡能力对象的传递函数,无滞后过程,有滞后过程,C.需确定参数：放大系数K0、 时间常数T(T0,T1,T2,Ta) 以及滞后时间(含c与0)。,40,2.1.3 试验法建模,（2）确定一阶环节的特性参数,阶跃响应曲线,方法1： A静态放大系数K。,B 时间常数T0,T0=OB,作图法,41,2.1.3 试验法建模,方法2：A静态放大系数K0,B 时间常数T0,阶跃响应曲线标准化：,在阶跃信号作用下：,阶跃响应曲线,计算法,42,2.1.3 试验法建模,在标准化曲线上选两个点,阶跃响应曲线,若T1与T2较接近时,43,2.1.3 试验法建模,（3）确定一阶加滞后环节的特性参数,该曲线的形状为S形，可以用一阶惯性加滞后环节来近似,A静态放大系数K。,B 时间常数T0,T0=BC,C 滞后时间,=OB,阶跃响应曲线,44,2.1.3 试验法建模,（4）确定二阶或n 阶惯性环节的特性参数,阶跃响应曲线,待求参数：K0，T1，T2,求法：,45,2.1.3 试验法建模,T1，T2计算公式（已知t1，t2）：,一阶环节近似,二阶环节近似,46,2.1.3 试验法建模,高阶环节近似,多容过程的n与t1/t2的关系,47,2.1.3 试验法建模,（5）确定无自衡过程的特性参数,无自衡过程阶跃响应曲线,=OA,48,2.2 过程变量检测及变送,2.2 过程变量检测及变送2.2.1 概述,控制仪表,检测仪表,过程控制系统,49,2.2.1 概述,1.过程变量(或称过程参数)检测: 主要是指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的测量。2.一次仪表： 在进行过程变量检测时，一般由一测量体与被测介质相接触，测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，然后再用仪表加以显示。在工程上，通常把前一过程叫做一次测量，所用的仪表叫作一次仪表，后面的计量显示仪表叫做二次仪表。,50,2.2.1 概述,3. 测量误差 测量误差是指测量结果与被测变量的真值(实际值)之差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。 (1)绝对误差，相对误差 绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差。 相对误差是指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数。常见有如下三种表示方式：,51,2.2.1 概述,A.实际相对误差：绝对误差与被测量的真值(实际值)之比的百分数 B.标称相对误差：绝对误差与仪表指示值之比的百分数。 C.引用相对误差：绝对误差与仪表的量程之比的百分数。,52,2.2.1 概述,(2) 系统误差、随机误差和疏忽误差A 系统误差是指测量仪表本身或其它原因(如零点未调整好等)引起的有规律的误差。B 随机误差是指在测量中所出现的没有一定规律的误差。C 疏忽误差是指观察人员误读或不正确使用仪器与测量方法等人为因素所起的误差。,53,2.2.1 概述,（3）基本误差、附加误差和允许误差 A 基本误差: 基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。 B 附加误差: 附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。如仪表超过规定的工作温度时所引起的附加误差。 C 允许误差: 允许误差是指在国家规定标准条件下使用时，仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。这是一个许可的误差界限。,54,2.2.1 概述,4.自动化仪表的性能指标(1) 精度等级 任何自动化仪表均有一定误差。使用仪表时首先必须知道仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距。,例如一台仪表的测温范围为50-550，绝对误差的最大值为6，则这台仪表的相对误差为：,仪表精度（绝对误差的最大值/仪表量程）100,55,2.2.1 概述,(2) 灵敏度与灵敏限 灵敏度 ：仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的参数变化量之比。 灵敏限：灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。,灵敏度,56,2.2.1 概述,(3) 变差 在外界条件不变的情况下，用同一仪表对同一个量进行正、反行程(逐渐由小到大或由大到小)测量时，所得两示值之差。,变差,x1正行程测量的示值,x2反行程测量的示值,仪表量程,57,2.2.1 概述,5.自动化仪表的选用 过程自动化：正确的控制方案正确合理地选用自动化仪表。 仪表类型选用：控制型仪表 ：对过程影响较大，需随时进行监控的变量报警型仪表 ：可能影响生产或安全的变量； 记录型仪表 ：经常了解其变化趋势的变量； 指示型仪表 ：需要经常监视的变量。,58,2.2.1 概述,自动化仪表的精度等级选用 ： 根据工艺要求、产品质量指标、变量的重要程度等要求来合理选用。仪表精度高（误差小）使用维护要高，价格贵，一般应该在满足上述要求的前提下，同时考虑经济性原则来合理选取；构成控制回路的各种仪表的精度要相配； 记录仪表的精度不应低于1.0级，指示仪表精度不应低于1.5级。,59,2.2.2 温度检测及变送,2.2.2 温度检测及变送 1.概述 温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。任何化学反应和物理变化都与温度有关，它约占生产过程中全部过程参数的50%左右。所以，温度的检测与控制是过程控制工程的重要任务之一。测量温度的方法很多，从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两类。,60,2.2.2 温度检测及变送,接触式测温 通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。 主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。 问题：滞后现象；高温度的测量受限。 非接触式测温 通过接收被测介质发出的辐射热来判断温度 主要特点是：测温上限原则上不受限制；测温速度较快，可以对运动体进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差较大。,61,2.2.2 温度检测及变送,测温仪表分类及其常用温度计,62,2.2.2 温度检测及变送,2.热电偶温度计 热电偶温度计在工业生产过程中使用极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。 (1)测温原理：热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。,63,2.2.2 温度检测及变送,将两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，只要其连接点1、2温度不同，在回路中就产生热电动势，这种现象称为热电效应。这两种不同导体的组合元件就称为热电偶。 热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的。平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。,64,2.2.2 温度检测及变送,当两种不同材料导体A、B接触时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界面上便产生电子的互相扩散；若导体A中自由电子密度大于导体B中自由电子密度，在开始接触的瞬间，导体A向导体B扩散的电子数将比导体B向导体A扩散的电子数多，因而使导体A失去较多的电子而带正电荷，导体B带负电荷，致使在导体A、B接触处产生电场，以阻碍电子在导体B 中的进一步积累，最后达到平衡。平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。,接触电动势产生机理,65,当接触点1,2的温度不同时，便产生两个不同的接触电动势，回路中的总电动势为,焊接的一端称为热端(工作端)，与导线连接的一端称为冷端(自由端)。热端与被测介质接触，冷端置于设备之外。,在使用热电偶测温时，冷端温度应该使之相等。,2.2.2 温度检测及变送,热电偶测温示意图,1热电偶 2测量仪器 3连接导线,66,67,2.2.2 温度检测及变送,常用热电偶的结构形式,热电偶典型结构,1接线盒 2接线柱 3接线座4保护管 5绝缘瓷管 6热电偶,68,2.2.2 温度检测及变送,3.热电阻温度计热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。最大特点是性能稳定、测量精度高、测温范围宽。(1)铂电阻(2)铜电阻(3)半导体热敏电阻：具有灵敏度高、热响应时间短、结构简单、使用方便等特点。适用于快速测温。,-2000 范围内,0850范围内,Rt=R01+At+Bt2+C(t100 )t2,Rt=R0(1+At+Bt2),Rt=R0(1+t),-50150范围内,69,2.2.2 温度检测及变送,4. 温度送变器(DDZ型)变送器- 将被测的各种参数(温度、压力等)变换成统一标准 信号(DC420mA或DC15V) 的仪表,组成：输入回路、冷端温度补偿回路和非线性反馈回路， 放大单元等部分组成。,温度变送器结构组成框图,热电动势,调零调量程,反馈电路,70,2.2.2 温度检测及变送,工作原理,71,2.2.3 压力、流量、液位检测,2.2.3 压力、流量、液位检测1. 压力检测 在现代工业生产过程中，压力的检测与控制是保证工艺要求、生产设备和人身安全并使生产过程正常运行的必要条件。同时，其它一些过程参数诸如温度、流量、液位等往往可以通过压力来间接测量。所以压力检测在生产过程自动化中具有特殊的地位，是极为重要的。,72,2.2.3 压力、流量、液位检测,按其转换原理不同，可分为以下四类： (1) 弹性式压力表： 根据弹性元件受力 变形的原理，将被测压力转换成位移来测量的。例如弹簧管式压力表，膜片(或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。 (2) 液柱式压力表： 根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来测量的。如单管压力计，U型管压力计及斜管压力计等。,73,74,75,76,2.2.3 压力、流量、液位检测,(3) 电气式压力表： 将被测压力转换成电势、电容、电阻等电量的变化来间接测量压力。适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压场合。 有应变片式压力计，霍耳片式压力计，热电式真空计等。 (4) 活塞式压力表： 根据液压机传递压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。通常作为标准仪器对弹性压力表进行校验与刻度。,77,78,79,2.2.3 压力、流量、液位检测,2.流量检测在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。流量测量的方法及其常用仪表很多。按其工作原理可分为三类： (1)容积式流量计：以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体总量的。,80,81,2.2.3 压力、流量、液位检测,它包括椭圆齿轮流量计、括板式流量计、腰轮流量计、旋转活塞式流量计等。容积式流量计的特点是测量精度较高。 (2)速度式流量计： 应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量的。这类仪表包括差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声波流量计等。在工业生产过程中差压流量计和转子流量计应用最广。,82,83,电磁式流量计,84,2.2.3 压力、流量、液位检测,(3)质量流量计：质量流量计有两种， 一是通过直接检测与质量流量成比例的参数来实现质量流量测量的直接型质量流量计； 二是通过体积流量计与密度计的组合来实现质量流量测量的间接型质量流量计。,85,86,87,2.2.3 压力、流量、液位检测,3. 液位检测液位是指蜜封容器或开口容器中液面的高低（1）静压式液位计：静压式液位计是利用容器里的液位高度产生的静压力随其液位变化而变化的原理进行工作的。因为对于不可压缩的液体，液位高度与液位的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知液位高度。（2）电容式液位计：是利用测量电容量的变化来测量液位高低的。,88,2.2.4 成分分析仪表,2.2.4 成分分析仪表 在工业生产过程中，要确定各种物质的成分及其性质，就必须对有关参数进行分析，例如化学成分、化学性质、浓度、粘度等。用来测量物质成分与含量及其某些物理特性的仪表统称为分析仪表。能自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表叫流程分析仪表，或称工业自动分析仪器。,89,2.2.4 成分分析仪表,随着现代工业生产过程的反应速度愈来愈快，依靠人工取样化验分析已不能满足生产需要。如果能通过流程分析仪表及时得到各种物质的成分及其性质，根据分析信号进行质量控制，就可以取得最佳的控制质量。 例如，加热炉的燃烧过程，若能根据分析烟道气的含氧量来控制空气供给量，则可获得最佳的热效率，从而可节省能源消耗。,90,2.2.4 成分分析仪表,红外线气体分析仪 1.基本原理红外线是一种不可见光，它是一种电磁波，其波长为0.761000m。红外线气体分析仪主要利用125 m之间的一段红外光谱。各种气体的分子本身都具有特定的振动和转动频率，只有当红外线光谱的频率和气体分子本身的特定频率相同时，这种气体分子才能吸收红外光谱辐射能，并部分地转化为热能，从而利用测温元件来测量红外辐射能的大小。这就是利用红外线进行气体成分分析的原理。,91,2.2.4 成分分析仪表,红外线通过物质前、后能量的变化(即被吸收的程度)与待分析组分的浓度有关，它们之间的定量关系遵循Bell定律，即,式中 I透射光强度(辐射强度)； I0入射光强度(辐射强度)； k0待测组分的吸收系数； c待测组分的浓度； L光通过待测组分的长度。,92,93,94,95,2.2.4 成分分析仪表,2. 红外线气体分析仪的工作原理,原理图,1光源2反射镜3分析室 4参比室 5切光片 6同步电机,7、8干扰滤光室9检测接收室10电容接收室11放大器12记录仪表,96,2.2.4 成分分析仪表,待测组分气体,N2气体,干扰气体,待测组分气体,待测组分红外线光谱能量大,待测组分红外线光谱能量小,左右吸收能量不同，产生压力差动片位移电容量变放大记录,97,2.2.5 过程参数的采集,2.2.5 过程参数的采集1. 概述 工业过程中，除了需要控制的参数外，还有许多重要的参数需要受到关注。这些参数中有些对工业过程的正常运行有重要作用，只是因为为了简化控制系统，或是由于实现上的困难而没有被选为被控参数。有些参数虽然与生产工艺没有直接关系，但与过程的安全运行或环境保护有重大关系。这些参数必须在生产过程中不断受到监视，其中的某些还要被记录和打印保存，作为分析生产过程或事故的依据。,98,2.2.5 过程参数的采集,与被控参数相比，这类参数的数量往往要大得多。因此在过程控制系统中，获取这类参数值也是一个重要的任务。它们和被控参数一起，构成了工业过程的全部参数。通常把获取过程参数称作数据采集，而把集中完成多点采集、处理、显示和记录的装置称为数据采集装置或系统。,99,2. 数据采集装置的组成,各个测点上的参数值经测量和变送，成为标准的电信号；再由多路开关切换，逐点送到AD变换器；变换后的数字信号被送交CPU处理，并将处理结果以指定形式输出。,数据采集装置的组成,2.2.5 过程参数的采集,100,2.2.5 过程参数的采集,A. 信号的变送与采样 过程参数多数是非电量，即使是电量也有强电弱电、直流交流之分，很不统一。测量变送器的任务就是对各种参数(温度、压力、流量等)进行测量并转换成为标准的电压和电流信号。变送后的多路信号经多路模拟开关轮流切换到AD变换电路。模拟开关在这里起分时采样的作用，它将过程数据逐路分时送入CPU处理。,101,2.2.5 过程参数的采集,(1)导通电阻和开断电阻： 要求导通电阻小(100以下)，开断电阻大(109以上)。 (2)通道数：即可接通的信号路数，标称值是4、8或16路。 (3)最大输入电压 ：开关能开断的最大信号电压，标称值为5V，10V，或15V。 (4)切换速度：指转换输入通道所需的最小时间，它取决于开关的通断状态变换所需的时间，多数的过程参数变化较慢，因此一般的开关都能满足切换速度的要求。 CC4051和CC4052是常用的集成多路模拟开关芯片。,模拟多路开关的主要技术指标,102,2.2.5 过程参数的采集,B. A/D转换 A/D转换器将各通道送来的模拟电压信号成比例地转换为二进制数字信号，送给CPU处理。 (1) 逐步逼近式A/D转换 ： 由比较器、D/A转换器、寄存器和控制逻辑构成。它的工作原理是将通道来的电压信号Ux与片内D/A转换产生的电压信号U0相比较，这种比较逐位进行，从最高位到最低位。先将寄存器最高位置1，其余低位为0，将这个数的D/A输出U0与Ux比较，若UxU0，则控制逻辑保持最高位为1。,103,2.2.5 过程参数的采集,若Ux U0则将最高位变为0。然后将第二位置1，重复上述过程又可得到第二位的值。依此类推直到最低位的值被确定。比较结束后，寄存器内将有一个与Ux相对应的二进制数。,逐位比较A/D转换原理,104,2.2.5 过程参数的采集,(2)双积分式AD转换 双积分转换过程分为两个阶段，第一次是固定积分时间上下限，对输人信号进行积分，第二次是加反向固定参考电压，对时间进行积分，直到第二次积分的值与第一次积分的值相互抵消为止。 双积分A/D转换的优点是转换精度高、抗干扰性强以及有较高的灵敏度。这是因为两次积分用的是同一组器件，只要在转换期间内R, C和Ts不发生变化，就可保证精度。同时由于采用了积分，对叠加在信号上的交流干扰有较强的抑制能力。,105,2.2.5 过程参数的采集,双积分A/D转换原理,106,2.2.5 过程参数的采集,C. 数据的处理和输出 经过A/D转换后的通道参数以数字形式送入计算机，由计算机处理后输出。 计算机对数据的处理包括预处理和输出处理两种。预处理有滤波、开方和非线性校正等，在参数设有专用变送器的条件下，其输出为标准形式的电信号，如420mA直流电流，故只需要加以滤波来提高参数的准确性和可靠性。如果没有专用变送器，系统直接采集传感元件的变化，则需要进行开方(对流量)或非线性补偿(对温度)运算，以保证采集数据的正确。,107,2.2.5 过程参数的采集,3. 数据采集系统的设计问题 表征数据采集系统性能的基本参数有数据通道数、精度与分辨率和采集速度。 数据通道数决定系统的规模。 精度与多路开关、A /D转换以及显示都有关，应该合理分配各环节的精度指标，其中精度越高，需要转换器的位数越多，成本就越高 。 分辨率则与显示位数有关，通常根据精度来选择。 采样速度与过程参数变化率及通道总数有关，参数变化快则采样速度就要高，通道数多，采样速度也要高。,108,2.3 过程控制仪表,过程控制仪表包括调节器(含可编程调节器)、执行器、操作器等各种新型控制仪表及装置。2.3.1.概述分类： 1.按照能源分类：气动仪表；电动仪表 2.按结构形式：基地式仪表(基地式调节器)；单元 组合式仪表；组装式仪表；集散控制装置 3.按信号类型：模拟式仪表；数字式仪表,109,2.3.1 概述,单元组合仪表：气动单元组合仪表(QDZ型) 电动单元组合仪表(DDZ型)DDZ-1 电子管为基本放大单位QQZ-2 晶体管为基本放大单位DDZ-3 线性集成电路,110,2.3.2 调节器,2.3.2 调节器（DDZ-型调节器） DDZ型调节器是型电动单元组合仪表中的一个重要单元。它接受变送器或转换器的DC l5V或DC 420mA测量信号为输入信号，与DC l5V或DC 420mA给定信号进行比较，并对其偏差进行PID运算，输出DC 420mA标准统一信号。,111,2.3.2 调节器,DDZ型调节器的框图,输入电路，PD电路，PI电路，手动操作电路，显示电路，输出电路；硬手动：调节器的输出电流与手动输入电压信号之间为比例关系（使调节器输出能很快达到所需的数值）；软手动：调节器的输出电流与手动输入电压信号之间为积分关系（使调节器输出能缓慢达到所需的数值）；,原理框图,组成,112,2.3.2 调节器,将输入信号（变送器送来的）与给定信号进行比较，并对偏差进行PID运算，输出4-20mA标准信号，送给执行器进行自动控制。,作用：,113,2.3.2 调节器,1. 输入电路作用：获得输入信号Ui与给定信号Us之差成比例的偏差 信号。,偏差差动电平移动电路,Ui 测量电压,Us 给定电压,114,2.3.2 调节器,输入电路等效电路a,115,2.3.2 调节器,输入电路等效电路b,116,2.3.2 调节器,因为 故结论：输入电路的输出U01是Us与Ui之差的二倍，采用电压转移，将两个以零伏为基准的输入信号转换为以UB=10V为基准的输出信号U01。,117,2.3.2 调节器,2. 比例微分（PD）电路,比例微分电路,RPD微分电阻(阻值 为RpD)CD微分电容RPp比例电阻(阻值 为Rpp),输入电路的输出,PD电路是对U01,进行比例微分运算,118,由PI和PD两个运算电路串联而成，由于输入电路中已采取电平移动措施，故这里各信号电压都是以VB=10V为基准起算的。,2.3.2 调节器,119,PD电路分析 PD电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开关S8打向“断”时，构成 P电路；开关S8打向“通”时，构成 PD电路。,2.3.2 调节器,120,PD传递函数,得:,2.3.2 调节器,121,式中：,微分时间常数,又因,得,实际微分因子,2.3.2 调节器,122,阶跃响应,当U01为阶跃信号时，U02的阶跃响应为,可见，此电路的微分是实际的微分。,2.3.2 调节器,123,当 S8 置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有,这时微分电容被开关S8接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压U01/n。当开关S8切换到“通”时，保证无扰动切换。,2.3.2 调节器,124,2.3.2 调节器,无源PD电路,比例电路,可求得U02(s),125,2.3.2 调节器,特点：有导前作用，可用于对象容量滞后较大时（控制通道时间常数）但对纯滞后无效；能减少残差；微分作用太强，易导致调节阀开度饱和，因此，PD调节中以P调节为主D调节为辅；抗干扰能力差，只能用于被控量变化非常平稳的过程；,126,2.3.2 调节器,3. 比例积分电路(PI)作用：对U02信号进行PI运算，输出以10V为基准的信号,比例积分电路原理图,RPi:积分电阻 S1S2:联动开关CI:积分电容S3:积分换档开关,PD电路的输出,U02/m,127,PI传递函数IC负输入端节点电流方程（S3置于10档）：,2.3.2 调节器,128,传函为,设:Ti = mRICI 积分时间常数,S3打向10档时： m=10S3打向1档时： m=1,2.3.2 调节器,129,阶跃响应,当U02为阶跃信号时，U03的阶跃响应为,2.3.2 调节器,130,2.3.2 调节器,另种分析：,射极跟随器包括在A3中,KCL,K为A3的电压增益,F,131,2.3.2 调节器,由于,式中,积分时间，,积分增益，,。,则,132,2.3.2 调节器,4. DDZ-型调节器传递函数,调节器传递函数框图,输入电路,比例微分,比例积分,U01,U02,U03,133,2.3.2 调节器,，,设,式中,相互干扰系数，,比例增益，,微分时间，,积分时间，,微分增益，,积分增益，,134,2.3.2 调节器,5. 输出电路,具有电平移动的电压电流转换器UB=10V为基准的15VDC420mADC,Rf=250，U03=15V,I0=420mA,135,2.3.2 调节器,公式推导：,Rf=250，U03=15V,I0=420mA,136,2.3.2 调节器,6. 手动操作电路,硬手动,软手动,手动操作电路,137,2.3.2 调节器,硬手动操作，就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成比例关系,硬手动电路,CM影响不计 RF=RH,U03=UH,手动调节电压,138,2.3.2 调节器,软手动操作，就是调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分关系。,软手动电路,当按下S4-1或S4-4时，UR0(相对于UB而言)，U03则积分下降。 S4-1 S4-4四个开关可分别进行快、慢两种积分上升或下降的手动操作。S4-1 , S4-3为快速，S4-2,S4-4为慢速。,139,2.3.2 调节器,保持电路,当S4