檢測(cè)技術(shù)與儀表主講：

劉志成自動(dòng)化系1檢測(cè)技術(shù)與儀表緒論：

什么是自動(dòng)化？?jī)x表與自動(dòng)化的關(guān)系？測(cè)量?jī)x表在自動(dòng)化中的地位？

2緒論工業(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(jiǎn)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。3緒論隨著現(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4緒論進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器5緒論進(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6緒論

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7

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖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。8

一、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(yǔ)

（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9

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖

用一個(gè)方塊代表系統(tǒng)的一個(gè)組成環(huán)節(jié)；各方塊之間用有向線段連接起來。10

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖

f

設(shè)定值控制器輸出p 操縱變量q +r偏差e 被控變量y

控制器 執(zhí)行器 對(duì)象 -z

測(cè)量值

檢測(cè)儀表或變送器

圖1單回路自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖注意：有向線段的方向代表信號(hào)的作用方向，而不是物料的流向。11控制系統(tǒng)的方塊圖：調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器調(diào)節(jié)器+－SP廣義對(duì)象執(zhí)行器、被控對(duì)象及測(cè)量變送環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為廣義對(duì)象

固定因素補(bǔ)償因素12

一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程以換熱器系統(tǒng)為例13

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、根據(jù)給定值不同分類：（1）、定值控制系統(tǒng)：給定值保持不變的系統(tǒng)。系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量以一定的精度保持在給定值上不變；（2）、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定值是隨機(jī)變化的，這種變化是事先不知道的；（3）、程序控制系統(tǒng)：給定值是按事先規(guī)定的程序變化的。142、按補(bǔ)償干擾的方法分類反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器+－SPxzeuqyf干擾f（t）被控變量調(diào)節(jié)器操作變量補(bǔ)償干擾

前饋前饋補(bǔ)償器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器pqy干擾f干擾f（t）變送器補(bǔ)償器操作變量補(bǔ)償干擾前饋+反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器對(duì)象傳感器、變送器+－SPxzey干擾f變送器前饋補(bǔ)償器++15閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進(jìn)行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行控制，直至消除偏差。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器開環(huán)——系統(tǒng)的輸出沒有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差無關(guān)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是負(fù)反饋。

163、按控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度區(qū)分簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)4、按控制變量的名稱區(qū)分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)……5、按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分P、PI、PD、PID、預(yù)估控制……17

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)1、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間的變化而變化的平衡狀態(tài)；

特點(diǎn)：暫時(shí)的、相對(duì)的動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間的變化而變化的不平衡狀態(tài)；動(dòng)態(tài)是個(gè)過程動(dòng)態(tài)過程（過渡過程）18

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)2、控制系統(tǒng)的過渡過程：是由輸入變化引起的被控變量的變化過程；（輸入包括干擾輸入和給定輸入）是控制作用不斷克服干擾作用的過程；是系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)過渡到另一個(gè)平衡態(tài)的過程。在階躍干擾作用下，控制系統(tǒng)過渡過程的幾種基本形式：19在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，往往選定階躍信號(hào)作為輸入。階躍輸入：在某一瞬間t0干擾突然階躍式地加入系統(tǒng)，并保持在這個(gè)幅值。階躍輸入比較突然、比較危險(xiǎn)、對(duì)控制系統(tǒng)的影響也最大、設(shè)計(jì)過程容易產(chǎn)生階躍干擾。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，如果能有效克服階躍干擾，肯定能很好地克服其它變化比較緩和的各種干擾20幾種典型的過渡過程：非周期衰減過程

衰減振蕩過程等幅振蕩過程發(fā)散振蕩過程單調(diào)發(fā)散過程

√√？XX一般是不允許的除開關(guān)量控制回路21

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)3、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）衡量一個(gè)系統(tǒng)控制性能好壞的依據(jù)最大偏差或超調(diào)量衰減比余差過渡時(shí)間振蕩周期或頻率22階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）——定值系統(tǒng)

0最大偏差emax：衰減比n：余差e(∞)：過渡時(shí)間tp：振蕩周期：23階躍給定作用下的過渡過程（設(shè)定值變化）——隨動(dòng)系統(tǒng)

超調(diào)量σ：衰減比n：余差e(∞)：過渡時(shí)間tp：振蕩周期：024時(shí)間tr上升峰值時(shí)間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時(shí)間ts衰減比n=—A1A225自動(dòng)控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：最大偏差（超調(diào)量）？衰減比？余差？過渡時(shí)間？振蕩周期？答：越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好26例子某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間(給定值為200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個(gè)波峰值B＝230—205＝25℃第二個(gè)波峰值B’＝210—205＝5℃衰減比n＝25：5＝5：l。4、振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、過渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2％，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×(±2％)＝±4℃，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值(205℃)兩側(cè)以寬度為±4℃畫一區(qū)域，圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過渡過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。

27影響過渡過程的主要因素?固定因素：對(duì)象特性測(cè)量?jī)x表特性執(zhí)行器特性補(bǔ)償因素：控制器特性——這是自動(dòng)控制的主要研究?jī)?nèi)容28

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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?jī)x表是基礎(chǔ)控制器是靈魂調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）是關(guān)鍵29儀表的簡(jiǎn)要發(fā)展過程常見的測(cè)控參數(shù)：T、P、L、F、A（五大參數(shù)）

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)

30基地式儀表只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能，其信號(hào)一般僅在本儀表內(nèi)起作用，各測(cè)控點(diǎn)間的信號(hào)難以相互溝通，操作人員只能通過巡視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)來了解生產(chǎn)狀況。（目前已淘汰）

單元組合儀表智能儀表儀表中含有微處理器，功能強(qiáng)，往往具備數(shù)字信號(hào)傳輸和模擬信號(hào)傳輸兩種功能。

現(xiàn)場(chǎng)總線儀表簡(jiǎn)而言之就是滿足現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的智能儀表。

QDZ：氣動(dòng)單元組合儀表，氣源(140kPa)，信號(hào)(20－100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型兩類，氣動(dòng)單元組合儀表已基本淘汰。DDZ：電動(dòng)單元組合儀表。DDZ－II型：電源220VAC，信號(hào)0～10mADDZ－III型：電源24VDC，信號(hào)4～20mA、1～5VDC31自動(dòng)化裝置的簡(jiǎn)要發(fā)展過程基地式系統(tǒng)基地式儀表第0代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)單元組合儀表：調(diào)、變、執(zhí)、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代

DDC控制變、執(zhí)(DDZ-II、III)集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)變、執(zhí)(DDZ-II、III)第2代DCSOS：小型機(jī)、IPCCS：IPC、PLC、智能調(diào)節(jié)器現(xiàn)場(chǎng)儀表：DDZ-III為主

第3代*FCS將全廠最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表和裝置均通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通訊?，F(xiàn)場(chǎng)儀表：總線儀表

第4代*分布式IODCS現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)根據(jù)傳輸距離或功能不同連接到現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備上，各現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備與控制站間通過網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線）連接?，F(xiàn)場(chǎng)儀表：DDZ-III、總線儀表

過渡型*32直接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程數(shù)字計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺(tái)擾動(dòng)控制變量輸出變量……33集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出發(fā)點(diǎn)：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體積龐大，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)，企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來控制盡可能多的控制回路。CRT、鍵盤……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)集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖34集散控制系統(tǒng)控制臺(tái)控制臺(tái)過程控制計(jì)算機(jī)控制單元控制單元多路采集器可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)通道工程師/操作員控制臺(tái)其他系統(tǒng)35IPC、PLC……I/O子