自動化檢測儀表第10講

1、 自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)第一編基礎(chǔ)知識引論第一編基礎(chǔ)知識引論1 緒論2 誤差分析基礎(chǔ)及測量不確定度3檢測技術(shù)及方法分析2.3 誤差原因分析誤差原因分析：第10章 儀表系統(tǒng)及其理論分析自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng) 第二版化學(xué)工業(yè)出版社Contents10.1 儀表發(fā)展概況10.2. 常用儀表分類及特性10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析10.4 儀表系統(tǒng)建模10.5 儀表系統(tǒng)時域分析10.7 混合儀表系統(tǒng)淺析10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析10.1 儀表發(fā)展概況 20世紀(jì)4050年代初，“基地式”儀表、“單元組合式”儀表； 20世紀(jì)60年代開始，電動單元組合儀表在我國得到了很大的發(fā)展； 20世紀(jì)80年

2、代中期，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是其在小型儀器儀表中的應(yīng)用，是數(shù)字式自動化儀表出現(xiàn)的根本動力。在此期間先后上市的各種計算機公司的單板機和單片機，成為了數(shù)字式儀表的核心器件，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了各種數(shù)字式調(diào)節(jié)器和顯示儀表、智能儀表以及可編程邏輯控制器等； 20世紀(jì)90年代初開始出現(xiàn)了適用于各種控制環(huán)境的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品。10.2 常用儀表分類及特性（1）常用儀表分類 按使用性質(zhì)劃分：標(biāo)準(zhǔn)表、實驗室表和工業(yè)用表 按測量方式劃分：直接式儀表和比較式儀表 按連接原理劃分：串聯(lián)式儀表、反饋式儀表10.2 常用儀表分類及特性（1）常用儀表分類 按信號傳輸方式分：電動儀表、氣動儀表 按組成方式分：基地式

3、儀表、單元組合式儀表、 的風(fēng)光好地方大組合組裝式儀表 按安裝使用方法劃分：現(xiàn)場安裝儀表、盤后加裝 的 儀表、盤裝儀表、臺式儀好 表、攜帶式儀表10.2 常用儀表分類及特性（1）常用儀表分類 按防爆能力分：普通型儀表、隔爆型儀表 按運算處理方式分：模擬式儀表、數(shù)字式儀表 10.2 常用儀表分類及特性（2）電動單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對比 DDZ是電動（D）單元（D）組合（Z）儀表的拼音縮寫，其發(fā)展過程主要經(jīng)歷了電子管、晶體管和線性集成電路三個階段，對應(yīng)的系列儀表分別稱為DDZ-型、DDZ-型和DDZ-型。 電動單元組合儀表是針對應(yīng)用時的通用性而產(chǎn)生的，往往只能完成單一的功能。10

4、.2 常用儀表分類及特性（2）電動單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對比 常規(guī)被控對象采用電動單元組合式儀表所形成的簡單控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：10.2 常用儀表分類及特性（2）電動單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對比 常規(guī)電動單元組合系列儀表主要組成部分： 變送單元差壓變速器、溫度變速器等； 調(diào)節(jié)單元位式調(diào)節(jié)器、PID調(diào)節(jié)器、PLC等； 執(zhí)行單元角行程及直行程電動執(zhí)行器等； 顯示單元指示儀表、記錄儀表等； 計算單元加減器、乘除器、開方器等； 給定單元恒流給定器、分流器等； 轉(zhuǎn)換單元頻率轉(zhuǎn)換器、氣-電轉(zhuǎn)換器等； 輔助單元操作器、阻尼器等。10.2 常用儀表分類及特性（2）電動單元組合儀

5、表及DDZ-型和DDZ-型 儀表對比 DDZ-型型DDZ-型型主要組成元件主要組成元件晶體管晶體管線性集成電路線性集成電路供電電源供電電源AC 220VDC 24V信號制信號制DC 010mADC420mA、DC15V負載負載01.5k或或03k250750防爆能力防爆能力隔爆隔爆安全火花防爆安全火花防爆10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析（1）輸入輸出特性分析 儀表輸入輸出特性是衡量其性能的重要指標(biāo)，它常用儀表輸出相對于輸入的變化曲線來表示。即以儀表的輸入為橫坐標(biāo)、以儀表的輸出為縱坐標(biāo)所獲得的特性曲線。 為全面檢定儀表的輸入輸出特性，一般需分別測量其上升曲線和下降曲線。 常希望儀表設(shè)計成其輸入

6、輸出特性曲線是一條直線，實際上任何儀表總會有滯環(huán)、死區(qū)或其他效應(yīng)，它表明儀表具有線性特性。10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析（2）儀表特性線性化處理分析 儀表特性的線性化過程主要有兩種方式，由儀表的原理性連接方式即串聯(lián)式連接和反饋式連接方式所決定，即根據(jù)儀表的開環(huán)或閉環(huán)特性采用不同的線性化方法。 考慮由兩個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的儀表：10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析（2）儀表特性線性化處理分析 兩個非線性環(huán)節(jié)的 特性如下圖中的曲 線、。 串聯(lián)一個非線性環(huán) 節(jié)進行補償，可 得到線性輸出10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析（2）儀表特性線性化處理分析 考慮兩個環(huán)節(jié)組 成的反饋式儀表： 根據(jù)各信號間的傳遞關(guān)

7、系可得儀表在穩(wěn)態(tài)時的一組關(guān)系式：12ufyKfK y10.3 儀表輸入輸出靜態(tài)特性分析（2）儀表特性線性化處理分析 如果 足夠大，可以認為 十分微小并可忽略。 所以，儀表的穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)可以表示為： 可以根據(jù)上述倒數(shù)關(guān)系及進行線性化處理。1K21yyKufK10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時域模型 儀表的時域模型是以時間t為參變量全面描述儀表輸入輸出關(guān)系的一個函數(shù)。 以無滯后的單輸入單輸出儀表系統(tǒng)為例，其廣義時域模型如下：1110111101( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd u tdu tdu tbbbb

8、 u tdtdtdt10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時域模型 具有0階特性即比例環(huán)節(jié)的儀表，微分方程為： 具有1階特性即慣性環(huán)節(jié)的儀表，微分方程： 積分 微分0000( )( )( )( )( )ba y tb u ty tu tku ta1010( )( )( )( )dy tdu taa y tbb u tdtdt( )( )( )idy ty tk u tdt( )( )( )ddy tdu ty tkdtdt10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時域模型 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表，微分方程為： 化簡為：2221021022( )( )( )( )( )( )d y tdy td u tdu ta

9、aa y tbbb u tdtdtdtdt2220002( )( )2( )( )d y tdy ty tKu tdtdt10.4 儀表系統(tǒng)建模（2）頻域模型 在時域模型的基礎(chǔ)上進行拉氏變換，即可得到儀表的頻域模型。 以無滯后的單輸入單輸出儀表系統(tǒng)為例，其廣義頻域模型如下：11101110()( )()( )nnnnmmmma sasa saY sb sbsb sb U s10.4 儀表系統(tǒng)建模（2）頻域模型 具有0階特性即比例環(huán)節(jié)的儀表，傳遞函數(shù)為： 具有1階特性即慣性環(huán)節(jié)的儀表，微分方程： 積分 微分( )( )( )Y sW skU s1010( )( )( )b sbY sW sU s

10、a sa0( )( )( )1kY sW sU ss1( )( )( )1k sY sW sU ss10.4 儀表系統(tǒng)建模（2）頻域模型 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表，微分方程為： 化簡為：22102210( )( )( )b sbsbY sW sU sa sa sa202200( )( )( )2KY sW sU sss10.4 儀表系統(tǒng)建模（3）離散模型 離散模型是控制系統(tǒng)引入數(shù)字式儀表后的產(chǎn)物。對連續(xù)信號進行定步長采樣所獲得的輸入輸出特性的函數(shù)表示，也可以看成是對連續(xù)的時域或頻域模型進行離散化處理所得。 以無滯后的單輸入單輸出儀表系統(tǒng)為例，其廣義離散模型如下：110110() (1) (

11、1) () (1) (1) nnnna y kn Tay knTa y kTa y kTb u km Tbu kmTbu kTb u kT10.4 儀表系統(tǒng)建模（3）離散模型 具有0階特性即比例環(huán)節(jié)的儀表，差分方程為： 具有1階特性即慣性環(huán)節(jié)的儀表，差分方程： 積分 微分00by kTu kTa1010(1) (1) a y kTa y kTbu kTb y kT/(1) (1) TTy kTey kTkeu kT/(1) (1) TTky kTey kTeu kT10.4 儀表系統(tǒng)建模（3）離散模型 具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表，差分方程為：210210(2) (1) (2)(1) a y

12、kTa y kTa y kTb u kT bu kTb y kT10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（1）時域分析指標(biāo) 儀表系統(tǒng)的時域分析師基于其時域模型進行的。 對儀表施以某種擾動，分析其響應(yīng)的過渡過程，考慮具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表：2220002( )( )2( )( )d y tdy ty tKu tdtdt10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（1）時域分析指標(biāo) 儀表階躍響應(yīng)過渡過程10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（1）時域分析指標(biāo) 儀表脈沖響應(yīng)過程10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（1）時域分析指標(biāo) 引入 表示響應(yīng)過程中每次超調(diào)量的絕對值，可以定義衰減率： 擾動發(fā)生若干次后，儀表輸出y從此全部進入誤差帶，儀表為此所

13、花費的時間稱為過渡過程時間。1,2, ,1,)iVin n（2nnnVVV10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（2）階躍擾動動態(tài)特性分析 仍考慮具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表： ： 阻尼系數(shù) ： 自振蕩角頻率 ：系統(tǒng)增益2220002( )( )2( )( )d y tdy ty tKu tdtdt0K10.5 儀表系統(tǒng)時域分析（2）階躍擾動動態(tài)特性分析 儀表在階躍擾動下，可能的3種輸出： 欠阻尼： 過阻尼： 臨界阻尼：011110.5 儀表系統(tǒng)時域分析（3）等速擾動動態(tài)特性分析 考察儀表跟蹤能力、響應(yīng)速度、內(nèi)部滯環(huán)特性； 以2階振蕩特性儀表為例： 欠阻尼： 臨界阻尼： 過阻尼：00.35,0.701,2

14、02,410.5 儀表系統(tǒng)時域分析（3）等速擾動動態(tài)特性分析 由此可見，具有階特性的儀表，其等速擾動的過渡過程相對于輸入信號始終存在一個誤差，也稱為儀表響應(yīng)的滯后。該誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差兩部分組成。 穩(wěn)態(tài)誤差是擾動引起的過渡過程趨于穩(wěn)定以后，儀表輸出與輸入之間存在的恒定差值。 瞬態(tài)誤差則是在擾動引起的過渡過程中存在的隨時間發(fā)生變化的誤差，它會隨著過渡過程的趨于穩(wěn)定而逐漸消失。 當(dāng)擾動剛開始時，兩種誤差均存在；而經(jīng)過一段時間以后，即在過渡過程趨于穩(wěn)定后，就只有穩(wěn)態(tài)誤差存在了。 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量儀表跟蹤能力的重要標(biāo)志10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（1）正弦擾動動態(tài)特性分析 正弦擾動特性響應(yīng)是衡量儀表

15、動態(tài)特性的常用方法之一。 正弦擾動的動態(tài)響應(yīng)是指儀表輸入為正弦信號時，其輸出響應(yīng)隨輸入而發(fā)生變化的過渡過程。由于輸入為正弦信號，在儀表正常工作范圍內(nèi)輸出沒有失真，因而也應(yīng)是正弦信號。10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（1）正弦擾動動態(tài)特性分析 當(dāng)輸入與輸 出之間存在 誤差時，必 然包含幅值 和相位兩方 面誤差10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（1）正弦擾動動態(tài)特性分析 二階振蕩特性儀表的正弦響應(yīng)：22222200110022200|()|(1)42 ()2()tantan1 ()KYU W jUW j 10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（2）頻率響應(yīng)Bode圖分析 Bode圖是進行控制系統(tǒng)頻域分析的常用且最簡便的工具

16、。 Bode圖是使用半對數(shù)坐標(biāo)紙，以對數(shù)坐標(biāo)為橫坐標(biāo)表示頻率，以線性坐標(biāo)為縱坐標(biāo)表示幅值 和相位 ，由此而得到的描述頻域特性的曲線，它由幅值曲線和相位曲線組成。20 lg |() |Wj10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（2）頻率響應(yīng)Bode圖分析 以2階振蕩環(huán)節(jié)為例： 給定：202200( )( )( )2KY sW sU sss01,2,2K10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（2）頻率響應(yīng)Bode圖分析10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（3）頻帶分析 確定儀表的正常工作頻率范圍；10.7 混合儀表系統(tǒng)淺析 混合儀表系統(tǒng)，是指由多個儀表組合而成的儀表系統(tǒng)，主要完成對多個輸入信號的組合測量，或按一定函數(shù)關(guān)系對這些輸入

17、信號進行處理，并將結(jié)果顯示出來，或?qū)⒔Y(jié)果作為輸出信號輸出。 混合儀表系統(tǒng)可由傳統(tǒng)的單一儀表組合而成。 隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也可將多個完成單一儀表功能的模塊集成在一臺儀表中，而其性能仍等效于多個儀表的組合效果。 目前，混合儀表系統(tǒng)的應(yīng)用也就不夠廣泛，還在探索和嘗試中10.7 混合儀表系統(tǒng)淺析（1）混合儀表系統(tǒng)建模 混合儀表系統(tǒng)需要對多個輸入信號進行一定的組合和函數(shù)處理，并獲得多個輸出信號的特點，其基本結(jié)構(gòu)如圖： 輸入信號和輸出信號間存在函數(shù)關(guān)系：Y=F(U)10.7 混合儀表系統(tǒng)淺析（2）時域分析 對于多輸入多輸出的系統(tǒng)，階躍擾動是常規(guī)且較為有效的時域性能分析方法。具體步驟主要包括： ：每次對一個輸入通道施以允許幅值范圍內(nèi)的階躍擾 動，其他輸入通道設(shè)定為零輸入，并記錄所有輸出通道響應(yīng)的過渡過程曲線； ：重復(fù)步驟，依次完成對所有輸入通道的測試； ：分析所有輸出通道相對于各輸入通道的階躍響應(yīng)特 性； ：確定耦合程度較大的輸入輸出通道，分析確定這些輸入輸出通道間