自动化仪表与控制系统作业指导书

自动化仪表与控制系统作业指导书TOC\o"1-2"\h\u12220第一章自动化仪表概述 242981.1自动化仪表的定义与分类 291351.2自动化仪表的基本功能与作用 322279第二章自动化仪表的测量原理 336742.1压力测量原理 3296932.2温度测量原理 4248822.3流量测量原理 4154672.4物位测量原理 52729第三章自动化仪表的传感器技术 5263363.1传感器的分类与特点 523873.1.1传感器的分类 563673.1.2传感器的特点 5289283.2传感器的选择与使用 6209943.2.1传感器的选择 6147793.2.2传感器的使用 6198383.3传感器信号的调理与处理 6122553.3.1信号调理 6298073.3.2信号处理 621910第四章自动化仪表的执行器技术 740504.1执行器的分类与特点 7188094.2执行器的选择与使用 779714.3执行器的控制原理 79017第五章控制系统概述 884265.1控制系统的基本概念 8323675.2控制系统的分类与特点 8176045.3控制系统的发展趋势 927911第六章控制系统的基本组成 9314046.1控制器的设计与实现 955996.2控制对象的特性分析 10126886.3控制系统的反馈与校正 1010645第七章控制策略与算法 11264777.1经典控制策略 11262697.1.1比例积分微分（PID）控制 11326607.1.2比例控制（P） 11284287.1.3积分控制（I） 11142717.1.4微分控制（D） 1214727.2现代控制策略 1269427.2.1模糊控制 12137757.2.2神经网络控制 1226987.2.3自适应控制 12159697.3智能控制策略 13275107.3.1遗传算法 13118707.3.2蚁群算法 13233917.3.3粒子群算法 1313983第八章自动化仪表与控制系统的集成 13296418.1系统集成的基本概念 13118998.2系统集成的方法与步骤 14192088.2.1方法 14260868.2.2步骤 141028.3集成过程中的关键问题 14311158.3.1设备兼容性 14221168.3.2网络通信 14164988.3.3软件编程 15133578.3.4系统安全性 15266868.3.5运行维护 1528530第九章自动化仪表与控制系统的调试与维护 15153749.1系统调试的基本方法 1526279.2系统调试的步骤与技巧 15131709.3系统维护与故障处理 1611435第十章自动化仪表与控制系统在工业中的应用 16464210.1自动化仪表在工业生产中的应用 16820310.2控制系统在工业生产中的应用 162619710.3工业自动化的发展趋势与挑战 17第一章自动化仪表概述1.1自动化仪表的定义与分类自动化仪表是现代工业自动化系统中不可或缺的重要组成部分，它主要是指用于检测、显示、控制生产过程中各种物理量（如温度、压力、流量、液位等）的仪表设备。自动化仪表通过对生产过程中关键参数的实时监测，为生产过程的自动化控制提供数据支持。根据功能和应用领域的不同，自动化仪表可分为以下几类：（1）检测仪表：用于实时检测生产过程中的各种物理量，如温度、压力、流量、液位等。检测仪表包括传感器、变送器等。（2）显示仪表：用于显示检测仪表所检测到的物理量数值，如指针式仪表、数字式仪表等。（3）控制仪表：用于对生产过程中的物理量进行调节和控制，如调节阀、执行器等。（4）执行器：用于将控制信号转换为机械动作，实现对生产过程的自动控制。（5）集中控制装置：用于对多个自动化仪表进行集中管理和控制，如集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）等。1.2自动化仪表的基本功能与作用自动化仪表的基本功能主要包括以下几点：（1）检测功能：自动化仪表能够实时检测生产过程中的各种物理量，为控制系统提供准确的数据支持。（2）显示功能：自动化仪表能够将检测到的物理量数值以直观的方式显示出来，便于操作人员了解生产状况。（3）控制功能：自动化仪表能够根据设定的控制策略，对生产过程中的物理量进行调节和控制，以保证生产过程的稳定和优化。（4）通信功能：自动化仪表具备与其他设备或系统进行通信的能力，便于实现数据共享和集中控制。自动化仪表的作用主要体现在以下几个方面：（1）提高生产效率：自动化仪表能够实时监测生产过程中的关键参数，为控制系统提供数据支持，从而提高生产效率。（2）保证产品质量：自动化仪表能够精确控制生产过程中的物理量，保证产品质量达到预定要求。（3）节约能源：自动化仪表能够根据生产需求自动调节能源消耗，降低生产成本。（4）保障生产安全：自动化仪表能够实时监测生产过程中的安全隐患，及时发出警报，保障生产安全。第二章自动化仪表的测量原理2.1压力测量原理压力测量是自动化仪表中的一项基本功能，其原理主要基于物理学中的力学原理。压力测量仪表通常分为两大类：机械式压力表和电子式压力表。机械式压力表的测量原理是利用弹性元件（如弹簧、波纹管等）在受到压力作用时产生的弹性变形与压力成正比的关系。当被测介质压力作用于弹性元件时，弹性元件发生变形，通过机械传动装置将变形转化为指针的位移，从而在表盘上显示出压力值。电子式压力表则采用压力传感器将压力信号转换为电信号输出。压力传感器通常采用压阻式、电容式等原理，当受到压力作用时，传感器的电阻或电容发生变化，从而输出与压力成正比的电信号。电子式压力表具有测量精度高、响应速度快、输出信号稳定等优点。2.2温度测量原理温度测量是自动化仪表中的重要组成部分，其原理主要基于热学原理。常见的温度测量方法有热电偶、热电阻和辐射测温等。热电偶的测量原理是基于热电效应，即两种不同金属或合金在温度差的作用下产生热电势差。将热电偶的两个接点分别置于被测介质和参考温度环境中，接点间产生的热电势差与温度差成正比，通过测量热电势差即可得到被测介质的温度。热电阻的测量原理是基于金属或半导体材料的电阻随温度变化的特性。热电阻的温度系数较大，测量精度较高。将被测介质与热电阻紧密接触，通过测量热电阻的电阻值变化即可得到介质的温度。辐射测温则是利用物体在辐射能量与温度之间的关系进行测量。物体在温度较高时，会向外辐射能量，辐射能量与温度的关系符合普朗克辐射定律。通过测量物体辐射的能量，即可得到物体的温度。2.3流量测量原理流量测量是自动化仪表中的一项重要功能，其原理主要基于流体力学原理。常见的流量测量方法有差压流量计、电磁流量计、超声波流量计等。差压流量计的测量原理是基于伯努利方程，当流体流过节流装置时，流速增加，压力降低，形成差压。通过测量差压值，可以计算得到流量。电磁流量计的测量原理是法拉第电磁感应定律。当导体（流体）在磁场中运动时，会在导体中产生感应电动势。电磁流量计通过测量导体中的感应电动势，可以得到流体的流速，从而计算得到流量。超声波流量计的测量原理是利用超声波在流体中传播速度与流体流速的关系。超声波流量计通过发送和接收超声波信号，计算超声波在流体中的传播速度，从而得到流体的流速和流量。2.4物位测量原理物位测量是自动化仪表中的重要组成部分，其原理主要基于物理原理。常见的物位测量方法有浮力法、电容法、雷达法等。浮力法的测量原理是基于阿基米德原理，当物体浸入液体时，受到的浮力与物体排开的液体体积成正比。通过测量浮力的大小，可以得到物位高度。电容法的测量原理是利用物体与液体之间的电容变化关系。当物位发生变化时，物体与液体之间的电容也随之变化。通过测量电容值，可以得到物位高度。雷达法的测量原理是利用电磁波在物体与液体之间的反射特性。雷达发射器向被测物体发送电磁波，当电磁波遇到物体时发生反射，通过测量反射波的强度和时间，可以得到物位高度。第三章自动化仪表的传感器技术3.1传感器的分类与特点3.1.1传感器的分类传感器是自动化仪表系统的核心组成部分，其主要功能是感知被测对象的物理、化学或生物信息，并将其转换为可处理的电信号。根据传感器的工作原理和应用领域，可分为以下几类：（1）物理传感器：利用物理效应将非电量转换为电量的传感器，如热敏电阻、光敏电阻、压电传感器等。（2）化学传感器：利用化学反应原理将化学量转换为电量的传感器，如气体传感器、湿度传感器等。（3）生物传感器：利用生物分子识别原理将生物量转换为电量的传感器，如酶传感器、免疫传感器等。3.1.2传感器的特点（1）高灵敏度：传感器能够对微小变化产生显著的输出信号，便于后续信号处理。（2）高稳定性：传感器在长时间工作过程中，输出信号稳定，可靠性高。（3）高精确度：传感器能够精确地测量被测对象，保证测量结果的准确性。（4）低能耗：传感器在工作过程中，能耗较低，有利于节能降耗。（5）抗干扰能力强：传感器能够在复杂环境下正常工作，具有较强的抗干扰能力。3.2传感器的选择与使用3.2.1传感器的选择在选择传感器时，应根据以下原则进行：（1）根据测量对象选择合适的传感器类型。（2）考虑传感器的测量范围、精确度、灵敏度等功能指标。（3）考虑传感器的工作环境，如温度、湿度、腐蚀性等。（4）考虑传感器的输出信号类型，如电压、电流、频率等。（5）考虑传感器的安装方式、尺寸和重量等因素。3.2.2传感器的使用在使用传感器时，应注意以下几点：（1）保证传感器安装正确，连接可靠。（2）对传感器进行标定，以获取准确的测量结果。（3）定期对传感器进行检查和维护，以保证其正常工作。（4）根据实际需要，对传感器信号进行滤波、放大、转换等处理。3.3传感器信号的调理与处理3.3.1信号调理传感器输出的信号通常需要经过调理，以满足后续信号处理和显示的要求。信号调理主要包括以下几种方法：（1）滤波：去除信号中的噪声，提高信噪比。（2）放大：将微弱信号放大到可用范围。（3）转换：将非电信号转换为电信号，如热电偶、压电传感器等。（4）线性化：对非线性信号进行线性化处理，便于后续计算和控制。3.3.2信号处理传感器信号处理主要包括以下几种方法：（1）模拟信号处理：对模拟信号进行滤波、放大、转换等处理。（2）数字信号处理：对数字信号进行滤波、放大、转换等处理，如数字滤波器、快速傅里叶变换（FFT）等。（3）信号分析与识别：对信号进行时域、频域分析，提取特征参数，进行模式识别。（4）智能算法：利用神经网络、遗传算法等智能算法对信号进行处理，实现优化和控制。第四章自动化仪表的执行器技术4.1执行器的分类与特点执行器作为自动化控制系统的重要组成部分，其主要功能是根据控制信号，将电能、液压能、气能等转换成机械能，实现对被控对象的精确控制。按照工作原理和能源形式，执行器可分为以下几类：（1）电动执行器：电动执行器以电能为动力源，具有结构简单、输出力大、响应速度快、控制精度高等特点。主要应用于电力系统、工业自动化等领域。（2）气动执行器：气动执行器以压缩空气为动力源，具有输出力较大、响应速度快、安全性高等特点。广泛应用于化工、石油、制药等行业。（3）液动执行器：液动执行器以液压油为动力源，具有输出力大、控制精度高、运行平稳等特点。常用于大型设备、高精度控制系统等场合。（4）复合执行器：复合执行器是指将多种能源形式和工作原理相结合的执行器，如电气复合执行器、电液复合执行器等。这类执行器具有多种能源的优点，可根据实际需求灵活选择。4.2执行器的选择与使用执行器的选择与使用应遵循以下原则：（1）根据被控对象的特性和控制要求，选择合适的执行器类型。（2）考虑执行器的输出力、响应速度、控制精度等功能指标，满足控制系统对执行器功能的要求。（3）根据现场环境和工况，选择具有相应防护等级和抗干扰能力的执行器。（4）在满足功能要求的前提下，选择经济性较好的执行器。（5）保证执行器与控制系统、被控对象之间的匹配性，实现良好的控制效果。4.3执行器的控制原理执行器的控制原理主要包括以下几个方面：（1）信号转换：执行器接收来自控制系统的控制信号，如电压、电流、气压等，将其转换成相应的机械位移或力。（2）驱动原理：根据执行器的工作原理，驱动部件将输入信号转换为机械能，实现执行器的输出动作。（3）反馈控制：执行器输出动作后，通过传感器将实际输出值反馈给控制系统，与期望值进行比较，形成闭环控制，提高控制精度。（4）保护原理：执行器在运行过程中，需具备一定的保护功能，如过载保护、短路保护等，保证执行器的正常运行和系统安全。（5）通信与接口：执行器与控制系统之间通过通信接口实现信息交互，如Modbus、Profibus等通信协议，实现执行器的远程监控与控制。第五章控制系统概述5.1控制系统的基本概念控制系统是自动化仪表的重要组成部分，其主要任务是对被控对象进行精确、可靠的自动控制。控制系统由控制器、执行器、被控对象和反馈环节组成。控制器根据设定的控制目标和被控对象的实际状态，控制信号，通过执行器作用于被控对象，使其达到预定的控制目标。反馈环节则用于实时监测被控对象的状态，并将监测结果反馈给控制器，以便控制器调整控制信号，实现更加精确的控制。5.2控制系统的分类与特点控制系统根据其控制策略和功能特点，可分为以下几类：（1）模拟控制系统：采用模拟信号进行控制，具有线性、连续、实时性等特点。模拟控制系统主要包括比例控制、积分控制、微分控制等。（2）数字控制系统：采用数字信号进行控制，具有离散、量化、抗干扰能力强等特点。数字控制系统主要包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。（3）复合控制系统：结合模拟控制系统和数字控制系统的优点，采用多种控制策略进行控制，具有更高的控制精度和稳定性。（4）智能控制系统：利用人工智能技术，如遗传算法、进化算法、机器学习等，实现自适应、自学习、自优化等功能的控制系统。各类控制系统的特点如下：（1）模拟控制系统：结构简单，易于实现，但控制精度较低，抗干扰能力较弱。（2）数字控制系统：控制精度高，抗干扰能力强，但系统复杂，设计难度较大。（3）复合控制系统：结合了模拟控制系统和数字控制系统的优点，具有较高的控制精度和稳定性，但系统设计复杂，调试难度较大。（4）智能控制系统：具有自适应、自学习、自优化等功能，控制效果良好，但算法复杂，对硬件和软件要求较高。5.3控制系统的发展趋势科学技术的不断发展，控制系统在以下几个方面呈现出明显的发展趋势：（1）控制策略多样化：为适应不同应用场景的需求，控制系统将不断引入新的控制策略，如自适应控制、预测控制、智能控制等。（2）控制系统模块化：为降低系统设计难度，提高系统集成度，控制系统将朝着模块化方向发展，实现各模块的即插即用。（3）控制系统智能化：利用人工智能技术，使控制系统具有更高的自主性和智能水平，实现自适应、自学习、自优化等功能。（4）控制系统网络化：物联网、大数据等技术的发展，控制系统将实现与网络的深度融合，实现远程监控、诊断和维护。（5）控制系统节能环保：在满足控制功能的前提下，控制系统将更加注重节能环保，降低能耗和污染排放。第六章控制系统的基本组成6.1控制器的设计与实现控制器作为控制系统的核心部件，其主要功能是对被控对象进行调节与控制。控制器的设计与实现需遵循以下原则：（1）明确控制目标：根据实际需求，明确控制系统的功能指标，如稳定性、快速性、精确度等。（2）选择合适的控制策略：根据控制目标，选择合适的控制策略，如比例控制、积分控制、微分控制、PID控制等。（3）设计控制器参数：根据所选控制策略，设计控制器参数，以满足系统功能指标要求。（4）实现控制器：采用硬件或软件方式实现控制器，如采用PLC、单片机、工控机等。以下是控制器设计与实现的具体步骤：（1）确定控制目标与功能指标；（2）选择控制策略；（3）设计控制器参数；（4）实现控制器；（5）验证控制器功能。6.2控制对象的特性分析控制对象是控制系统中的被控对象，其特性对控制系统的功能具有重要影响。以下是控制对象的主要特性：（1）静态特性：包括稳态增益、稳态误差等，反映控制对象在稳态下的功能。（2）动态特性：包括阶跃响应、冲击响应、频率响应等，反映控制对象在动态过程中的功能。（3）非线性特性：控制对象在实际工作中可能存在非线性环节，如饱和、死区、滞后等。（4）时变性：控制对象的参数可能随时间发生变化，导致系统功能发生变化。对控制对象特性分析的方法有以下几种：（1）实验法：通过实际运行控制系统，观察控制对象的响应特性。（2）数学建模法：根据控制对象的物理原理，建立数学模型，分析其特性。（3）频率分析法：利用频率响应函数，分析控制对象的频率特性。（4）时域分析法：利用时域响应函数，分析控制对象的时域特性。6.3控制系统的反馈与校正反馈与校正是控制系统的重要组成部分，其主要目的是提高系统的功能和稳定性。以下是反馈与校正的主要方法：（1）反馈：将系统输出信号的一部分或全部反馈至输入端，与输入信号进行比较，形成误差信号，用于调整控制器的输出。（2）校正：通过引入校正环节，对系统进行补偿，以改善系统的功能。以下是反馈与校正的具体步骤：（1）确定反馈方式：根据控制对象特性和控制目标，选择合适的反馈方式，如负反馈、正反馈等。（2）设计反馈环节：根据反馈方式，设计反馈环节，如比例反馈、积分反馈、微分反馈等。（3）设计校正环节：根据系统功能要求，选择合适的校正环节，如比例校正、积分校正、微分校正等。（4）实现反馈与校正：采用硬件或软件方式实现反馈与校正环节。（5）验证系统功能：通过仿真或实验，验证反馈与校正后的系统功能是否满足要求。第七章控制策略与算法7.1经典控制策略经典控制策略主要包括比例积分微分（PID）控制、比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）。以下是各类控制策略的详细介绍：7.1.1比例积分微分（PID）控制PID控制是工业控制系统中应用最广泛的一种控制策略。它通过调整比例、积分和微分三个参数，对系统进行实时调整，以达到期望的控制效果。PID控制器具有以下特点：比例（P）控制：根据偏差大小进行调节，使系统输出接近期望值；积分（I）控制：消除静态误差，提高系统稳态功能；微分（D）控制：预测系统输出趋势，抑制系统超调和振荡。7.1.2比例控制（P）比例控制是根据偏差大小进行调节的一种控制策略。它适用于系统响应速度要求不高、静态误差允许的场合。比例控制器具有以下特点：调节速度快；静态误差较大；不适用于非线性系统。7.1.3积分控制（I）积分控制是消除静态误差的一种控制策略。它通过累积偏差，使系统输出逐渐接近期望值。积分控制器具有以下特点：消除静态误差；调节速度较慢；适用于线性系统。7.1.4微分控制（D）微分控制是预测系统输出趋势，抑制超调和振荡的一种控制策略。它根据系统输出变化率进行调节。微分控制器具有以下特点：抑制超调和振荡；提高系统响应速度；对噪声敏感。7.2现代控制策略现代控制策略主要包括模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。以下是各类控制策略的详细介绍：7.2.1模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制策略。它将模糊集合理论应用于控制过程中，对不确定性和非线性系统进行有效控制。模糊控制器具有以下特点：适应性强；控制规则易于制定；适用于非线性、时变和不确定性系统。7.2.2神经网络控制神经网络控制是利用人工神经网络实现对系统进行控制的一种策略。它具有自学习、自适应能力，能够处理复杂非线性系统。神经网络控制器具有以下特点：自学习能力；适应性强；适用于非线性、时变和不确定性系统。7.2.3自适应控制自适应控制是一种根据系统特性变化自动调整控制参数的控制策略。它能够适应系统参数变化和外部扰动，保持系统功能稳定。自适应控制器具有以下特点：适应性强；控制精度高；适用于非线性、时变和不确定性系统。7.3智能控制策略智能控制策略主要包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。以下是各类控制策略的详细介绍：7.3.1遗传算法遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的优化算法。它通过编码、选择、交叉和变异等操作，对控制参数进行优化。遗传算法具有以下特点：全局搜索能力强；适应性强；适用于复杂优化问题。7.3.2蚁群算法蚁群算法是一种模拟蚂蚁觅食行为的优化算法。它通过信息素的作用，指导蚂蚁寻找最优路径。蚁群算法具有以下特点：适应性强；搜索速度快；适用于组合优化问题。7.3.3粒子群算法粒子群算法是一种模拟鸟群和鱼群行为的优化算法。它通过个体间的信息共享和局部搜索，寻找最优解。粒子群算法具有以下特点：适应性强；搜索速度快；适用于连续优化问题。第八章自动化仪表与控制系统的集成8.1系统集成的基本概念系统集成是指将自动化仪表与控制系统的各个组成部分进行有机组合，形成一个完整的、协调一致的工作系统。系统集成的主要目的是实现信息的共享、传递与处理，提高系统的整体功能和可靠性。系统集成涉及硬件、软件、网络等多个层面的综合应用，包括设备选型、系统设计、安装调试、运行维护等环节。8.2系统集成的方法与步骤8.2.1方法（1）需求分析：充分了解用户需求，明确系统功能、功能、可靠性等指标。（2）方案设计：根据需求分析，制定系统总体设计方案，包括硬件、软件、网络等方面的配置。（3）设备选型：根据方案设计，选择合适的自动化仪表与控制设备，保证设备功能满足系统要求。（4）软件编程：编写系统控制程序，实现各设备之间的数据交换与处理。（5）系统安装与调试：按照设计方案，安装自动化仪表与控制系统，并进行调试，保证系统稳定可靠。（6）运行维护：对系统进行定期检查、维护，保证系统长期稳定运行。8.2.2步骤（1）项目启动：明确项目目标、范围、进度等，组织项目团队。（2）需求分析：与用户沟通，了解需求，形成需求分析报告。（3）方案设计：根据需求分析，制定系统总体设计方案。（4）设备选型：根据方案设计，选择合适的自动化仪表与控制设备。（5）软件编程：编写系统控制程序，实现各设备之间的数据交换与处理。（6）系统安装与调试：按照设计方案，安装自动化仪表与控制系统，并进行调试。（7）系统验收：对系统进行验收，保证满足用户需求。（8）运行维护：对系统进行定期检查、维护，保证系统长期稳定运行。8.3集成过程中的关键问题8.3.1设备兼容性在系统集成过程中，设备兼容性是一个关键问题。需要保证不同厂商、不同型号的自动化仪表与控制设备能够正常工作在一起，实现数据交换与处理。8.3.2网络通信网络通信是系统集成的另一个关键问题。要保证各设备之间的数据传输稳定、高效，需要合理设计网络结构，选择合适的通信协议。8.3.3软件编程软件编程是系统集成中的一环。编写高效、可靠的程序，实现各设备之间的数据交换与处理，是保证系统功能的关键。8.3.4系统安全性系统安全性是系统集成过程中不可忽视的问题。需要采取相应的措施，保证系统免受外部攻击和内部误操作的影响。8.3.5运行维护运行维护是系统集成后的长期任务。要保证系统长期稳定运行，需要建立完善的运行维护体系，对系统进行定期检查、维护。第九章自动化仪表与控制系统的调试与维护9.1系统调试的基本方法系统调试是自动化仪表与控制系统投入使用前的关键环节，其主要目的是验证系统功能的正确性、稳定性和可靠性。以下是系统调试的基本方法：（1）单体调试：对系统中的各个仪表和设备进行独立调试，保证其功能指标达到规定要求。（2）联动调试：将各个仪表和设备连接起来，进行整体调试，检查系统各部分之间的配合和协调性。（3）功能测试：通过模拟实际工况，对系统进行功能测试，验证系统是否满足设计要求。（4）故障诊断：在调试过程中，发觉并诊断系统可能存在的问题，以便及时进行调整。9.2系统调试的步骤与技巧系统调试应遵循以下步骤和技巧：（1）准备阶段：了解系统设计原理、功能要求和技术参数，熟悉相关设备的使用方法。（2）单体调试阶段：按照设备说明书和调试大纲，逐一对仪表和设备进行调试。（3）联动调试阶段：将各个仪表和设备连接起来，进行整体调试，注意观察系统运行状况。（4）功能测试阶段：通过模拟实际工况，对系统进行功能测试，记录测试数据。（5）故障诊断与处理阶段：针对调试过程中发觉的问题，进行故障诊断和处理。（6）调试总结阶段：总结调试过程，撰写调试报告，为系统投运提供依据。9.3系统维护与故障处理系统维护是保证自动化仪表与控制系统正常运