控制仪表及装置教案

青岛科技大学教师授课教案

课程名称控制仪表及装置

课程性质专业课（必修）

授课教师单宝明

教师职称讲师

授课对象自动化031-5

授课时数40学时（34+6）

教学日期2006年2月

所用教材《控制仪表及装置》

吴勤勤化学工业出版社 2002年第二版

授课方式课堂教学

控制仪表及装置教案2006

青岛科技大学授课教案应该覆盖如下内容：

本单元或章节的教学目的与要求

授课主要内容

重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）主要外语词汇

辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）复习思考题

参考教材（资料）

第一章概述

第1章概论

学习目的和要求：掌握控制仪表的基本特点和分类，信号制和传输方法，仪表的分析方法。

重点、难点：信号制和信号传输，仪表电路分析方法

外语词汇：process control（过程控制）, process industries(过程工业)controlling instrument,direct digital control(DDC,直接数字控制)，supervisory system(监控系统)，distributed control system(DCS，集散控制系统或分布式控制系统)，fieldbus(现场总线)，CIMS—computer integrated manufacturing systems(计算机集成制造系统)，

CIPS-- computer integrated process systems

参考资料：周泽魁主编《控制仪表与计算机控制装置》化学工业出版社 2002

何离庆主编《过程控制系统与装置》重庆大学出版社 2003

张永德《过程控制装置》，北京化学工业出版社，2000

李新光等编著《过程检测技术》机械工业出版社，2004

侯志林《过程控制与自动化仪表》，机械工业出版社，2002年1月

授课内容：

?过程控制系统概述

?过程控制仪表与装置总体概述

?自动控制系统和过程控制仪表

?过程控制仪表与装置的分类及特点

?信号制

?仪表防爆的基本知识

?仪表的分析方法

?

1.1过程控制系统概述

1.1.1过程控制系统及其特点

过程控制的定义?

过程控制的参数?

过程控制的特点?

1.1.2过程控制系统发展概况

生产过程自动化的发展大体划分为几个阶段。

控制仪表及装置教案2006

1.仪表自动化阶段

20世纪40年代前后？基地式仪表，分散局部自动控制

20世纪50年代至60年代？单元组合仪表，集中监控与集中操纵

控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法。

控制方法：基本PID控制与串级、前馈控制等。

控制仪表：基地式仪表→单元组合仪表。

控制对象：简单的温度压力流量液位等的定值控制对象、单输入、单输出的定制控制系统。

图 1.1 单元组合仪表构成的控制系统

Fig. 1.1control system with unit construction instrument

2.计算机控制阶段

20世纪70年代至80年代？

控制理论：以状态空间分析方法为基础，其核心包括：以最小二乘法为基础的系统辨识方法，以极大值原理和动态规划为主的最优控制理论，和以卡尔曼滤波器为代表的估计技术；预测控制；自适应控制。

控制方法：经典的控制方法；最优控制方法在航空航天领域取得了成功，但尚未能很好地应用于过程工业；以模型预测控制为代表的适合于工业过程的先进控制（Adavanced Process Control, APC）方法形成，商品化APC 软件产品出现。

控制设备：单元组合仪表→计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）→DCS系统(PLC系统) 控制对象：复杂控制系统；受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。

有的又把该阶段分为两个阶段?

第一章

概述

图 1.2 计算机控制系统

Fig. 1.2 Computer Control System

图 1.3 DCS控制系统

Fig. 1.3 DCS Control System

3.综合自动化阶段

从20世纪90年代开始，进入综合自动化阶段。推出了现场总线控制技术。

何谓现场总线？智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。（国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF定义）。

何谓综合自动化系统？综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统，也称管理控制一体化的系统。这类系统是靠计算机及其网络来实现的，因此也成为计算机集成过程系统（CIPS-computer integrated process system）。

控制理论：采用第三代控制理论，即智能控制理论。智能控制将人工智能、控制理论和运筹学三大学科相结合，采用模糊技术、神经网络和专家系统等技术，比较好的解决了对象建模的困难和干扰众多与控制要求提高的矛盾，在许多难以控制的场合下，发挥了卓越的作用。与此同时，现代控制理论中的诸如非线性控制、分布参数系统、随机过程以及容错控制也在理论上和实践中得到了发展。

控制方法：结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）

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的形成与应用。

控制设备：商品化现场总线控制系统（Fieldbus Computer Systems, FCS ）逐步替代DCS 系统；计算机集成过程系统（CIPS ）

控制对象：企业整体化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理和控制自动化为主要内容，将过去局部自动化“孤岛”模式集成为一个整体的系统。 1.1.3 过程控制系统组成分类

1. 锅炉控制系统和加热炉控制系统

图 1.4 锅炉水位控制原理

图 1.5 加热炉控制原理

第一章概述

图 1.6 控制系统方框图

2.过程控制系统的组成

(1) 被控对象

(2) 传感器和变送器

(3) 控制器

(4) 执行器

图 1.7 不同的控制系统组成图3.过程控制系统的分类

按被控变量来分：

按处理的信号来分：

按是否采用计算机来分：

按控制系统系统所完成的功能来分：

按控制的动作规律来分：

按控制系统组成回路来分：

按设定值变化的形式不同，可将过程控制系统分为三类：

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(1) 定值控制系统设定值是由工艺要求给出的不变常数。

通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。

(2) 随动控制系统设定值随时间不断发生变化。

（自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。

加热炉的空燃比控制；啤酒稀释配比系统。

(3) 程序（顺序）控制系统可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数

即生产技术指标按一定时间程序变化

啤酒厂发酵罐温度控制系统；工业窑炉温度控制系统。

1.1.4过程控制系统性能指标

1.控制系统的静态和动态

静态(稳态)：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。

动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。

2.控制系统的过渡过程

(a)非周期衰减过程(b)周期衰减过程(c)等幅震荡过程(d)发散震荡过程(e)单调发散过程

图 1.8 控制系统过渡过程曲线

3.控制系统的控制指标

通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：

?以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。

主要包括：最大偏差（超调量）、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（振荡频率）……

?以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。

主要包括：平方误差积分指标、时间乘平方误差积分指标、绝对误差积分指标、时间乘绝对误差积分指标。

当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。

第一章概述

1.2过程控制仪表与装置总体概述

1.2.1过程控制仪表与装置的分类及特点

?按能源形式分类

?按信号类型分类

?按结构形式分类

1.按能源形式分类

可分为电动，气动，液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表

表1-1电动控制仪表和气动控制仪表的比较

气动仪表结构简单，性能稳定、可靠性高、价格便宜，本质上安全防爆。

电控仪表能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作，安全火化防爆。

2.按信号类型分类

分为模拟式和数字式两大类。

模拟式控制仪表由模拟元器件构成，其传输信号为连续变化的模拟量，如电流、电压、气压信号等。

数字式控制仪表以微处理器，单片机芯片为核心。其传输信号为断续变化的数字量，由于可以进行各种数字运算和逻辑判断，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。

3.按结构形式分类

分为单元组合式控制仪表、基地式控制仪表、集散型计算机控制系统、现场控制系统。

(1) 单元组合式控制仪表

各个仪表之间用统一的标准信号进行联系，将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。

电动单元组合式仪表发展阶段:

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DDZ-?型仪表： 60年代，放大元件为电子管、磁放大器。

DDZ-?型仪表： 70年代，采用晶体管放大元件。

DDZ-?型仪表120： 80年代，采用集成电路。

DDZ-S型仪表及其它： 90年代，采用微处理器的数字调节器。

单元组合仪表可分为变送单元，执行单元，调节单元，转换单元，运算单元，显示单元，给定单元和辅助单元等八类。见图1.1。

?变送单元：它能将各种被测参数，如温度，压力，流量，液位等变换成相应的标准统一信号（4-20mA，0-10mA或20-100kPa）传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。品种：？？？

?转换单元: 将电压，频率等电信号转换为标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的

转换。转换单元的品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电-气转换器、气-电转换器等。

?调节单元: 它将测量信号与给定信号进行比较，按偏差控制执行器的动作，使测量值与给定值相等。调节单元的品种有：比例积分微分调节器、比例积分调节器、微分调节器以及具有特种功的调节器等。

?运算单元:它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、配比控制、流量信号的温度压力水补偿计算等。运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。

?显示单元:它对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元的品种有：指示仪、指示记录仪、报警器、比例积算器和开方积算器等。

?给定单元:输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到调节单元，实现定值控制。其输出信号可以供给其它仪表作为参考基准值。给定单元的品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。

?执行单元:它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。执行单元的品种有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。

?辅助单元:辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表。如：操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。

(2) 基地式控制仪表

基地式控制仪表相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件，其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号。

(3) 集散控制系统(DCS)

DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。DCS系统通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通讯网络三部分组成。

(4) 现场总线控制系统(FCS系统)

FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。

第一章概述

FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设备状态可控等优点。FCS 系统中还可能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。

1.2.2信号制

信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。

目的：达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。

信号标准

1.气动仪表的信号标准(GB777)

我国国家标准GB777《化工自动化仪表用模拟气动信号》规定了气动仪表信号的下限值和上限值，如表1-2所示，该标准与国际IEC382是一致的。

表1-2 模拟信号的上下限

2.电动仪表的信号标准(GB339)

我国国家标准GB339《化工自动化仪表用模拟直流电流信号》规定。序号1的规定与国际标准IEC381 A一致。序号2考虑到DDZ-Ⅱ系列单元组合仪表当时仍在广泛使用而设置的。

表1-3 模拟直流电流信号及负载电阻

两种标准的比较：

这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。“活零点”的优点：有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。

3.其它信号传输标准：

RS485数字信号传输、Smart传输技术、现场总线技术。

4.电动仪表信号标准的使用

(1) 现场与控制室仪表之间采用直流电流信号

优点：

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直流比交流干扰少

直流信号对负载的要求简单

电流比电压更利于远传信息

要求：接收仪表输入电阻小。

缺点：多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联。

图 1.9

△任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号△仪表无公共接地点，须浮空工作

(2) 控制室内部仪表之间采用直流电压信号

第一章概述

图 1.10

优点：

△任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。

△各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。

要求：接收仪表的输入阻抗要足够高

5.变送器与控制室仪表间的信号连接

图 1.11

(1) 四线制传输

供电电源和输出信号分别用两根导线传输，如图。对器件功耗无特别要求！

(2) 二线制传输

所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。

两线制变送器：

图 1.12

1.3仪表防爆的基本知识

在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体。安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，

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就容易引起爆炸，因而必须具有防爆性能。气动仪表从本质上来说具有防爆性能。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其防爆措施不同，防爆性能也将不同，适合应用的危险场所也不同。

1.3.3防爆仪表的标准

国家标准GB3836.1《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》

1.防爆仪表的分类

按照国标GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大类：

I 类：煤矿井下用电气设备

II类：工厂用电气设备

III类：工厂用电气设备由分为8种类型。如下

2.防爆仪表的分级和分组

在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面原因：

①仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽

②仪表过高的表面温度

因此，根据上述两个方面对II类（工厂用）防爆仪表进行了分级和分组，规定其适用范围。

根据：最大试验安全间隙dmax 或最小点燃电流的比值MICR

根据：仪表最高表面温度

第一章概述

仪表的最高表面温度 = 实测最高表面温度-实测时环境温度+规定最高环境温度

3.防爆仪表的标志

防爆仪表的防爆标志为“Ex”；仪表的防爆等级标志的顺序为：防爆型式、类别、级别、温度组别。

过程控制仪表常见的防爆等级有iaIICT5 (iaIICT6)和dIIBT3二种。前者表示II类本质安全型ia等级C级T5组；后者表示II类隔爆型B级T3组。

* 防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组是相对应的。

易爆性气体或蒸汽级别和组别一览表

1.3.4过程控制仪表的防爆措施

过程控制仪表主要有: 隔爆型防爆仪表和本质安全型防爆仪表

1.隔爆型防爆仪表

特点：仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内

防爆措施：

采用耐压80～100N/cm2以上的表壳表壳外部的温升不得超过由易爆性气体或蒸汽的引燃温度所规定的数值表壳接合面的缝隙宽度及深度，应根据它的容积和易爆性气体的级别采用规定的数值。

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使用注意：*揭开仪表表壳后，将失去了防爆性能

*长期使用会逐渐降低防爆性能

2.本质安全型防爆仪表

本质安全型防爆仪表也称安全火花型防爆仪表。这种仪表，在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸。

正常状态指在设计规定条件下的工作状态，故障状态指电路中非保护性元件损坏或产生短路、断路、接地及电源故障等情况。

本质安全型防爆仪表

本质安全型ia和ib两个等级分别表示：

①ia 等级在正常工作、一个故障和两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。

②ib 等级在正常工作和一个故障时不能点燃爆炸性气体的电气设备。。

安全火花型防爆仪表所采取的措施主要有：

①仪表采用低工作电压和小工作电流。通常，正常工作电压不大于24VDC，电流不大于20mADC；故障时电压不大于35VDC，电流不大于35mADC；

②在线路设计上，对处于危险场所的电路，选择适当大小的电阻、电容和电感参数，使其只产生安全火花；同时在较大的电容、电感回路中并联双重化二极管，以消除不安全火花。

1.3.5控制系统的防爆措施

要使整个测量或控制系统的防爆性能符合安全火花防爆要求，必须满足：

①在危险场所使用安全火花型防爆仪表

②在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅

图 1.13

要真正实现安全火花防爆，必须做到：

1.必须正确地安装安全栅和布线。

（1）安全栅必须有良好的接地。

第一章概述

（2）安全栅的输入、输出端的接线，应该分别布设，不能走同一条线槽。

（3）对由安全栅通向现场仪表的信号线的分布电容和分布电感有一定的限制。

分布电感、分布电容的数值可按下公式计算

（4）因为信号线与穿线管管壁之间存在的分布电容也具有储能作用。穿管安装时，穿线管的直径宜足够大

2.安全火花型现场仪表在危险场所时，虽然允许打开表壳进行检查, 携带到现场的检修用的仪器仪表必须是安全火花型的。

1.4补充：仪表的分析方法

从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式：

①仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属于这一类的仪表有DDZ-II型仪表、大部分的变送器以及气动仪表等。

②整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式（主要是串联形式）组装而成。采用运算放大器的仪表都属于这一类构成形式，如DDZ-III型系列、I系列和EK系列仪表等。

1.4.1采用单个放大器的仪表分析

这类仪表一般具有如图所示的典型结构，整个仪表可以划分为：输入部分、放大器和反馈部分。

图 1.14

f

i

KK

K

K

x

y

+

=

1

Ki——输入部分的转换系数；

K——放大器的放大系数；

Kf——反馈部分的反馈系数。

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当满足KKf>>1的条件时，

由于 Zi = DX Zf =Kfy Zi= Zf

因此 e= Zi -Zf = 0

特点：

１.在满足KKf >>1的条件时，仪表的输出与输入关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性。

2.在满足KKf >>1的条件时，放大器的净输入e趋向于零（ e →0）。

分析方法：

1、将仪表划分为输入部分、放大器和反馈部分；

2、对各个部分分析，重点是输入部分和反馈部分；

3、求出整机输出与输入之间的关系，得整机特性。

比较环节的确定可以从放大器的输入端即 所加位置着手；

取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手。

电动仪表的两种比较方式

1.串联比较

图 1.15

2.并联比较

图 1.16

第一章概述

电动仪表的两种取样方式

气动仪表的比较环节

主要有：力比较和力矩比较二种方式。

力比较是输入力和反馈力作用在比较元件上，其差值使比较元件产生微小的位移；

力矩比较是输入力矩和反馈力矩作用在作为比较元件的杠杆上，其差值使杠杆产生微小的偏转。

气动仪表的取样方式是将仪表输出气压信号直接引入反馈部分。

1.4.2采用运算放大器的仪表分析方法

这类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相联。由于每一个运算放大器电路的输出电阻很小，而输入电阻又都足够大，这样，前、后级运算放大器电路之间相互影响很小。

分析这类仪表时，可以把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析，最后再综合得到整机的特性。

3.运算放大器的基本知识

(1) 运算放大器的基本性能

图 1.17

〈1〉输入端（+、-）：+端为同相输入端，-端为反相输入端。电压差Ud 的正方向是从同相端到反相端。UT 为同相端对地（正、负电源的公共端）的电压，UF 为反相端对地的电压。

〈2〉输出端：Uo 为输出端对地的电压，

即输出电压。

〈3〉电源端（U+ 、U- ）

把运算放大器看成是双端输入、单端输出的三端器件。

运算放大器的使用条件

控制仪表及装置教案2006

图 1.18

为差模输入电压

为共模输入电压

任何一个运算放大器，其允许承受的和都有一定的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压（又称差模输入范围）和最大共模输入电压（又称共模输入范围）。

运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最大输出电压一般比电源电压低1～2V,最大输出电流一般为5mA或10mA，在仪表电路中需要输出大电流时，往往采用三极管进行电流放大。

理想运算放大器特点：

〈1〉输入电阻Ri=0；

〈2〉输出电阻Ro=0；

〈3〉开环电压增益Ko=0；