第二章 機理建模

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

2、控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)過程的了解和建立過程的數(shù)學(xué)模型。 過程數(shù)學(xué)模型是過程控制系統(tǒng)設(shè)計分析和應(yīng)用的重要資料。研究過程建模對于實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化具有十分重要的意義。3 2.1 2.1 過程建模過程建模2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念1. 1. 概述概述（1 1）被控過程）被控過程被控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備（加熱爐、貯罐）（2 2）數(shù)學(xué)模型）數(shù)學(xué)模型被控過程在各輸入量（控制量、擾動量）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)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 在過程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計和整定時，是以被控過程的數(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)被控過程的數(shù)學(xué)模型進行設(shè)計的，所以建立過程的數(shù)學(xué)模型是實現(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)計生產(chǎn)工藝設(shè)備指導(dǎo)設(shè)計生產(chǎn)工藝設(shè)備 通過對生產(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)因素對整個被控過程動態(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)的選擇等對整個鍋爐出口汽溫、汽壓等動態(tài)特性的影響)，從而提出對生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理要求和建議。62.1.1 2.1.1 基本概念基本概念(3) (3) 進行仿真試驗研究進行仿真試驗研究 在實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化中，往往需要對一些復(fù)雜龐大的設(shè)備進行某些試驗研究，例如某單元機組及其控制系統(tǒng)能承受多大的沖擊電負荷，當沖擊電負荷過大時會造成什么后果。對于這種破壞性的試驗往往不允許在實際設(shè)備上進行，而只要根據(jù)過程的數(shù)學(xué)模型，通過計算機進行仿真試驗研究，就不需要建立小型的物理模型，從而可以節(jié)省時間和經(jīng)費。72.1.1 2.1.1 基本概念基本概念(4)(4) 培訓(xùn)運行操作人員培訓(xùn)運

5、行操作人員 在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中，對于一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過程(例如大型電站機組的運行)都應(yīng)該事先對操作人員進行實際操作培訓(xùn)。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，先建立這些復(fù)雜生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型(不需要建小型物理模型)，而后通過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、多快好省地對運行操作人員進行培訓(xùn)。82.1.1 2.1.1 基本概念基本概念3. 3. 對數(shù)學(xué)模型的要求對數(shù)學(xué)模型的要求（1）準確可靠：依據(jù)實際，提出適當要求，經(jīng)濟可行。（2）用于控制的模型：不要求非常準確，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)框圖多個輸入量：u(t),f1(t),fn(t)單個輸出量：y(t)過程通道被控過程輸入量與輸出量之間的信號聯(lián)系控制通道控制作用與被控量之間的信號聯(lián)系擾動通道擾動作用與被控量之間的信號聯(lián)系105 5、建模方法、建模方法（1 1）機理分析方法建模）機理分析方法建模（數(shù)學(xué)分析法建模或理論建模）機理建模是根據(jù)過程的內(nèi)部機理(運動規(guī)律)，運用一些已知的定律、原理，如生物學(xué)定律、化學(xué)動力學(xué)原理、物料平衡方程、能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等，建立過程的數(shù)學(xué)模型。機理分析法建模的最大特點是當生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計階段就能建立其數(shù)學(xué)模型。機理分

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

8、.1.1 2.1.1 基本概念基本概念13（2 2）非自衡過程）非自衡過程液位被控過程及其階躍響應(yīng)（非自衡）非自衡過程無自平衡能力（不能達到新的平衡）2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念142.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模2.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模 單位時間內(nèi)進入對象的物料（或能量）單位時間內(nèi)從被控對象流出的物料(或能量)。 單位時間內(nèi)進入對象的物料（或能量）的增量單位時間內(nèi)從被控對象流出的物料（或能量），等于被控對象內(nèi)物質(zhì)（或能量）存儲量的變化率。靜態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系動態(tài)物料（或能量）平衡關(guān)系152.1.2 2.1.2 機理分析

9、方法建模機理分析方法建模1. 1. 自衡過程建模自衡過程建模（1 1）單容過程（一個容器，具有自衡能力的過程）單容過程（一個容器，具有自衡能力的過程） 液位被控過程及其階躍響應(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程； q1作為被控過程的輸入量， h認為其輸出量； 被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與q1之間的數(shù)學(xué)表達式。162.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模 根據(jù)動態(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 機理分析方法建模機理分析方法建模 Q1(s) Q2(s) / CsH(s) Q2(s) H(s) / R2傳遞函數(shù)：式中 T0液位過程的時間常數(shù)，T0R2C； K0液位過程的放大系數(shù)，K0R2； C 液位過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。單容液位過程的階躍響應(yīng)曲線單容過程框圖200120( )( )( )11H sRKW sQ sR CsT s182.1.2 2.1.2 機理分析方

11、法建模機理分析方法建模（2 2）多容過程的數(shù)學(xué)模型（以雙容為例）多容過程的數(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 機理分析方法建模機理分析方法建模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雙容過程框圖雙容過程的數(shù)學(xué)模型為式中：T1 第一只水箱的時間常數(shù)，T1=R2C1 T2第二只水箱的時間常數(shù)， T2=R3C2 K0過程的放大系數(shù)，K0=R3 C1、C2 分別為兩只水箱的容量系數(shù)202.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模雙容過程響應(yīng)曲線 流量ql有一階躍變化時，被控量 h2的響應(yīng)曲線。 特點：q1變 h1變，但h2經(jīng)過一時間后變化速度才達到最大存在滯后（容量滯后） 原因：主要是兩個容積之間存在著阻力R1和R2 作圖求c、T0212.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模多容過程傳函： 0012( )(1)(

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

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

15、sQ sT s Ts262.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模同理，無自衡多容過程的數(shù)學(xué)模型為（3 3）滯后過程）滯后過程無自衡單容過程具有純滯后時，則其傳遞函數(shù)為無自衡多容過程具有純滯后時，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 機理分析方法建模機理分析方法建模例題： 液位過程的輸入量為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)畫出液位過程的框圖； (2)試求液位過程的傳遞函數(shù)。W0(s)=H(s)/

16、Q1(s)。123dhqqqAdt282.1.2 2.1.2 機理分析方法建模機理分析方法建模根據(jù)動態(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 機理分析方法建模機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 機理分析方法建模機理分析方法建模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 試驗法建模（過程辨識）試驗法建模（過程辨識）機理分析法雖然具有較大的普遍性，但是，由于很多工業(yè)過程其內(nèi)部機理較復(fù)雜，對某些物理、化學(xué)過程目前尚不完全清楚，所以對這些較復(fù)

18、雜過程的建模較為困難。實際工業(yè)過程多半有非線性因素，在進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)時常常作了一些近似與假設(shè)，雖然這些近似和假設(shè)具有一定的實際依據(jù)，但并不能完全反映實際情況，甚至?xí)砉烙嫴坏降挠绊憽Ｒ虼?，即使用機理分析法得到過程的數(shù)學(xué)模型，仍然希望采用實驗方法加以驗證。尤其當實際過程較復(fù)雜求不出其數(shù)學(xué)模型時，更需要通過實驗方法即辨識方法來求得。322.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模1. 1. 試驗法建模試驗法建模根據(jù)過程對象輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)，進行數(shù)學(xué)處理（過程辨識，參數(shù)估計）后得到的模型。從外特性上測試和描述它的動態(tài)性質(zhì)，不需要深入掌握內(nèi)在機理；動態(tài)特性只有當它處于變動狀態(tài)時才會表現(xiàn)出來（被激勵

19、的狀態(tài)）； 不加專門信號利用過程在正常操作時所記錄的信號，進行統(tǒng)計分析來求得過程的數(shù)學(xué)模型。一般來說這種方法只能定性地反映過程的數(shù)學(xué)模型，其精度較差。332.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模加專門信號的在試驗過程中改變所研究的過程輸入量，對其輸出量進行數(shù)據(jù)處理就可求得過程的數(shù)學(xué)模型。專門信號專門信號時間域信號，如階躍信號、脈沖信號等； 頻率域信號，如正弦波、梯形波等。2. 2. 階躍響應(yīng)曲線的試驗測定法階躍響應(yīng)曲線的試驗測定法輸入信號變化前，過程對象為穩(wěn)定狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥的開度做515的變化；輸入正反兩個方向的階躍信號，測取響應(yīng)曲線；重復(fù)數(shù)次。342.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建

20、模 3. 3.矩形脈沖響應(yīng)曲線的試驗測定法矩形脈沖響應(yīng)曲線的試驗測定法 為了能夠施加比較大的擾動幅值而又不至于嚴重干擾正常生產(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間后立即將它切除。 這樣得到的矩形脈沖響應(yīng)當然不同于正規(guī)的階躍響應(yīng)過程，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 試驗法建模試驗法建模1( )y t矩形脈沖信號x(t)可以看作兩個幅值相等方向相反的階躍信號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 試驗法建模試驗法建模由矩形脈沖實測曲線求取所對應(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 試驗法建模試驗法建模4.4.由階躍響應(yīng)曲線確定（辨識）對象的特性參數(shù)由階躍響應(yīng)曲線確定（辨識）對象的特性

22、參數(shù) 應(yīng)用控制理論來分析、設(shè)計、整定或改進一個過程控制系統(tǒng)，只有過程的階躍響應(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)試驗曲線形狀，確定模型結(jié)構(gòu)A.有自衡能力對象的傳遞函數(shù)無滯后過程 000( )1KW sT s0012( )(1)(1)KW sT sT s一階慣性二階慣性382.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模有滯后過程 一階：響應(yīng)曲線在開始階段斜率大，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 試驗法建模試驗法建模B.無自衡能力對象的傳遞函數(shù)無滯后過程 有滯后過程 C.需確定參數(shù)：放大系數(shù)K0、 時間常數(shù)T(T0,T1,T2,Ta) 以及滯后時間(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 試驗法建模試驗法建模（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 時間常數(shù)T0T0=OB000( )1KW sT s00( )yKx作圖法412.1.3 2.1.3

24、試驗法建模試驗法建模000( )1KW sT s方法2：A靜態(tài)放大系數(shù)K0 B 時間常數(shù)T0階躍響應(yīng)曲線標準化： 在階躍信號作用下：00( )yKx*( )( )( )y ty ty0*( )1tTy te 階躍響應(yīng)曲線 計算法422.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模在標準化曲線上選兩個點 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432.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模（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)來近似A靜態(tài)放大系數(shù)K。B 時間常數(shù)T0T0=BCC 滯后時間=OB00( )yKx階躍響應(yīng)曲線442.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模（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 所對應(yīng)的時間t1值。讀取曲線上 所對應(yīng)的時間t2值。00( )yKx0012( )(1)(1)KW sT sT s1( )0.4 ( )y ty2( )0.8 ( )y ty452.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模T1，T2計算公式（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 試驗法建模試驗法建模120.46tt000( )(1)nKW sT s高階環(huán)節(jié)近似1202.16ttTn 多容過程的n與t1/t2的關(guān)系 472.1.3 2.1.3 試驗法建模試驗法建模（5）確定無自衡過程的特性參數(shù)無自衡過程階躍響應(yīng)曲線=OA0atgxT0a1( )sW seT s48 2.2 2.2 過程變量檢測及變送過程變量檢測及變送2.2 2.2 過程變量檢測及變送過程變量檢測及變送2.2.1 2

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

28、差反映了測量結(jié)果的可靠程度。 (1)絕對誤差，相對誤差 絕對誤差是指儀表指示值與被測變量的真值之差。 相對誤差是指絕對誤差與被測變量的真值之比的百分數(shù)。常見有如下三種表示方式：512.2.1 2.2.1 概述概述 A.A.實際相對誤差實際相對誤差：絕對誤差與被測量的真值(實際值)之比的百分數(shù) B.B.標稱相對誤差：標稱相對誤差：絕對誤差與儀表指示值之比的百分數(shù)。 C.C.引用相對誤差：引用相對誤差：絕對誤差與儀表的量程之比的百分數(shù)。522.2.1 2.2.1 概述概述(2) (2) 系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏忽誤差系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏忽誤差A(yù) 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指測量儀表本身或其它原因(如零點未

29、調(diào)整好等)引起的有規(guī)律的誤差。B 隨機誤差隨機誤差是指在測量中所出現(xiàn)的沒有一定規(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所增加的誤差。如儀表超過規(guī)定的工作溫度時所引起的附加誤差。 C C 允許誤差允許誤差: : 允許誤差是指在國家規(guī)定標準條件下使用時，儀表的示值或性能不允許超過某個誤差范圍

30、。這是一個許可的誤差界限。542.2.1 2.2.1 概述概述4.4.自動化儀表的性能指標自動化儀表的性能指標(1) (1) 精度等級精度等級 任何自動化儀表均有一定誤差。使用儀表時首先必須知道儀表的精確程度，以便估計測量結(jié)果與真實值的差距。例如一臺儀表的測溫范圍為50-550，絕對誤差的最大值為6，則這臺儀表的相對誤差為：max6100%1.2%55050儀表精度（絕對誤差的最大值/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，用同一儀表對同一個量進行正、反行程(逐漸由小到大或由大到小)測量時，所得兩示值之差。變差12max()100%xxab x1正行程測量的示值 x2反行程測量的示值 a b儀表量程572.2.1 2.2.1 概述概述5.5.自動化儀表的選用自動化儀表的選用 過程自動化：正確的控制方案正確合理地選用自動化儀表。 儀表類型選用：控制型儀表控制型儀表 ：對過程影響較大，需隨時進行監(jiān)控的變量報警型儀表報警型儀表 ：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 自動化儀表的精度等級選用自動化儀表的精度等級選用 ： 根據(jù)工藝要求、產(chǎn)品質(zhì)量指標、變量的重要程度等要求來合理選用。儀表精度高（誤差?。┦褂镁S護要高，價格貴，一般應(yīng)該在滿足上述要求的前提下，同時考慮經(jīng)濟性原則來合理選??；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，指示儀表精度不應(yīng)低于1.5級。592.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送2.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送 1.1.概述概述 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、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)過程中全部過程參數(shù)的50%左右。所以，溫度的檢測與控制是過程控制工程的重要任務(wù)之一。測量溫度的方法很多，從測量體與被測介質(zhì)接觸與否來分，有接觸式測溫和非接觸式測溫兩類。602.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送接觸式測溫接觸式測溫 通過測量體與被測介質(zhì)的接觸來測量物體溫度的。 主要特點是：方法簡單、可靠，測量精度高。 問題：滯后現(xiàn)象；高溫度的測量受限。 非接觸式測溫非接觸式測溫 通過接收被測介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來判斷溫度 主要特點是：測溫上限原則上不受限制；測溫速度較快，可以對運動體進行測量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測溫誤差較大。 612.

34、2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送 測溫儀表分類及其常用溫度計622.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送2.2.熱電偶溫度計熱電偶溫度計 熱電偶溫度計在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用極為廣泛。它具有測溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動勢與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測溫范圍寬，響應(yīng)時間較快等特點。 (1)(1)測溫原理：測溫原理：熱電偶的測溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 632.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送將兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成一個閉合回路，只要其連接點1、2溫度不同，在回路中就產(chǎn)生熱電動勢，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)生的熱電動勢主要是由接觸電動勢組成的。平衡時，在A、B兩個導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動勢，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類和接觸點的溫度。642.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送 當兩種不同材料導(dǎo)體A、B接觸時，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，在開始接觸的瞬間，導(dǎo)體A向?qū)wB擴散的電子數(shù)將比導(dǎo)體B向?qū)wA擴散的電子數(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帶負電荷，致使在導(dǎo)體A、B接觸處產(chǎn)生電場，以阻礙電子在導(dǎo)體B 中的進一步積累，最后達到平衡。平衡時，在A、B兩個導(dǎo)體間的

36、電位差稱為接觸電動勢，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類和接觸點的溫度。接觸電動勢產(chǎn)生機理65當接觸點1,2的溫度不同時，便產(chǎn)生兩個不同的接觸電動勢，回路中的總電動勢為 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)。熱端與被測介質(zhì)接觸，冷端置于設(shè)備之外。 在使用熱電偶測溫時，冷端溫度應(yīng)該使之相等。 2.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送熱電偶測溫示意圖1熱電偶 2測量儀器 3連接導(dǎo)線66672.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送 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保護管 5絕緣瓷管 6熱電偶682.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送3.3.熱電阻溫度計熱電阻溫度計熱電阻溫度計是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來測量溫度的。最大特點是性能穩(wěn)定、測量精度高、測溫范圍寬。(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)時間短、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。適用于快速測溫。 -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 溫度檢測及變送溫度檢測及變送4. 4. 溫度送變器溫度送變器

38、(DDZ(DDZ型型) )變送器- 將被測的各種參數(shù)(溫度、壓力等)變換成統(tǒng)一標準 信號(DC420mA或DC15V) 的儀表組成：輸入回路、冷端溫度補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)組成框圖熱電動勢調(diào)零調(diào)量程反饋電路702.2.2 2.2.2 溫度檢測及變送溫度檢測及變送 熱電偶的熱電動勢Ei與調(diào)零調(diào)量程回路的信號Uz和非線性反饋回路的信號Uf進行綜合后，輸入放大 單 元 進 行 電 壓 和 功 率 放 大 ， 輸 出 電 流 信 號DC420mA或電壓信號DC15V。工作原理71 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測壓力、流量、液位檢測2.2.3 2.2

39、.3 壓力、流量、液位檢測壓力、流量、液位檢測1. 1. 壓力檢測壓力檢測 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力的檢測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)過程正常運行的必要條件。同時，其它一些過程參數(shù)諸如溫度、流量、液位等往往可以通過壓力來間接測量。所以壓力檢測在生產(chǎn)過程自動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、液位檢測壓力、流量、液位檢測按其轉(zhuǎn)換原理不同，可分為以下四類：按其轉(zhuǎn)換原理不同，可分為以下四類： (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，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移來測量的。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，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度來測量的。如單管壓力計，U型管壓力計及斜管壓力計等。 73747576 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測壓力、流量、液位檢測 (3) (3) 電氣式壓力表：電氣式壓力表： 將被測壓力轉(zhuǎn)換成電勢、電容、電阻等電量的變化來間接測量壓力。適用于測量壓力變化快、脈動壓力、高真空和超高壓場合。 有應(yīng)變片式壓力計，霍耳片式壓力計，熱電式真空計等。 (4) (4) 活塞式壓力表：活塞式壓力表： 根據(jù)液壓機傳遞壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的重量進行測量。通常作為標準儀器對

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

42、較高。 (2)(2)速度式流量計：速度式流量計： 應(yīng)用流體力學(xué)測量流體在管道內(nèi)的流速來計算流量的。這類儀表包括差壓流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、靶式流量計、超聲波流量計等。在工業(yè)生產(chǎn)過程中差壓流量計和轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)用最廣。8283電磁式流量計電磁式流量計84 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測壓力、流量、液位檢測(3)(3)質(zhì)量流量計：質(zhì)量流量計：質(zhì)量流量計有兩種， 一是通過直接檢測與質(zhì)量流量成比例的參數(shù)來實現(xiàn)質(zhì)量流量測量的直接型質(zhì)量流量計； 二是通過體積流量計與密度計的組合來實現(xiàn)質(zhì)量流量測量的間接型質(zhì)量流量計。858687 2.2.3 2.2.3 壓力、流量、液位檢測壓

43、力、流量、液位檢測3. 3. 液位檢測液位檢測液位是指蜜封容器或開口容器中液面的高低（1 1）靜壓式液位計：）靜壓式液位計：靜壓式液位計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行工作的。因為對于不可壓縮的液體，液位高度與液位的靜壓力成正比，所以測出液體的靜壓力，即可知液位高度。（2 2）電容式液位計：）電容式液位計：是利用測量電容量的變化來測量液位高低的。 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)過程中，要確定各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，就必須對有關(guān)參數(shù)進行分析，例如化學(xué)成分、化學(xué)性質(zhì)、濃度、粘度等。用來測

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。能自動監(jiān)視與測量工業(yè)生產(chǎn)過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)過程的反應(yīng)速度愈來愈快，依靠人工取樣化驗分析已不能滿足生產(chǎn)需要。如果能通過流程分析儀表及時得到各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，根據(jù)分析信號進行質(zhì)量控制，就可以取得最佳的控制質(zhì)量。 例如，加熱爐的燃燒過程，若能根據(jù)分析煙道氣的含氧量來控制空氣供給量，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光，它是一種電磁波，其波長為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和轉(zhuǎn)動頻率，只有當紅外線光譜的頻率和氣體分子本身的特定頻率相同時，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，從而利用測溫元件來測量紅外輻射能的大小。這就是利用紅外線進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透射光強度(輻射強度)； I0入射光強度(輻射強度)； k0待

46、測組分的吸收系數(shù)； c待測組分的濃度； L光通過待測組分的長度。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 7、8干擾濾光室9檢測接收室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組分氣體N2氣體干擾氣體待測組分氣體待測組分紅外線光譜能量大待測組分紅外線光譜能量小左右吸收能量不同，產(chǎn)生壓力差動片位移電容量變放大記錄972.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集2.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的

47、采集過程參數(shù)的采集1. 1. 概述概述 工業(yè)過程中，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)中有些對工業(yè)過程的正常運行有重要作用，只是因為為了簡化控制系統(tǒng)，或是由于實現(xiàn)上的困難而沒有被選為被控參數(shù)。有些參數(shù)雖然與生產(chǎn)工藝沒有直接關(guān)系，但與過程的安全運行或環(huán)境保護有重大關(guān)系。這些參數(shù)必須在生產(chǎn)過程中不斷受到監(jiān)視，其中的某些還要被記錄和打印保存，作為分析生產(chǎn)過程或事故的依據(jù)。982.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集 與被控參數(shù)相比，這類參數(shù)的數(shù)量往往要大得多。因此在過程控制系統(tǒng)中，獲取這類參數(shù)值也是一個重要的任務(wù)。它們和被控參數(shù)一起，構(gòu)成了工業(yè)過程的全部參數(shù)。

48、通常把獲取過程參數(shù)稱作數(shù)據(jù)采集，而把集中完成多點采集、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測點上的參數(shù)值經(jīng)測量和變送，成為標準的電信號；再由多路開關(guān)切換，逐點送到AD變換器；變換后的數(shù)字信號被送交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 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集1002.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集 A. A. 信號的變送與采樣信號的變送與采樣 過程參數(shù)多數(shù)是非電量，即使是電量也有強電弱電、直流交流之分，很不統(tǒng)一。測量變送器的任務(wù)就是對各種參數(shù)(溫度、壓力、流量等)

49、進行測量并轉(zhuǎn)換成為標準的電壓和電流信號。變送后的多路信號經(jīng)多路模擬開關(guān)輪流切換到AD變換電路。模擬開關(guān)在這里起分時采樣的作用，它將過程數(shù)據(jù)逐路分時送入CPU處理。1012.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集 (1)(1)導(dǎo)通電阻和開斷電阻：導(dǎo)通電阻和開斷電阻： 要求導(dǎo)通電阻小(100以下)，開斷電阻大(109以上)。 (2)(2)通道數(shù)：通道數(shù)：即可接通的信號路數(shù)，標稱值是4、8或16路。 (3)(3)最大輸入電壓最大輸入電壓 ：開關(guān)能開斷的最大信號電壓，標稱值為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間，它取決于開關(guān)的通斷狀態(tài)變換所需

50、的時間，多數(shù)的過程參數(shù)變化較慢，因此一般的開關(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關(guān)芯片。模擬多路開關(guān)的主要技術(shù)指標1022.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集 B. B. A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器將各通道送來的模擬電壓信號成比例地轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號，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的電壓信號Ux與片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓信號U0相比較，這種比較逐位進行，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 過程參數(shù)的采集過程參數(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)上述過程又可得到第二位的值。依此類推直到最低位的值被確定。比較結(jié)束后，寄存器內(nèi)將有一個與Ux相對應(yīng)的二進制數(shù)。 這種方法轉(zhuǎn)換速度快，一個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是一個重要參數(shù)，N越大，轉(zhuǎn)換時間越長，但精度也越高。 逐位比較A/D轉(zhuǎn)換原理1042.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(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)換過程分為兩個階段，第一次

52、是固定積分時間上下限，對輸人信號進行積分，第二次是加反向固定參考電壓，對時間進行積分，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)點是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性強以及有較高的靈敏度。這是因為兩次積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。同時由于采用了積分，對疊加在信號上的交流干擾有較強的抑制能力。 1052.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理1062.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(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A/D轉(zhuǎn)換后的通道參數(shù)以數(shù)字形式送入計算機，由計算機處理

53、后輸出。 計算機對數(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、開方和非線性校正等，在參數(shù)設(shè)有專用變送器的條件下，其輸出為標準形式的電信號，如420mA直流電流，故只需要加以濾波來提高參數(shù)的準確性和可靠性。如果沒有專用變送器，系統(tǒng)直接采集傳感元件的變化，則需要進行開方(對流量)或非線性補償(對溫度)運算，以保證采集數(shù)據(jù)的正確。1072.2.5 2.2.5 過程參數(shù)的采集過程參數(shù)的采集 3. 3. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計問題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計問題 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，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)精度來選擇。 采樣速度與過程參數(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 過程控制儀表過程控制儀表 過程控制儀表包括調(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：分類： 1.按照能源分類：氣動儀表；電動儀表 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.按信號類型：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：氣動單元組合儀表(QDZ型) 電動單元組合儀表(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)器是型電動單元組合儀表中的一個重要單元。它接受變送器或轉(zhuǎn)換器的DC l5V或DC 420mA測量信號為輸入信號，與DC l5V或DC 420mA給定信號進行比較，并對其偏差進行PID運算，輸出DC 420mA標準統(tǒng)一信號。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，手動操作

56、電路，顯示電路，輸出電路；硬手動：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動輸入電壓信號之間為比例關(guān)系（使調(diào)節(jié)器輸出能很快達到所需的數(shù)值）；軟手動：調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動輸入電壓信號之間為積分關(guān)系（使調(diào)節(jié)器輸出能緩慢達到所需的數(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（變送器送來的）與給定信號進行比較，并對偏差進行PID運算，輸出4-20mA標準信號，送給執(zhí)行器進行自動控制。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Ui與給定信號Us之差成比例的偏差 信號。偏差差動電平移動電路Ui 測量電壓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 因為 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，將兩個以零伏為基準的輸入信號轉(zhuǎn)換為以UB=10V為基準的輸出信號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U01,進行比例微分運算 118PIPD由由PI和和PD兩個運算電路串聯(lián)而成，兩個運算電路串聯(lián)而成，由于輸入由于輸入電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓電路中已采取電平移動措施，故這里各信號電壓都是以都是以VB=10V為基準起算的。為基準起算的。 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。開關(guān)開關(guān)S8打向打向“斷斷”時，構(gòu)成時，構(gòu)成 P電路；開關(guān)電路；開關(guān)S8打向打向“通通”時，時，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微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)又因又因 得得 實際微分因子實際微分因子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當當U01為階躍信號時，為階躍信號時，U02的的階躍響應(yīng)為階躍響應(yīng)為U02TD/nU01/n63%t 可見，此電可見，此電路的微分是實際路的微分是實際的微分。的微分。 2.3.2 2.3.2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器123當當 S8 置于置于“斷斷”時，微分被切除，時，微分被切除，A2只作比例運算。只作比例運算。有有1211OOUUn21OOUUn這時微分電容被開關(guān)這時微分電容被開關(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。當開關(guān)。當開關(guān)S8切換到切換到“通通”時時