第一講 自動控制系統(tǒng)與測量的基本概念

1電氣測試技術主講：

劉志成自動化系2電氣測試技術什么是自動化？儀表與自動化的關系？測量儀表在自動化中的地位？

測量的基本知識

3自動化的概念工業(yè)自動化的概念：工業(yè)自動化是化工、煉油、食品、輕工、電力等流程工業(yè)生產過程自動化的簡稱。在生產設備上，配上一些自動化裝置（儀表），代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，并達到預定的目標，這種用自動化裝置來管理生產過程的辦法，稱為生產過程自動化。4自動化的概念

隨著現(xiàn)代科學技術的蓬勃發(fā)展，煉油、化工、冶金、電力、生物、制藥等工業(yè)過程的生產規(guī)模越來越大型化、復雜化，各種類型的自動控制技術已經成了現(xiàn)代工業(yè)生產實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)質、低耗的基本條件和重要保證5自動化的概念進料口執(zhí)行器變送器調節(jié)器6自動化的概念進料口執(zhí)行器變送器調節(jié)器進料口執(zhí)行器變送器控制站7

自動化的概念

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的整體。

強調整體性和協(xié)調性8

自動控制系統(tǒng)的基本組成1、自動控制系統(tǒng)的基本組成

(1)、被控對象：生產中要求控制的生產設備（或過程）；

(2)、測量元件或變送器：對被控參數(shù)進行測量的儀表；

(3)、控制器：把被控參數(shù)的測量值與給定值相減得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結果，同時將此結果送給調節(jié)閥；

(4)、調節(jié)閥：根據(jù)調節(jié)器送來的信號的大小，自動改變閥的開啟度，調節(jié)介質的流量，實現(xiàn)控制的目的。9

自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖2、自動控制系統(tǒng)的有關名詞術語

（1）被控對象（受控對象）；（2）被控變量（受控變量）：控制對象內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（調節(jié)閥的輸出）；（7）控制作用：控制器的輸出10

自動控制系統(tǒng)的工作過程3、自動控制系統(tǒng)的工作過程以換熱器系統(tǒng)為例11

自動控制系統(tǒng)的質量4、影響控制系統(tǒng)控制質量的主要因素

被控對象是核心測量儀表是基礎控制器是靈魂調節(jié)閥（執(zhí)行器）是關鍵12常見的測控參數(shù)：T、P、L、F、A（五大參數(shù)）

5.測控儀表的分類：變送器（傳感器）、執(zhí)行器、控制器三大類

控制器：常規(guī)調節(jié)器、智能調節(jié)器、計算機系統(tǒng)

130引言----檢測過程（步驟）參數(shù)檢測（測量）就是用專門的技術工具，依靠能量的變換、實驗和計算找到被測量的值。被測變量檢測環(huán)節(jié)參數(shù)測量的基本過程被測對象傳送放大環(huán)節(jié)顯示環(huán)節(jié)

測量是以確定被測量的量值為目的的一組操作；量值一般是由一個數(shù)乘計量單位所表示的特定量的大?。徽嬷凳侵副粶y量的真實值。140引言----檢測過程（步驟）參數(shù)（檢測測量）就是用專門的技術工具，依靠能量的變換、實驗和計算找到被測量的值。被測變量檢測環(huán)節(jié)參數(shù)測量的基本過程被測對象傳送放大環(huán)節(jié)顯示環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)（元件）又稱為敏感元件，它直接響應被測變量，經能量轉換，并轉化成一個與被測變量成對應關系的便于傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。傳感器--非電量轉換成電量的器械

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由于檢測元件的輸出信號種類很多，而且信號往往很微弱，一般需要經過變送環(huán)節(jié)的進一步處理，輸出轉換成如0～10mA、4～20mA等標準統(tǒng)一的模擬量信號或者滿足特定標準的數(shù)字量信號。信號送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時送往控制器對被控變量進行控制。

有些時候，檢測環(huán)節(jié)可以不經過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。

0引言----檢測過程（步驟）16檢測——實施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉化成統(tǒng)一(標準)的電氣信號。顯示或記錄靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀表要求：17測量的基本概念

一、測量過程的實質與測量誤差

（以溫度，電阻測量為例說明）

1、測量過程實質上是被測參數(shù)信號能量形式的一次或多次不斷變化或傳送，并將被測參數(shù)與相應的測量單位進行比較的過程，而測量儀表就是實現(xiàn)變換、比較的工具。18測量的基本概念2、測量誤差:

是被測量的真值與測量值的差值。有測量就有誤差。（1）誤差產生的原因；（2）誤差的特點及分類；（3）誤差的表示方法：絕對誤差和相對誤差（4）誤差的計算方法：真值的求取（算術平均值或標準表的讀數(shù)）

19測量的基本概念（1）誤差產生的原因：

a測量儀表的基本特性誤差是由測量儀表的設計和生產原因造成的，它反映了設計方面的方法誤差和結構工作原理有關的誤差。在生產方面有零部件加工誤差、裝配誤差和測量方法誤差等。也就是說，基本特性誤差是由于傳感器本身質量不高的因素造成的，只有排除或減小各項誤差因素，才能提高其精確程度。20測量的基本概念（1）誤差產生的原因：

b一般把來源于測量儀表的外部，可能改變檢測儀表的基本工作特性的誤差叫做影響誤差或附加誤差。21測量的基本概念（1）誤差產生的原因：由上面看出：測量誤差主要由基本特性誤差和影響誤差兩種形式反映出來，從誤差的特性來看，前者綜合了檢測儀表結構組合性能，后者則體現(xiàn)檢測儀表的適應性能。

22測量的基本概念（2）誤差的特點及分類：

在測量過程中，存在諸多因素都會導致測量誤差。誤差的成因不同，以致誤差的性質和表現(xiàn)出的特征也不同，據(jù)此可將測量誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。

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測量的重復性和復現(xiàn)性補充概念測量的四要素：測量程序；環(huán)境條件；設備儀器；操作人員重復性：在相同的測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)多次的測量所得結果之間的一致性。復現(xiàn)性：改變測量條件，同一被測量的測量結果之間的一致性24測量的基本概念

系統(tǒng)誤差：在重復性條件下，對同一被測量進行無限次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差。系統(tǒng)誤差的共同特點是確定的變化規(guī)律，成因不同，變化規(guī)律也不同。按其變化規(guī)律系統(tǒng)誤差可分為定值系統(tǒng)誤差、線性變化的系統(tǒng)誤差、周期變化的系統(tǒng)誤差和復雜規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。對于成因已知的系統(tǒng)誤差，可以通過工藝途徑、防護隔離等措施使之得到改善和消除；對于變化規(guī)律已知的，還可以通過修正補償使之改善和消除。但是系統(tǒng)誤差及其產生原因和變化規(guī)律不能完全獲知，很難做到完全消除。25測量的基本概念

隨機誤差：隨機誤差是指測量結果與在重復條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值之差。隨機誤差的最主要特征是隨機性。與其它隨機變量一樣，測量結果的隨機誤差分析是以概率論為基礎的，在大量重復試驗和測量時，就其個別來說具有偶然性，但就其總體來說，則具有必然性即符合統(tǒng)計規(guī)律。如有正態(tài)分布、均勻分布、二項分布等26測量的基本概念

隨機誤差的正態(tài)分布：27測量的基本概念

隨機誤差的正態(tài)分布：28測量的基本概念

（3）誤差的表示方法：

絕對誤差（測量結果與真值之差）

相對誤差（相對于真值或量程）

一臺測量范圍0～1000kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差10kPa(在整個量程范圍內)，另一臺測量范圍0～400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差5kPa，請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？29測量的基本概念

（4）誤差的計算方法：關鍵在于真值的求?。ㄋ阈g平均值或標準表的讀數(shù)）

30測量的基本概念

隨機誤差的正態(tài)分布：31測量的基本概念二、儀表的性能指標

1、精度；2、變差；3、靈敏度與靈敏限（模擬儀表）；4、分辨力（數(shù)字儀表）；5、線性度；6重復性；7、反應時間（動態(tài)誤差）。

32測量的基本概念1、精度：絕對誤差能夠在一定程度上反應儀表的精度；相對誤差能夠更有效地反應儀表的精度。這是由于…。

因此，工業(yè)上常將絕對誤差折合成儀表測量范圍的百分數(shù)，稱為相對百分誤差。實踐中，就是根據(jù)該相對百分誤差確定儀表的精度等級。33

精度等級（精度）

——表示儀表測量結果的可靠程度。

儀表的精度等級是根據(jù)儀表的相對誤差來定義的。具體做法：相對誤差去掉“±”號及“%”后，系列化圓整后的數(shù)值。儀表精度等級數(shù)值越小，說明儀表測量準確度越高。

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儀表的精度等級以一定的符號形式表示在儀表標尺板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀表允許誤差為1.0%。

目前我國生產的儀表的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。

顯然儀表精度等級數(shù)值越小，說明儀表測量準確度越高。

1.01.0允許誤差？35儀表的精度等級是衡量儀表質量優(yōu)劣的重要指標之一。精度等級數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來作為標準表，而工業(yè)用表的精度等級數(shù)值一般大于等于0.5。

36[例1]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，其最大絕對誤差為±4℃，試確定該儀表的精度等級。

由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了0.5級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應定為1.0級。解儀表的最大相對誤差為37[例2]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃，應選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。解根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為38±0.8%介于允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級應為1.0級。量程為600～1100℃，精確度為1.0級的儀表，可能產生的最大絕對誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。39☆☆儀表的精確度等級☆☆習題1：某壓力變送器測量范圍為0～400kPa，在校驗該變送器時測得的最大絕對誤差為—5kPa，請確定該儀表的精度等級。解：先求最大相對百分誤差去掉和%為1.25，因此該變送器精度等級為1.5級

40☆☆儀表的精確度等級☆☆習題2：根據(jù)工藝要求選擇一測量范圍為0~40m3/h的流量計，要求測量誤差不超過0.5m3/h，請選擇該儀表的精度等級。

解：同樣，先求最大相對百分誤差因此該流量計必須選擇1.0級的流量計

41☆☆儀表的精確度等級☆☆例3：某被測溫度信號在70～80℃范圍內變化，工藝要求測量誤差不超過±1％，現(xiàn)有兩臺溫度測量儀表，精度等級均為0.5級，其中一臺儀表的測量范圍是0～100℃，另一臺儀表的測量范圍是0～200℃，試問這兩臺儀表能否滿足上述測量要求。42解：由題意可知，被測溫度的允許最大絕對誤差為：|△max|＝80×1％＝0.8℃

測量范圍為0～100℃的儀表的最大允許絕對誤差為：|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃

測量范圍為0～200℃的儀表的最大允許絕對誤差為：|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃

根據(jù)上述計算，雖然兩臺儀表的精度等級均為0.5級，但只有測量范圍是0～100℃的溫度測量儀表才滿足本題的測量要求。

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儀表精度與量程有關，量程是根據(jù)所要測量的工藝變量來確定的。在儀表精度等級一定的前提下適當縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準確性。44測量的基本概念2、變差：對于某一輸入量，測量儀表在正行程時的輸出量明顯地、有規(guī)律地不同于其在反行程時在同一輸入量下的輸出量，被測量值正行程和反行程所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差。造成變差的原因有多種，如磁性材料的磁滯、彈性材料的內摩擦、運動部件的干摩擦及間隙等。45測量的基本概念

46測量的基本概念

變差可用測量儀表正行程和反行程特性之間之間的最大差值，以滿量程輸出的百分比來表示：

47測量的基本概念3、靈敏度與靈敏限（模擬儀表中常用）：靈敏度是指測量儀表在靜態(tài)工作條件下，輸出量的變化與引起該變化量的輸入變化量之比，其表達式為：48測量的基本概念3、靈敏度與靈敏限：

由于種種原因，會引起靈敏度變化，從而產生靈敏度誤差：靈敏限是指能引起指示值發(fā)生變化被測參數(shù)的最小變化量494、分辨力（數(shù)字儀表中常用）：分辨力是指測量儀表能檢測到的最小的輸入增量。測量儀表的輸入輸出關系不可能做到絕對連續(xù)。有些測量儀表，（有時）輸入量開始變化，但輸出量并不隨之發(fā)生變化，而是輸入量變化到一定程度時輸出才突然產生一小的階躍變化，表征了測量儀表的分辨力。504、分辨力（數(shù)字儀表中常用）：分辨力它可以用輸入量表示，也可以用輸出量表示，是一個可反映測量儀表是否能精密測量的性能指標。造成測量儀表具有有限分辯力的因素很多，如機械運動部件的干摩擦和卡死等，還有數(shù)字系統(tǒng)的運算維數(shù)有限，線繞電位器的有限匝數(shù)等。測量儀表輸入零點附近的分辨力稱為閾值。51分辨率（儀表靈敏限）：儀表輸出能分辨和響應的最小輸入變化量。分辨率是靈敏度的一種反映。對于數(shù)字式儀表而言，分辨率就是數(shù)字顯示器最末位數(shù)字間隔代表被測量的變化與量程的比值。52測量的基本概念5、線性度:傳感器的輸入與輸出關系或多或少地存在非線性問題。為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，通常希望將非線性特性線性化，在非線性不太嚴重時，總是采用直線擬合的辦法線性化。這樣理想特性是線性的，但實際特性卻存在非線性。

53測量的基本概念

54測量的基本概念

在采用直線擬合線性化時，傳感器實際輸入輸出平均特性曲線與其擬合直線（參考直線,或稱理論直線）之間的最大偏差，稱為非線性誤差，一般用相對誤差來表示：

55測量的基本概念6、重復性：重復性是指測量儀表在輸入按同一方向作全行程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度，是一個反映測量儀表能否精密測量的性能指標。重復性誤差取正、反行程的兩個最大偏差中之較大者，再以滿量程輸出的百分數(shù)表示：56測量的基本概念

577、反應時間（動態(tài)誤差）

相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤