现代自动化仪表与控制工程课件资料

现代自动化仪表与控制工程本课程将带您深入了解现代自动化仪表与控制工程的理论基础和实际应用。自动化仪表概述自动化仪表是实现工业自动化控制的关键组成部分，它能够感知、测量和控制各种物理量，为自动控制系统提供准确可靠的信息。感知自动化仪表能够感知各种物理量，如温度、压力、流量、液位等。测量自动化仪表能够对感知的物理量进行准确测量，并将测量结果转换为电信号。控制自动化仪表能够根据控制指令对被控对象进行控制，实现自动调节和优化。自动化仪表的分类自动化仪表根据其功能和用途可以分为不同的类型，常见的分类包括：测量仪表用于测量各种物理量，如温度计、压力表、流量计、液位计等。控制仪表用于控制被控对象的运行状态，如调节器、执行机构等。信号处理仪表用于对测量信号进行处理和转换，如变送器、放大器等。记录仪表用于记录测量值的变化趋势，如记录仪、数据采集器等。常用自动化仪表的构造和工作原理常用自动化仪表的构造和工作原理各不相同，但它们通常包含传感器、信号处理电路、显示器等关键部分。传感器用于将被测物理量转换为电信号。信号处理电路用于对传感器输出的信号进行处理和放大。显示器用于显示测量结果或控制参数。压力传感器压力传感器用于测量气体或液体的压力，其工作原理通常是基于压力的变化引起应变片或压电元件的电阻或电压的变化。应变片式利用压力引起应变片电阻的变化来测量压力。压电式利用压力引起压电元件产生电压的变化来测量压力。温度传感器温度传感器用于测量温度，其工作原理通常是基于温度的变化引起材料的电阻、电压或频率的变化。1热电偶式利用两种不同金属之间的温差产生电压来测量温度。2热敏电阻式利用温度变化引起热敏电阻电阻变化来测量温度。3铂电阻式利用温度变化引起铂电阻电阻变化来测量温度。液位传感器液位传感器用于测量液体的高度或体积，其工作原理通常是基于液位的变化引起传感器内部的物理变化，例如电容、电阻或浮力的变化。1浮球式利用浮球的浮力变化来测量液位。2电容式利用液位的变化改变电容来测量液位。3超声波式利用超声波的反射时间来测量液位。流量传感器流量传感器用于测量流体流动的速度或体积，其工作原理通常是基于流体的流动引起传感器内部的物理变化，例如电磁感应、涡街效应或压差效应。涡街式利用流体在涡街传感器内部产生的涡流频率来测量流量。电磁式利用流体在磁场中切割磁力线产生的感应电动势来测量流量。差压式利用流体在流量计前后产生的压差来测量流量。变送器的作用和分类变送器是自动化控制系统中的重要组成部分，它将传感器输出的模拟信号转换为标准的信号形式，便于传输和处理。1信号转换将传感器输出的模拟信号转换为标准的信号形式。2信号放大放大传感器输出的弱信号。3信号滤波滤除信号中的干扰噪声。4信号隔离隔离不同回路之间的干扰信号。执行机构的分类和原理执行机构是自动化控制系统中用于执行控制指令的装置，它根据控制信号改变被控对象的运行状态。1电动执行机构利用电机驱动装置来执行控制指令。2气动执行机构利用压缩空气驱动装置来执行控制指令。3液压执行机构利用油压驱动装置来执行控制指令。控制阀的结构和工作过程控制阀是执行机构中常见的装置，它根据控制信号调节流体的流量，从而改变被控对象的运行状态。1阀芯控制流体流量的部件。2阀体固定阀芯的部件。3执行器根据控制信号推动阀芯移动的部件。伺服机构的组成和特点伺服机构是自动化控制系统中用于实现精确控制的装置，它能够根据控制信号快速准确地调节被控对象的运行状态。伺服电机用于驱动执行机构的电机。伺服控制器用于处理控制信号并控制伺服电机的运行。反馈系统用于将执行机构的实际位置反馈给伺服控制器，以实现闭环控制。PID控制原理PID控制是一种常用的控制算法，它根据误差信号的大小和变化趋势来调节控制输出，以实现对被控对象的精确控制。自动控制系统的构成自动控制系统通常由传感器、信号处理电路、控制器、执行机构等部分组成，它们协同工作以实现对被控对象的自动控制。传感器用于感知被控对象的运行状态。控制器用于根据误差信号发出控制指令。执行机构用于执行控制指令，改变被控对象的运行状态。开环控制和闭环控制开环控制系统不包含反馈回路，控制器的输出直接作用于执行机构，而闭环控制系统包含反馈回路，将执行机构的实际输出反馈到控制器，以实现对被控对象的精确控制。开环控制控制器的输出直接作用于执行机构，无法根据实际输出情况调整控制指令。闭环控制将执行机构的实际输出反馈到控制器，根据实际输出情况调整控制指令，实现精确控制。自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标用于评价自动控制系统的性能，常见的性能指标包括调节精度、稳定性、响应速度等。调节精度指控制系统能够将被控对象控制在设定值的误差范围内的能力。稳定性指控制系统在受到扰动后能够恢复到稳定状态的能力。响应速度指控制系统对输入信号的反应速度。调节系统的调节精度和稳定性调节系统的调节精度和稳定性是衡量调节系统性能的重要指标，它们直接影响到控制系统的控制效果。1调节精度指调节系统能够将被控对象控制在设定值的误差范围内的能力。2稳定性指调节系统在受到扰动后能够恢复到稳定状态的能力。调节系统的响应特性调节系统的响应特性指调节系统对输入信号的反应速度和方式，它反映了调节系统的动态特性。上升时间指调节系统从初始状态到达到设定值的时间。超调量指调节系统在达到设定值后超过设定值的幅度。稳定时间指调节系统达到稳定状态所需的时间。计算机控制系统的基本结构计算机控制系统通常由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要包括计算机、输入输出设备、执行机构等，软件部分主要包括操作系统、应用程序等。1硬件部分包括计算机、输入输出设备、执行机构等。2软件部分包括操作系统、应用程序等。3控制算法根据控制目标设计，实现对被控对象的自动控制。工业现场总线技术工业现场总线技术是用于在工业现场进行数据传输和控制的一种技术，它能够提高工业控制系统的可靠性、效率和灵活性。1数据传输用于在不同设备之间进行数据传输。2控制指令用于传递控制指令。3实时监控用于实时监控设备的运行状态。分布式控制系统DCS分布式控制系统DCS是一种将控制系统功能分散到多个控制单元的控制系统，它能够提高系统的可靠性、可扩展性和安全性。1控制单元负责控制单个或多个被控对象的运行状态。2通信网络用于不同控制单元之间的数据传输和信息共享。3操作员站用于监控系统运行状态，并进行操作。可编程序控制器PLC可编程序控制器PLC是一种专门用于工业控制的计算机，它具有可靠性高、可编程性强、抗干扰能力强等优点。控制单元负责执行控制程序。编程软件用于编写控制程序。输入输出模块用于连接传感器、执行机构和其他设备。上位机SCADA系统上位机SCADA系统是一种用于监控和管理工业过程的软件系统，它能够收集、处理和显示来自现场设备的数据，并进行实时监控和报警。自动化仪表与控制系统的故障诊断自动化仪表与控制系统的故障诊断是指对系统中出现的故障进行分析和判断，以确定故障原因并采取相应的措施进行修复。故障检测通过传感器、控制器等设备监测系统运行状态，发现异常情况。故障隔离确定故障发生的位置，并隔离故障部件。故障修复对故障部件进行修复或更换，恢复系统正常运行。自动化仪表与控制系统的维护保养自动化仪表与控制系统的维护保养是指对系统进行定期检查、清洁、润滑、调整和维修，以保证系统能够长期安全稳定运行。定期检查定期对系统进行检查，发现潜在问题。清洁维护对系统进行清洁，保持设备清洁度。润滑保养对系统中的机械部件进行润滑，延长其使用寿命。调整维修对系统进行调整，并对故障部件进行维修。自动化仪表与控制系统的安全防护自动化仪表与控制系统的安全防护是指对系统进行安全设计和安全措施，以防止事故发生，保障人员和设备的安全。安全设计在系统设计阶段就考虑安全因素，避免潜在的安全隐患。安全报警在系统出现异常情况时发出报警，提醒操作人员及时采取措施。安全联锁设置安全联锁装置，防止操作人员误操作造成事故。自动化仪表与控制系统的应用领域自动化仪表与控制系统在工业生产、科学研究、国防军事等领域有着广泛的应用，它能够提高生产效率、产品质量和安全性，促进社会发展。1工业生产提高生产效率、产品质量和安全性，降低生产成本。2科学研究用于进行实验数据的采集和处理，实现实验过程的自动化控制。3国防军事用于武器装备的控制和管理，提高作战效率和安全性。自动化仪表与控制工程的发展趋势自动化仪表与控制工程正在不断发展，未来将朝着智能化、网络化、集成化方向发展。智能化应用人工智能技术，实现智能控制和优化。网络化将不同设备和系统连接到网络，实现信息共享和远程控制。集成化将不同子系统