現(xiàn)代自動(dòng)化儀表與控制工程課件資料

現(xiàn)代自動(dòng)化儀表與控制工程本課程將帶您深入了解現(xiàn)代自動(dòng)化儀表與控制工程的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)化儀表概述自動(dòng)化儀表是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化控制的關(guān)鍵組成部分，它能夠感知、測(cè)量和控制各種物理量，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確可靠的信息。感知自動(dòng)化儀表能夠感知各種物理量，如溫度、壓力、流量、液位等。測(cè)量自動(dòng)化儀表能夠?qū)Ω兄奈锢砹窟M(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？刂谱詣?dòng)化儀表能夠根據(jù)控制指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化。自動(dòng)化儀表的分類自動(dòng)化儀表根據(jù)其功能和用途可以分為不同的類型，常見的分類包括：測(cè)量?jī)x表用于測(cè)量各種物理量，如溫度計(jì)、壓力表、流量計(jì)、液位計(jì)等?？刂苾x表用于控制被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，如調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。信號(hào)處理儀表用于對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，如變送器、放大器等。記錄儀表用于記錄測(cè)量值的變化趨勢(shì)，如記錄儀、數(shù)據(jù)采集器等。常用自動(dòng)化儀表的構(gòu)造和工作原理常用自動(dòng)化儀表的構(gòu)造和工作原理各不相同，但它們通常包含傳感器、信號(hào)處理電路、顯示器等關(guān)鍵部分。傳感器用于將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)處理電路用于對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和放大。顯示器用于顯示測(cè)量結(jié)果或控制參數(shù)。壓力傳感器壓力傳感器用于測(cè)量氣體或液體的壓力，其工作原理通常是基于壓力的變化引起應(yīng)變片或壓電元件的電阻或電壓的變化。應(yīng)變片式利用壓力引起應(yīng)變片電阻的變化來測(cè)量壓力。壓電式利用壓力引起壓電元件產(chǎn)生電壓的變化來測(cè)量壓力。溫度傳感器溫度傳感器用于測(cè)量溫度，其工作原理通常是基于溫度的變化引起材料的電阻、電壓或頻率的變化。1熱電偶式利用兩種不同金屬之間的溫差產(chǎn)生電壓來測(cè)量溫度。2熱敏電阻式利用溫度變化引起熱敏電阻電阻變化來測(cè)量溫度。3鉑電阻式利用溫度變化引起鉑電阻電阻變化來測(cè)量溫度。液位傳感器液位傳感器用于測(cè)量液體的高度或體積，其工作原理通常是基于液位的變化引起傳感器內(nèi)部的物理變化，例如電容、電阻或浮力的變化。1浮球式利用浮球的浮力變化來測(cè)量液位。2電容式利用液位的變化改變電容來測(cè)量液位。3超聲波式利用超聲波的反射時(shí)間來測(cè)量液位。流量傳感器流量傳感器用于測(cè)量流體流動(dòng)的速度或體積，其工作原理通常是基于流體的流動(dòng)引起傳感器內(nèi)部的物理變化，例如電磁感應(yīng)、渦街效應(yīng)或壓差效應(yīng)。渦街式利用流體在渦街傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的渦流頻率來測(cè)量流量。電磁式利用流體在磁場(chǎng)中切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量流量。差壓式利用流體在流量計(jì)前后產(chǎn)生的壓差來測(cè)量流量。變送器的作用和分類變送器是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)形式，便于傳輸和處理。1信號(hào)轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)形式。2信號(hào)放大放大傳感器輸出的弱信號(hào)。3信號(hào)濾波濾除信號(hào)中的干擾噪聲。4信號(hào)隔離隔離不同回路之間的干擾信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類和原理執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中用于執(zhí)行控制指令的裝置，它根據(jù)控制信號(hào)改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。1電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置來執(zhí)行控制指令。2氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置來執(zhí)行控制指令。3液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用油壓驅(qū)動(dòng)裝置來執(zhí)行控制指令?？刂崎y的結(jié)構(gòu)和工作過程控制閥是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中常見的裝置，它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)流體的流量，從而改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。1閥芯控制流體流量的部件。2閥體固定閥芯的部件。3執(zhí)行器根據(jù)控制信號(hào)推動(dòng)閥芯移動(dòng)的部件。伺服機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)伺服機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)精確控制的裝置，它能夠根據(jù)控制信號(hào)快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)。伺服控制器用于處理控制信號(hào)并控制伺服電機(jī)的運(yùn)行。反饋系統(tǒng)用于將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給伺服控制器，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID控制原理PID控制是一種常用的控制算法，它根據(jù)誤差信號(hào)的大小和變化趨勢(shì)來調(diào)節(jié)控制輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由傳感器、信號(hào)處理電路、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。傳感器用于感知被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。控制器用于根據(jù)誤差信號(hào)發(fā)出控制指令。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于執(zhí)行控制指令，改變被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)不包含反饋回路，控制器的輸出直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而閉環(huán)控制系統(tǒng)包含反饋回路，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出反饋到控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制。開環(huán)控制控制器的輸出直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無法根據(jù)實(shí)際輸出情況調(diào)整控制指令。閉環(huán)控制將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出反饋到控制器，根據(jù)實(shí)際輸出情況調(diào)整控制指令，實(shí)現(xiàn)精確控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)用于評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，常見的性能指標(biāo)包括調(diào)節(jié)精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等。調(diào)節(jié)精度指控制系統(tǒng)能夠?qū)⒈豢貙?duì)象控制在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)的能力。穩(wěn)定性指控制系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。響應(yīng)速度指控制系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的反應(yīng)速度。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性是衡量調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，它們直接影響到控制系統(tǒng)的控制效果。1調(diào)節(jié)精度指調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)⒈豢貙?duì)象控制在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)的能力。2穩(wěn)定性指調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)特性指調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的反應(yīng)速度和方式，它反映了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。上升時(shí)間指調(diào)節(jié)系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間。超調(diào)量指調(diào)節(jié)系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)定值后超過設(shè)定值的幅度。穩(wěn)定時(shí)間指調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，軟件部分主要包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。1硬件部分包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。2軟件部分包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。3控制算法根據(jù)控制目標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是用于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制的一種技術(shù)，它能夠提高工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性、效率和靈活性。1數(shù)據(jù)傳輸用于在不同設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2控制指令用于傳遞控制指令。3實(shí)時(shí)監(jiān)控用于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。分布式控制系統(tǒng)DCS分布式控制系統(tǒng)DCS是一種將控制系統(tǒng)功能分散到多個(gè)控制單元的控制系統(tǒng)，它能夠提高系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和安全性。1控制單元負(fù)責(zé)控制單個(gè)或多個(gè)被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。2通信網(wǎng)絡(luò)用于不同控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。3操作員站用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行操作?？删幊绦蚩刂破鱌LC可編程序控制器PLC是一種專門用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，它具有可靠性高、可編程性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？刂茊卧?fù)責(zé)執(zhí)行控制程序。編程軟件用于編寫控制程序。輸入輸出模塊用于連接傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他設(shè)備。上位機(jī)SCADA系統(tǒng)上位機(jī)SCADA系統(tǒng)是一種用于監(jiān)控和管理工業(yè)過程的軟件系統(tǒng)，它能夠收集、處理和顯示來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的故障診斷自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的故障診斷是指對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和判斷，以確定故障原因并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)。故障檢測(cè)通過傳感器、控制器等設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況。故障隔離確定故障發(fā)生的位置，并隔離故障部件。故障修復(fù)對(duì)故障部件進(jìn)行修復(fù)或更換，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)是指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查、清潔、潤(rùn)滑、調(diào)整和維修，以保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。定期檢查定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)潛在問題。清潔維護(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清潔，保持設(shè)備清潔度。潤(rùn)滑保養(yǎng)對(duì)系統(tǒng)中的機(jī)械部件進(jìn)行潤(rùn)滑，延長(zhǎng)其使用壽命。調(diào)整維修對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)故障部件進(jìn)行維修。自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的安全防護(hù)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的安全防護(hù)是指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)和安全措施，以防止事故發(fā)生，保障人員和設(shè)備的安全。安全設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就考慮安全因素，避免潛在的安全隱患。安全報(bào)警在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)采取措施。安全聯(lián)鎖設(shè)置安全聯(lián)鎖裝置，防止操作人員誤操作造成事故。自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它能夠提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。1工業(yè)生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，降低生產(chǎn)成本。2科學(xué)研究用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制。3國防軍事用于武器裝備的控制和管理，提高作戰(zhàn)效率和安全性。自動(dòng)化儀表與控制工程的發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)化儀表與控制工程正在不斷發(fā)展，未來將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。智能化應(yīng)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制和優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)化將不同設(shè)備和系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程控制。集成化將不同子系統(tǒng)