化工仪表及自动化教案

自动控制系统基本概念§1化工自动化的主要内容一、自动检测系统测量、指示或记录工艺参数，如压力、液位、流量、温度四大参数。二、自动保护超出正常范围，发出报警或启动联锁系统。三、自动操纵按预先规定步骤操作设备、投运、停止生产过程。四、自动控制利用自动控制装置来控制工艺参数，使其维持在规定范围内。§2自动控制系统的组成控制对象测量元件与变送器将被控参数→统一信号。如电或气信号。控制器求偏差（给定－测量），并对其进行数学运算后，输出统自动装置一信号。执行器根据控制器的输出控制阀门的开度。§3控制流程图P6图§4方框图f干扰作用控制对象执行器控制器给定值+偏差操纵变量被控参数Y控制对象执行器控制器测量值—Pq测量元件、变送器测量元件、变送器§5分类P温度按控制规律PI按被控变量压力PD流量PID液位定值控制系统给定值恒定按给定值变化情况随动（自动跟踪）给定值随机变化程序（顺序）给定值按预先设定随时间变化。§6自动控制系统的过渡过程和品质指标静态、动态、干扰作用静态：被控参数不随时间变化的平衡状态。动态：被控参数随时间变化的不平衡状态。干扰：改变被控参数的因素，没有固定的规律，一般指阶跃干扰。过渡过程在干扰作用下，被控参数随时间变化的过程。即：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。基本形式：①非周期衰减②衰减振荡过程③等幅振荡④发散振荡Y品质指标1、最大偏差或超调量最大偏差：被控参数偏离给定值的最大数值A。AB超调量：表征被控参数偏离给定值的程度B。B‘CB=A-Ct2、衰减比表征振荡的激烈程度，判断系统能否建立新的平衡的快慢程度。B:B’=n:1n=4~10n↓→衰减↓,n≈1接近等幅振荡,不易稳定,n↑→∞接近非周期衰减过程缓慢，不希望。3、余差（静差）被控参数稳定值与给定值的差C。尽量小，具体分析。4、过渡时间从干扰作用发生起到系统建立新的平衡状态时止过渡过程所经历的时间ts。ts↓→迅速→质量↑5、振荡周期影响过渡过程的主要因素①对象的性质：负荷大小、结构尺寸、材质等。负荷：在平衡状态下，单位时间内流入或流出对象的物料量或能量，也称对象的生产能力或通过能力②自控装置：性能、种类、调整参数小结：①控制系统组成、作用，什么是被控参数、对象、操纵变量、干扰，方框图。②过渡过程的形式、品质指标。作业：P16—4、8、15、18、21第二章被控对象的数学模型§1对象特性及描述方法一、对象特性干扰作用被控对象的输入输出关系。输入：控制作用输出：被控变量控制作用被控变量干扰作用讨论对象特性，即讨论两输入对被控变量的影响，不同的通道，对于同一对象，特性可能不同。只有先了解对象特性，掌握内在规律，才能选择被控变量、操纵变量、变送器、调节器及参数，设计合适的控制系统。二、数学模型及形式1、

数学模型对象特性的数学描述。2、形式（1）非参量模型——用曲线或表格，通过记录实验得到。形象、清晰；用作定性分析。（2）参量模型——数学方程。如微分方程、差分方程等。

§2对象数学模型的建立一、建模目的二、建模方法1、

机理建模通过对象内部机理，根据对象中物理或化学变化的规律列方程，在忽略一些次要因素或作出一些近似处理后得到的数学模型。（1）一阶对象用一阶微分方程来描述对象特性。R例1：RC电路输入变量：eiC输出变量：eoeieoei=iR+eoi=CRC+eo=ei求解：eo=ei（1－）求：t=0、t=T、t=∞时，eo=？（0，0.632ei,ei）K=1T=RCτ=0例2水槽对象

阀2开度不变，阀1为干扰作用。对象特性：当阀1（Q1）变化时，液位h怎样变化。物料（能量）平衡：单位时间内水槽液位的变化率=单位时间流入水槽的流量Q1－单位时间流出水槽的流量Q２（Q1－Q２）dt=Adhh↑→静压↑→Q２↑Q２=RS————阀2的阻力系数（Q1－）dt=AdhARS+h=RSQ1T=ARS——时间常数K=RS——放大倍数(2）积分对象Q２为常数上图dh=Q1dth=dt（3）二阶对象用二阶微分方程来描述对象特性。R1R2例1：RC电路输入变量：ei输出变量：eoeiC1C2eei=iR1+dtdt=i2R2+eoeo=dt2、实验建模（1）阶跃响应曲线法：对象稳定时，在其输入端加已知幅值的阶跃，记录输出，画出曲线，求出特性参数。建议，但精度不高（2）矩形脉冲§3描述对象特性的参数放大倍数K对象稳定时，K=输出变化量／输入变化量，是描述对象静态特性的参数。时间常数T(过渡滞后)对象受干扰作用，被控变量如保持初始速度变化，达到新的稳定值所需的时间。或达到新的稳定值的63.2%所需的时间。反映被控参数变化的快慢，是动态参数。滞后时间ττ=纯滞后时间τo+容量滞后τC(传递滞后)（二阶对象）纯滞后是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起。容量滞后是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力引起。τ反映对象动态特性。不同的通道，对象的参数对控制作用的影响不同。对于控制通道：K↑→对扰动补偿力↑→余差↓，如太大系统稳定性↓。K↓→被控变量变化缓慢；T↑→被控变量变化缓慢→对象易控，平稳，过渡时间↑；反之，速度快，不易控。τ的存在使A↑→控制质量↓。对于干扰通道：K↑→A↑，调节灵敏，稳定性差，一般K希望小一些，灵敏度的提高靠提高控制器的增益来满足。K小扰动对被控变量影响不大。T↑→扰动平缓，被控变量平稳，易控制。τo的存在不影响系统品质，τC的存在使被控变量的扰动缓和，对系统有利。例：流量/（t/h）K==228T=4min△q25τ=2min温度/℃150△Q(∞)微分方程：12026t/min4+T(t+2)=2Q(t)小结：①数学模型的表达形式：机理建模及实验建模；②一阶对象的数学模型的建立，函数表达式；③对象特性的参数的物理意义、对系统的影响，计算各参数。作业：P33——8、11、14第三章检测仪表与传感器§1概述测量过程与测量误差1、测量过程将被控参数变换、放大，然后与测量单位进行比较的过程。2、测量误差误差=测量值－真值真值的获得：精密仪器或求算术平均值。修正值=－误差3、误差分类绝对误差（示值误差）：测量值－真值按因次分相对误差：×100%引用误差（相对百分比误差）：×100%基本误差：最大引用误差。基本误差≤允许误差按使用条件附加误差：不按规定的使用条件，增加的误差。总误差=基本误差+附加误差系统误差：按出现的规律疏忽误差：随机误差：仪表的性能指标1、精度表征仪表测量的精确程度，用基本误差表示。允许误差：仪表基本误差不超过的一个规定值。允许误差去掉百分号，数值便是仪表的精度等级。例：0.5级，0~1000，其最大绝对误差为6，求：基本误差（0.6%），允许误差（1.0%），仪表应定为多少级？例：需要最大指示误差5，某一表2.5级，0~250，能否满足要求？表的绝对误差=2.5%×250=6.25选用：基本误差=（5／250）100%=2%，应选用1.5级的仪表。2、变差变差=×100%变差≤允许误差注意与不灵敏区的区别。3、非线性误差非线性误差=×100%4、灵敏度、灵敏限、不灵敏区灵敏度：输出对输入变化的灵敏程度。精度越高，灵敏度高；反之，不一定成立。灵敏限：能引起输出变化的最小输入变化量。不灵敏区：不能引起输出变化的最大输入变化量。数值与变差相等，校验时可代替变差。5、分辨力分辨力=分辨率×量程分辨率：最低位占总显示数的分数值。例：6、动态误差时间常数、反应时间、纯滞后时间例：0%~100%刻度，0~2500刻度20%40%60%80%正行程511101215182010反行程502100114951988标准值500100015002000绝对误差+11+12+18+10+2+1－5－12变差+9+11+23+22基本误差=（23／2500）×100%＝０.９2%仪表定为1.0级小结：①误差的定义、分类②仪表的性能指标，确定仪表的精度等级③会计算绝对误差、相对误差、基本误差。作业：P92—5、6§2压力检测及仪表一、压力的定义、单位及表示法定义：单位：3、表示法：P绝P大＋P表P表=P绝－P大当P绝＜P大时，P表称负压或真空度二、压力表的分类1、液柱式压力计：利用静力学的原理，将被测压力转变成液柱高度。实验室用2、弹性式压力计：利用弹性元件产生的位移与被测压力相平衡。工业用电气式压力计：将被测压力转变成电信号。工业用活塞式压力计：用砝码重量将被测压力相平衡。作为标准表用弹簧管式压力计将被测压力PX接入截面为椭圆的弹簧管中，使自由端产生位移，带动拉杆移动→扇形齿轮转动→中心齿轮偏转→指示出PX大小。放大机构：拉杆使扇形齿轮偏转扇形齿轮半径〉中心齿轮半径量程调整：改变调整螺钉位置。游丝用于调整变差。电容式压力变送器1、结构高低压室感压膜片（活动电极）测量部分弧形电极（固定电极）单向过载保护隔离膜片引线、基座、硅油（阻尼）转换部分将△C→电流（4~20mA）。2、测量部分工作原理通过隔离膜片将差压（压力）传递至感压膜片，使其△C产生位移；△S=K△PXCi1Ci2当△PX=0时，Ci1=Ci2△C=0当△PX≠0时，Ci1=，Ci2=S0△S△C=当△S很小时，△C与△S成线性关系。五、智能型压力变送器特点：精度高（0.1级），量程范围广（100：1），时间常数可调（0~36S），通过手持通信器编制各种程序，可对现场变送器进行参数的设定、零点量程的调整、修正、补偿、自诊断，使用维护方便，可直接与计算机联系。六、压力计的选用及安装1、压力计的选用主要考虑以下方面：精度量程：平稳时，Pmin~Pmax=1/3~2/3激烈时为1/3~1/2介质、工作环境。例：P93,24题：基本误差=0．02／1．6×100%=1.25%满足精度（1.5级）要求，最小量程1．6／3=0．53，最大量程1．6×2／3=1.07基本满足量程（0.8~1.0MPa）要求。2、压力计的安装P55~P51（1）测压点的选择（2）导压管（3）压力计小结：①压力的单位、表示法及分类②弹簧管压力表、电容式压力变送器的工作原理③压力计的选用与安装作业：P92~P937、11、16流量检测仪表一、概述1、定义瞬时流量：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。体积流量：Q=AVA——管道面积m2V——流体速度m／horm／sQ——m3／horL／h质量流量：M=Qρρ——kg／m3M——总量：瞬时流量在一段时间内的累积值。Q总＝M总＝２、分类差压式测差压使用率８０％（１）速度式：以测量流体在管道内的流速为依据。转子测高度小流量气体涡轮测转速电磁测电压导电介质（２）容积式：测量单位时间内所排出的流体的固定容积数。椭园齿轮活塞式（３）质量：以测量流体通过的质量为依据。直接式间接式二、差压式流量计特点：简单、可靠、维护方便，有一定精度，但压损大，刻度与流量成非线性。１、组成节流件节流装置取压装置１２３直管段导压管差压计或变送器及显示仪表２、测量原理（１）节流现象及原理PP1○节流现象：流体经节流件时，流束收缩，△P速度和压力发生变化的现象。P1’○流体（气体或液体）应满足：P2○P2’P3充满管道、连续稳定流动、无相变。V节流原理：流量↑→流束收缩↑→V2动能→位能↑→△P↑V1V3测出△P即可知道Q大小。（２）流量基本方程根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程推导出：Q=符号意义见P53当α、ε、ρ、F0为常数时，Q与成正比。３、标准节流装置（１）节流件：孔板：压损大，易加工，便宜，一般情况下使用喷嘴：测高粘度、沉淀、高精度介质（２）取压装置：环室孔板角接取压单独钻孔法兰取压喷嘴：角接取压（３）直管段：上游为１０D，下游为５D，内径D实测。４、测量误差（１）被测流体工作状态变动：实际的工作状态（温度、压力）与设计时不符（２）节流装置安装不正确节流件：垂直、方向、同心、边缘尖锐（３）导压管安装不正确α气体a．取压口α蒸汽b．装冷凝器（气体）、集气器（液体）、沉降器、截止阀α液体c．装隔离器和隔离液用于高温、腐蚀性、粘性介质。（４）差压计安装使用不正确三阀组的正确使用：原则：a．不能让导压管内的凝结水或隔离液流失；b．不可使测量元件受压或受热。无隔离液的差压计：在启用前，先切断平衡阀，再开取压阀（从低到高）在停用前，先切断取压阀，再开平衡阀（高到低）。隔离液的差压计：启动步骤：开正压阀→关平衡阀→开负压阀停运步骤：关负压阀→开平衡阀→关正压阀。小结：①流量的定义、单位、分类②差压式流量计的组成、测量原理流量基本方程式的物理意义正确安装作业：P93——２８、３１转子流量计适于小流量小管径测量。组成测量圆锥形管与管道垂直连接P2浮子节流件、浮动，且ρ浮＞ρ介显示就地P1h远传电动气动工作原理当流体自上而下经锥管时，浮子受流体的冲击向上运动，（F1>F2）,随着浮子上移，流通面积增大，冲击力下降，当F1＝F2（浮子重力），浮子不动，浮子的高度反映了被测流量的大小。流量方程式重力F2作用在浮子上的力浮力动压力（冲击力）F1静压力由F1＝F2可得出：Q=φh①当浮子、介质一定时，Q与h成线性；改变φ(锥度)细调和浮子质量ρt粗调，可改变仪表量程；ρf影响Q，出厂时应标明：温度、压力、密度、粘度，一般用标准状态的水或空气进行标定，实际与标定不符应进行修正。安装垂直、自上而下，直管段，清洗椭圆齿轮流量计组成测量两个相啮合的椭圆齿轮外壳（计量室）、轴显示就地远传２、工作原理流体经仪表时产生差压，在差压作用下，产生力矩使齿轮转动，从而排出齿轮与壳体间半月形容积的介质，齿轮每转一周所排出的介质为半月形容积的４倍，即：Q=4nV0n——齿轮转动频率周／秒测出n即可知Q大小。安装使用特点涡轮流量计组成n脉冲电磁转换前置放大显示仪表涡轮Qn电磁转换前置放大显示仪表涡轮涡轮变送器a．涡轮：导磁不锈钢，２～８片，其轴体形状可靠流体产生的反推力来自动补偿轴向推力。b．导向件：不导磁，支撑叶片、导直流体。c．壳体：不导磁d．电磁转换器：永久磁钢、线圈，将n转变成脉冲。e．前置放大：将脉冲信号放大（１V）后送显示仪表。原理流体冲击叶片使涡轮旋转，从而切割磁力线改变通过线圈的磁通量，使线圈感应出脉冲电信号。f=N’N’——叶片数f=ξQξ——仪表常数，由实验确定，表示流过单位体积流量时，变送器输出的脉冲数。或N=ξVN——总脉冲数，V——总量测出f或N即可知瞬时流量Q或总量V。３、安装、使用、特点安装：水平、箭头流向，直管段；装过滤器、整流器，设旁路阀，前置用屏蔽线。使用：测洁净物，工作状态变化时，重新标定ξ。特点；精度高０.2%~0.5%，范围广10:1，反应快，压损小，耐压高，输出脉冲；但受环境影响，寿命短。七、电磁流量计由电磁感应定律，当导电液体在磁场中运动切割磁力线时，将产生感应电动势，大小与被测流量成正比。特点：不受流体物理性质影响，测量介质、范围广，压损小，可测脉动流和双向流；但液体须导电。八、旋涡流量计１、原理再流体中放入一非流线型物体，由于分界层分离在物体两侧产生两排旋转方向相反、交替出现的旋涡，稳定时，h／L＝0.281，频率和流速关系为:：f＝StSt——实验确定Q=AV=Kf测出f即可知Q大小。２、特点不受流体物理性质影响，量程比宽（１００：１），线性好，压损小，但，流速的分布和脉动对测量有影响。小结：①其他流量计的构成、工作原理特点、安装、使用进行比较作业：总结归纳几种流量计特点、使用场合。§4物位检测仪表一、概述1、定义：液位、料位、界位。2、分类直读式：连通器差压式：利用静力学原理浮力式：恒浮力浮子高度随液位变化。变浮力浮子（沉筒）所受浮力随液位高度变化。电磁式：将物位转变成电量。R、L、C核辐射式：利用核辐射（γ射线）透过物料时，其强度随物料层厚度而变化。二、静压式液位计1、压力表测量开口容器液位P=HPρ，用法兰或导压管连接注意：取压点与压力表不在同一水平时应进行修正。2、差压式（1）原理：测量开口或密闭容器液位△P=Hgρ（2）零点迁移由于安装等原因，当液位最低时，指示不为最小值。a．无迁移当H=0时，△P=0，输出最小4mAor20Kpa当H=Hmax时，△P=Hgρ，输出最大20mAor100Kpab．正、负迁移P+=P大＋Hgρ+hgρP—=P大△P=Hgρ+hgρ＝Hgρ+K当H=0时，△P＝K输出不为最小，造成输出范围减小，测量误差增大。零点迁移：通过调整迁移装置抵消K的作用，使H=0时，输出最小的过程。K＞0，为正迁移；K＜０，为负迁移；K为迁移量例：正迁移：H=0.5mh=0.2mρ=1000kg／m3H=0时,△P=0.2×1000×9.81=1962PaH=0.5m△P=(0.5+0.2)×1000×9.81=6867Pa测量范围：1962～6867Pa无迁移时０～４９０５Pa负迁移：在负压室加隔离液。H=0.5mh１=0.2mh２=0.７mρ１=1000kg／m3ρ２=1２00kg／m3H=0时,△P＝－（h２—h１）gρ２＝－（0.7－0.2）×1２00×9.81＝－５８８６PaH=0.5m△P＝0.５×1000×9.81－5886＝－９８１Pa测量范围：－５８８６～－９８１Pa注意：①迁移只改变零点，即测量范围，量程大小不变；迁移后的上限不能超过规定值，量程不能小于最小量程。例：０～６００～６０００Pa三、电容式１、原理两同轴圆柱极板构成电容C=当D、d一定时，C与εL成正比。２、液位的检测当H=0时，C0=当H≠０时，C=+CX=C－C0==KH测出CX即可知H大小；适用于非导电液位。四、核辐射物位计由放射源稳定地放射出的γ射线通过具有一定厚度的物料时，其中一部分射线被物料吸收，射线的透射强度随着通过的介质层厚度的增加呈指数规律衰减，剩余部分穿透物料，照射到接受器上，接受器输出的电信号大小反映了物料大小。I=I0不受介质物理性质的影响，适合于复杂介质及环境的测量。小结：①静压测量原理、零点迁移的意义及计算；②电容式测量原理辐射式测量原理。作业：P94——50、51§5温度检测仪表一、检测方法液体膨胀式△V=V0（1+α△t）1、利用物体的体积随温度变化固体膨胀式L=L0(1+β△t)气体膨胀式2、利用热电效应将温度转变成电势热电偶温度计3、利用物体的电阻随温度变化热电阻温度计4、利用辐射能随温度变化辐射式高温计二、1、测温原理将两种不同材料的金属两端焊接，就构成一只热电偶，当两端点温度不同时，回路中将产生热电势。（1）温差电势EA(t,t0)同种材料不同的端点温度引起，EA(t,t0),EB(t,t0)数值较小，可忽略。(2)接触电势tt0不同材料相接触引起，EAB(t),EAB(t0)EAB(t)EAB(t0)密度大的为正极，小的为负极。(3)回路总电势EAB(t,t0)=EAB(t)＋EA(t,t0)－EB(t,t0)－EAB(t0)EB(t,t0)＝EAB(t)－EAB(t0)EAB(t,t0)＝－EBA(t,t0)＝EBA(t0,t)＝－EAB(t0,t)热电偶产生的热电势不仅与所用材料种类有关（与几何尺寸无关），还与两接点温度有关；当材料、t0一定时，热电势只与t有关（但不是线性关系），通过测电势即可测温度。２、性质（１）在热电偶回路中接入第三种金属，只要保证两接入点温度相同，不会影响回路总电势。（２）热电偶产生的热电势与中间温度无关。３、常用热电偶名称分度号测温范围℃特点铂铑－铂铑B300～1600性能稳定、电势小、不用冷端修正，贵重，氧化和中性铂铑－铂S－20～1300性能稳定、电势小精度高、作标准表，氧化和中性介质镍铬－镍硅（铝）K－50～1000线性好，电势大，便宜，应用广，氧化和中性镍铬－铜镍E－40～800电势大，氧化和中性4、结构普通热电偶铠装热电偶补偿导线根据中间温度定律，用与热电偶同热电特性的补偿导线延长，使t0恒定。注意：①正负不能接错②与所配热电偶同型③使用温度范围小于100℃。6、冷端温度补偿因分度表是在t0=0℃时做出，且所用仪表是在t0=0℃刻度，实际情况t0≠0℃，故需进行冷端温度补偿。方法有：（1）冰浴法制造厂用用冰槽使t0保持零度。（2）计算法实验室用EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)真值=测量值+修正值（3）机械调零法用于t0恒定将仪表的机械零点调到t0，相当于人为加上EAB(t0,0)。显示仪表显示仪表用电桥产生EAB(t0,0)。A＋利用铜电阻随温度EAB(t,t0)EAB(t,0)t0变化，且使＋－△VRCU＝EAB(t0,0)B－则t0变化不影响测量；RCU设电桥在零度平衡。EAB(t0,0)注意：①正负不能接错②与所配热电偶同型③使用温度范围０～５0℃。（５）补偿热电偶用与热电偶同型的热电偶来补偿。用于多支热电偶。小结：①测温原理②使用补偿导线的目的及用法③冷端温度补偿方法及原理。作业：P94——６０、６２三、热电阻温度计特点：低温段线性好，精度高，不用进行冷端温度补偿，反应慢，不能测点温。１、组成感测元件热电阻显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）铜导线用三线制接入画出连接图２、测量原理利用导体或半导体的阻值随温度变化来测量温度。３、种类名称分度号测温范围℃关系式特点铂电阻Pt10R0=10ΩPt100R0=100Ω0~650RPt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)精度高、性能稳定，氧化性介质铜电阻CU50R0=50ΩCU100R0=100Ω－50～150Rcu＝R0(1+αt)Rcu＝Rt0(1+α△t)线性好、便宜，易提纯４、结构输入电桥四、温度变送器输入电桥１、热电偶温度变送器E(t0)热电偶被测温度tEt+输出电流I0热电偶－EtVfI0tt放大电路反馈电路Vf放大电路反馈电路(1)输入电桥作用：调零(R4)、冷端温度补偿RCU。t稳压电源给桥路提供恒定电流。（２）反馈电路+量程调整线性化电路+－线性化电路EXRCUR4线性化电路－（３）放大电路电压放大功率放大R1R2２、热电阻温度变送器被测温度t输入电桥反馈电路放大电路热电阻RtVt＋输出电流I0输入电桥反馈电路放大电路热电阻－Vf五、测温元件的安装１、测温元件逆流，最大流速处，足够的插入深度２、布线补偿导线正负不能接错，信号线与电源线分开。小结：①热电阻温度计测温原理与显示仪表的连接方式；②热电阻种类、分度号、范围；③热电偶、热电阻温度变送器工作原理、线性化原理。作业：能否用普通的万用表测量热电阻。第四章显示仪表§１动圈式显示仪表配热电偶（XCZ－101）的动圈式显示仪表１、测量机构及原理（１）组成动圈铜线Rcu20=80Ω磁钢环形产生辐射状磁场保证动圈与磁力线垂直，夹角为零。张丝支承导流（２）原理α＝CIα－指针的转角，C－灵敏度２、温度补偿由于环境温度变化，使动圈电阻改变，使输出变化。利用热敏电阻与锰铜电阻并联来进行补偿。3、量程调整增加电阻R串可进行量程调整及减少外线路电阻变化的影响。４、外线路电阻RTI＝R并R外＝R热＋R补＋R铜＋R调＝１５Ω（工作状态下调整）R串R动５、正确使用（１）型号配套（热偶、动圈、补偿器、补偿导线）（２）冷端补偿A．只用补偿导线仪表机械零点调在t０。＋R外短短B．用补偿导线加补偿电桥（３）仪表不用时，加短路线以保护指针R调A’A+补偿器B－+－二、配热电阻（XCZ－102）的动圈式显示仪表c采用不平衡电桥测电阻，测量机构同热电偶R0设：当t＝０时，电桥平衡，Vcd＝０R4动圈无电流。Rt当t≠０时，Vcd与电阻的变化量成正比。abRt采用三线制接入，每根导线的电阻为3×５ΩR3R2d＋稳压电源－与平衡电桥测电阻有何不同？小结：①构成、原理、区别正确接线和使用作业：P128——３、7§2自动电子电位差计一、手动电位差计ERH1、原理利用电压平衡，用一个标准的、已知的电势VBC与一个被测电势Et相平衡，当回路电流为零时，IVBC=Et，Et只与VBC有关，与测量线路无关。R2、使用B（1）标定工作电流开关置“1”，调节RH使检流计G为零，CGRN此时，I为标定值，I=ENRN(2)测量电势K开关置“2”，调节触点C，使检流计G为零，－Et+21EN此时，VBC=IRBC=Et二、自动电子电位差计１、工作原理用稳压电源给桥路提供电流，产生VCD与Et进行比较，其差值△E＝VCD－Et经放大器放大使可逆电机转动，带动滑动触点移动，改变大小直至VCD=Et为止。２、测量桥路画出原理图作用：（１）提供正和负的标准电压VCD＝VCB－VDB（２）进行冷端温度补偿。由于热电偶冷端温度t0不为零，使热电势减少E(t0,0)，如果R2为铜电阻，且使铜电阻上电压的变化量等于E(t0,0)，则环境温度t0的变化不影响测量。其中：E＝１V,I1=4mA,I2=2mA,桥路电阻的作用：测量桥路３、结构测量桥路热电热电偶传动机构指示机构可逆电机放大器VAB+传动机构指示机构可逆电机放大器Ex－记录机构记录机构同步电机同步电机§3自动电子平衡电桥平衡电桥r1Rp当被测温度为下限时，Rt=Rt0，触点平衡在Rp左端,此时，R3(Rt0+Rp)=R2R4R4Rt当被测温度变化时，Rt=Rt0+△Rt，触点平衡在r1处,此时，R3(Rt0+△Rt+Rp－r1)=R2(R4＋r1)两式相减r1＝R3R2触点位置反映电阻大小，与温度成线性关系。二、电子平衡电桥Rt用三线制接入，２＊2.5Ω同步电机记录机构指示机构可逆电机放大器测量桥路热电阻同步电机记录机构指示机构可逆电机放大器测量桥路热电阻稳压或交流电源稳压或交流电源与电子电位差计比较：电子电位差计电子平衡电桥仪表平衡时桥路不平衡平衡测温元件连接方式热电偶用补偿导线接在对角线上考虑冷端温度补偿热电阻用三线制接在桥臂中电源直流直流或交流动圈仪表例题：比较下列示值动圈仪表2525500500电位差计电位差计电位差计2525电位差计动圈仪表500动圈仪表500小结：①手动电位差计的原理及使用电子电位差计、电子平衡电桥的工作原理、冷端温度补偿、桥路电阻作用两种自动显示仪表的比较：结构、原理、桥路。作业：P129－１０、１２、14、17第五章自动控制仪表§1概述控制仪表作用二、控制仪表分类1、基地式：检测、指示、控制为一体，结构简单、便宜、方便；用于简单控制系统。2、单元组合式：按功能的不同分成若干单元，之间用统一的信号联系。3、智能式：以CPU为核心器件，功能丰富，操作方便，可构成复杂控制系统。§2控制规律及其对系统过渡过程的影响控制规律控制器的输出Y随输入偏差e变化的规律。△Y=f(e)e=测量－给定常用的控制规律有：位式、比例（P）、积分(I)、微分(D)、以及它们的组合控制规律，如PI、PD、PID。控制器的作用形式正作用：e＞0，△Y＞0反作用：e＞0，△Y＜０或e＜0，△Y＞0。Y二、双位控制Ymaxe＞0（或e＜0＝开△Y=Ymine＜0（或e＞0）时特点：结构简单、成本低、易于实现。e控制作用不是连续变化，被控变量的变化为一等幅振荡过程，不可能稳定在某一个数值上。关三、比例控制输出与输入成比例关系，即：△Y=Kpe式中Kp——比例增益或放大倍数Kp＞1放大，Kp＜1缩小，如果△Y与e单位不同则：Kp=特点：反映快，控制及时，但有余差，且，Kp↑→控制作用↑→余差↓→系统的稳定性变差。一般用比例度δ表示：δ＝×100%Vi＝×100%V0典型电路：V0／Vi＝R四、积分控制输出变化量与输入的积分成比例关系，即VicV0△Y=式中TI——积分时间实际积分控制如图：W(s)=特点：控制缓慢，TI↑→积分作用↓→系统稳定性↑，输出变化的快慢与TI和e有关，当e=0时，△Y＝０，故积分可消除余差，一般不单独使用。比例积分控制：△Y=Kp（e＋）五、微分控制输出变化量与输入的变化速度比例关系，即△Y=TDTD——微分时间特点：具有超前作用，TD↑→微分作用↑（但微分作用不宜太强，有可能引起系统高频振荡）→系统稳定性↑，当e不变时，△Y=０，一般不单独使用。实际微分控制如图：W(s)=比例微分控制：△Y=Kp（e＋TD）△Y六、PID控制Y=Kp（e＋＋TD）eeP：△YP：△YPI：△YPD：△YPD：△YPI：△Y七、控制规律的构成放大器偏差e放大器PDPIPDPI－PID反馈电路PID反馈电路PP小结：①控制器的作用及作用形式②DI基本控制规律及特点

③控制规律的实现DI§3模拟式控制器四、DDZ—Ⅲ型电动控制器１、DDZ—Ⅲ型仪表的特点（１）采用国际标准信号：现场传输：４～20mADC控制室联络：１～5VDC。用250Ω电阻进行转换（２）采用24VDC集中供电（３）采用集成电路变送器安全栅安全栅执行器调节器（４）可构成安全火花型防爆系统变送器安全栅安全栅执行器调节器危险侧安全侧危险侧集中供电集中供电 ２、组成测量值指示给定值指示内给定电路测量值指示给定值指示内给定电路内输出电路PD电路PI电路输入电路外V01V02AV03I0输出电路PD电路PI电路输入电路测量MH硬手动电路软手动电路硬手动电路软手动电路３、各部分作用（１）输入电路V01＝－２（Vi－Vs）求偏差，并且将偏差放大两倍，完成比例控制。（２）PD电路对V01进行PD控制，同时可进行比例度及微分时间的调整。（３）PI电路对V0２进行PI控制，同时可进行积分时间的调整。（４）输出电路将V03转变成电流4～20mA或电压１～5V输出。４、工作方式及切换自动（A）、软手动（M）、硬手动（H）自动（A）——输出根据偏差大小自动进行输出；正常情况下使用。软手动（M）——用面板上的操纵杆直接改变输出（积分变化），此时，输出与偏差无关；此方式用于仪表校验。硬手动（H）——用面板上的操纵杆直接改变输出（比例变化），此时，输出与偏差无关；此方式用于紧急情况。平衡平衡自动（A）软手动（M）硬手动（H）５、给定方式内给定：仪表内部产生给定信号１～5V。外给定：仪表外部给定单元输出给定信号１～5V。小结：①特点、组成、工作原理②工作、给定方式及切换构成安全火花型防爆系统条件§4数字式控制器单回路数字调节器1、种类常用KMM、SLPC、PMK2、特点良好的操作性和监视性使用方便丰富的控制运算功能可进行简单、复杂的控制运算自诊断功能定期对硬件进行检查，并显示故障部位通讯功能可与计算机进行通信3、基本构成EPROMROMRAMEPROMROMRAM多路模拟开关采样保持器模多路模拟开关采样保持器拟输出保持电路多路模拟开关D／AA／D量模输出保持电路多路模拟开关D／AA／D输出接口CPU输入接口输拟输出接口CPU输入接口入量输出输出锁存器器输入缓冲器器输出锁存器器输入缓冲器器开开关关量量输输入出键盘键盘数据发送接收电路通信接口键盘显示接口定时计数器发送接收电路通信接口键盘显示接口定时计数器显示器通显示器信４、用户编程编程采用面向过程语言POL（Procedure—OrientedLanguage），简单、方便、专用性强。填空栏式将能完成各种功能的模块的输入端和输出端之间正确连接。PMK组态式将能完成各种功能的模块用连接语句连接起来。KMM、SLPC二、可编程控制器PLC(ProgrammableLogicController)最初主要用于开关量逻辑控制，现已用于生产过程的闭环控制。１、组成P147硬件构成与单回路调节器类似，主要由CPU、存储器、输入输出电路等组成。小型PLC的I／O点数256以下，中型PLC的I／O点数在256～2048大型PLC的I／O点数在2048以上２、工作过程输入采样顺序读入所有输入端的通断状态，并存入输入映象寄存器。程序执行执行用户程序，按先左后右、先上后下顺序执行，并将结果存入输出映象寄存器。输出刷新将输出映象寄存器的通断状态转存到输出锁存器，去驱动输出设备。与传统的继电器控制系统不同，PLC是以“串行”方式工作。例：X01Y11Y10X01Y11位置改变控制效果相同第一周期Y10吸合，第二周期释放并保持Y10不发生吸合3、编程语言不同类型的PLC，有不同的编程语言，常用的有：梯形图、语句表、逻辑符号图、控制系统流程图、高级编程语言等。梯形图、语句表最普遍例：小结：①特点、组成、工作原理②编程语言③第六章执行器概述1、作用：接受调节器的控制信号，改变调节介质的流量，把被控变量维持在给定值。气动2、分类：电动液动§1气动执行器一、结构与分类执行机构根据信号大小，产生推力。调节机构（阀）调节流体流量。1、执行机构（1）分类正作用（ZMA）信号增加，推杆下移。有弹簧反作用（ZMB）信号增加，推杆上移。气动薄膜无弹簧活塞式有弹簧无弹簧（2）结构和原理信号压力↑→推力↑→弹簧反力↑→推杆位移（行程）↑，行程规格有：平衡时：忽略膜片刚度、推杆与填料摩擦力2、调节机构（1）结构型式P156~P158特点、适用范围。（2）作用及安装形式A、执行器的作用形式：气开式——输入气压增大，阀门开大。气关式——输入气压增大，阀门关小。从安全角度进行选择。反B、阀芯的安装形式：正装——阀芯下移，流通面积减小。正反装——阀芯下移，流通面积增加。C、气开式气关式特性的获得：对大口径阀（Dg＞25mm）执行机构为正作用，靠改变阀芯的安装方向来获得。对小口径阀（Dg＜25mm单座阀单导向只能正装，靠改变执行机构的作用形式来获得。如气开式：执行机构与阀芯作用形式方向相反，气关式：执行机构与阀芯作用形式方向相同。二、调节阀的流量特性流量特性：被测介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系（1）理想流量特性不考虑阀前后差压的变化。A、直线+C将l=0时，Q=Qmin，l=L时，Q=Qmax代入得：C=K=1－C＝１－特点：开度小时，灵敏度高，易产生振荡，不易控制；开度大时，调节缓慢，不够及时。B、等百分比（对数）特点：开度小时，放大系数小，调节平稳缓和；开度大时，放大系数大，调节灵敏有效。例：Qmax=100m3／h，R＝30，计算＝0.10.20.80.9时的流量，并比较流量变化①直线：代入公式得：Q0.1=13m3／h，Q0..2=22.67m3／h，Q0..8=80.67m3／h，Q0..9=90.33m3／h行程变化10%时，流量变化的相对值为：②等百分比：代入公式得：Q0.1=4.68m3／h，Q0..2=6.58m3／h，Q0..8=50.65m3／h，Q0..9=71.17m3／h行程变化10%时，流量变化的相对值为：C、抛物线D、快开开度较小时流量较大，随着开度的增大，流量达到最大，再增加开度流量变化不大。（2）工作流量特性考虑阀前后差压的变化。A、串联管道△P2△P1△P=△P1+△P2开度（Q）↑→管道阻力损失↑→△P2↑→△P1↓△P阻力比：S表示阀全开时的差压与系统总差压之比。当S=1时，管道阻力损失为零，工作特性与理想特性一致，p随着S减小，管道阻力损失增加，曲线发生畸变，直线→快开，等百分比→直线，控制质量变坏。△P△P1B、并联管道△P2Q=Q1+Q2QmaxQ分流比：X表示阀全开时的流量与系统总流量之比。当X=1时，旁路阀关闭，Q2=0，工作特性与理想特性一致，随着打开旁路阀，X减小，可调范围下降，最坏不起调节作用。故X＞0.8结论：①使曲线变形，串联管道严重。②可调范围下降，并联管道严重。串联管道总流量减少，并联管道总流量增加。串联管道阀开度小时，放大倍数增加，开度大时则减少；并联管道在任何开度下都减小。三、调节阀的选择1、结构与特性的选择先按控制系统的特点来选择阀的流量特性，再考虑工艺配管情况。配管情况S=0.6~1S=0.3~0.6工作特性直线抛物线等百分比直线抛物线等百分比理想特性直线抛物线等百分比等百分比直线等百分比（更凹）2、气开式与气关式的选择举例：§2阀门定位器及电-气阀门定位器阀门定位器Pa1、动作原理与气动执行器配套使用定位器控制器位置Po定位器控制器反馈气源2、应用场所高差压：不平衡力较大，可提高输出力。高温（低温）、高压：克服不平衡力及阀杆与填料间的摩擦力。含有固体浮悬物或粘性流体：克服介质对阀杆移动时产生的阻力。大口径：阀芯重，摩擦力增加。Dg大于100mm。增加执行机构动作速度：克服信号传递滞后。分程控制：一台控制器控制两台定位器一台输入：20~60KPa输出：20~100KPa另一台输入：60~100KPa输出：20~100KPa（7）改善流量特性：通过改变反馈凸轮形状，改变输入信号与位移的关系。小结：作用、结构、型式、流量特性、选择。简单控制系统§1结构与组成f干扰作用执行器控制对象控制器给定值+偏差控制信号操纵变量被控参数Y执行器控制对象控制器测量值—Pq测量元件、变送器测量元件、变送器§2被控变量的选择选择原则：P170举例：§3操纵变量的选择操纵变量选择原则P172§4测量元件特性的影响时间常数测量元件存在热阻和热容，本身具有时间常数，且元件的安装、维护不当，易产生动态误差，影响控制质量。二、纯滞后由于安装位置不正确引起。三、信号的传递滞后包括测量信号控制信号：气压信号管路不超过300mm。§5控制器控制规律的选择控制规律的确定广义对象：包括对象、测量变送、执行器。（1）比例控制器适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，对控制要求不高的场所。如贮槽液位、蒸汽压力控制。（2）比例积分控制器适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差的系统。如流量、压力控制。加入积分使系统稳定性降低，如同时加大比例度，则超调量、振荡周期、过渡时间会增加。（3）比例积分微分控制器适用于对象滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的场所。如温度、成分控制。微分作用能提高系统稳定性。控制器正反作用的确定通过正确选择控制器的正反作用，保证控制系统为负反馈的闭环系统。（1）测量元件和变送器：一般都为正作用，不用选择。（2）执行器：气开式为正气关式为反作用，从工艺安全角度确定。（3）被控对象：操纵变量增加，被控变量增加为正作用；反之，为反作用。控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定。例：小结：①控制系统的结构、组成、作用。②被控变量、操纵变量的选择原则。③基本控制规律的特点及应用场所。④控制器正反作用确定方法。作业：P1821516§6控制器参数的工程整定任务：根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值（比例度、积分时间、微分时间），使系统获得好的控制质量。临界比例度法分类：工程整定衰减曲线法经验凑试法理论计算复杂不用临界比例度法在纯比例下，使系统等幅振荡，得到临界比例度δk和临界周期Tk，根据经验求出各参数。特点：简单、易掌握，不适用临界比例度很小及不允许产生等幅振荡的系统。fYTktt二、衰减曲线法在纯比例下，使系统衰减振荡，得到衰减比例度δs和衰减周期Ts（或上升时间T升），根据经验求出各参数。特点：简便、质量高、可靠、应用广，不适用干扰频繁、记录曲线不规则的系统。TsT升4：1衰减振荡10：1衰减振荡三、经验凑试法根据经验先将控制器参数置于一定数值上，通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的参数值。步骤：δ→TI，都按从大到小逐步加入，最后加入微分。特点：简单、应用广，但含有一定主观因素。经验：曲线振荡很频繁，δ过小；曲线漂浮绕大弯，δ大；曲线偏离回复慢，TI过大；曲线波动周期长，TI过小；曲线振荡频率快，TD过大；动差来波动慢，TD过小。TI过小δ过小TD过大δ过大TI过大比例度小，频率高，衰减比小，稳定性差积分