第二章 機(jī)理建模

1、1 第二章第二章 過(guò)程建模和檢測(cè)控制儀表過(guò)程建模和檢測(cè)控制儀表本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1. 1. 過(guò)程機(jī)理分析建模過(guò)程機(jī)理分析建模2. 2. 過(guò)程試驗(yàn)建模過(guò)程試驗(yàn)建模3. 3. 過(guò)程變量檢測(cè)及變送過(guò)程變量檢測(cè)及變送4. 4. 成分分析儀表成分分析儀表5. 5. 過(guò)程參數(shù)采集過(guò)程參數(shù)采集6. 6. 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表2 第二章第二章 過(guò)程建模和檢測(cè)控制儀表過(guò)程建模和檢測(cè)控制儀表 2.1 2.1 過(guò)程建模過(guò)程建模 為了很好的控制一個(gè)過(guò)程，需要知道當(dāng)控制量變化時(shí)，被控量如何變化，向哪個(gè)方向改變，并最終改變多少；被控量的變化需要經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間，變化規(guī)律等。這些均依賴于過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。因此，一個(gè)過(guò)程

2、控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的了解和建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 過(guò)程數(shù)學(xué)模型是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和應(yīng)用的重要資料。研究過(guò)程建模對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化具有十分重要的意義。3 2.1 2.1 過(guò)程建模過(guò)程建模2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念1. 1. 概述概述（1 1）被控過(guò)程）被控過(guò)程被控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備（加熱爐、貯罐）（2 2）數(shù)學(xué)模型）數(shù)學(xué)模型被控過(guò)程在各輸入量（控制量、擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量(被控量)變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 非參數(shù)模型：曲線表示的。如階躍響應(yīng)曲線等。 參數(shù)模型：用數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)表示的。42.1.1 2.1.1 基本概念基本概念（3 3）常用的數(shù)學(xué)模型

3、：）常用的數(shù)學(xué)模型： 連續(xù)：微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程 離散：差分方程、離散化傳函、離散化狀態(tài)方程2. 2. 建模的目的建模的目的（1 1）設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 在過(guò)程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和整定時(shí)，是以被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)的，它是極其重要的基礎(chǔ)資料。例如前饋控制系統(tǒng)就是根據(jù)被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)前饋控制的前提。52.1.1 2.1.1 基本概念基本概念(2) (2) 指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝設(shè)備指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝設(shè)備 通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，可以確定有關(guān)因素對(duì)整個(gè)被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的影響(例如鍋爐受熱面的

4、布置、管徑大小、介質(zhì)參數(shù)的選擇等對(duì)整個(gè)鍋爐出口汽溫、汽壓等動(dòng)態(tài)特性的影響)，從而提出對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理要求和建議。62.1.1 2.1.1 基本概念基本概念(3) (3) 進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究 在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，往往需要對(duì)一些復(fù)雜龐大的設(shè)備進(jìn)行某些試驗(yàn)研究，例如某單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)能承受多大的沖擊電負(fù)荷，當(dāng)沖擊電負(fù)荷過(guò)大時(shí)會(huì)造成什么后果。對(duì)于這種破壞性的試驗(yàn)往往不允許在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行，而只要根據(jù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，就不需要建立小型的物理模型，從而可以節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。72.1.1 2.1.1 基本概念基本概念(4)(4) 培訓(xùn)運(yùn)行操作人員培訓(xùn)運(yùn)

5、行操作人員 在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，對(duì)于一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過(guò)程(例如大型電站機(jī)組的運(yùn)行)都應(yīng)該事先對(duì)操作人員進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，先建立這些復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型(不需要建小型物理模型)，而后通過(guò)仿真使之成為活的模型，在這樣的模型上，教練員可以安全、方便、多快好省地對(duì)運(yùn)行操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。82.1.1 2.1.1 基本概念基本概念3. 3. 對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求對(duì)數(shù)學(xué)模型的要求（1）準(zhǔn)確可靠：依據(jù)實(shí)際，提出適當(dāng)要求，經(jīng)濟(jì)可行。（2）用于控制的模型：不要求非常準(zhǔn)確，模型誤差可 視為干擾（閉環(huán)情況）（3）突出主要因素，忽略次要因素（復(fù)雜近似，線性化）92.1.1 2.1.1 基本

6、概念基本概念 4. 4. 多輸入單輸出系統(tǒng)多輸入單輸出系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)框圖多個(gè)輸入量：u(t),f1(t),fn(t)單個(gè)輸出量：y(t)過(guò)程通道被控過(guò)程輸入量與輸出量之間的信號(hào)聯(lián)系控制通道控制作用與被控量之間的信號(hào)聯(lián)系擾動(dòng)通道擾動(dòng)作用與被控量之間的信號(hào)聯(lián)系105 5、建模方法、建模方法（1 1）機(jī)理分析方法建模）機(jī)理分析方法建模（數(shù)學(xué)分析法建?；蚶碚摻＃C(jī)理建模是根據(jù)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理(運(yùn)動(dòng)規(guī)律)，運(yùn)用一些已知的定律、原理，如生物學(xué)定律、化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理、物料平衡方程、能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等，建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理分析法建模的最大特點(diǎn)是當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計(jì)階段就能建立其數(shù)學(xué)模型。機(jī)理分

7、析法建模主要是基于分析過(guò)程的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程，因此要求建模者應(yīng)有相應(yīng)學(xué)科的知識(shí)。 2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念112.1.1 2.1.1 基本概念基本概念（2 2）試驗(yàn)法建模）試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法一般只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的輸入、輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后得到的模型。主要特點(diǎn)：從外部特征上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，不需要深入掌握內(nèi)部機(jī)理（黑匣子）。過(guò)程處于激勵(lì)狀態(tài)階躍響應(yīng)曲線法；矩形脈沖響應(yīng)曲線法。126. 6. 自衡過(guò)程與非自衡過(guò)程自衡過(guò)程與非自衡過(guò)程（1 1）自衡過(guò)程）自衡過(guò)程自衡過(guò)程有自平衡能力（能達(dá)到新的平衡）液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng)（自衡）2

8、.1.1 2.1.1 基本概念基本概念13（2 2）非自衡過(guò)程）非自衡過(guò)程液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng)（非自衡）非自衡過(guò)程無(wú)自平衡能力（不能達(dá)到新的平衡）2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念142.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模2.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入對(duì)象的物料（或能量）單位時(shí)間內(nèi)從被控對(duì)象流出的物料(或能量)。 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入對(duì)象的物料（或能量）的增量單位時(shí)間內(nèi)從被控對(duì)象流出的物料（或能量），等于被控對(duì)象內(nèi)物質(zhì)（或能量）存儲(chǔ)量的變化率。靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系動(dòng)態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系152.1.2 2.1.2 機(jī)理分析

9、方法建模機(jī)理分析方法建模1. 1. 自衡過(guò)程建模自衡過(guò)程建模（1 1）單容過(guò)程（一個(gè)容器，具有自衡能力的過(guò)程）單容過(guò)程（一個(gè)容器，具有自衡能力的過(guò)程） 液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng) 流入量為q1 ； 流出量為q2 ； 液位h的變化反映了q1與q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的過(guò)程； q1作為被控過(guò)程的輸入量， h認(rèn)為其輸出量； 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。162.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有：增量形式為:q2與h成比例關(guān)系：(R2閥2的阻力-液阻)拉氏變換：Q1(s) Q2(s) CsH(s) ； Q1(s) Q2(s) / CsH

10、(s) Q2(s) H(s) / R212d hd hqqACdtdt1q2qh、：分別為偏離某一平衡狀態(tài)q10、q20、h0的增量 A水箱截面積。 22hqR22hRq或 12dhqqAdt172.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模 Q1(s) Q2(s) / CsH(s) Q2(s) H(s) / R2傳遞函數(shù)：式中 T0液位過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，T0R2C； K0液位過(guò)程的放大系數(shù)，K0R2； C 液位過(guò)程的容量系數(shù)，或稱過(guò)程容量。單容液位過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線單容過(guò)程框圖200120( )( )( )11H sRKW sQ sR CsT s182.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方

11、法建模機(jī)理分析方法建模（2 2）多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（以雙容為例）多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（以雙容為例）兩只水箱串聯(lián)工作的雙容過(guò)程Q1(s) Q2(s) C1sH1(s) Q2(s) H1(s) / R2 Q2(s) Q3(s) C2sH2(s) Q3(s) H2(s) / R311211222232233dhqqCdthqRdhqqCdthqR q1輸入q2輸出192.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模020112( )( )( )(1)(1)KH sW sQ sTsT sQ1(s) Q2(s) C1sH1(s) Q2(s) H1(s) / R2 Q2(s) Q3(s) C2sH2

12、(s) Q3(s) H2(s) / R3雙容過(guò)程框圖雙容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為式中：T1 第一只水箱的時(shí)間常數(shù)，T1=R2C1 T2第二只水箱的時(shí)間常數(shù)， T2=R3C2 K0過(guò)程的放大系數(shù)，K0=R3 C1、C2 分別為兩只水箱的容量系數(shù)202.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模雙容過(guò)程響應(yīng)曲線 流量ql有一階躍變化時(shí)，被控量 h2的響應(yīng)曲線。 特點(diǎn)：q1變 h1變，但h2經(jīng)過(guò)一時(shí)間后變化速度才達(dá)到最大存在滯后（容量滯后） 原因：主要是兩個(gè)容積之間存在著阻力R1和R2 作圖求c、T0212.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模多容過(guò)程傳函： 0012( )(1)(

13、1)(1)nKW sT sT sT s120nTTTT000( )(1)nKW sT s如果 則上式可表示為 多容過(guò)程(n5)的階躍響應(yīng)曲線222.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模（3 3）滯后過(guò)程）滯后過(guò)程 生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)現(xiàn)象微分方程和傳遞函數(shù)為式中 T0過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，T0R2C； K0過(guò)程的放大系數(shù)，K0R2； 0過(guò)程的純滯后時(shí)間。純滯后液位過(guò)程000100010()( )( )( )1sd hThKq tdtKH sW seQ sT s 232.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模對(duì)于純滯后的多容過(guò)程，其傳遞函數(shù)為:純滯后液位過(guò)程響應(yīng)曲線0000(

14、)(1)snKW seT s242.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模2.2.非自衡過(guò)程建模非自衡過(guò)程建模 （1 1）非自衡單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型）非自衡單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型q2與液位h無(wú)關(guān)單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線過(guò)程的微分方程為過(guò)程的傳遞函數(shù)為式中 Ta積分時(shí)間常數(shù)；TaC1d hCqdt 0a1( )W sT s252.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模（2 2）非自衡多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型）非自衡多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型無(wú)自衡多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為式中 Ta雙容過(guò)程積分時(shí)間常數(shù)； TaC2 T第一只水箱的時(shí)間常數(shù)雙容過(guò)程及其響應(yīng)曲線201a( )1( )( )(1)HsW

15、sQ sT s Ts262.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模同理，無(wú)自衡多容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為（3 3）滯后過(guò)程）滯后過(guò)程無(wú)自衡單容過(guò)程具有純滯后時(shí)，則其傳遞函數(shù)為無(wú)自衡多容過(guò)程具有純滯后時(shí)，則其數(shù)學(xué)模型為0a1( )(1)nW sT s Ts00a1( )sW seT s00a1( )(1)snW seT s Ts272.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模例題： 液位過(guò)程的輸入量為ql，流出量為q2、q3，液位h為被控參數(shù)，C為容量系數(shù)，并設(shè)R1、R2、R3為線性液阻。要求： (1)畫(huà)出液位過(guò)程的框圖； (2)試求液位過(guò)程的傳遞函數(shù)。W0(s)=H(s)/

16、Q1(s)。123dhqqqAdt282.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有：增量形式為:q2與h成比例關(guān)系:(R2閥2的阻力-液阻)123d hd hqqqACdtdt1q2qh、：分別為偏離某一平衡狀態(tài) q10、q20、q30 、h0的增量 A水箱截面積。 22hqR22hRq或 123dhqqqAdt解：3qq3與h成比例關(guān)系:(R3閥3的阻力-液阻)33hqR33hRq或 292.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模拉氏變換：Q1(s) Q2(s) Q3(s) CsH(s) ； Q1(s) Q2(s) Q3(s) / CsH(s)

17、 Q2(s) H(s) / R2 Q3(s) H(s) / R31/Cs1/R21/R3H(s)Q1(s)Q2(s)Q3(s)框圖302.1.2 2.1.2 機(jī)理分析方法建模機(jī)理分析方法建模1/Cs1/RH(s)Q1(s)Q2(s)Q3(s)1/Cs1/R21/R3H(s)Q1(s)Q2(s)Q3(s)傳遞函數(shù)0010( )( )( )11H sRKW sQ sRCsT s1/R=1/R2+1/R331 2.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模（過(guò)程辨識(shí)）試驗(yàn)法建模（過(guò)程辨識(shí)）機(jī)理分析法雖然具有較大的普遍性，但是，由于很多工業(yè)過(guò)程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，對(duì)某些物理、化學(xué)過(guò)程目前尚不完全清楚，所以對(duì)這些較復(fù)

18、雜過(guò)程的建模較為困難。實(shí)際工業(yè)過(guò)程多半有非線性因素，在進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)常常作了一些近似與假設(shè)，雖然這些近似和假設(shè)具有一定的實(shí)際依據(jù)，但并不能完全反映實(shí)際情況，甚至?xí)?lái)估計(jì)不到的影響。因此，即使用機(jī)理分析法得到過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，仍然希望采用實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。尤其當(dāng)實(shí)際過(guò)程較復(fù)雜求不出其數(shù)學(xué)模型時(shí)，更需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法即辨識(shí)方法來(lái)求得。322.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模1. 1. 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模根據(jù)過(guò)程對(duì)象輸入、輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)處理（過(guò)程辨識(shí)，參數(shù)估計(jì)）后得到的模型。從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，不需要深入掌握內(nèi)在機(jī)理；動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)（被激勵(lì)

19、的狀態(tài)）； 不加專(zhuān)門(mén)信號(hào)利用過(guò)程在正常操作時(shí)所記錄的信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)求得過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。一般來(lái)說(shuō)這種方法只能定性地反映過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，其精度較差。332.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模加專(zhuān)門(mén)信號(hào)的在試驗(yàn)過(guò)程中改變所研究的過(guò)程輸入量，對(duì)其輸出量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可求得過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。專(zhuān)門(mén)信號(hào)專(zhuān)門(mén)信號(hào)時(shí)間域信號(hào)，如階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)等； 頻率域信號(hào)，如正弦波、梯形波等。2. 2. 階躍響應(yīng)曲線的試驗(yàn)測(cè)定法階躍響應(yīng)曲線的試驗(yàn)測(cè)定法輸入信號(hào)變化前，過(guò)程對(duì)象為穩(wěn)定狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度做515的變化；輸入正反兩個(gè)方向的階躍信號(hào)，測(cè)取響應(yīng)曲線；重復(fù)數(shù)次。342.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建

20、模 3. 3.矩形脈沖響應(yīng)曲線的試驗(yàn)測(cè)定法矩形脈沖響應(yīng)曲線的試驗(yàn)測(cè)定法 為了能夠施加比較大的擾動(dòng)幅值而又不至于嚴(yán)重干擾正常生產(chǎn)，可以用矩形脈沖輸入代替階躍輸入，即，大幅度階躍施加一小段時(shí)間后立即將它切除。 這樣得到的矩形脈沖響應(yīng)當(dāng)然不同于正規(guī)的階躍響應(yīng)過(guò)程，但兩者之間有密切關(guān)系，可以從中求出所需的階躍響應(yīng)。352.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模1( )y t矩形脈沖信號(hào)x(t)可以看作兩個(gè)幅值相等方向相反的階躍信號(hào)x1(t)和x2(t)的疊加，即其矩形脈沖響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線y1(t) 和 y1(t-) 加而成，即：1211( )( )( )( )()x tx tx tx tx ta

21、*11*11( )( )()( )( )()ytytytaytytyta矩形脈沖響應(yīng)曲線矩形脈沖響應(yīng)曲線362.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模由矩形脈沖實(shí)測(cè)曲線求取所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線：y1(t)要求的；y*(t)-已知的*11( )( )()y ty ty ta矩形脈沖響應(yīng)曲線矩形脈沖響應(yīng)曲線分段作圖法求y1(t)0ta t aa22taa3*11(2 )(2 )( )yayay a*1( )( )y ay a*11(3 )(3 )(2 )yayaya372.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模4.4.由階躍響應(yīng)曲線確定（辨識(shí)）對(duì)象的特性參數(shù)由階躍響應(yīng)曲線確定（辨識(shí)）對(duì)象的特性

22、參數(shù) 應(yīng)用控制理論來(lái)分析、設(shè)計(jì)、整定或改進(jìn)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，只有過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線是不夠的，還必須由階躍響應(yīng)曲線確定其傳遞函數(shù)。(1) 根據(jù)試驗(yàn)曲線形狀，確定模型結(jié)構(gòu)A.有自衡能力對(duì)象的傳遞函數(shù)無(wú)滯后過(guò)程 000( )1KW sT s0012( )(1)(1)KW sT sT s一階慣性二階慣性382.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模有滯后過(guò)程 一階：響應(yīng)曲線在開(kāi)始階段斜率大，而后逐漸減少。 即響應(yīng)曲線單調(diào)遞減，是一階環(huán)節(jié)的固有屬性。二階：響應(yīng)曲線在開(kāi)始階段斜率小，然后逐漸增大而后又 逐漸減少。即曲線變化呈現(xiàn)：慢快慢。000( )1sKW seT s0012( )(1)(1)sKW s

23、eT sT s一階慣性加滯后二階慣性加滯后392.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模B.無(wú)自衡能力對(duì)象的傳遞函數(shù)無(wú)滯后過(guò)程 有滯后過(guò)程 C.需確定參數(shù)：放大系數(shù)K0、 時(shí)間常數(shù)T(T0,T1,T2,Ta) 以及滯后時(shí)間(含c與0)。0a1( )W sT s0a1( )sW seT s0101( )(1)W sT s T s0101( )(1)sW seT s T s402.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模（2）確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù) 階躍響應(yīng)曲線 方法1： A靜態(tài)放大系數(shù)K。 B 時(shí)間常數(shù)T0T0=OB000( )1KW sT s00( )yKx作圖法412.1.3 2.1.3

24、試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模000( )1KW sT s方法2：A靜態(tài)放大系數(shù)K0 B 時(shí)間常數(shù)T0階躍響應(yīng)曲線標(biāo)準(zhǔn)化： 在階躍信號(hào)作用下：00( )yKx*( )( )( )y ty ty0*( )1tTy te 階躍響應(yīng)曲線 計(jì)算法422.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上選兩個(gè)點(diǎn) 0*1n1( )tTy t*12( )0.632,( )0.33y ty t111122221n1 0.63212.51n1 0.330.4ttTtttTt1202TTT階躍響應(yīng)曲線若T1與T2較接近時(shí)432.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模（3）確定一階加滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)000( )1s

25、KW seT s該曲線的形狀為S形，可以用一階慣性加滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似A靜態(tài)放大系數(shù)K。B 時(shí)間常數(shù)T0T0=BCC 滯后時(shí)間=OB00( )yKx階躍響應(yīng)曲線442.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模（4）確定二階或n 階慣性環(huán)節(jié)的特性參數(shù)階躍響應(yīng)曲線待求參數(shù)：K0，T1，T2求法：讀取曲線上 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1值。讀取曲線上 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2值。00( )yKx0012( )(1)(1)KW sT sT s1( )0.4 ( )y ty2( )0.8 ( )y ty452.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模T1，T2計(jì)算公式（已知t1，t2）：一階環(huán)節(jié)近似 二階環(huán)節(jié)近似1212121

26、22122.161.740.55()ttTTTTttTT120.320.46tt120.32tt1202.12ttT120.46tt121202 2.18ttTTT462.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模120.46tt000( )(1)nKW sT s高階環(huán)節(jié)近似1202.16ttTn 多容過(guò)程的n與t1/t2的關(guān)系 472.1.3 2.1.3 試驗(yàn)法建模試驗(yàn)法建模（5）確定無(wú)自衡過(guò)程的特性參數(shù)無(wú)自衡過(guò)程階躍響應(yīng)曲線=OA0atgxT0a1( )sW seT s48 2.2 2.2 過(guò)程變量檢測(cè)及變送過(guò)程變量檢測(cè)及變送2.2 2.2 過(guò)程變量檢測(cè)及變送過(guò)程變量檢測(cè)及變送2.2.1 2

27、.2.1 概述概述控制儀表檢測(cè)儀表過(guò)程控制系統(tǒng)492.2.1 2.2.1 概述概述1.1.過(guò)程變量過(guò)程變量( (或稱過(guò)程參數(shù)或稱過(guò)程參數(shù)) )檢測(cè)檢測(cè): : 主要是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、液位和成分等參數(shù)的測(cè)量。2.2.一次儀表：一次儀表： 在進(jìn)行過(guò)程變量檢測(cè)時(shí)，一般由一測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)相接觸，測(cè)量體將被測(cè)參數(shù)成比例地轉(zhuǎn)換為另一便于計(jì)量的物理量，然后再用儀表加以顯示。在工程上，通常把前一過(guò)程叫做一次測(cè)量，所用的儀表叫作一次儀表，后面的計(jì)量顯示儀表叫做二次儀表。502.2.1 2.2.1 概述概述3. 3. 測(cè)量誤差測(cè)量誤差 測(cè)量誤差是指測(cè)量結(jié)果與被測(cè)變量的真值(實(shí)際值)之差。測(cè)量誤

28、差反映了測(cè)量結(jié)果的可靠程度。 (1)絕對(duì)誤差，相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差是指儀表指示值與被測(cè)變量的真值之差。 相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與被測(cè)變量的真值之比的百分?jǐn)?shù)。常見(jiàn)有如下三種表示方式：512.2.1 2.2.1 概述概述 A.A.實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值(實(shí)際值)之比的百分?jǐn)?shù) B.B.標(biāo)稱相對(duì)誤差：標(biāo)稱相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表指示值之比的百分?jǐn)?shù)。 C.C.引用相對(duì)誤差：引用相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表的量程之比的百分?jǐn)?shù)。522.2.1 2.2.1 概述概述(2) (2) 系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏忽誤差系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏忽誤差A(yù) 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指測(cè)量?jī)x表本身或其它原因(如零點(diǎn)未

29、調(diào)整好等)引起的有規(guī)律的誤差。B 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差是指在測(cè)量中所出現(xiàn)的沒(méi)有一定規(guī)律的誤差。C 疏忽誤差是指觀察人員誤讀或不正確使用儀器與測(cè)量方法等人為因素所起的誤差。532.2.1 2.2.1 概述概述（3 3）基本誤差、附加誤差和允許誤差）基本誤差、附加誤差和允許誤差 A A 基本誤差基本誤差: : 基本誤差是指儀表在規(guī)定的正常工作條件下所具有的誤差。 B B 附加誤差附加誤差: : 附加誤差是指儀表超出規(guī)定的正常工作條件時(shí)所增加的誤差。如儀表超過(guò)規(guī)定的工作溫度時(shí)所引起的附加誤差。 C C 允許誤差允許誤差: : 允許誤差是指在國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)，儀表的示值或性能不允許超過(guò)某個(gè)誤差范圍

30、。這是一個(gè)許可的誤差界限。542.2.1 2.2.1 概述概述4.4.自動(dòng)化儀表的性能指標(biāo)自動(dòng)化儀表的性能指標(biāo)(1) (1) 精度等級(jí)精度等級(jí) 任何自動(dòng)化儀表均有一定誤差。使用儀表時(shí)首先必須知道儀表的精確程度，以便估計(jì)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的差距。例如一臺(tái)儀表的測(cè)溫范圍為50-550，絕對(duì)誤差的最大值為6，則這臺(tái)儀表的相對(duì)誤差為：max6100%1.2%55050儀表精度（絕對(duì)誤差的最大值/儀表量程）100552.2.1 2.2.1 概述概述(2) (2) 靈敏度與靈敏限靈敏度與靈敏限 靈敏度 ：儀表指針的線位移或角位移與引起此位移的參數(shù)變化量之比。 靈敏限：靈敏限是指儀表能感受并發(fā)生動(dòng)作的輸入量的

31、最小值。靈敏度ax 562.2.1 2.2.1 概述概述(3) (3) 變差變差 在外界條件不變的情況下，用同一儀表對(duì)同一個(gè)量進(jìn)行正、反行程(逐漸由小到大或由大到小)測(cè)量時(shí)，所得兩示值之差。變差12max()100%xxab x1正行程測(cè)量的示值 x2反行程測(cè)量的示值 a b儀表量程572.2.1 2.2.1 概述概述5.5.自動(dòng)化儀表的選用自動(dòng)化儀表的選用 過(guò)程自動(dòng)化：正確的控制方案正確合理地選用自動(dòng)化儀表。 儀表類(lèi)型選用：控制型儀表控制型儀表 ：對(duì)過(guò)程影響較大，需隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控的變量報(bào)警型儀表報(bào)警型儀表 ：可能影響生產(chǎn)或安全的變量； 記錄型儀表記錄型儀表 ：經(jīng)常了解其變化趨勢(shì)的變量； 指示型

32、儀表指示型儀表 ：需要經(jīng)常監(jiān)視的變量。 582.2.1 2.2.1 概述概述 自動(dòng)化儀表的精度等級(jí)選用自動(dòng)化儀表的精度等級(jí)選用 ： 根據(jù)工藝要求、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、變量的重要程度等要求來(lái)合理選用。儀表精度高（誤差?。┦褂镁S護(hù)要高，價(jià)格貴，一般應(yīng)該在滿足上述要求的前提下，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則來(lái)合理選??；構(gòu)成控制回路的各種儀表的精度要相配； 記錄儀表的精度不應(yīng)低于1.0級(jí)，指示儀表精度不應(yīng)低于1.5級(jí)。592.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送2.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送 1.1.概述概述 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、最基本的參數(shù)之一。任何化學(xué)反應(yīng)和物理變化都與溫度

33、有關(guān)，它約占生產(chǎn)過(guò)程中全部過(guò)程參數(shù)的50%左右。所以，溫度的檢測(cè)與控制是過(guò)程控制工程的重要任務(wù)之一。測(cè)量溫度的方法很多，從測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)接觸與否來(lái)分，有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩類(lèi)。602.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫 通過(guò)測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)的接觸來(lái)測(cè)量物體溫度的。 主要特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。 問(wèn)題：滯后現(xiàn)象；高溫度的測(cè)量受限。 非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫 通過(guò)接收被測(cè)介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷溫度 主要特點(diǎn)是：測(cè)溫上限原則上不受限制；測(cè)溫速度較快，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行測(cè)量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測(cè)溫誤差較大。 612.

34、2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送 測(cè)溫儀表分類(lèi)及其常用溫度計(jì)622.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送2.2.熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì) 熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用極為廣泛。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。 (1)(1)測(cè)溫原理：測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 632.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送將兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成一個(gè)閉合回路，只要其連接點(diǎn)1、2溫度不同，在回路中就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這兩種不同導(dǎo)體的組合元件就稱

35、為熱電偶。 熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)主要是由接觸電動(dòng)勢(shì)組成的。平衡時(shí)，在A、B兩個(gè)導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動(dòng)勢(shì)，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類(lèi)和接觸點(diǎn)的溫度。642.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送 當(dāng)兩種不同材料導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，由于導(dǎo)體兩邊的自由電子密度不同，在交界面上便產(chǎn)生電子的互相擴(kuò)散；若導(dǎo)體A中自由電子密度大于導(dǎo)體B中自由電子密度，在開(kāi)始接觸的瞬間，導(dǎo)體A向?qū)wB擴(kuò)散的電子數(shù)將比導(dǎo)體B向?qū)wA擴(kuò)散的電子數(shù)多，因而使導(dǎo)體A失去較多的電子而帶正電荷，導(dǎo)體B帶負(fù)電荷，致使在導(dǎo)體A、B接觸處產(chǎn)生電場(chǎng)，以阻礙電子在導(dǎo)體B 中的進(jìn)一步積累，最后達(dá)到平衡。平衡時(shí)，在A、B兩個(gè)導(dǎo)體間的

36、電位差稱為接觸電動(dòng)勢(shì)，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類(lèi)和接觸點(diǎn)的溫度。接觸電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理65當(dāng)接觸點(diǎn)1,2的溫度不同時(shí)，便產(chǎn)生兩個(gè)不同的接觸電動(dòng)勢(shì)，回路中的總電動(dòng)勢(shì)為 00( , )( )( )ABABE t tEtEt 焊接的一端稱為熱端(工作端)，與導(dǎo)線連接的一端稱為冷端(自由端)。熱端與被測(cè)介質(zhì)接觸，冷端置于設(shè)備之外。 在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，冷端溫度應(yīng)該使之相等。 2.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送熱電偶測(cè)溫示意圖1熱電偶 2測(cè)量?jī)x器 3連接導(dǎo)線66672.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)形式常用熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 熱電偶典型結(jié)構(gòu)1接線盒 2接

37、線柱 3接線座4保護(hù)管 5絕緣瓷管 6熱電偶682.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送3.3.熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度的。最大特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、測(cè)溫范圍寬。(1)鉑電阻(2)銅電阻(3)半導(dǎo)體熱敏電阻：具有靈敏度高、熱響應(yīng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。適用于快速測(cè)溫。 -2000 范圍內(nèi)0850范圍內(nèi)Rt=R01+At+Bt2+C(t100 )t2Rt=R0(1+At+Bt2)Rt=R0(1+t)-50150范圍內(nèi)692.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送4. 4. 溫度送變器溫度送變器

38、(DDZ(DDZ型型) )變送器- 將被測(cè)的各種參數(shù)(溫度、壓力等)變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)(DC420mA或DC15V) 的儀表組成：輸入回路、冷端溫度補(bǔ)償回路和非線性反饋回路， 放大單元等部分組成。溫度變送器結(jié)構(gòu)組成框圖熱電動(dòng)勢(shì)調(diào)零調(diào)量程反饋電路702.2.2 2.2.2 溫度檢測(cè)及變送溫度檢測(cè)及變送 熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)Ei與調(diào)零調(diào)量程回路的信號(hào)Uz和非線性反饋回路的信號(hào)Uf進(jìn)行綜合后，輸入放大 單 元 進(jìn) 行 電 壓 和 功 率 放 大 ， 輸 出 電 流 信 號(hào)DC420mA或電壓信號(hào)DC15V。工作原理71 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè)2.2.3 2.2

39、.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè)1. 1. 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè) 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，壓力的檢測(cè)與控制是保證工藝要求、生產(chǎn)設(shè)備和人身安全并使生產(chǎn)過(guò)程正常運(yùn)行的必要條件。同時(shí)，其它一些過(guò)程參數(shù)諸如溫度、流量、液位等往往可以通過(guò)壓力來(lái)間接測(cè)量。所以壓力檢測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中具有特殊的地位，是極為重要的。72 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè)按其轉(zhuǎn)換原理不同，可分為以下四類(lèi)：按其轉(zhuǎn)換原理不同，可分為以下四類(lèi)： (1) (1) 彈性式壓力表彈性式壓力表： 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(lái)測(cè)量的。例如彈簧管式壓力表，膜片(或膜盒式)壓力表、

40、波紋管式壓力表等。 (2) (2) 液柱式壓力表：液柱式壓力表： 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度來(lái)測(cè)量的。如單管壓力計(jì)，U型管壓力計(jì)及斜管壓力計(jì)等。 73747576 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè) (3) (3) 電氣式壓力表：電氣式壓力表： 將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電勢(shì)、電容、電阻等電量的變化來(lái)間接測(cè)量壓力。適用于測(cè)量壓力變化快、脈動(dòng)壓力、高真空和超高壓場(chǎng)合。 有應(yīng)變片式壓力計(jì)，霍耳片式壓力計(jì)，熱電式真空計(jì)等。 (4) (4) 活塞式壓力表：活塞式壓力表： 根據(jù)液壓機(jī)傳遞壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的重量進(jìn)行測(cè)量。通常作為標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)

41、彈性壓力表進(jìn)行校驗(yàn)與刻度。777879 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè)2.2.流量檢測(cè)流量檢測(cè)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，流量是重要的過(guò)程參數(shù)之一。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中，常用測(cè)量和控制流量來(lái)確定物料的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和最優(yōu)控制。流量測(cè)量的方法及其常用儀表很多。按其工作原理可分為三類(lèi)： (1)(1)容積式流量計(jì)：容積式流量計(jì)：以單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的固定容積的數(shù)目來(lái)計(jì)算流體總量的。8081 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè) 它包括橢圓齒輪流量計(jì)、括板式流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)等。容積式流量計(jì)的特點(diǎn)是測(cè)量精度

42、較高。 (2)(2)速度式流量計(jì)：速度式流量計(jì)： 應(yīng)用流體力學(xué)測(cè)量流體在管道內(nèi)的流速來(lái)計(jì)算流量的。這類(lèi)儀表包括差壓流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、靶式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中差壓流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用最廣。8283電磁式流量計(jì)電磁式流量計(jì)84 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓力、流量、液位檢測(cè)(3)(3)質(zhì)量流量計(jì)：質(zhì)量流量計(jì)：質(zhì)量流量計(jì)有兩種， 一是通過(guò)直接檢測(cè)與質(zhì)量流量成比例的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的直接型質(zhì)量流量計(jì)； 二是通過(guò)體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量的間接型質(zhì)量流量計(jì)。858687 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測(cè)壓

43、力、流量、液位檢測(cè)3. 3. 液位檢測(cè)液位檢測(cè)液位是指蜜封容器或開(kāi)口容器中液面的高低（1 1）靜壓式液位計(jì)：）靜壓式液位計(jì)：靜壓式液位計(jì)是利用容器里的液位高度產(chǎn)生的靜壓力隨其液位變化而變化的原理進(jìn)行工作的。因?yàn)閷?duì)于不可壓縮的液體，液位高度與液位的靜壓力成正比，所以測(cè)出液體的靜壓力，即可知液位高度。（2 2）電容式液位計(jì)：）電容式液位計(jì)：是利用測(cè)量電容量的變化來(lái)測(cè)量液位高低的。 882.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表2.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要確定各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，就必須對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，例如化學(xué)成分、化學(xué)性質(zhì)、濃度、粘度等。用來(lái)測(cè)

44、量物質(zhì)成分與含量及其某些物理特性的儀表統(tǒng)稱為分析儀表。能自動(dòng)監(jiān)視與測(cè)量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中物料成分或性質(zhì)的分析儀表叫流程分析儀表，或稱工業(yè)自動(dòng)分析儀器。892.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的反應(yīng)速度愈來(lái)愈快，依靠人工取樣化驗(yàn)分析已不能滿足生產(chǎn)需要。如果能通過(guò)流程分析儀表及時(shí)得到各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，根據(jù)分析信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制，就可以取得最佳的控制質(zhì)量。 例如，加熱爐的燃燒過(guò)程，若能根據(jù)分析煙道氣的含氧量來(lái)控制空氣供給量，則可獲得最佳的熱效率，從而可節(jié)省能源消耗。902.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表 紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀 1.1.基本原

45、理基本原理紅外線是一種不可見(jiàn)光，它是一種電磁波，其波長(zhǎng)為0.761000m。紅外線氣體分析儀主要利用125 m之間的一段紅外光譜。各種氣體的分子本身都具有特定的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，只有當(dāng)紅外線光譜的頻率和氣體分子本身的特定頻率相同時(shí)，這種氣體分子才能吸收紅外光譜輻射能，并部分地轉(zhuǎn)化為熱能，從而利用測(cè)溫元件來(lái)測(cè)量紅外輻射能的大小。這就是利用紅外線進(jìn)行氣體成分分析的原理。912.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表 紅外線通過(guò)物質(zhì)前、后能量的變化(即被吸收的程度)與待分析組分的濃度有關(guān)，它們之間的定量關(guān)系遵循Bell定律，即式中 I透射光強(qiáng)度(輻射強(qiáng)度)； I0入射光強(qiáng)度(輻射強(qiáng)度)； k0待

46、測(cè)組分的吸收系數(shù)； c待測(cè)組分的濃度； L光通過(guò)待測(cè)組分的長(zhǎng)度。929394952.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表2. 2. 紅外線氣體分析儀的工作原理紅外線氣體分析儀的工作原理原理圖1光源2反射鏡3分析室 4參比室 5切光片 6同步電機(jī) 7、8干擾濾光室9檢測(cè)接收室10電容接收室11放大器12記錄儀表962.2.4 2.2.4 成分分析儀表成分分析儀表待測(cè)組分氣體N2氣體干擾氣體待測(cè)組分氣體待測(cè)組分紅外線光譜能量大待測(cè)組分紅外線光譜能量小左右吸收能量不同，產(chǎn)生壓力差動(dòng)片位移電容量變放大記錄972.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集2.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的

47、采集過(guò)程參數(shù)的采集1. 1. 概述概述 工業(yè)過(guò)程中，除了需要控制的參數(shù)外，還有許多重要的參數(shù)需要受到關(guān)注。這些參數(shù)中有些對(duì)工業(yè)過(guò)程的正常運(yùn)行有重要作用，只是因?yàn)闉榱撕?jiǎn)化控制系統(tǒng)，或是由于實(shí)現(xiàn)上的困難而沒(méi)有被選為被控參數(shù)。有些參數(shù)雖然與生產(chǎn)工藝沒(méi)有直接關(guān)系，但與過(guò)程的安全運(yùn)行或環(huán)境保護(hù)有重大關(guān)系。這些參數(shù)必須在生產(chǎn)過(guò)程中不斷受到監(jiān)視，其中的某些還要被記錄和打印保存，作為分析生產(chǎn)過(guò)程或事故的依據(jù)。982.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 與被控參數(shù)相比，這類(lèi)參數(shù)的數(shù)量往往要大得多。因此在過(guò)程控制系統(tǒng)中，獲取這類(lèi)參數(shù)值也是一個(gè)重要的任務(wù)。它們和被控參數(shù)一起，構(gòu)成了工業(yè)過(guò)程的全部參數(shù)。

48、通常把獲取過(guò)程參數(shù)稱作數(shù)據(jù)采集，而把集中完成多點(diǎn)采集、處理、顯示和記錄的裝置稱為數(shù)據(jù)采集裝置或系統(tǒng)。992. 2. 數(shù)據(jù)采集裝置的組成數(shù)據(jù)采集裝置的組成各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的參數(shù)值經(jīng)測(cè)量和變送，成為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)；再由多路開(kāi)關(guān)切換，逐點(diǎn)送到AD變換器；變換后的數(shù)字信號(hào)被送交CPU處理，并將處理結(jié)果以指定形式輸出。數(shù)據(jù)采集裝置的組成2.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集1002.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 A. A. 信號(hào)的變送與采樣信號(hào)的變送與采樣 過(guò)程參數(shù)多數(shù)是非電量，即使是電量也有強(qiáng)電弱電、直流交流之分，很不統(tǒng)一。測(cè)量變送器的任務(wù)就是對(duì)各種參數(shù)(溫度、壓力、流量等)

49、進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流信號(hào)。變送后的多路信號(hào)經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)輪流切換到AD變換電路。模擬開(kāi)關(guān)在這里起分時(shí)采樣的作用，它將過(guò)程數(shù)據(jù)逐路分時(shí)送入CPU處理。1012.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 (1)(1)導(dǎo)通電阻和開(kāi)斷電阻：導(dǎo)通電阻和開(kāi)斷電阻： 要求導(dǎo)通電阻小(100以下)，開(kāi)斷電阻大(109以上)。 (2)(2)通道數(shù)：通道數(shù)：即可接通的信號(hào)路數(shù)，標(biāo)稱值是4、8或16路。 (3)(3)最大輸入電壓最大輸入電壓 ：開(kāi)關(guān)能開(kāi)斷的最大信號(hào)電壓，標(biāo)稱值為5V，10V，或15V。 (4)(4)切換速度：切換速度：指轉(zhuǎn)換輸入通道所需的最小時(shí)間，它取決于開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)變換所需

50、的時(shí)間，多數(shù)的過(guò)程參數(shù)變化較慢，因此一般的開(kāi)關(guān)都能滿足切換速度的要求。 CC4051和CC4052是常用的集成多路模擬開(kāi)關(guān)芯片。模擬多路開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)1022.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 B. B. A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器將各通道送來(lái)的模擬電壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送給CPU處理。 (1) (1) 逐步逼近式逐步逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 ： 由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器和控制邏輯構(gòu)成。它的工作原理是將通道來(lái)的電壓信號(hào)Ux與片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓信號(hào)U0相比較，這種比較逐位進(jìn)行，從最高位到最低位。先將寄存器最高位置1，其余低位為0，將這個(gè)數(shù)的D/

51、A輸出U0與Ux比較，若UxU0，則控制邏輯保持最高位為1。1032.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 若Ux U0則將最高位變?yōu)?。然后將第二位置1，重復(fù)上述過(guò)程又可得到第二位的值。依此類(lèi)推直到最低位的值被確定。比較結(jié)束后，寄存器內(nèi)將有一個(gè)與Ux相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。 這種方法轉(zhuǎn)換速度快，一個(gè)N位的轉(zhuǎn)換器只要做N次比較即可完成轉(zhuǎn)換，適用于高速數(shù)據(jù)采集。寄存器位數(shù)N是一個(gè)重要參數(shù)，N越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，但精度也越高。 逐位比較A/D轉(zhuǎn)換原理1042.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 (2)(2)雙雙積分式積分式A AD D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 雙積分轉(zhuǎn)換過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一次

52、是固定積分時(shí)間上下限，對(duì)輸人信號(hào)進(jìn)行積分，第二次是加反向固定參考電壓，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，直到第二次積分的值與第一次積分的值相互抵消為止。 雙積分A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性強(qiáng)以及有較高的靈敏度。這是因?yàn)閮纱畏e分用的是同一組器件，只要在轉(zhuǎn)換期間內(nèi)R, C和Ts不發(fā)生變化，就可保證精度。同時(shí)由于采用了積分，對(duì)疊加在信號(hào)上的交流干擾有較強(qiáng)的抑制能力。 1052.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理1062.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 C. C. 數(shù)據(jù)的處理和輸出數(shù)據(jù)的處理和輸出 經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的通道參數(shù)以數(shù)字形式送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理

53、后輸出。 計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括預(yù)處理和輸出處理兩種。預(yù)處理有濾波、開(kāi)方和非線性校正等，在參數(shù)設(shè)有專(zhuān)用變送器的條件下，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)形式的電信號(hào)，如420mA直流電流，故只需要加以濾波來(lái)提高參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。如果沒(méi)有專(zhuān)用變送器，系統(tǒng)直接采集傳感元件的變化，則需要進(jìn)行開(kāi)方(對(duì)流量)或非線性補(bǔ)償(對(duì)溫度)運(yùn)算，以保證采集數(shù)據(jù)的正確。1072.2.5 2.2.5 過(guò)程參數(shù)的采集過(guò)程參數(shù)的采集 3. 3. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題 表征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的基本參數(shù)有數(shù)據(jù)通道數(shù)、精度與分辨率和采集速度。 數(shù)據(jù)通道數(shù)決定系統(tǒng)的規(guī)模。 精度與多路開(kāi)關(guān)、A /D轉(zhuǎn)換以及顯示都有關(guān)，應(yīng)該合理

54、分配各環(huán)節(jié)的精度指標(biāo)，其中精度越高，需要轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，成本就越高 。 分辨率則與顯示位數(shù)有關(guān)，通常根據(jù)精度來(lái)選擇。 采樣速度與過(guò)程參數(shù)變化率及通道總數(shù)有關(guān)，參數(shù)變化快則采樣速度就要高，通道數(shù)多，采樣速度也要高。 1082.3 2.3 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表 過(guò)程控制儀表包括調(diào)節(jié)器(含可編程調(diào)節(jié)器)、執(zhí)行器、操作器等各種新型控制儀表及裝置。2.3.1.2.3.1.概述概述分類(lèi)：分類(lèi)： 1.按照能源分類(lèi)：氣動(dòng)儀表；電動(dòng)儀表 2.按結(jié)構(gòu)形式：基地式儀表(基地式調(diào)節(jié)器)；單元 組合式儀表；組裝式儀表；集散控制裝置 3.按信號(hào)類(lèi)型：模擬式儀表；數(shù)字式儀表1092.3.1 2.3.1 概述概述單元組

55、合儀表：氣動(dòng)單元組合儀表(QDZ型) 電動(dòng)單元組合儀表(DDZ型)DDZ-1 電子管為基本放大單位QQZ-2 晶體管為基本放大單位DDZ-3 線性集成電路1102.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器（DDZ-型調(diào)節(jié)器）型調(diào)節(jié)器） DDZ型調(diào)節(jié)器是型電動(dòng)單元組合儀表中的一個(gè)重要單元。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的DC l5V或DC 420mA測(cè)量信號(hào)為輸入信號(hào)，與DC l5V或DC 420mA給定信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)其偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出DC 420mA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。1112.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器DDZ型調(diào)節(jié)器的框圖輸入電路，PD電路，PI電路，手動(dòng)操作

56、電路，顯示電路，輸出電路；硬手動(dòng)：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)之間為比例關(guān)系（使調(diào)節(jié)器輸出能很快達(dá)到所需的數(shù)值）；軟手動(dòng)：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)之間為積分關(guān)系（使調(diào)節(jié)器輸出能緩慢達(dá)到所需的數(shù)值）；原理框圖組成1122.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 將輸入信號(hào)（變送器送來(lái)的）與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送給執(zhí)行器進(jìn)行自動(dòng)控制。作用：1132.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器1. 1. 輸入電路輸入電路作用：獲得輸入信號(hào)Ui與給定信號(hào)Us之差成比例的偏差 信號(hào)。偏差差動(dòng)電平移動(dòng)電路Ui 測(cè)量電壓Us 給定電壓1142.3.2 2.3.

57、2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸入電路等效電路a12300sTTTBIIIUUUUURRR13TsBUUU1152.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸入電路等效電路b123010120FBiFFIIIUUUUUURRR011132FiBUUUU1162.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 因?yàn)?故結(jié)論：輸入電路的輸出U01是Us與Ui之差的二倍，采用電壓轉(zhuǎn)移，將兩個(gè)以零伏為基準(zhǔn)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為以UB=10V為基準(zhǔn)的輸出信號(hào)U01。TFUUs111332BiiBUUUUU01si2()UUU1172.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器2. 2. 比例微分（比例微分（PDPD）電路）電路 比例微分電路RPD微分電阻

58、(阻值 為RpD)CD微分電容RPp比例電阻(阻值 為Rpp)輸入電路的輸出PD電路是對(duì)U01,進(jìn)行比例微分運(yùn)算 118PIPD由由PI和和PD兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，兩個(gè)運(yùn)算電路串聯(lián)而成，由于輸入由于輸入電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓電路中已采取電平移動(dòng)措施，故這里各信號(hào)電壓都是以都是以VB=10V為基準(zhǔn)起算的。為基準(zhǔn)起算的。 2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器119 PD電路分析電路分析 PD電路電路以以A2為核心組成。微分作用可選擇用與不用。為核心組成。微分作用可選擇用與不用。開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S8打向打向“斷斷”時(shí)，構(gòu)成時(shí)，構(gòu)成 P電路；開(kāi)關(guān)電路；開(kāi)關(guān)S8打向打向“通通”時(shí)，時(shí)，構(gòu)成

59、構(gòu)成 PD電路。電路。2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器120o1o1Ddo1DDDD1( )( )1( )( )11UsUsC snnIsUsnR C sRC sIDo1d1( )( )( )DUsUsIs RnqPD傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)DDo1DD11( )(s)1nR C sUsUnR C s得得:2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器121IDO2dDD02dO1DD( )11( )( )11UsT snR C sWsTUsnR C snsn式中：式中： dDDTnR C微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)又因又因 得得 實(shí)際微分因子實(shí)際微分因子021( )( )UsUs2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器

60、調(diào)節(jié)器122q 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) D0201( )1(1)( )ntTUtneUtn當(dāng)當(dāng)U01為階躍信號(hào)時(shí)，為階躍信號(hào)時(shí)，U02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為U02TD/nU01/n63%t 可見(jiàn)，此電可見(jiàn)，此電路的微分是實(shí)際路的微分是實(shí)際的微分。的微分。 2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器123當(dāng)當(dāng) S8 置于置于“斷斷”時(shí)，微分被切除，時(shí)，微分被切除，A2只作比例運(yùn)算。只作比例運(yùn)算。有有1211OOUUn21OOUUn這時(shí)微分電容被開(kāi)關(guān)這時(shí)微分電容被開(kāi)關(guān)S8接在接在9.1K分壓電阻兩端，使分壓電阻兩端，使CD右端始終跟隨右端始終跟隨電壓電壓U01/n。當(dāng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S8切換到切換到“通通”時(shí)時(shí)