热电偶测量仪表课件.ppt

2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,1/103,化工仪表与控制技术,主讲：李昶红 材料与化学工程学院2014年 夏,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,2/103,内 容 提 要,1 引言2 检测仪表基本知识3 压力检测4 流量检测5 物位检测6 温度检测7 显示仪表8 自动控制系统概述9 对象特性与建模10 基本控制规律11 自动控制仪表12 执行器,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,3/103,1 引言,加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。减轻劳动强度、改善劳动条件。能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人身安全的目的。生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。,1.1 化工自动化的意义及目的,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,4/103,1.2 化工自动化的发展概况,20世纪40年代以前，绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。20世纪50年代到60年代人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。20世纪70年代以来，化工自动化技术水平得到了很大的提高。20世纪70年代，计算机开始用于控制生产过程，出现了计算机控制系统。20世纪80年代末至90年代，现场总线和现场总线控制系统得到了迅速的发展。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,5/103,1.3 化工仪表及自动化系统的分类,按功能不同，分四类：检测仪表(包括各种参数的测量和变送)显示仪表(包括模拟量显示和数字量显示)控制仪表(包括气动、电动控制仪表及数字式控制器)执行器(包括气动、电动、液动等执行器),图1-1 各类仪表之间的关系,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,6/103,A 自动检测系统,利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或记录的部分。,图1-2 热交换器自动检测系统示意图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,7/103,对被测变量作出响应,把它转换为适合测量的物理量。,对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换,将检测结果以指针位移、数字、图像等形式,准确地指示、记录或储存。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,8/103,B 自动信号和联锁保护系统,对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置，是生产过程中的一种安全装置。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,9/103,D 自动控制系统,对生产中某些关键性参数进行自动控制,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内。,C 自动操纵及自动开停车系统,自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。,自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或自动停车。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,10/103,2 检测仪表基本知识,2.1 测量过程与测量误差,测量 是用实验的方法,求出某个量的大小。,测量实质 是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。,测量误差 由仪表读得的被测值(测量值)与被测参数的真实值之间的差距。,系统误差 疏忽误差偶然误差,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,11/103,（1）绝对误差,xI：仪表指示值,xt：被测量的真值,测量误差常用的两种表示方法：,（2）相对误差,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,12/103,2.2 检测仪表的品质指标,A 测量仪表的准确度（精确度）,说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,13/103,相对百分误差,允许误差,仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,14/103,仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。,准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高，仪表的准确度越高。工业现场用的测量仪表，其准确度大多在0.5级以下。,仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。,在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求,应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,这样才能保证生产的经济性和合理性。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,15/103,B 检测仪表的恒定度,变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值。,图2-1 测量仪表的变差,注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则应及时检修。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,16/103,C 灵敏度与灵敏限,仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即,式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。,仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,17/103,D 反应时间,反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。,仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,18/103,E 线性度,线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。,图2-2 线性度示意图,式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,19/103,F 重复性,重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。,图2-3 重复性示意图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,20/103,2.3 检测系统中常见信号类型,作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：,A 位移信号B 压力信号C 电气信号D 光信号,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,21/103,2.4 检测系统中信号的传递形式,A 模拟信号,在时间上是连续变化的,即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。,B 数字信号,数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。,C 开关信号,用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,22/103,2.5 检测仪表与测量方法的分类,A 检测仪表的分类,依据所测参数的不同,可分成压力(包括差压、负压)检测仪表、流量检测仪表、物位(液位)检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。按表达示数的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。按精度等级及使用场合的不同,可分为实用仪表、范型仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,23/103,B 测量方法的分类,直接测量,利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。,根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏差法与平衡法（零位法）之分。,间接测量,当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的大小。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,24/103,2.6 化工检测的发展趋势,A 检测技术的现代化,B 检测仪表的集成化、数字化、智能化,C 软测量技术和虚拟仪器,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,25/103,3 压力检测,在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。,压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,26/103,3.1 测压仪表,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,A 液柱式压力计,它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,27/103,B 弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,C 电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。,D 活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,优点,缺点,测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。,结构较复杂，价格较贵。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,28/103,3.2 测压仪表的选用与安装,A 压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,29/103,（1）测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐 弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不 应有凸出物或毛刺。测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。,B 压力计的安装,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,30/103,（2）导压管铺设,导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可 能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如 超过50m，应选用能远距离传送的压力计。导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利 于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时 使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,31/103,（3）压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触图3-17（a）；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度2大于和小于隔离液密度1的两种情况。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,32/103,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度 时，对由此高度而引起的测量误差应按pHg进 行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安 装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,33/103,4 流量检测,介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。,流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。,总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。,流量计：测量流体流量的仪表。,计量表：测量流体总量的仪表。,速度式流量计,容积式流量计,质量流量计,分类,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,34/103,4.1 差压式流量计,差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。,通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。,国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。,差压变送器可以将差压信号p转换为统一标准的气压信号或电流信号,可以连续地测量差压、液位、分界面等工艺参数。当它与节流装置配合时,可以用来连续测量液体、蒸汽和气体的流量。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,35/103,4.2 转子流量计,转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。,图4-1 转子流量计的工作原理图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,36/103,电远传式转子流量计,它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。,LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。,A 流量变送部分,图4-2 差动变压器结构,若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,37/103,B 电动显示部分,图4-3 LTD系列电远传转子流量计,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,38/103,4.3 漩涡流量计,精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。,漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,39/103,4.4 质量流量计,定义,直接测量单位时间内所流过的介质的质量,即质量流量M。,优点,质量流量计的最后输出信号只与介质的质量流量M成比例,这就能从根本上提高流量测量的精度,省去了烦琐的换算和修正。,质量流量的基本方程式为,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,40/103,4.5 其他流量计,A 靶式流量计,B 椭圆齿轮流量计,C 涡轮流量计,D 电磁流量计,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,41/103,5 物位检测,按其工作原理分为,直读式物位仪表 差压式物位仪表浮力式物位仪表 电磁式物位仪表核辐射式物位仪表 声波式物位仪表光学式物位仪表,将差压变送器的一端接液相，另一端接气相,因此,工作原理,图5-1 差压式液位计原理图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,42/103,其他物位计,A 电容式物位计,优点,电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。,缺点,需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。,B 核辐射物位计,C 雷达式液位计,D 称重式液罐计量仪,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,43/103,6 温度检测,6.1 概述,温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。,分类,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,44/103,表5-1 各种温度计的优缺点及使用范围,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,45/103,A 应用热膨胀原理测温,B 应用压力随温度变化的原理测温,C 应用热阻效应测温,D 应用热电效应测温,E 应用热辐射原理测温,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,46/103,6.2 热电偶温度计,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。,热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。,图6-2 热电偶示意图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,47/103,表5-2 常用热电偶,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,48/103,6.3 热电阻温度计,在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。,热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。,对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式,热电阻温度计适用于测量-200+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。,利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,49/103,作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数、电阻率要大；热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；电阻值随温度的变化关系，最好呈线性；价格便宜。,A 铂电阻,B 铜电阻,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,50/103,6.4 温度变送器,A 电动温度变送器,电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的一种模拟式温度变送器,它能与常用的各种热电偶和热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差转换成相应的标准直流电流信号输出。,DDZ-型温度(温差)变送器是电动单元组合仪表中的一个变送单元。,根据输入信号的不同，DDZ-型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,51/103,DDZ-型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其原理框图如图6-1所示。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,52/103,B 一体化温度变送器,它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。,图6-2 一体化温度变送器结构框图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,53/103,C 智能式温度变送器,以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍。,优点,可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；具有量程范围宽、精度高；环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；质量轻；安装维护方便。,结构,由硬件部分和软件部分两部分构成。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,54/103,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,55/103,7 显示仪表,7.1 模拟式显示仪表,显示仪表 凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累 积的仪表。,分类,模拟式显示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表,7.1.1 自动平衡电子电位差计,电位差计是用来测量电势或电位的,当它与热电偶配合时,可以用来测量和显示温度。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,56/103,图7-1 电子电位差计原理图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,57/103,7.1.2 电子自动平衡电桥,利用平衡电桥来测量热电阻变化。,图7-2 平衡电桥,（7-2）,（7-3）,滑动触点B的位置就可以反映电阻的变化，亦即反映了温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,58/103,图7-4 电子平衡电桥原理方框图,为了准确地指示出被测温度的数值，将热电阻的连接采用三线制接法，并加外接调整电阻。,图7-3 自动平衡电桥工作原理,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,59/103,7.2 数字式显示仪表,数字式显示仪表是能将被测的连续电量(模拟量)自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字显示的电测仪表。,准确度、灵敏度高;读数方便、清晰直观、不会产生视差。测量速度快，从每秒几十次到每秒上百万次;仪表的量程和被测量的极性可自动转换,可自动检查故障、报警以及完成指定的逻辑程序;可以方便地实现多点测量;可以与电子计算机配合,给出一定形式的编码输出。,特点,图7-5 数字式显示仪表方框图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,60/103,模-数变换器,将连续变化的模拟量变换成断续的数字量。,主要任务,主要有间接法和直接法两种。,工作方法,电子计数器,当用间接法进行数码转换时,是先将模拟量转换为与之对应的时间间隔或频率,然后必须再将时间间隔或频率转换为数字量,才能进行计数。,图7-6 时间间隔测量原理框图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,61/103,显示器,图7-7 辉光数码管示意图,图7-8 数码管驱动电路,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,62/103,数字式显示仪表的基本组成,图7-9 数字式温度显示仪表的基本组成,数字模拟混合记录仪,为了使数字式记录仪与模拟式记录仪的优点结合起来,两者相互取长补短,可以在数字式显示仪表的基础上加上模拟式显示记录仪表的记录部分,构成数字模拟混合记录仪。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,63/103,7.3 新型显示仪表,无纸记录仪,以CPU为核心采用液晶显示的记录仪，直接把记录信号转化成数字信号后，送到随机存储器加以保存，并在大屏液晶显示屏上加以显示。,图7-10 无笔、无纸记录仪的原理方框图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,64/103,无笔、无纸记录仪的特点：,液晶全动态显示,并有背光功能。输入信号多样化,并以工业专用微处理器 CPU为核心,从 而实现了高性能、多回路的监测,并随意放大、缩小地显 示在显示屏上。无纸、无笔、无墨水,无一切机械转动结构,无需日常维护。精度高：实时显示,0.2%;曲线及棒图显示,0.5%。具有与上位机通讯的标准,可靠性高,价格与一般记录仪相 仿。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,65/103,虚拟显示仪表,利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,66/103,8 自动控制系统概述,8.1 自动控制系统的组成,在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。,在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。,图8-1 液位自动控制,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,67/103,图8-1 人工操作图,图8-2 液位自动控制图,人工操作与自动控制比较图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,68/103,8.2 自动控制系统的方块图,8.2.1 信号和变量,载有变量信息的物理变量是信号。,输入变量输出变量多输入多数出系统,图8-4 简单水槽,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,69/103,在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,8.2.2 自动控制系统方块图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,70/103,方块图中，x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x 取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。,图8-6 自动控制系统方块图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,71/103,为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,72/103,8.2.3 反馈,自动控制系统是一个闭环系统，是由于反馈的存在造成的。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,73/103,单位反馈系统,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,74/103,8.2.4 自控系统的分类,按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,其中第三种分类方法最普遍,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,75/103,“定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,A 定值控制方法,B 随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,C 程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,76/103,8.3 过渡过程和品质指标,8.3.1 控制系统的静态和动态,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,77/103,动态被控变量随时间变化的不平衡状态。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,78/103,8.3.2 控制系统的过渡过程,系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,79/103,在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,图8-12 阶跃干扰作用,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,80/103,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,81/103,8.3.3 控制系统的控制指标,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。,控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,A 时间域的各种单项指标,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。,图8-14 过渡过程品质指标示意图,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,82/103,五种重要品质指标之一最大偏差或超调量,最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,五种重要品质指标之二衰减比,衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,83/103,五种重要品质指标之三 余差,当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,五种重要品质指标之四 过渡时间,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,84/103,五种重要品质指标之五震荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,B 时间域的综合指标,综合性指标往往通过偏差的某些函数对时间的积分值来表达,以兼顾最大偏差、超调量、衰减比、过渡时间等各方面的因素。,以偏差e表示过渡过程中被控变量与新稳态值的差值,即 e(t)=y(t)-y()。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,85/103,三种综合指标,偏差绝对值对时间的积分,简记为IAE,采用绝对值,可避免正负积分面积相消的现象。,偏差绝对值与时间乘积对时间的积分,简记为ITAE,它对后期的偏差值加大权值,因此对消除偏差所需的时间比较敏感。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,86/103,偏差平方值对时间的积分,简记为ISE,采用平方值,同样可以避免正负偏差积分时的相消现象。与IAE相比,它对最大偏差的数值更加敏感。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,87/103,对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。,8.3.4 影响控制指标的主要因素,一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,88/103,9 对象特性与建模,研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素。,分类,从机理出发,即从对象内在的物理和化学规律出发,建立描述对象输入输出特性的数学模型。,机理建模,混合模型,实测建模,对于已经投产的生产过程,我们可以通过实验测试或依据积累的操作数据,对系统的输入输出数据,通过数学回归方法进行处理。,通过机理分析,得出模型的结构或函数形式，而对其中的部分参数通过实测得到。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,89/103,10 基本控制规律,位式控制双位控制具有中间区的双位控制多位控制比例控制比例控制规律及其特点比例度及其对控制过程的影响积分控制积分控制规律及其特点比例积分控制规律与积分时间积分时间对系统过渡过程的影响微分控制微分控制规律及其特点实际的微分控制规律及微分时间比例微分控制系统的过渡过程比例积分微分控制,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,90/103,11 自动控制仪表,11.1 控制仪表的作用于分类,控制仪表或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。,控制仪表的能源形式,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,91/103,控制仪表的结构形式,按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等。,基地式控制仪表,基地式控制仪表是将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表。结构比较简单,常用于单机控制系统。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,92/103,单元组合式仪表,单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。,可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。,优点,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,93/103,分类,根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。,在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,94/103,气动单元组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为1级。,电动单元组合式仪表的发展阶段：DDZ-型电子管器件为主要器件 DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-型线性集成电路作为核心器件,控制仪表的信号形式,2023年3月19日星期日,李昶红-化工仪表与控制技术,95/103,