基礎(chǔ)知識(shí)引論課件

1、第10章 儀表系統(tǒng)及其理論分析自動(dòng)檢測(cè)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(shí)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(kāi)始，電動(dòng)單元組合儀表在我國(guó)得到了很大的發(fā)展；20世紀(jì)80年代中期，由于計(jì)算機(jī)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(dòng)化儀表出現(xiàn)的根本動(dòng)力。在此期間先后上市的各種計(jì)算機(jī)公司的單板機(jī)和單片機(jī)，成為了數(shù)字式儀表

2、的核心器件，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)了適用于各種控制環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室表和工業(yè)用表按測(cè)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(hào)傳輸方式分：電動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表按組成方式分：基地式儀表、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(chǎng)安裝儀表、盤后加裝 的 儀表、盤裝儀表、臺(tái)式儀好 表、攜帶式儀表10.2 常用儀表分類及特性（1）

3、常用儀表分類按防爆能力分：普通型儀表、隔爆型儀表按運(yùn)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(dòng)單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對(duì)比DDZ是電動(dòng)（D）單元（D）組合（Z）儀表的拼音縮寫，其發(fā)展過(guò)程主要經(jīng)歷了電子管、晶體管和線性集成電路三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的系列儀表分別稱為DDZ-型、DDZ-型和DDZ-型。電動(dòng)單元組合儀表是針對(duì)應(yīng)用時(shí)的通用性而產(chǎn)生的，往往只能完成單一的功能。10.2 常用儀表分類及特性（2）電動(dòng)單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對(duì)比 常規(guī)被控對(duì)象采用電動(dòng)單元組合式儀表所形成的簡(jiǎn)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(dòng)單

4、元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型儀表對(duì)比 常規(guī)電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器等； 顯示單元指示儀表、記錄儀表等； 計(jì)算單元加減器、乘除器、開(kāi)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(dòng)單元組合儀表及DDZ-型和DDZ-型 儀表對(duì)比 DDZ-型DDZ-型主要組成元件晶體管線性集成電路供電電源AC 220VDC 24V信號(hào)制DC 010mADC420mA、DC15V負(fù)載01.5k

5、或03k250750防爆能力隔爆安全火花防爆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(duì)于輸入的變化曲線來(lái)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(cè)量其上升曲線和下降曲線。常希望儀表設(shè)計(jì)成其輸入輸出特性曲線是一條直線，實(shí)際上任何儀表總會(huì)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(guò)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(kāi)環(huán)或閉環(huán)

6、特性采用不同的線性化方法。考慮由兩個(gè)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(gè)非線性環(huán)節(jié)的 特性如下圖中的曲 線、。串聯(lián)一個(gè)非線性環(huán) 節(jié)進(jìn)行補(bǔ)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(gè)環(huán)節(jié)組 成的反饋式儀表：根據(jù)各信號(hào)間的傳遞關(guān)系可得儀表在穩(wěn)態(tài)時(shí)的一組關(guān)系式：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如果 足夠大，可以認(rèn)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(jìn)行線性化處理。10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時(shí)域模型儀表的時(shí)域模型是以時(shí)間t為參變

7、量全面描述儀表輸入輸出關(guān)系的一個(gè)函數(shù)。以無(wú)滯后的單輸入單輸出儀表系統(tǒng)為例，其廣義時(shí)域模型如下：10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時(shí)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10.4 儀表系統(tǒng)建模（1）時(shí)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(jiǎn)為：10.4 儀表系統(tǒng)建模（2）頻域模型在時(shí)域模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉氏變換，即可得到儀表的頻域模型。以無(wú)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：10.4 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10.4

8、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(jiǎn)為：10.4 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(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行定步長(zhǎng)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(duì)連續(xù)的時(shí)域或頻域模型進(jìn)行離散化處理所得。以無(wú)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：10.4 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10.4 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：10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（1）時(shí)域分析指標(biāo)儀表系統(tǒng)的時(shí)域分析師基于其

9、時(shí)域模型進(jìn)行的。對(duì)儀表施以某種擾動(dòng)，分析其響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程，考慮具有2階特性即振蕩環(huán)節(jié)的儀表：10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（1）時(shí)域分析指標(biāo)儀表階躍響應(yīng)過(guò)渡過(guò)程10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（1）時(shí)域分析指標(biāo)儀表脈沖響應(yīng)過(guò)程10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（1）時(shí)域分析指標(biāo)引入 表示響應(yīng)過(guò)程中每次超調(diào)量的絕對(duì)值，可以定義衰減率：擾動(dòng)發(fā)生若干次后，儀表輸出y從此全部進(jìn)入誤差帶，儀表為此所花費(fèi)的時(shí)間稱為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（2）階躍擾動(dòng)動(dòng)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10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（2）階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析儀表在階躍擾動(dòng)

10、下，可能的3種輸出： 欠阻尼： 過(guò)阻尼： 臨界阻尼：10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（3）等速擾動(dòng)動(dòng)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(guò)阻尼：10.5 儀表系統(tǒng)時(shí)域分析（3）等速擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析由此可見(jiàn)，具有階特性的儀表，其等速擾動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程相對(duì)于輸入信號(hào)始終存在一個(gè)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(dòng)引起的過(guò)渡過(guò)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(dòng)引起的過(guò)渡過(guò)程中存在的隨時(shí)間發(fā)生變化的誤差，它會(huì)隨著過(guò)渡過(guò)程的趨于穩(wěn)定而逐漸消失。當(dāng)擾動(dòng)剛開(kāi)始時(shí)，兩種誤差均存在

11、；而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，即在過(guò)渡過(guò)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?jī)x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(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析正弦擾動(dòng)特性響應(yīng)是衡量?jī)x表動(dòng)態(tài)特性的常用方法之一。正弦擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是指儀表輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)隨輸入而發(fā)生變化的過(guò)渡過(guò)程。由于輸入為正弦信號(hào)，在儀表正常工作范圍內(nèi)輸出沒(méi)有失真，因而也應(yīng)是正弦信號(hào)。10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（1）正弦擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析當(dāng)輸入與輸 出之間存在 誤差時(shí)，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(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析二階振蕩特性儀表的正弦響應(yīng)：10.6 儀表系統(tǒng)頻域分析（2）頻率響應(yīng)

12、Bode圖分析Bode圖是進(jìn)行控制系統(tǒng)頻域分析的常用且最簡(jiǎn)便的工具。Bode圖是使用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙，以對(duì)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。10.6 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：10.6 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(gè)儀表組合而成的儀表系統(tǒng)，主要完成對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)的組合測(cè)量，或按一定函數(shù)關(guān)系對(duì)這些輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示出來(lái)，或?qū)⒔Y(jié)果

13、作為輸出信號(hào)輸出?；旌蟽x表系統(tǒng)可由傳統(tǒng)的單一儀表組合而成。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也可將多個(gè)完成單一儀表功能的模塊集成在一臺(tái)儀表中，而其性能仍等效于多個(gè)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?；旌蟽x表系統(tǒng)需要對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行一定的組合和函數(shù)處理，并獲得多個(gè)輸出信號(hào)的特點(diǎn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖：輸入信號(hào)和輸出信號(hào)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(shí)域分析對(duì)于多輸入多輸出的系統(tǒng)，階躍擾動(dòng)是常規(guī)且較為有效的時(shí)域性能分析方法。具體步驟主要包括： ：每次對(duì)一個(gè)輸入通道施以允許幅值范圍內(nèi)的階躍擾 動(dòng)，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(guò)渡過(guò)程曲線； ：重復(fù)步驟，依次完成對(duì)所有輸入通道的測(cè)試； ：分析所有輸出通道相對(duì)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的階躍擾動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，這些參數(shù)即為本系統(tǒng)主要的時(shí)域性能指標(biāo)。10.7 混合儀表系統(tǒng)淺析（3）頻域分析可采用正弦擾動(dòng)的方法分析一般混合儀表系統(tǒng)的過(guò)