現(xiàn)代控制理論概論

現(xiàn)代控制理論概論第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日

《控制儀表及裝置》是高等院校自動化專業(yè)及測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門教材。本書詳細(xì)介紹模擬式控制儀表及裝置（模擬式控制器、變送器、運算器和執(zhí)行器等）以及數(shù)字式控制儀表及裝置（可編程調(diào)節(jié)器、智能變送器與閥門定位器、分散控制系統(tǒng)等）的功能特點、結(jié)構(gòu)原理和使用方法。教學(xué)內(nèi)容及目的《控制裝置與儀表B》是為自動化專業(yè)講授的一門專業(yè)課程。本課程以課堂授課為主，實驗教學(xué)為輔的教學(xué)方式。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生：1.了解控制儀表發(fā)展概況，認(rèn)識控制儀表在控制系統(tǒng)組成中的作用和控制信號傳輸?shù)男问?，了解控制系統(tǒng)的防爆措施。2.掌握測量、變送類儀表、自動調(diào)節(jié)類儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成、原理、結(jié)構(gòu)、功能和使用方法。3.熟悉數(shù)字式控制儀表的工作原理、重要模塊算法，掌握數(shù)字式控制儀表的應(yīng)用方法。4.了解控制電機(jī)的類型、掌握其工作原理和運用方法，認(rèn)識控制電機(jī)在控制系統(tǒng)中的作用。從而使學(xué)生具有運用控制儀表和裝置從事控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和檢測系統(tǒng)故障的能力。第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日章節(jié)安排（控制儀表部分）概論（4學(xué)時）第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)第二節(jié)控制儀表及裝置的分類第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式第四節(jié)安全防爆的基本知識和防爆措施第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第一章模擬式控制器（4學(xué)時）第一節(jié)控制器的運算規(guī)律和組成方式第二節(jié)

基型控制器

第二章變送器和轉(zhuǎn)換器（8學(xué)時，含2學(xué)時實驗）第一節(jié)變送器的構(gòu)成

第二節(jié)

差壓變送器

第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第四章可編程調(diào)節(jié)器（4學(xué)時）第一節(jié)概述第二節(jié)

KMM可編程調(diào)節(jié)器

第三章運算器和執(zhí)行器（12學(xué)時，含2學(xué)時實驗）第一節(jié)運算器（不講）第二節(jié)

執(zhí)行器第三節(jié)模擬式控制儀表的應(yīng)用

第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第五章控制電機(jī)（8學(xué)時）第一節(jié)控制電機(jī)概述第二節(jié)伺服電動機(jī)第三節(jié)測速發(fā)電機(jī)第四節(jié)微型同步電動機(jī)第五節(jié)步進(jìn)電動機(jī)第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日概論第一節(jié)控制儀表與控制系統(tǒng)第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日>控制儀表與控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)一般由被控對象、變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成，其方框圖如下所示：給定值被控參數(shù)被控介質(zhì)簡單控制系統(tǒng)方框圖變送器執(zhí)行器控制器被控對象第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日被控對象－需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備。變送器

－把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號的裝置?？刂破?/p>

－將來自變送器的測量值與給定信號相比較后產(chǎn)生的偏差信號,按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進(jìn)行運算后，輸出一個控制信號去執(zhí)行器。執(zhí)行器

－把控制器的輸出信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，以控制閥門的開度。此外，根據(jù)需要還可設(shè)有顯示、轉(zhuǎn)換、計算、輔助、給定裝置。第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日概論第二節(jié)控制儀表及裝置分類第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日>控制儀表及裝置的分類電動控制儀表氣動控制儀表能源電源（220VAC/24VDC）氣源（140kPa）傳輸信號電信號（電壓、電流、數(shù)字）氣壓信號元、器件電子元器件氣動元件接線導(dǎo)線導(dǎo)管電磁干擾與防爆受電磁干擾影響須采取抗干擾、防爆措施不受電磁干擾影響本質(zhì)上安全防爆電動控制儀表和氣動控制儀表的比較

按所用能源形式：氣動、電動、液動。工業(yè)上主要使用電動和氣動控制儀表。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日模擬儀表傳輸信號為連續(xù)變化的模擬量,，這類儀表線路較簡單,操作方便，價格較低。

如氣動儀表，電動單元組合儀表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等。數(shù)字儀表傳輸信號為斷續(xù)變化的數(shù)字量，這類儀表與裝置以微型計算機(jī)為核心，功能完善，性能優(yōu)越，能解決模擬儀表難以解決的問題。如可編程調(diào)節(jié)器、控制器、DCS、FCS等?，F(xiàn)場儀表信號的應(yīng)用趨勢

按信號類型：模擬式和數(shù)字式。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日基地式儀表：包含多種功能部件（傳感、指示、記錄、控制、執(zhí)行等部分），設(shè)計成一個整體，結(jié)構(gòu)較簡單。如帶控制機(jī)構(gòu)的指示記錄儀。單元組合式儀表：系列儀表劃分成能獨立實現(xiàn)某種功能的若干單元，單元間用標(biāo)準(zhǔn)信號聯(lián)系。如電動、氣動單元組合儀表。分散控制系統(tǒng)（DCS）：以微型計算機(jī)為核心,集4C技術(shù)為一體的計算機(jī)控制裝置,實現(xiàn)分散控制和集中管理。如TPS、PCS7、ECS、Hollias等?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）:現(xiàn)場總線將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場儀表相連接,并同上層監(jiān)控管理級一起構(gòu)成分布式控制網(wǎng)絡(luò)。如基于FF、Profibus總線的FCS。按結(jié)構(gòu)形式第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日概論第三節(jié)聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日>聯(lián)絡(luò)信號和傳輸方式聯(lián)絡(luò)信號是指在成套儀表系列中，儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。聯(lián)絡(luò)信號類型氣動儀表：20~100KPa電動儀表：模擬信號0~10mA、4~20mA及1~5V

數(shù)字、頻率信號信號下限從零開始有利于模擬量運算。信號下限從某值開始（活零點）便于檢驗儀表是否斷電，并可實現(xiàn)兩線制。信號上限高，產(chǎn)生的電磁平衡力大；信號上限低有利于減少功率損耗和儀表防爆。第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日直流電流傳輸接收儀表R0I0IiRiRiRcm發(fā)送儀表電流信號傳輸時儀表之間的連接為保證傳輸誤差ε在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)要求R0》Rcm+nRi

，故有

為減小傳輸誤差，要求：

R0足夠大，而Rcm

及Ri

應(yīng)比較小第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日電流傳輸?shù)奶攸c優(yōu)點

發(fā)送儀表輸出電阻大，故電流信號適于遠(yuǎn)距傳輸。電流回路中串入一電阻，取壓方便。缺點回路中增減接收儀表時，將影響其它儀表的工作。各臺儀表沒有公共接地點，若要和計算機(jī)聯(lián)用,則應(yīng)在儀表輸入輸出端采取直流隔離措施。第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日直流電壓傳輸電壓信號傳輸時儀表之間的連接接收儀表RiRcm／２發(fā)送儀表R0U0Rcm／２IiRiRi

為減小傳輸誤差，要求：

R0和Rcm

盡量小，Ri

大些。

為減小傳輸誤差,應(yīng)滿足Ri/n》R0+Rcm，故有

第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日電壓傳輸?shù)奶攸c優(yōu)點增加或取消某個接收儀表不影響其他儀表的工作。各接收儀表可設(shè)置公共接地點，可和計算機(jī)聯(lián)用。缺點要在引線電阻上產(chǎn)生電壓降,信號受一定損失,且因接收儀表輸入阻抗很高，易于引入干擾，所以電壓信號不適于遠(yuǎn)距離傳輸?，F(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號，控制室內(nèi)部儀表之間采用直流電壓信號。第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日變送器與控制室儀表間的信號傳輸兩線制電源裝置變送器現(xiàn)場控制室四線制接收儀表變送器現(xiàn)場電源裝置控制室接收儀表要實現(xiàn)兩線制，必須采用活零點的電流信號。因電源線和信號線公用，電源供給變送器的功率是通過信號電流提供的。變送器輸出電流為下限值時，應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍能正常工作。故信號電流下限值不能過低。第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日概論第四節(jié)安全防爆基本知識和防爆措施第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日一、安全防爆基本知識（一）爆炸危險場所的區(qū)域劃分1.氣體爆炸危險場合劃分依據(jù)：爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間。分0區(qū)(Zone0)、1區(qū)(Zone1)、2區(qū)(Zone2)2.粉塵爆炸危險場合劃分依據(jù)：爆炸性粉塵與空氣混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間。分10區(qū)(Zone10)、11區(qū)(Zone11)不同的等級區(qū)域?qū)Ψ辣姎庠O(shè)備選型有不同要求。

爆炸條件1.具有遇火花或明火易發(fā)生激烈反應(yīng)之物質(zhì)存在,如粉塵、易燃?xì)怏w或液體等。2.可燃易爆氣體、液體、或粉塵與空氣或氧氣混合達(dá)到一定濃度范圍。3.有點火源。第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.爆炸性氣體、蒸汽的分級按最大試驗安全間隙MESG(火焰不能傳播的最大間隙)和最小點燃電流比MICR來分級可分為IIA、IIB、IIC三級。最大試驗安全間隙越小，最小點燃電流也越小。

爆炸性氣體混合物按引燃溫度分組

分為T1、T2、T3、T4、T5、T6六組（二）爆炸性物質(zhì)的分類、分級、分組0.爆炸性物質(zhì)的分類

I類——礦井甲烷

II類——工業(yè)氣體（如工廠爆炸性氣體、蒸氣、薄霧）III類——工業(yè)粉塵（如爆炸性粉塵、易燃纖維）爆炸性氣體混合物的分類、分級分組舉例

第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日爆炸氣體混合物的分類、分級分組舉例

組別引燃溫度t/℃T1>450T2450≧t>200T3450≧t>200組別引燃溫度t/℃T4T5135≧t>100T6100≧t>85200≧t>135I甲烷IIA乙烷、丙烷丁烷、乙醇（以下略）IIB丙烯腈、丙炔環(huán)氧乙烷IIC水煤氣、氫乙炔第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.爆炸性氣體的分級2.爆炸性粉塵混合物的分級、分組根據(jù)粉塵特性（導(dǎo)電或非導(dǎo)電）和引燃溫度的高低分為IIIA、IIIB二級，T11、T12、T13三組。

組別粉塵物質(zhì)T11>270T12270≧t>200T13200≧t>140（二）爆炸性物質(zhì)的分類、分級、分組IIIA

IIIB

非導(dǎo)電性纖維木棉纖維木質(zhì)纖維非導(dǎo)電性粉塵小麥玉米導(dǎo)電性粉塵鎂、鋁鐵、煤炸藥粉塵黑火藥、TNT硝化棉類和級

爆炸性介質(zhì)的分類、分級、分組主要是為了配置相應(yīng)的電氣設(shè)備，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（三）防爆電氣設(shè)備的分類、分組和防爆標(biāo)志1.防爆電氣設(shè)備的分類分組分為兩大類：Ⅰ類：煤礦用電氣設(shè)備Ⅱ類：其它工廠用電氣設(shè)備Ⅱ類電氣設(shè)備按爆炸性氣體特性可進(jìn)一步分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級。工廠用電氣設(shè)備防爆型式有以下八種：隔爆型(d)、本質(zhì)安全型(i)、增安型(e)、正壓型(p)、充油型(o)、充砂型(q)、澆封型(m)和無火花型(n)。本質(zhì)安全型設(shè)備又可以分為ia和ib兩個等級。Ⅱ類電氣設(shè)備對應(yīng)爆炸性氣體引燃溫度分組，按最高表面溫度分為T1～T6六組第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日2.防爆標(biāo)志在“Ex”防爆標(biāo)志后依次列出防爆類型、氣體級別和溫度組別三個參數(shù)防爆標(biāo)志由以下5個部分構(gòu)成：標(biāo)志EX

－表示該設(shè)備為防爆電氣設(shè)備。結(jié)構(gòu)型式－表明該設(shè)備采用何種措施進(jìn)行防爆，如

d為隔爆型，i為本安型等。設(shè)備類別－I為煤礦井下用電設(shè)備，II為工廠用設(shè)備。防爆級別－為A、B、C三級，表明防爆能力強弱。溫度組別－為T1~T6六組，說明該設(shè)備的最高表面溫度允許值。例如EXiaIICT5表示II類本質(zhì)安全型ia等級C級T5組。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日隔爆型儀表

具有隔爆外殼，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)。它能承受儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。這類儀表適用于1區(qū)、2區(qū)危險場所。本質(zhì)安全型儀表

本安儀表的全部電路均為本質(zhì)安全電路，電壓和電流被限制在允許的范圍內(nèi)，保證儀表產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不致于引爆其周圍爆炸性氣體混合物。ia等級的本安儀表適用于0區(qū)危險場所，ib等級的本安儀表只適用于1區(qū)和2區(qū)危險場所。二、常用防爆型控制儀表第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日變送器執(zhí)行器調(diào)節(jié)器安全柵安全柵電源箱本安防爆系統(tǒng)非危險場所（控制室）危險場所（現(xiàn)場）危險場所（現(xiàn)場）三、控制系統(tǒng)的防爆措施（一）